伺服電機運動控制系統(tǒng)的調試五元器件的選型025.2.1伺服電動機結構與分類伺服電動機又稱為執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，其任務是將輸入的電信號轉換為軸上的轉角或轉速，以帶動控制對象。當信號電壓的大小和極性（或相位）發(fā)生變化時，電動機的轉動方向將非常靈敏和準確地跟著變化。1.結構組成伺服電動機主要由定子、轉子和檢測元件構成。5.2.1伺服電動機結構與分類定子上有兩個繞組，勵磁繞組l1-l2和控制繞組k1-k2。其內部的轉子是永磁鐵或感應線圈，導磁材料，轉子在由勵磁繞組產(chǎn)生的旋轉磁場的作用下轉動。伺服電機自帶編碼器等檢測元件，編碼器檢測轉角等信號輸出反饋值，驅動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較來調整轉子轉動的角度。伺服電機的控制精確度很大程度決定于編碼器的精度。5.2.1伺服電動機結構與分類2.分類按照電流種類不同，伺服電動機可分為交流伺服電動機和直流伺服電動機。按照結構來分，又可以分為有刷式伺服電動機和無刷式伺服電動機。例如，永磁式直流伺服電動機為有刷式。如圖5-8所示。

有刷式——永磁式直流伺服電動機伺服電動機無刷式直流伺服電動機無刷式永磁式同步交流伺服電動機感應式交流伺服電動機圖5-8按結構伺服電動機類型5.2.2伺服電動機原理及特點1.交流伺服電動機20世紀80年代以來，隨著集成電路、電力電子技木和交流可變速驅動技術的發(fā)展，交流伺服驅動技術有了突出的發(fā)展。交流伺服系統(tǒng)已成為當代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機。90年代以后，交流伺服系統(tǒng)采用了創(chuàng)新的全數(shù)字控制的正弦波電動機伺服驅動，交流伺服驅動裝置的發(fā)展日新月異。兩相交流伺服電動機和三相交流伺服電動機同屬于感應式交流伺服電動機下面以結構比較簡單的兩相交流伺服電動機為例進行分析5.2.2伺服電動機原理及特點（1）兩相交流伺服電動機的結構兩相交流伺服電動機的結構與單相電容式異步電動機的結構相似，分為定子和轉子兩大部分。定子上裝有兩個繞組，一個是勵磁繞組l1-l2，另一個是控制繞組k1-k2，它們在空間相隔90°，如圖5-8所示。5.2.2伺服電動機原理及特點交流伺服電動機的轉子結構形式有兩種：高電阻率導條的籠型轉子和非磁性空心杯轉子。①鼠籠轉子兩相交流伺服電動機

