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1、王铁成 主编,特种电机知识,TEZHONG DIANJI ZHISHI,第六章 伺服电动机,本章应知,本章应会,1.了解直流伺服电动机的结构、控制方式、工作原理和运行特性。 2.了解两相伺服电动机的结构及控制方式。 3.了解两相伺服电动机与直流伺服电动机性能的差异。 4.了解直流力矩电动机的结构及特点。 5.了解直流力矩电动机运行性能中的力矩波动以及调节特性的线性度、电气时间常数等的重要性。 6.了解永磁式、磁阻式、磁滞式同步伺服电动的结构和工作原理。,1.掌握伺服电动机组成伺服系统的控制方式。 2.掌握常用的速度控制和位置控制系统中伺服电动机的应用。 3.掌握数控机床中伺服电动机的应用实例，
2、并进行速度和位置控制调试。,第一节 概 述,(1)宽广的调速范围 伺服电动机的转速随着控制电压的改变能在宽广的范围内连续调节。 (2)机械特性和调节特性均为线性 伺服电动机的机械特性是指控制电压一定时，转速随转矩的变化关系；调节特性是指电动机的转矩一定时,转速随控制电压的变化关系。 (3)无“自转”现象 伺服电动机在控制电压为零时能立即自行停转。,(4)快速响应 电动机的机电时间常数要小,相应的伺服电动机有较大的堵转转矩和较小的转动惯量，使电动机的转速能随着控制电压的改变而迅速变化。 此外，还要求伺服电动机的控制功率要小,从而减小放大器的尺寸；在航空上使用的伺服电动机还要求其重量轻,体积小。,
3、第一节 概 述,第二节 直流伺服电动机,一、结构和分类 直流伺服电动机的结构可分为传统型和低惯量型两大类。 1.传统型直流伺服电动机 传统型直流伺服电动机的结构和普通直流电动机基本相同,也是由定子、转子两大部分组成。 2.低惯量型直流伺服电动机 (1)盘型电枢直流伺服电动机 它的定子是由永久磁钢和前后磁轭组成。,(2)空心杯型电枢永磁式直流伺服电动机 此种伺服电动机,通常外定子由两个半圆形永久磁钢组成；内定子由圆柱形软磁材料做成,仅作为磁路的一部分,以减小磁路磁阻。 国产的这种形式的电动机,型号为SYK。 (3)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心上并不开槽,电枢绕组直接排
4、列在铁心表面,定子磁极可以用永久磁钢做成,也可用电磁铁做成。 二、控制方式,第二节 直流伺服电动机,对他励式直流电动机,当励磁电压Uf恒定,又负载转矩一定时,改变电枢电压Ua,电动机的转速也随之变化；电枢电压的极性改变,电动机的旋转方向也随之改变,因此把电枢电压作为控制信号就可以实现对电动机的转速控制。 三、工作原理和运行特性 电枢控制时，直流伺服电动机的工作原理如图6-1所示。,图6-1 电枢控制时直流伺服电动机的工作原理,第二节 直流伺服电动机,第二节 直流伺服电动机,1.机械特性 机械特性是指控制电压恒定时,电动机的转速随转矩变化的关系，即Ua为常数时,n=f(Tem)。,第二节 直流伺
5、服电动机,图6-2 直流伺服电动机的机械特性,第二节 直流伺服电动机,图6-3 直流伺服电动机的调节特性,第二节 直流伺服电动机,2.调节特性 调节特性是指电磁转矩恒定时,电动机的转速随控制电压变化的关系,即Tem为常数时,n=f(Ua)。,第二节 直流伺服电动机,第三节 两相伺服电动机,一、结构 两相伺服电动机是一种两相异步电动机。,图6-4 两相伺服电动机的电路,二、控制方式 两相伺服电动机运行时,因控制绕组所加控制电压c是变化的,一般说来得到的是椭圆形旋转磁场,并由此产生的电磁转矩而使电动机旋转。 1.幅值控制 这种控制方式是通过调节控制电压的大小来改变电动机的转速,而控制电压c与励磁电
6、压f之间的相位差始终保持90电角度。,第三节 两相伺服电动机,图6-5 两相伺服电动机的不同控制方式的接线,第三节 两相伺服电动机,2.相位控制 这种控制方式是通过调节控制电压的相位(即调节控制电压与励磁电压之间的相位角)来改变电动机的转速,控制电压的幅值保持不变。 3.幅值相位控制(或称电容控制) 这种控制方式是将励磁绕组串联电容C后,接到稳压电源1上。 三、两相伺服电动机和直流伺服电动机的性能比较 两相伺服电动机和直流伺服电动机在自动控制系统中都被广泛使用。,第三节 两相伺服电动机,1.机械特性和调节特性 直流伺服电动机的机械特性和调节特性均为线性关系,且在不同的控制电压下,机械特性曲线相
7、互平行,斜率不变。 2.体积、重量和效率 当输出功率相同时,两相伺服电动机要比直流伺服电动机的体积大、重量大、效率低。 3.动态响应 电动机动态响应的反应速度常常以机电时间常数来衡量。 4.“自转”现象,第三节 两相伺服电动机,对于两相伺服电动机,若参数选择不适当,或制造工艺上有缺陷,都会使电动机在单相状下产生“自转”现象,而直流伺服电动机却不存在“自转”现象。 5.电刷和换向器的滑动接触 直流伺服电动机由于存在着电刷和换向器而使结构复杂、制造困难。 6.放大器装置 直流伺服电动机的控制绕组通常由直流放大器供电。,第三节 两相伺服电动机,第四节 直流力矩电动机,一、概述 力矩电动机是由伺服电动
