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1、伺服電機控制技術,主講:劉遙生 深圳職業(yè)技術學院 電話:26731642、13662686339,2 伺服電機基本結構及原理,內容,3 旋轉磁場作用下的運行分析,4 伺服電機的機械特性及控制方式,5 交流伺服電機的應用,6 伺服電機選擇及主要性能指標,由于我們是從事工廠自動控制方面的設備維修、維護管理技術人員，主要是合理地選擇和正確使用各種控制電機，因此本次講座著重闡述伺服電機的基本結構、工作原理、工作特性和使用方法。具體內容如下：,1 概述,了解伺服電機基本結構，掌握其工作原理、運行特性及其特點、應用場合，以求正確選用和使用它們。,目的,伺服電動機也稱為執(zhí)行電動機，在控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，
2、將電信號轉換為軸上的轉角或轉速，以帶動控制對象。,1 概述,1、交流伺服電動機,2、直流伺服電動機,伺服電動機分為：,1.1 什么叫伺服電機,1 概述,在有控制信號輸入時，伺服電動機就轉動；沒有控制信號輸入，它就停止轉動。改變控制電壓的大小和相位(或極性)就可改變伺服電動機的轉速和轉向。,1.2伺服電機最大特點,1 概述,1.3伺服電機與普通電機相比具有如下特點,(1)調速范圍寬廣。伺服電動機的轉速隨著控制電壓改變，能在寬廣的范圍內連續(xù)調節(jié)。 (2)轉子的慣性小，即能實現(xiàn)迅速啟動、停轉。 (3)控制功率小，過載能力強，可靠性好。,1 概述,1.4伺服電機在自控制系統(tǒng)中的典型應用,其它場合的應用
3、,1.5伺服電動機典型生產廠家,1 概述,德國西門子，產品外形有：,伺服電機,伺服電機驅動器,1 概述,美國科爾摩根，產品外形有：,伺服電機,伺服電機驅動器,1.5伺服電動機典型生產廠家,1 概述,日本松下及安川，產品外形有：,松下交流伺服電機及驅動器,安川伺服電機驅動器,1.5伺服電動機典型生產廠家,2 伺服電機基本結構及原理,交流伺服電機系統(tǒng),驅動器,交流伺服 電機器,2 伺服電機基本結構及原理,2.1 結構,交流電機,編碼器,交流電機電源線,編碼器信號輸出線,2 伺服電機基本結構及原理,1.2.1 結構,交流電機,減速齒輪,機械負載軸,2 伺服電機基本結構及原理,2.1 結構,由定子和轉
4、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 伺服電機基本結構及原理,1.2.1 結構,由定子和轉子二大部分組成,1、定子 由鐵心和線圈組成,控制繞組與勵磁繞組相差900,(1) 籠型轉子,鐵芯槽內放銅條,端 部用短路環(huán)形成一體, 或鑄鋁形成轉子繞組。,2 伺服電機基本結構及原理,鑄鋁的籠型轉子,2、 轉子,籠型轉子,2 伺服電機基本結構及原理,杯型轉子,2.2 轉動原理,2 伺服電機基本結構及原理,2 三相異步電動機的轉動原理,2.2 轉動原理,2 三相異步電動機的轉動原理,2.2 轉動原理,當磁鐵旋轉時，在空間形成一個旋轉磁場。假設永久磁鐵是順
5、時糾方向以n0的轉速旋轉，那末它的磁力線也就以順時針方向切割轉子導條，在轉子導條中就產生感應電勢。根據(jù)右手定則，N極下導條的感應電勢方向垂直地從紙面出來。而S極下導條的感應電勢方向垂直地進入紙面。由于鼠籠轉子的導條都是通過短路環(huán)連接起來的，因此在感應電勢的作用下，在轉子導條中就會有電流流過，電流有功分量的方向和感應電勢方向相同。再根據(jù)通電導體在磁場中受力原理，轉子載流導條又要與磁場相互作用產生電磁力，這個電磁力F作用在轉子上，并對轉軸形成電磁轉矩。根據(jù)左手定則，轉矩方向與磁鐵轉動的方向是一致的，也是順時針方向。因此，鼠籠轉子便在電磁轉矩作用下順著磁鐵旋轉的方向轉動起來。,3 旋轉磁場作用下的運
6、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伺服電機旋轉磁場的產生,3 旋轉磁場作用下的運行分析,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)學式表示為,3.1旋轉磁場的產生,控制繞組,勵磁繞組,當兩相對稱電流通入兩相對稱繞組時，在電機內就產生一個旋轉磁場。當電流變化一個周期時，旋轉磁場在空間轉了一圈。,UC1,UC2,UF1,UF2,3.1旋轉磁場的產生,3.2伺服電機旋轉磁場的方向,控制繞組,勵磁
