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1、伺服電機(jī)控制技術(shù),主講:劉遙生 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電話:26731642、13662686339,2 伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理,內(nèi)容,3 旋轉(zhuǎn)磁場作用下的運(yùn)行分析,4 伺服電機(jī)的機(jī)械特性及控制方式,5 交流伺服電機(jī)的應(yīng)用,6 伺服電機(jī)選擇及主要性能指標(biāo),由于我們是從事工廠自動控制方面的設(shè)備維修、維護(hù)管理技術(shù)人員，主要是合理地選擇和正確使用各種控制電機(jī)，因此本次講座著重闡述伺服電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、工作特性和使用方法。具體內(nèi)容如下：,1 概述,了解伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)，掌握其工作原理、運(yùn)行特性及其特點(diǎn)、應(yīng)用場合，以求正確選用和使用它們。,目的,伺服電動機(jī)也稱為執(zhí)行電動機(jī)，在控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，

2、將電信號轉(zhuǎn)換為軸上的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速，以帶動控制對象。,1 概述,1、交流伺服電動機(jī),2、直流伺服電動機(jī),,,伺服電動機(jī)分為：,1.1 什么叫伺服電機(jī),1 概述,在有控制信號輸入時，伺服電動機(jī)就轉(zhuǎn)動；沒有控制信號輸入，它就停止轉(zhuǎn)動。改變控制電壓的大小和相位(或極性)就可改變伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。,1.2伺服電機(jī)最大特點(diǎn),1 概述,1.3伺服電機(jī)與普通電機(jī)相比具有如下特點(diǎn),(1)調(diào)速范圍寬廣。伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著控制電壓改變，能在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。 (2)轉(zhuǎn)子的慣性小，即能實現(xiàn)迅速啟動、停轉(zhuǎn)。 (3)控制功率小，過載能力強(qiáng)，可靠性好。,1 概述,1.4伺服電機(jī)在自控制系統(tǒng)中的典型應(yīng)用,其它場合的

3、應(yīng)用,1.5伺服電動機(jī)典型生產(chǎn)廠家,1 概述,德國西門子，產(chǎn)品外形有：,伺服電機(jī),伺服電機(jī)驅(qū)動器,1 概述,美國科爾摩根，產(chǎn)品外形有：,伺服電機(jī),伺服電機(jī)驅(qū)動器,1.5伺服電動機(jī)典型生產(chǎn)廠家,1 概述,日本松下及安川，產(chǎn)品外形有：,松下交流伺服電機(jī)及驅(qū)動器,安川伺服電機(jī)驅(qū)動器,1.5伺服電動機(jī)典型生產(chǎn)廠家,2 伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理,交流伺服電機(jī)系統(tǒng),驅(qū)動器,交流伺服 電機(jī)器,2 伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理,2.1 結(jié)構(gòu),交流電機(jī),編碼器,交流電機(jī)電源線,編碼器信號輸出線,2 伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理,1.2.1 結(jié)構(gòu),交流電機(jī),減速齒輪,機(jī)械負(fù)載軸,2 伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理,2.1 結(jié)構(gòu),由定子

4、和轉(zhuǎn)子二大部分組成,1、定子 由鐵心和線圈組成,,,勵磁繞組,控制繞組,勵磁電壓,控制電壓,1.2 伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理,1.2.1 結(jié)構(gòu),由定子和轉(zhuǎn)子二大部分組成,1、定子 由鐵心和線圈組成,,,控制繞組與勵磁繞組相差900,,(1) 籠型轉(zhuǎn)子,鐵芯槽內(nèi)放銅條,端 部用短路環(huán)形成一體, 或鑄鋁形成轉(zhuǎn)子繞組。,2 伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理,鑄鋁的籠型轉(zhuǎn)子,2、 轉(zhuǎn)子,籠型轉(zhuǎn)子,2 伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理,杯型轉(zhuǎn)子,2.2 轉(zhuǎn)動原理,2 伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理,2 三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理,2.2 轉(zhuǎn)動原理,2 三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理,2.2 轉(zhuǎn)動原理,當(dāng)磁鐵旋轉(zhuǎn)時，在空間形成一個旋轉(zhuǎn)磁場。假

