伺服电机的选择与使用

4. 直流伺服电动机的应用 电子电位差计是用伺服电动机作为执行元件的闭环
自动测温系统, 常用于工业企业的加热炉温度测量, 它的
基本电路原理图如图7-6所示。其基本工作原理是：测温 系统工作时, 金属热电偶 1 处于炉膛中, 并产生与温度对 应的热电动势, 经补偿和放大后得到与温度成正比的热 电压 Ut , 然后与工作电源 Ug 经变阻器的分压 UR 进行比 较, 得到误差电压 U , U 为正, 则经 U U t U R 若 放大后加在伺服电动机 3 上的控制电压 Uc 为正, 伺服电 动机正转, 经变速机构带动变阻器和温度指示器指针顺
时针方向偏转, 一方面指示温度值升高, 另一方面变阻器
分压 UR 升高, 使误差电压 U 减小。当伺服电动机旋
转至使 UＲ = Ut时, 误差电压 U 变为零, 伺服电动机
的控制电压也为零, 电动机停止转动, 则温度指示器指 针也就停止在某一对应位置上, 指示出相应的炉温。 若误差电压 U为负, 则伺服电动机的控制电压也为负, 电动机将反转, 带动变阻器及温度指示器指针逆时针
先绕制成单个绕组元件, 并将绕好的全部绕组元件沿圆周径向排列, 再用 环氧树脂浇制成圆盘形。印制绕组采用与制造印制电路板相类似的工艺制 成。盘形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。因此, 绕组的径向段为有效部分, 弯曲段为端 接部分。
1—软磁铁; 2—磁钢; 3—电枢绕组; 4—换向器 图 7 - 2 盘式电枢直流伺服电动机的结构简图
（3）机械特性和调节特性的线性度好:
线性的
机械特性和调节特性有利于提高系统的控制精度,
能在宽广的范围内平滑稳定地调速。 （4）快速响应性好: 即要求电机的机电时间常
数要小, 堵转转矩要大,转动惯量要小, 转速能随控 制电压的变化而迅速变化。
根据使用电源性质的不同,伺服电动机可分为直
流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。
1—机壳; 2—外定子; 3—杯形转子;4—内定子; 5—端盖 图 7 - 7 非磁性空心杯形转子
非磁性空心杯形转子 非磁性空心杯形转子的结构如图7-7所示。定子分外定子铁心和 内定子铁心两部分,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。空心杯形转子由非磁性铝或铝 合金制成, 放在内、外定子铁心之间, 并固定在转轴上。
2、交流伺服电动机工作原理 “自转”问 题
在单相异步电动机启动结束后，单相电流产生的脉动磁场 仍然使电机产生电磁转矩。 如果交流伺服电机工作时将控制绕组断电，此时伺服电机要 求电机停止转动，如果伺服电机不能停止转动，就产生“自 转”，就失去控制的目的。
直流伺服电动机工作时有两种控制方式, 即电枢控制方 式和磁场控制方式。永磁式的直流伺服电动机只有电枢控制 方式。电枢控制方式是励磁绕组接恒定的直流电源, 产生额 定磁通, 电枢绕组接控制电压, 当控制电压的大小和方向改 变时, 电动机的转速和转向随之改变，当控制电压消失时, 电枢停止转动。磁场控制方式是将电枢绕组接到恒定的直流 电源, 励磁绕组接控制电压, 在这种控制方式下, 当控制电 压消失时, 电枢停止转动, 但电枢中仍有很大的电流, 相当 于普通直流电动机的直接启动电流, 因而损耗的功率很大,
图7-5
直流伺服电动机的调节特性
在 T 一定时, 控制电压 Uc 升高, 转速 n 也升高； 负载转矩增大, 即 T 增大, 调节特性向右平移, 始动电压 Uc0 成正比地增大。
从图7-5中可以看出：在 T 一定时, 控制电压 Uc 升高, 转速 n 也升高；负载转矩增大, 即 T 增大, 调节特性向右 平移, 始动电压 Uc0 成正比地增大。例如在L = T1时,只有当 控制电压 Uc > Uc01 时, 电动机才能转起来, 而当c=0～Uc01 时 , 电动机不转, 我们称0～Uc01 区间为失灵区或死区, 电
7.1.2交流伺服异步电动机结构
实质：两相异步电动机（与单相异步电动机相似） 组成：定子：励磁绕组F、控制绕组C 转子 鼠笼式 空心杯形转子
特点：有控制电压时立即旋转，无控制电压时立即停转
1） 高电阻率导条的笼型转子
高电阻率导条的笼型转子结构与普通笼型异步电 动机的类似, 但是为了减小转子的转动惯量, 转子做得 细而长。转子笼条和端环既可采用高电阻率的导电材 料(如黄铜、青铜等)制造, 也可采用铸铝转子。
（1）无“自转”现象：即要求控制电机在有
控制信号时迅速转动, 而当控制信号消失时必须立即
停止转动。控制信号消失后, 电机仍然转动的现象称 为自转,自动控制系统不允许有“自转”现象。 （2）空载始动电压低: 电机空载时, 转子从静 止到连续转动的最小控制电压称为始动电压。始动电
压越小, 电机的灵敏度越高。
U 为零, 电动机才停止转动, 方向偏转, UR 减小, 直至
