对伺服电动机的基本要求如下①可控性好有控制电压信号时电动机

对伺服电动机的基本要求如下：①可控性好，有控制电压信号时，电动机在转向和转速上应能作出正确的反应，控制电压信号消失时，电动机应能可靠停转。②响应快，电动机转速的高低和方向随控制电压信号改变而快速变化，反应灵敏，即要求机电时间常数小，启动转矩大。③机械特性线性度好，调速范围大，转速稳定。④控制功率小，空载始动电压低（从静止到连续转动的最小电压）专题10.1直流伺服电动机教学目标:1)掌握直流伺服电动机的结构和分类；2)学会直流伺服电动机的性能和使用。10.1.1直流伺服电动机的结构和分类

直流伺服电动机分为传统型、低惯量型低惯量型直流伺服电动机

低惯量型又分为圆盘电枢型、无槽电枢型和无刷型等。10.1.2直流伺服电动机的控制方法

1．电枢控制在定子磁场不变的情况下，通过控制施加在电枢绕组两端的电压信号Ua来控制电动机的转速和输出转矩的方法叫“电枢控制”。2．磁场控制通过调节磁通Ф（改变励磁电流的大小）来改变定子磁场强度，从而控制电动机的转速和输出转矩的方法叫“磁场控制”。这两种方法是不同的，“电枢控制”中转速n和控制量Ua之间是线性关系；“磁场控制”中转速n和控制量Ф是非线性关系。因此，在直流伺服系统中多采用“电枢控制”。10.1.3直流电动机的静态特性当直流电动机的控制电压和负载转矩不变，电动机的电流和转速达到恒定的稳定值时，就称电动机处于静态（稳态），此时直流电动机所具有的特性叫静态特性。电动机的静态特性一般包括机械特性（转速与转矩的关系）和调节特性（转速与控制电压的关系）。nn0TstTem图10-4直流伺服电动机的机械特性Tem2>Tem1>TemUc01Uc02UcTem=00nTem1Tem2图10-6直流伺服电动机的调节特性10.1.4直流伺服电动机的动态特性直流伺服电动机的动态特性是指在电枢控制条件下，在电枢绕组加上阶跃电压时，转子转速n和电枢电流Ia随时间变化的规律。直流伺服电动机产生过渡过程的原因是电动机中存在着两种惯性，即机械惯性和电磁惯性。机械惯性是由直流伺服电动机和负载的转动惯量引起的，是造成机械过渡过程的原因；电磁惯性是由电枢回路中的电感引起的，是造成电磁过渡过程的原因。专题10.2交流伺服电动机教学目标:1）掌握交流伺服电动机的分类；2）掌握交流伺服电动机的结构与工作原理。10.2.1同步交流伺服电动机1．工作原理图10-11永磁式同步电动机的工作原理同步交流伺服电动机由变频电源供电时，可方便地获得与频率成正比的可变转速，得到非常硬的机械特性及较宽的调速范围。所以在数控机床的伺服系统中多采用永磁式交流同步伺服电动机。2．调速方法

当同步电动机的定子绕组，接通三相交流电源后，就会产生一个一定转速的旋转磁场，并吸引永磁式转子磁极同步旋转，只要负载在允许范围内，转子就会与磁场同步旋转。同步电动机也因此而得名。永磁同步伺服电动机转子的转速为n（r／min）

n=60f／p（10-28）式中：f——电源频率；

p——磁极对数。10.2.2异步交流伺服电动机

1．结构特点异步交流伺服电动机的结构主要可分为两大部分，即定子部分和转子部分。在定子铁心中安放着空间互成90°电角度的两相绕组，如图10-12所示。其中l1—l2称为励磁绕组，k1—k2称为控制绕组，所以交流伺服电动机是一种两相的交流电动机。转子的结构常用的有笼形转子和非磁性杯形转子。图10-12定子两相绕组分布图