5、設(shè)永久磁鐵是順時糾方向以n0的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，那末它的磁力線也就以順時針方向切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中就產(chǎn)生感應(yīng)電勢。根據(jù)右手定則，N極下導(dǎo)條的感應(yīng)電勢方向垂直地從紙面出來。而S極下導(dǎo)條的感應(yīng)電勢方向垂直地進(jìn)入紙面。由于鼠籠轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條都是通過短路環(huán)連接起來的，因此在感應(yīng)電勢的作用下，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中就會有電流流過，電流有功分量的方向和感應(yīng)電勢方向相同。再根據(jù)通電導(dǎo)體在磁場中受力原理，轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)條又要與磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，這個電磁力F作用在轉(zhuǎn)子上，并對轉(zhuǎn)軸形成電磁轉(zhuǎn)矩。根據(jù)左手定則，轉(zhuǎn)矩方向與磁鐵轉(zhuǎn)動的方向是一致的，也是順時針方向。因此，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)動起來。,3 旋轉(zhuǎn)

6、磁場作用下的運(yùn)行分析,為了分析方便，先假定勵磁繞組有效匝數(shù)Uf與控制繞組有效匝數(shù)UC相等。這種在空間上互差900電角度，有效匝數(shù)又相等的兩個繞組稱為對稱兩相繞組。,3.1伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生,,3 旋轉(zhuǎn)磁場作用下的運(yùn)行分析,,同時，又假定通入勵磁繞組的電流Uf與通入控制繞組的電流UC相位上彼此相差900幅值彼此相等，這樣的兩個電流稱為兩相對稱電流，用數(shù)學(xué)式表示為,3.1旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生,,控制繞組,勵磁繞組,當(dāng)兩相對稱電流通入兩相對稱繞組時，在電機(jī)內(nèi)就產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。當(dāng)電流變化一個周期時，旋轉(zhuǎn)磁場在空間轉(zhuǎn)了一圈。,UC1,UC2,UF1,UF2,3.1旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生,3.2伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的

7、方向,控制繞組,勵磁繞組,控制繞組,勵磁繞組,3.2伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的方向,3.3 伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的速度,旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速決定于定子繞組極對數(shù)和電源的頻率。圖所表示的是一臺兩極的電機(jī)，即極對數(shù)P1。對兩極電機(jī)而言，電流每變化一個周期，磁場旋轉(zhuǎn)一圈，因而當(dāng) 電源頻率f400 Hs，即每秒變化400個周期時，磁場每秒應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)400圈，故對兩極電機(jī)，即P1而言，旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速為 n0= 24000 rmin 旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速為的一般表達(dá)式為,4.伺服電機(jī)的機(jī)械特性及控制方式,4.1伺服電機(jī)的機(jī)械特性,對于伺服電動機(jī)，還有一條很重要的機(jī)械特性，這就是零信號時的機(jī)械特性，所謂零信號，就是控制電壓UC0，這時磁

8、場是脈振磁場，它可以分解為幅值相等、轉(zhuǎn)向相反的兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁場，其作用可以想象為有兩對相同大小的磁鐵NS和NS在空間以相反方向旋轉(zhuǎn)。,4.2 零信號時的機(jī)械特性和無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象,4.2 零信號時的機(jī)械特性和無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象,當(dāng)電阻已增大到使臨界轉(zhuǎn)差率1的程度時，合成轉(zhuǎn)矩曲線與橫軸相交僅有一點(diǎn)(S1處)，而且在電機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)，合成轉(zhuǎn)矩均為負(fù)值，即為制動轉(zhuǎn)矩。因而當(dāng)控制電壓UC取消變?yōu)閱蜗噙\(yùn)行時，電機(jī)就立刻產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，與負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩一起促使電機(jī)迅速停轉(zhuǎn)，這樣就不會產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。,4.2 零信號時的機(jī)械特性和無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象,4.3伺服電機(jī)控制方式及特性,設(shè)電機(jī)的負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩為TL，控制電壓0.25UC時