8、机和驱动电动机相结合而形成的特殊电动机,是一种直接驱动负载的执行元件。 1.提高了速度和位置的控制精度 力矩电动机直接驱动的伺服系统消除了采用齿轮传动时带来的齿隙“死区”和材料弹性变形所引起的误差,既可使系统的放大倍数做得很高,又能保持系统的稳定，从而使系统速度和位置的控制精度都有较大的提高。 2.特性的线性度好 力矩电动机的转矩电流特性具有很高的线性度。,3.采用力矩电动机的直接驱动系统,还具有运行可靠、维护简便、振动小、机械噪声小和结构紧凑等优点。 由于具有上述优点,力矩电动机能获得很好的静态和动态性能,尤其在无爬行的平稳低速运行时更为突出,这是齿轮传动或液压传动无法比拟的。 二、结构和性
9、能 1.结构特点 直流力矩电动机是一种永磁式低速直流伺服电动机,外形和普通直流伺服电动机不同,通常做成扁平式结构,并选取较多的极对数。,第四节 直流力矩电动机,图6-6 永磁式直流力矩电动机的结构示意图 1铜环 2定子 3电刷 4电枢绕组 5槽楔兼换向器片 6转子,第四节 直流力矩电动机,2.运行性能分析 直流力矩电动机的工作原理与普通直流伺服电动机基本相同。 (1)力矩波动分析 力矩波动是指输出转矩的峰值与平均值之差。 1)换向引起的波动。 为了尽量减小因换向所引起的力矩波动,应在结构上采取相应措施。 2)电枢齿槽引起的力矩波动。,第四节 直流力矩电动机,为了减少电枢齿槽引起的力矩波动,应尽
10、可能增多电枢的槽数,适当加大电动机的气隙,采用磁性槽楔、斜槽以及磁极桥等。 (2)调节特性的线性度 为了使力矩电动机的转矩正比于输入电流并与电动机的转速、转角位置无关，除了采取上述相应的措施以外,还应尽量减小电枢反应的去磁作用。 (3)电气时间常数 采用力矩电动机直接驱动的伺服系统,由于运行在低速状态,又有较大的堵转转矩,因此系统的机电时间常数me大为减小,这样电动机的电气时间常数e的影响就相对较大。,第四节 直流力矩电动机,此外,适当加大电动机的气隙,也有利于减小电枢反应磁链；提高电枢铁心的饱和度,可使槽漏磁回路的磁阻增加,以减小漏磁链。 3.电动机的连续堵转转矩和峰值堵转转矩 电动机的连续
11、堵转转矩是指它在长期堵转下,稳定温升不超过允许值时所能输出的最大堵转转矩。,第四节 直流力矩电动机,第五节 交流同步伺服电动机,图6-7 瓦片永磁体径向转子结构 1永磁体 2转子导条 3转轴 4非磁性材料,一、永磁式同步伺服电动机 1.结构形式 永磁式同步伺服电动机的转子由永久磁钢制成。 2.工作原理 永磁同步伺服电动机的转子可以制成一对极或多对极的。,第五节 交流同步伺服电动机,图6-8 永磁同步电动机的工作原理,第五节 交流同步伺服电动机,图6-9 永磁同步电动机的矩角特性,第五节 交流同步伺服电动机,二、磁阻式同步伺服电动机 1.结构形式,图6-10 磁阻式同步电动机转子结构 a)外反应
12、式 b)内反应式 1外反应槽 2转子鼠笼导条 3内反应槽,第五节 交流同步伺服电动机,图6-11 磁阻式同步电动机的工作原理 a)隐极转子 b)凸极转子,第五节 交流同步伺服电动机,2.工作原理 磁阻式同步电动机的工作原理可用图6-11来说明。,三、磁滞式同步伺服电动机 1.基本结构,第五节 交流同步伺服电动机,图6-12 磁滞同步电动机的转子结构 1硬磁材料 2套筒 3挡环,第五节 交流同步伺服电动机,图6-13 铁磁材料的磁滞回线 1软磁材料 2硬磁材料,第五节 交流同步伺服电动机,2.工作原理 磁滞电动机的工作原理是：当定子绕组接通交流电源产生旋转磁场,该旋转磁场使转子磁滞层磁化,再与定
13、子旋转磁场作用而产生转矩。,图6-15 磁滞同步电动机的工作原理 a)0 b)0,第五节 交流同步伺服电动机,图6-16 磁滞同步电动机的机械特性曲线 a)磁滞转矩 b)涡流转矩 c)总转矩,第五节 交流同步伺服电动机,第六节 伺服电动机的应用举例,(1)速度控制方式 电动机的速度是被控制的对象。 (2)位置控制方式 电动机的转角位置是被控制的对象。 (3)转矩控制方式 电动机的转矩是被控制的对象。 (4)混合控制方式 此种系统可采用上述的多种控制方式,并能从一种控制方式切换到另一种控制方式。 在伺服系统中,通常采用前两种控制方式。,图6-17 速度控制和位置控制时的原理框图 a)速度控制方式 b)位置控制方式,图6-18 电动机速度控制的基本锁相回环,第六节 伺服电动机的应用举例,图6-19 雷达天线系统工作原理,第六节 伺服电动机的应用举例,
