1、第二章 伺服电动机与伺服系统,概述直流伺服电动机直流力矩电动机交流异步伺服电动机交流同步伺服电动机数字化交流伺服系统,第一节 概述,伺服电动机（Servo Motor），是将电压信号转变为电机转轴的角速度或角位移输出。在自动控制系统中，伺服电动机作执行元件。伺服电动机特点：1、调速范围宽2、机械特性和调节特性为线性3、无“自转”现象4、动态响应快,第二节 直流伺服电动机（DC Servo Motor）,结构和分类分为：1、传统型直流伺服电动机2、低惯量直流伺服电动机（1）空心杯形转子直流伺服电动机（2）盘式电枢直流伺服电动机（3）无槽电枢直流伺服电动机,第二节 直流伺服电动机,传统型直流伺服电
2、动机 与普通的直流电动机在结构形式上相同，但是容积和体积小许多。也由定子和转子组成。 有两种励磁方式：电磁式和永磁式。 电磁式直流伺服电动机，定子铁心由硅钢片冲制叠压而成，励磁绕组绕制在定子铁心上。 永磁式直流伺服电动机，定子上安装由永久磁钢制成的磁化后的磁极。 转子铁心由硅钢片冲制叠压而成，转子冲片的外圆周上开有均布的齿槽，在槽中嵌入电枢绕组，通过换向器和电刷与外电路相连。,定子冲片,第二节 直流伺服电动机,空心杯形转子直流伺服电动机,定子部分包括：外定子和内定子。 外定子是永久磁钢或电磁式。内定子由软磁材料制成，仅作为主磁路的一部分，以减少磁路的磁阻。 转子绕组沿圆周的轴向排列成空心杯形，
3、用环氧树脂固化。 电枢绕组端侧与换向器相连，由电刷引出。 空心杯转子直接固定在转轴上，在内外定子的气隙中旋转。,第二节 直流伺服电动机,盘式电枢直流伺服电动机 定子由永久磁钢和前后软磁铁组成。磁钢放在圆盘一侧，产生轴向磁场，其极数较多，有6极、8极或10极。在磁钢和另一侧软铁间旋转盘式电枢绕组。盘式电枢上的电枢绕组中的电流沿径向流过圆盘表面，并与轴向磁通相互作用产生电磁转矩。,第二节 直流伺服电动机,无槽电枢直流伺服电动机该伺服电机的电枢铁心上不开槽，电枢绕组直接排列在铁心圆周表面，用环氧树脂将它和电枢铁心固化成一个整体。该种电机的转动惯量和电枢绕组电感都较大，动态性能也较差。,第二节 直流伺
4、服电动机,二、控制方法,由电机学知识，直流电动机在略去电刷接触压降时，有公式：,可见，电磁转矩Te不变，改变电枢电压Ua或励磁磁通，可以控制电机的转速。改变电枢电压调速的方法，称电枢控制（如图25示）；改变磁通控制转速的方法，称磁极控制。,第二节 直流伺服电动机,三、静态特性（Static Characteristics）包括机械特性和调节特性。讨论前提：略去电机负载时电枢反应的影响，假设电机的每极气隙磁通为恒定。（即假设：电机磁路不饱和，电刷位于几何中心线。）（一）机械特性定义：当控制电压（Ua=常数）保持不变时，电机转速随电磁转矩变化的关系，为电机的机械特性，n=f(Te)。,第二节 直流
5、伺服电动机,由前面假设：,画出不同电枢电压下（Ua=常数）的机械特性，是一簇平等的直线。,机械特性的三个特征：,第二节 直流伺服电动机,若Ua由自动控制系统中的放大器提供，考虑放大器内阻的情形（如图27示）：,由于放大器可等效为一个电动势源Ei和一个内阻的串联，则电枢回路电压平衡方程式为：,放大器内阻Ri越大，电机的机械特性越软。,第二节 直流伺服电动机,第二节 直流伺服电动机,（二）调节特性定义：当负载转矩恒定时（T1=常数），电机的转速随控制电压变化的关系，称调节特性，n=f(Ua) 。,不同负载转矩下，调节特性是一簇平等的直线。,1、斜率为1/(Ce ),仅由电机的参数决定，而与负载大小