1-杯形转子2-外定子3-内定子4-机壳5-端盖图10-13非磁性杯形转子伺服电动机非磁性杯形转子交流伺服电动机的结构如图10-13所示

2．工作原理

异步交流伺服电动机使用时，定子的励磁绕组两端施加恒定的励磁电压uf，控制绕组两端施加控制电压uk，如图10-14所示。则励磁绕组中产生励磁电流if，控制绕组中产生控制电流ik。由单相异步电动机一章的分析可知：在空间互差90度电角度的两相交流绕组的电流if、ik将在电动机内部产生椭圆形的旋转磁场。转子绕组切割磁力线感应电势和电流，转子电流在磁场中受力使转子沿着旋转磁场的方向转动起来。即当定子绕组加上电压后，伺服电动机就会很快转动起来，将电信号转换成转轴的机械转动。

ufuk图10-14定子电气原理图异步交流伺服电动机的转子是跟着旋转磁场转的，也就是说，旋转磁场的转向决定了电机的转向。旋转磁场的转向是从流过超前电流的绕组轴线转到流过滞后电流的绕组轴线。如果控制电流ik超前励磁电流if，旋转磁场从控制绕组轴线转到励磁绕组轴线，即按顺时针的方向转动的，如图10-15所示。

图10-15旋转磁场转向当任意一个绕组上所加的电压反相时（电压倒相或绕组两个端头换接），则流过该绕组的电流也反相，即原来是超前电流的就变成滞后电流，原来是滞后电流的则变成超前电流（如图10-16所示，原来超前电流ik变成落后电流），因而旋转磁场转向改变，变成反时针方向。这样电机的转向也发生变化。实际上，就是采用这种方法使交流伺服电动机反转的。

ikIfitO图10-16一相电压倒相后的绕组电流波形专题10.3交流伺服电动机与其他电动机的性能比较教学目标:1）掌握交、直流伺服电动机的性能比较；2）掌握交流电动机与步进电动机的性能比较。10.3.1交、直流伺服电动机的性能比较在自动控制系统中，交、直流伺服电动机应用都很广泛，我们对这两类伺服电动机的性能加以比较，说明其优缺点，以供选用时参考。1．机械特性直流伺服电动机转矩随转速的增加而均匀下降，斜率固定。在不同控制电压下，机械特性曲线是平行的，即机械特性是线性的，而且机械特性为硬特性，负载转矩的变化对转速的影响很小。交流伺服电动机的机械特性是非线性的，电容移相控制时非线性更为严重，而且斜率随控制电压的变化而变化，这会给系统的稳定和校正带来困难。机械特性很软，低速段更软，负载转矩变化对转速影响很大，而且机械特性软会使阻尼系数减小，时间常数增大，从而降低了系统品质。2．“自转”现象直流伺服电动机无“自转”现象。交流伺服电动机若设计参数选择不当，或制造工艺不良，在单相状态下会产生“自转”而失控。3．体积、重量和效率交流伺服电动机的转子电阻相当大，所以损耗大，效率低，电动机的利用程度差。而且交流伺服电动机通常运行在椭圆形旋转磁场下，反向磁场产生的制动转矩使得电动机输出的有效转矩减小，所以当输出功率相同时，交流伺服电动机比直流伺服电动机的体积大，重量大，效率低。故交流伺服电动机只适用于小功率系统，功率较大的控制系统普遍采用直流伺服电动机。4．结构直流伺服电动机结构复杂，制造麻烦，运行时电刷和换向器滑动接触，接触电阻不稳定，会影响电动机运行的稳定，又容易出现火花，给运行和维护带来一定困难。交流伺服电动机结构简单，维护方便，运行可靠，适宜于不易检修的场合使用。5．控制装置直流伺服电动机的控制绕组通常由直流放大器供电，直流放大器比交流放大器结构复杂，且有零点漂移现象，影响系统的稳定性和精度。

10.3.2交流电动机与步进电动机的性能比较步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。1．控制精度不同交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。

2．低频特性不同交流伺服电动机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。步进电动机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电动机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电动机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。