結構與三相鼠籠式電動機轉子的結構相似，只是為了減小轉動慣量而做得細長一些。包括鼠籠條、短路環(huán)、轉子鐵心、風扇和編碼器等。5.2.2伺服電動機原理及特點轉子鐵心是由硅鋼片疊成的，每片沖成有齒有槽的形狀，然后疊壓起來將軸壓入軸孔內。鐵心的每一槽中放有一根導條，所有導條的兩端用兩個短路環(huán)連接，這就構成轉子繞組。如果去掉鐵心，整個轉子繞組形成一鼠籠狀。鼠籠的材料有用銅的，也有用鋁的，為了制造方便，一般采用鑄鋁轉子，即把鐵心疊壓后放在模子內用鋁澆鑄，把鼠籠導條與短路環(huán)鑄成一體5.2.2伺服電動機原理及特點②空心杯形轉子伺服電動機結構空心杯形轉子伺服電動機由外定子、內定子、杯形轉子、勵磁繞組、控制繞組和編碼器組成。結構如圖5-10所示。5.2.2伺服電動機原理及特點圖中外定子與鼠籠形轉子伺服電動機的定子完全一樣，內定子由環(huán)形鋼片疊成，通常內定子不放繞組，只是代替鼠籠轉子的鐵心，作為電機磁路的一部分。在內、外定子之間有細長的空心轉子裝在轉軸上，空心轉子作成杯子形狀，所以又稱為空心杯形轉子?？招谋煞谴判圆牧箱X或銅制成，為了減小轉動慣量，它的杯壁極薄，僅0.2～0.3mm。杯形轉子套在內定子鐵心外，并通過轉軸可以在內、外定子之間的氣隙中自由轉動，而內、外定子是不動的。5.2.2伺服電動機原理及特點杯形轉子與鼠籠轉子從外表形狀來看是不一樣的。但實際上，杯形轉子可以看作是鼠籠條數(shù)目非常多的、條與條之間彼此緊靠在一起的鼠籠轉子，杯形轉子的兩端也可看作由短路環(huán)相連接。這樣，杯形轉子只是鼠籠轉子的一種特殊形式。從實質上看，在電機中所起的作用完全相同。因此在以后分析時，只以鼠籠轉子為例，分析結果對杯形轉子電動機也完全適用。5.2.2伺服電動機原理及特點③空心杯形轉子伺服電動機的優(yōu)缺點及選用a.空心杯形與鼠籠形轉子相比較，非磁性杯形轉子慣量小，軸承摩擦阻轉矩小。b.由于空心杯形的轉子沒有齒和槽，所以定、轉子間沒有齒槽粘合現(xiàn)象，轉矩不會隨轉子不同的位置而發(fā)生變化，恒速旋轉時，轉子一般不會有抖動現(xiàn)象，運轉平穩(wěn)。c.由于空心杯形內、外定子間氣隙較大（杯壁厚度加上杯壁兩邊的氣隙），所以勵磁電流就大，降低了電機的利用率，因而在相同的體積和重量下，在一定的功率范圍內，空心杯形轉子伺服電動機比鼠籠轉子伺服電動機所產(chǎn)生的啟動轉矩和輸出功率都小。d.空心杯形轉子伺服電動機結構和制造工藝比較復雜。因此，目前廣泛應用的是鼠籠形轉子伺服電動機，只有在要求運轉非常平穩(wěn)的某些特殊場合下（如積分電路等），才采用非磁性空心杯形轉子伺服電動機。5.2.2伺服電動機原理及特點（2）兩相交流伺服電動機轉動的基本原理單相交流電源的電流時序如圖5-11上圖所示。電流通過定子線圈時產(chǎn)生交變磁場，如圖5-11下圖所示。在t1時刻，電流從線圈上端流入為正，產(chǎn)生向左的磁場，為了便于分析，可以分解成左上、左下兩個磁場。在t2時刻，電流為0，產(chǎn)生的磁場為0。在t3時刻，電流從線圈上端流出為負，產(chǎn)生向右的磁場，為了便于分析，可以分解成向右上、右下兩個磁場。如圖在t4時刻，電流為0，產(chǎn)生的磁場為05.2.2伺服電動機原理及特點周而復始，此磁場為左右往復變化的交變磁場。這個磁場并不能使電動機轉子轉動。如果要使轉子轉動，則必須先產(chǎn)生旋轉磁場。設計電路如圖5-12所示。兩相交流伺服電動機以單相異步電動機原理為基礎，其定子上有勵磁、控制兩組繞組線圈。通過電容，使兩組繞組電流相位互差90°，這種在空間上互差90°電角度，有效匝數(shù)相等的兩個繞組稱為對稱兩相繞組。

勵磁繞組接到電壓一定的交流電網(wǎng)Uf上，控制繞組接到控制電壓Uk上，當電流相位上彼此相差90°，幅值彼此相等時，這樣的兩個電流稱為兩相對稱電流。5.2.2伺服電動機原理及特點ik=Ikmsin

ωtif=Ifmsin(ωt-90°)（5-1）Ifm=Ikm=Im

在t1時刻，控制電流ik為最大值從k1端流入控制繞組，從k2端流出。勵磁電流ik為0。由右手螺旋定則，磁感應強度B=Bk，方向向下。5.2.2伺服電動機原理及特點在t2時刻，勵磁電流if為最大值，從l1端流入控制繞組，從l2端流出?？刂齐娏鱥f為0。由右手螺旋定則，磁感應強度B=Bf，方向向左。ik=Ikmsin

ωtif=Ifmsin(ωt-90°)（5-1）Ifm=Ikm=Im

5.2.2伺服電動機原理及特點在t3時刻，控制電流ik為負最大值，從k2端流入控制繞組，從k1端流出。勵磁電流ik為0。由右手螺旋定則，磁感應強度B=Bk，方向向上。ik=Ikmsin

ωtif=Ifmsin(ωt-90°)（5-1）Ifm=Ikm=Im

5.2.2伺服電動機原理及特點在t4時刻，勵磁電流if為負最大值，從l2端流入控制繞組，從l1端流出。控制電流if為0。由右手螺旋定則，磁感應強度B=Bf，方向向右。ik=Ikmsin

