伺服電動機市公開課一等獎省賽課獲獎?wù)n件

2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材

伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第1頁2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.1介紹

伺服電動機又稱執(zhí)行電機，在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。功效：電壓信號轉(zhuǎn)軸角位移或角速度分類：直流伺服電機---功率較大，幾百瓦，也可達數(shù)千瓦。交流伺服電機---兩相伺服電動機，功率較小，數(shù)十瓦。自動控制系統(tǒng)對伺服電動機基本要求：寬廣調(diào)速范圍機械特征和調(diào)整特征為線性無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象---控制電壓為零時能馬上自行停轉(zhuǎn)快速響應(yīng)伺服電動機第2頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)2.2直流伺服電動機(DCServoMotor)結(jié)構(gòu)與分類傳統(tǒng)型直流伺服電動機其結(jié)構(gòu)與普通進流電動機基本相同，它能夠再分為電磁式和永磁式兩種；定子鐵心沖片電樞沖片伺服電動機第3頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材低慣量型直流伺服電動機A.盤形電樞直流伺服電動機：2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)定子有永久磁鐵；氣隙位于圓盤兩邊；圓盤上有印刷繞組或繞線式繞組；繞組徑向段為有效部分，電流沿徑向流過圓盤；電樞繞組有效部分裸導(dǎo)體表面兼作換向器。伺服電動機第4頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)A.盤形電樞直流伺服電動機：繞組伺服電動機第5頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)B.空心杯電樞永磁式直流伺服電動機1-內(nèi)定子，2-外定子，3-空心杯電樞，4-電刷，5-換向器外定子為磁鋼，內(nèi)定子為軟磁材料，或反之；非磁性空心杯電樞上可為印刷繞組，也可為繞線式繞組；空心杯直接裝在電機軸上，在內(nèi)、外定子間氣隙中旋轉(zhuǎn)國產(chǎn)型號：SYK伺服電動機第6頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)C.無槽電樞直流伺服電動機電樞鐵心上無槽，電樞繞組直接排列在鐵心表面，再用環(huán)氧樹脂將它與電樞鐵心固化為一個整體；定子磁極為電磁或永磁式；國產(chǎn)型號：SWC。伺服電動機第7頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)控制方式由直流電機原理知道：直流伺服電動機有兩種基本控制方式：電樞控制—改變電樞電壓來控制轉(zhuǎn)速，適合用于電勵磁和永磁勵磁直流伺服電動機。磁極控制—調(diào)整磁通來控制轉(zhuǎn)速，僅適合用于電勵磁直流伺服電動機。但因停轉(zhuǎn)時電樞電流大，磁極繞組匝數(shù)多、電感大，時間常數(shù)大等缺點，極少采取。本課程只介紹直流伺服電動機電樞控制。伺服電動機第8頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)不考慮電機磁路飽和，并忽略負(fù)載時電樞反應(yīng)影響，則勵磁磁通正比于勵磁電壓，即：伺服電動機第9頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)

機械特征

控制電壓恒定時，電機轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩改變關(guān)系理想空載轉(zhuǎn)速：堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：機械特征斜率：伺服電動機第10頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)調(diào)整特征

