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伺服电机相关知识

發布日期:2019-07-16

什么是伺服电机


    伺服电机(servo motor )是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机,是一种补助马达间接变速装置。

    伺服电机可使控制速度,位置精度非常准确,可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制,并能快速反应,在自动控制系统中,用作执行元件,且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性,可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类,其主要特点是,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降。

伺服电机工作原理

一、交流伺服电动机

    交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似。其定子上装有两个位置互差90°的绕组,一个是励磁绕组Rf,它始终接在交流电压Uf上;另一个是控制绕组L,联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。

    交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式,但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性,无“自转”现象和快速响应的性能,它与普通电动机相比,应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。

    目前应用较多的转子结构有两种形式:一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子,为了减小转子的转动惯量,转子做得细长;另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子,杯壁很薄,仅0.2-0.3mm,为了减小磁路的磁阻,要在空心杯形转子内放置固定的内定子。空心杯形转子的转动惯量很小,反应迅速,而且运转平稳,因此被广泛采用。 交流伺服电动机在没有控制电压时,定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场,转子静止不动。当有控制电压时,定子内便产生一个旋转磁场,转子沿旋转磁场的方向旋转,在负载恒定的情况下,电动机的转速随控制电压的大小而变化,当控制电压的相位相反时,伺服电动机将反转。

    交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似,但前者的转子电阻比后者大得多,所以伺服电动机与单机异步电动机相比,有三个显著特点:

    1、起动转矩大:由于转子电阻大,其转矩特性曲线与普通异步电动机相比,有明显的区别。它可使临界转差率S0>1,这样不仅使转矩特性(机械特性)更接近于线性,而且具有较大的起动转矩。因此,当定子一有控制电压,转子立即转动,即具有起动快、灵敏度高的特点。

    2、运行范围较广。

    3、无自转现象:正常运转的伺服电动机,只要失去控制电压,电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后,它处于单相运行状态,由于转子电阻大,定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性(T1-S1、T2-S2曲线)以及合成转矩特性(T-S曲线) 交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。当电源频率为50Hz,电压有36V、110V、220、380V;当电源频率为400Hz,电压有20V、26V、36V、115V等多种。 交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性,并且由于转子电阻大,损耗大,效率低,因此与同容量直流伺服电动机相比,体积大、重量重,所以只适用于0.5-100W的小功率控制系统。

直流伺服电机速度控制原理

    伺服电机工作原理与伺服电机原理虽然在字面上没有太多的不同,当然在意义上的差异也不会大相径庭!

    1.伺服主要靠脉冲来定位,基本上可以这样理解,伺服电机接收到1个脉冲,就会旋转1个脉冲对应的角度,从而实现位移,因为,伺服电机本身具备发出脉冲的功能,所以伺服电机每旋转一个角度,都会发出对应数量的脉冲,这样,和伺服电机接受的脉冲形成了呼应,或者叫闭环,如此一来,系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机,同时又收了多少脉冲回来,这样,就能够很精确的控制电机的转动,从而实现精确的定位,可以达到0.001mm。

    直流伺服电机分为有刷和无刷电机有刷电机成本低,结构简单,启动转矩大,调速范围宽,控制容易,需要维护,但维护方便(换碳刷),产生电磁干扰,对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。 无刷电机体积小,重量轻,出力大,响应快,速度高,惯量小,转动平滑,力矩稳定。控制复杂,容易实现智能化,其电子换相方式灵活,可以方波换相或正弦波换相。电机免维护,效率很高,运行温度低,电磁辐射很小,长寿命,可用于各种环境。

    2.交流伺服电机也是无刷电机,分为同步和异步电机,目前运动控制中一般都用同步电机,它的功率范围大,可以做到很大的功率。大惯量,最高转动速度低,且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。

    3.伺服电机内部的转子是永磁铁,驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场,转子在此磁场的作用下转动,同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器,驱动器根据反馈值与目标值进行比较,调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度(线数)。

简单伺服电机的工作原理

伺服电动机的工作原理及作用:

    伺服电机的作用是驱动控制对象。被控对象的转距和转速受信号电压控制,信号电压的大小和极性改变时,电机的转动速度和方向也跟着变化。

伺服电动机分类:

    交流伺服电动机和直流伺服电动机。

交流伺服电动机:

    原理与两相交流异步电机相同,定子上装有两个绕组—励磁绕组和控制绕组。

    励磁绕组和控制绕组在空间相隔90°。

接线:

    励磁绕组中串联电容C的目的是为了产生两相旋转磁场。

    适当选择电容的大小,可使通入两个绕组的电流相位差接近90°,因此便产生旋转磁场,在旋转磁场的作用下,转子便转动起来。

    例:选择电容,可使交流伺服电机电路中的电压电流的相量关系如图所示。

    (1)U2= 0 时,转子停止。

    这时,虽然U2 =0V,U1仍存在,似乎成单相运行状态,但和单相异步机不同。若单相电机启动运行后,出现单相后仍转。伺服电机不同,单相电压时设备不能转。

    原因:交流伺服电机 R2设计得较大。所以在U2=0时,交流伺服电机的T=f(s)曲线如下页图:

    当U2=0V时,脉动磁场分成的正反向旋转磁场产生的转距T'、T" 的合成转矩T与单相异步机不同。合成转矩的方向与旋转 方向相反,所以电机在U2=0V时,能立即停止,体现了控制信号的作用(有控制电压时转动,无控制电压时不转),以免失控。

    (2)交流伺服电机R2设计得较大,使Sm>1,Tst大,启动迅速,稳定运行范围大。

    (3)控制电压U2大小变化时,转子转速相应变化,转速与电压U2成正比。U2的极性改变时,转子的转向改变。

交流伺服电动机的机械特性曲线( U1=const )


应用:
    交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100W,电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广泛,如用在自动控制、温度自动记录等系统中。

直流伺服电动机
    结构:与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做得细长一些。

    工作原理:与直流电动机相同。

    供电方式:他励。励磁绕组和电枢由两个独立电源供电:

    U1为励磁电压,U2为电枢电压。

由机械特性可知:
    (1)U1(即磁通¢)不变时,一定的负载下,U2↑,n↑。

    (2)U2=0时,电机立即停转。

    反转:电枢电压的极性改变,电机反转。

应用:

    直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。经常用在功率稍大的系统中,它的输出功率一般为1-600W。它的用途很多,如随动系统中的位置控制等。


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