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1、伺服电动机和伺服系统,2.1 简介 伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件。 功能：电压信号电机转轴的角位移或角速度 分类：直流伺服电动机-功率较大，几百瓦，也可达数千瓦。 交流伺服电动机-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（改变控制电压） 机械特性和调节特性为线性（机械特性Ua-，n=f(T);调T-,n=f(Ua) 无“自转”现象-控制电压为零时能立即自行停转 快速响应(机电时间常数小）,2.伺服电动机和伺服系统,2.2 直流伺服电动机 (DC Servo Motor) 结构与分类 传统型直流伺服电动机 其结构与普通直流
2、电动机基本相同，它可以再分为电磁式和永磁式两种；,定子铁心冲片,电枢冲片,低惯量型直流伺服电动机 A. 盘式电枢直流伺服电动机：,2.伺服电动机和伺服系统,定子由永久磁铁； 气隙位于圆盘两边； 圆盘上有印刷绕组或绕线式绕组； 绕组的径向段为有效部分，电流沿径向流过圆盘； 电枢绕组有效部分的裸导体表面兼作换向器。,2.伺服电动机和伺服系统,A. 盘式电枢直流伺服电动机：,绕组,2.伺服电动机和伺服系统,B. 空心杯形转子直流伺服电动机,1-内定子， 2-外定子， 3-空心杯电枢， 4-电刷，5-换向器,外定子为磁钢，内定子为软磁材料，或反之； 非磁性空心杯电枢上可为印刷绕组，也可为绕线式绕组；
3、空心杯直接装在电机轴上，在内、外定子间的气隙中旋转 国产型号：SYK,2.伺服电动机和伺服系统,C. 无槽电枢直流伺服电动机,电枢铁心上无槽，电枢绕组直接排列在铁心表面，再用环氧树脂将它与电枢铁心固化为一个整体； 定子磁极为电磁或永磁式； 国产型号：SWC。,2.伺服电动机和伺服系统,控制方式 由直流电动机原理知道：,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。 本课程只介绍直流伺服电动机的电枢控
4、制。,2.伺服电动机和伺服系统,不考虑电机磁路饱和，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：,2.伺服电动机和伺服系统,机械特性 控制电压恒定时，电机转速随转矩的变化关系,理想空载转速：,堵转转矩：,机械特性斜率：,2.伺服电动机和伺服系统,调节特性 负载转矩恒定时，转速随控制电压变化,调节特性与横坐标的交点，就表示在某一电磁转矩时电动机的始动电压。从原点到始动电压点的一段范围，称为在某一电磁转矩值时伺服电动机的失灵区，也称死区。,2.3 直流力矩电动机(Torque Motor) 性能特点：低速、大转矩，转矩波动小，特性的直线性好，在堵转条件下能长期工作。 原理：与一般直流
5、伺服电动机相同。 结构特点：与一般直流伺电动机不同，呈扁平形，以获得较大的转矩。 电枢长度与直径之比一般为0.2左右。,思考题：为什么在电枢体积相同、电枢电流和电流密度相同以及磁密相同条件下，能产生较大转矩？,1-定子；2-转子；3-电刷；4-电枢绕组；5-槽楔兼换向器片；6-铜环,电枢导体所占截面积：,Ke电枢截面利用系数，即槽面积占电枢截面的比例系数； Kf槽满率。,电机电磁转矩表示式：,空载转速与电枢形状的关系,2.4 交流伺服电机(AC Servo Motor) 结构特点和工作原理 交流伺服电机通常都是两相异步电机，在定子上有两个空间相距90度的绕组，即控制绕组和励磁绕组。,Rotor
6、,笼型转子,非磁性空 心杯转子,铁磁性空 心杯转子,杯壁厚0.20.8mm，J小,杯壁.53mm，J较大，有 单边磁拉力，已较少用,工作原理： 与普通两相异步电机的相似之处：在二相对称绕组中通入两对称电流，就会在气隙中产生圆形旋转磁场，转子导体切割磁场所感应的电流与气隙磁磁场相互作用就产生电磁转矩。当改变其中一相电流的大小或相位时，气隙磁场就发生变化，电磁转矩随之变化，电机转速必然跟着改变，从而实现对转速的控制。 区别：由于伺服电动机在自动控制系统中作为执行元件。对其要求是：(1)转子速度的快慢能反应控制信号的强弱，转动方向能反应控制信号的相位，调速范围要宽；（2）无控制信号时，转子不能转动；
