交流伺服电动机原理

- 1 - 交流伺服电动机原理？ 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）。 伺服电动机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。 又称执行电动机，在自动控制系统中，用作 执行元件，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， 作用：伺服电机,可使控制速度,位置精 度非常准确。 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 - 2 - 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。 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。 伺服电动机基本知识讲解 伺服电动机 伺服电动机又叫执行电动机，或叫控制电 动机。在自动控制系统中，伺服电动机是一 个执行元件，它的作用是把信号（控制电压 或相位）变换成机械位移，也就是把接收到 的电信号变为电机的一定转速或角位移。其 - 3 - 容量一般在 0.1-100W,常用的是 30W 以下。 伺服电动机有直流和交流之分。 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，如图 1 所示。 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，如图 2 所示。空心杯形转子的 - 4 - 转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳， 因此被广泛采用。 图 1 交流伺服电动机原理图 图 2 空心杯形转子伺服电动机结构 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 - 5 - 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， 其转矩特性曲线如图 3 中 曲线 1 所示， 与普通异步电动机的转矩特性 曲线 2 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。 - 6 - 图 3 伺服电动机的转矩特性 2、运行范围较宽 如图 3 所示，较差率 S 在 0 到 1 的范围内 伺服电动机都能稳定运转。 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（T 1－S1、T2－S2 曲线）以及合成转矩特性 （T－S 曲线）如图 4 所示，与普通的单相 异步电动机的转矩特性（图中 T′－S 曲线） 不同。这时的合成转矩 T 是制动转矩，从而 使电动机迅速停止运转。 - 7 - 图 4 伺服电动机单相运行时的转矩特性 图 5 是伺服电动机单相运行时的机械特性 曲线。负载一定时，控制电压 Uc 愈高，转 速也愈高，在控制电压一定时，负载增加， 转速下降。 图 5 伺服电动机的机械特性 交流伺服电动机的输出功率一般是 0.1-100 W。当电源频率为 50Hz，电压有 36V、11 0V、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。 二、直流伺服电动机 直流伺服电动机的结构和一般直流电动机 - 8 - 一样，只是为了减小转动惯量而做得细长一 些。它的励磁绕组和电枢分别由两个独立电 源供电。 也有永磁式的， 即磁极是永久磁铁。 通常采用电枢控制，就是励磁电压 f 一定， 建立的磁通量 Φ 也是定值， 而将控制电压 U c 加在电枢上，其接线图如图 6 所示。 图 6 直流伺服电动机接线图 直流伺服电动机的机构特性（n=f(T)）和直 流他励电动机一样，也用下式表示： n=Uc/KE?Φ-Ra/KE?KT?Φ?T 图 7 是直流伺服电动机在不同控制电压下 （Uc 为额定控制电压）的机械特性曲线。 由图可见：在一定负载转矩下，当磁通不变 时， 如果升高电枢电压， 电机的转速就升高； 反之，降低电枢电压，转速就下降；当 Uc ＝0 时，电动机立即停转。要电动机反转， 可改变电枢电压的极性。 - 9 - 图 7 直流伺服电动机的 n=f(T)曲线 直流伺服电动机和交流伺服电动机相比，它 具有机械特性较硬、 输出功率较大、 不自转， 起动转矩大等优点。 交流的伺服电动机的原理 交流伺服电机的定子装有三相对称的绕组， 而转子是永久磁极。当定子的绕组中通过三 相电源后，定子与转子之间必然产生一个旋 转场。这个旋转磁场的转速称为同步转速。 电机的转速也就是磁场的转速。由于转子有 磁极，所以在极低频率下也能旋转运行。所 以它比异步电机的调速范围更宽。而与直流 伺服电机相比，它没有机械换向器，特别是 它没有了碳刷，完全排除了换向时产生火花 对机械造成的磨损，另外交流伺服电机自带 一个编码器。可以随时将电机运行的情况 - 10 - “报告”给驱动器，驱动器又根据得到的“报 告”更精确的控制电机的运行。由此可见交 流伺服电机优点确实很多。可是技术含量也 高了，价格也高了。