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1、伺服电机控制技术,主讲:刘遥生深圳职业技术学院电话,2 伺服电机基本结构及原理,内容,3 旋转磁场作用下的运行分析,4 伺服电机的机械特性及控制方式,5 交流伺服电机的应用,6 伺服电机选择及主要性能指标,由于我们是从事工厂自动控制方面的设备维修、维护管理技术人员，主要是合理地选择和正确使用各种控制电机，因此本次讲座着重阐述伺服电机的基本结构、工作原理、工作特性和使用方法。具体内容如下：,1 概述,了解伺服电机基本结构，掌握其工作原理、运行特性及其特点、应用场合，以求正确选用和使用它们。,目的,伺服电动机也称为执行电动机，在控制系统中用作执行元件，将电信号转换为轴上的转角或转速，以带动控制对象
2、。,1 概述,1、交流伺服电动机,2、直流伺服电动机,伺服电动机分为：,1.1 什么叫伺服电机,1 概述,在有控制信号输入时，伺服电动机就转动；没有控制信号输入，它就停止转动。改变控制电压的大小和相位(或极性)就可改变伺服电动机的转速和转向。,1.2伺服电机最大特点,1 概述,1.3伺服电机与普通电机相比具有如下特点,(1)调速范围宽广。伺服电动机的转速随着控制电压改变，能在宽广的范围内连续调节。(2)转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转。(3)控制功率小，过载能力强，可靠性好。,1 概述,1.4伺服电机在自控制系统中的典型应用,其它场合的应用,1.5伺服电动机典型生产厂家,1 概述,德国西门
3、子，产品外形有：,伺服电机,伺服电机驱动器,1 概述,美国科尔摩根，产品外形有：,伺服电机,伺服电机驱动器,1.5伺服电动机典型生产厂家,1 概述,日本松下及安川，产品外形有：,松下交流伺服电机及驱动器,安川伺服电机驱动器,1.5伺服电动机典型生产厂家,2 伺服电机基本结构及原理,交流伺服电机系统,驱动器,交流伺服电机器,2 伺服电机基本结构及原理,2.1 结构,交流电机,编码器,交流电机电源线,编码器信号输出线,2 伺服电机基本结构及原理,结构,交流电机,减速齿轮,机械负载轴,2 伺服电机基本结构及原理,2.1 结构,由定子和转子二大部分组成,1、定子由铁心和线圈组成,励磁绕组,控制绕组,励
4、磁电压,控制电压,1.2 伺服电机基本结构及原理,1.2.1 结构,由定子和转子二大部分组成,1、定子由铁心和线圈组成,控制绕组与励磁绕组相差900,(1)笼型转子,铁芯槽内放铜条,端 部用短路环形成一体,或铸铝形成转子绕组。,2 伺服电机基本结构及原理,铸铝的笼型转子,2、转子,笼型转子,2 伺服电机基本结构及原理,杯型转子,2.2 转动原理,2 伺服电机基本结构及原理,2 三相异步电动机的转动原理,2.2 转动原理,2 三相异步电动机的转动原理,2.2 转动原理,当磁铁旋转时，在空间形成一个旋转磁场。假设永久磁铁是顺时纠方向以n0的转速旋转，那末它的磁力线也就以顺时针方向切割转子导条，在转
5、子导条中就产生感应电势。根据右手定则，N极下导条的感应电势方向垂直地从纸面出来。而S极下导条的感应电势方向垂直地进入纸面。由于鼠笼转子的导条都是通过短路环连接起来的，因此在感应电势的作用下，在转子导条中就会有电流流过，电流有功分量的方向和感应电势方向相同。再根据通电导体在磁场中受力原理，转子载流导条又要与磁场相互作用产生电磁力，这个电磁力F作用在转子上，并对转轴形成电磁转矩。根据左手定则，转矩方向与磁铁转动的方向是一致的，也是顺时针方向。因此，鼠笼转子便在电磁转矩作用下顺着磁铁旋转的方向转动起来。,3 旋转磁场作用下的运行分析,为了分析方便，先假定励磁绕组有效匝数Uf与控制绕组有效匝数UC相等
6、。这种在空间上互差900电角度，有效匝数又相等的两个绕组称为对称两相绕组。,3.1伺服电机旋转磁场的产生,3 旋转磁场作用下的运行分析,同时，又假定通入励磁绕组的电流Uf与通入控制绕组的电流UC相位上彼此相差900幅值彼此相等，这样的两个电流称为两相对称电流，用数学式表示为,3.1旋转磁场的产生,控制绕组,励磁绕组,当两相对称电流通入两相对称绕组时，在电机内就产生一个旋转磁场。当电流变化一个周期时，旋转磁场在空间转了一圈。,UC1,UC2,UF1,UF2,3.1旋转磁场的产生,3.2伺服电机旋转磁场的方向,控制绕组,励磁绕组,控制绕组,励磁绕组,3.2伺服电机旋转磁场的方向,3.3 伺服电机旋
