专题四十八 伺服电机（课件）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

《电机与变压器》（第5版） 高教社 专题四十八 伺服电机 目录 01 考纲解读 04 内容归纳小结 02 知识点梳理和重点概念复习 03 真题或常考题讲解 2 考纲解读—常见考点 03 02 01 交流伺服电机与直流伺服电机的1个核心区别。 某机床需实现高精度、连续平稳的切削运动，另一台机床需实现简单的定角度间歇转动。哪台机床更适合选用伺服电机？ 伺服电机在机床长期运行后出现异响，结合维护知识，写出2个可能导致该问题的常见原因。 考纲解读—考试要求 能结合机床工作需求，正确选择伺服电机或步进电机；并能简述伺服电机在定位精度、过载能力等方面相比步进电机的1-2个核心优势。 掌握伺服电机日常使用中的基础维护要点，能针对电机异响、运行不平稳等常见故障，列举2-3个可能原因并说明简单排查步骤。 能准确区分交流伺服电机与直流伺服电机的核心差异，并能正确描述两类电机的典型应用场景。 4 考纲解读—易考题型 维护要点、电机差异、性能比较 简答题 电机特性、维护常识、选型原则 填空题 交流/直流伺服电机区别、基础特性 选择题 5 知识点梳理和重点概念复习—知识点思维导图 知识点梳理和重点概念复习 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。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8-1。 一、交流伺服电机 知识点梳理和重点概念复习 一、交流伺服电机 知识点梳理和重点概念复习 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8-6所示。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。 一、交流伺服电机 知识点梳理和重点概念复习 如果与的相位差为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。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。 一、交流伺服电机 知识点梳理和重点概念复习 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。正常运转的伺服电机只要失去控制电压后,同服电机就处于单相运行状态其特性曲线如图8-7所示。 一、交流伺服电机 知识点梳理和重点概念复习 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: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。 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。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。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。 二、直流伺服电机 知识点梳理和重点概念复习 直流伺服电机结构特点见表8-2。 二、直流伺服电机 知识点梳理和重点概念复习 二、直流伺服电机 知识点梳理和重点概念复习 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。 (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。 三、伺服电机的使用和维护 知识点梳理和重点概念复习 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。 (2)电磁式电枢控制直流同服电机在使用时,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。 三、伺服电机的使用和维护 知识点梳理和重点概念复习 (3)采用晶闸管整流电源时,要带滤波装置。 (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。 (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。 三、伺服电机的使用和维护 知识点梳理和重点概念复习 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。步进电机与伺服电机在机床应用中的性能比较见表8-3。 四、步进电机与伺服电机在机床应用中的性能比较 知识点梳理和重点概念复习 四、步进电机与伺服电机在机床应用中的性能比较 知识点梳理和重点概念复习 1.