伺服系统与工业机器人课件第2章

第二章伺服电动机第二章伺服电动机2.1伺服电动机概述2.2步进电动机2.3直流伺服电动机2.4交流伺服电动机2.5伺服系统转动惯量及转矩计算2.6伺服电动机的安全与寿命总结2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut22.1伺服电动机概述2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut3电机（电磁型）直流电机电磁型直流电机永磁式直流电机有刷直流电机无刷直流电机交流电机感应电机IM（异步电机）三相异步电机笼型异步电机绕线型异步电机单相/两相异步电机同步电机SM永磁式同步电机电磁型同步电机磁阻电机磁滞电机步进电机磁阻反应式步进电动机VR永磁型步进电动机PM

混合型步进电动机HB

齿极型2.2步进电动机-工作原理2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut4步进电动机和一般旋转电动机一样，分为定子和转子两大部分。定子由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组，输入电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁。转子用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构。转子本身没有励磁绕组的称为“反应式”步进电动机，用永久磁铁做转子的称为“永磁式”步进电动机。目前以反应式步进电动机用得较多。三相反应式步进电动机工作原理图A→B→C→A的顺序通电，转子则沿逆时针方向一步步地转动，每步转过30°角。这个角度就叫步距角。显然，单位时间内通入的电脉冲数越多（即电脉冲频率越高），电动机转速越高。从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每一拍转子转动一个步距角三相励磁绕组依次单独通电运行，换接三次完成一个通电循环，称为三相单三拍通双三拍”，三相六拍2.2步进电动机-特点与分类2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut5步距角z为转子齿数；m为运行拍数，通常等于相数或相数的整数倍转速步进电机通电的脉冲频率为f（脉冲数/秒）序号产品名称代号含义1电磁式步进电动机BD步、电2永磁式步进电动机BY步、永3永磁感应子式步进电动机BYG步、永、感4反应式步进电动机BF步、反5印制绕组步进电动机BN步、印6直线步进电动机BX步、线7滚切式步进电动机BG步、滚2.2步进电动机-主要参数2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut6步距角z为转子的齿数，K为状态系数，K=拍数/相数，m为相数7.5°/15°、3°/6°、1.5°/3°、0.9°/1.8°、0.75°/1.5°、0.6°/1.2°、0.36°/0.72°最大静转矩一般电动机轴上的负载转矩应满足TL=(0.3~0.5)Tmax，起动转矩Ts（即最大负载转矩）总是小于最大静态转矩Tjmax。矩频特性2.3直流伺服电动机-工作原理2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut7直流电动机结构工作原理2.3直流伺服电动机-分类与特点2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut8名称产品型号励磁方式性能特点应用范围一般直流执行电动机SZ或SY电磁式、永磁式具有下垂的机械特性和线性调节特性，对控制信号响应速度快一般直流伺服系统无槽电枢直流电动机SWC电磁式、永磁式具有一般直流执行电机的特点，而且转动惯量和机电时间常数好，换向良好需要快速动作，功率较大的直流伺服系统空心杯型电枢执行电动机SYK永磁式除具有一般直流执行电机的特点，而且转动惯量和机电时间常数非常小，低速运转平滑，换向好需要动作快速的直流伺服系统印刷绕组直流执行电动机SN永磁式转动惯量小，机电时间常数小，低速运转性能好用于低速，启动和反转频繁的控制系统无刷直流执行电动机SW永磁式既保持了一般直流执行电机的优点，又克服了换向器和电刷带来的缺点，寿命长，噪声低要求噪声低、对无线电不产生干扰的控制系统直流力矩电动机永磁式可以不经过减速机构直接带动负载，反应速度快，速度特性硬度大，能在堵转和低速下运行适用于对速度和位置控制精度要求很高的系统2.3直流伺服电动机-参数2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut9电机型号DSEM-J482030E90L单位额定电压48VDC额定电流20A额定力矩2.2Nm额定转速3000RPM额定功率0.75kW惯量0.621Kgcm²电压常数12.7V/Krpm力矩常数0.12Nm/A空载电流0.55A编码器标配2500线增量式编码器，可选旋转变压器或17位绝对值编码器环境要求工作温度：0~40℃；储存温度：-25℃~65℃；湿度：85%RH或以下（无结露）；海拔小于1000米；户外(无阳光直射)，无腐蚀气体，无易燃气体，无油雾，无尘埃。2.4交流异步伺服电动机工作原理2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut10在不同转子电阻下的感应电动机的机械特性2.4交流伺服电动机的主要参数（以0.4kw为例）2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut11参数数值参数数值额定功率(kW)0.4电气常数(ms)4.3额定扭矩(N·m)1.27绝缘等级A级（UL），B级（CE）最大扭矩(N-m)3.82绝缘阻抗100MΩ，DC500V以上额定转速(r/min)3000绝缘耐压1.8kVac,1sec最高转速(r/min)5000重量(kg)(不带刹车)1.6额定电流2.6径向最大荷重(N)196瞬时最大电流(A)7.8轴向最大荷重(N)68每秒最大功率(kW/s)57.6振动级数(um)15转子惯量(x10-4kg·m2)(不带刹车)0.277使用温度(℃)0℃to40℃机械常数(ms)0.53保存温度(C)-10℃to80℃扭矩常数-KT(N·m/A)0.49使用湿度20to90%RH(不结露)电压常数-KE(mV/(r/min)17.4保存湿度20to90%RH(不结露)电机阻抗(Ohm)1.55耐振性等级2.5G电机感抗(mH)6.71IP等级IP65三大伺服电动机特点电机类型主要特点构造与工作原理控制方式直流伺服电机只需接通直流电即可工作，控制简单;

