伺服电机精讲

伺服电机第一章直流伺服电动机1.1直流伺服电动机的工作原理1.2直流伺服电动机的静态特性1.3直流伺服电动机的动态特性第二章交流伺服电动机2.1交流伺服电动机的结构及控制方式2.2交流伺服电动机的工作原理主要内容第一章直流伺服电动机一、直流伺服电动机的工作原理ffnSN-+AB在两电刷间加直流电压。如图所示，电流从B刷流入，由A刷流出。N极处有效导体中的电流流出纸面，用⊙表示；S极处有效导体中的电流流入纸面，用表示。第一章直流伺服电动机-工作原理ffnSN-+ABBlifB—导体所在处的磁密度（磁感应强度），Wb/m2l—导体在磁场中的长度，m；i—导体中流过的电流，A。用左手定则确定电磁力的方向。载流导体在磁场中受到电磁力为直流电机是可逆的，它根据不同的外界条件而处于不同的运动状态。如输入机械能时，迫使它旋转，它便输出电能，处于发电机状态，此时称为发电机。当在电刷两端加电压输入电能时，它便旋转起来，输出机械能，处于电动机状态。第一章直流伺服电动机-工作原理二、直流伺服电动机的结构和分类（一）传统式直流伺服电动机永磁式直流伺服电动机是在定子上装置由永久磁钢做成的磁极。目前我国生产的SY系列直流伺服电动机属于这种结构。传统式直流伺服电动机可分为永磁式和电磁式两种。电磁式（串激式和他激式）直流伺服电动机的定子通常由硅钢片冲制叠压而成，磁极和磁轭整体相连，在磁极铁芯上套有激磁绕组，目前我国生产的SZ系列直流伺服电动机属于这种结构。第一章直流伺服电动机这两者电机的转子铁芯均由硅钢片冲制叠压而成，在转子冲片的外圆周上开有均布的齿槽，在转子槽中放置电枢绕组，并经换向器、电刷引出。第一章直流伺服电动机-分类（二）低惯量式直流伺服电动机无槽电枢直流伺服电动机无槽电枢直流伺服电动机的电枢铁芯上并不开槽，电枢绕组直接排列在铁芯表面，再用环氧树脂把它与电枢铁芯粘成一个整体。定子磁极可以用永久磁钢做成，也可以采用电磁式结构。目前我国生产的SWC系列直流伺服电动机属于这种结构。第一章直流伺服电动机-分类（二）低惯量式直流伺服电动机盘形电枢直流伺服电动机盘形电枢直流伺服电动机的定子是由永久磁钢和前后磁轭所组成，磁钢在圆盘的一侧放置，也可以在两侧同时放置。电机的气隙就位于圆盘的两边，圆盘上有电枢绕组，可分为印刷绕组和线绕式绕组两种形式。第一章直流伺服电动机-分类（二）低惯量式直流伺服电动机空心杯电枢永磁式直流伺服电动机空心杯电枢永磁式直流伺服电动机有一个外定子和一个内定子。通常外定子由两个半圆形的永久磁钢所组成；内定子为圆柱形的软磁材料做成，仅作为磁路的一部分，以减小磁阻。目前我国生产的SYK系列直流伺服电动机属于这种结构。第一章直流伺服电动机-分类第一章直流伺服电动机三、直流伺服电动机的控制方式电磁式直流伺服电动机，采用电枢控制时，其激磁绕组由外加恒压的直流电源激磁；永磁式直流伺服电动机则由永磁磁极激磁。第一章直流伺服电动机四、直流伺服电动机的静态工作特性机械特性是指控制电压一定时，转速随转矩的变化关系；调节特性是指电机转矩一定时，转速随控制电压的变化关系。基本假设：1.不考虑电机磁化曲线非线性的影响；2.忽略带载时电枢反应磁势的影响。ifUfUaiaaaaaRiEUnKnCEeeaRa—电动机电枢回路的总电阻；Ea—电动机电枢回路的反电势；ia—电动机电枢回路的电流；—每级总磁通；n—电枢转速；Ke—电势常数，表示单位转速所产生的电势。电枢回路的电压平衡方程:第一章直流伺服电动机-静态特性它表示外加电压与反电势及电枢内阻压降相平衡Kt—转矩常数，表示单位电枢电流所产生的转矩。电动机的电磁转矩为:第一章直流伺服电动机-静态特性atatgiKiCT直流伺服电动机的转速公式为getaeaTKKRKUnnKnCEeea我们把代入电压平衡方程中，可得到电枢电流Ia的表达式：aeaaaaRnCUREUIa由此看出直流电动机的电枢电流不仅取决于外加电压和本身的内阻，而且还取决于与转速成正比的反电势（当Φ为常数时）。TL↓－T↓－Ia↓－n↑;TL↑－T↑－Ia↑－n↓（一）机械特性第一章直流伺服电动机-静态特性Ua=constant，)(gTfnnTgTkn00Ua3Ua2Ua1机械特性曲线与纵轴的交点为电动机的理想空载转速n0eaKUn0机械特性曲线与横轴的交点为电动机的堵转矩TkaatkURKTetakKKRTn0tan机械特性曲线的斜率的绝对值表示了电动机机械特性的刚度。（二）调节特性第一章直流伺服电动机-静态特性Tg=constant，)(aUfnnUan00Tg3Tg2Tg1Ua0调节特性曲线与横轴的交点表示在一定负载转矩时电动机的始动电压Ua0。调节特性曲线的横坐标从零到始动电压的这一范围称为在一定负载转矩时，伺服电动机的失灵区。