直流(DC)与交流(AC)伺服电机及驱动
直流与交流伺服区别和性能
直流复励电动机：电动机的磁通由两个绕组内的励磁电流产生。 4、直流电动机的技术数据 重点掌握额定效率与额定温升。
额定效率=输出功率/输入功率 额定温升指电动机的温度允许超过环境温度的最高允许值。铭牌上的温升是指电动机绕组的最高温升。
1. 三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机的构造也分为两部分：定子与转子。 （1）定子： 定子是电动机固定部分，作用是用来产生旋转磁场。
它主要由定子铁心、定子绕组和机座组成。 （2）转子： 转子是重点掌握的部分，转子有两种，鼠笼式与绕线式。掌握他们各自的特点与区别。
鼠笼式用于中小功率（100k以下）的电动机，他的结构简单，工作可靠，使用维护方便。
绕线式可以改善启动性能和调节转速，定子与转子之间的 气隙大小，会影响电动机的性能，一般气隙厚度为0.2-1.5mm之间。 掌握定子绕组的接线方法。
2. 三相异步电动机的工作原理 掌握公式n1=60f/P、S=(n1-n)/n1、n=(1-S)60f/P，同时明白它们的意义（很重要），要能够灵活运用这些公式，进行计算。
5. 三相异步电动机的起动 （1）直接起动 启动时转差率为1，转子中感应电动势很大，转子电流也很大。
当电动机在额定电压下启动时，称为直接启动，直接启动的电流约为额定电流的5-7倍。
一般来说，额定功率为7.5kw以下的小容量异步电动机可直接起动。 直接起动控制线路所用电器包括组合开关、按钮、交流接触器中间继电器、热继电器及熔断器。
而定子和转子是采用同一电源的，所以，定子和转子中电流的方向变化总是同步的，即线圈中的电流方向变了，同时电磁铁中的电流方向也变，
伺服电机知识汇总(直流-交流伺服电机)
伺服电机知识汇总（直流/交流伺服电机）伺服电机servomotor“伺服”一词源于希腊语“奴隶”的意思。
“伺服电机”可以理解为绝对服从控制信号指挥的电机：在控制信号发出之前，转子静止不动;当控制信号发出时，转子立即转动;当控制信号消失时，转子能即时停转。
伺服电机是自动控制装置中被用作执行元件的微特电机，其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度。
伺服电机分为交流伺服和直流伺服两大类交流伺服电机的基本构造与交流感应电动机(异步电机)相似。
在定子上有两个相空间位移90°电角度的励磁绕组Wf和控制绕组WcoWf，接恒定交流电压，利用施加到Wc上的交流电压或相位的变化，达到控制电机运行的目的。
交流伺服电机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格(要求分别小于10%～15%和小于15%～25%)等特点。
直流伺服电机基本构造与一般直流电动机相似。
电机转速n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j，式中E 为电枢反电动势，K为常数，j为每极磁通，Ua、Ia为电枢电压和电枢电流，Ra为电枢电阻，改变Ua或改变φ，均可控制直流伺服电动机的转速，但一般采用控制电枢电压的方法，在永磁式直流伺服电动机中，励磁绕组被永久磁铁所取代，磁通φ恒定。
直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。
直流伺服电机的优点和缺点优点：速度控制精确，转矩速度特性很硬，控制原理简单，使用方便，价格便宜。
缺点：电刷换向，速度限制，附加阻力，产生磨损微粒(无尘易爆环境不宜)交流伺服电机的优点和缺点优点：速度控制特性良好，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡，90%以上的高效率，发热少，高速控制，高精确度位置控制(取决于编码器精度)，额定运行区域内，可。
伺服电机的分类及用途
伺服电机的分类及用途伺服电机是一种用于精密控制系统的电机，通过反馈控制系统来实现准确的位置和速度控制。
伺服电机广泛应用于工业自动化、机器人技术、医疗设备、航空航天、自动驾驶、机床加工等领域。