7、转磁场的速度,旋转磁场的转速决定于定子绕组极对数和电源的频率。图所表示的是一台两极的电机，即极对数P1。对两极电机而言，电流每变化一个周期，磁场旋转一圈，因而当电源频率f400 Hs，即每秒变化400个周期时，磁场每秒应当转400圈，故对两极电机，即P1而言，旋转磁场转速为 n0=24000 rmin旋转磁场转速为的一般表达式为,4.伺服电机的机械特性及控制方式,4.1伺服电机的机械特性,对于伺服电动机，还有一条很重要的机械特性，这就是零信号时的机械特性，所谓零信号，就是控制电压UC0，这时磁场是脉振磁场，它可以分解为幅值相等、转向相反的两个圆形旋转磁场，其作用可以想象为有两对相同大小的磁铁N
8、S和NS在空间以相反方向旋转。,4.2 零信号时的机械特性和无“自转”现象,4.2 零信号时的机械特性和无“自转”现象,当电阻已增大到使临界转差率1的程度时，合成转矩曲线与横轴相交仅有一点(S1处)，而且在电机运行范围内，合成转矩均为负值，即为制动转矩。因而当控制电压UC取消变为单相运行时，电机就立刻产生制动转矩，与负载阻转矩一起促使电机迅速停转，这样就不会产生自转现象。,4.2 零信号时的机械特性和无“自转”现象,4.3伺服电机控制方式及特性,设电机的负载阻转矩为TL，控制电压0.25UC时,电机在特性点A运行，转速为na，这时电机产生的转矩与负载阻转矩相平衡。当控制电压升高到0.5UC时，
9、电机产生的转矩就随之增加C，由于电机的转子及其负载存在着惯性，转速不能瞬时改变，因此电机就要瞬时地在特性点C运行，这时电机产生的转矩大于负载阻转矩，电机就加速，一直增加到nb，电机就在B点运行。,伺服电动机的机械特性,A,B,C,结论：改变控制电压的大小，就实现了转速的控制,5 交流伺服电机的应用,编码器部分,安装在电机后端，其转盘（光栅）与电机同轴。,伺服电机控制精度取决于编码器精度。,5.1 伺服电机编码器,编码器,5.2伺服电机驱动器,1、主要功能（1）根据给定信号输出与此成正比的控制电压UC；（2）接收编码器的速度和位置信号；（3）I/O信号接口,5.2伺服电机驱动器,数码显示窗口,参
10、数设置键,计算机RS232口,I/O信号接口,编码器信号接口,电机电源输入输出接线端子,2、外部组成,5.2伺服电机驱动器,3、控制模式,（1）位置控制模式最大输入脉冲频率500KPPS（微分接收器）和200KPPS（用于开路收集器）,（2）速度控制模式 模拟速度指令输入：010V/额定转速,（3）力矩控制模式模拟力矩指令输入：010V/最大力矩,5.2伺服电机驱动器,4、原理框图,5.3交流伺服电机系统应用,图 2-2 交流伺服电机系统接线示意图,交流伺服电机驱动器,连接AC220V,I/O板,5.3.1交流伺服电机系统结构,5.3交流伺服电机系统应用,5.3.1交流伺服电机系统结构,1、设
11、置参数,方法一联接计算机使用软件设置,方法二直接在驱动器面板按钮设置,5.3.2交流伺服电机系统使用,方法一、使用计算机设置参数,1、启动软件,2、修改参数NO.19=000E(允许参数改写),3、修改参数O.41=0001（内部使能）,4、正反转试运行,1、设置参数,1、启动软件,2、进入TEST功能，使用JOG模式调试系统,3、正反转试运行,2、使用计算机调试伺服电机系统,1、启动软件将参数NO.41=0000,改为外部使能，然后关闭软件,2、接通电源显示窗口显示数字为设备连接正确。,3、按MODE键，显示rd-of,3、使用驱动器操作面板手动调试伺服电机系统,4、按UP键多次直至显示TE
12、ST1,5、按住SET直至显示窗显示D-01并闪烁,6、按UP正转，按DOWN反转,1、接通电源显示窗口显示数字为设备连接正确。,如：设置参数NO19,3、按DOWN或UP键多次，直至显示P 19,4、按SET键，显示窗显示0000,5、按SET键，显示窗0000闪烁,2、按MODE键多次，直至显示数P 00,6、按DOWN或UP键多次，直至显示000E,7、按SET键，再次通电。设置生效。,3、使用驱动器操作面板手动设置参数的方法,功率的选择,功率选得过大不经济，功率选得过小电动机容易因过载而损坏。,1.对于连续运行的伺服电动机，所选功率应等于或略大于生产机械的功率。,2.对于短时工作的伺服
