8.3 伺服电机（课件）-《电机与变压器》同步精品课堂（高等教育出版社）

8.3 伺服电机 同步精品课堂 电机与变压器 高教版 1 学习目标 掌握交流伺服电机的结构和分类 掌握交流伺服电机的工作原理 掌握并学会直流伺服电机的内容 知识目标 能力目标 新知学习 一 、交流伺服电机 伺服电机 伺服电机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电 动机轴上的角位移或角速度输出。 分为直流和交流伺服电机两大类，其主要特点是，当信号电压 为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。 分类 新知学习 一 、交流伺服电机 1.结构和分类 运行时励磁绕组始终加上一定的交流励磁电压，控制绕组 上则加大小或相位随信号变化的控制电压。 交流伺服电机的定子结构和单相异步电动机相似，它的定子上装有两个在空间相差90°电 角度的绕组，即励磁绕组和控制绕组。 定子结构 A 交流励磁电压 B 新知学习 一 、交流伺服电机 交流伺服电机按转子的结构类型分为笼型转子和空心杯形转子两种，见表。 转子类型 说 明 图 例      笼型转子  笼型转子的结构与一般笼型异步电机的转子 相同，但转子做得细而长，转子导体用高电阻率 的材料制成。其目的是为了减小转子的转动惯 量，增加启动转矩对输入信号的快速反应和克服 自转现象     永磁交流伺服电机横剖面图 新知学习 一 、交流伺服电机 交流伺服电机按转子的结构类型分为笼型转子和空心杯形转子两种，见表。 新知学习 一 、交流伺服电机 2.交流伺服电机的工作原理 伺服电机的工作原理与单相异步电动机相似，如图所示。 新知学习 一 、交流伺服电机 2.交流伺服电机的工作原理 LL是有固定电压励磁的励磁 绕组，LK是有伺服放大器供电的控制绕组，两相绕组在空间相差90°电角度。 如果I 与 Ik 的相 位差为90°,而且两相绕组的磁通势幅值又相等，这种状态称为对称状态。 与单相异步电动机一 样，这时在气隙中产生的合成磁场为一旋转磁场，其转速称为同步转速。 新知学习 一 、交流伺服电机 2.交流伺服电机的工作原理 旋转磁场与转子导体相 对切割，在转子中产生感应电流。转子电流与旋转磁场相互作用产生转矩，使转子旋转。 如果改 变加在控制绕组上电流的大小或相位差，就破坏了对称状态，使旋转磁场减弱，电动机的转速下 降。电动机的工作状态越不对称，总电磁转矩就越小。 当除去控制绕组上信号电压以后，电机立 即停止转动。这是交流伺服电机在运行上与普通异步电动机的区别。 新知学习 一 、交流伺服电机 交流伺服电机与单相异步电动机相比，有三个显著特点： (1)启动转矩大。由于转子电阻很大，可使临界转差率s>1, 定子一加上控制电压，转子可 立即启动运转。 (2)运行范围宽。在转差率s 从0~1的范围内伺服电机都能稳定运转。 (3)无自转现象。控制信号消失后，电动机旋转不停的现象称为“自转”。自转现象破坏伺 服性，显然要避免。 1 2 3 新知学习 一 、交流伺服电机 正常运转的伺服电机只要失去控制电压后，伺服电机就处于单相运行状态， 其特性曲线如图所示。 新知学习 一 、交流伺服电机 正常运转的伺服电机只要失去控制电压后，伺服电机就处于单相运行状态。 由于转子导体电阻足够大，使得总电磁转矩T₃(为图中实线)始终是制动的转矩，当电动机正转时失去Ux, 产生的转矩T₃ 为负(0<s<1) 。 而反转时失去Uk产生的转 矩 T₃ 为正(1<s<2时),不会产生自转现象，可以自行制动，迅速停止运转，这也是交流伺服电机 与异步电动机的重要区别。 01 02 新知学习 二、直流伺服电机 直流伺服电机实质上就是一台他励式直流电机，其结构、原理与一般直流电机基本相同。但直流伺服电机有其本身的特点： 1 与普通直流电机相比，直流伺服电机气隙比较小，磁路不饱和，磁 通和励磁电压成正比； 电枢电阻较大，机械特性为软特性；电枢比较细长，转动惯量小； 换向性能 较好，不需换向极。 2 3 新知学习 二、直流伺服电机 直流伺服电机有他励式和永磁式两种，其转速由信号电压控制。 1 信号电压若加在电枢绕组 两端，称为电枢控制；若加在励磁组两端则称为磁极控制。 2 由于电枢控制的直流伺服电机的机械特性线性度较好、损耗较小，且由于电枢回路电感较小，因而电磁惯性较小，故其响应速度比磁极 控制式快，所以在工程上多采用电枢控制。 3 新知学习 二、直流伺服电机 直流伺服电机结构特点见表。 新知学习 二、直流伺服电机 直流伺服电机结构特点见表。 新知学习 二、直流伺服电机 直流伺服电机结构 直流伺服电机适用于功率稍大(1~600W) 的自动控制系统中。 01 与交流伺服电机相比， 它的调速线性好，体积小，重量轻，启动转矩大，输出功率大。 