9、,電機(jī)在特性點(diǎn)A運(yùn)行，轉(zhuǎn)速為na，這時電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩相平衡。當(dāng)控制電壓升高到0.5UC時，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就隨之增加C，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)子及其負(fù)載存在著慣性，轉(zhuǎn)速不能瞬時改變，因此電機(jī)就要瞬時地在特性點(diǎn)C運(yùn)行，這時電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩，電機(jī)就加速，一直增加到nb，電機(jī)就在B點(diǎn)運(yùn)行。,,,伺服電動機(jī)的機(jī)械特性,A,B,C,結(jié)論：改變控制電壓的大小，就實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的控制,5 交流伺服電機(jī)的應(yīng)用,編碼器 部分,安裝在電機(jī)后端，其轉(zhuǎn)盤（光柵）與電機(jī)同軸。,伺服電機(jī)控制精度取決于編碼器精度。,5.1 伺服電機(jī)編碼器,編碼器,5.2伺服電機(jī)驅(qū)動器,1、主要功能 （1）根據(jù)給定信號輸出與此成正比

10、的控制電壓UC； （2）接收編碼器的速度和位置信號； （3）I/O信號接口,5.2伺服電機(jī)驅(qū)動器,數(shù)碼顯示窗口,參數(shù)設(shè)置鍵,計算機(jī)RS232口,I/O信號接口,編碼器信號接口,電機(jī)電源輸入輸出接線端子,2、外部組成,5.2伺服電機(jī)驅(qū)動器,3、控制模式,（1）位置控制模式最大輸入脈沖頻率500KPPS（微分接收器）和200KPPS（用于開路收集器）,（2）速度控制模式 模擬速度指令輸入：010V/額定轉(zhuǎn)速,（3）力矩控制模式模擬力矩指令輸入：010V/最大力矩,5.2伺服電機(jī)驅(qū)動器,4、原理框圖,5.3交流伺服電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,圖 2-2 交流伺服電機(jī)系統(tǒng)接線示意圖,,,交流伺服電機(jī)驅(qū)動器,連接AC

11、220V,,,,,,,I/O板,,,,5.3.1交流伺服電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),5.3交流伺服電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,5.3.1交流伺服電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),1 、設(shè)置參數(shù),方法一 聯(lián)接計算機(jī)使用軟件設(shè)置,方法二 直接在驅(qū)動器面板按鈕設(shè)置,5.3.2交流伺服電機(jī)系統(tǒng)使用,方法一、使用計算機(jī)設(shè)置參數(shù),1、啟動軟件,2、修改參數(shù)NO.19=000E (允許參數(shù)改寫),3、修改參數(shù)O.41=0001 （內(nèi)部使能）,4、正反轉(zhuǎn)試運(yùn)行,1 、設(shè)置參數(shù),1、啟動軟件,2、進(jìn)入TEST功能，使用JOG模式調(diào)試系統(tǒng),3、正反轉(zhuǎn)試運(yùn)行,2 、使用計算機(jī)調(diào)試伺服電機(jī)系統(tǒng),1、啟動軟件將參數(shù)NO.41=0000,改為外部使能，然后關(guān)閉軟件,2

12、、接通電源顯示窗口顯示數(shù)字為設(shè)備連接正確。,3、按MODE鍵，顯示rd-of,3、使用驅(qū)動器操作面板手動調(diào)試伺服電機(jī)系統(tǒng),4、按UP鍵多次直至顯示TEST1,5、按住SET直至顯示窗顯示D-01并閃爍,6、按UP正轉(zhuǎn)，按DOWN反轉(zhuǎn),1、接通電源顯示窗口顯示數(shù)字為設(shè)備連接正確。,如：設(shè)置參數(shù)NO19,3、按DOWN或UP鍵多次，直至顯示P 19,4、按SET鍵，顯示窗顯示0000,5、按SET鍵，顯示窗0000閃爍,2、按MODE鍵多次，直至顯示數(shù)P 00,6、按DOWN或UP鍵多次，直至顯示000E,7、按SET鍵，再次通電。設(shè)置生效。,3、使用驅(qū)動器操作面板手動設(shè)置參數(shù)的方法,1.6.1

