伺服電動(dòng)機(jī)

一、能力目標(biāo) 二、儀器與設(shè)備 三、項(xiàng)目要求 （一）測(cè)試直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 1．按圖18-1接線。圖中電動(dòng)機(jī)采用他勵(lì)接法，TG選用永磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，Rf2選用1800Ω電阻，R1選用540Ω電阻。R2選用180Ω阻值采用分壓器接法，RL選用2250Ω阻值，A1、A3選用200mA檔，A2、A4選用安培表。伺服電動(dòng)機(jī)

伺服電動(dòng)機(jī)

2．把Rf1調(diào)至最小，R1、R2、RL調(diào)至最大，開關(guān)Q1、Q2打開。先接通勵(lì)磁電源，再接通電樞電源，并調(diào)至220V，電機(jī)運(yùn)行后把R1調(diào)至最小。 3．合上開關(guān)Q1，調(diào)節(jié)直流測(cè)功機(jī)勵(lì)磁電流If2=100mA校正值不變。逐漸減小RL阻值（注：先調(diào)1800Ω阻值，調(diào)到最小后用導(dǎo)線短接），并增大Rf1阻值，使n=nN=1600r/min，Ia=IN=1.2A，U=UN=220V，此時(shí)電機(jī)勵(lì)磁電流為額定勵(lì)磁電流。 4．保持此額定電流不變，逐漸增加RL阻值，從額定負(fù)載到空載（斷開開關(guān)Q1），測(cè)取其機(jī)械特性n=f(T)。記錄n、Ia、IF。伺服電動(dòng)機(jī)

5．調(diào)節(jié)電樞電壓為U=160V，調(diào)節(jié)Rf1，保持電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流的額定電流If=IfN，減小RL阻值，使Ia=1A，再增大RL阻值，一直到空載，其間記錄。 6．調(diào)節(jié)電樞電壓為U=110V，保持If=IfN不變，減小RL阻值，使Ia=0.8A，再增大RL阻值，一直到空載，其間記錄。伺服電動(dòng)機(jī)

（二）測(cè)試直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性 1．保持、不變。調(diào)節(jié)RL使電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為額定輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)的IF值并保持不變，即保持直流測(cè)功機(jī)輸出電流為額定輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)的電流值（額定輸出轉(zhuǎn)矩，調(diào)節(jié)直流伺服電動(dòng)機(jī)電樞電壓，測(cè)取直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性，直到n=100r/min記錄。

2．保持電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，記錄7-8組數(shù)據(jù)。伺服電動(dòng)機(jī)

3．保持電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩（即直流測(cè)功機(jī)與直流伺服電動(dòng)機(jī)脫開，直流伺服電動(dòng)機(jī)直接與測(cè)速發(fā)電機(jī)同軸聯(lián)接），調(diào)節(jié)直流伺服電動(dòng)機(jī)電樞電壓。當(dāng)調(diào)至最小后合上開關(guān)Q2，減小分壓電阻R2，直至n=0r/min，其間取7-8組數(shù)據(jù)記錄。 （三）測(cè)試空載始動(dòng)電壓和檢查空載轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定性 1．在空載狀態(tài)下啟動(dòng)電機(jī)，把電樞電壓調(diào)至最小后，合上開關(guān)Q2，逐漸減小R2直至n=0r/min，再慢慢增大分壓電阻R2，即使電樞電壓從零緩慢上升，直至轉(zhuǎn)速開始連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)的電壓即為空載始動(dòng)電壓。伺服電動(dòng)機(jī)

2．正、反向各做三次，取其平均值作為該電機(jī)始動(dòng)電壓，將數(shù)據(jù)記錄。 （四）測(cè)試交流伺服電動(dòng)機(jī)幅值控制時(shí)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性 1．測(cè)試交流伺服電動(dòng)機(jī) 時(shí)的機(jī)械特性

（1）按圖18-2接線。 （2）啟動(dòng)三相交流電源，調(diào)節(jié)調(diào)壓器，時(shí) ，再調(diào)節(jié)單相調(diào)壓器T2使 。（3）調(diào)節(jié)伺服電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載，逐次增大力矩T，記錄電機(jī)轉(zhuǎn)速n。伺服電動(dòng)機(jī)

伺服電動(dòng)機(jī)

2．測(cè)試交流伺服電動(dòng)機(jī) 時(shí)的機(jī)械特性 （1）保持 不變，調(diào)節(jié)單相變壓器T2使 。 （2）重復(fù)上述步驟，將所測(cè)數(shù)據(jù)記錄。 3．測(cè)試交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性