02 但它的结构复杂，特别是低速 稳定性差，有火花会引起无线电干扰。 03 1 . 交直流测速发电机 新知学习 二、直流伺服电机 近年来，发展了低惯量的无槽电枢电动机、空心杯形 电枢电动机、印制绕组电枢电动机和无刷直流伺服电机，来提高快速响应能力，适应自动控 制系统的发展需要，如电视摄像机、录音机、函数记录仪及机床控制系统等。 1 . 交直流测速发电机 新知学习 三、伺服电机的使用和维护 1.交流伺服电机的使用和维护 交流伺服电机因没有电刷之类的滑动接触，机械强度高，可靠性好，寿命长。只要选用恰当， 使用正确，故障率通常很低。但要注意以下几点： (1)励磁绕组经常接在电源上，要防止过热现象。为此，交流伺服电机要安装在有足够大散 热面积的金属固定面板上，电机与散热板应紧密接触，要通风良好，必要时可以用风扇冷却。电 机与其他发热器件尽量隔开一定距离。 1 . 交直流测速发电机 新知学习 三、伺服电机的使用和维护 1.交流伺服电机的使用和维护 交流伺服电机因没有电刷之类的滑动接触，机械强度高，可靠性好，寿命长。只要选用恰当， 使用正确，故障率通常很低。但要注意以下几点： (2)输入控制信号的放大器输出阻抗要小，防止机械特性变软。 (3)信号频率不能超过其额定范围，否则机械特性会变软，还可能产生“自转”现象。 1 . 交直流测速发电机 新知学习 三、伺服电机的使用和维护 2.直流伺服电机的使用和维护 (1)直流伺服电机的特性与温度有关，寿命与使用环境、温度、海拔高度、湿度、空气质量、冲 击、振动及轴上负载等有关，选择时应综合考虑。 01 (5)运行中的直流伺服电机，当控制电压消失或减小时，为了提高系统的快速响应性能，可 以在电枢两端并联一个电阻，以便和电枢形成回路。 05 (4)输入控制信号的放大器输出阻抗要小，防止机械特性变软。 04 (2)电磁式电枢控制直流伺服电机在使用时，要先接通励磁电源，然后再施加电枢控制电 压。电机运行过程中，一定要避免励磁绕组断电，以免电枢电流过大和超速。 02 (3)采用晶闸管整流电源时，要带滤波装置。 03 1 . 交直流测速发电机 新知学习 四 、步进电机与伺服电机在机床应用中的性能比较 在数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。 随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。 为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中 大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似(脉 冲串和方向信号),但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。 1 . 交直流测速发电机 新知学习 四 、步进电机与伺服电机在机床应用中的性能比较 步进电机与伺服电机在机床 应用中的性能比较见表。 内容 · 步进电机 伺服电机 控制精度 两相混合式步进电机步距角一般为3.6° 1.8°,五相混合式步进电机步距角一般为 0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电机 步距角更小。如四通公司生产的一种用于 慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09 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。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 2⁷=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当 量为360°/131072=9.89”。是步距角为1.8 的步进电机的脉冲当量的1/655   低频特性 步进电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，如在电机上加阻 尼器，或驱动器上采用细分技术等 交流伺服电机运转非常平稳，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 过载能力 步进电机一般不具有过载能力 交流伺服电机具有较强的过载能力     运行性能 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、降速问题 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 速度响应性能 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 ms 交流伺服系统的加速性能较好，以松下 MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速 到其额定转速3000 r/min仅需几毫秒，可用 于要求快速启停的控制场合 1 . 