13、电动机，允许在运行中有短暂的过载，故所选功率可等于或略小于生产机械的功率。,6.伺服电机的选择,6.1 种类和型式的选择,1.种类的选择,一般自动控制应用场合应尽可能选用交流伺服电机。调速和控制精度很高的场合选用直流伺服电机或其他专用的控制电机,如直线电机等。,2.结构型式的选择,根据工作方式和工作环境的条件选择不同的结构型式，如频繁启停选用空心杯转子结构的伺服电机；如速度要求较平衡的场合选用大惯量伺服电机,6.2 主要性能指标的选择,1空载始动电压UCO 在额定励磁电压和空载的情况下，使转子在任意位置开始连续转动所需的最小控制电压定义为空载始动电压。用通过以额定控制电压的百分比来表示。UCO
14、 越小，表示伺服电动机的灵敏度越高。一般UCO要求不大于额定控制电压的3%4，使用于精密仪器仪表中的两相伺服电动机，有时要求不大于额定控制电压的1。,6.2主要性能指标的选择,2机械特性非线性度Km 在额定励磁电压下，任意控制电压时的实际机械待性与线性机械特性在转矩TTd2时的转速偏差n与空载转速n0(对称状态时)之比的百分数，定义为机械待性非线性度。,一般要求Km10 20,6.2主要性能指标的选择,3调节特性非线性度Kv 在额定励隘电压和空载情况下，当控制电压0.7时，实际调节特性与线性调节特性的转速偏差n与控制电压1时的空载转速n0之比的百分数定义为调节特性非线性度，即:,一般要求 Kv
15、20 25,6.2主要性能指标的选择,4堵转特性非线性度kd 在额定励磁电压下，实际堵转特性与线性堵转持性的最大转矩偏差(Tdn)max与控制电压1时的堵转转矩Tdo之比值的百分数，定义为堵转待性非线性，即,以上这几种持性的非线性度越小，特性曲线越接近直线，系统的动态误差就越小，工作就越准确。,一般要求 Kd5,6.3 主要技术指标的选择,1电压 技术数据表中励磁电压和控制电压指的都是额定值。励磁电压允许变动范围为土5左右。电压太高，电机会发热；电压太低和输出功率会明显下降，加速时间增长等。伺服电动机使用时，应注意到励磁绕组两端电压会高于电源电压，而且随转速升高而增大，其值如果超过额定值太多，
16、会使电机过热。控制绕组的额定电压有时也称最大控制电压，在幅值控制条件下加上这个电压就能得到圆形旋转磁场,6.3 主要技术指标的选择,2频率 目前控制电机常用的频率分低频和中频两大类，低频为50 HZ(或60HZ)，中频为400HZ(或500HZ)。因为频率越高，涡流损耗越大，所以中频电机的铁心用较薄的(0.2mm以下)硅钢片叠成，以减少涡流损耗；低频电机则用0.350.5mm的硅钢片。低频电机不应该用中频电源，中频电机也不应该用低频电源，否则电机性能会变差。,在不得已时，低频电源之间或者中频电源之间可以互相代替使用，但要随频率正比地改变电压，而保持电流仍为额定值，这样，电机发热可以基本上不变。
17、例如一台500 Hz、110V的电机，如果用在400 Hz时，那末加到电机上的电压就应改成11040050088V。,6.3 主要技术指标的选择,3堵转转矩，堵转电流 定子两相绕组加上额定电压，转速等于0时的输出转矩，称为堵转转矩。这时流经励磁绕组和控制绕组的电流分别称堵转励磁电流和堵转控制电流。堵转电流通常是电流的最大值，可作为设计电源和放大器的依据。,6.3 主要技术指标的选择,4空载转速 定干两相绕组加上额定电压，电机不带任何负载时的转速称为空载转速n0。空载转速与电机的极数有关。由于电机本身阻转矩的影响，空载转速略低于同步速。,6.3 主要技术指标的选择,5额定输出功率 当电机处于对称
18、状态时，输出功率P2随转速n变化的情况如图78所示。当转速接近空载转速n0的一半时，输出功率最大。通常就把这点规定为交流伺服电动机的额定状态。对应这个状态下的转矩和转速称为额定转矩Tn。和额定转速nn。,n0,n,T,0,nn,T,最大功率,额定转矩TN,额定转矩TN,小 结1,交流伺服电动机主要用于自动控制系统中作为执行元件。在介绍工作原理时，引出了圆形旋转磁场的概念。旋转磁场的转速称为同步速，它由电机的极数和电源频率所决定，关系式ns=60f/p是一个很重要的公式。与其它电机一样，交流伺服电动机的运行也是由于“电”和“磁”的相互作用。在圆形磁场作用下，交流伺服电动机的转速总是低于同步速，而且随着负载的变化而变化，转差率s就是表征电机转速的一个很重要的物理量。,小 结2,为了能方便地实现转速控制，伺服电动机的定子绕组做成两相绕组，并加以相移900的两相电压。通过改变控制电压的值就可达到控制转速的目的。最后介绍了几点在使用电机时应注意的问题和主要性能指标和技术数据，可供大家选用电机时参考。,
