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第一章 伺服电动机 基本内容和重难点 基本内容 直流伺服电动机的结构和分类 电枢控制时的运行性能 机械特性 调节特性 动态特性 交流伺服电动机的结构和分类 控制方式 两相交流伺服电动机的对称分量法 幅值控制时的机械特性 调节特性和输出特性 幅值 相位控制 电容控制 时产生圆形旋转磁场的条件 幅值控制时的动态性能及影响因素 单相运行不 自转 的条件 交 直流伺服电动机的性能比较 重难点 重点掌握电枢控制时的机械特性和调节特性 同时 还应掌握电枢控制时的传递函数和时间常数 重点掌握两相交流伺服电动机的对称分量法 在此基础上 着重掌握幅值控制时电机的机械特性和调节特性 幅值 相位控制 电容控制 时产生圆形旋转磁场的条件 单相运行不 自转 的条件 本章要点 伺服电动机概述概念 直流与交流伺服电动机 伺服电动机的发展控制系统的要求直流伺服电动机概念 结构与分类普通型 盘型电枢 空心杯 无槽直流伺服电动机直流伺服电动机的控制方式 运行特性 机械特性 调节特性直流伺服电动机的动态特性 机电过渡过程 等效电路 传递函数 角速度时间变化规律 影响机械时间常数的因素常见直流伺服电动机的机电时间常数 两相伺服电动机原理与结构 工作原理 性能要求 特点 自转 现象及其避免方法 转子结构型式 控制原理 控制方式对称分量法 基本思想和物理意义 方法原理 绕组磁势 绕组的电流关系 等效电路 控制与励磁绕组电流 电动机转矩幅值控制时的电机运行性能 理想和实际电动机的机械 调节和输出特性及相关影响因素其它控制方式下的电机运行性能及电动机单相运行不 自转 判据交 直流伺服电动机的性能比较 第一节 伺服电动机概述 伺服电动机的概念 又被称为执行电动机在自动控制系统中作为执行元件 将输入的电压信号变换成转轴的角位移或角速度而输出而控制受控对象伺服电动机可控性好 反应迅速 是自动控制系统和计算机外围设备中常用的执行元件输入的电压信号称为控制信号或控制电压 改变控制电压可以变更伺服电动机的转速及转向伺服电动机可分为两类 交流伺服电动机和直流伺服电动机 直流与交流伺服电动机 按控制电机使用电源的性质可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机交流伺服电动机通常采用笼形园子两相伺服电动机和空心杯转子两相伺服电动机 所以常被称为两相伺服电动机 其输出功率约为0 1 100W 其中最常用的约在30W以下直流伺服电动机一般用在功率稍大的系统中 其输出功率约为1 600W 有的可达数千瓦 伺服电动机的发展 随着应用范围的扩展和要求的不断提高 出现了较多的新型结构随着系统快速响应性要求的提高 各种低惯量的的伺服电动机相继出现 如盘形电枢直流电动机 空心杯电枢直流电动机 无槽电枢直流电动机等随着电子技术的发展 出现了新型的如无刷直流电动机等此外 为了适应高精度低速伺服系统的需要 研制出了直流力矩电动机 它取消了减速机构而直接驱动负载 控制系统的要求 宽广的调速范围机械特性和调节特性为线性无 自转 现象快速响应性 第二节 直流伺服电动机 直流伺服电动机的概念 使用直流电源的伺服电动机 实质上上一台他励式直流电动机 结构与分类 普通型直流伺服电机盘型电枢直流伺服电动机空心杯直流伺服电动机无槽直流伺服电动机 普通型直流伺服电机 其结构型式与普通直流电动机基本相同组成 定子 转子两大部分分类 永磁式和电磁式永磁式 在定子上装置由永久磁钢做成的磁极 如我国的SY系列直流伺服电动机电磁式 定子通常由硅钢片冲制而成 磁极和磁轭整体相连 在磁极铁心上套有励磁绕组 如我国的SZ系列直流伺服电动机两种电机的转子铁心由硅钢片冲制而成 