伺服电机

立式铣床§2.3伺服电动机主轴电机伺服电机刀库刀具定位电机机械手旋转定位电机带制动器伺服电机加工中心伺服驱动系统（ServoSystem)CNC系统驱动电机检测装置控制信号反馈信号光栅尺伺服驱动系统伺服电动机可分为两类：伺服电动机又称执行电动机。其功能是将输入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角速度，驱动控制对象。直流伺服电动机交流伺服电动机伺服电动机可控性好，反应迅速。是自动控制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。2.3.1直流伺服电动机直流伺服电动机的结构与直流电动机基本相同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。直流伺服电动机的工作原理也与直流电动机相同。供电方式：他励供电。励磁绕组和电枢分别由两个独立的电源供电。Uf为励磁电压，Uc为电枢电压MUfIfIcUc放大器U++––直流伺服电动机的接线图由机械特性可知：(1)一定负载转矩下，当磁通不变时，U2n。(2)U2=0时，电机立即停转。电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机反转。直流伺服电机的机械特性与他励直流电机相同一样，也可用下式表示TKKRKUnTEE2a2ΦΦ直流伺服电动机的n=f(T)曲线(U1=常数)nTO直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。通常应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控制等。直流伺服电机输出功率一般为1-600W。应用：应用举例种类励磁方式产品型号机构特点性能特点适用范围一般直流伺服电动机电磁或永磁SZ或SY与普通直流电动机相同，但电枢铁心长度与直径之比大一些，气隙较小。具有下垂的机械和线性的调节特性，对控制信号的响应快速。一般直流伺服系统无槽电枢直流伺服电动机电磁或永磁SWC电枢铁心为光滑圆柱体，电枢绕组用环氧树脂粘在电枢铁心表面，气隙较大。具有一般直流伺服电动机的特点，而且转动惯量和机电时间常数小，换向良好。需要快速动作、功率较大的直流伺服系统。空心杯形电枢直流伺服电动机永磁SYK电枢绕组用环氧树脂浇注成杯型，置于内、外定子之间，内、外定子分别用软磁材料和永磁材料做成。具有一般直流伺服电动机的特点，且转动惯量和机电时间常数小，低速运转平滑，换向好。需要快速动作的直流伺服系统。印刷绕组直流伺服电动机永磁SN在圆盘形绝缘薄板上印制裸露的绕组构成电枢，磁极轴向安装。转动惯量小，机电时间常数小，低速运行性能好。低速和启动、反转频繁的控制系统。无刷直流伺服电动机永磁SW由晶体管开关电路和位置传感器代替电刷和换向器，转子用永久磁铁做成，电枢绕组在定子上，且做成多相式。既保持了一般直流伺服电动机的优点，又克服了换向器和电刷带来的缺点。寿命长，噪音低。要求噪音低、对无线电不产生干扰的控制系统。2.3.2交流伺服电动机交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差90的两个绕组：励磁绕组和控制绕组，其结构如图所示。励磁绕组控制绕组杯形转子内定子交流伺服电动机结构图放大器检测元件控制信号2U2I+–U+–控制绕组励磁绕组UCU1I1U+++–––1励磁绕组串联电容C,是为了产生两相旋转磁场。适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近90,从而产生所需的旋转磁场。交流伺服电动机的接线图和相量图(a）接线图1UCU1I1U(b)相量图控制电压与电源电压频率相同，相位相同或反相。2UU加在控制绕组上的控制电压反相时(保持励磁电压不变)，由于旋转磁场的旋转方向发生变化，使电动机转子反转。交流伺服电动机的特点：在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。放大器检测元件控制信号2U2I+–U+–控制绕组励磁绕组UCU1I1U+++–––1工作时两个绕组中产生的电流和的相位差近于90º，因此便产生两相旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。2I1I•消除措施是想办法在控制电压Uc＝0时电机自己产生制动转矩方法：增大转子电阻R2。2.3.2.2消除“自转”现象的措施•由Sm=R2/X20知当R2↑Sm↑（即nm↓）•当Sm1时（即nm0）特性见图•这时，负方向也类似(S)nn0(0)T-1(1)0TT+T•当Uc＝0单相运行时两个方向相反的旋转磁场在转子上产生的合力矩与转动方向相反（即制动）当Uc≠0时加强了一个方向的旋转磁场的强度使合力矩变成了与转动方向相同的方向从而转动起来Uc↑合力矩↑当Uc相位改变180度时，加强了另一个方向的旋转磁场，使转子反转。•所以:•1、交流伺服电机的笼型转子采用电阻率很大的材料做（黄铜等）R2很大2、杯型转子做成薄壁型（0.2-0.8mm）惯量小•3、当Uc≠0时机械特性在Ⅰ,Ⅲ象限当Uc＝0时机械特性在Ⅱ,Ⅳ象限不同控制电压下的机械特性曲线n=f(T),U1=常数Ton交流伺服电动机的机械特性在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时，电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。控制特性三种控制方法:UUfUcCSM～1、幅值控制保持Uc和Uf相位差为90°，改变Uc幅值大小；2、相位控制保持Uc幅值不变，改变Uc与Uf的相位差φ；3、幅、相控制同时改变Uc的幅值和相位。•幅值控制的方法方法简单，应用最多。当Uc变化时特性曲线如图UC↑交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100W，电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广泛，如用在各种自动控制、自动记录等系统中。应用:2.4步进电动机步进电机是利用电磁铁的吸引原理，将脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段距离。特点:(1)来一个脉冲，转一个步距角。(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)改变脉冲顺序，可改变转动方向。(4)角位移量或线位移量与电脉冲数成正比。步进电动机主要用于开环位置控制系统。它由步进电动机驱动电源和步进电动机组成，没有反馈环节。由于开环系统精度不高，且步进电动机的功率和速度不高，因此步进电动机驱动系统仅用于小容量、加工速度低、脉冲当量和精度不太高的场合，如经济型数控机床和电加工机床、计算机的打印机、绘图仪等设备。这种系统较简单，控制较容易，维修也较方便，而且为全数字化控制。