13、功率的選擇,功率選得過大不經(jīng)濟(jì)，功率選得過小電動機(jī)容易因過載而損壞。,1. 對于連續(xù)運(yùn)行的伺服電動機(jī)，所選功率應(yīng)等于或略大于生產(chǎn)機(jī)械的功率。,2. 對于短時工作的伺服電動機(jī)，允許在運(yùn)行中有短暫的過載，故所選功率可等于或略小于生產(chǎn)機(jī)械的功率。,6.伺服電機(jī)的選擇,6.1 種類和型式的選擇,1. 種類的選擇,一般自動控制應(yīng)用場合應(yīng)盡可能選用交流伺服電機(jī)。調(diào)速和控制精度很高的場合選用直流伺服電機(jī)或其他專用的控制電機(jī),如直線電機(jī)等。,2. 結(jié)構(gòu)型式的選擇,根據(jù)工作方式和工作環(huán)境的條件選擇不同的結(jié)構(gòu)型式，如頻繁啟停選用空心杯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的伺服電機(jī)；如速度要求較平衡的場合選用大慣量伺服電機(jī),6.2 主要性能指

14、標(biāo)的選擇,1空載始動電壓UCO 在額定勵磁電壓和空載的情況下，使轉(zhuǎn)子在任意位置開始連續(xù)轉(zhuǎn)動所需的最小控制電壓定義為空載始動電壓。 用通過以額定控制電壓的百分比來表示。 UCO 越小，表示伺服電動機(jī)的靈敏度越高。一般UCO要求不大于額定控制電壓的3%4，使用于精密儀器儀表 中的兩相伺服電動機(jī)，有時要求不大于額定控制電壓的1。,6.2主要性能指標(biāo)的選擇,2機(jī)械特性非線性度Km 在額定勵磁電壓下，任意控制電壓時的實際機(jī)械待性與線性機(jī)械特性在轉(zhuǎn)矩TTd2 時的轉(zhuǎn)速偏差n與空載轉(zhuǎn)速n0(對稱狀態(tài)時)之比的百分?jǐn)?shù)，定義為機(jī)械待性非線性度。,一般要求Km10 20,6.2主要性能指標(biāo)的選擇,3調(diào)節(jié)特性

15、非線性度Kv 在額定勵隘電壓和空載情況下，當(dāng)控制電壓<0.7時，實際調(diào)節(jié)特性與線性調(diào)節(jié)特性的轉(zhuǎn)速偏差n與控制電壓1時的空載轉(zhuǎn)速n0之比的百分?jǐn)?shù)定義為調(diào)節(jié)特性非線性度，即:,一般要求 Kv20 25,6.2主要性能指標(biāo)的選擇,4堵轉(zhuǎn)特性非線性度kd 在額定勵磁電壓下，實際堵轉(zhuǎn)特性與線性堵轉(zhuǎn)持性的最大轉(zhuǎn)矩偏差(Tdn)max與控制電壓1時的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Tdo之比值的百分?jǐn)?shù)，定義為堵轉(zhuǎn)待性非線性，即,以上這幾種持性的非線性度越小，特性曲線越接近直線，系統(tǒng)的動態(tài)誤差就越小，工作就越準(zhǔn)確。,一般要求 Kd5,6.3 主要技術(shù)指標(biāo)的選擇,1電壓 技術(shù)數(shù)據(jù)表中勵磁電壓和控制電壓指的都是額定值。勵磁電壓允許變

