《伺服电动机》PPT课件

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1、 控 制 电 机 控制电机是在普通旋转电机基础上产生的特殊功能的小型旋转电机。控制电机在控制系统中作为执行元件、检测元件和运算元件。 控 制 电 机 从工作原理上看，控制电机和普通电机没有本质上的差异，但普通电机功率大，侧重于电机的启动、运行和制动等方面的性能指标，而控制电机输出功率较小，侧重于电机控制精度和响应速度。 控 制 电 机 控制电机按其功能和用途可分为信号检测和传递类控制电机及动作执行类控制电机两大类。执行电机包括伺服电机、步进电机和直线电机；信号检测和传递电机包括测速发电机、旋转变压器和自整角机等。 伺服电动机 伺服电动机的作用是将输入的电压信号（即控制电压）转换成轴上的角位移或

2、角速度输出。 在自动控制系统中常作为执行元件，所以伺服电动机又称为执行电动机。 伺服电动机最大特点： 有控制电压时转子立即旋转，无控制电压时转子立即停转。 转轴转向和转速是由控制电压的方向和大小决定的。 伺服电动机分类： 伺服电动机分为交流和直流两大类。 基 本 结 构 交流伺服电动机主要由定子和转子构成，如图所示。 1外定子铁心；2杯形转子； 3内定子铁心；4转轴；5轴承；6定子绕组 杯形转子伺服电动机结构图 定子铁心通常用硅钢片叠压而成。 定子铁心表面的槽内嵌有两相绕组，其中一相绕组是励磁绕组，另一相绕组是控制绕组。 1外定子铁心；2杯形转子； 3内定子铁心；4转轴；5轴承；6定子绕组 杯

3、形转子伺服电动机结构图 励磁绕组和控制绕组： 两相绕组在空间位置上互差90电角度。 工作时励磁绕组与交流励磁电源相连，控制绕组加控制信号电压 。 kU 交流伺服电动机原理图 转子的形式有两种:笼式转子空心杯转子转子: 笼式转子:其绕组由高电阻率的材料制成，绕组的电阻较大，笼式转子结构简单，但其转动惯量较大。空心杯转子:它由非磁性材料制成杯形，可看成是导条数很多的笼式转子，其杯壁很薄，因而其电阻值较大。 转子在内外定子之间的气隙中旋转，因空气隙较大而需要较大的励磁电流。空心杯形转子的转动惯量较小，响应迅速。 工 作 原 理 交流伺服电动机的工作原理和电容分相式单相异步电动机相似。 在没有控制电压

4、时，气隙中只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子上没有启动转矩而静止不动。 当有控制电压且控制绕组电流和励磁绕组电流不同相时，则在气隙中产生一个旋转磁场并产生电磁转矩，使转子沿旋转磁场的方向旋转。 但是对伺服电动机要求不仅是在控制电压作用下就能启动，且电压消失后电动机应能立即停转。如果伺服电动机控制电压消失后像一般单相异步电动机那样继续转动，则出现失控现象，我们把这种因失控而自行旋转的现象称为自转。 自转: 为消除交流伺服电动机的自转现象，必须加大转子电阻r2。 这是因为当控制电压消失后，伺服电动机处于单相运行状态，若转子电阻很大，使临界转差率sm1，这时合成转矩的方向与电机旋转方向相反，是一个制动

5、转矩，这就保证了当控制电压消失后转子仍转动时，电动机将被迅速制动而停下。 转子电阻加大后，不仅可以消除自转，还具有扩大调速范围、改善调节特性、提高反应速度等优点。 消除交流伺服电动机的自转现象: 控制方法 可采用下列三种方法来控制伺服电动机的转速高低及旋转方向。 （1）幅值控制 保持控制电压与励磁电压间的相位差不变，仅改变控制电压的幅值。 （2）相位控制 保持控制电压的幅值不变，仅改变控制电压与励磁电压间的相位差。 （3）幅-相控制 同时改变控制电压的幅值和相位。 交流伺服电动机的输出功率一般在100W以下。 电源频率为50Hz时，其电压有36V, 100V, 220V, 380V数种。 当频

