机械制造与自动化专业《直流和交流电动机伺服系统》

1．伺服电动机概念

伺服电动机多应用于自动控制装置的电路中，其作用是将电信号转换成轴上的角位移或角速度，其最大特点是在有控制信号时就旋转，无控制信号时就停转，控制信号强和弱时相应的旋转速度就快和慢，且其转向取决于控制信号的极性。

在闭环伺服驱动系统多采用直流伺服电机和交流伺服电机。伺服电机和普通电机在工作原理方面并无本质的区别，但因控制电机的性能指标不同，所以在结构上有很大的差异。普通电机构成的系统称为电力拖动系统。电力拖动系统对电机性能要求不高，仅仅要求起动和运动状态的性能指标。伺服电机构成的系统常称为伺服驱动系统。伺服驱动系统对伺服电机的要求很高，既要求高精度，又要求动态响应性能好，所以伺服电机比普通电机的价格昂贵。

直流伺服电机同交流伺服电机比拟具有容易调速，调速范围大等优点，所以直流伺服系统一直占主导地位。但是，直流伺服电机结构复杂，造价贵，使用维修不方便。所以人们一直致力于交流伺服电机调速系统的研究工作，最近几年由于微机技术和电子技术的飞速开展，使交流伺服驱动系统的应用得到迅速开展，交流伺服驱动系统有取代了直流伺服驱动系统而占据了主导地位的趋势。

2．直流伺服电动机

〔1〕直流伺服电动机的分类

直流电机具有良好的调速特性，为一般交流电机所不及。因此，在对电机的调速性能和起动性能要求较高的机械设备上，大都采用直流电机驱动，而不顾及结构复杂和价格较贵等的缺点。归纳起来，目前世界上的数控机床用到的直流伺服电机主要有以下几类：

① 改良型直流电动机

如果把传统用的直流电动机在设计时减少转动惯量、增大其过载能力，改良其换向性能，是它在静态与动态特性方面有所改善，就可成为数控机床的进给驱动伺服电动机。在早期的欧美数控机床中较多采用这种改良型的直流电动机。

② 小惯量电动机

随着数控机床的开展，对伺服系统的执行电动机的要求越来越高，主要表现是：尽量小的转动惯量，以保证系统的动态特性；在很低的转速下，能均匀稳定地旋转，以保证低速时的精度；尽量大的过载倍数，以适应经常出现的冲击现象。

一般直流电动机不能到达上述要求，于是出现了这种特殊的直流电动机——小惯量电动机。小惯量电动机也是直流电动机的一种，其特点是：转动惯量小，约为普通直流电动机的1/10；由于电枢反响比拟小，具有良好的换向性能，机电时间常数只有几个毫秒；由于其转子无槽，电气机械均衡性好，尤其在低速时运转稳定而均匀，在转速低达10r/min时，无爬行现象；最大转矩为额定值的10倍。

③ 永磁直流伺服电动机

由于永磁直流伺服电动机能在较大过载转矩下长期的工作以及电动机的转子惯量较前述两种电动机都大，因此它能直接与丝杠相连而不需要中间传动装置。而且因为无励磁回路损耗，所以他的外形尺寸比与其相类似的励磁式直流电动机小。他还有一个特点是可在低速下运转，如能在1r/min甚至在min下平稳的运转。因此，这种电动机在数控机床上获得了广泛的应用。自202170年代至80年代中期，在数控机床应用中，它占据着绝对统治地位，至今，许多数控机床上仍然使用永磁直流伺服电动机。

④ 无刷直流电动机

无刷直流电动机也叫无换向器直流电动机，是由同步电动机和逆变器组成，而逆变器是由装在转子上的转子位置传感器控制。因此，它实质上是交流调速电动机的一种。由于这种电动机的性

能到达直流电动机的水平，又取消了换向器及电刷部件，使电动机寿命大约提高了一个数量级，因此多年来引起人们很大的兴趣。

〔2〕直流伺服电动机的速度控制方法

对于直流电动机，控制速度的方法可以从直流电动机的工作原理来分析。对于已经给定的直流电机，要改变它的转速，有三种方法：①改变电枢回路电阻；②改变气隙磁通量；③改变外加电压。前二种方法的调速特性不能满足数控机床的要求。第三种方法的机械特性如图3-8所示。图中Ue为额定电压值。改变外加电压调速方法的特点是具有恒转矩的调速特性，机械特性好。永磁直流伺服电机的调速都采用这种方式。所以，直流电机控制单元的作用是将转速指令信号改变为相应的电枢电压值。 nn0n 图3-8 不改变外加电压时的机械特性 〔Ue>U1

>U2〕

在数控机床驱动装置中，直流电机速度控制大多采用晶闸管调速系统和晶体管脉宽调制调速系统。下面对这两种控制方式作简单介绍。

① 晶闸管调速装置

晶闸管，又称可控硅，是一种大功率半导体器件，由阳极A、

阴极K和控制极G组成。当阳极与阴极间施加正电压且控制极出现触发脉冲时，可控硅导通。称触发脉冲出现的时刻为触发角，控制触发角即可控制可控硅的导通时间，从而到达控制电压的目的。

晶闸管速度控制只通过改变晶闸管触发角，对电动机进行调速范围较小。为满足数控机床的调速范围需要，可采用带有速度反响的闭环系统。为增加调速特性的硬度，需再加一个电流反响环节，实现双环调速。图3-9所示为一个典型的双环调速系统。 换向控制+-放大器速度放大器取绝对值速度放大器移相触发电流反馈SCR放大器工作台M--速度反馈 图3-9 双环调速系统结构框图 当给定的速度指令信号增大时，调节器输入端会有较大的偏差信号，放大器的输出信号随之加大，触发脉冲前移，整流器输出电压提高，电动机转速相应上升；同时，测速发电机输出电压增加，反响到输入端使偏差信号减小，电动机转速上升减慢，直到反响值等于或接近于给定值时，系统到达新的平衡。

② 脉冲宽度调制器直流调速系统〔简称

调制波发生器+-ASRACRPWM逻辑延时H型开关放大器电机n电流负反馈速度负反馈ns1234θ的空间转速称为同步转速n0，其值为： n060fp

假设电机的实际转速为n，那么电机的转差率为：

sn0nn

n60f(1s)n0(1s)p

故 式中 ——电源电压频率； ——电机磁极对数。

由上式可见，改变异步电动机转速的方法有三种：

① 改变磁极对数调速。磁极对数可变的交流电动机称为多速电动机。通常磁极对数设计成４/２、８/４、６/４、８/６/４等几种。显然，磁极对数只能成对的改变，转速只能成倍的变化。

② 改变转差率调速。只能在绕线式异步电动机中使用，在转子绕组回路中串入电阻，通过改变电阻值的大小，可以改变转差率的大小。串入电阻值大，转差率大，转速低；串入电阻值小，转差率小，转速高。调速系统的调速范围为3：1。

③ 改变频率f调速。如果电源频率能平滑调节，电机转速也就可以平滑改变。目前，高性能交流电动机伺服驱动系统都采用改变频率调速方法，这是一种先进的调速方法，电机从高速到底速其转差率都很小，因而变频调速的效率和功率因数都很高。