ωtif=Ifmsin(ωt-90°)（5-1）Ifm=Ikm=Im

5.2.2伺服電動機原理及特點根據(jù)分析可知，流入兩相對稱電流，兩相繞組便產(chǎn)生了旋轉磁場。該磁場與轉子中的感應電流相互作用產(chǎn)生轉矩，使轉子跟隨著旋轉磁場以一定的轉差率轉動起來。判斷過程如下：①轉子電流方向的確定：當磁鐵旋轉時，在空間形成一個旋轉磁場。根據(jù)右手定則，確定轉子內部電流方向。②轉子旋轉方向的確定：根據(jù)左手定則，判斷出導條的轉矩方向，也是順時針方向。因此，鼠籠轉子便在電磁轉矩作用下順著磁鐵旋轉的方向轉動起來5.2.2伺服電動機原理及特點旋轉磁場的同步轉速為：

旋轉磁場的轉速決定于定子繞組的極對數(shù)和電源的頻率。交流伺服電動機使用的電源頻率通常是標準頻率f=400Hz或50Hz。轉子轉向與旋轉磁場的方向相同把控制電壓的相位改變180°，則可改變何服電動機的旋轉方向。5.2.2伺服電動機原理及特點（3）兩相交流伺服電動機特點兩相交流伺服電動機的工作原理與分相式單相異步電動機雖然相似，但前者的轉子電阻比后者大得多，所以兩相交流伺服電動機與單機異步電動機相比，有以下顯著特點：①起動轉矩大。由于轉子電阻大，其轉矩特性曲線如圖5-16中曲線1所示，與普通異步電動機的轉矩特性曲線2相比，有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉差率S0＞1，這樣不僅使轉矩特性〔機械特性〕更接近于線性，而且具有較大的起動轉矩。②運行范圍較寬，能在寬范圍內連續(xù)調節(jié)。根據(jù)圖5-16可知，轉差率S在0到1的范圍內伺服電機都能穩(wěn)定運轉。5.2.2伺服電動機原理及特點③轉子的慣性小，響應快，隨控制電壓改變反應很靈敏。當定子一有控制電壓，轉子立即轉動，即具有起動快、靈敏度高的特點。④在勵磁電壓不變的情況下，隨著控制電壓的下降，特性曲線下移。在同一負載轉矩作用時，電動機轉速隨控制電壓的下降而均勻減小。加在控制繞組上的控制電壓大小變化時，其產(chǎn)生的旋轉磁場的橢圓度不同，從而產(chǎn)生的電磁轉矩也不同，從而改變電動機的轉速。假設控制電壓為大小為UK，則交流伺服電動機的機械特性如圖5-17所示。5.2.2伺服電動機原理及特點⑤無自轉現(xiàn)象。對伺服電動機的要求是控制電壓一旦取消，電動機必須立即停轉，但根據(jù)單相異步電動機的原理，若電動機一旦轉動以后，再取消控制電壓，僅勵磁電壓單相供電，則它將繼續(xù)轉動，即存在“自轉”現(xiàn)象，這意味著失去控制作用，這是不允許的，如何解決這個矛盾呢？下面將重點介紹消除“自轉”現(xiàn)象的措施。其解決辦法就是使轉子導條具有較大電阻，從三相異步電動機的機械特性可知，轉子電阻對電動機的轉速、轉矩特性影響很大。當轉子電阻R21<R22<R23時，n=f（T）曲線如圖5-18所示。5.2.2伺服電動機原理及特點轉子電阻越大，達到最大轉矩的轉速越低，轉子電阻增大到一定程度（例如圖中R23）時，最大轉矩將出現(xiàn)在S>1附近。為此目的，一般把伺服電動機的轉子電阻R設計得很大，這可使電動機在失去控制信號，即成單相運行時，正轉矩或負轉矩的最大值均出現(xiàn)在Sm＞1處，這樣就可得出圖5-19所示的機械特性曲線。5.2.2伺服電動機原理及特點當控制電壓Uk降為0，勵磁電壓Uf和電流if仍然存在，氣隙中產(chǎn)生一個脈動磁場（如圖5-11“單相交流電時序及產(chǎn)生的交變磁場”，產(chǎn)生左右變化的脈動磁場），此磁場可以視為正、反旋轉磁場的合成，如圖5-20所示。