6.1 伺服电动机（课件）-《电机与拖动》同步精品课堂（人邮版）

项目6 特种电机 6.1 伺服电动机 《电机与拖动》人邮版（第4版） 同步精品课堂 1 学习目标 知识目标 1.能够理解自动控制系统对伺服电动机的性能要求，包括调速范围宽、快速响应、精度高、稳定性好和过载能力强等，并能解释每个性能要求在实际系统中的重要性。 2.掌握直流伺服电动机的分类（永磁式和电磁式）与结构，了解其各部分的作用，能够区分不同类型直流伺服电动机的特点。 能力目标 1.培养分析和解决问题的能力，能够运用所学知识分析伺服电动机在实际运行中出现的问题，并提出相应的解决方案。 2.提高实践操作能力，通过实验、接线和参数设置等实践活动，熟练掌握伺服电动机和驱动器的操作技能。 情感目标 1.培养对电机技术的兴趣和热情，激发探索科学知识的欲望。 2.通过对伺服电动机在工业自动化等领域广泛应用的介绍，感受到科技对生产和生活的重要影响，增强对科技的认同感和责任感。 项目6 特种电机 导入情景 01 工业机器人 数控机床的高精度加工 新知学习 02 一、伺服电动机 自动控制系统对伺服电动机的性能要求： (1)无自转现象。在控制信号到来之前，服电动机转子静止不动;在控制信号来到之后转子迅速转动，当控制信号消失时，伺服电动机转子应立即停止转动。控制信号为零时，电动机继续转动的现象称为自转现象，消除自转是自动控制系统正常工作的必要条件。 (2)空载始动电压低。电动机空载时，转子不论在什么位置，从静止状态开始起动至连续运转的最小控制电压称为始动电压。始动电压越小，表示电动机的灵敏度越高。 (3)机械特性和调节特性的线性度好，能在宽广的范围内平滑稳定地调速。 (4)快速响应性好。即机电时间常数小，因而伺服电动机都要求转动惯量小。 新知学习 02 二、直流伺服电动机 1.直流伺服电动机的分类与结构 直流伺服电动机根据磁路系统、电枢结构、电刷和换向器的结构可分为:普通型直流伺服电动机、盘形电枢直流伺服电动机、杯形直流伺服电动机、无槽电枢直流伺服电动机等。 (1)普通型直流伺服电动机。普通型直流伺服电动机的结构和普通的他励直流电动机的结构相同，由定子和转子两部分组成。根据励磁方式又分为电磁式和永磁式，一般为永磁式。为提高控制精度和响应速度,伺服电动机的电枢铁芯长度与直径之比比普通电机大，气隙也小。图6-2 所示为普通型直流伺服电动机结构。 新知学习 02 二、直流伺服电动机 (2)盘形电枢直流伺服电动机。盘形电枢直流伺服电动机的电枢直径远大于其长度。定子由永久磁铁和前后磁钜组成，形成轴向的平面气隙。电枢是印刷绕组或绕线式绕组，形成径向电流，径向电流和轴向磁场作用，使伺服电动机换转。 盘形电枢直流伺服电动机的特点是:结构简单，起动转矩大，力矩波动小，转向性能好电枢转动惯量小，反应快。 它主要应用在低速、起动频繁、要求薄型安装的场合，如数控车床、机器人等。 新知学习 02 二、直流伺服电动机 (3)杯形直流服电动机 杯形电枢直流服电动机的结构如图6-4所示。空心杯形转子可以由事先成形的单个线圈，沿圆柱面排列成杯形，或直接用绕线机绕制成杯形，再用环氧树脂固化成形。它有内、外定子，外定子用永久磁钢，内定子起磁钜作用。 新知学习 02 二、直流伺服电动机 (4)无槽电枢直流服电动机。无槽电枢直流服电动机的结构如图6-5所示。其结构和普通电动机的结构基本没有差别，仅仅是电枢铁芯是光滑、无槽的圆锥体。 电枢的制造是将敷设在光滑铁芯表面的绕组用环氧树脂固化成形黏接在铁芯上。它主要应用在动作速度快、功率大的场合，如数控机床、雷达天线的驱动等。 新知学习 02 二、直流伺服电动机 2.直流伺服电动机的运行特性 直流伺服电动机的转速关系式为 根据式子可以得出直流伺服电动机的机械特性和调节特性。 新知学习 02 二、直流伺服电动机 (1)机械特性。机械特性是指在控制电压保持不变的情况下，直流伺服电动机的转速n随转矩变化的关系。给定不同的电枢电压(控制电压加在电枢绕组上)，得到的直流服电动机的机械特性如图6-6所示。 从机械特性上看，不同电枢电压下的机械特性曲线为一组平行线，其斜率为-k。从图 6-6中还可以看出，当控制电压一定时，不同的负载转矩对应不同的机械转速。 新知学习 02 二、直流伺服电动机 (2)调节特性。调节特性是指负载转矩恒定时，电动机转速与电枢电压的关系。直流伺服电动机的调节特性如图 6-7 所示。 当转矩一定时，转速与电压的关系也为一组平行线，其斜率为 1/ke。当转速为零时，对应不同的负载转矩可得到不同的起动电压 U。当电枢电压小于起动电压时，伺服电动机将不能起动。 新知学习 02 三、交流伺服电动机 1.交流伺服电动机的工作原理 交流伺服电动机分为永磁式同步和异步交流伺服电动机。 