6、率为400Hz时，电压有20V，36V，115V多种。 交流伺服电动机运行平稳，噪音小，但控制特性为非线性并且因转子电阻大而使损耗大，效率低。 与同容量直流伺服电动机相比体积大，质量大，所以只适用于0.5W100W的小功率自动控制系统中。应用： 直流伺服电动机 1 基 本 结 构 传统的直流伺服电动机动实质是容量较小的普通直流电动机。 有他励式和永磁式两种，其结构与普通直流电动机的结构基本相同。 基 本 结 构 杯形电枢直流伺服电动机的转子由非磁性材料制成空心杯形圆筒，转子较轻而使转动惯量小，响应快速。转子在由软磁材料制成的内、外定子之间旋转，气隙较大。 无刷直流伺服电动机用电子换向装置代替了

7、传统的电刷和换向器，使之工作更可靠。它的定子铁心结构与普通直流电动机基本相同，其上嵌有多相绕组，转子用永磁材料制成。 2基本工作原理 传统直流伺服电动机的基本工作原理与普通直流电动机完全相同。 依靠电枢电流与气隙磁通的作用产生电磁转矩，使伺服电动机转动。 通常采用电枢控制方式，即在保持励磁电压不变的条件下，通过改变电枢电压来调节转速。电枢电压越小，则转速越低；电枢电压为零时，电动机停转。由于电枢电压为零时电枢电流也为零，电动机不产生电磁转矩，不会出现“自转”。 小结 伺服电动机在自动控制系统中作为执行元件，改变其控制电压的大小和极性时，可以相应地改变其转速的大小和旋转的方向。伺服电动机有交流、

8、直流两种形式。交流伺服电动机有幅值、相位、幅相三种控制方式，可以通过加大转子电阻的方法消除“自转”现象。直流伺服电动机通过调节电枢电压来控制转速，无“自转”现象。 实验相关知识v 光电编码器原理v光电编码器，是通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。v光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。v光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。 光电编码器原理v 由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图所示；v通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

9、此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90度的两路脉冲信号。 原理图示意图 光电编码分类v根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。v根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。 增量式编码器 v增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90.每相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。 绝对式编码器 v绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透

10、光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。目前国内已有16位的绝对编码器产品。 绝对式编码器的特点v可以直接读出角度坐标的绝对值；v没有累积误差；v电源切除后位置信息不会丢失。 混合式绝对值编码器 v它输出两组信息： 一组信息用于检

11、测磁极位置，带有绝对信息功能； 另一组则完全同增量式编码器的输出信息。 应用v数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。举例 汽车方向盘顺时针和逆时针旋转时，其最大旋转角度均为两圈半，选用分辨率为360个脉冲/圈的编码器，其最大输出脉冲数为900个；实际使用的计数电路用3片74LS193组成，在系统上电初始化时，先对其进行复位(CLR信号)，再将其初值设为800H，即2048(LD信号)；如此，当方向盘顺时针旋转时，计数电路的输出范围为20482948，当方向盘逆时针旋转时，计数电路的输出范围为20481148；计数电路的数据输出D0D11送至数据处理

12、电路。 PLC与伺服之间的连接方式 vPLC-轴定位模块-伺服驱动器 vPLC-控制卡-伺服控制器 v小型PLC，不提供轴定位模块 v3种控制伺服 一是转矩控制二是速度控制三是位置控制 注释 根据不同的控制方式，PLC给驱动器发出信号不同，如果是扭矩控制和速度控制一般是用模拟量来控制，一般的位置控制是用发送脉冲的方式控制，也有用模拟量控制速度，然后通过光栅尺反馈来做位置控制的；当然所有的这些控制方式，也都可以通过通讯的方式进行控制，欧洲现在常用的方式是通过CAN通讯来实现，日本的用CC-LINK和MECHATROLINK的方式比较多. 实验说明v信号符号连接器针编号码说明v P-OT CN1-