根据不同的控制方式和结构特点，伺服电机可以分为直流伺服电机（DC Servo Motor）、交流伺服电机（AC Servo Motor）和步进伺服电机（Stepper Servo Motor）等不同类型。
1. 直流伺服电机（DC Servo Motor）直流伺服电机是使用直流电源供电的电机，它具有体积小、响应速度快、控制精度高等特点。
直流伺服电机通常采用编码器进行位置反馈，可以实现准确的位置控制。
直流伺服电机广泛应用于工业机械、机器人、印刷设备、纺织设备等领域。
2. 交流伺服电机（AC Servo Motor）交流伺服电机是使用交流电源供电的电机，它具有功率大、扭矩稳定、寿命长等特点。
交流伺服电机通常采用编码器或者回转变压器进行位置反馈，可以实现高速、高精度的位置和速度控制。
交流伺服电机广泛应用于精密机床、印刷设备、包装设备、纺织设备等领域。
3. 步进伺服电机（Stepper Servo Motor）步进伺服电机是通过将步进电机和趋近器（Driver）结合在一起形成的一种特殊类型的电机。
步进伺服电机具有高扭矩、低噪音、低成本等优点，同时可以实现开环或者闭环控制。
步进伺服电机通常采用编码器进行位置反馈，可以实现高精度的位置和速度控制。
步进伺服电机广泛应用于数控机床、纺织设备、包装设备、印刷设备等领域。
除了上述的主要分类之外，还有一些其他类型的伺服电机。
例如，直线伺服电机（Linear Servo Motor）是一种将旋转运动转换为直线运动的电机，广泛应用于激光切割机、激光打标机、注塑机、剪板机等领域。
扭矩伺服电机（Torque Servo Motor）是一种可以提供连续扭矩输出的电机，通常应用于需要大扭矩输出的机械设备。
机电一体化系统设计 第3章 执行元器件
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-3 交流伺服电机及驱动器
伺服系统的有哪几部分组成 ➢ 机构-结构：接受执行器输出的力、力矩或功率产生机构 运动，完成最终目标。结构部分把各组成部分联成一体， 起支持与定位作用。 ➢ 能源：主要作用是给机械运动提供足够的动力，同时也 向传感器、信息处理器提供所需的能量。 ➢ 伺服电机:（M）驱动信号控制转换电路 电力电子驱动放 大模块, 电流调解单元，速度调解单元 检测装置
6）电机测试方式
通过键盘操作，伺服电机按照参数设定的脉冲频率转动。用于测试位置控制方式。
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-3 交流伺服电机及驱动器
交流伺服系统 PSDD驱动器驱动方式简介
电子齿轮
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-3 交流伺服电机及驱动器
交流伺服系统 PSDD驱动器
（1）电源输入端子：
§3-3 交流伺服电机及驱动器
交流伺服系统 PSDD驱动器驱动方式简介
4）JOG控制方式
通过按键操作控制电机点动。按下按键，电机按设定的参数转动，松开按键， 停止转动。用于手动移动机械装置到某一固定位置。
5）电机零点调试方式
长期使用后，编码器的零点可能偏移。该操作重新将编码器调零。该操作只能 在空载下进行，否则影响精度。
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-1 执行元件的种类、特点及基本要求
一、执行元件的种类及特点
电磁式是将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构运动。 液压式是先将电能变换为液压能并用电磁阀改变压力油的流向，
从而使液压执行元件驱动运行机构运动。 气压式与液压式的原理相同，只是将介质由油改为气体而已。 其他执行元件与使用材料有关，如使用双金属片、形状记忆合金
电机驱动解决方案
电机驱动解决方案引言概述：电机驱动是现代工业领域中不可或缺的一项技术，它广泛应用于各种机械设备中，为其提供动力和控制。
本文将介绍几种常见的电机驱动解决方案，包括直流电机驱动、交流电机驱动、步进电机驱动、无刷直流电机驱动和伺服电机驱动。
一、直流电机驱动1.1 直流电机驱动的原理：直流电机驱动系统由直流电源、电机和控制器组成。
电源提供电流，控制器根据需要调节电流大小和方向，驱动电机工作。
