【原】《交流伺服电机的结构及工作原理》学习笔记

《交流伺服电机的结构及工作原理》学习笔记

伺服控制系统

1. 交流伺服电机的结构

1. 交流伺服电机主要由定子、转子和编码器组成

1. 定子结构

   交流伺服电机的定子是由三相绕组线圈和定子硅钢体组成。与普通异步电机的定子基本相同，给三相绕组通上三相交流电，就合成了一个旋转磁场，其工作原理和普通三相电动机一样。

2. 转子结构

   交流伺服电机是一个永磁体。定子产生的旋转磁场总是要和转子磁极相互吸引，并带动转子一起转动，使定子磁场的轴心线与转子磁场的轴心线保持同步，转子和定子旋转磁场同步旋转。

3. 编码器结构

   编码器安装在伺服电机的转子转轴上，码盘随着伺服电机的转动而转动。

   伺服编码器是一个光电编码器，伺服电机的精度取决于编码器分辨率的精度，当电机旋转时，编码器输出脉冲反馈到伺服驱动器，形成一个闭环控制。

4. 编码器的工作原理

   结构：码盘、发光管、光电接收管、放大整形电路，输出脉冲。

   码盘随着电机转轴的转动，使光线产生明暗相间的变化，由光敏元件接受，经放大整形电路转换为脉冲输出信号。

   A相、B相两组条纹相对应产生的脉冲信号彼此相差90度相位，用于识别电动机的旋转方向，Z相条纹只有一条，电机每旋转一周产生一个脉冲。称为零标记信号或1转信号。

   作为伺服系统速度和位置反馈元件，编码器的作用：

能快速、准确定位，定位精度高.

 

1. 伺服电机的工作原理

1. 同步电动机用磁铁的吸引来旋转

   基本原理是磁性的异性相吸、同性相斥。当转子带负载时，转子和定子就会产生角度，外部定子旋转就会带动定子旋转，在没有负载情况下，转子和定子就会形成直线、重合了，

    

    

2. 三相交流电产生旋转磁场代替外侧磁铁

   在定子通上三相交流电，自动产生旋转磁场，从而带动定子旋转。

   电流的方向是来回变化的，是一个正弦曲线。电流的方向在一周期内变化两次，外部的磁场就开始旋转了。

   磁力线很多，但都是闭环的。一旦有负载，定子的旋转磁场和转子的磁场就会产生偏差，产生的角就叫负载角，负载越大偏差越大。负载在变化时，负载角也在变化，但是，不能超过90度（π/2）。

   超过90度就会“失步”，所以，π/2也称为失步角。

    

1. 负载角的意义

   外部磁场旋转带动转子同步旋转，因此，一般说伺服电机也是同步电机，但是，在某一时刻它是不同步的。由于负载是变化的，定子的电流是周期变化的，转子磁场与定子磁场将保持某角度偏差，使转子上产生与负载平衡的电磁转矩，此偏差角度称为负载角。不过，它们的转速是一样的。

   负载角也是不断变化的，负载角越大，力矩越大。

2. 伺服电动机的几点说明

1. 伺服电机是一个同步电动机，即三相交流电源产生的旋转磁场转速，就是电动机转子的旋转速度；

2. 永磁转子通常为二极（也有四极或八极）

3. 伺服电动机无法自身启动，在电动机定子绕组上加上50HZ的三相交流电源，所产生的旋转磁场转速过快，永久磁铁的转子存在惯性，无法迅速跟上，受到左右两方的引力相等，转子保持静止；

4. 伺服电机只有通过伺服驱动器带动从0HZ逐步加速到设定速度；

5. 旋转磁场的N极和S极，与永久磁铁转子的N极和S极重叠为一条直线时，电机转矩为0；

6. 永久磁铁转子的N极和S极相对定子旋转磁场的N极和S极的滞后角为“负载角”，它随电机负载变化而变化；

7. 同步电机相对负载的变动，有两个转动特性：

1. 负载增大时，负载角变大、转矩变大。负载角为π/2时，转矩最大；

2. 如负载过大，负载角＞π/2时，转矩角反而变小；电机停止转动（失步），故称π/2为伺服电机的失步角。

1. 同步电机的转速

   伺服电机是一个同步电机，交流伺服电机采用永磁转子，其转速与同步转速相同：

对于二极定子绕组（极对数P=1），在供电频率为50HZ时，n=3000r/min（转/分钟），伺服电机的额定转速。

交流伺服电机调速主要方法是调节定子绕组的供电频率，即：变频调速。

 

1. 交流伺服电机与普通电机的区别

1. 能快速准确定位、定位精度高；

2. 机械特性、刚性好，刚度大；

3. 快速响应；

4. 低速大转矩，并有一定的过载转矩；

5. 由于转子是永磁材料，转子中无电流，无能量损失，因此效率高；

6. 调速范围宽；

7. 三相异步电机是边“转差”边转动，而伺服电机是同步转动，仅慢了一个负载角。

    

1. 伺服电机的转矩特性

1. 电机连续工作的转矩不得超过持续运转区；

2. 电机在启动、制动、加速度过程中，不得超过短时间运转区；

3. 在额定转速内，输出有效转矩基本不变；

   电机主要参数：

1. 额定转速：电机在额定电压、的频率下的转速；

2. 额定转矩：电机在额定转速下所能输出的长时间工作转矩；

3. 额定功率：电机长时间连续运行所能输出的最大功率，数值约为额定转矩与额定转速的乘积

    

1. 伺服电动机的选择

   原则上应根据负载条件来选择，应满足下列条件

1. 在整个调整范围内，加载伺服电机轴上的负载转矩，应在电机连续额定转矩范围内；

2. 最大负载转矩，负载周期以及过载时间都在特性曲线准许范围内；

3. 电机在加速/减速过程中的转矩应在短时间工作区内；

4. 对要求频繁启动、制动以及周期性变化的负载，在一个周期内的转矩均方根应小于电机连续的转矩；

5. 加载电机轴上的负载惯量大小对电机的灵敏度、整个伺服系统的精度产生影响。