在园子冲片的外圆上开有均布的齿槽 和普通直流电机转子冲片相同 盘型电枢直流伺服电动机 定子由永久磁钢和前后磁轭所组成 磁钢可在圆盘的一侧放置 也可在两侧同时放置 电机的气隙位于圆盘的两边 圆盘上有电枢绕组 可分为印制绕组和绕线式绕组 电枢绕组中的电流沿径向渡过圆盘表面 并与轴向磁通相互作用而产生转矩 绕组的径向段为有效部分 弯曲段为端接部分 常用电枢绕组有效部分的裸导体表面兼做换向器 与电刷直接接触 盘型电枢直流伺服电动机 空心杯直流伺服电动机 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组成 内定子为圆柱形软磁材料制成 仅作为磁路的一部分 以减小磁路的磁阻 也有内定子由永久磁钢做成 外定子由软磁材料做成 绕组或采用印制绕组 或先绕成单个成型线圈 然后将它们沿圆周的轴向排列成空心杯形 再用环氧树脂热固化成型 电枢直接装在电机轴上 在内 外定子间的气隙中旋转 电枢绕组接到换向器上 由电刷引出 我国生产的这种控制电机的型号为 SYK 空心杯直流伺服电动机 无槽直流伺服电动机 电枢铁心不开槽电枢绕组直接排列在铁心表面 再用环氧树脂将其与电枢铁心固化成整体定子磁极可用永久磁钢做成 也可用电磁式结构电机的转动惯量和电枢绕组的电感相较而言较大 因而其动态性能较差工国生产的这种型号的电机为SWC 无槽直流伺服电动机 控制方式 一般采用电枢控制方式控制过程 当励磁电压恒定 负载转矩一定时 升高电枢电压 电机的转速随之升高 反之 减小电枢电压 电机的转速下降 若电枢的电压为零 电机停转 当电枢的电压极性改变时 电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制转速控制 直流伺服电动机的运行特性 假设条件电机的磁路不饱和电刷位于几何中性线忽略负载时电枢反应磁势的影响电机的每极气隙磁通保持恒定 直流伺服电动机的机械特性 含义 指在控制电压保持不变的情况下 直流伺服电动机的转速n随转矩变化的关系 理想空载转速 当转矩为零时的转速 仅与电枢电压有关堵转转矩 当转速为零时的转矩 仅与电枢电压有关 直流伺服电动机的机械特性 由图可见 随着控制电压的增大 电机的机械特性曲线平行地向转速和转矩增加的方向移动 但它的斜率保持不变 所以电枢控制时直流伺服电动机制机械特性是一组平行的直线 直流伺服电动机的调节特性 含义 指负载转矩恒定时 电机转速与电枢电压的关系 直流伺服电动机的调节特性 由图可见直流伺服电动机的调节特性也是一组平行的直线调节特性曲线与横轴的交点表示在某一电磁转矩 若略去电动机的空载损耗 则为负载转矩值 时电动机的起动电压 若转矩一定时 电机的控制电压大于相应的起动电压 电动机便能起动并达到某一转速 反之 控制电压小于相应的起动电压 则电动机所能产生的最大电磁转矩仍小于所要求的转矩值 不能启动 所以在调节特性曲线上从原点到始动电压点的这一段横坐标所示的范围称谓某一电磁转矩值时的失灵区 显然失灵区的大小与电磁转矩的大小成正比 直流伺服电动机的动态特性 含义 指电动机的电枢上外施阶跃电压时 电机转速从零开始的增长过程 即或 直流伺服电动机的机电过渡过程 电机的过渡过程由电气和机械的过渡过程相互交叠在一起形成的电动机在电枢外施控制电压前牌停转状态 当电枢外施阶跃电压后 由于电枢绕组有电感 电枢电流不能突然增长 因而有一个电气过渡过程 即相应电磁转矩的增长也有一个过程 另一个方面 在电磁转矩的作用下 电机从停转状态逐渐加速 由于电枢有一定的转动惯量 电机的转速从零增长到稳定的转速需要一定的时间 因此应存在一个机械过渡过程在整个机电过渡过程中 电气和机械过渡过程相互影响 一方面由于电机的转速由零加速到稳定转速是由电磁转矩 