《电机学配套教学课件第3版林明耀徐德淦付兴贺 chap05 伺服电动机》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电机学配套教学课件第3版林明耀徐德淦付兴贺 chap05 伺服电动机（45页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、伺服电动机 简介伺服电动机又称执行电机 在自动控制系统中作为执行元件 功能 电压信号 转轴的角位移或角速度分类 直流伺服电机 功率较大 几百瓦 也可达数千瓦 交流伺服电机 两相伺服电动机 功率较小 数十瓦 自动控制系统对伺服电动机的基本要求 宽广的调速范围机械特性和调节特性为线性无 自转 现象 控制电压为零时能立即自行停转快速响应 5 伺服电动机和伺服系统 2 1直流伺服电动机 DCServoMotor 结构与分类其结构与普通进流电动机基本相同 只是它的容量和体积都很小 是一台微型他励直流电动机 有两个独立的电路 励磁回路和电枢回路 工作时一个接电源 另一个接收控制信号 如果磁极采用永磁体 则
2、它只有一个电枢回路用以接收电气控制信号 直流伺服电动机 5 伺服电动机和伺服系统 2 1 1控制方式由直流电机原理知道 直流伺服电动机有两种基本控制方式 电枢控制 改变电枢电压来控制转速 适用于电励磁和永磁励磁直流伺服电动机 磁极控制 调节磁通来控制转速 仅适用于电励磁直流伺服电动机 但因停转时电枢电流大 磁极绕组匝数多 电感大 时间常数大等缺点 很少采用 如果Uc 0 则Ic 即电枢电流Ia 也等于零 电动机转子上不会产生电磁转矩Tem 转子静止不动 当伺服电动机接收到信号 Uc 0 便有电流Ic流过电枢绕组 且产生电磁转矩为 5 伺服电动机和伺服系统 直流伺服电动机的电枢控制不考虑电机磁路
3、饱和 并忽略负载时电枢反应的影响 则励磁磁通正比于励磁电压 即 转子开始旋转 其转速n Tem Ic Uc 一旦信号消失 Uc 0 Ic 0 Tem 0 转子便停止旋转 n 0 这种现象称为不存在自运转现象 是伺服电动机必须具备的性能 否则 信号消失 n 0 电动机继续旋转 就失控了 这现象称为自运转现象 5 伺服电动机和伺服系统 5 伺服电动机和伺服系统 2 1 2直流伺服电动机的静态特性 为使所得特性具有普遍意义 下面各种数量将以标幺值表示 应用标幺值 关键是如何选用基数值 选用原则有三 第一 基数必须是一固定常数 第二 基数能通过计算或试验方便地确定 第三 选用的基数能使表示式简洁 对控
4、制回路 Ec为电枢绕组感应电动势 ra为电枢回路电阻 5 伺服电动机和伺服系统 取Uf为控制电压的基数 而控制电压的标幺值称为信号系数 用 表示 即 选用n 0 1时的电磁转矩为转矩标幺值的基数 即 1时的起动转矩为基数 5 伺服电动机和伺服系统 再选Tem 0 1时的转速为转速标幺值的基数 即 1时的理想空载转速为基数 即使在空载 Tem也不能为零 必须有微小的电磁转矩去克服机械损耗pmech才能使电动机旋转在n0 故称它为理想空载转速 由以上公式可见 这两个基数都能方便地算出或实验测定 转速的标幺值用 表示 即 2 伺服电动机和伺服系统 转矩表示式用标幺值表示时为 电枢控制直流伺服电动机的
5、机械特性 f T 当 const 控制特性 f 当T const 都是直线 都是单值函数 这是很大的优点 电枢控制直流伺服电动机的静态特性a 机械特性b 控制特性 5 伺服电动机和伺服系统 2 1 4几种低惯量直流伺服电动机 为了改善伺服电动机的动态特性 引出了几种低惯性的伺服电动机 1 无槽电枢直流伺服电动机电枢铁心表面无齿槽为一圆筒形 电枢绕组用玻璃丝带和环氧树脂粘合在铁心表面 这种结构同时使转动惯量及电枢绕组的电感都降低 有利于缩短过渡过程 5 伺服电动机和伺服系统 2 空心杯形转子直流伺服电动机 将电枢绕组和电枢铁在机械上分离 电枢绕组在模具上绕成后用玻璃丝带和环氧树脂胶合成一杯形体
