控制电机的选择与使用 用于自动控制系统的具有特殊性能的小 功率电机，主要在控制系统中用作信号的检 测（测量）、传递、执行、放大或转换等。 执行元件：交、直流伺服电动机、步进电动机 测量元件：交、直流测速发动机、自整角机和 旋转变压器 能力要求： 1、能分析伺服电机的工作原理与控制过程 2、能根据使用场合选择合适的伺服电机 知识要求： 1、了解伺服电机的结构 2、熟悉伺服电机的工作原理 任务 伺服电机(servomotor )(servomotor ) 的选择与使用 数控加工中心 特殊电机的应用图片 激光打印机 7. 1 伺 服 电 动 机 伺服电动机在自动控制系统中作为执行 元件, 可将控制电信号转换为转轴的角位移 或角速度。通过改变控制电信号的大小和极 性, 可改变电动机的转速大小和转向。 交、直流伺服电动机作为执行元件, 可 用于中高档数控机床的主轴驱动和速度进给 伺服系统, 工业用机器人的关节驱动伺服系 统, 火炮、机载雷达等伺服系统。 自动控制系统对伺服电动机的基本要求 如下： （1）无“自转”现象：即要求控制电机在有 控制信号时迅速转动, 而当控制信号消失时必须立即 停止转动。控制信号消失后, 电机仍然转动的现象称 为自转,自动控制系统不允许有“自转”现象。 （2）空载始动电压低: 电机空载时, 转子从静 止到连续转动的最小控制电压称为始动电压。始动电 压越小, 电机的灵敏度越高。 （3）机械特性和调节特性的线性度好: 线性的 机械特性和调节特性有利于提高系统的控制精度, 能在宽广的范围内平滑稳定地调速。 （4）快速响应性好: 即要求电机的机电时间常 数要小, 堵转转矩要大,转动惯量要小, 转速能随控 制电压的变化而迅速变化。 根据使用电源性质的不同,伺服电动机可分为直 流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。 复习直流电动机的工作原理复习直流电动机的工作原理 图中N和S是一对固定的（主）磁极，用来建立恒定磁场。两磁极之间有一个可以转动 的圆柱形铁心，铁心上固定着线圈abcd。线圈的ad端接在随电枢一起旋转的两片半圆形铜 片上，这两个铜片合称为换向器，换向器固定在转轴上且与转轴绝缘。铁心、线圈和换向 器组合在一起形成电枢。电刷A、B分别与换向片接触而通向外电路。 通电线圈在磁场中要受到磁场力的作用。假设电刷A与电源的正极相连，电刷B与电源 的负极相连，电流经A-d-c-b-a-B形成回路。根据左手定则，线圈ab受力向左，线圈cd受力 向右。这样就形成一个转矩，使电枢逆时针方向旋转， 复习直流电动机的基本结构复习直流电动机的基本结构 直流电机由定子（固定不动）与转子（旋转）两大部分组成， 定子与转子之间有空隙,称为气隙。 定子部分包括主磁极、换向极、电刷、机座等； 转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等。 7.1.1 直流伺服电动机 1. 直流伺服电动机的结构 按结构, 直流伺服电动机可分为传统型和低惯量 型两大类。 1） 传统型直流伺服电动机 传统型直流伺服电动机的结构形式与普通直流电 动机的相同, 只是它的容量和体积要小得多。按励磁 方式, 它又可以分为电磁式和永磁式两种。电磁式直 流伺服电动机的定子铁心通常由硅钢片冲制叠压而成, 励磁绕组直接绕制在磁极铁心上, 使用时需加励磁电 源。永磁式直流伺服电动机的定子上安装由永久磁钢 制成的磁极, 不需励磁电源。 2） 低惯量型直流伺服电动机 低惯量型直流伺服电动机的机电时间常数小, 大大改善了电机的动态特性。常见的低惯量型直 流伺服电动机如下： 1内定子; 2外定子; 3空心杯电枢; 4电刷; 5换向器 图 7 - 1 空心杯形转子直流伺服电动机的结构简图 外定子可以由 永久磁钢制成 , 或通常的电 磁式结构。 