《交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理》學(xué)習(xí)筆記

伺服控制系統(tǒng)

1. 交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)

1. 交流伺服電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子和編碼器組成

1. 定子結(jié)構(gòu)

   交流伺服電機(jī)的定子是由三相繞組線圈和定子硅鋼體組成。與普通異步電機(jī)的定子基本相同，給三相繞組通上三相交流電，就合成了一個旋轉(zhuǎn)磁場，其工作原理和普通三相電動機(jī)一樣。

2. 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

   交流伺服電機(jī)是一個永磁體。定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場總是要和轉(zhuǎn)子磁極相互吸引，并帶動轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動，使定子磁場的軸心線與轉(zhuǎn)子磁場的軸心線保持同步，轉(zhuǎn)子和定子旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)。

3. 編碼器結(jié)構(gòu)

   編碼器安裝在伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上，碼盤隨著伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。

   伺服編碼器是一個光電編碼器，伺服電機(jī)的精度取決于編碼器分辨率的精度，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，編碼器輸出脈沖反饋到伺服驅(qū)動器，形成一個閉環(huán)控制。

4. 編碼器的工作原理

   結(jié)構(gòu)：碼盤、發(fā)光管、光電接收管、放大整形電路，輸出脈沖。

   碼盤隨著電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動，使光線產(chǎn)生明暗相間的變化，由光敏元件接受，經(jīng)放大整形電路轉(zhuǎn)換為脈沖輸出信號。

   A相、B相兩組條紋相對應(yīng)產(chǎn)生的脈沖信號彼此相差90度相位，用于識別電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，Z相條紋只有一條，電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生一個脈沖。稱為零標(biāo)記信號或1轉(zhuǎn)信號。

   作為伺服系統(tǒng)速度和位置反饋元件，編碼器的作用：

能快速、準(zhǔn)確定位，定位精度高.

1. 伺服電機(jī)的工作原理

1. 同步電動機(jī)用磁鐵的吸引來旋轉(zhuǎn)

   基本原理是磁性的異性相吸、同性相斥。當(dāng)轉(zhuǎn)子帶負(fù)載時，轉(zhuǎn)子和定子就會產(chǎn)生角度，外部定子旋轉(zhuǎn)就會帶動定子旋轉(zhuǎn)，在沒有負(fù)載情況下，轉(zhuǎn)子和定子就會形成直線、重合了，

    

    

2. 三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場代替外側(cè)磁鐵

   在定子通上三相交流電，自動產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，從而帶動定子旋轉(zhuǎn)。

   電流的方向是來回變化的，是一個正弦曲線。電流的方向在一周期內(nèi)變化兩次，外部的磁場就開始旋轉(zhuǎn)了。

   磁力線很多，但都是閉環(huán)的。一旦有負(fù)載，定子的旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子的磁場就會產(chǎn)生偏差，產(chǎn)生的角就叫負(fù)載角，負(fù)載越大偏差越大。負(fù)載在變化時，負(fù)載角也在變化，但是，不能超過90度（π/2）。

   超過90度就會“失步”，所以，π/2也稱為失步角。

    

1. 負(fù)載角的意義

   外部磁場旋轉(zhuǎn)帶動轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，因此，一般說伺服電機(jī)也是同步電機(jī)，但是，在某一時刻它是不同步的。由于負(fù)載是變化的，定子的電流是周期變化的，轉(zhuǎn)子磁場與定子磁場將保持某角度偏差，使轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生與負(fù)載平衡的電磁轉(zhuǎn)矩，此偏差角度稱為負(fù)載角。不過，它們的轉(zhuǎn)速是一樣的。

   負(fù)載角也是不斷變化的，負(fù)載角越大，力矩越大。

2. 伺服電動機(jī)的幾點說明

1. 伺服電機(jī)是一個同步電動機(jī)，即三相交流電源產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，就是電動機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度；

2. 永磁轉(zhuǎn)子通常為二極（也有四極或八極）

3. 伺服電動機(jī)無法自身啟動，在電動機(jī)定子繞組上加上50HZ的三相交流電源，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速過快，永久磁鐵的轉(zhuǎn)子存在慣性，無法迅速跟上，受到左右兩方的引力相等，轉(zhuǎn)子保持靜止；