（1）調(diào)節(jié)三相調(diào)壓器使 ，并使電動(dòng)機(jī)空載。逐次調(diào)節(jié)單相調(diào)壓器T2。使控制電壓UC從220V逐次減小到0V。

（2）將每次所測(cè)的控制電壓UC與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n記錄。伺服電動(dòng)機(jī)

（五）測(cè)試交流伺服電動(dòng)機(jī)幅值—相位控制時(shí)的機(jī)械特性 1．實(shí)測(cè)交流伺服電動(dòng)機(jī) ，（即 ）時(shí)的機(jī)械特性 （1）調(diào)節(jié)單相調(diào)壓器T2使 。調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載，從空載逐漸增大負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 （2）記錄電動(dòng)機(jī)從空載至堵轉(zhuǎn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩T及轉(zhuǎn)速n。伺服電動(dòng)機(jī)

2．實(shí)測(cè)交流伺服電動(dòng)機(jī) （即 ）時(shí)的機(jī)械特性 （1）調(diào)節(jié)三相交流電源和單相調(diào)壓器使 ，重復(fù)上面實(shí)驗(yàn)，將數(shù)據(jù)記錄于表18-12中。 四．伺服電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造及工作原理 伺服電動(dòng)機(jī)，按電流種類可分為直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類。 （一）直流伺服電動(dòng)機(jī) 直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理與普通小型直流電動(dòng)機(jī)相同。有永磁式和電磁式兩種基本結(jié)構(gòu)型式。電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁方式采用他勵(lì)方式；永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)也可看作是一種他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)。伺服電動(dòng)機(jī)

一般用電壓信號(hào)控制直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速大小。按照控制方式不同，直流伺服電動(dòng)機(jī)又分為電樞控制和磁場(chǎng)控制兩種形式，電樞控制方式中，控制電壓Ua加到電樞繞組兩端；改變電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組電壓Uf的方向和大小的控制方式，叫磁場(chǎng)控制。由于電樞控制可以得到線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性；電樞電路電感比較小，電磁慣性小，反應(yīng)比較靈敏。所以用的比較多

伺服電動(dòng)機(jī)

電樞控制時(shí) 直流伺服電動(dòng)機(jī)的原理圖如圖18-4所示。勵(lì)磁繞組通常接到電壓為電動(dòng)機(jī)的額定值的電源上進(jìn)行勵(lì)磁。電樞繞組就是控制繞組，當(dāng)控制繞組加控制電壓以后，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)；控制繞組電壓消失，電動(dòng)機(jī)就立即停轉(zhuǎn)。電樞控制的直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)改變電壓時(shí)的人為機(jī)械特性一樣。 電樞電壓即控制電壓，為實(shí)際控制電壓與額定電壓之比，叫做信號(hào)系數(shù)。通常額定控制電壓也就是電動(dòng)機(jī)的額定電壓。因此機(jī)械特性方程式可表示為伺服電動(dòng)機(jī)

當(dāng)控制信號(hào)不同時(shí)，即Ua不同時(shí)，機(jī)械特性為一組平行的直線，如圖18-5(a)所示。當(dāng)Ua大小一定時(shí)，轉(zhuǎn)矩T增加時(shí)，轉(zhuǎn)速n下降；反之，當(dāng)轉(zhuǎn)矩T減小時(shí)，轉(zhuǎn)速n上升。

伺服電動(dòng)機(jī)

伺服電動(dòng)機(jī)

伺服電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，轉(zhuǎn)速n與控制電壓UK的關(guān)系稱為電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性。由機(jī)械特性方程式 可知，當(dāng)T為常數(shù)時(shí)， 是一個(gè)線性函數(shù)，是一個(gè)直線方程，直線的斜率為 。 當(dāng) 時(shí) 因此，伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性如圖18-5(b)所示。伺服電動(dòng)機(jī)

從直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性上看出，T一定時(shí)，轉(zhuǎn)速n與控制電壓Ua之間成正比關(guān)系。另外，還可以看出，當(dāng)n=0時(shí)，不同的轉(zhuǎn)矩T需要的控制電壓Ua也不同。例如：T=T1，Ua=U1，表示只有當(dāng)控制電壓Ua>U1的條件下，電動(dòng)機(jī)才能轉(zhuǎn)起來。另外，控制電壓從0～U1一段范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)，故此區(qū)域稱為電動(dòng)機(jī)的死區(qū)或失靈區(qū)，稱Ul為始動(dòng)電壓。顯然，負(fù)載越大，死區(qū)也越大。空載時(shí)，只要有信號(hào)電壓Ua，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)。因此直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性也是很理想的。伺服電動(dòng)機(jī)

