微特电机及系统课件：chap02_伺服电动机

1、2.伺服电动机和伺服系统普通高等教育“十一五”国家级规划教材 伺服电动机和伺服系统2.伺服电动机和伺服系统普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.1 简介 伺服电动机又称执行电机，在自动控制系统中作为执行元件。功能：电压信号转轴的角位移或角速度分类：直流伺服电机-功率较大，几百瓦，也可达数千瓦。 交流伺服电机-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：宽广的调速范围机械特性和调节特性为线性无“自转”现象-控制电压为零时能立即自行停转快速响应普通高等教育“十一五”国家级规划教材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

2、统型直流伺服电动机 其结构与普通进流电动机基本相同，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普通高等教育“十一五”国家级规划教材低惯量型直流伺服电动机A. 盘形电枢直流伺服电动机：2.伺服电动机和伺服系统定子有永久磁铁；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。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统A. 盘形电枢直流伺服电动机：绕组普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统B. 空心杯电枢永磁式直流伺服电动机1-内定子， 2-外定子， 3-空心杯电枢，

3、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；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普通高等教育“十一五”国家级规划教材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。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统控制方式由直流电机原理知道：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

4、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制。普通高等教育“十一五”国家级规划教材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：普通高等教育“十一五”国家级规划教材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：普通高等教育“十一五”国家级规划教材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

5、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。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统动态方程式电压方程运动方程普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统设：机电时间常数电气时间常数当已知各常数，就可解该方程，获得角速度变化规律普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统传递函数对上述方程式进行拉氏变换，用s表示拉氏算子，则可得下列象函数方程：每个方程都可以用一个方块图表示。2.伺服电动机和伺服系统方块图普通高等教育“十一五”国家级规划教材普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机

6、和伺服系统设TL=0，则可简化为：结构图传递函数：普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统通常， ，所以近似有：时间常数设电枢外施阶跃电压Uc，其象函数为：普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统利用拉氏反变换公式：可得电机角速度随时间变化的规律为：机械时间常数定义：当电动机空载时电枢外施阶跃电压，其角速度从0上升到稳定角速度的63.2%时所需要的时间。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统机械时间常数与转动惯量成正比；与电机的每极气隙磁通F的平方成反比，为了减小电机机械时间常数，应增加每极气隙磁通；与电枢电阻Ra的大小成正比，为减

7、小时间常数，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，应计入放大器的内阻Ri，Ra+Ri；直流伺服电动机的机械时间常数一般30ms，低惯量直流伺服电机的时间常数10ms。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统机械时间常数也可写为：可见，机械特性曲线越平坦(即机械特性越硬)，则tm越小。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统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：与一般直流伺服电动机相同。结构特点：与一般直流伺电动机不同，呈扁

8、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。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统思考题：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 普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统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。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统当电枢电流相同，电流密度相同时，导线直径相同电机电磁转

9、矩表示式：空载转速与电枢形状的关系普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统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。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统Rotor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，已较少用普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统工作原理：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

10、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；（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。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统如何满足上述要求？增大转子电阻！增大转子电阻的三个

11、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，0s0。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。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统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

12、矩 普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统可以增大调速范围 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普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统控制方法 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

13、转磁场，使转子获得转矩而旋转。如果这两个绕组的脉动磁势幅值相同，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：普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统幅值控制 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。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统最不对称，脉振磁场对称，圆形旋转

14、磁场不对称，椭圆形旋转磁场 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。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统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。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺

15、服电动机和伺服系统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普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统双相控制 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。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统交流伺服伺服电动机的理论分析对称分量法 实际上，两 相伺服电动机是在两 相不对称绕组上外施两相不

16、对称电压运行的异步电机。1. 对称分量分析两相伺服电动机原理图 磁动势对称分量相量图普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统将励磁绕各量归算至控制绕组，两个绕组的有效匝数相同，均为Wckwc，则磁动势可用对应的电流关系来表示。式中普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统2、等效电路和电压方程控制绕组正序等效电路 控制绕组负序等效电路 励磁绕组正序等效电路 励磁绕组负序等效电路 普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统3、绕组电流每一相序的电流分量只在它对应相序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

17、抗中产生电压降。在励磁绕组和控制绕组回路中有电压方程： 普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统4、功率与转矩 由正向磁场产生的功率：由负向磁场产生的功率：合成转矩：普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统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普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统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

18、场的条件是 ，而堵转时 普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统转矩基值：转矩标么值：普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统圆形旋转磁场，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。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统幅值控制时的机械特性幅值控制时的调节特性普通高等教育“十一五”国家级

19、规划教材2.伺服电动机和伺服系统1. 幅值控制时的静态特性2. 相位控制时的静态特性普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统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。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统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。普通高等教育“十一五”国家级规划

20、教材2.伺服电动机和伺服系统双相控制时的机械特性双相控制时的调节特性分析： 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.普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统交流伺服电动机的动态特性 交流伺服电机动态特性的分析方法与直流伺服电动机类似，主要区别是，交流伺服电动机的机械特性和调节特性均为非线性。下面以幅值控制为例说明交流伺服电动机的

21、动态特性的分析方法。 电机的机械运动方程为：由于机械特性非线性，求解上式非常困难。简化办法是将机械特性线性化，即用一条通过实际机械特性的起动转矩和空载转速点的直线代替非线性的机械特性。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统Tenn0TstnTem0a两边同乘以普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统对照直流伺服电动机的动态方程可知：机械特性的非线性对时间常数的影响，是使机械时间常数变小。Temnn0TstnTem0a普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统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