4. 伺服電機(jī)只有通過伺服驅(qū)動器帶動從0HZ逐步加速到設(shè)定速度；

5. 旋轉(zhuǎn)磁場的N極和S極，與永久磁鐵轉(zhuǎn)子的N極和S極重疊為一條直線時，電機(jī)轉(zhuǎn)矩為0；

6. 永久磁鐵轉(zhuǎn)子的N極和S極相對定子旋轉(zhuǎn)磁場的N極和S極的滯后角為“負(fù)載角”，它隨電機(jī)負(fù)載變化而變化；

7. 同步電機(jī)相對負(fù)載的變動，有兩個轉(zhuǎn)動特性：

1. 負(fù)載增大時，負(fù)載角變大、轉(zhuǎn)矩變大。負(fù)載角為π/2時，轉(zhuǎn)矩最大；

2. 如負(fù)載過大，負(fù)載角＞π/2時，轉(zhuǎn)矩角反而變??；電機(jī)停止轉(zhuǎn)動（失步），故稱π/2為伺服電機(jī)的失步角。

1. 同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速

   伺服電機(jī)是一個同步電機(jī)，交流伺服電機(jī)采用永磁轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速相同：

對于二極定子繞組（極對數(shù)P=1），在供電頻率為50HZ時，n=3000r/min（轉(zhuǎn)/分鐘），伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。

交流伺服電機(jī)調(diào)速主要方法是調(diào)節(jié)定子繞組的供電頻率，即：變頻調(diào)速。

1. 交流伺服電機(jī)與普通電機(jī)的區(qū)別

1. 能快速準(zhǔn)確定位、定位精度高；

2. 機(jī)械特性、剛性好，剛度大；

3. 快速響應(yīng)；

4. 低速大轉(zhuǎn)矩，并有一定的過載轉(zhuǎn)矩；

5. 由于轉(zhuǎn)子是永磁材料，轉(zhuǎn)子中無電流，無能量損失，因此效率高；

6. 調(diào)速范圍寬；

7. 三相異步電機(jī)是邊“轉(zhuǎn)差”邊轉(zhuǎn)動，而伺服電機(jī)是同步轉(zhuǎn)動，僅慢了一個負(fù)載角。

    

1. 伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性

1. 電機(jī)連續(xù)工作的轉(zhuǎn)矩不得超過持續(xù)運轉(zhuǎn)區(qū)；

2. 電機(jī)在啟動、制動、加速度過程中，不得超過短時間運轉(zhuǎn)區(qū)；

3. 在額定轉(zhuǎn)速內(nèi)，輸出有效轉(zhuǎn)矩基本不變；

   電機(jī)主要參數(shù)：

1. 額定轉(zhuǎn)速：電機(jī)在額定電壓、的頻率下的轉(zhuǎn)速；

2. 額定轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下所能輸出的長時間工作轉(zhuǎn)矩；

3. 額定功率：電機(jī)長時間連續(xù)運行所能輸出的最大功率，數(shù)值約為額定轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)速的乘積

    

1. 伺服電動機(jī)的選擇

   原則上應(yīng)根據(jù)負(fù)載條件來選擇，應(yīng)滿足下列條件

1. 在整個調(diào)整范圍內(nèi)，加載伺服電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，應(yīng)在電機(jī)連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)；

2. 最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，負(fù)載周期以及過載時間都在特性曲線準(zhǔn)許范圍內(nèi)；

3. 電機(jī)在加速/減速過程中的轉(zhuǎn)矩應(yīng)在短時間工作區(qū)內(nèi)；

4. 對要求頻繁啟動、制動以及周期性變化的負(fù)載，在一個周期內(nèi)的轉(zhuǎn)矩均方根應(yīng)小于電機(jī)連續(xù)的轉(zhuǎn)矩；

5. 加載電機(jī)軸上的負(fù)載慣量大小對電機(jī)的靈敏度、整個伺服系統(tǒng)的精度產(chǎn)生影響。