伺服電機(jī),第一章直流伺服電動(dòng)機(jī)1.1直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理1.2直流伺服電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特性1.3直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性第二章交流伺服電動(dòng)機(jī)2.1交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及控制方式2.2交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理,主要內(nèi)容,第一章直流伺服電動(dòng)機(jī),一、直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理,在兩電刷間加直流電壓。如圖所示，電流從B刷流入，由A刷流出。,N極處有效導(dǎo)體中的電流流出紙面，用表示；S極處有效導(dǎo)體中的電流流入紙面，用表示。,第一章直流伺服電動(dòng)機(jī)-工作原理,B導(dǎo)體所在處的磁密度（磁感應(yīng)強(qiáng)度），Wb/m2l導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度，m；i導(dǎo)體中流過的電流，A。,用左手定則確定電磁力的方向。,載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁力為,直流電機(jī)是可逆的，它根據(jù)不同的外界條件而處于不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如輸入機(jī)械能時(shí)，迫使它旋轉(zhuǎn)，它便輸出電能，處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，此時(shí)稱為發(fā)電機(jī)。當(dāng)在電刷兩端加電壓輸入電能時(shí)，它便旋轉(zhuǎn)起來，輸出機(jī)械能，處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)。,第一章直流伺服電動(dòng)機(jī)-工作原理,二、直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和分類,（一）傳統(tǒng)式直流伺服電動(dòng)機(jī),永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)是在定子上裝置由永久磁鋼做成的磁極。目前我國(guó)生產(chǎn)的SY系列直流伺服電動(dòng)機(jī)屬于這種結(jié)構(gòu)。,傳統(tǒng)式直流伺服電動(dòng)機(jī)可分為永磁式和電磁式兩種。,電磁式（串激式和他激式）直流伺服電動(dòng)機(jī)的定子通常由硅鋼片沖制疊壓而成，磁極和磁軛整體相連，在磁極鐵芯上套有激磁繞組，目前我國(guó)生產(chǎn)的SZ系列直流伺服電動(dòng)機(jī)屬于這種結(jié)構(gòu)。,第一章直流伺服電動(dòng)機(jī),這兩者電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵芯均由硅鋼片沖制疊壓而成，在轉(zhuǎn)子沖片的外圓周上開有均布的齒槽，在轉(zhuǎn)子槽中放置電樞繞組，并經(jīng)換向器、電刷引出。,第一章直流伺服電動(dòng)機(jī)-分類,（二）低慣量式直流伺服電動(dòng)機(jī),無槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī),無槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)的電樞鐵芯上并不開槽，電樞繞組直接排列在鐵芯表面，再用環(huán)氧樹脂把它與電樞鐵芯粘成一個(gè)整體。定子磁極可以用永久磁鋼做成，也可以采用電磁式結(jié)構(gòu)。目前我國(guó)生產(chǎn)的SWC系列直流伺服電動(dòng)機(jī)屬于這種結(jié)構(gòu)。,第一章直流伺服電動(dòng)機(jī)-分類,（二）低慣量式直流伺服電動(dòng)機(jī),盤形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī),盤形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)的定子是由永久磁鋼和前后磁軛所組成，磁鋼在圓盤的一側(cè)放置，也可以在兩側(cè)同時(shí)放置。電機(jī)的氣隙就位于圓盤的兩邊，圓盤上有電樞繞組，可分為印刷繞組和線繞式繞組兩種形式。,第一章直流伺服電動(dòng)機(jī)-分類,（二）低慣量式直流伺服電動(dòng)機(jī),空心杯電樞永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī),空心杯電樞永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)有一個(gè)外定子和一個(gè)內(nèi)定子。通常外定子由兩個(gè)半圓形的永久磁鋼所組成；內(nèi)定子為圓柱形的軟磁材料做成，僅作為磁路的一部分，以減小磁阻。目前我國(guó)生產(chǎn)的SYK系列直流伺服電動(dòng)機(jī)屬于這種結(jié)構(gòu)。,第一章直流伺服電動(dòng)機(jī)-分類,第一章直流伺服電動(dòng)機(jī),三、直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方式,電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)，采用電樞控制時(shí)，其激磁繞組由外加恒壓的直流電源激磁；永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)則由永磁磁極激磁。,第一章直流伺服電動(dòng)機(jī),四、直流伺服電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)工作特性,機(jī)械特性是指控制電壓一定時(shí)，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的變化關(guān)系；,調(diào)節(jié)特性是指電機(jī)轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，轉(zhuǎn)速隨控制電壓的變化關(guān)系。