chap02伺服電動機課件

2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)

伺服電動機和伺服系統(tǒng)2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)2.1簡介

伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。功能：電壓信號電機轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度分類：直流伺服電動機---功率較大，幾百瓦，也可達數(shù)千瓦。

交流伺服電動機---兩相伺服電動機，功率較小，數(shù)十瓦。自動控制系統(tǒng)對伺服電動機的基本要求：寬廣的調(diào)速范圍（改變控制電壓）機械特性和調(diào)節(jié)特性為線性（機械特性Ua-，n=f(T);調(diào)T-,n=f(Ua))無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象---控制電壓為零時能立即自行停轉(zhuǎn)快速響應(機電時間常數(shù)?。?.伺服電動機和伺服系統(tǒng)2.2直流伺服電動機(DCServoMotor)結(jié)構(gòu)與分類傳統(tǒng)型直流伺服電動機其結(jié)構(gòu)與普通直流電動機基本相同，它可以再分為電磁式和永磁式兩種；定子鐵心沖片電樞沖片2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)A.盤式電樞直流伺服電動機：繞組2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)B.空心杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動機1-內(nèi)定子，2-外定子，3-空心杯電樞，4-電刷，5-換向器外定子為磁鋼，內(nèi)定子為軟磁材料，或反之；非磁性空心杯電樞上可為印刷繞組，也可為繞線式繞組；空心杯直接裝在電機軸上，在內(nèi)、外定子間的氣隙中旋轉(zhuǎn)國產(chǎn)型號：SYK2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)C.無槽電樞直流伺服電動機電樞鐵心上無槽，電樞繞組直接排列在鐵心表面，再用環(huán)氧樹脂將它與電樞鐵心固化為一個整體；定子磁極為電磁或永磁式；國產(chǎn)型號：SWC。2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)不考慮電機磁路飽和，并忽略負載時電樞反應的影響，則勵磁磁通正比于勵磁電壓，即：2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)

機械特性

控制電壓恒定時，電機轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的變化關(guān)系理想空載轉(zhuǎn)速：堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：機械特性斜率：2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性

負載轉(zhuǎn)矩恒定時，轉(zhuǎn)速隨控制電壓變化調(diào)節(jié)特性與橫坐標的交點，就表示在某一電磁轉(zhuǎn)矩時電動機的始動電壓。從原點到始動電壓點的一段范圍，稱為在某一電磁轉(zhuǎn)矩值時伺服電動機的失靈區(qū)，也稱死區(qū)。思考題：為什么在電樞體積相同、電樞電流和電流密度相同以及磁密相同條件下，能產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩？1-定子；2-轉(zhuǎn)子；3-電刷；4-電樞繞組；5-槽楔兼換向器片；6-銅環(huán)2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)電樞導體所占截面積：Ke—電樞截面利用系數(shù)，即槽面積占電樞截面的比例系數(shù)；Kf—槽滿率。2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)當電樞電流相同，電流密度相同時，導線直徑相同2.4交流伺服電機(ACServoMotor)結(jié)構(gòu)特點和工作原理

交流伺服電機通常都是兩相異步電機，在定子上有兩個空間相距90度的繞組，即控制繞組和勵磁繞組。2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)Rotor籠型轉(zhuǎn)子非磁性空心杯轉(zhuǎn)子鐵磁性空心杯轉(zhuǎn)子杯壁厚0.2~0.8mm，J小杯壁.5~3mm，J較大，有單邊磁拉力，已較少用2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)工作原理：與普通兩相異步電機的相似之處：在二相對稱繞組中通入兩對稱電流，就會在氣隙中產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子導體切割磁場所感應的電流與氣隙磁磁場相互作用就產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。當改變其中一相電流的大小或相位時，氣隙磁場就發(fā)生變化，電磁轉(zhuǎn)矩隨之變化，電機轉(zhuǎn)速必然跟著改變，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制。區(qū)別：由于伺服電動機在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。對其要求是：(1)轉(zhuǎn)子速度的快慢能反應控制信號的強弱，轉(zhuǎn)動方向能反應控制信號的相位，調(diào)速范圍要寬；（2）無控制信號時，轉(zhuǎn)子不能轉(zhuǎn)動；（3）當電機轉(zhuǎn)動起來以后，如控制信號消失，應立即停止轉(zhuǎn)動；（4）為減小體積和重量，一般采用400、500或1000Hz。2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)增大轉(zhuǎn)子電阻后的單相轉(zhuǎn)矩增大轉(zhuǎn)子電阻，使sk>1，則合成單相轉(zhuǎn)矩在電動機正向旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)為負值，即T<0。這就是說，控制信號消失后，處于單運行狀態(tài)的電機由于電磁轉(zhuǎn)矩為制動性質(zhì)而能迅速停轉(zhuǎn)。因此，增大轉(zhuǎn)子電阻是防止交流伺服電動機出現(xiàn)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象的有效措施。兩相合成轉(zhuǎn)矩2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)可以增大調(diào)速范圍由電機學原理知，異步電機的穩(wěn)定運行區(qū)僅在：0<s<sk，而正常電機的sk=0.1~0.2,所以調(diào)速范圍甚小。增大轉(zhuǎn)子電阻，使sk增大，從而增大調(diào)速范圍。使機械特性更加線性