6、无关。2、电机的始动电压，当n=0时，Ua=RaT1/Ct,是横轴上的截距，当T1常数，电机的控制电压应该大于始动电压，伺服电动机才能以一定的转速运行。所以，0Ua的区域为负载T1时，电机的失灵区。3、始动电压Ua与负载转矩T1的大小成正比。,第二节 直流伺服电动机,四、动态特性（n=f(t), =f(t)）电枢控制时，电机转速从一种稳态转速变化到另一种稳态转速的两个过渡过程：1、电气过渡过程，电枢电压突然改变，电枢绕组具有电感，电枢电流不能突变；2、机械过渡过程，在变化的电磁转矩作用下，电机的转速发生变化，由于电机和负载有转动惯量，转速不能突变；两个过渡过程，相互影响，电机转速的变化由电磁转
7、矩（或电枢电流）决定，电磁转矩或电枢电流又随转速而变化。整个过渡过程称为机电过渡过程，自控系统中，要求机电过渡过程尽量时间短，使电机转速能迅速跟上控制信号的变化，以满足系统快速响应的要求。,第二节 直流伺服电动机,（一）动态方程式如图210示，设电机电枢绕组上突然加上阶跃电压信号，电枢回路电压平衡方程式：,第二节 直流伺服电动机,（二）传递函数,第二节 直流伺服电动机,（三）时间常数,第二节 直流伺服电动机,由,得出电动机角速度随时间的变化曲线，如图211示。,1、当t=m时，0.6320，所以，机电时间常数m是在电机空载并加额定励磁电压，电枢绕组外施阶跃电压，转速从0上升到理想空载转速的63
8、.2所需的时间。2、当t=4m时，0.985，过渡过程结束。,第二节 直流伺服电动机,与机电时间常数m有关的因素：1、转动惯量J越小，m越小。采用空心杯电枢、盘形电枢或细长形电枢，可尽量减小转动惯量J。2、每极气隙磁通越大，m越小。应增加气隙磁密，以加大每极气隙磁通，以减小m。3、电枢电阻Ra越小，m越小。减小Ra，可减小m。在自控系统中，由于直流放大器给电机提供信号，所以，电枢回路电阻应包括放大器内阻Ri，即（Ra+ Ri ）；应尽量减小放大器内阻，以减小m。,第二节 直流伺服电动机,机电时间常数是反映电机过渡过程的一项重要性能指标。,第三节直流力矩电动机,直流力矩电动机特点：低转速，大转矩
9、，能以低速运行甚至堵转时产生足够大的转矩，不需齿轮减速而直接带动负载。动态响应快，转矩波动小，机械特性和调节特性线性度好，低速下稳定运行。适用于位置伺服和低速伺服系统中作执行元件。力矩电动机分为：直流力矩电动机和交流力矩电动机（较少使用）。,第三节直流力矩电动机,一、结构特点,直流力矩电动机，能在与直流伺服电动机（轴为细长圆柱形）相同体积和电枢电压下产生比较大的转矩和低的转速（扁平式结构）。总体结构型式有：分装式和内装式。如图，永磁式直流力矩电动机结构示意图，定子由软磁材料制成的带槽的圆环，在槽中嵌入永磁材料作为主磁场源，在气隙中形成近似正弦分布的磁场。转子用冷轧钢片叠成，压入非导磁材料的金属
10、支架。,第三节直流力矩电动机,二、直流力矩电动机转矩大、转速低的原因,原因在于其扁平形的外形尺寸。,（一）转矩与电枢形状的关系假设：两台电机模型，电枢体积、电枢电流、电流密度和气隙磁通密度相同。,第三节直流力矩电动机,结论：在转子体积、电枢电流、电流密度和气隙磁通密度相同的条件下，电枢直径增大1倍，电磁转矩也增大1倍，所以，电磁转矩基本上与直径成正比。采用扁平的结构，可比细长的结构，直径增加，从而增加了电机的转矩。,第三节直流力矩电动机,（二）空载转速与电枢形状的关系设电枢总导体数为N，一对电刷间的并联支路数为2，则每一支路所串联的导体数为N/2，电刷间的电动势为：,当理想空载时，电动机的转速
11、为n0，电枢电压Ua 反电动势Ea，则,结论：当电枢体积和导体直径不变，NL的乘积近似不变，在电枢电压和气隙平均磁通密度相同情况下，电枢直径增大1倍，理想空载转速减小一半，即理想空载转速n0与电枢直径近似成反比。电枢直径越大，电动机理想空载转速就越低。,采用扁平结构的力矩电机，电枢直径较大，所以，电机理想空载转速较低速。,第三节直流力矩电动机,三、直流力矩电动机性能特点1、响应迅速，动态特性好2、力矩波动小，低速下运行稳定3、机械特性和调节特性的线性度好4、电机的连续堵转转矩和峰值堵转转矩大,第四节交流异步伺服电动机,一、结构特点有定子和转子两部分。定子铁心中安放着空间互成90电角度的两相绕组