負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時，轉(zhuǎn)速隨控制電壓改變調(diào)整特征與橫坐標(biāo)交點，就表示在某一電磁轉(zhuǎn)矩時電動機始動電壓。從原點到始動電壓點一段范圍，稱為在某一電磁轉(zhuǎn)矩值時伺服電動機失靈區(qū)，也稱死區(qū)。伺服電動機第11頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)動態(tài)方程式電壓方程運動方程伺服電動機第12頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)設(shè)：機電時間常數(shù)電氣時間常數(shù)當(dāng)已知各常數(shù)，就可解該方程，取得角速度改變規(guī)律伺服電動機第13頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)傳遞函數(shù)對上述方程式進行拉氏變換，用s表示拉氏算子，則可得以下象函數(shù)方程：每個方程都能夠用一個方塊圖表示。伺服電動機第14頁2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)方塊圖普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材伺服電動機第15頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)設(shè)TL=0，則可簡化為：結(jié)構(gòu)圖伺服電動機第16頁傳遞函數(shù)：普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第17頁通常，，所以近似有：時間常數(shù)設(shè)電樞外施階躍電壓Uc，其象函數(shù)為：普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第18頁利用拉氏反變換公式：可得電機角速度隨時間改變規(guī)律為：機械時間常數(shù)定義：當(dāng)電動機空載時電樞外施階躍電壓，其角速度從0上升到穩(wěn)定角速度63.2%時所需要時間。普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第19頁機械時間常數(shù)與轉(zhuǎn)動慣量成正比；與電機每極氣隙磁通F平方成反比，為了減小電機機械時間常數(shù)，應(yīng)增加每極氣隙磁通；與電樞電阻Ra大小成正比，為減小時間常數(shù)，應(yīng)盡可能減小電樞電阻，當(dāng)伺服電動機用于自動控制系統(tǒng)，并由放大器供給控制電壓時，應(yīng)計入放大器內(nèi)阻Ri，Ra+Ri；直流伺服電動機機械時間常數(shù)普通<30ms，低慣量直流伺服電機時間常數(shù)<10ms。普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第20頁機械時間常數(shù)也可寫為：可見，機械特征曲線越平坦(即機械特征越硬)，則tm越小。普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第21頁2.3直流力矩電動機(TorqueMotor)性能特點：低速、大轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩波動小，特征直線性好，在堵轉(zhuǎn)條件下能長久工作。原理：與普通直流伺服電動機相同。結(jié)構(gòu)特點：與普通直流伺電動機不一樣，呈扁平形，以取得較大轉(zhuǎn)矩。電樞長度與直徑之比普通為0.2左右。普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第22頁思索題：為何在電樞體積相同、電樞電流和電流密度相同以及磁密相同條件下，能產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩？1-定子；2-轉(zhuǎn)子；3-電刷；4-電樞繞組；5-槽楔兼換向器片；6-銅環(huán)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第23頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第24頁電樞導(dǎo)體所占截面積：Ke—電樞截面利用系數(shù)，即槽面積占電樞截面百分比系數(shù)；Kf—槽滿率。普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)當(dāng)電樞電流相同，電流密度相同時，導(dǎo)線直徑相同伺服電動機第25頁電機電磁轉(zhuǎn)矩表示式：空載轉(zhuǎn)速與電樞形狀關(guān)系普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第26頁2.4交流伺服電機(ACServoMotor)結(jié)構(gòu)特點和工作原理

交流伺服電機通常都是兩相異步電機，在定子上有兩個空間相距90度繞組，即控制繞組和勵磁繞組。普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第27頁Rotor籠型轉(zhuǎn)子非磁性空心杯轉(zhuǎn)子鐵磁性空心杯轉(zhuǎn)子杯壁厚0.2~0.8mm，J小杯壁.5~3mm，J較大，有單邊磁拉力，已較少用普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第28頁工作原理：與普通兩相異步電機相同之處：在二相對稱繞組中通入兩對稱電流，就會在氣隙中產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁場所感應(yīng)電流與氣隙磁磁場相互作用就產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)改變其中一相電流大小或相位時，氣隙磁場就發(fā)生改變，電磁轉(zhuǎn)矩隨之改變，電機轉(zhuǎn)速必定跟著改變，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速控制。區(qū)分：因為伺服電動機在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。對其要求是：(1)轉(zhuǎn)子速度快慢能反應(yīng)控制信號強弱，轉(zhuǎn)動方向能反應(yīng)控制信號相位，調(diào)速范圍要寬；（2）無控制信號時，轉(zhuǎn)子不能轉(zhuǎn)動；（3）當(dāng)電機轉(zhuǎn)動起來以后，如控制信號消失，應(yīng)馬上停頓轉(zhuǎn)動；（4）為減小體積和重量，普通采取400、500或1000Hz。普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第29頁怎樣滿足上述要求？增大轉(zhuǎn)子電阻！增大轉(zhuǎn)子電阻三個好處：能消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象：正常轉(zhuǎn)子電阻時單相轉(zhuǎn)矩T=T1+T2，在正向旋轉(zhuǎn)時，0<s<1，T>0。所以，只要負(fù)載轉(zhuǎn)矩不太大，轉(zhuǎn)子仍能繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，不會因控制信號消失而停轉(zhuǎn)，這種“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象使伺服電動機失去控制，在自動控制系統(tǒng)中是不允許。普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第30頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第31頁增大轉(zhuǎn)子電阻后單相轉(zhuǎn)矩增大轉(zhuǎn)子電阻，使sk>1，則合成單相轉(zhuǎn)矩在電動機正向旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)為負(fù)值，即T<0。這就是說，控制信號消失后，處于單運行狀態(tài)電機因為電磁轉(zhuǎn)矩為制動性質(zhì)而能快速停轉(zhuǎn)。所以，增大轉(zhuǎn)子電阻是預(yù)防交流伺服電動機出現(xiàn)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象有效辦法。兩相合成轉(zhuǎn)矩普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第32頁能夠增大調(diào)速范圍由電機學(xué)原理知，異步電機穩(wěn)定運行區(qū)僅在：0<s<sk，而正常電機sk=0.1~0.2,所以調(diào)速范圍甚小。增大轉(zhuǎn)子電阻，使sk增大，從而增大調(diào)速范圍。使機械特征愈加線性