交流伺服电动机和单相异步电动机的结构相似，为两相交流电动机，由定子和转子两部分组成。 转子有笼形和杯形两种。定子为两相绕组，并在空间相差 90°电角度，一个为励磁绕组另一个为控制绕组。 图6-8所示为交流伺服电动机工作原理图 新知学习 02 三、交流伺服电动机 自交现象 自转现象就是当励磁电压不为零，控制电压突然切去为零时，伺服电动机相当于一台单相异步电动机，若转子电阻较小，阻转矩小于单相运行时的最大转矩，则电动机仍然旋转。这样就产生了自转现象，造成失控。避免自转现象的方法是增大转子电阻值，因此具有较大的转子电阻和下垂的机械特性是交流伺服电动机的主要特点。 新知学习 02 三、交流伺服电动机 2.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3种:幅值控制、相位控制和幅值-相位控制。 (1)幅值控制。控制电压和励磁电压保持相位差 90°，只改变控制电压幅值来实现对伺服电动机的控制，这种控制方法称为幅值控制。 当励磁电压为额定电压、控制电压为零时，伺服电动机的转速为零，电动机不转，当励磁电压为额定电压，控制电压也为额定电压时，转速最大，转矩也最大。所以控制电压从零到额定电压，伺服电动机的转速也从零到最大。其工作原理如图6-8 所示。 新知学习 02 三、交流伺服电动机 (2)相位控制。控制电压和励磁电压幅值均为额定值，通过改变控制电压和励磁电压相位差，实现对伺服电动机的控制，这种控制方法称为相位控制。 (3)幅值-相位控制。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伺服电动机的转速，这种控制方法称为幅值-相位控制。 图6-9所示为幅值-相位控制接线。当控制电压的幅值变化时，电动机的幅值和相位差都发生变化，从而达到改变转速的目的。这种控制特性不如前面两种，但其电路简单，不需要移相器，因此在实际应用中用得较多。 新知学习 02 四、伺服驱动器 伺服驱动器一般通过位置、速度和力矩3 种方式对服电动机进行控制实现高精度的传动系统定位。 (1)位置控制。位置控制是伺服中最常用的控制方式。因为位置控制模式一般通过外部输入的脉冲频率来确定转动速度的大小,通过脉冲的个数来确定转动的角度，所以一般应用于定位装置。 (2)速度控制。通过控制驱动器输出频率来对电动机进行调速，因此可通过模拟量的输入或脉冲的频率实现对转动速度的控制。 (3)转矩控制。转矩控制是通过外部模拟量的输入或直接的地址赋值来设定电动机轴对外的输出转矩的大小，主要应用于需要严格控制转矩的场合。此时伺服驱动器不需要脉冲输入也可工作。 新知学习 02 四、伺服驱动器 1.伺服驱动器的结构 交流伺服驱动器主要由主电路和控制电路组成，如图6-10所示。 伺服驱动器的主电路包含整流电路、软起动及泵升控制电路、逆变电路等。控制电路包含故障检测电路、数字信号处理器(DSP)等，并通过接口电路与驱动器的外接端口相连。 新知学习 02 四、伺服驱动器 2.伺服系统的组成 伺服系统主要由控制器、伺服驱动器、伺服电动机控制对象和位置检测组成。典型伺服系统的组成如图6-12所示。 新知学习 02 四、伺服驱动器 3.伺服驱动器的端子及接线 伺服驱动器外部端子一般由控制电源输入端、电机接线端口、编码器信号端、I/0 控制信号端口、与计算机连接的通信端口等组成。以松下MINAS A6N系列A型服驱动器为例，其外部端子及与外部设备的连接如图6-13 所示。 新知学习 02 四、伺服驱动器 4.伺服驱动器的显示操作与参数设置 伺服驱动器可以与个人计算机连接后通过调试软件设置参数，也可以在驱动器的面板上设置。面板操作及软件使用请参阅具体型号的使用说明书。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 1： 以下哪项不是自动控制系统对伺服电动机的性能要求（ ） A. 过载能力强 B. 体积小重量轻 C. 成本低 D. 输出功率大 答案：C 解析：自动控制系统对伺服电动机要求过载能力强、体积小重量轻、输出功率大等。成本低虽然在实际应用中会考虑，但不是其性能要求。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 2： 当直流伺服电动机的电枢电压不变时，随着负载转矩的增大，其转速（ ） A. 升高 B. 降低 C. 不变 D. 先升高后降低 答案：B 解析：根据直流伺服电动机的机械特性，当电枢电压不变时，随着负载转矩的增大，转速会降低。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 3： 交流伺服电动机的转子通常采用（ ） A. 