1.2 直流电机驱动的优点：直流电机驱动系统具有启动转矩大、转速范围宽、速度调节范围广、响应快等优点。
适用于需要频繁启停和速度调节的场合。
1.3 直流电机驱动的应用：直流电机驱动广泛应用于自动化生产线、机床、电动汽车等领域。
二、交流电机驱动2.1 交流电机驱动的原理：交流电机驱动系统由交流电源、变频器和电机组成。
变频器将交流电源的频率和电压调节为适合电机工作的频率和电压。
2.2 交流电机驱动的优点：交流电机驱动系统具有结构简单、可靠性高、维护成本低等优点。
适用于需要连续运行和功率大的场合。
2.3 交流电机驱动的应用：交流电机驱动广泛应用于空调、电梯、风力发电等领域。
三、步进电机驱动3.1 步进电机驱动的原理：步进电机驱动系统由控制器和步进电机组成。
控制器根据输入的脉冲信号控制电机的转动角度和速度。
3.2 步进电机驱动的优点：步进电机驱动系统具有定位精度高、响应速度快、结构简单等优点。
适用于需要精确定位和控制的场合。
3.3 步进电机驱动的应用：步进电机驱动广泛应用于打印机、数控机床、机器人等领域。
四、无刷直流电机驱动4.1 无刷直流电机驱动的原理：无刷直流电机驱动系统由无刷直流电机、电调和电池组成。
电调根据输入的信号控制电机的转速和方向。
4.2 无刷直流电机驱动的优点：无刷直流电机驱动系统具有高效、寿命长、噪音低等优点。
适用于需要高效能和低噪音的场合。
4.3 无刷直流电机驱动的应用：无刷直流电机驱动广泛应用于无人机、电动车、家用电器等领域。
交流伺服电机、步进电机、直流伺服电机介绍
交流伺服电机的缺点
• 控制较复杂 • 驱动器参数需要现场调整
– PID参数整定
• 需要更多的连线
驱动器（放大器）工作原理（续）
伺服放大器结构框图
电流PWM控制
• 脉宽调制技术（三角波、正弦波） • 非低噪音模式
驱动器
• 步进电机驱动器（Indexer） • 接受脉冲信号控制绕组电流；环形分配
Torque
IA = 1
IB = 1
P Q Angle
Figure : Rotation in a stepper motor is generated by alternately energizing and de-energizing the poles in the motor’s stator creating torque which turns the rotor.
C1
A2
交流伺服电机结构示意图
交流伺服电机工作原理
• 电子换相（VS 电刷换向）
• 磁极位置检测
霍尔传感器
将3个霍尔传感器装在定子上，各相差120度（不是空间 角度）均布在电机一端。
H1
H2
H3
States 101 100 110 010 011 001
如何放置霍尔传感器？
假设转矩曲线为梯形曲线
三相电流和力矩的关系
Ta
每一相有三个阶段:
• 正向电流 － 1/3 时
Ia
间
• 负向电流 － 1/3 时
Tb
间
• 没有电流 － 1/3 时
Ib
间
在三相中，总是：
Tc
• 一相正向电流
• 一相负向电流
Ic
• 一相没有电流
伺服电机结构及工作原理
伺服电机结构及工作原理伺服电机是一种通过电子控制系统使电机输出轴按照特定角度、角速度或位置进行准确定位和控制的电机。
伺服电机的结构和工作原理主要有以下几种类型：直流伺服电机、交流伺服电机和步进伺服电机。
1. 直流伺服电机（DC Servo Motor）：直流伺服电机是最早应用于工业领域的伺服电机之一，它由稳压电源、电流放大器、转子、电机驱动装置和编码器等几个组成部分构成。
核心部分是转子，由铁芯和绕组组成。
通常采用碳刷和电刷的机械结构与电机配合，通过交流换向而使转子不断转动。
稳压电源提供恒定的电压和电流供电，电流放大器负责放大电流信号，将其传送到电机驱动装置，驱动电机转动。
编码器负责监测转动过程中的位置，将位置信息反馈给电子控制系统。
2. 交流伺服电机（AC Servo Motor）：交流伺服电机采用交流电作为输入信号，其结构和直流伺服电机类似，由转子、定子、电源供电器、电流放大器和编码器等部分组成。
交流伺服电机分为两种类型：感应伺服电机和同步伺服电机。
感应伺服电机是以感应方式工作的，通过变频器和控制器将直流电转换为交流电，使电机能够在不同的转速和转矩下正常工作。
同步伺服电机是通过将交流电直接应用到电机绕组上，有效地提高了转速和转矩的响应速度，并且在精密定位和高速旋转应用中更加稳定和可靠。