如右圖中，曲線3線性度比曲線2要好。sk1=0.2,sk2=1.1,sk3=1.8普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第33頁控制方法

依據(jù)電機學(xué)原理，上述結(jié)構(gòu)交流電機，必須使定子繞組產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁勢，轉(zhuǎn)子才能轉(zhuǎn)動。由旋轉(zhuǎn)磁場理論，對于在空間相距90電度兩個繞組，只要它們產(chǎn)生時間上不一樣相脈動磁勢，電機氣隙中就將形成橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子取得轉(zhuǎn)矩而旋轉(zhuǎn)。假如這兩個繞組脈動磁勢幅值相同，且時間上相差90電度，則氣隙中將形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場，電機便運行在最正確工作狀態(tài)。當(dāng)激磁繞組接至電壓值不變激磁電源，若控制信號大小或者它與激磁電壓間相位發(fā)生改變，都能改變電機氣隙磁場橢圓度，也就能夠影響電機工作狀態(tài)，到達對電機控制目標(biāo)。據(jù)此，交流伺服電機有以下幾個控制方法：普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第34頁幅值控制

控制電壓與激磁電壓之間保持90度相位差不變，經(jīng)過改變控制信號（電壓）幅值來改變電機轉(zhuǎn)速。普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第35頁最不對稱，脈振磁場對稱，圓形旋轉(zhuǎn)磁場不對稱，橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場定義：為信號系數(shù)，則：相位控制控制電壓幅值保持不變，經(jīng)過改變控制電壓對激磁電壓相角來實現(xiàn)對電機控制。普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第36頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第37頁因為與激磁電壓相差90度電壓為：所以信號系數(shù)定義為：脈振磁場橢圓形磁場圓形磁場幅值相位控制（電容控制）

激磁回路串聯(lián)電容后接到相位和幅值都不變激磁電源，當(dāng)改變控制電壓幅值時，因為激磁回路電流發(fā)生改變，使激磁繞組及其串聯(lián)電容上電壓分布發(fā)生改變，從而使控制電壓與激磁繞組上電壓間相位角也發(fā)生改變。普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第38頁當(dāng)改變控制電壓幅值以改變轉(zhuǎn)速時，因為轉(zhuǎn)子繞組耦合作用，激磁電流If大小和相位都會改變，致使激磁繞組上電壓大小和相位也隨之改變。所以，這是一個幅值和相位復(fù)合控制方式。Cph普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第39頁雙相控制

激磁電壓與控制電壓間相位固定為90度，而激磁電壓幅值隨控制信號改變而一樣改變，也就是說，不論控制信號大小，電機一直在圓形旋轉(zhuǎn)磁場下工作，可取得最大輸出功率和效率。普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第40頁交流伺服伺服電動機理論分析—對稱分量法

實際上，兩相伺服電動機是在兩相不對稱繞組上外施兩相不對稱電壓運行異步電機。1.對稱分量分析兩相伺服電動機原理圖

磁動勢對稱分量相量圖普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第41頁將勵磁繞各量歸算至控制繞組，兩個繞組有效匝數(shù)相同，均為Wckwc，則磁動勢可用對應(yīng)電流關(guān)系來表示。式中普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第42頁2、等效電路和電壓方程控制繞組正序等效電路

控制繞組負(fù)序等效電路

勵磁繞組正序等效電路

勵磁繞組負(fù)序等效電路

普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第43頁3、繞組電流每一相序電流分量只在它對應(yīng)相序阻抗中產(chǎn)生電壓降。即正序電流只在正序阻抗中產(chǎn)生電壓降，而負(fù)序電流只在負(fù)序阻抗中產(chǎn)生電壓降。在勵磁繞組和控制繞組回路中有電壓方程：