直流伺服系统和交流伺服系统的区别 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。 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。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。 五、正确选择使用伺服电机 知识点梳理和重点概念复习 2.使用伺服电机时要注意的问题 上电运行前要进行如下检查: 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)。 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。 4)一定要分清是接地还是浮地。 5)开始运行的30min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。 五、正确选择使用伺服电机 知识点梳理和重点概念复习 3.驱动器和系统如何接地 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。 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。 五、正确选择使用伺服电机 知识点梳理和重点概念复习 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)。 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。 五、正确选择使用伺服电机 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：交流伺服电机的定子绕组接入三相交流电后，会产生旋转磁场，旋转磁场带动转子同步转动，这是电机驱动的核心原理；检测转速靠编码器，冷却靠冷却系统，固定转子靠轴承。 1.交流伺服电机的“定子绕组”主要作用是（ ） A. 检测电机转速 B. 产生旋转磁场 C. 冷却电机内部 D. 固定电机转子 24 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：编码器表面若积累灰尘，会影响其反馈信号的准确性，导致定位偏差，因此需定期清理；电机外壳无需定期更换，额定转速是电机固有参数，不可随意调整，绕组更换仅在损坏时进行，不属于日常维护。 2.下列哪项属于伺服电机的日常维护重点（ ） A. 定期更换电机外壳 B. 定期清理编码器表面灰尘 C. 定期调整电机的额定转速 D. 定期更换电机绕组 25 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：步进电机结构简单、无需编码器等反馈元件，制造成本低于伺服电机；其定位精度、过载能力均低于伺服电机，且存在失步现象，这是其主要缺陷。 3.步进电机与伺服电机相比，最显著的优势是（ ） A. 定位精度高 B. 成本更低 C. 过载能力强 D. 无失步现象 26 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：润滑系统故障会导致电机轴承或进给传动部件（如丝杠）摩擦增大，电机转动时需克服更大阻力，从而出现卡顿；电压过高多导致电机过热，反馈信号和绝缘电阻正常不会直接引发卡顿。 4.某数控车床进给轴采用伺服电机驱动，若出现“电机转动卡顿”，下列哪项是可能的原因（ ） A. 电机供电电压过高 B. 润滑系统故障，传动部件摩擦增大 C. 编码器反馈信号正常 D. 电机绝缘电阻正常 27 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：伺服电机通过反馈系统与控制器配合，可实现精准的位置控制；三相异步电机、单相异步电机、罩极式电机均无反馈功能，仅能实现简单的启停和调速，无法精准定位。 5.下列电机类型中，能实现“精准位置控制”的是（ ） A. 三相异步电机 B. 单相异步电机 C. 伺服电机 D. 罩极式电机 28 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：直流伺服电机需接入直流电源，通过电刷换向；交流伺服电机需接入交流电源，无需电刷，靠定子旋转磁场换向，这是两者最核心的区别；体积、转速、成本均为次要差异，不反映本质区别。 6.直流伺服电机与交流伺服电机的核心区别在于（ ） A. 体积大小 B. 电源类型和换向方式 C. 转速高低 D. 成本高低 29 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：冷却风扇可将电机运行时产生的热量导出，避免电机绕组因温度过高损坏绝缘层；漏电与绝缘电阻相关，失步与反馈系统相关，异响与润滑相关，均与冷却风扇无关。 