7、繞組,控制繞組,勵磁繞組,3.2伺服電機旋轉磁場的方向,3.3 伺服電機旋轉磁場的速度,旋轉磁場的轉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，即極對數(shù)P1。對兩極電機而言，電流每變化一個周期，磁場旋轉一圈，因而當 電源頻率f400 Hs，即每秒變化400個周期時，磁場每秒應當轉400圈，故對兩極電機，即P1而言，旋轉磁場轉速為 n0= 24000 rmin 旋轉磁場轉速為的一般表達式為,4.伺服電機的機械特性及控制方式,4.1伺服電機的機械特性,對于伺服電動機，還有一條很重要的機械特性，這就是零信號時的機械特性，所謂零信號，就是控制電壓UC0，這時磁場是脈振磁場，它可以分
8、解為幅值相等、轉向相反的兩個圓形旋轉磁場，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。,4.2 零信號時的機械特性和無“自轉”現(xiàn)象,4.2 零信號時的機械特性和無“自轉”現(xiàn)象,當電阻已增大到使臨界轉差率1的程度時，合成轉矩曲線與橫軸相交僅有一點(S1處)，而且在電機運行范圍內，合成轉矩均為負值，即為制動轉矩。因而當控制電壓UC取消變?yōu)閱蜗噙\行時，電機就立刻產生制動轉矩，與負載阻轉矩一起促使電機迅速停轉，這樣就不會產生自轉現(xiàn)象。,4.2 零信號時的機械特性和無“自轉”現(xiàn)象,4.3伺服電機控制方式及特性,設電機的負載阻轉矩為TL，控制電壓0.25UC時,電機在特性點A運行，
9、轉速為na，這時電機產生的轉矩與負載阻轉矩相平衡。當控制電壓升高到0.5UC時，電機產生的轉矩就隨之增加C，由于電機的轉子及其負載存在著慣性，轉速不能瞬時改變，因此電機就要瞬時地在特性點C運行，這時電機產生的轉矩大于負載阻轉矩，電機就加速，一直增加到nb，電機就在B點運行。,伺服電動機的機械特性,A,B,C,結論：改變控制電壓的大小，就實現(xiàn)了轉速的控制,5 交流伺服電機的應用,編碼器 部分,安裝在電機后端，其轉盤（光柵）與電機同軸。,伺服電機控制精度取決于編碼器精度。,5.1 伺服電機編碼器,編碼器,5.2伺服電機驅動器,1、主要功能 （1）根據(jù)給定信號輸出與此成正比的控制電壓UC； （2）接
10、收編碼器的速度和位置信號； （3）I/O信號接口,5.2伺服電機驅動器,數(shù)碼顯示窗口,參數(shù)設置鍵,計算機RS232口,I/O信號接口,編碼器信號接口,電機電源輸入輸出接線端子,2、外部組成,5.2伺服電機驅動器,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伺服電機驅動器,4、原理框圖,5.3交流伺服電機系統(tǒng)應用,圖 2-2 交流伺服電機系統(tǒng)接線示意圖,交流伺服電機驅動器,連接AC220V,I/O板,5.3.1
11、交流伺服電機系統(tǒng)結構,5.3交流伺服電機系統(tǒng)應用,5.3.1交流伺服電機系統(tǒng)結構,1 、設置參數(shù),方法一 聯(lián)接計算機使用軟件設置,方法二 直接在驅動器面板按鈕設置,5.3.2交流伺服電機系統(tǒng)使用,方法一、使用計算機設置參數(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 （內部使能）,4、正反轉試運行,1 、設置參數(shù),1、啟動軟件,2、進入TEST功能，使用JOG模式調試系統(tǒng),3、正反轉試運行,2 、使用計算機調試伺服電機系統(tǒng),1、啟動軟件將參數(shù)NO.41=0000,改為外部使能，然后關閉軟件,2、接通電源顯示窗口顯示數(shù)字為設備連接正確。,3、
12、按MODE鍵，顯示rd-of,3、使用驅動器操作面板手動調試伺服電機系統(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，按DOWN反轉,1、接通電源顯示窗口顯示數(shù)字為設備連接正確。,如：設置參數(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。設置生效。,3、使用驅動器操作面板手動設置參數(shù)的方法,1.6.1 功率的選擇,功率選得過大不經濟，功率選得過小電動
13、機容易因過載而損壞。,1. 對于連續(xù)運行的伺服電動機，所選功率應等于或略大于生產機械的功率。,2. 對于短時工作的伺服電動機，允許在運行中有短暫的過載，故所選功率可等于或略小于生產機械的功率。,6.伺服電機的選擇,6.1 種類和型式的選擇,1. 種類的選擇,一般自動控制應用場合應盡可能選用交流伺服電機。調速和控制精度很高的場合選用直流伺服電機或其他專用的控制電機,如直線電機等。,2. 結構型式的選擇,根據(jù)工作方式和工作環(huán)境的條件選擇不同的結構型式，如頻繁啟停選用空心杯轉子結構的伺服電機；如速度要求較平衡的場合選用大慣量伺服電機,6.2 主要性能指標的選擇,1空載始動電壓UCO 在額定勵磁電壓和