5.2.2伺服電動機原理及特點圖5-19中曲線T+和T-為去掉控制電壓后，脈動磁場分解的正向旋轉磁場n+、反向旋轉磁場n-對應產(chǎn)生的轉矩曲線。曲線T為T+和T-合成的轉矩曲線。假設電動機原來在單一正向旋轉磁場的帶動下運行于A點，此時負載力矩是ML，一旦信號消失，電機即按合成曲線T運行。由于慣性轉速n不變，運動點由A移到B，此時電機產(chǎn)生了一個反向的制動力矩MZ。在ML、MZ作用下迅速停止。5.2.2伺服電動機原理及特點圖5-19中曲線T+和T-為去掉控制電壓后，脈動磁場分解的正向旋轉磁場n+、反向旋轉磁場n-對應產(chǎn)生的轉矩曲線。曲線T為T+和T-合成的轉矩曲線。制動轉矩的存在，可使轉子迅速停止轉動，保證不會存在“自轉”現(xiàn)象。停轉所需要的時間，比兩相電壓Uc和Uf同時取消，單靠摩擦等制動方法所需的時問要少得多。這正是兩相交流何服電動機工作時，勵磁繞組始終接在電源上的原因。綜上所述，增大轉子電阻R，可使單相供電時合成電磁轉矩成為制動轉矩，有利于消除“自轉”現(xiàn)象，同時R的增大，還使穩(wěn)定運行段加寬，啟動轉矩增大，有利于調速和啟動。這就是兩相交流何服電動機的鼠籠導條通常都用高電阻材料制成和杯形轉子的壁做得很薄的緣故。5.2.2伺服電動機原理及特點（4）交流伺服電動機的控制交流伺服電動機運行時，若改變控制電壓的大小或改變它與激勵電壓之間的相位角，則旋轉磁場都將發(fā)生變化，從而影響到電磁轉矩。當負載轉矩一定時，可以通過調節(jié)控制電壓的大小或相位來達到改變轉速的目的。因此，兩相交流伺服電動機的控制方法有三種：（1）幅值控制，即保持Uk與Uf相差90°條件下，改變Uk幅值大小。（2）相位控制，即保持Uk的幅值不變條件下，改變Uk與Uf之間相位差。（3）幅相控制，即同時改變Uk的幅值和相位。幅值控制的控制電路比較簡單，生產(chǎn)中應用最多，下面只討論幅值控制法。5.2.2伺服電動機原理及特點圖5-21所示的為幅值控制的一種接線圖，從圖中看出，兩相繞組接于同一單相電源，適當選擇電容C，使Uf與Uk相角差90°，改變電阻R的大小，即改変控制電壓Uk的大小，可以得到圖5-17所示的不同控制電壓下的機械特性曲線。由圖可見，在一定負載轉矩下，控制電壓越高，轉差率越小，電動機的轉速就越高，不同的控制電壓也對應著不同的轉速。由此看出，何服電動機的性能，直接影響著整個系統(tǒng)的性能，因此，系統(tǒng)對伺服電動機的靜態(tài)特性、動態(tài)特性都有相應的要求，在選擇電動機時應該注意。5.2.2伺服電動機原理及特點2.直流伺服電動機（1）直流伺服電動機原理及類型特點直流伺服電動機的結構與直流電動機基本相同。所不同的是直流伺服電動機的電樞電流很小，換向并不困難，因此都不用裝換向磁極。并且，為減小轉動慣量，轉子做得細長，氣隙較小，磁路不飽和，電樞電阻較大。按勵磁方式之不同可分為電磁式和永磁式兩種。電磁式又分為他勵式、并勵式和串勵式，但一般多用他勵式。永磁式的磁場由永久磁鐵產(chǎn)生圖5-22（a）所示的為電磁式，圖5-22（b）所示的為永磁式。5.2.2伺服電動機原理及特點除傳統(tǒng)式外，還有低慣量式直流何服電動機，它有無槽、杯形、圓盤、無刷電樞幾種，它們的特點如表5-1所示。名

稱勵磁方式產(chǎn)品型號結構特點性能特點一般直流執(zhí)行電動機電磁或永磁SZ或SY

與普通直流電動機相同，但電樞鐵芯長度與直徑之比大一些，氣隙較小

具有下垂