3. 步进伺服电机（Stepper Servo Motor）：步进伺服电机具有步进电机和伺服电机的结合特点，其特点是具备高精度位置控制和闭环反馈。
步进伺服电机由步进电机、逻辑控制器、编码器、电流放大器和驱动电路等组成。
步进电机通过电脉冲的方式来控制转动步数，逻辑控制器根据位置反馈信号实现闭环控制，编码器监测转动位置，并将信号传输给逻辑控制器。
电流放大器负责放大信号，驱动电路则将细微的控制信号转化成步进电机可以理解的信号。
步进伺服电机适用于许多需要精确控制转动位置的应用，如CNC机床、电子设备、印刷机械等。
伺服电机的工作原理基于反馈控制系统的闭环，通过电子控制系统不断监测输出轴的角度或位置，将反馈信号与目标角度或位置进行比较，并调整控制信号的幅度和相位，实现输出轴的准确定位和控制。
各种电机的特点及典型应用
各种电机的特点及典型应用电机是将电能转化为机械能的设备，广泛应用于工业、交通、农业等领域。
根据不同的工作原理和应用领域，电机可以分为直流电机、交流电机、步进电机和伺服电机等多种类型。
下面将详细介绍各种电机的特点及典型应用。
1. 直流电机（DC Motor）直流电机是利用直流电源供电，通过电流与磁场之间力的相互作用实现电力转换的电机。
其主要特点如下：-转速可调：转速与电压、电流成正比，通过调节电压或电流可以实现转速调节。
-启动和制动能力强：由于直流电机具有较高的起动扭矩，因此适用于大部分需要启动、制动频繁的场合。
-反向性好：通过改变电流的方向可以实现正转与反转。
-稳定性好：适用于对转速稳定性要求较高的场合。
典型应用：-电动汽车：直流电机因其较高的起动扭矩和调速灵活性，逐渐成为电动汽车的首选驱动电机。
-家电产品：如洗衣机、吸尘器、混合机等，直流电机在家电领域中应用广泛。
-动力传输：直流电机常被用于带动传送带、曳引机构等实现物料的输送和搬运。
2. 交流电机（AC Motor）交流电机是利用交流电源供电，通过电流与磁场之间的相互作用实现电力转换的电机。
其主要特点如下：-结构简单：交流电机结构简单，容量大，体积小。
-转速稳定：在额定电压、频率下运行，转速相对稳定。
-使用方便：交流电源广泛，适用于各种场合。
-成本低：与直流电机相比，交流电机制造成本更低。
典型应用：-空调、冰箱、电风扇等家电产品：交流异步电机被广泛应用于家电产品中。
-工业机械：如起重机、输送机、风机、压缩机等巨大的工业设备中，交流电机应用广泛。
-制冷与暖通设备：交流电机被应用于空调机组、冷水机组、风机盘管等机电设备中。
3. 步进电机（Stepper Motor）步进电机是一种将数字脉冲信号转换为角度或者线性位移的电动机。
其主要特点如下：-高精度：步进电机可以非常准确地控制转轴的位置。
-易于控制：步进电机只需提供驱动信号，无需反馈机制，控制比较简单。
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目录
直流(DC与交流(AC伺服电机及驱动 (1
1.直流(DC伺服电机及其驱动 (1
(1直流伺服电机的特性及选用 (1
(2直流伺服电机与驱动 (2
(3PWM直流调速驱动系统原理 (3
2.交流(AC伺服电机及其驱动 (4
直流(DC与交流(AC伺服电机及驱动
1.直流(DC伺服电机及其驱动
(1直流伺服电机的特性及选用
直流伺服电机通过电刷和换向器产生的整流作用,使磁场磁动势和电枢电流磁动势正交,从而产生转矩。
其电枢大多为永久磁铁。
直流伺服电机具有较高的响应速度、精度和频率,优良的控制特性等优点。
但由于使用电刷和换向器,故寿命较低,需要定期维修。
20世纪60年代研制出了小惯量直流伺服电机,其电枢无槽,绕组直接粘接固定在电枢铁心上,因而转动惯量小、反应灵敏、动态特性好,适用于高速且负载惯量较小的场合,否则需根据其具体的惯量比设置精密齿轮副才能与负载惯量匹配,增加了成本。
直流印刷电枢电动机是一种盘形伺服电机,电枢由导电板的切口成形,导体的线圈端部起换向器作用,这种空心式高性能伺服电机大多用于工业机器人、小型NC 机床及线切割机床上。
宽调速直流伺服电机的结构特点是励磁便于调整,易于安排补偿绕组和换向极,电动机的换向性能得到改善,成本低,可以在较宽的速度范围内得到恒转速特性。
