伺服电动机的基本结构和工作原理

1、伺服电动机的基本结构和工作原理2009年10月13日伺服电动机也称执行电动机，是伺服系统中的重要元件，它具有一种服从控制信号的要求而动作的职能。 在控制信号来到之后电动机转子立即转动，转速随控制信号变化而变化；当控制信号消失，转子能即时自 行停转。由于这种“伺服”的性能， 因而得名。 伺服电动机输入的电压控制信号称为控制电压， 用 uC表示； 改变控制电压 UC可以改变伺服电动机的转速和转向。伺服电动机可分为交流伺服电动机和直流伺服电动机两大类：直流伺服电动机通常用在功率稍大的系 统中，其输出功率一般为 1 600W，有的也可达数千瓦；交流伺服电动机输出功率一般为O1 100w，其中最常用的在

2、 30W以下。伺服电动机种类多、用途广，伺服控制系统对伺服电动机的基本要求有如下几点：要有宽广的调速 范围；灵敏度高，即起动要快，对控制信号的反应灵敏；具有线性的机械待性和调节特性；无“自 转”现象，即当控制电压为零时，电动机应能迅速自动停转。1 直流伺服电动机直流伺服电动机的基本结构及工作原理与一般直流电动机相类似。 为了适应各种不同伺服系统的需要， 直流伺服电动机从结构上作了许多改进，如无槽电枢伺服电动机；空心杯形电枢伺服电动机；无刷直流执 行伺服电动机；扁平形结构的直流力矩电动机等。这些类型的电动机具有转动惯量小、机电时间常数小、 对控制信号响应速度快、低速运行特性好等特点，直流伺服电动

3、机既可采用电枢控制，也可采用磁场控制，但一般多采用电枢控制。电枢控制时，其控 制电路如图 6 11所示。图中将励磁绕组接于恒定电压 uf ，控制电压 UC接到伺服电动机电枢两端。直流伺服电动机的机械特性同一般他励直流电动机的机械特性相同，也用下式表示：图6 12 是直流伺服电动机不同控制电压下 (uc 为额定控制电压 )的机械特性曲线 n=f(T) 。由图中可见：在一定的负载转矩下，当励磁不变时，调节电枢电压 uc ，就可以调节电动机的转速。当控制电压uc=o 时，电动机立即停转。要电动机反转，可改变电枢电压uc 的极性。直流伺服电动机的主要优点如下：1) 体积小、重量轻、效率高，一般适用于功

4、率较大的系统。2) 电枢控制时的机械特性和调节特性都是斜率不变的平行直线族。3) 起动转矩大。4) 调速范围广，从每分钟几十转到数千转。主要缺点是：1) 结构较复杂，电刷和换向器需经常维护。2) 换向产生的火花，带来电磁干扰。3) 其控制信号来自直流放大器，因而直流放大器的零点漂移会影响系统的精度和稳定性。2 交流伺服电动机1) 交流伺服电动机的结构与特点 交流伺服电动机分笼型转子和杯形转子 ( 杯形转子可视为无数条并 联的导体条组成 ) 两类结构，其工作原理与两相异步电动机相同。在定子铁心中嵌有两相绕组，彼此轴线在 空间相差 90°，其中一相绕组称为励磁绕组，连接交流励磁电压uf

5、另一相称为控制绕组，外接控制信号电压 uc 。控制电压 uc 的大小和相位随偏差信号的变化而改变。交流伺服电动机的结构与特点见表6-1 。励磁电压 uf 与控制电压 uc 的频率相等，但在相位上相差 90°图 6 13是交流伺服电机的工作原理图， 图中 uf 是交流励磁电压， uc 是控制电压。(2) 交流伺服电动机的控制原理和控制特性由于励磁电压 uf 与控制电压 uc 的频率相等，但在相位上相 差90°，所以在其两个绕组分别通入两个相位相差 90°的电流 if 和 ie 因而产生了旋转磁场 ( 见第1章单相 电动机节的内容 ) ，在旋转磁场的作用下，电动机的转

6、子便转动起来。当调节控制电压 uc 的大小时，则转子的转速随之变化。控制电压高，电动机旋转得快，控制电压低， 电动机旋转得慢。当控制电压反相时，旋转磁场和转子也都反转。由此控制电动机的转速和转向。在运行时如果控制电压变为零，电动机就立即停转。这是交流伺服电动机的特点，也是我们所要求的。图6-14 是交流伺服电动机在不同控制电压下的机械特性曲线，Uc为额定控制电压的有效值。 由图可见：在一定负载转矩下，控制电压越高，则电动机的转速越高；在一定的控制电压下， 负载增加，转速下降。此外，由于转子电阻较大，机械特性曲线陡降较快，特性很软，不利于系统的 稳定。伺服电动机的电源频率有 50Hz和400Hz 之分。同直流伺服电动机相比，交流伺服电动机有如下缺点：1