12、，其中一相作为励磁绕组，运行时接至电压为Uf的交流电源上，另一相作为控制绕组，输入控制电压Uc，Uc与Uf的频率相同。转子有三种结构形式：高电阻率导条的笼形转子、非磁性空心杯形转子和铁磁性空心转子。前两种较常用。,第四节交流异步伺服电动机,1、高电阻率导条的笼形转子转子结构与普通的鼠笼异步电动机类似，但细而长，以减小转子的转动惯量。,第四节交流异步伺服电动机,2、非磁性空心杯形转子定子分外定子铁心和内定子铁心，由硅钢片冲制后叠成。外定子铁心槽中放置空间相距90电角度的两相分布绕组。内定子铁心中不放绕组，仅作为磁路的一部分，以减小主磁通磁路的磁阻。空心杯形转子用非磁性铝或铝合金制成，放在内、外定
13、子铁心之间，并固定在转轴上。,第四节交流异步伺服电动机,异步伺服电动机与普通异步电动机的重要区别是：转子电阻大。1、异步电机稳定运行区域为0-sm，转子绕组电阻Rr较小，sm约为0.1-0.2,异步电动机转速可调范围很小。增大转子电阻，sm增大，异步伺服电动机的调速范围增大。当转子电阻足够大时，sm1，电动机的可调转速范围在0-sm间。2、随着转子电阻增大，异步电机的机械特性更接近于线性关系。,第四节交流异步伺服电动机,交流异步伺服电动机“自转”现象,当两相异步电动机取消控制电压（Uc0）后，就成为单相异步电动机运行。气隙中只有励磁绕组产生的脉动磁场，该脉动磁场可分解为正序和负序两个旋转磁场，
14、分别产生正序和负序转矩T1、T2，合成转矩Te。当转子电阻较小时，两相异步伺服电动机的机械特性曲线与单相异步电动机相同。电动机运行时，0s1,T1T2,Te=T1-T20,只要TeTm,电机转子会一直运行，不因控制电压Uc的消失而停转。“自转”,伺服电动机的自转现象，在控制系统中绝不允许出现。,第三节直流力矩电动机,增大转子电阻，正序旋转磁场产生的最大转矩所对应的临界转差率sm1将相应增大，负序旋转磁场产生的最大转矩所对应的临界转差率sm2=2-sm1，则相应减小，电机电磁转矩Te也减小。当转子电阻足够大时，正序磁场产生的最大转矩所对应的转差率sm11,电机的电磁转矩在电动机运行范围内均负值，
15、即Te0 。在某一控制电压下电机带一定负载稳定运行，当控制电压消失，励磁绕组所产生的电磁转矩为一制动转矩而使电机迅速停转。所以，增大转子电阻可克服异步伺服电动机“自转”。,第四节交流异步伺服电动机,二、控制方式两相交流异步电动机，若两相对称绕组中施加两相对称电压，即励磁绕组和控制绕组电压幅值相等两者相位差为90电角度，则在气隙中得到圆形旋转磁场。气隙中磁场为圆形旋转磁场时，电机运行在最佳工作状态。若两相施加不对称电压，（两相电压幅值不同或相位差不是90电角度），得到的是椭圆形旋转磁场。交流异步伺服电动机运行时，励磁绕组接至电压值恒定的励磁电源，控制绕组所加的控制电压Uc是变化的，所以，产生的是
16、椭圆形旋转磁场。若改变控制电压Uc的大小或改变Uc与Uf间相位差，就能改变气隙中旋转磁场的椭圆度，从而改变电磁转矩。负载转矩一定时，通过调节控制电压大小或相位，可控制电机转速。,第四节交流异步伺服电动机,交流异步伺服电动机的控制方式有：1、幅值控制2、相位控制3、幅值相位控制4、双相控制,第四节交流异步伺服电动机,1、幅值控制,保持励磁电压幅值和相位不变，控制电压Uc与励磁电压Uf间相位差始终保持90电角度，通过调节控制电压的大小来调节电机的转速。,当控制电压Uc=0时，电机停转，当Uc反相时，电机反转。若Uc/Uf=Uc/U1为信号系数，则Uc U1, =0时 ,Uc=0，定子电流产生脉振磁