或电枢电流 所决定 另一方面 电磁转矩或电枢电流又随转速而变化 因此电机的机电过渡过程是一个复杂的电气 机械相交叠的物理过程 直流伺服电动机的等效电路 通过分析直流伺服电动机的等效电路可以得到电枢回路的电压平衡方程式 直流伺服电动机的等效电路为 直流伺服电动机的传递函数 当负载转矩为零 并略去电机的铁心损耗和摩擦转矩后 电动机的电磁转矩全部用来使转子加速 即 从而得到直流伺服电动机的传递函数 直流伺服电动机的传递函数 考虑电枢电感很小 传递函数可写作 其中 电动机的机械时间常数电动机的电气时间常数 直流伺服电动机的传递函数 通常电枢绕组的电感很小 电动机转子又有一定的转动惯量 因而机械时间常数要比电气时间常数大得多 故而常将电气常数忽略 即传递函数为 显然这是一个一阶惯性环节 直流伺服电动机角速度时间变化规律 略去电动机的电气时间常数和电枢外施阶跃电压可得直流伺服电动机角速度时间变化规律 影响机械时间常数的因素 机械时间常数的公式 从而可以看出机械时间常数的影响因素有 机械时间常数与电机电枢的转动惯量成正比 因此为了减小电机的机械时间常数 宜宜采用细长形的电枢或采用空心杯电枢 盘形电枢 以获得尽量小的转动惯量J值机械时间常数与电机的每极气隙磁通的平方成反比 为了减小电机的机械时间常数 应增加每极气隙磁通 即增高气隙磁密机械时间常数与与电枢电阻Ra的大小成正比 为了减小电机的机械时间常数 应尽可能减小电枢电阻 当伺服电动机用于自动控制系统并由放大器供给控制电压时 其机械时间常数还受到系统放大器的内阻Ri的影响 相应公式中的电阻从应改写为Ra十Ri 我国目前生产的常见直流伺服电动机的机电时间常数 SZ系列 30msSY系列 30msSY系列 小机座号 35ms快速低惯量 10ms空心杯式 2 3ms 第三节 两相伺服电动机 原理与结构 两相伺服电动机的工作原理 交流伺服电动机一般为两相交流电机 由定子和转子两部分组成 转子有笼形和杯形两种 定子为两相绕组 并在空间相差90 电角度 一个为励磁绕组 另一个为控制绕组 如右图所示 控制系统的性能要求 具有宽广的调速范围线性的机械特性无 自转 现象快速响应等 自转 现象及其避免方法 自转 现象 当励磁电压不为零 控制电压为零时 伺服电动机相当于一台单相异步电动机 若转子电阻较小 则电机仍然旋转 避免 自转 现象方法 增大转子电阻值 两相伺服电动的特点 转子电阻大转动惯量小 转子结构型式 1 高电阻率导条的笼型转子同普通笼型感应电动机转子一样 但为了减小转动惯量 需做成细而长 如我国生产的SL系列转子笼的导条和端环可以来用高电阻率的导电材料 如黄铜 青铜等 制造 也可采用铸铝转子 转子结构型式 2 非磁性空心杯转子它的外定子铁心是由砖钢片冲制后叠成 并在铁心内圆上开有均布的齿槽 在定子铁心槽中放置空间相距90 电角度的两相分布绕组 内定子铁心也是由硅钢片叠成 一般不放绕组 仅作为磁路的一部分 以喊小主磁通磁路的磁阻 在内定子铁心的中心处开有内孔 转轴从内孔中穿过 空心杯转子一殷是由铝合金制成 它位于内 外定子铁心之间的气隙中 并靠其底盘和转轴固定 主要用于要求低噪声及低速平稳运行的某些系统中 目前我国生产的这种伺服电动机的型号为SK 转子结构型式 2 转子结构型式 3 铁磁性空心转子采用铁磁材料 纯铁 制成 转子本身既是主磁通的磁路 又作为转子绕组 因此不需要内定子铁心 电机的结构也较简单 其转于的结构型式有两种 为使转子中的磁通密度不至过高 铁磁性空心转于的壁厚也要相应增加 约为0 5 3mm 因而其转动惯量较非磁性空心杯转子要大得多 快速响应性能也较差 特别是这种结构的电机 当定 转子气隙稍有不均匀时 转子就容易因单边磁拉力而被 吸住 所以目前应用得较少 