指示炉温较低。
1—热电偶; 2—放大器; 3—伺服电动机; 4—变速机构; 5—变阻器; 6—温度指示器 图 7 - 6 电子电位差计的基本电路原理图
交流伺服电动机
作用：将输入的电压信号（即控制电压）转换成轴上的角位移 或角速度输出。 分类：同步、异步
在转轴上, 在内、外定子的气隙中旋转。
(2) 盘式电枢直流伺服电动机: 图 7 - 2 所示为盘式电枢直流伺服电动机的结构简图。其定子由永 久磁钢和前后软磁铁组成, 磁钢放置在圆盘的一侧, 并产生轴向磁场, 它 的极数比较多, 一般制成6极、8极或10极。在磁钢和另一侧的软铁之间放
置盘式电枢绕组。电枢绕组可以是绕线式绕组或印制绕组。绕线 式绕组
2） 低惯量型直流伺服电动机
低惯量型直流伺服电动机的机电时间常数小,
大大改善了电机的动态特性。常见的低惯量型直 流伺服电动机如下：
电枢绕组, 沿圆周 的轴向排列成空 心杯形, 再用环氧 树脂固化。
外定子可以由 永久磁钢制成, 或通常的电磁 式结构。
内定子由软 磁材料构成
1—内定子; 2—外定子; 3—空心杯电枢; 4—电刷; 5—换向器 图 7 - 1 空心杯形转子直流伺服电动机的结构简图
服电动机的机械特性表达式与他励直流电动机的机械特性表 达式相同, 为
Uc Ra n T n0 T 2 CeΦ CeCT Φ
(7–1)
式中: n0——电动机的理想空载转速 , n0 = Uc／(Ｃ
eΦ)。n0
与控制电压 Uc 成正比。
式(7 - 1)表明, 电动机的转速 n 与电磁转矩 T 为线性关系, 在控制电压不同时, 机械特性为一组平行 的直线, 如图7- 4 所示。
(1) 空心杯形转子直流伺服电动机:
图 7-1 所示为空心杯形转子直流伺服电动机的结构简图。
其定子部分包括一个外定子和一个内定子。外定子可以由永久磁 钢制成, 也可以是通常的电磁式结构。内定子由软磁材料制成, 以减小磁路的磁阻, 仅作为主磁路的一部分。空心杯形转子上的 电枢绕组, 可以采用印制绕组, 也可先绕成单个成型绕组, 然后 将它们沿圆周的轴向排列成空心杯形, 再用环氧树脂固化。电枢 绕组的端侧与换向器相连,由电刷引出。空心杯形转子直接固定
传统型直流伺服电动机的结构形式与普通直流电
动机的相同, 只是它的容量和体积要小得多。按励磁 方式, 它又可以分为电磁式和永磁式两种。电磁式直
流伺服电动机的定子铁心通常由硅钢片冲制叠压而成,
励磁绕组直接绕制在磁极铁心上, 使用时需加励磁电 源。永磁式直流伺服电动机的定子上安装由永久磁钢
制成的磁极, 不需励磁电源。

图7-4
直流伺服电动机的机械特性
从图7- 4 中可以看出: 控制电压 Uc 一定时, 电磁转矩越大, 电动机的转速越低; 控制电压升高, 机械特性向右平移, 堵转转矩 Td 成正比地增大
。
2) 调节特性
在电动机的电磁转矩 T=常数时, 伺服电动机的 转速 n 与控制电压 Uc 之间的关系曲线 n = f ( Uc )称为调节特性。由式（7 - 1）可知, 在 T=常 数时, 磁通Φ=常数, 转速 n 与控制电压 Uc 为线性 关系, 转矩 T 不同时, 调节特性是一组平行的直线, 如图7 - 5所示。
复习直流电动机的工作原理
图中N和S是一对固定的（主）磁极，用来建立恒定磁场。两磁极之间有一个可以转动 的圆柱形铁心，铁心上固定着线圈 abcd。线圈的ad端接在随电枢一起旋转的两片半圆形 铜片上，这两个铜片合称为换向器，换向器固定在转轴上且与转轴绝缘。铁心、线圈和 换向器组合在一起形成电枢。电刷A、B分别与换向片接触而通向外电路。 通电线圈在磁场中要受到磁场力的作用。假设电刷A与电源的正极相连，电刷B与电源 的负极相连，电流经 A-d-c-b-a-B形成回路。根据左手定则，线圈 ab受力向左，线圈cd受 力向右。这样就形成一个转矩，使电枢逆时针方向旋转，
图7-3
无槽电枢直流伺服电动机示意图
(3) 无槽电枢直流伺服电动机:
无槽电枢直流伺服电动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, 再用环氧树脂将它和电枢铁心
固化成一个整体, 如图7-3 所示。这种电机的转动惯量和电
枢绕组的电感比前面介绍的两种无铁心转子的电机要大些, 动态性能也比它们差。 此外, 还有无刷直流伺服电动机, 它可以实现无接触 (无刷)电子换向, 既具有直流伺服电动机良好的机械特性和
复习直流电动机的基本结构
直流电机由定子（固定不动）与转子（旋转）两大部分组成， 定子与转子之间有空隙,称为气隙。 定子部分包括主磁极、换向极、电刷、机座等； 转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等。
7.1.1
直流伺服电动机
1. 直流伺服电动机的结构 按结构, 直流伺服电动机可分为传统型和低惯量 型两大类。 1） 传统型直流伺服电动机
调节特性, 又具有交流电动机维护方便、运行可靠的优点。