电机与电气控制技术 课件 6-3认识伺服电动机

项目六控制电动机任务二认识伺服电动机任务描述伺服电动机又称执行电动机，是一种具有服从控制信号要求进行工作的执行器，无信号时静止，有信号立即运行，因而得名“伺服”，用SM来表示。伺服电动机是自动控制系统中的执行元件，它将输入的电压信号转变为转轴的角位移或角速度输出，改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的转速与转向，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。伺服电动机的特点是：有输入信号时转子立即旋转，无输入信号时转子立即停转，转轴转向和转速是由控制电压的方向和大小决定。根据使用电源的不同，伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。本任务主要学习伺服电动机的分类、结构、工作原理和控制方式，了解伺服控制系统的组成。直流伺服电动机

一般的直流伺服电动机的结构与普通小型直流电动机相同。按照励磁方式不同，可分为电磁式和永磁式。电磁式直流伺服电动机的磁场由励磁电流通过励磁绕组产生。永磁式直流伺服电动机的磁场由永磁铁产生，无需励磁绕组和励磁电流。直流伺服电动机的控制方式有两种：电枢控制和磁场控制。电枢控制，即磁场绕组加恒定励磁电压，电枢绕组加控制电压，当负载转矩恒定时，电枢的控制电压升高，电动机的转速就升高；反之，减小电枢控制电压，电动机的转速就降低；改变控制电压的极性，电动机就改变转向。磁场控制，即磁场绕组加控制电压，改变励磁电压的大小和方向，就能改变电动机的转速与转向。直流伺服电动机的工作原理（a）外形（b）工作原理示意图图6-14直流伺服电动机外形及工作原理示意图励磁绕组接他励电源

，流过励磁电流

，产生恒定的主磁通

。电枢两端输入电压

，流过电枢电流

。电枢电流与主磁通相互作用产生恒定的电磁转矩

。当电磁转矩与负载转矩相平衡时，电动机匀速旋转，同时在转子电枢中产生感应反电动势

。若电枢输入电压为零，则

。交流伺服电动机的结构

交流伺服电动机结构简单、能够克服直流伺服电动机存在的电刷、换向器等机械部件带来的各种缺陷，具有过载能力强、转动惯量低等优点，使之成为定位控制中的主流产品。交流伺服电动机主要由定子、转子及编码器三个主要部分以及端盖和风扇等组成，如图6-15所示。图6-15

交流伺服电动机的结构交流伺服电动机的结构（1）定子由铁芯和线圈构成，如图6-16（a）所示。定子铁心通常用硅钢片叠压而成。交流伺服电动机的定子铁芯中安放着空间相差90°电角度的两相绕组。一相称为励磁绕组，一相称为控制绕组。电动机工作时，励磁绕组接单相交流电压，控制绕组接控制信号电压，要求两相电压同频率。（2）转子转子是一个永磁体，在定子产生的磁场作用下，转子和磁场同步旋转，如图6-16（b）所示。因此我们常把伺服电动机称为同步电机。（a）交流伺服电动机定子

（b）交流伺服电动机转子图6-16

交流伺服电动机的定子和转子（3）编码器编码器的作用是作为伺服系统的速度反馈和位置反馈元件。套在转子的转轴上，当转子转动时，编码器的码盘也跟着转动，同时将输出脉冲反馈到伺服驱动器。伺服电动机的编码器是光电编码器。伺服电动机的精度取决于编码器的分辨率的精度，即每转一圈可以发多少个脉冲。常见的编码器外观如图6-17所示。交流伺服电动机的结构图6-17

常见编码器外观光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，由光栅盘和光电检测装置组成。如图6-18所示。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔，由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，使光线产生明暗相间的变化，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。光栅盘如图6-19所示，外围的一圈条纹是A相脉冲，中间的条纹是B相脉冲，最里面的那条条纹是Z相脉冲。A相、B相两组条纹相对应产生的脉冲信号彼此相差90度相位，可以识别电动机的旋转方向，Z相条纹只有一条，电机每转一周产生一个脉冲，称为零标志信号。图6-18