直流伺服電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是具有線性的機(jī)械特性，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬廣而平滑，無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，且與同容量的交流伺服電動(dòng)機(jī)比較，體積小，質(zhì)量輕。其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，靈敏度差，轉(zhuǎn)速波動(dòng)大，低速運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)；換向火花大，壽命短，對(duì)無線電干擾大。為了適應(yīng)自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)快速響應(yīng)性越來越高的要求，近年來，國內(nèi)外已在傳統(tǒng)直流伺服電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，發(fā)展了低慣量的無槽電樞、空心杯電樞、印制繞組電樞和無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)。

伺服電動(dòng)機(jī)

空心杯電樞永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖18-6所示。它有一個(gè)外定子和一個(gè)內(nèi)定子，外定子通常是由兩個(gè)半圓形的永久磁鋼組成。而內(nèi)定子則為圓柱形的軟磁材料做成，僅作為磁路的一部分，以減小磁路磁阻。空心杯電樞上的繞組可以先繞成單個(gè)成形線圈，然后將它們沿圓周的軸向排列成空心杯形，再用環(huán)氧樹脂固化成形。空心杯電樞直接裝在電動(dòng)機(jī)軸上，在內(nèi)外定子間的氣隙中旋轉(zhuǎn)，電樞繞組則接到換向器上，由電刷引出。伺服電動(dòng)機(jī)

伺服電動(dòng)機(jī)

印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子呈薄片圓盤狀，厚度一般為1.5～2mm。轉(zhuǎn)子基片由環(huán)氧玻璃布膠板制成，基片兩側(cè)的銅箔用印制電路的方法制成雙面電樞繞組。這種伺服電動(dòng)機(jī)的定子磁極為永久磁鐵，由于轉(zhuǎn)子沒有鐵心，故轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，對(duì)控制電壓反應(yīng)快，可用于啟動(dòng)頻繁的系統(tǒng)中。 直流伺服電動(dòng)機(jī)一般用在功率稍大的系統(tǒng)中，其輸出的功率約為1～600W。目前國內(nèi)生產(chǎn)的直流伺服電動(dòng)機(jī)主要有SY和SZ兩個(gè)系列，SY系列為永磁式結(jié)構(gòu)，SZ為電磁式結(jié)構(gòu)。伺服電動(dòng)機(jī)

（二）交流伺服電動(dòng)機(jī) 交流伺服電動(dòng)機(jī)與直流伺服電動(dòng)機(jī)一樣，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中也常被用來作為執(zhí)行元件。在系統(tǒng)中的任務(wù)是將輸入的交流電信號(hào)（如電壓的幅值或相位）轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上的機(jī)械傳動(dòng)。 由于交流伺服電動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)中主要作為執(zhí)行元件，在性能指標(biāo)、參數(shù)大小以及具體結(jié)構(gòu)上，自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)它提出的要求有以下幾點(diǎn)：伺服電動(dòng)機(jī)

①調(diào)速范圍要大，控制信號(hào)控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向應(yīng)很方便； ②運(yùn)行穩(wěn)定，整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)的特性應(yīng)具有線性關(guān)系； ③要無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，當(dāng)控制信號(hào)消除時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)立即停轉(zhuǎn)； ④控制功率要小，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要大； ⑤機(jī)電時(shí)間常數(shù)要小，始動(dòng)電壓要低。當(dāng)控制信號(hào)變化時(shí)，反應(yīng)應(yīng)快速靈敏。伺服電動(dòng)機(jī)

1．交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 交流伺服電動(dòng)機(jī)就是兩相異步電動(dòng)機(jī)。它的結(jié)構(gòu)同一般異步電動(dòng)機(jī)相似，主要可分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。但是，定子繞組是兩相的，一相為勵(lì)磁繞組Lf，一相為控制繞組LK。通常控制相分成兩個(gè)獨(dú)立且相同的部分，它們可以串聯(lián)或并聯(lián)，供選擇兩種控制電壓用。兩相繞組在空間相差90o電角度。 鼠籠式轉(zhuǎn)子與普通鼠籠式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子相似，制造加工工藝中采用了“一刀通”結(jié)構(gòu)，使定子鐵心內(nèi)圓和軸承室內(nèi)圓為同一尺寸，一次夾裝同時(shí)加工，保證了定子內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子外圓的同心度和裝配精度，因而可以設(shè)計(jì)制造成小氣隙和轉(zhuǎn)子細(xì)而長。鼠籠式交流伺服電機(jī)有較高的利用率，體積小，重量輕，機(jī)械強(qiáng)度好，能在惡劣的氣候和環(huán)境條件下可靠地工作。伺服電動(dòng)機(jī)

