伺服電機結(jié)構(gòu)及工作原理

伺服電動機

伺服電動機的作用是將輸入的電壓信號（即控制電壓）轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度輸出，在自動控制系統(tǒng)中常作為執(zhí)行元件，所以伺服電動機又稱為執(zhí)行電動機，其最大特點是：有控制電壓時轉(zhuǎn)子立即旋轉(zhuǎn)，無控制電壓時轉(zhuǎn)子立即停轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由控制電壓的方向和大小決定的。伺服電動機分為交流和直流兩大類。2023/5/241

一、交流伺服電動機1．基本結(jié)構(gòu)交流伺服電動機主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子鐵心通常用硅鋼片疊壓而成。定子鐵心表面的槽內(nèi)嵌有兩相繞組，其中一相繞組是勵磁繞組，另一相繞組是控制繞組，兩相繞組在空間位置上互差90°電角度。工作時勵磁繞組f與交流勵磁電源相連，控制繞組k加控制信號電壓。2023/5/2421、結(jié)構(gòu)(永磁同步電機)主要由：定子1、轉(zhuǎn)子5和檢測元件8等幾部分組成。12341567892023/5/243

2．工作原理

交流伺服電動機在沒有控制電壓時，氣隙中只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場，轉(zhuǎn)子上沒有啟動轉(zhuǎn)矩而靜止不動。當有控制電壓且控制繞組電流和勵磁繞組電流不同相時，則在氣隙中產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)。但是對伺服電動機要求不僅是在控制電壓作用下就能啟動，且電壓消失后電動機應能立即停轉(zhuǎn)。如果伺服電動機控制電壓消失后像一般單相異步電動機那樣繼續(xù)轉(zhuǎn)動，則出現(xiàn)失控現(xiàn)象，我們把這種因失控而自行旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱為自轉(zhuǎn)。2023/5/244

為消除交流伺服電動機的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，必須加大轉(zhuǎn)子電阻r2，這是因為當控制電壓消失后，伺服電動機處于單相運行狀態(tài)，若轉(zhuǎn)子電阻很大，使臨界轉(zhuǎn)差率sm>1，這時正負序旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個轉(zhuǎn)矩特性曲線（）以及合成轉(zhuǎn)矩特性曲線（）如圖8.3所示。由圖中可看出，合成轉(zhuǎn)矩的方向與電機旋轉(zhuǎn)方向相反，是一個制動轉(zhuǎn)矩，這就保證了當控制電壓消失后轉(zhuǎn)子仍轉(zhuǎn)動時，電動機將被迅速制動而停下。轉(zhuǎn)子電阻加大后，不僅可以消除自轉(zhuǎn)，還具有擴大調(diào)速范圍、改善調(diào)節(jié)特性、提高反應速度等優(yōu)點。

圖8.3伺服電動機單相運行時的M-S曲線

2023/5/2453．控制方法

可采用下列三種方法來控制伺服電動機的轉(zhuǎn)速高低及旋轉(zhuǎn)方向。（1）幅值控制保持控制電壓與勵磁電壓間的相位差不變，僅改變控制電壓的幅值。（2）相位控制保持控制電壓的幅值不變，僅改變控制電壓與勵磁電壓間的相位差。（3）幅-相控制同時改變控制電壓的幅值和相位。

2023/5/246二、直流伺服電動機1．基本結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的直流伺服電動機動實質(zhì)是容量較小的普通直流電動機，有他勵式和永磁式兩種，其結(jié)構(gòu)與普通直流電動機的結(jié)構(gòu)基本相同。杯形電樞直流伺服電動機的轉(zhuǎn)子由非磁性材料制成空心杯形圓筒，轉(zhuǎn)子較輕而使轉(zhuǎn)動慣量小，響應快速。轉(zhuǎn)子在由軟磁材料制成的內(nèi)、外定子之間旋轉(zhuǎn)，氣隙較大。無刷直流伺服電動機用電子換向裝置代替了傳統(tǒng)的電刷和換向器，使之工作更可靠。它的定子鐵心結(jié)構(gòu)與普通直流電動機基本相同，其上嵌有多相繞組，轉(zhuǎn)子用永磁材料制成。2023/5/2472．基本工作原理

傳統(tǒng)直流伺服電動機的基本工作原理與普通直流電動機完全相同，依靠電樞電流與氣隙磁通的作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使伺服電動機轉(zhuǎn)動。通常采用電樞控制方式，即在保持勵磁電壓不變的條件下，通過改變電樞電壓來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。電樞電壓越小，則轉(zhuǎn)速越低；電樞電壓為零時，電動機停轉(zhuǎn)。由于電樞電壓為零時電樞電流也為零，電動機不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，不會出現(xiàn)“自轉(zhuǎn)”。2023/5/248三、交直流伺服電動機的區(qū)別直流伺服電動機的缺點：電刷和換向器易磨損，換向時產(chǎn)生火花，限制轉(zhuǎn)速結(jié)構(gòu)復雜，制造困難，成本高交流伺服電動機的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，轉(zhuǎn)子慣量較直流電機小交流電動機的容量大于直流電動機2023/5/249

伺服系統(tǒng)的性能要求一、基本要求1、位移精度高位移精度：指指令脈沖要求機床工作臺的位移量和該指令脈沖經(jīng)伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為工作臺的實際位移量之間的符合程度2、穩(wěn)定性好穩(wěn)定性：指伺服系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達到新的或者恢復到原來的平衡狀態(tài)2023/5/24103、定位精度高定位精度：是指輸出量能復現(xiàn)輸入量的精確程度6、系統(tǒng)可靠性好7、低速大轉(zhuǎn)矩4、快速響應性好5、調(diào)速范圍寬調(diào)速范圍：是指機械裝置要求電動機能提供的最高轉(zhuǎn)速