,基本假設(shè)：不考慮電機(jī)磁化曲線非線性的影響；忽略帶載時(shí)電樞反應(yīng)磁勢(shì)的影響。,Ra電動(dòng)機(jī)電樞回路的總電阻；Ea電動(dòng)機(jī)電樞回路的反電勢(shì)；ia電動(dòng)機(jī)電樞回路的電流；每級(jí)總磁通；n電樞轉(zhuǎn)速；Ke電勢(shì)常數(shù)，表示單位轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生的電勢(shì)。,電樞回路的電壓平衡方程:,第一章直流伺服電動(dòng)機(jī)-靜態(tài)特性,它表示外加電壓與反電勢(shì)及電樞內(nèi)阻壓降相平衡,Kt轉(zhuǎn)矩常數(shù)，表示單位電樞電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。,電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為:,第一章直流伺服電動(dòng)機(jī)-靜態(tài)特性,直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為,我們把,代入電壓平衡方程中，可得到電,樞電流Ia的表達(dá)式：,由此看出直流電動(dòng)機(jī)的電樞電流不僅取決于外加電壓和本身的內(nèi)阻，而且還取決于與轉(zhuǎn)速成正比的反電勢(shì)（當(dāng)為常數(shù)時(shí)）。,TLTIan;TLTIan,（一）機(jī)械特性,第一章直流伺服電動(dòng)機(jī)-靜態(tài)特性,Ua=constant，,機(jī)械特性曲線與縱軸的交點(diǎn)為電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速n0,機(jī)械特性曲線與橫軸的交點(diǎn)為電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)矩Tk,機(jī)械特性曲線的斜率的絕對(duì)值表示了電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的剛度。,（二）調(diào)節(jié)特性,第一章直流伺服電動(dòng)機(jī)-靜態(tài)特性,Tg=constant，,調(diào)節(jié)特性曲線與橫軸的交點(diǎn)表示在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)電動(dòng)機(jī)的始動(dòng)電壓Ua0。,調(diào)節(jié)特性曲線的橫坐標(biāo)從零到始動(dòng)電壓的這一范圍稱為在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)的失靈區(qū)。失靈區(qū)的大小與負(fù)載轉(zhuǎn)矩成正比。,第一章直流伺服電動(dòng)機(jī),五、直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性,電樞控制時(shí)直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，是指在電動(dòng)機(jī)的電樞上外加階躍電壓時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)過程。,直流伺服電動(dòng)機(jī)的基本方程,第一章直流伺服電動(dòng)機(jī)-動(dòng)態(tài)特性,電樞電路的電壓方程,恒定磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)的元件感應(yīng)電壓,電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程,式中：J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，B為粘滯摩擦系數(shù)，Tf為其他摩擦轉(zhuǎn)矩，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。,第一章直流伺服電動(dòng)機(jī),六、直流伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用,第一章直流伺服電動(dòng)機(jī)-選擇與應(yīng)用,雷達(dá)天線的位置控制系統(tǒng),被跟蹤目標(biāo)經(jīng)雷達(dá)天線系統(tǒng)檢測(cè)并發(fā)出誤差信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過放大后就作為力矩電動(dòng)機(jī)的控制信號(hào)，并使力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)天線跟蹤目標(biāo)。,系統(tǒng)中使用測(cè)速電機(jī)的速度反饋回路是為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。,一、結(jié)構(gòu)及控制方式,交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主要分為兩大部分，即定子部分和轉(zhuǎn)子部分。定子：定子鐵心由硅鋼片組成在定子鐵心中安放著空間互成90電角度的兩相繞組，如圖所示。其中L1L2稱為勵(lì)磁繞組，k1k2稱為控制繞組，所以交流伺服電動(dòng)機(jī)是一種兩相的交流電動(dòng)機(jī)。,L1,L2,K1,K2,兩相繞組分布圖,第二章交流流伺服電動(dòng)機(jī),轉(zhuǎn)子：一般有三種結(jié)構(gòu)，籠型轉(zhuǎn)子、非磁性空心杯轉(zhuǎn)子和鐵磁性空心轉(zhuǎn)子。,第二章交流流伺服電動(dòng)機(jī),（1）籠型轉(zhuǎn)子和三相異步電動(dòng)機(jī)的籠型轉(zhuǎn)子一樣，但籠型轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條采用高電阻率的導(dǎo)電材料制造，如青銅、黃銅。