内定子由软 磁材料构成 电枢绕组, 沿圆周 的轴向排列成空 心杯形, 再用环氧 树脂固化。 (1) 空心杯形转子直流伺服电动机: 图 7-1 所示为空心杯形转子直流伺服电动机的结构简图。 其定子部分包括一个外定子和一个内定子。外定子可以由永久磁 钢制成, 也可以是通常的电磁式结构。内定子由软磁材料制成, 以减小磁路的磁阻, 仅作为主磁路的一部分。空心杯形转子上的 电枢绕组, 可以采用印制绕组, 也可先绕成单个成型绕组, 然后 将它们沿圆周的轴向排列成空心杯形, 再用环氧树脂固化。电枢 绕组的端侧与换向器相连,由电刷引出。空心杯形转子直接固定 在转轴上, 在内、外定子的气隙中旋转。 (2) 盘式电枢直流伺服电动机: 图 7 - 2 所示为盘式电枢直流伺服电动机的结构简图。其定子由永 久磁钢和前后软磁铁组成, 磁钢放置在圆盘的一侧, 并产生轴向磁场, 它 的极数比较多, 一般制成6极、8极或10极。在磁钢和另一侧的软铁之间放 置盘式电枢绕组。电枢绕组可以是绕线式绕组或印制绕组。绕线 式绕组 先绕制成单个绕组元件, 并将绕好的全部绕组元件沿圆周径向排列, 再用 环氧树脂浇制成圆盘形。印制绕组采用与制造印制电路板相类似的工艺制 成。盘形电枢上的电枢绕组中的电流沿径向流过圆盘表面, 并与轴向 磁 通相互作用产生电磁转矩。因此, 绕组的径向段为有效部分, 弯曲段为端 接部分。 1软磁铁; 2磁钢; 3电枢绕组; 4换向器 图 7 - 2 盘式电枢直流伺服电动机的结构简图 图 7 - 3 无槽电枢直流伺服电动机示意图 (3) 无槽电枢直流伺服电动机: 无槽电枢直流伺服电动机的电枢铁心上不开槽,电枢绕 组直接排列在铁心圆周表面, 再用环氧树脂将它和电枢铁心 固化成一个整体, 如图7-3 所示。这种电机的转动惯量和电 枢绕组的电感比前面介绍的两种无铁心转子的电机要大些, 动态性能也比它们差。 此外, 还有无刷直流伺服电动机, 它可以实现无接触( 无刷)电子换向, 既具有直流伺服电动机良好的机械特性和 调节特性, 又具有交流电动机维护方便、运行可靠的优点。 2. 直流伺服电动机的工作原理与控制方式 直流伺服电动机的工作原理与普通直流电动机 的相同。只要在其励磁绕组通入电流且产生磁通, 当电枢绕组中通过电流时, 电枢电流就与磁通相互 作用产生电磁转矩, 使电动机转动。这两个绕组其 中一个断电时, 电动机立即停转, 无自转现象。 直流伺服电动机工作时有两种控制方式, 即电枢控制方 式和磁场控制方式。永磁式的直流伺服电动机只有电枢控制 方式。电枢控制方式是励磁绕组接恒定的直流电源, 产生额 定磁通, 电枢绕组接控制电压, 当控制电压的大小和方向改 变时, 电动机的转速和转向随之改变，当控制电压消失时, 电枢停止转动。磁场控制方式是将电枢绕组接到恒定的直流 电源, 励磁绕组接控制电压, 在这种控制方式下, 当控制电 压消失时, 电枢停止转动, 但电枢中仍有很大的电流, 相当 于普通直流电动机的直接启动电流, 因而损耗的功率很大, 还容易烧坏换向器和电刷, 此外, 电动机的特性为非线性。 因此, 自动控制系统中一般采用电枢控制方式。 3. 直流伺服电动机的静态特性(电枢控制方式) 1) 机械特性 采用电枢控制方式的直流伺服电动机, 当控制电压 Uc = 常数时, 磁通=常数（不考虑电枢反应）,其转速 n 与电磁 转矩 T 之间的关系曲线 n = f ( T )称为机械特性。直流伺 服电动机的机械特性表达式与他励直流电动机的机械特性表 达式相同, 为 ( 7 1 ) 式中: n0电动机的理想空载转速 , n0 = Uc( e)。n0 与控制电压 Uc 成正比。 式(7 - 1)表明, 电动机的转速 n 与电磁转矩 T 为线性关系, 在控制电压不同时, 机械特性为一组平行 的直线, 如图7- 4 所示。 