16、動范圍為土5左右。電壓太高，電機(jī)會發(fā)熱；電壓太低和輸出功率會明顯下降，加速時間增長等。伺服電動機(jī)使用時，應(yīng)注意到勵磁繞組兩端電壓會高于電源電壓，而且隨轉(zhuǎn)速升高而增大，其值如果超過額定值太多，會使電機(jī)過熱。 控制繞組的額定電壓有時也稱最大控制電壓，在幅值控制條件下加上這個電壓就能得到圓形旋轉(zhuǎn)磁場,6.3 主要技術(shù)指標(biāo)的選擇,2頻率 目前控制電機(jī)常用的頻率分低頻和中頻兩大類，低頻為50 HZ(或60HZ)，中頻為400HZ(或500HZ)。因為頻率越高，渦流損耗越大，所以中頻電機(jī)的鐵心用較薄的(0.2mm以下)硅鋼片疊成，以減少渦流損耗；低頻電機(jī)則用0.350.5mm的硅鋼片。 低頻電機(jī)不應(yīng)

17、該用中頻電源，中頻電機(jī)也不應(yīng)該用低頻電源，否則電機(jī)性能會變差。,在不得已時，低頻電源之間或者中頻電源之間可以互相代替使用，但要隨頻率正比地改變電壓，而保持電流仍為額定值，這樣，電機(jī)發(fā)熱可以基本上不變。例如一臺500 Hz、110V的電機(jī)，如果用在400 Hz時，那末加到電機(jī)上的電壓就應(yīng)改成11040050088V。,6.3 主要技術(shù)指標(biāo)的選擇,3堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，堵轉(zhuǎn)電流 定子兩相繞組加上額定電壓，轉(zhuǎn)速等于0時的輸出轉(zhuǎn)矩，稱為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。這時流經(jīng)勵磁繞組和控制繞組的電流分別稱堵轉(zhuǎn)勵磁電流和堵轉(zhuǎn)控制電流。 堵轉(zhuǎn)電流通常是電流的最大值，可作為設(shè)計電源和放大器的依據(jù)。,6.3 主要技術(shù)指標(biāo)的選擇,4空載轉(zhuǎn)速

18、 定干兩相繞組加上額定電壓，電機(jī)不帶任何負(fù)載時的轉(zhuǎn)速稱為空載轉(zhuǎn)速n0?？蛰d轉(zhuǎn)速與電機(jī)的極數(shù)有關(guān)。由于電機(jī)本身阻轉(zhuǎn)矩的影響，空載轉(zhuǎn)速略低于同步速。,6.3 主要技術(shù)指標(biāo)的選擇,5額定輸出功率 當(dāng)電機(jī)處于對稱狀態(tài)時，輸出功率P2隨轉(zhuǎn)速n變化的情況如圖78所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速接近空載轉(zhuǎn)速n0的一半時，輸出功率最大。通常就把這點(diǎn)規(guī)定為交流伺服電動機(jī)的額定狀態(tài)。對應(yīng)這個狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速稱為額定轉(zhuǎn)矩Tn。和額定轉(zhuǎn)速nn。,,,n0,n,T,0,nn,,,T,最大功率,,,額定轉(zhuǎn)矩TN,額定轉(zhuǎn)矩TN,小 結(jié)1,交流伺服電動機(jī)主要用于自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。在介紹工作原理時，引出了圓形旋轉(zhuǎn)磁場的概念。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速稱為同步速，它由電機(jī)的極數(shù)和電源頻率所決定，關(guān)系式 ns=60f/p 是一個很重要的公式。 與其它電機(jī)一樣，交流伺服電動機(jī)的運(yùn)行也是由于“電”和“磁”的相互作用。在圓形磁場作用下，交流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速總是低于同步速，而且隨著負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)差率s就是表征電機(jī)轉(zhuǎn)速的一個很重要的物理量。,小 結(jié)2,為了能方便地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制，伺服電動機(jī)的定子繞組做成兩相繞組，并加以相移900的兩相電壓。通過改變控制電壓的值就可達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。 最后介紹了幾點(diǎn)在使用電機(jī)時應(yīng)注意的問題和主要性能指標(biāo)和技術(shù)數(shù)據(jù)，可供大家選用電機(jī)時參考。,