13、42 信号线为L(0 V) 时伺服电机可以正转。v N-OT CN1-43 信号线为L(0 V) 时伺服电机可以反转。v /S-ON CN1-40 信号线为L(0 V) 时伺服ON。此时，请再调整为伺服OFF 的状态。v +24VIN CN1-47 顺序信号用的控制电源供给端子。 v请确认没有输入指令。v 当为速度、扭矩控制用时，将V-REF(CN1-5)，T-REF(CN1-9) 固定在0V。v 当为位置控制用时，将PULS(CN1-7)，SIGN(CN1-11) 固定在L 处。v伺服信号ON,将/S-ON(CN1-40) 信号置于0V。如果情况正常，则伺服电机通电。 速度控制模式( 设定为

14、Pn000.1= “0”)v 1. 请将速度指令输入(V-REF，CN1-5) 的电压缓缓提升。伺服电机运行。v 2. 使用监视模式Un000 伺服电机的实际转速Un001 速度指令v 3. 当将指令电压指令为0V，而伺服电机仍然以微小的速度在旋转时，速度扭矩指令偏移的自动调整或速度扭矩指令偏移的手动调整，进行指令电压的修正。v 4. 变更转速、旋转方向时，请重新设定以下的用户常数。 v Un000 伺服电机的实际转速v Un001 速度指令v Pn300 速度指令输入增益v Pn000.0 选择旋转方向 位置控制模式( 设定为Pn000.1= “1”)v请通过用户常数“Pn200.0”的设定

15、，使指令脉冲形态与上级装置的输出形态相符v Un000 伺服电机的实际转速v Un007 指令脉冲的速度显示v Un008 位置偏移量v Pn202，Pn203 电子齿轮比v Pn201 PG 分频比设定v Pn000.1 功能选择基本开关：控制方式选择v Pn000.0 功能选择基本开关：旋转方向选择 v功能选择开关的设定Pn000 Pn003 进行控制方式的选择，以及在警报发生时的停止方法等基本功能、应用功能的选择。伺服增益等的常数设定vPn100 Pn118 对速度环增益、位置环增益等的数值进行设定。v位置控制关系的常数Pn200 Pn205 对指令脉冲的输入形态和电子齿轮比的设定等位置

16、控制关系的参数进行设定。v速度控制关系的常数Pn300 Pn308 对速度指令输入增益、软起动的加、减速时间设定等速度控制关系的参数进行设定。v扭矩控制关系的常数Pn400 Pn407 对扭矩指令输入增益、正反转扭矩限制值的设定等扭矩控制关系的参数进行设定。v顺序关系的常数Pn500 Pn510 对各种顺序信号输出条件的设定和输入、输出信号的选择以及分配进行变更。 v其它Pn600 Pn601 外置式再生电阻器的容量指定以及预约常数。v辅助功能的执行Fn000 Fn012 执行JOG 模式运行等辅助性的功能。v监视模式Un000 Un00D 速度和扭矩指令值的监视，可以通过监视确认输入/ 输出

17、信号的ON/OFF。 使用/ 不使用输入信号的切换v Pn50A.3 2( 出厂时的设定)使用禁止正转输入信号(P-OT)。v (CN1-42 为开，则禁止正转；为0V，则允许正转。)v 8 不使用禁止正转输入信号(P-OT)。v ( 通常允许正转。将CN1-42 设为0V，与短路起同等作用)v Pn50B.0 3( 出厂时的设定)使用禁止反转输入信号(N-OT)。v (CN1-43 为开，则禁止反转；为0V，则允许反转。)v 8 不使用禁止反转输入信号(N-OT)。 v ( 通常允许反转。将CN1-43 设为0V，与短路起同等作用)v Pn001.1 选择超程时的电机停止方法出厂时设定0速度、扭矩控制位置控制