3．矩频特性不同交流伺服电动机为恒转矩输出，即在其额定转速（一般为2000r/min或3000r/min，）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600r/min。4．过载能力不同交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。5．运行性能不同交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升速、降速问题。6．速度响应性能不同交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000r/min，仅需几毫秒，可用于要求快速启、停的控制场合。步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。专题10.4伺服电动机的应用教学目标:1）了解直流伺服电动机的应用；2）了解交流伺服电动机的应用。10.4.1直流伺服电动机在电子电位差计中的应用电子电位差计是用伺服电动机作为执行元件的闭环自动测温系统，常用于工业企业的加热炉温度测量，它的基本电路原理如图10-17所示。1-金属热电偶；2-放大器；3-伺服电动机；4-变速机构；5-变阻器；6-温度指示器图10-17直流伺服电动机电子电位差计的基本电路原理图10.4.2直流伺服电动机在家用录像机中的应用家用录像机中伺服电动机应用非常普遍，如磁鼓伺服系统、主导轴伺服系统等。以磁鼓伺服系统为例，它采用的是无刷直流伺服电动机直接驱动磁鼓旋转，无刷直流伺服电动机的伺服控制原理如图10-18所示。1、2-定子线圈；3-环形永久磁铁图10-18磁鼓伺服电动机控制系统10.4.3交流伺服电动机在测温仪表电子电位差计中的应用图10-19为测温仪表电子电位差计原理图。该系统主要由热电偶、电桥电路、变流器、放大器与交流伺服电动机等组成。图10-19测温仪表电子电位差计原理图项目10.5直流伺服电动机的使用与维修教学目标：掌握直流伺服电动机的使用与维修方法。10.5.1项目简介

利用直流伺服电动机，变阻器，测功机，直流电压表，直流电流表等。熟悉直流伺服电动机的调速和反转方法；掌握测定直流伺服电动机的机械特性和调节特性的方法。熟悉直流伺服电动机的维修方法。10.5.2项目相关知识直流伺服电动机实质上是一台他励直流电动机，在自动控制系统中作为执行元件，把输入的电压信号变换为转轴上的角位移或角速度输出。输入的电压信号称为控制电压，改变控制电压可以改变伺服电动机的转速和转向。直流伺服电动机的控制方式有电枢控制和磁极控制两种。将电枢绕组作为接受控制信号的控制绕组，而励磁绕组接到恒定的直流电压Uf上称为电枢控制，如图10-20a所示。而将励磁绕组作为控制绕组，电枢绕组接到恒定的直流电压Ua上称为磁极控制，如图10-20b所示。直流伺服电动机的机械特性是指当Uf、UC保持不变时，转速随转矩变化的关系n=f（T）。直流伺服电动机的调节特性是指当负载转矩不变时，转速随控制电压UC变化的关系n=f（UC）。＋Uc－－＋UfIcIfSM—＋SM—Uc－－＋UaIcIa

(a)电枢控制(b)磁极控制图10-20直流伺服电动机的控制方式10.5.3项目的实现1.测定直流伺服电动机的绕组电阻用电桥法测定励磁绕组电阻Rf和电枢绕组电阻Ra，并记录室温。2.测定直流伺服电动机的空载转速n0

按图10-21接线，拆除测功机，合上开关Q1、调节R1使Uf=UfN。合上开关Q2，调节R2，测取Ua、Ia、n共3组数据，记录于表10-1中。序号测量数据计算值Ua(V)Ia(A)n(r/min)n0(r/min)图10-21直流伺服电动机实训接线图F＋V－Q2FUUa＋V－Q1FUUf测功机SM～IfAIaR1R23.测定电枢控制时的机械特性仍按图10-21接线，调节R1

、R2，使Uf=UfN，Ua=UN，调节转矩T，直到电枢电流Ia=

IaN为止，测取T、Ia、n共5组数据，记录于表10-2中。调节可变电阻R2，使Ua=60%UN，重复上述过程，将数据填入表10-2中。序号Ua=UN=VUa=VIa(A)n(r/min)T(Nm)Ia(A)n(r/min)T(Nm)4.测定电枢控制时的调节特性仍按图10-21接线，在Uf=UfN时使电动机处于空载状态，调节R2，直到Ua=UN，读取转速n与电压Ua共5组数据，记录于表10-3中。保持Uf=UfN，使电动机轴上的转矩为某一定值，重复上述过程，将数据填入表10-3中。序号T=0NmT=Nmn(r/min)Ua=(V)n(r/min)Ua=(V)5.观察直流伺服电动机在磁极控制下的调速及反转接线