鼠笼式 B. 绕线式 C. 永磁式 D. 以上都可以 答案：D 解析：交流伺服电动机的转子可以是鼠笼式、绕线式或永磁式，不同类型的转子具有不同的特点和应用场合。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 4： 在交流伺服电动机的幅值控制中，改变（ ）来调节电动机的转速。 A. 控制电压的幅值 B. 控制电压的相位 C. 电源频率 D. 电动机的极对数 答案：A 解析：在幅值控制中，通过改变控制电压的幅值来调节交流伺服电动机的转速。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 5： 伺服驱动器中，用于将直流电转换为交流电的部件是（ ） A. 整流器 B. 逆变器 C. 滤波器 D. 变压器 答案：B 解析：逆变器在伺服驱动器中用于将直流电转换为交流电，以驱动交流伺服电动机。整流器则是将交流电转换为直流电。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 6： 以下哪个不是伺服系统中的传感器（ ） A. 编码器 B. 陀螺仪 C. 压力传感器 D. 霍尔元件 答案：C 解析：编码器、陀螺仪和霍尔元件常用于伺服系统中检测电动机的位置、速度等信息，压力传感器一般不属于伺服系统中的传感器。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 7： 伺服驱动器的电源端子通常连接（ ） A. 交流电源 B. 直流电源 C. 电池 D. 超级电容器 答案：A 解析：伺服驱动器的电源端子通常连接交流电源，经过驱动器内部的电路转换为合适的直流电来驱动伺服电动机。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 8： 伺服驱动器参数设置中，通常用于设置电动机转速的参数是（ ） A. 增益参数 B. 速度参数 C. 位置参数 D. 电流参数 答案：B 解析：在伺服驱动器参数设置中，速度参数通常用于设置电动机的转速，增益参数用于调整系统的稳定性和响应速度，位置参数用于控制电动机的位置，电流参数用于限制电动机的电流。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 9： 交流伺服电动机有哪些控制方式？分别简述其特点。 答案： 交流伺服电动机常用的控制方式有幅值控制、相位控制和幅值 - 相位控制。 幅值控制：通过改变控制电压的幅值来调节电机的转速。特点是线路简单，但机械特性非线性，低速运行时不够稳定。 相位控制：改变控制电压与励磁电压之间的相位差来控制电机转速。其机械特性和调节特性都比幅值控制好，但线路相对复杂。 幅值 - 相位控制：综合了幅值控制和相位控制的优点，既能在一定程度上简化线路，又能获得较好的控制性能。它通过同时改变控制电压的幅值和相位来实现对电机的精确控制。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 10： 请说明直流伺服电动机的分类，并简述其结构特点。 答案： 直流伺服电动机通常分为永磁式和电磁式。 永磁式直流伺服电动机结构特点：定子由永磁体构成，产生恒定磁场。转子为电枢绕组，通过换向器和电刷与直流电源相连。其优点是结构简单、体积小、效率高；缺点是永磁体的磁场强度不易调节。 电磁式直流伺服电动机结构特点：定子为励磁绕组，通过直流电流产生磁场。转子也是电枢绕组，同样通过换向器和电刷与电源连接。它的优点是磁场强度可以通过励磁电流调节，调速范围较大；缺点是结构相对复杂，体积较大。 1.自动控制系统对伺服电动机的性能要求:包括调速范围宽、快速响应、精度高、稳定性好及过载能力强等，这些性能是伺服电动机在自动控制系统中良好运行的关键。 2.永磁式直流伺服电动机：定子由永磁体构成，产生恒定磁场；转子为电枢绕组，通过换向器和电刷与直流电源相连。其结构简单、体积小、效率高，但永磁体的磁场强度不易调节。 3.电磁式直流伺服电动机：定子为励磁绕组，通过直流电流产生磁场；转子也是电枢绕组，同样通过换向器和电刷与电源连接。它的磁场强度可以通过励磁电流调节，调速范围较大，但结构相对复杂，体积较大。 课堂小结 04 作业布置 05 简述自动控制系统对伺服电动机的性能要求，并说明为什么这些性能很重要。 比较永磁式直流伺服电动机和电磁式直流伺服电动机在结构和性能上的异同。 详细阐述交流伺服电动机的工作原理，包括定子磁场的产生、转子的转动机制以及转差的概念。 感谢观看 $$