启动转矩大、体积小、重量轻、转速和转矩容易控制、效率高；需要定时维护和更换电刷，使用寿命短、噪声大。由永磁体定子、线圈转子、电刷和换向器构成。通过电刷和换向器使电流方向不断随着转子的转动角度而改变，实现连续旋转运动。转速控制采用电压控制方式，因为控制电压与电机转速成正比。转矩控制采用电流控制方式，因为控制电流与电机转矩成正比。交流伺服电机没有电刷和换向器，不需维护，也没有产生火化的危险；驱动电路复杂，价格高。按结构分为同步电机和异步电机，转子是由永磁体构成的为同步电机，转子是由绕组形成的电磁铁构成的为异步电机。分为电压控制和频率控制两种方式。异步电机通常采用电压控制方式。步进电机直接用数字信号进行控制，与计算机的接口比较容易;没有电刷，维护方便、寿命长;启动、停止、正转、反转容易控制。缺点是能量转换效率低，易失步等。按产生转矩的方式可分为永磁体式(PM)，可变磁阻式(VR)，和混合式(HB)。PM式产生的转矩较小，多用于计算机外围设备和办公设备;VR式能够产生中等转矩，而HB式能够产生较大转矩，因此应用最广。单相励磁:精度高，但易失步；双相励磁:输出转矩大，转子过冲小，常用方式，但效率低;单一双相励磁:分辨率高，运转平稳。2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut122.6伺服系统转动惯量及转矩计算计算负载惯量的目的就是为计算加/减速转矩。知道了惯量与转矩的关系,就容易由惯量求出使旋转对象加速或减速的转矩。任何旋转物体均有惯量存在,而惯量大小直接反应旋转时加/减速所需的转矩大小及时间长短。因此,选用电机时必须计算出电机的负载惯量,才能据此选择所需电机的规格。选定电机后,如果无法在希望的加速时间达到预定转速,必定是电机输出转矩不符合负载的需求,必须加大电机的输出转矩。如果机构控制系统的加速时间确实很短,当然可选用较小型号的电机来驱动,但相对的运行效率必定较差。2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut132.6.1物体旋转惯量计算2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut142.6.1直线运动惯量计算2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut152.6.1悬吊物体惯量计算2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut162.6.1复合运动惯量计算2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut172.6.2旋转运动负载转矩计算2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut18式中TL为负载转矩（N·m）；TLo为负载轴上的负载转矩（N·m）；TF为旋转摩擦负载转矩（N·m）；η为驱动部的效率；n为减速比N2/N1，(n>1为减速，n<1为加速)。关于负载轴上的负载转矩TLo，如果带动的是被切削工件，切削工作进行时会产生很大的负载转矩；如果切削完成，只有旋转运动，与外界无接触，应没有负载转矩TLo产生。2.6.3上下直线运动负载转矩计算2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut19式中TF为可动部分摩擦负载转矩（N·m）；TU为不平衡转矩（N·m）；TL为负载转矩（N·m）；W1为负载重量(kg)；W2为平衡配重重量(kg)；η为驱动部分的效率；μ为摩擦系数；V为可动部分速度(mm/min)；N为伺服电机的旋转速度(r/min)；g为重力加速度(9.8m/s2)；ΔS为伺服电机每转一周的位移量(mm)。垂直配置的运动机构必定会有不平衡转矩TU，只是量的大小不同。静止时，TU就是电机的保持转矩。上升时下降时其中：2.6.3加速转矩或减速转矩2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut20式中Ta为加速转矩（N·m）；Td为减速转矩（N·m）；JL为伺服电机轴换算负载惯量（kg·cm2）；JM为电机惯量（kg·cm2）；N0为电机转速(r/min)；tpsa为加速时间(s)；tpsd为减速时间(s)。N0与tpsa及tpsd相互配合，电机于tpsa时间内由0加速至N0转速，于tpsd时间内由N0转速减速至0。由上述两式可看出，相同输出转矩下，负载惯量越大，需要的加/减速时间越长。因此，进行高频率定位时必须尽可能降低运动部分的转动惯量，也就是降低重量或旋转半径。2.6.3运动转矩2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut21T1为加速转矩；T2为匀速转矩；T3为减速转矩。选用电机的最大输出转矩必须大于加速转矩T1的要求。2.6.3瞬时负载转矩2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut22tpsa为加速时间；te为匀速时间；tpsd为减速时间；t1为停止时间；tf为运行周期；TMa为加速转矩；TL为负载转矩；TMd为减速转矩；TLH为保持转矩。前文提到加/减速时间在系统设计初期已经决定，运行周期tf涉及设备效率，因此不可任意变动。如果电机选用有误而必须延长加/减速时间，势必会压缩运行周期内其他时间；被迫加长tf，影响范围很大，必须谨慎。2.6.3伺服电动机选型2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut232.6.3伺服电动机选型-实例分析2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut24滚珠丝杠驱动的水平运动平台重量为20kg，电机每转一圈丝杠移动4mm(经减速齿轮减速1/2后)，滚珠丝杠惯量为5.88kg/cm2(由规格表查得)，减速齿轮惯量可忽略不计。希望加速时间为0.2s，匀速时间为1s，减速时间为0.2s，停止时间为2s，试选用适当的伺服电机。ΔS=4mm，W=20Kg平台惯量：经丝杠减速后的惯量：负载惯量：0.081+1.47=1.551（kg/cm2）直线运动轴方向的力为：负载转矩