17、场，电机的不对称度最大。1时，UcUf，产生圆形旋转磁场，电机处于对称运行状态。0 1,0UcUf，产生椭圆形旋转磁场，电机运行的不对称程度随增大而减小。,第四节交流异步伺服电动机,2、相位控制,保持控制电压的幅值不变，调节控制电压的相位，即改变了控制电压与励磁电压的相位差，实现电机的控制。,第四节交流异步伺服电动机,3、幅值相位控制（或称电容控制）,所以，改变Uc的幅值，Uf的大小及Uc与Uf间的相位差也跟着改变，是一种幅值相位控制方式。,特点：利用励磁绕组中串电容来分相，不需复杂的移相装置，设备简单，成本较低。,第四节交流异步伺服电动机,4、双相控制,励磁绕组与控制绕组间的相位差为90电角
18、度，励磁绕组电压的幅值随控制电压的改变而改变。则不论控制电压大小，伺服电动机始终在圆形旋转磁场下工作，获得的输出功率和效率最大。,第四节交流异步伺服电动机,三、交流异步伺服电动机的理论分析,交流异步电动机的两相绕组在空间上相差90电角度，但绕组的匝数并不相等，所以，伺服电机是在两相不对称绕组上，施加两相不对称电压运行的异步电动机，气隙中磁场是椭圆形旋转磁场。分析交流电机不对称运行的方法有：对称分量法（较常用）、双反应理论、双旋转磁场法,第四节交流异步伺服电动机,（一）交流异步伺服电动机的对称分量分析,励磁绕组f串联电容器Ca，容抗为Xca。,组成一个两相不对称系统，在气隙中形成一椭圆形旋转磁场
19、。,利用对称分量法，将不对称的两相系统分解为两相对称系统。正序分量系统负序分量系统相序f-c为正序，相序c-f为负序。,第四节交流异步伺服电动机,不对称系统和两组对称系统间关系：,正序磁动势形成的正向圆形旋转磁动势，负序磁动势形成反向圆形旋转磁动势，正反相圆形旋转磁动势合成的椭圆形旋转磁动势，与励磁绕组磁动势Ff和控制绕组磁动势Fc形成的不对称两相椭圆形旋转磁动势等效。,第四节交流异步伺服电动机,将励磁绕组各量归算到控制绕组，两绕组的有效匝数都为Wckwc，则磁动势对应的电流关系表示为：,其中，,第四节交流异步伺服电动机,（二）等效电路和电压方程式交流伺服电动机运行在不对称情况下，励磁绕组和控
20、制绕组不对称，所以其等效电路各相不同，且每一相的等效电路包括正序阻抗和负序阻抗等效电路，共四个等效电路。,图中励磁绕组各参数已归算至控制绕组。且略去电机铁心损耗，励磁支路上只有励磁电抗Xmc。,第四节交流异步伺服电动机,异步伺服电机励磁绕组和控制绕组所占的槽数、绕组型式完全相同，两绕组在槽中的铜线面积基本相等地，折算后两绕组的电阻和电抗分别近似相等：,第四节交流异步伺服电动机,若正序阻抗和负序阻抗等效电路中的励磁去路和转子支路并联，等效电路简化如下：,第四节交流异步伺服电动机,简化电路中，,可见，Rrm、Xrm1、Rrm2、Xrm2几个参数都是转差率s的函数，随电机转速而变化。,第四节交流异步
21、伺服电动机,由简化等效电路图225，得励磁绕组回路的正序阻抗Zf1和负序阻抗zf2；,控制绕组的正序阻抗Zc1和负序阻抗Zc2；,正序阻抗Zf1、 Zc1和负序阻抗zf2、 Zc2，都是转差率s的函数。,第四节交流异步伺服电动机,将简化等效电路中正序阻抗和负序阻抗等效电路中各支路电阻和电抗合并，得等效电路如图226：,图中，,在对称分量法中，每一相序的电流分量只在它对应相序的阻抗中产生电压降，正序电流只在正序阻抗中产生电压降，负序电流只在负序阻抗中产生电压降。,第四节交流异步伺服电动机,励磁绕组和控制绕组回路中，电压平衡关系有：,U1为归算至控制绕组的外施电压。,所以，只要已知异步伺服的正序阻
22、抗和负序阻抗Zf1、Zc1、Zf2、Zc2及电压U1、Uc，就可求得电流的各序分量，分析电机的运行性能。,第四节交流异步伺服电动机,（三）励磁绕组和控制绕组中的电流,代入,消去电流If1、If2，得控制绕组电流的对称分量：,励磁绕组和控制绕组的电流：,第四节交流异步伺服电动机,第四节交流异步伺服电动机,（四）电磁功率和电磁转矩异步电动机的电磁功率是转子电流流过等效电路中的转子电阻所消耗的功率，与定子电流流过不计铁耗时励磁支路与转子支路并联阻抗的等效电阻所消耗的电功率相等。对两相伺服电机，工作在不对称状态，电磁功率先按正反向旋转磁场计算，再合成。,第四节交流异步伺服电动机,正向旋转磁场的电磁功率