普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第44頁4、功率與轉(zhuǎn)矩

由正向磁場產(chǎn)生功率：由負(fù)向磁場產(chǎn)生功率：合成轉(zhuǎn)矩：普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第45頁交流伺服電動機靜態(tài)特征

和直流伺服電動機一樣，可用機械特征和調(diào)整特征來表征交流伺服電動機靜態(tài)運行性能。1.幅值控制時靜態(tài)特征勵磁繞組中不接電容，X’ca=0普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第46頁電磁轉(zhuǎn)矩為了簡化表示式和使分析結(jié)論更具普遍性，將上式以標(biāo)么值形式表示。選取圓形旋轉(zhuǎn)磁場時堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩作為轉(zhuǎn)矩基值。因取得圓形旋轉(zhuǎn)磁場條件是，而堵轉(zhuǎn)時

普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第47頁轉(zhuǎn)矩基值：轉(zhuǎn)矩標(biāo)么值：普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第48頁圓形旋轉(zhuǎn)磁場，電機處于對稱運行狀態(tài)脈動磁場，電機不對稱程度最大橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場，可用兩個反向旋轉(zhuǎn)圓形旋轉(zhuǎn)磁場表示可見，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系十分復(fù)雜。所以，慣用電機實際參數(shù)按轉(zhuǎn)矩公式進行計算，作出不一樣信號系數(shù)時機械特征曲線。因為是用標(biāo)么值表示，所以含有普啟遍意義。由機械特征，采取作圖方法可得到調(diào)整特征。普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第49頁幅值控制時機械特征幅值控制時調(diào)整特征普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)1.幅值控制時靜態(tài)特征伺服電動機第50頁2.相位控制時靜態(tài)特征普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)相位控制時機械特征相位控制時調(diào)整特征伺服電動機第51頁3.電容控制時靜態(tài)特征

定義取得圓形旋轉(zhuǎn)磁場時信號系數(shù)為a0，為使伺服電機有較大起動轉(zhuǎn)矩，使電機在起動時取得圓形旋轉(zhuǎn)磁場，起動后為橢圓形磁場，故電容控制時電機理想空載轉(zhuǎn)速都低于同時速。普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)電容控制時機械特征電容控制時調(diào)整特征伺服電動機第52頁4.雙相控制時靜態(tài)特征

信號系數(shù)定義為實際控制信號與額定信號電壓(電機銘牌上有注明)之比。普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)雙相控制時機械特征雙相控制時調(diào)整特征伺服電動機第53頁分析：

各種控制方式下調(diào)整（控制）特征均為非線性，不過在相對速度較小、信號系數(shù)較小時，都靠近直線。所以，為取得線性調(diào)整特征，伺服電機應(yīng)工作在相對轉(zhuǎn)速較低狀態(tài)下。方法：提升工作頻率例：0~2400r/m轉(zhuǎn)速范圍，

f=50Hz時，相對轉(zhuǎn)速：0~0.8；

f=500Hz時，相對轉(zhuǎn)速：0~0.08.普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第54頁交流伺服電動機動態(tài)特征

交流伺服電機動態(tài)特征分析方法與直流伺服電動機類似，主要區(qū)分是，交流伺服電動機機械特征和調(diào)整特征均為非線性。下面以幅值控制為例說明交流伺服電動機動態(tài)特征分析方法。電機機械運動方程為：因為機械特征非線性，求解上式非常困難。簡化方法是將機械特征線性化，即用一條經(jīng)過實際機械特征起動轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)速點直線代替非線性機械特征。普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第55頁Tenn0TstnTem0a兩邊同乘以普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第56頁對照直流伺服電動機動態(tài)方程可知：機械特征非線性對時間常數(shù)影響，是使機械時間常數(shù)變小。Temnn0TstnTem0a普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.伺服電動機和伺服系統(tǒng)伺服電動機第57頁實際兩相伺服電動機u值不超出0.2，所以，Ku值就近似于1，這么，它機械時間常數(shù)仍能夠近似地用理想引性機械特征時機械時間常數(shù)代替，由此引發(fā)誤差不超出22%。性能指標(biāo)空載始動電壓Us0在額定激磁電壓和空載情況下，使