7.伺服电机维护时，检查“冷却风扇”的目的是（ ） A. 防止电机漏电 B. 防止电机因过热损坏 C. 防止电机失步 D. 防止电机异响 30 常考习题练习与讲解—选择题 答案：A 解析：大型机床主轴负载大，需电机提供足够的力矩才能带动主轴稳定运转，因此额定力矩是首要考虑参数；外壳颜色、重量、生产年份不影响电机的负载驱动能力。 8.选择伺服电机驱动大型机床主轴时，需优先考虑电机的（ ） A. 额定力矩 B. 外壳颜色 C. 重量 D. 生产年份 31 常考习题练习与讲解—填空题 答案：绝缘 解析：绝缘电阻反映绕组绝缘层的完好程度，若绝缘电阻过低，说明绝缘层可能破损，存在绕组与外壳漏电的风险，定期检测可及时发现问题。 1.伺服电机维护中，“检测绝缘电阻”的目的是判断电机绕组与外壳之间的________性能，预防漏电事故。 32 常考习题练习与讲解—填空题 答案：无刷 解析：交流伺服电机通过定子绕组通入三相交流电产生旋转磁场，带动永磁转子转动，无需像直流电机那样通过电刷换向，因此无电刷磨损问题，减少维护需求。 2.交流伺服电机无需定期更换电刷，是因为其采用________换向方式，无需电刷与换向器配合。 33 常考习题练习与讲解—填空题 答案：传动部件松动 解析：除润滑不足和轴承损坏外，电机与机床连接的传动部件（如联轴器）松动或底座螺栓松动，会导致运行时部件碰撞或摩擦，产生异响。 3.伺服电机运行时若出现“异响”，常见的原因包括润滑不足、________或轴承损坏。 34 常考习题练习与讲解—填空题 答案：定位 解析：编码器反馈信号是控制器判断电机实际位置的依据，信号丢失后，控制器无法修正指令与实际位置的偏差，直接导致进给轴定位精度下降，甚至无法正常定位。 4.某数控车床进给轴采用交流伺服电机驱动，若编码器反馈信号丢失，会导致进给轴________精度大幅下降。 35 常考习题练习与讲解—判断题 答案：× 解析：交流伺服电机采用无刷换向方式（定子旋转磁场驱动），无电刷结构，无需更换电刷；需更换电刷的是直流伺服电机，故该说法错误。 1.交流伺服电机需要定期更换电刷，以保证换向功能正常。（ ） 36 常考习题练习与讲解—判断题 答案：√ 解析：编码器反馈信号是定位的关键依据，若信号异常（如污染、松动），控制器无法准确获取电机位置，会导致定位偏差超差，该说法正确。 2.伺服电机的编码器反馈信号异常，可能导致定位偏差超差故障。（ ） 37 常考习题练习与讲解—判断题 答案：× 解析：交流伺服电机定位精度更高、无电刷维护，更适合大型机床高精度进给轴；直流伺服电机精度略低且需维护电刷，故该说法错误。 3.直流伺服电机相比交流伺服电机，更适合用于大型机床的高精度进给轴驱动。（ ） 38 常考习题练习与讲解—判断题 答案：√ 解析：绝缘电阻过低说明绕组绝缘可能破损，存在漏电风险；定期检测可及时发现绝缘问题并处理，预防漏电事故，该说法正确。 4.定期检测伺服电机的绝缘电阻，可有效预防漏电事故的发生。（ ） 39 常考习题练习与讲解—简答题 答案：①结构区别：直流伺服电机需配备电刷和换向器，交流伺服电机无电刷、无换向器；②电源需求区别：直流伺服电机需接入直流电源，交流伺服电机需接入三相交流电源（工业场景）。 1.简述直流伺服电机与交流伺服电机在结构和电源需求上的两个核心区别。 40 常考习题练习与讲解—简答题 答案：①散热系统（散热孔、冷却风扇）：检查目的是防止散热部件堵塞或损坏，避免电机因过热损坏绕组绝缘；②编码器：检查目的是确保编码器表面清洁、接线牢固，防止反馈信号异常导致定位偏差。 2.伺服电机日常维护中，需重点检查哪两个部件？并分别说明检查目的。 41 常考习题练习与讲解—简答题 答案：①伺服电机具备反馈控制功能，无失步现象，定位精度更高，可满足高精度加工的误差要求；②伺服电机过载能力更强，能承受加工时的瞬时负载（如切削硬材料），而步进电机过载易失步，影响加工稳定性。 3.为什么高精度机床加工时，伺服电机比步进电机更适用？请简述两点原因。 42 常考习题练习与讲解—简答题 答案：①运行噪音增大：电刷磨损后与换向器接触不良，电流传导不稳定，产生火花和摩擦噪音；②电机运行不稳定（间歇性停转）：电刷与换向器接触面积减小，电流传递中断，导致电机转动时断时续。 4.直流伺服电机的电刷严重磨损后，可能引发哪些故障？请列举两个并说明原因。 43 重点复习知识点： 1.交流伺服电机与直流伺服电机的两大核心差异：一是结构与维护；交流伺服电机无电刷，维护更简便。二是电源与应用。 2.伺服电机日常维护的两个关键要点——①散热与清洁；②反馈元件保护。 3.步进电机与伺服电机的核心性能差异及选型逻辑——①性能上：伺服电机无失步、定位精度高、过载能力强。②选型上：机床需高精度连续切削。 阅读相关教材和课堂笔记，梳理重点知识点和关键概念。制作复习提纲或思维导图，以帮助理清知识框架和内部逻辑。进行练习题和例题的练习，加深对知识的理解和应用。 课堂小结 44 $