6、杯底中心固定有电机转轴 电枢铁心为有中心孔的圆筒 一端固定在电动机端盖上 称为内定子 杯形绕组的轴穿过内定子中心孔 通过轴承放置在两侧端盖上 杯形转子在内 外定子间的气隙中旋转 空心杯形转子伺服电动机结构示意图1 外定子 磁轭和磁极 2 内定子3 杯形转子4 换向器 5 伺服电动机和伺服系统 3 印制电路电枢直流伺服电动机转子为胶木板制成的圆盘 上面印制电枢绕组 虚线2表示在背面犹如槽中下层圈边 两侧导体由金属化孔3联通 利用圆盘内圆处导体裸露部分当作换向器 电刷沿轴向放置 以联通绕组与外面的静止电路 气隙为轴向 轴向磁化的多个磁极5 一般用永久磁铁 由电动机两侧软磁钢环6闭合形成所需的气隙磁
7、场 这种结构电动机的基本作用原理未变 但却大大降低了电动机的转动惯量和电枢绕组的电感 印制电路电动机示意图a 绕组一匝b 结构示意图 1 正面导体2 反面导体3 金属化孔4 换向器电刷5 磁极6 环形磁轭 5 伺服电动机和伺服系统 2 1 5无刷直流电动机 直流电动机虽然性能良好 但由于存在电刷和换向器这个滑动接触 容易产生火花和引起无线电干扰 这就限制了它的应用范围 无刷直流机就是为克服该缺点而发展的新型结构直流电动机 一种无刷直流电动机原理示意图 5 伺服电动机和伺服系统 无刷直流电动机的转子是永久磁铁制成的磁极 定子为电枢 绕组是多相绕组 三 四相均可 图中表示的电枢绕组为三相 每相以等
8、效集中绕组代替 以上为电动机本体 表示在图中框 内 框 为由晶体管V1 V2 V3等组成的电子开关电路 PS为位置传感器 它发出的信号去控制电子开关电路 改变电枢绕组的通电状况 使电枢电流所产生的磁场步进式地旋转 从而吸引转子磁极连续旋转 这种电动机的电路中不存在滑动接触 毋需电刷和换向器 故称无刷电机 无刷直流电机根据不同的位置传感器其结构不尽相同 下面所举的例子是以霍尔元件构成位置传感器的无刷电机 亦称为霍尔无刷直流电动机 5 伺服电动机和伺服系统 霍尔元件是一种半导体 其基本工作原理如图5 7所示 霍尔元件有四个引出端 两个是电流极 两个是电压极 根据霍尔效应原理 当电流极流过电流IH
9、而霍尔元件平面的垂直方向有磁通密度B穿过 则在两个电压极上会产生霍尔电动势EH 其间的关系为 kH为霍尔常数 B为磁通密度 IH为霍尔元件电流极电流 EH为霍尔电动势 5 伺服电动机和伺服系统 一种霍尔无刷直流电动机原理示意图 定子四个绕组分别由开关电路的晶体管V1 V2 V3 V4控制切换电流 定子上设置两个霍尔元件H1和H2 为清晰起见 霍尔元件的电路画在机外 开关电路的晶体管基极由霍尔元件的EH所控制 转子为永久磁铁制成的磁极 5 伺服电动机和伺服系统 霍尔元件H1和H2的电流极串联后接至电源 当转子处于图示位置时 H1有磁通穿过 将产生霍尔电势EH1 假设X1端为EH1的负端 则可知V
10、4将导通 电枢绕组N2有电流流通 它激励的磁场与转子磁极作用 将产生一顺时针转矩 使转子转过90 图示位置H2虽有电流IH2流过 但没有磁通穿过H2 故此时H2不产生霍尔电势 现在转子转过了90 转子磁场穿过H2 于是就有EH2产生 设V1为EH2的负端 于是V3导通 N3流通电流 激励磁场和转子磁极作用产生转矩 使转子继续旋转90 这时H1又有磁通穿过 但因磁通方向反了 所以EH1的负端出现在端点X2 于是V3导通 可见绕组依次通电 产生步进式磁场 电动机便可连续不断地旋转了 5 伺服电动机和伺服系统 这种电动机的平均转矩为 式中 U为外施于电枢绕组的端电压 为角速度 k1 k2为一些与电枢
11、结构等有关的系数 作为电枢控制电压Uc即相当于端电压U 用标幺值表示 对应的静态特性 控制特性和机械特性亦有和电枢控制直流伺服电动机一样的特性 这种电机效率较高 体积较小 重量较轻 转子无发热问题 无电刷滑动接触 不产生无线电干扰 控制亦较简单 所以适用于高性能伺服系统和高精度电子设备中 2 2交流伺服电机 ACServoMotor 2 2 1概述将输入的交流信号去控制转轴输出的转速 其结构是一台 微型 两相感应电动机 定子铁心同普通感应电动机 但槽中设置在空间相距90 电角度的两个绕组 它们的匝数可以相等亦可不等 将视性能要求而定 两个绕组分别称为励磁绕组f和控制绕组c 转子有三种形式 笼型