转子结构型式 3 两相伺服电机的控制原理 对于两相伺服电动机 若在两相对称绕组中外施两相对称电压 便可得到圆形旋转磁场 反之 两相电压因幅值不同 或相位差不是90 电角度 所得的便是椭圆形旋转磁场 两相伺服电动机运行时 因控制绕组所加的控制电压是变化的 一般说来得到的是椭圆形旋转磁场 并由此产生电磁转矩而使电机旋转 若改变控制电压的大小或改变它与励磁电压之间的相位角 都能使电机气隙中旋转磁场的椭圆度发生变化 从而影响到电磁转矩 当负载转矩一定时 可以通过调节控制电压的大小或相位来达到改变电机转速的目的 两相伺服电机的控制方式 1 幅值控制控制电压和励磁电压保持相位差90 只改变控制电压幅值 接线图如下所示 两相伺服电机的控制方式 2 相位控制控制电压和励磁电压幅值均为额定值 通过改变控制电压和励磁电压相位差 实现对伺服电动机的控制 接线图如下所示 两相伺服电机的控制方式 3 幅值 相位控制 或称电容控制 通过改变控制电压的幅值及控制电压与励磁电压的相位差控制伺服电机的转速 接线图如下所示 对称分量法 基本思想和物理意义 基本思路 将电机两绕组的不对称磁势分解为两组对称的磁势分量 其中一组对称磁势的相序与外施电压的相序一致 称为正序分量 另一组对称磁势的相序与外施电压的相序相反 称为负序分量 物理意义 将由控制绕组磁势和励磁绕组磁势组成的不对称两相系统形成的椭圆形旋转磁势等效为一组正序磁势及另一组负序磁势所分别形成的正转圆形旋转磁势和反转圆形磁势的叠加 方法原理 分解方法如下图 分解原则 假设控制绕组磁势在时间相位上滞后于励磁绕组磁势 绕组磁势 将励磁绕组各量折合到控制绕组 从而它们应有了同一有效匝数 控制绕组每极基波磁势 励磁绕组每极基波磁势 绕组的电流关系 通过对基波磁势的分析很容易得到相应的电流之间的关系 等效电路原理 因为相序电流分量只在其对应的阻抗中产生电压降即 正序电流只在正序阻抗中产生电压降 而负序电流只在负序阻抗中产生电压降 因此根据电压平衡关系可得到 等效电路 根据单相感应电动机原理可知 即可得到两相伺服电动机的正序阻抗与负序阻抗等效电路 控制与励磁绕组电流 电动机转矩 由前面的分析可知 电机中既有正序磁势产生的正向旋转磁场 又有负序磁势产生的负向旋转磁场 因而电机的电磁转矩应为电机工作在电动机状态下的正向电磁转矩和工作在电磁制动状态下的负向电磁转矩的差 即 幅值控制时的电机运行性能 幅值控制下理想电机的运行性能 理想条件 略去电机漏阻抗中的某些次要部分 即令 因为这些阻抗相对电机的励磁电抗和转子电阻可以忽略不计略去电机的励磁电流 即励磁电抗 励磁支路开路 理想电机的正负序阻抗等效电路 等效电路如下所示 理想电机的机械特性 1 理想电机的电磁转矩为 理想电机圆形旋转磁场的堵转转矩为 因而理想电机的电磁转矩的标么值为 理想电机的机械特性 2 右图是机械特性曲线图 由图可见 当有效信号系数为常数时 转矩与转速成线性关系当有效信号系数不为1时 因电机旋转磁场为椭圆形磁场而产生制动转矩 因而电动机的转速要低于同步转速两相电压的不对称程度越大 制动转矩也越大 因而电机的理想空载转速也就越低 理想电机的调节特性 1 将电磁转矩的标么值公式进行改写可得 因此可以得到其调节特性曲线 如右图所示 理想电机的调节特性 2 由图可知 理想电机的调节特性为非线性 只在起始部分近似线性 因此为使电机能运行在调节特性的线性范围内 应使它在较小的有效信号系数值和较小的转速标么值下运行 后者可以通过中频电源供电实现 调节特性曲线与横轴的交点是表示在一定的负载转矩时的伺服电动机开始转动的最小控制电压值 它与电磁转矩的标么值相同 从坐标原点到该点的范围称为 失灵区 幅值控制下的实际电机机械特性 1 以圆形旋转磁场时的堵转转矩为基值 