永久磁铁的宽调速直流伺服电机的结构如下图所示。
有不带制动器a和带制动器b两种结构。
电动机定子(磁钢1采用矫顽力高、不易去磁的永磁材料(如铁氧体永久磁铁、转子(电枢2直径大并且有槽,因而热容量大,结构上又采用了通常凸极式和隐极式永磁电动机磁路的组合,提高了电动机气隙磁通密度。
同时,在电动机尾部装有高精密低纹波的测速发电机,并可加装光电编码器或旋转变压器及制动器,为速度环提供了较高的增量,能获得优良的低速刚度和动态性能。
日本发那科(FANUC公司生产的用于工业机器人、CNC机床、加工中心(MC 的L系列(低惯量系列、M系列(中惯量系列和H系列(大惯量系列直流伺服电机。
其中L系列适合于频繁启动、制动场合应用,M系列是在H系列的基础上发展起来的,其惯量较H系列小,适合于晶体管脉宽调制(PWM驱动,因而提高了整个伺服系统的频率响应。
而H系列是大惯量控制用电动机,它有较大的输出功率,采用六相全波
晶闸管整流驱动。
表中电动机型号带有H标志(如30MH的表示该电动机装有热管冷却器,该电动机的有效尺寸与不带热管冷却器的同型号的相同,但其额定转矩大。
宽调速直流伺服电机应根据负载条件来选择。
加在电动机轴上的有两种负载,即负载转矩和负载惯量。
当选用电动机时,必须正确地计算负载,即必须确认电动机能满足下列条件:
1在整个调速范围内,其负载转矩应在电动机连续额定转矩范围以内;
2工作负载与过载时间应在规定的范围以内;
3应使加速度与希望的时间常数一致。
一般讲,由于负载转矩起减速作用,如果可能,加、减速应选取相同的时间常数。
值得提出的是惯性负载值对电动机灵敏度和快速移动时间有很大影响。
对于大的惯性负载,当指令速度变化时,电动机达到指令速度需要的时间长些。
如果负载惯量达到转子惯量的三倍,灵敏度要受到影响,当负载惯量比转子惯量大三倍时响应时间将降低很多,而当惯量大大超过时,伺服放大器就不能在正常条件范围内调整,必须避免使用这种惯性负载。
(2直流伺服电机与驱动
直流伺服电机为直流供电,为调节电动机转速和方向,需要对其直流电压的大小和方向进行控制。
目前常用晶体管脉宽调速驱动和晶闸管直流调速驱动两种方式。
晶闸管直流驱动方式主要通过调节触发装置控制晶闸管的触发延迟角(控制电压的大小来移动触发脉冲的相位,从而改变整流电压的大小,使直流电动机电枢电压的变化易于平滑调速。
由于晶闸管本身的工作原理和电源的特点,导通后是利用交流(50Hz过零来关闭的,因此在低整流电压时,其输出是很小的尖峰值(三相全波时每秒300个的平均值,从而造成电流的不连续性。
而采用脉宽调速驱动系统,其开关频率高(通常达2000~3000Hz,伺服机构能够响应的频带范围也较宽,与晶闸管相比,其输出电流脉动非常小,接近于纯直流。
(3PWM直流调速驱动系统原理
为使电动机实现双向调速,多采用下图所示桥式电路,其工作原理与线性放大桥式电路相似。
电桥由四个大功率晶体管VT1~VT4组成。
如果在VT1和VT3的基极上加以正脉冲的同时,在VT2和VT4的基极上加负脉冲,这时VT1和VT4导
通,VT2和VT4截止,电流沿+90V→c→VT1→d→M→b→VT3→a→0V的路径流通。
设此时电动机的转向为正向。
反之,如果在晶体管VT1和VT3的基极上加负脉冲,在VT2和VT4的基极上加正脉冲,则VT2和VT4导通,VT1和VT3截止,电流沿
+90V→c→VT2→b→M→d→VT4→a→0V的路径流通,电流的方向与前一情况相反,电动机反向旋转。
显然,如果改变加到VT1和VT3、VT2和VT4这两组管子基极上控制脉冲的正负和导通率,就可以改变电动机的转向和转速。
2.交流(AC伺服电机及其驱动
同步型和感应型伺服电机称为交流伺服电机,其基本原理是检测SM(同步型和IM(感应型的气隙磁场的大小和方向,用电力电子变换器代替整流子和电刷,并通过与气隙磁场方向相同的磁化电流和与气隙磁场方向垂直的有效电流来控制其主磁通量和转矩。
采用永久磁铁磁场的同步电机不需要磁化电流控制,只要检测磁铁转子的位置即可。
这种交流伺服电动机也叫做无刷直流伺服电机(如同步(SM型伺服电机控制框图(见下图。
由于它不需要磁化电流控制,故比IM型伺服电机容易控制。
无刷直流伺服电机[如同步(SM型伺服电机]控制框图
i
i摘自张建民《机电一体化系统设计》第四版。