光电编码器结构图6-19

光栅盘交流伺服电动机的结构交流伺服电动机的工作原理工作原理如图6-20所示。定子上的两相对称绕组在空间彼此互差90°电角度，一相为励磁绕组

，两端的电压

；另一相为控制绕组

，两端的电压

，

与

频率相同，但相位不同。控制绕组经电位器接恒定的交流电源

，控制电压

与

可以是同相位或反相位，调节电位器可以改变控制电压的大小。励磁绕组与电容器串联后接交流电源

，电容起分相的作用，适当选择电容C

的数值，可以使励磁电流

超前于电源电压

。根据电路原理，电容两端的电压

；励磁绕组两端的电压

；以

为参考，作相量图如图6-20（c）所示。可见，励磁电压

与控制电压

之间的相位差角为

。只要

，就能产生起动转矩。如果

调节至90°，可以获得较大的起动转矩。(a)外形

(b)原理图（c）向量图

图6-20

交流伺服电动机的工作原理交流伺服电动机的控制方式

交流伺服电动机的控制方式有三种，分别是幅值控制、相位控制和幅值-相位控制。（1）幅值控制幅值控制方式是指始终保持控制电压

和励磁电压

之间的相位差为90°，仅改变控制电压

的幅值来改变交流伺服电动机的转速。当控制电压=0时，电动机停转；当控制电压

的值在零和额定电压值之间变化时，交流伺服电动机的转速在零和最高转速之间变化。交流伺服电动机的控制方式

（2）相位控制

保持控制电压和励磁电压的幅值为额定值不变，仅改变控制电压与励磁电压的相位差来改变交流伺服电动机转速，这种控制方式称为相位控制。控制绕组通过移相器与励磁绕组一同接至同一交流电源上，

的幅值不变，通过移相器使

与

的相位差在0°～90°之间变化，设

与

的相位差为

，

当=0时，控制电压与励磁电压同相位，气隙总磁动势为脉动磁动势，交流伺服电动机转速为零，不转动；当

=90°时，气隙磁动势为圆形旋转磁动势，交流伺服电动机转速最大，转矩也为最大；当

在0°～90°范围内变化时，气隙磁动势从脉动磁动势变为椭圆形旋转磁动势最终变为圆形旋转磁动势，交流伺服电动机的转速由低向高变化。交流伺服电动机的控制方式（3）幅值-相位控制

幅值-相位控制是指对幅值和相位差都进行控制，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来控制交流伺服电动机的转速。励磁绕组串联电容后接交流电源，控制绕组通过电位器

接至同一电源。控制电压

与电源同频率、同相位，其幅值可以通过电位器

来调节。当控制电压的幅值改变时，电动机的转速发生改变，由于转子绕组的耦合作用，励磁绕组中的电流随之发生变化，励磁电流的变化引起电容端电压的变化，使

与

之间的相位差

改变。伺服控制系统的组成

伺服控制系统，也称为随动系统，是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及转矩输出的自动控制系统，用来控制被控对象的转角或位移，使其自动、连续、精确地复现输入指令的变化。

伺服控制系统，主要组成部分为控制器、伺服驱动器、伺服电机和位置检测反馈元件，如图6-21所示。伺服驱动器通过执行控制器的指令来控制伺服电机，进而驱动机械装备的运动部件，实现对机械装备运动的速度、载荷和位置的快速、精确和稳定的控制，反馈元件是伺服电机上的光电编码器或旋转编码器，能够将实际机械运动速度、位置等信息反馈至电气控制装置，从而实现闭环控制。图6-21伺服控制系统组成伺服控制系统的工作原理

控制器按照系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值进行偏差计算，调节控制量，使伺服电动机按照要求完成位移或定位。控制器可以是单片机、工业控制计算机、PLC和定位模块等。当前应用的趋势是使用PLC作为位置控制系统的控制器。伺服驱动器的作用是把控制器送来的信号进行功率放大，用于驱动电动机运转，根据控制命令和反馈信号对电动机进行控制。

伺服电动机是系统的执行元件，根据伺服驱动器的输出拖动生产机械运转。

伺服控制系统目前在高精度数控机床、机器人、纺织机械、印刷机械、包装机械、自动化流水线、各种专用设备等场合中应用广泛。伺服控制系统的工作模式（1）位置控制模式

位置控制模式是利用上位机产生的脉冲来控制伺服电动机转动。脉冲的个数决定伺服电动机转动的角度(或工作台移动的距离)，脉冲频率决定电动机的转速。数控机床的工作台控制，属于位置控制模式。（2）速度控制模式

速度控制模式是维持电动机的转速保持不变。当负载增大时，电动机输出的力矩