如右圖中，曲線3的線性度比曲線2要好。sk1=0.2,sk2=1.1,sk3=1.82.伺服電動機和伺服系統(tǒng)幅值控制

控制電壓與激磁電壓之間保持90度相位差不變，通過改變控制信號（電壓）的幅值來改變電機的轉(zhuǎn)速。2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)最不對稱，脈振磁場對稱，圓形旋轉(zhuǎn)磁場不對稱，橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場定義：為信號系數(shù)，則：相位控制控制電壓的幅值保持不變，通過改變控制電壓對激磁電壓的相角來實現(xiàn)對電機的控制。2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)當改變控制電壓的幅值以改變轉(zhuǎn)速時，由于轉(zhuǎn)子繞組的耦合作用，激磁電流If的大小和相位都會改變，致使激磁繞組上的電壓的大小和相位也隨之改變。所以，這是一種幅值和相位的復合控制方式。Cph2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)雙相控制

激磁電壓與控制電壓間的相位固定為90度，而激磁電壓的幅值隨控制信號的改變而同樣的改變，也就是說，不論控制信號大小，電機始終在圓形旋轉(zhuǎn)磁場下工作，可獲得最大輸出功率和效率。2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)交流伺服電動機的靜態(tài)特性

和直流伺服電動機一樣，可用機械特性和調(diào)節(jié)特性來表征交流伺服電動機的的靜態(tài)運行性能。1.幅值控制時的靜態(tài)特性勵磁繞組中不接電容，X’ca=02.伺服電動機和伺服系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩為了簡化表達式和使分析結(jié)論更具普遍性，將上式以標么值形式表示。選取圓形旋轉(zhuǎn)磁場時的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩作為轉(zhuǎn)矩的基值。因獲得圓形旋轉(zhuǎn)磁場的條件是，而堵轉(zhuǎn)時

2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩基值：轉(zhuǎn)矩標么值：2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)圓形旋轉(zhuǎn)磁場，電機處于對稱運行狀態(tài)脈動磁場，電機不對稱程度最大橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場，可用兩個反向旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁場表示可見，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系十分復雜。因此，常用電機的實際參數(shù)按轉(zhuǎn)矩公式進行計算，作出不同信號系數(shù)時的機械特性曲線。由于是用標么值表示，所以具有普啟遍意義。由機械特性，采用作圖的方法可得到調(diào)節(jié)特性。2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)幅值控制時的機械特性幅值控制時的調(diào)節(jié)特性2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)1.幅值控制時的靜態(tài)特性2.相位控制時的靜態(tài)特性2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)相位控制時的機械特性相位控制時的調(diào)節(jié)特性3.電容控制時的靜態(tài)特性

定義獲得圓形旋轉(zhuǎn)磁場時信號系數(shù)為a0，為使伺服電機有較大起動轉(zhuǎn)矩，使電機在起動時獲得圓形旋轉(zhuǎn)磁場，起動后為橢圓形磁場，故電容控制時電機的理想空載轉(zhuǎn)速都低于同步速。2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)電容控制時的機械特性電容控制時的調(diào)節(jié)特性4.雙相控制時的靜態(tài)特性

信號系數(shù)定義為實際控制信號與額定信號電壓(電機銘牌上有注明)之比。2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)雙相控制時的機械特性雙相控制時的調(diào)節(jié)特性分析：

各種控制方式下的調(diào)節(jié)（控制）特性均為非線性，但是在相對速度較小、信號系數(shù)較小時，都接近直線。所以，為獲得線性的調(diào)節(jié)特性，伺服電機應工作在相對轉(zhuǎn)速較低的狀態(tài)下。辦法：提高工作頻率例：0~2400r/m的轉(zhuǎn)速范圍，

f=50Hz時，相對轉(zhuǎn)速：0~0.8；

f=500Hz時，相對轉(zhuǎn)速：0~0.08.2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)實際的兩相伺服電動機u值不超過0.2，所以，Ku值就近似于1，這樣，它的機械時間常數(shù)仍可以近似地用理想引性機械特性時的機械時間常數(shù)代替，由此引起的誤差不超過22%。性能指標空載始動電壓Us0在額定激磁電壓和空載的情況下，使轉(zhuǎn)子在任意位置開始連續(xù)轉(zhuǎn)動所需的最小控制電壓稱為空載始動電壓Us0，通常用額定控制電壓的百分數(shù)表示。Us0越小，表示伺服電動機的靈敏度越高，一般不大于3~4%。2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)機械特性的非線性度Km

在額定激磁電壓下，任意控制電壓時的實際機械特性與線性機械特性在T=Tst/2時的速度差與空載轉(zhuǎn)速之比百分數(shù)。始動電壓機械特性非線性度2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性的非線性度K

在額定激磁電壓和空載情況下，當有效信號系數(shù)e為0.7時，實際調(diào)節(jié)特性與線性調(diào)節(jié)特性的速度差與空載轉(zhuǎn)速之比的百分數(shù)。2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)機電時間常數(shù)me=1時的機械特性近似為一直線，所對應的機電時間常數(shù)為：2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)交流伺服電動機應用舉例—倒數(shù)計算裝置

線性電位器輸入端加電壓U1，輸出端電壓為：q放大器伺服電機電機轉(zhuǎn)動q改變此時2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)直流與交流異步伺服電動機的比較交流直流