非磁性杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖18-7所示。定子部分由外定子和內(nèi)定子兩部分組成，外定子與鼠籠形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)的定子完全一樣，內(nèi)定子由環(huán)形鋼片疊成，通常內(nèi)定子不放繞組，只是代替鼠籠轉(zhuǎn)子的鐵心，作為電機(jī)磁路的一部分。在內(nèi)、外定子之間有細(xì)長的空心轉(zhuǎn)子裝在轉(zhuǎn)軸上，空心轉(zhuǎn)子作成杯子形狀，所以又稱為空心杯形轉(zhuǎn)子。伺服電動(dòng)機(jī)

伺服電動(dòng)機(jī)

杯形轉(zhuǎn)子與鼠籠轉(zhuǎn)子從外表形狀來看是不一樣的。但實(shí)際上，杯形轉(zhuǎn)子可以看做是鼠籠條數(shù)目非常多的、條與條之間彼此緊靠在一起的鼠籠轉(zhuǎn)子，這樣，杯形轉(zhuǎn)子只是鼠籠轉(zhuǎn)子的一種特殊形式。在電機(jī)中所起的作用也完全相同。 非磁性杯型主要特點(diǎn)是將鋁或銅制成空心薄壁結(jié)構(gòu)，與鼠籠形轉(zhuǎn)子相比較，非磁性杯形轉(zhuǎn)子慣量小。軸承摩擦阻轉(zhuǎn)矩小。由于轉(zhuǎn)子上沒有齒和槽，所以定子和轉(zhuǎn)子之間沒有齒槽粘合現(xiàn)象，轉(zhuǎn)矩不隨軸的位置而發(fā)生變化，恒速旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)軸一般不會(huì)有抖動(dòng)現(xiàn)象。運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。伺服電動(dòng)機(jī)

比較鼠籠型和非磁性杯型交流伺服電動(dòng)機(jī)，可以看到：鼠籠型交流伺服電動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)是利用率高，體積小，機(jī)械強(qiáng)度高，可靠性高，制造成本低；缺點(diǎn)是有齒槽粘合現(xiàn)象，影響始動(dòng)電壓的降低，低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不夠平滑，有抖動(dòng)現(xiàn)象。 非磁性杯交流伺服電動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子慣性小，運(yùn)轉(zhuǎn)平滑，無抖動(dòng)現(xiàn)象，始動(dòng)電壓低；缺點(diǎn)是內(nèi)、外定子間氣隙較大，勵(lì)磁電流大，利用率低，體積大，制造成本高。伺服電動(dòng)機(jī)

2．工作原理 交流伺服電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，勵(lì)磁繞組Lf兩端施加單相交流電壓，控制繞組兩端施加控制信號(hào)電壓，與

二者同頻率。原理圖見圖18-8。伺服電動(dòng)機(jī)

伺服電動(dòng)機(jī)

勵(lì)磁繞組Lf接在勵(lì)磁電源上，控制電壓為零時(shí)，氣隙內(nèi)的磁場(chǎng)為脈動(dòng)磁場(chǎng)，電動(dòng)機(jī)無啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子不動(dòng)，若控制電壓加在控制繞組上，且控制繞組電流與勵(lì)磁繞組電流不同相，則在氣隙內(nèi)建立大小一定的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)。伺服電動(dòng)機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，不僅要求它在靜止?fàn)顟B(tài)下能服從控制電壓命令而轉(zhuǎn)動(dòng)，而且要求它在受控啟動(dòng)以后，必須像直流伺服機(jī)一樣具有伺服性，即控制信號(hào)電壓強(qiáng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高；控制信號(hào)電壓弱時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低；若控制信號(hào)電壓等于零，電動(dòng)機(jī)就應(yīng)該不轉(zhuǎn)了。為了滿足信號(hào)電壓強(qiáng)時(shí)轉(zhuǎn)速高、信號(hào)電壓弱時(shí)轉(zhuǎn)速低這一要求，可以讓信號(hào)強(qiáng)時(shí)電機(jī)氣隙磁勢(shì)接近圓形旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，弱