14、空載的情況下，使轉子在任意位置開始連續(xù)轉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，有時要求不大于額定控制電壓的1。,6.2主要性能指標的選擇,2機械特性非線性度Km 在額定勵磁電壓下，任意控制電壓時的實際機械待性與線性機械特性在轉矩TTd2 時的轉速偏差n與空載轉速n0(對稱狀態(tài)時)之比的百分數(shù)，定義為機械待性非線性度。,一般要求Km10 20,6.2主要性能指標的選擇,3調節(jié)特性非線性度Kv 在額定勵隘電壓和空載情況下，當控制電壓0
15、.7時，實際調節(jié)特性與線性調節(jié)特性的轉速偏差n與控制電壓1時的空載轉速n0之比的百分數(shù)定義為調節(jié)特性非線性度，即:,一般要求 Kv20 25,6.2主要性能指標的選擇,4堵轉特性非線性度kd 在額定勵磁電壓下，實際堵轉特性與線性堵轉持性的最大轉矩偏差(Tdn)max與控制電壓1時的堵轉轉矩Tdo之比值的百分數(shù)，定義為堵轉待性非線性，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，工作就越準確。,一般要求 Kd5,6.3 主要技術指標的選擇,1電壓 技術數(shù)據(jù)表中勵磁電壓和控制電壓指的都是額定值。勵磁電壓允許變動范圍為土5左右。電壓太高，電機會發(fā)熱；電壓太低和輸出功率會
16、明顯下降，加速時間增長等。伺服電動機使用時，應注意到勵磁繞組兩端電壓會高于電源電壓，而且隨轉速升高而增大，其值如果超過額定值太多，會使電機過熱。 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磁場,6.3 主要技術指標的選擇,2頻率 目前控制電機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；低頻電機則用0.350.5mm的硅鋼片。 低頻電機不應該用中頻電源，中頻電機也不應該用低頻電源，否則電機性能會變差。,在
17、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，電機發(fā)熱可以基本上不變。例如一臺500 Hz、110V的電機，如果用在400 Hz時，那末加到電機上的電壓就應改成11040050088V。,6.3 主要技術指標的選擇,3堵轉轉矩，堵轉電流 定子兩相繞組加上額定電壓，轉速等于0時的輸出轉矩，稱為堵轉轉矩。這時流經勵磁繞組和控制繞組的電流分別稱堵轉勵磁電流和堵轉控制電流。 堵轉電流通常是電流的最大值，可作為設計電源和放大器的依據(jù)。,6.3 主要技術指標的選擇,4空載轉速 定干兩相繞組加上額定電壓，電機不帶任何負載時的轉速稱為空載轉速n0
18、?？蛰d轉速與電機的極數(shù)有關。由于電機本身阻轉矩的影響，空載轉速略低于同步速。,6.3 主要技術指標的選擇,5額定輸出功率 當電機處于對稱狀態(tài)時，輸出功率P2隨轉速n變化的情況如圖78所示。當轉速接近空載轉速n0的一半時，輸出功率最大。通常就把這點規(guī)定為交流伺服電動機的額定狀態(tài)。對應這個狀態(tài)下的轉矩和轉速稱為額定轉矩Tn。和額定轉速nn。,n0,n,T,0,nn,T,最大功率,額定轉矩TN,額定轉矩TN,小 結1,交流伺服電動機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，引出了圓形旋轉磁場的概念。旋轉磁場的轉速稱為同步速，它由電機的極數(shù)和電源頻率所決定，關系式 ns=60f/p 是一個很重要的公式。 與其它電機一樣，交流伺服電動機的運行也是由于“電”和“磁”的相互作用。在圓形磁場作用下，交流伺服電動機的轉速總是低于同步速，而且隨著負載的變化而變化，轉差率s就是表征電機轉速的一個很重要的物理量。,小 結2,為了能方便地實現(xiàn)轉速控制，伺服電動機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到控制轉速的目的。 最后介紹了幾點在使用電機時應注意的問題和主要性能指標和技術數(shù)據(jù)，可供大家選用電機時參考。,
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