失灵区的大小与负载转矩成正比。第一章直流伺服电动机五、直流伺服电动机的动态特性UgUaiaRaLaMTgTFTJTL电枢控制时直流伺服电动机的动态特性，是指在电动机的电枢上外加阶跃电压时，电机转速的增长过程。)(tfn直流伺服电动机的基本方程第一章直流伺服电动机-动态特性电枢电路的电压方程gaaaaaUdtdiLiRU恒定磁场中转动的元件感应电压egKKU电动机产生的电磁转矩atatgiKiCT电动机的转矩平衡方程LJFgTTTTdtdJTJBTTfFLfgTTBdtdJT∵∴式中：J为转动惯量，B为粘滞摩擦系数，Tf为其他摩擦转矩，TL为负载转矩。第一章直流伺服电动机六、直流伺服电动机的应用类别位置控制速度控制力矩或力控制应用举例行式打印机矩阵式打印机电传打印机数控机床驱动系统计量泵矩阵式打印机绕线机复印机恒张力滚筒驱动机构电子称肌肉锻炼机绕线机第一章直流伺服电动机-选择与应用雷达天线的位置控制系统雷达接收机MT放大器测速电机雷达天线力矩电动机被跟踪目标经雷达天线系统检测并发出误差信号，该信号经过放大后就作为力矩电动机的控制信号，并使力矩电动机驱动天线跟踪目标。系统中使用测速电机的速度反馈回路是为了提高系统的运行稳定性。一、结构及控制方式交流伺服电动机的结构主要分为两大部分，即定子部分和转子部分。定子：定子铁心由硅钢片组成在定子铁心中安放着空间互成90°电角度的两相绕组，如图所示。其中L1~L2称为励磁绕组，k1~k2称为控制绕组，所以交流伺服电动机是一种两相的交流电动机。L1L2K1K2两相绕组分布图第二章交流流伺服电动机转子：一般有三种结构，笼型转子、非磁性空心杯转子和铁磁性空心转子。第二章交流流伺服电动机（1）笼型转子和三相异步电动机的笼型转子一样，但笼型转子的导条采用高电阻率的导电材料制造，如青铜、黄铜。第二章交流流伺服电动机（2）非磁性空心杯转子非磁性空心杯转子交流伺服电动机有两个定子：外定子和内定子，外定子与鼠笼形转子伺服电动机的定子完全一样，而内定子一般不放绕组，只是代替鼠笼转子的铁心，作为磁路的一部分；空心杯转子位于内外绕组之间，通常用非磁性材料（如铜、铝或铝合金）制成，在电机旋转磁场作用下，杯形转子内感应产生涡流，涡流再与主磁场作用产生电磁转矩，使杯形转子转动起来。第二章交流流伺服电动机非磁性空心杯转子结构图1-空心杯转子；2-外定子；3-内定子；4-机壳；5-端盖优点：由于非磁性空心杯转子的壁厚约为0.2～0.6mm，因而其转动惯量很小，故电机快速响应性能好，运转平稳平滑，无抖动现象。缺点：由于使用内外定子，气隙较大，故励磁电流较大，体积也较大。第二章交流流伺服电动机（3）铁磁性空心转子这种转子由纯铁制成，既可导磁又可导电，既可做主磁通的回路，又可做转子绕组，这样省去了内定子铁心。转子壁厚，转动惯量大。该电机有一个致命的缺点，当外界气隙不均匀时，容易被定子“吸住”，很少使用。第二章交流流伺服电动机二、工作原理交流伺服电动机使用时，励磁绕组两端施加恒定的励磁电压Uf，控制绕组两端施加控制电压Uk，如图所以。当定子绕组加上电压后，伺服电动机就会很快转动起来，将电信号转换成转轴的机械特性。第二章交流流伺服电动机电气原理图第二章交流流伺服电动机伺服电动机的工作原理鼠笼转子的转向通过实验介绍该电动机的工作原理：如图，一个能够自由转动的鼠笼转子放在可用手柄转动的两极永久磁铁中间，当转动手柄使永久磁铁旋转时，就会发现磁铁中间的鼠笼转子也会跟着磁铁转动起来。转子的转速比磁铁慢，当磁铁的旋转方向改变时，转子的旋转方向也会跟着改变。第二章交流流伺服电动机当磁铁旋转时，在空间形成一个旋转磁场。假设图中的永久磁铁顺时针以ns的转速旋转，那么它的磁力线也就以顺时针方向切割转子导条。也就是转子导条以逆时针方向切割磁力线，在转子导条中就产生感应电势。根据右手定则，N极下和S极下导条的感应电势方向如图所示，由于鼠笼转子的导条都是通过短路环连接的，因此在感应电势作用下，在转子导条中就会有电流流过。根据通电导体在磁场中受力原理，由左手定则，电磁力如图所示，转矩方向与磁体的运动方向一致。所以，鼠笼转子便在电磁转矩作用下顺着磁铁旋转的方向转动起来。第二章交流流伺服电动机从上面的简单实验清楚地说明，鼠笼转子（或者是非磁性杯形转子）所以会转动起来是由于在空间中有一个旋转磁场。旋转磁场切割转子导条，在转子导条中产生感应电势和电流，转子导条中的电流再与旋转磁场相互作用就产生力和转矩，转矩的方向和旋转磁场的转向相同，于是转子就跟着旋转磁场沿同一方向转动。这就是交流伺服电动机的简单工作原理。但是，在实际的电机中没有一个像图中那样的旋转磁铁，电机中的旋转磁场由定子两相绕组通入两相交流电流产生。第二章交流流伺服电动机