图 7 - 4 直流伺服电动机的机械特性 从图7- 4 中可以看出: 控制电压 Uc 一定时, 电磁转矩越大, 电动机的转速越低; 控制电压升高, 机械特性向右平移, 堵转转矩 Td 成正比地增大。 2) 调节特性 在电动机的电磁转矩 T=常数时, 伺服电动机的 转速 n 与控制电压 Uc 之间的关系曲线 n = f ( Uc )称为调节特性。由式（7 - 1）可知, 在 T=常数时, 磁通=常数, 转速 n 与控制电压 Uc 为线性关系, 转矩 T 不同时, 调节特性是一组平行的直线, 如图7 - 5所示。 图 7 - 5 直流伺服电动机的调节特性 在 T 一定时, 控制电压 Uc 升高, 转速 n 也升高； 负载转矩增大, 即 T 增大, 调节特性向右平移, 始动电压 Uc0 成正比地增大。 从图7-5中可以看出：在 T 一定时, 控制电压 Uc 升高, 转速 n 也升高；负载转矩增大, 即 T 增大, 调节特性向右 平移, 始动电压 Uc0 成正比地增大。例如在L = T1时,只有当 控制电压 Uc Uc01 时, 电动机才能转起来, 而当c=0Uc01时 , 电动机不转, 我们称0Uc01 区间为失灵区或死区, 电压 Uc01 称为始动电压。负载转矩 TL 不同, 始动电压也不同, TL 越大, 始动电压越大,且始动电压或失灵区的大小与负载转矩 成正比。T = 0时的特性为理想空载特性, 这时只要有控制电 压 Uc , 电动机就转动。实际空载时, T = T00 , 始动电压 不为零, T0越大, 需要的始动电压越大。 4. 直流伺服电动机的应用 电子电位差计是用伺服电动机作为执行元件的闭环 自动测温系统, 常用于工业企业的加热炉温度测量, 它的 基本电路原理图如图7-6所示。其基本工作原理是：测温 系统工作时, 金属热电偶 1 处于炉膛中, 并产生与温度对 应的热电动势, 经补偿和放大后得到与温度成正比的热 电压 Ut , 然后与工作电源 Ug 经变阻器的分压 UR 进行比 较, 得到误差电压 , 若 为正, 则经放 大后加在伺服电动机 3 上的控制电压 Uc 为正, 伺服电动 机正转, 经变速机构带动变阻器和温度指示器指针顺时 针方向偏转, 一方面指示温度值升高, 另一方面变阻器 分压 UR 升高, 使误差电压 减小。当伺服电动机旋 转至使 U = Ut时, 误差电压 变为零, 伺服电动机的 控制电压也为零, 电动机停止转动, 则温度指示器指针 也就停止在某一对应位置上, 指示出相应的炉温。若 误差电压 为负, 则伺服电动机的控制电压也为负,电 动机将反转, 带动变阻器及温度指示器指针逆时针方 向偏转, UR 减小, 直至 为零, 电动机才停止转动,指 示炉温较低。 1热电偶; 2放大器; 3伺服电动机; 4变速机构; 5变阻器; 6温度指示器 图 7 - 6 电子电位差计的基本电路原理图 交流伺服电动机交流伺服电动机 特点：有控制电压时立即旋转，无控制电压时立即停转 作用：将输入的电压信号（即控制电压）转换成轴上的角位移 或角速度输出。 分类：同步、异步 7.1.2交流伺服异步电动机结构 实质：两相异步电动机（与单相异步电动机相似） 组成：定子：励磁绕组F、控制绕组C 转子 鼠笼式 空心杯形转子 1） 高电阻率导条的笼型转子 高电阻率导条的笼型转子结构与普通笼型异步电 动机的类似, 但是为了减小转子的转动惯量, 转子做得 细而长。转子笼条和端环既可采用高电阻率的导电材 料(如黄铜、青铜等)制造, 也可采用铸铝转子。 非磁性空心杯形转子 非磁性空心杯形转子的结构如图7-7所示。定子分外定子铁心和 内定子铁心两部分,由硅钢片冲制后叠成。外定子铁心槽中放置空间 相距 90电角度的两相绕组。内定子铁心中不放绕组, 仅作为磁路的 一部分,以减小主磁通磁路的磁阻。空心杯形转子由非磁性铝或铝合 金制成, 放在内、外定子铁心之间, 并固定在转轴上。 1机壳; 2外定子; 3杯形转子;4内定子; 5端盖 图 7 - 7 非磁性空心杯