交直流测速发电机 新知学习 五、正确选择使用伺服电机 1.直流伺服系统和交流伺服系统的区别 交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机两种，目前运动控制中一般都用同步电 机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降 低，因而适合低速平稳运行的应用场合。 无刷电机体积小，重量轻，负载能力强，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制 复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很 高，运行温度低，电磁辐射很小，寿命长，可用于各种环境。 伺服电机分为有刷和无刷电机两种。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽， 控制容易，需要维护，但维护方便(换碳刷),产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可应用于对 成本敏感的普通工业和民用场合。 01 02 03 1 . 交直流测速发电机 新知学习 五、正确选择使用伺服电机 2.使用伺服电机时要注意的问题 5)开始运行的30 min内要密切观察电机的状态，如运动是否正常，声音和温升情况，发现问 题立即停机调整。 3)不要开始时就把需要接的线全接上，只连成最基本的系统，运行良好后，再逐步连接。 1)电源电压是否合适(过压很可能造成驱动模块的损坏);对于直流输入的正负极性一定不 能接错，驱动控制器上的电机型号或电流设定值是否合适(开始时不要太大)。 2)控制信号线接牢靠，工业现场最好要考虑屏蔽问题(如采用双绞线)。 01 03 02 4)一定要分清是接地还是浮地。 04 05 1 . 交直流测速发电机 新知学习 五、正确选择使用伺服电机 4)屏蔽层接地是比较困难的，有几种方法。正确的屏蔽接地处是在其电路内部的参考电位 点上。这个点取决于噪声源和接收是否同时接地，或者浮地。要确保屏蔽层在同一个点接地使 得地电流不会流过屏蔽层。 3)为了保持命令参考电压的恒定，要将驱动器的信号地接到控制器的信号地。它也会接到外部电源的地，这将影响到控制器和驱动器的工作(如编码器的5V 电源)。 03 04 2)在多数伺服系统中，所有的公共地和大地在信号端是接在一起的。多种连接大地方式产 生的地回路很容易受噪声影响而在不同的参考点上产生电流。 1)如果在交流电源和驱动器直流总线(如变压器)之间没有隔离措施，不要将直流总线的非 隔离端口或非隔离信号的地接大地，这可能会导致设备损坏和人员伤害。因为交流的公共电压 并不是对大地的，在直流总线地和大地之间可能会有很高的电压。 01 02 3.驱动器和系统如何接地 1.伺服电机是一种能够精确控制位置、速度和加速度的电机。下列哪种是伺服电机的特点？ A. 高效率 B. 高精度 C. 高转矩 D. 高速度 课堂练习 答案：B 2.伺服电机的控制系统通常由哪几部分组成？ A. 传感器、功率电源、电机 B. 电机、减速器、编码器 C. 控制器、传感器、执行器 D. 编码器、传感器、控制器 课堂练习 答案：D 3.伺服电机的控制器主要功能是什么？ A. 接收传感器反馈信号 B. 控制电机的转速和位置 C. 过滤电源噪声 D. 调节电机电压 课堂练习 答案：B 4.伺服系统的控制方式通常不包括以下哪项？ A. 速度控制 B. 位置控制 C. 压力控制 D. 力矩控制 课堂练习 答案：C 5.在伺服系统中，PID控制器主要用于什么？ A. 精确定位 B. 稳定电流 C. 放大电压 D. 过滤噪声 课堂练习 答案：A 6.伺服电机的编码器主要作用是什么？ A. 提供电机驱动信号 B. 反馈电机位置信息 C. 调节电机转速 D. 控制电机电源 课堂练习 答案：B 7.伺服电机在运行时响声不正常有异响，可能的原因是什么？ A. 电源电压过高 B. 轴承磨损或油内有砂粒等异物 C. 电机过载 D. 电机编码器故障 课堂练习 答案：B 8.伺服电机起动困难，额定负载时，电动机转速低于额定转速较多，可能的原因是什么？ A. 电源电压过低 B. 面接法电机误接 C. 转子开焊或断裂 D. 所有以上原因 课堂练习 答案：D 课堂小结 1.简述驱动器和系统如何接地。 2.简述直流伺服系统和交流伺服系统的区别。 3.简述使用伺服电机时要注意的问题。 作业布置 感谢观看 $$