可以得到幅值控制时的电磁转矩的标么值 当控制电压不变时 其值表示了电动机转矩和转速的关系 为转速的函数 即机械特性 幅值控制下的实际电机机械特性 2 右图是一台两相伺服电动机的一组机械特性可以看出其是一组曲线 但与 理想电机 的机械特性较为接近标么值与 理想电机 相同 都等于有效信号系数当有效信号系数等于1时 理想空载转速为同步转速 当有效信号系数不等于1时 理想空载转速低于同步转速当有效信号系数相同时 两相伺服电机的理想空载转速高于 理想电机 对于实际转矩而言 其值要小于 理想电机 这是因为虽然其标么值较大 但其选取的转矩基值要小得多 幅值控制时的实际电机动态性能分析 1 假设条件 电动机工作在有效信号系数为1 即圆形旋转磁场中电动机具有线性机械特性略去电动机的电气过渡过程这样便可得出与直流伺服电动相似的传递函数关系 幅值控制时的实际电机动态性能分析 2 下图是有效信号系数为1时的线性机械特性曲线 从图中可以得出 因此可以得到与直流伺服电动相似的传递函数 非线性机械特性对实际电机动态性能的影响 1 由于实际的机械特性为非线性 因此电机转速随时间的变化关系为非指数函数关系 通常的方法以抛物线进行近似 如右图 其曲线方程为 然后根据动力学方程即可得到电机转速与时间的关系式 非线性机械特性对实际电机动态性能的影响 2 转速时间关系曲线为 机械特性非线性对实际电机动态性能的影响 从转速时间关系曲线可以看出 用抛物线来近似指数函数关系已经比较准确非线性时间常数可以求出 其中随着的增大而减小并总是小于1 实际值一般在1左右 因而可以直接用理想线性机械特性时的机械时间常数来代替 同时实际的动态响应性能还要优我国的SL系列笼形转子两相伺服电动机的时间常数为10 55ms 其中大部分仅为10 20ms 线性机械特性斜率值对实际电机动态性能的影响 1 斜率改变对机械时间常数的影响 当有效信号系数很小时 若机械特性为 理想电机 时的直线 则堵转转矩为 理想空载转速为 因而电机的机械时间常数为 线性机械特性斜率值对实际电机动态性能的影响 2 斜率改变对增益系数的影响 当有效信号系数为1时 电机的增益系数为 当有效信号系数很小时 电机以理想空载转速运行时的控制电压为 因而电机的增益系数为 基于上述两点分析可知 幅值控制时两相伺服电动机在控制电压较小和具有 理想电机 机械特性时的传递函数为 其它控制方式下的电机运行性能 相位控制下的机械特性 这种控制方式在实际中很小使用 其转矩关系与幅值控制时较为相似 其主要差别在于控制电压与电源电压存在一个在0 90 变化的相位角 其特性曲线如右图所示 幅值 相位控制下的机械特性 右图表示两相伺服电动机的幅值 相位控制下的机械特性曲线 由图可见幅值 相位控制时电机的理想空载转速低于同步转速 三种控制方式的比较 由三种控制方式的机械特性曲线可见 若堵转转矩的标么值相同 一般对应于同一转速 幅值 相位控制时电机的转矩标么值较大 相位控制时最小 从机械特性的线性度来看 相位控制时为最好 而幅值 相位控制时最差 两相伺服电动机的调节特性 含义 指电磁转矩不变 转速随控制电压大小而变化的关系 由于从电机的转矩表达式直接推导调节特性相当繁杂 所以各种控制方式下的电机调节特性都是通过相应的机械特性曲线 用作图法直接求得 即选定某一转矩值后 再由机械特性曲线上找出转速和相对应的信号系数 并绘制成曲线所得 下图是三种控制方式下的调节特性曲线 从图中可以看出 相位控制时调节特性的线性度最好 而幅值 相位控制时最差 两相伺服电动机的输出特性 1 含义 指在一定的控制电压下 电机的输出机械功率与转速之间的关系 输出机械功率等于转速与转矩的乘积下图是三种控制方式下的两相伺服电动机的输出特性 两相伺服电动机的输出特