,第二章交流流伺服電動(dòng)機(jī),（2）非磁性空心杯轉(zhuǎn)子非磁性空心杯轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)定子：外定子和內(nèi)定子，外定子與鼠籠形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)的定子完全一樣，而內(nèi)定子一般不放繞組，只是代替鼠籠轉(zhuǎn)子的鐵心，作為磁路的一部分；空心杯轉(zhuǎn)子位于內(nèi)外繞組之間，通常用非磁性材料（如銅、鋁或鋁合金）制成，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下，杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生渦流，渦流再與主磁場(chǎng)作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使杯形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來。,第二章交流流伺服電動(dòng)機(jī),非磁性空心杯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖1-空心杯轉(zhuǎn)子；2-外定子；3-內(nèi)定子；4-機(jī)殼；5-端蓋,優(yōu)點(diǎn)：由于非磁性空心杯轉(zhuǎn)子的壁厚約為0.20.6mm，因而其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，故電機(jī)快速響應(yīng)性能好，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)平滑，無抖動(dòng)現(xiàn)象。缺點(diǎn)：由于使用內(nèi)外定子，氣隙較大，故勵(lì)磁電流較大，體積也較大。,第二章交流流伺服電動(dòng)機(jī),（3）鐵磁性空心轉(zhuǎn)子這種轉(zhuǎn)子由純鐵制成，既可導(dǎo)磁又可導(dǎo)電，既可做主磁通的回路，又可做轉(zhuǎn)子繞組，這樣省去了內(nèi)定子鐵心。轉(zhuǎn)子壁厚，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大。該電機(jī)有一個(gè)致命的缺點(diǎn)，當(dāng)外界氣隙不均勻時(shí)，容易被定子“吸住”，很少使用。,第二章交流流伺服電動(dòng)機(jī),二、工作原理交流伺服電動(dòng)機(jī)使用時(shí)，勵(lì)磁繞組兩端施加恒定的勵(lì)磁電壓Uf，控制繞組兩端施加控制電壓Uk，如圖所以。當(dāng)定子繞組加上電壓后，伺服電動(dòng)機(jī)就會(huì)很快轉(zhuǎn)動(dòng)起來，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸的機(jī)械特性。,第二章交流流伺服電動(dòng)機(jī),電氣原理圖,第二章交流流伺服電動(dòng)機(jī),伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理,鼠籠轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向,通過實(shí)驗(yàn)介紹該電動(dòng)機(jī)的工作原理：如圖，一個(gè)能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)的鼠籠轉(zhuǎn)子放在可用手柄轉(zhuǎn)動(dòng)的兩極永久磁鐵中間，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄使永久磁鐵旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)磁鐵中間的鼠籠轉(zhuǎn)子也會(huì)跟著磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)起來。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速比磁鐵慢，當(dāng)磁鐵的旋轉(zhuǎn)方向改變時(shí)，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向也會(huì)跟著改變。,第二章交流流伺服電動(dòng)機(jī),當(dāng)磁鐵旋轉(zhuǎn)時(shí)，在空間形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。假設(shè)圖中的永久磁鐵順時(shí)針以ns的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，那么它的磁力線也就以順時(shí)針方向切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條。也就是轉(zhuǎn)子導(dǎo)條以逆時(shí)針方向切割磁力線，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中就產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。根據(jù)右手定則，N極下和S極下導(dǎo)條的感應(yīng)電勢(shì)方向如圖所示，由于鼠籠轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條都是通過短路環(huán)連接的，因此在感應(yīng)電勢(shì)作用下，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中就會(huì)有電流流過。根據(jù)通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力原理，由左手定則，電磁力如圖所示，轉(zhuǎn)矩方向與磁體的運(yùn)動(dòng)方向一致。所以，鼠籠轉(zhuǎn)子便在電磁轉(zhuǎn)矩作用下順著磁鐵旋轉(zhuǎn)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)起來。,第二章交流流伺服電動(dòng)機(jī),從上面的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)清楚地說明，鼠籠轉(zhuǎn)子（或者是非磁性杯形轉(zhuǎn)子）所以會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來是