7、（3）当电机转动起来以后，如控制信号消失，应立即停止转动；（4）为减小体积和重量，一般采用400、500 或1000Hz。,如何满足上述要求？增大转子电阻！ 增大转子电阻的三个好处： 能消除自转现象：,正常转子电阻时的单相转矩,T=T1+T2，在正向旋转时，00。所以，只要负载转矩不太大，转子仍能继续旋转，不会因控制信号的消失而停转，这种“自转”现象使伺服电动机失去控制，在自动控制系统中是不允许的。,增大转子电阻后的单相转矩,增大转子电阻，使sk1，则合成单相转矩在电动机正向旋转范围内为负值，即T0。这就是说，控制信号消失后，处于单运行状态的电机由于电磁转矩为制动性质而能迅速停转。因此，增大转
8、子电阻是防止交流伺服电动机出现“自转”现象的有效措施。,两相合成转矩,可以增大调速范围 由电机学原理知，异步电机的稳定运行区仅在：0ssk，而正常电机的sk=0.10.2, 所以调速范围甚小。增大转子电阻，使sk增大，从而增大调速范围。 使机械特性更加线性 如右图中，曲线3的线性度比曲线2要好。,sk1=0.2, sk2=1.1, sk3=1.8,控制方法 根据电机学原理，上述结构的交流电机，必须使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
9、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
10、形磁场,幅值相位控制（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
11、。,交流伺服电动机的静态特性 和直流伺服电动机一样，可用机械特性和调节特性来表征交流伺服电动机的的静态运行性能。 1. 幅值控制时的静态特性,励磁绕组中不接电容，Xca=0,电磁转矩,为了简化表达式和使分析结论更具普遍性，将上式以标么值形式表示。选取圆形旋转磁场时的堵转转矩作为转矩的基值。因获得圆形旋转磁场的条件是 ，而堵转时,转矩基值：,转矩标么值：,圆形旋转磁场，电机处于对称运行状态,脉动磁场，电机不对称程度最大,椭圆形旋转磁场，可用两个反向旋转的圆形旋转磁场表示,可见，转矩与转速的关系十分复杂。因此，常用电机的实际参数按转矩 公式进行计算，作出不同信号系数时的机械特性曲线。由于是用标么值
12、表示，所以具有普启遍意义。 由机械特性，采用作图的方法可得到调节特性。,幅值控制时的机械特性,幅值控制时的调节特性,1. 幅值控制时的静态特性,2. 相位控制时的静态特性,相位控制时的机械特性,相位控制时的调节特性,3. 电容控制时的静态特性 定义获得圆形旋转磁场时信号系数为a0，为使伺服电机有较大起动转矩，使电机在起动时获得圆形旋转磁场，起动后为椭圆形磁场，故电容控制时电机的理想空载转速都低于同步速。,电容控制时的机械特性,电容控制时的调节特性,4. 双相控制时的静态特性 信号系数定义为实际控制信号与额定信号电压(电机铭牌上有注明)之比。,双相控制时的机械特性,双相控制时的调节特性,分析：
13、各种控制方式下的调节（控制）特性均为非线性，但是在相对速度较小、信号系数较小时，都接近直线。所以，为获得线性的调节特性，伺服电机应工作在相对转速较低的状态下。 办法：提高工作频率 例：02400 r/m的转速范围， f=50Hz时，相对转速：00.8； f=500Hz时，相对转速：00.08.,实际的两相伺服电动机u值不超过0.2，所以，Ku值就近似于1，这样，它的机械时间常数仍可以近似地用理想引性机械特性时的机械时间常数代替，由此引起的误差不超过22%。 性能指标 空载始动电压Us0 在额定激磁电压和空载的情况下，使转子在任意位置开始连续转动所需的最小控制电压称为空载始动电压Us0，通常用额定控制电压的百分数表示。Us0越小，表示伺服电动机的灵敏度越高，一般不大于34%。,机械特性的非线性度Km 在额定激磁电压下，任意控制电压时的实际机械特性与线性机械特性在T=Tst/2时的速度差与空载转速之比百分数。,调节特性的非线性度K 在额定激磁电压和空载情况下，当有效信号系数e为0.7时，实际调节特性与线性调节特性的速度差与空载转速之比的百分数。,机电时间常数m e=1时的机械特性近似为一直线，所对应的机电时间常数为：,交流伺服电动机应用举例 倒数计算装置,线性电位器输入端加电压U1，输出端电压为：,q,放大器,伺服电机,电机转动,q改变,此时,直流与交流异步伺服电动机的比较,