12、转子 空心转子 磁性材料杯形转子 控制方法定子绕组产生一旋转磁势 转子才能转动 由旋转磁场理论 对于在空间相距90电度的两个绕组 只要它们产生时间上不同相的脉动磁势 电机气隙中就将形成椭圆形旋转磁场 使转子获得转矩而旋转 如果这两个绕组的脉动磁势幅值相同 且时间上相差90电度 则气隙中将形成圆形旋转磁场 电机便运行在最佳工作状态 当激磁绕组接至电压值不变的激磁电源 若控制信号的大小或者它与激磁电压间的相位发生改变 都能改变电机气隙磁场的椭圆度 也就能够影响电机的工作状态 达到对电机控制的目的 据此 交流伺服电机有下列几种控制方法 幅值控制控制电压与激磁电压之间保持90度相位差不变 通过改变控制
13、信号 电压 的幅值来改变电机的转速 定义 为信号系数 则 相位控制控制电压的幅值保持不变 通过改变控制电压对激磁电压的相角来实现对电机的控制 由于与激磁电压相差90度的电压为 所以信号系数定义为 脉振磁场 椭圆形磁场 圆形磁场 电容控制激磁回路串联电容后接到相位和幅值都不变的激磁电源 当改变控制电压幅值时 由于激磁回路电流发生变化 使激磁绕组及其串联电容上的电压分布发生变化 从而使控制电压与激磁绕组上的电压间的相位角也发生变化 当改变控制电压的幅值以改变转速时 由于转子绕组的耦合作用 激磁电流If的大小和相位都会改变 致使激磁绕组上的电压的大小和相位也随之改变 所以 这是一种幅值和相位的复合控
14、制方式 Cph 双相控制激磁电压与控制电压间的相位固定为90度 而激磁电压的幅值随控制信号的改变而同样的改变 也就是说 不论控制信号大小 电机始终在圆形旋转磁场下工作 可获得最大输出功率和效率 无信号时 Uc 0 Uf U1 电机犹如一台单相感应电动机 它没有起动转矩Tst 0 电动机静止不动 当有信号时 气隙磁场为椭圆形旋转磁场 它可以分解为正 反两个圆形旋转磁场 各产生对应的正负序电磁转矩T 和T 且二者大小不等其合成电磁转矩T s 曲线的起动转矩T st 0 电动机起动旋转 信号变化使气隙磁场产生的T 随之改变 电机转速跟着变化 控制用伺服电动机应该是无信号时 转子不动 转速为零 有信号
15、时 电动机转速与信号间有线性关系 信号消失 电动机应立刻停转 曲线1为对应于某信号时的椭圆形旋转磁场产生的合成电磁转矩的机械特性T s 当轴上负载阻力转矩为TL时 电动机工作在a点 以转差率sa的速率旋转 曲线2表示信号消失 气隙磁场变为脉动磁场时的合成转矩曲线T p s 电动机的工作点将由a点移到b点 电动机将以转差率sb旋转 信号消失后 电动机继续旋转 失控了 是为自运转现象 是伺服电动机不允许有的现象 为消除自运转现象可以增大转子电阻 使T s 曲线的临界转差率sc 1 其时椭圆磁场的T s 曲线如图b中的曲线3 而信号消失后的脉动磁场的T p s 曲线如曲线4 可见在1 s 0的区域内
16、T p为负值 属制动转矩 如果原来工作在c点 则信号消失后 工作点移到d点 受到制动 电动机迅速停转 这就消除了自运转现象 2 2 2交流伺服伺服电动机的对称分量分析实际上 两相伺服电动机是在两相不对称绕组上外施两相不对称电压运行的异步电机 两相伺服电动机原理图 磁动势对称分量相量图 式中 下标p表示正序 n表示负序 2 2 3各序等效电路 伺服电动机一般都在不对称情况下运行 因此等效电路就有正序和负序两个 而伺服电动机的两相绕组一般也不对称 例如匝数不等 有无串联电容器 所以伺服电动机的各序的等效电路也不能独用一相来代表 于是两相伺服电动机便有四个等效电路 控制绕组正序等效电路 控制绕组负序等效电路 励磁绕组正序等效电路 励磁绕组负序等效电路 2 2 4伺服电动机的电压方程和电磁功率 对励磁绕组有 伺服电动机应用对称分量法后 对正序旋转磁场而言 电动机是工作在电动机状态 对负序旋磁场则电动机工作在制动状态 因此伺服电动机的有效电磁功率是正负序电磁功率之差 即 2 2 5伺服电动机获得圆形旋转磁场的条件 当电动机气隙磁场是椭圆形旋转磁场时 由于存在负序磁场 不仅使电磁转矩减小 而且增大