步进电动机的分类按工作原理分：反应式:转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动；励磁式：转子、定子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动；混合式（永磁式）：与反应式的主要区别是转子上有磁钢。按输出转矩大小分：快速步进电机：输出转矩0.07Nm—4Nm功率步进电机：输出转矩5Nm—40Nm按定子排列还可分为多段式(轴向式)和单段式(径向式)。按励磁相数分有二、三、四、五、六、八相等。下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。三相反应式步进电动机的原理结构图如下：ABCIAIBIC定子内圆周均匀分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相。转子有四个齿。定子转子（2）反应式步进电动机的工作原理几个概念的含义：“拍”——定子相绕组每改变一次通电状态，称为“一拍”。“单”——指只有一相绕组通电。“双”——指有两相绕组同时通电。给A相绕组通电时，转子位置如图，转子齿偏离定子齿一个角度。由于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动；当转子转到与定子齿对齐位置时，因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。由此可见：错齿是使步进电机旋转的根本原因。按电磁吸引的原理工作的。磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩。工作原理工作方式步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。一、三相单三拍（1）三相绕组联接方式：Y型（2）三相绕组中的通电顺序为：A相B相C相通电顺序也可以为：A相C相B相1.三相单三拍CA'BB'C'A3412A相绕组通电，B、C相不通电。由于在磁场作用下，转子总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种情况下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与A、A′极对齐。CA'BB'C'A同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4齿和B、B´磁极轴线对齐；当C相通电时，转子再转过30角，1、3齿和C´、C磁极轴线对齐。C'CA'BB'A这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。按ABCA……的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)转过90°(一个齿距角)。2.三相单双六拍按AABBBCCCA的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'AA相通电，转子1、3齿与A、A'对齐。A、B相同时通电，A、A'磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子转过15，到达左图所示位置。CA'BB'C'AB相通电，转子2、4齿与B、B´对齐,又转过15。CA'BB'C'AB、C相同时通电，C'、C磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子再转过15。三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：AABBBCCCA，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角），一个通电循环周期(6拍)转子转过90(齿距角)。与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。3.三相双三拍按ABBCCA的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。AB通电CA'BB'C'ABC通电CA'BB'C'ACA通电CA'BB'C'A与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍。每拍转子转过30(步距角)，一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)。从以上对步进电机三种驱动方式的分析可得步距角计算公式：mZr360—步距角Zr—转子齿数m—每个通电循环周期的拍数实用步进电机的步距角多为3和1.5。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的。步进电动机的应用非常广泛，如各种数控机床、自动绘图仪、机器人等。应用：4.自动控制的基本概念用某种装置代替人，按照人的意愿自动完成一系列控制过程，称作自动控制。从结构上看，自动控制系统分为开环控制和闭环控制两类。控制对象控制指令输出开环控制系统结构简单，控制对象按照控制指令工作，但不能根据输出结果自动调节，仅用于对控制精度要求不高的场合。控制对象反馈环节误差输出给定反馈•闭环控制系统结构比较复杂。把输出信号的一部分通过反馈环节引回到输入端，与给定信号比较，得到误差信号，再送入控制对象去调节输出结果。如此反复循环，直至误差为零。这种控制是通过反馈来实现的，所以也叫做反馈控制系统。给定元件放大元件执行元件控制对象检测元件被调量控制指令+UgUdUf–闭环控制系统（反馈控制系统）的各个基本环节如下图所示：系统中各部分的作用如下：给定元件——把控制指令变成给定值。它与被调量存在着一定的函数关系。改变给定值，即可改变被调量。检测元件——把被调量检测出来，按一定的函数关系反馈到输入端。比较元件——把反馈信号Uf与给定信号Ug比较以获取误差信号Ud。放大元件——当误差信号太微弱时，需要用放大元件把误差信号放大到足以推动执行元件的程度。执行元件——直接推动控制对象改变被调量。控制对象——由执行元件推动的各种装置，如各种机械负载、发电机、加热炉、闸门等，相应的被调量就是转速、电压、温度、位移等。教学目标：直流伺服电机使用；交流伺服电机使用；教学重点和难点：1、直流伺服电机使用；2、交流伺服电机使用；教学方法：项目教学法：1、引出问题；2、项目分析；3、行为引导法；4、学练结合学时、教具、课前准备：学时：6学时教具：交流伺服电机、直流伺服、控制装备、万用表等课前准备：学生预习相关课程知识；设备调试；规范标准准备；教学过程：一、项目提出控制电机已成为现代工业自动化系统、现代科学技术和现代军事装备中必不可少的重要设备。它的使用范围非常广泛，如机床加工过程的自动控制和自动显示，阀门的遥控，火炮和雷达的自动定位，舰船