23、和对应的电磁转矩：,反向旋转磁场的电磁功率和对应的电磁转矩：,合成电磁转矩：,其中，s为电机同步角速度（rad/s）,ns为电机同步转速（r/min）, Te的单位为Nm,第四节交流异步伺服电动机,(五)获得圆形旋转磁场的条件从对称分量法，可以得到，如果，则，气隙磁场就为圆形旋转磁场。,由,获得圆形旋转磁场的条件：,不同控制方式下，交流伺服电机获得圆形旋转磁场的条件不同。,第四节交流异步伺服电动机,1、幅值控制,第四节交流异步伺服电动机,2、相位控制,第四节交流异步伺服电动机,3、幅值相位控制,第四节交流异步伺服电动机,4、双相控制,双相控制的目的是使伺服电机工作在圆形旋转磁场下。所以，励磁电
24、压随控制电压一起变化，相位差始终保持90电角度。所以，保证电机工作在圆形旋转磁场的条件是：Uc=kcfUfKcf为控制绕组和励磁绕组的有效匝数比。,第四节交流异步伺服电动机,四、交流异步伺服电动机的静态特性（一）机械特性（以幅值控制为例）,。,代入,得，电磁转矩,第四节交流异步伺服电动机,NOTE：1、Te*和n*关系复杂，实际运算中常采实际电机的参数来计算，作出不同有效信号系数时的机械特性曲线。2、幅值控制时机械特性是一组曲线。当e=1时（圆形旋转磁场），异步伺服电机的理想空载转速是同步转速。当e1时（椭圆形旋转磁场），电机理想空载转速低于同步转速。3、有效信号系数e越小，磁场椭圆度越大，反
25、向转矩越大，理想空载转速就越低。,幅值控制时机械特性,采用类似方法，可得到其他控制方式下的机械特性。双相控制时，励磁电压与控制电压相等地，且两电压间相位差为90电角度，气隙磁场始终为圆形旋转磁场。理想空载转速为同步转速ns，不随有效信号系数e而变化。转矩基值是取控制电压为额定值时的起动转矩。堵转转矩标幺值相同，对应于同一转速下，电机的转矩标幺值在幅值相位控制时较大，在相位控制时最小。因为，幅值相位控制，励磁回路中串有电容器，当电机起动后，励磁绕组中的电流将发生变化，电容电压Uca也随之改变，使励磁绕组端电压Uf有可能比堵转时还高，使转矩略有增高。双相控制时，气隙磁场始终为圆形旋转磁场，使电机运
26、行在最佳状态。,第四节交流异步伺服电动机,（二）调节特性,定义：调节特性指电磁转矩不变，转速与控制电压的关系，即Te*=常数，n*=f()或n*=f(sin)。采用表达式表达调节特性太复杂，一般采用作图法得到：在某一转矩值下，由机械特性曲线上找出转速和相对应的信号系数，并绘成曲线。,第四节交流异步伺服电动机,可见，交流伺服电机的调节特性不是线性关系，仅在转速标幺值较小和信号系数e不大范围内才近似于线性关系。所以，要获得线性的调节特性，伺服电机工作在较小的相对转速范围内。伺服电机工作频率提高，可使转速调节范围下降。,第四节交流异步伺服电动机,五、交流异步伺服电机的动态特性,交流异步伺服电机的机械
27、特性和调节特性为非线性，需将其线性化用通过机械特性起动转矩和空载转速点的直线代替实际非线性机械特性。假设在动态过渡过程中，只考虑电机的机械过渡过程，略去电气过渡过程。假设电动机工作在有效信号系数e1（圆形旋转磁场条件下）。,所以，相对于直流伺服电动机，交流异步伺服电机的机械特性为非线性。在满足工程精度要求条件下，可近似看作抛物线关系。通过特定点：n*=0,Te*=1; n*=0.5,Te*=0.5+; n*=1,Te*=0可确定抛物线方程如图230。,图231，为电机转速随时间变化的曲线，0曲线对应于线性化的机械特性。,第四节交流异步伺服电动机,六、主要性能指标,第四节交流异步伺服电动机,第四节交流异步伺服电动机,第四节交流异步伺服电动机,课外思考题：,1、伺服电机的发展2、直流伺服电动机及其控制3、交流伺服电动机及其控制4、伺服控制技术,
