第四章-第四节：伺服电动机（课件）-《电机与电气控制技术》同步教学（高等教育出版社）

第四章 特殊电机 第四节：伺服电动机 目 录 目录 Content 仪用互感器 交流伺服电动机 01 直流伺服电动机 02 伺服电动机的主要优点 03 伺服电动机 伺服电动机又称执行电动机，在数控系统及自动控制系统中作为执行元件使用。它的作用是将输入伺服电动机中的电压信号转换成轴上的速度及转向输出，以驱动控制对象。伺服电动机可以非常精确地控制速度和位置。伺服电动机按使用电源的不同可分为交流伺服电动机和直流伺服电动机两大类。 自动控制系统对伺服电动机的基本要求如下。 1.较宽的调速范围 即伺服电动机的转速能随着控制电压的改变在较宽的范围内连续调节。 2.线性的机械特性和调节特性 即伺服电动机的转速随转矩的变化，或转速随控制电压的变化呈线性关系。 3.快速响应性即伺服电动机的转速能随控制电压变化而迅速变化。 4.无"自转"现象 即控制电压消失，伺服电动机立即停转。 一、交流伺服电动机 1.结构和分类 交流伺服电动机又称两相伺服电动机，外形如图4-26(a)所示。它的结构与电容运行单相异步电动机相似，也有在空间互差90°电角度的两相绕组，一组为励磁绕组f,它始终接在交流励磁电源ur上；另一组为控制绕组c,接外加的控制信号电压u.,如图4-26(b)所示。电压u.必须与励磁电源电压u的频率相同，而相位互差90°。则两个绕组中的电流i.和ir相位差接近90°,这两相电流就在电机定子内部空间产生一个旋转磁场。交流伺服电动机的转子在该旋转磁场作用下产生转矩而转动。 一、交流伺服电动机 为了使两相伺服电动机对控制电压的变化快速响应，要求它有尽量小的转动惯量和尽量大的转子电阻，并在控制电压消失后，处于单相运行状态下的电动机能迅速停转(即没有自转现象),两相交流伺服电动机的转子通常有以下两种结构形式。 (1)高电阻率笼型转子结构 这种转子结构与普通笼型异步电动机一样，但为了减小转子的转动惯量，增加启动转矩，对输入信号快速反应和克服自转现象，将转子做成细而长的形状。转子导条和短路环采用高电阻率的导电材料黄铜、青铜等制成。 (2)非磁性空心杯转子结构 采用铝合金或铜等非磁性材料制成的空心杯转子，如图4-27所示。这种结构的定子有内外两个铁芯，均用硅钢片叠成。定子绕组装在外定子铁芯上，内定子铁芯上一般不放绕组，只作为闭合磁路的一部分，用以减小磁路的磁阻。在内定子铁芯的中心处开有孔，转轴从该内孔中穿过。空心杯转子位于内、外定子铁芯之间的气隙中，并靠其杯底与转轴固定，轴随空心杯而转动。由于转子质量小，转动惯量也很小，所以能迅速而灵敏地启动和停转，即反应迅速。 一、交流伺服电动机 前面已经介绍过交流异步电动机通过改变供电频率的方式改变电动机的转速，这样的控制器叫作变频器。交流伺服电动机的控制更加复杂，须要改变频率、电压、电流，以达到对电动机的转速、扭矩、位置的全面控制，须用伺服驱动器来实现。伺服驱动器又称为“伺服控制器”或“伺服放大器”,是用来控制伺服电动机的一种控制器，属于伺服系统的一部分，一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电动机进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品，其外形如图4-28所示。 一、交流伺服电动机 2.交流伺服电动机的应用 在自动控制系统中，根据被控对象的不同，有速度控制和位置控制两种类型。尤其是位置控制系统可以实现远距离角度传递，它的工作原理是将主令轴的转角传递到远距离的执行轴，使之再现主令轴的转角位置，如工业上发电厂锅炉闸门的开启、轧钢机中轧辊间隙的自动控制、军事上火炮和雷达的自动定位。 交流伺服电动机在检测装置中的应用也很多，如电子自动定位差计、电子自动平衡电桥。另外，交流伺服电动机还可以和其他控制元件一起组合成各种计算装置，进行加、减、乘、除、乘方、开方、正弦函数、微积分等运算。 交流伺服电动机的输出功率为0.1～100W,其中最常用的是30W以下的伺服电动机。 1.结构 非磁性空心杯形转子 笼型转子 结构形式 : 转动惯量小且具有较大的电阻和响应快、运行平稳的优点，但结构复杂，气隙大，空载电流大，功率因数较低。 体积较大，气隙小，所需的励磁电流小，功率因数较高，电动机的机械强度大，但快速响应性能稍差，低速运行也不够平稳。 一、交流伺服电动机 1.结构 机壳 外定子绕组 外定子 内定子 转轴 空心杯转子 励磁绕组 控制绕组 空间相差90º电角度 空心杯转子交流伺服 电动机结构示意图 （二）交流伺服电动机 2.工作原理 两个绕组共同作用在电动机内部产生了一个旋转磁场，使转子转动。 “自转” 当转子转动起来以后，断开起动绕组，电动机仍然能够转动。 “自转”的消除： 增加伺服电动机的转子电阻。 转子电阻较小（临界转差 率Sm<1）时的机械特性 转子电阻较大（临界转差 率Sm≥1）