伺服電動機

一、能力目標 二、儀器與設備 三、項目要求 （一）測試直流伺服電動機的機械特性 1．按圖18-1接線。圖中電動機采用他勵接法，TG選用永磁式直流測速發電機，Rf2選用1800Ω電阻，R1選用540Ω電阻。R2選用180Ω阻值采用分壓器接法，RL選用2250Ω阻值，A1、A3選用200mA檔，A2、A4選用安培表。伺服電動機

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2．把Rf1調至最小，R1、R2、RL調至最大，開關Q1、Q2打開。先接通勵磁電源，再接通電樞電源，并調至220V，電機運行后把R1調至最小。 3．合上開關Q1，調節直流測功機勵磁電流If2=100mA校正值不變。逐漸減小RL阻值（注：先調1800Ω阻值，調到最小后用導線短接），并增大Rf1阻值，使n=nN=1600r/min，Ia=IN=1.2A，U=UN=220V，此時電機勵磁電流為額定勵磁電流。 4．保持此額定電流不變，逐漸增加RL阻值，從額定負載到空載（斷開開關Q1），測取其機械特性n=f(T)。記錄n、Ia、IF。伺服電動機

5．調節電樞電壓為U=160V，調節Rf1，保持電動機勵磁電流的額定電流If=IfN，減小RL阻值，使Ia=1A，再增大RL阻值，一直到空載，其間記錄。 6．調節電樞電壓為U=110V，保持If=IfN不變，減小RL阻值，使Ia=0.8A，再增大RL阻值，一直到空載，其間記錄。伺服電動機

（二）測試直流伺服電動機的調節特性 1．保持、不變。調節RL使電動機輸出轉矩為額定輸出轉矩時的IF值并保持不變，即保持直流測功機輸出電流為額定輸出轉矩時的電流值（額定輸出轉矩，調節直流伺服電動機電樞電壓，測取直流伺服電動機的調節特性，直到n=100r/min記錄。

2．保持電動機輸出轉矩，重復以上實驗，記錄7-8組數據。伺服電動機

3．保持電動機輸出轉矩（即直流測功機與直流伺服電動機脫開，直流伺服電動機直接與測速發電機同軸聯接），調節直流伺服電動機電樞電壓。當調至最小后合上開關Q2，減小分壓電阻R2，直至n=0r/min，其間取7-8組數據記錄。 （三）測試空載始動電壓和檢查空載轉速的不穩定性 1．在空載狀態下啟動電機，把電樞電壓調至最小后，合上開關Q2，逐漸減小R2直至n=0r/min，再慢慢增大分壓電阻R2，即使電樞電壓從零緩慢上升，直至轉速開始連續轉動，此時的電壓即為空載始動電壓。伺服電動機

2．正、反向各做三次，取其平均值作為該電機始動電壓，將數據記錄。 （四）測試交流伺服電動機幅值控制時的機械特性和調節特性 1．測試交流伺服電動機 時的機械特性

（1）按圖18-2接線。 （2）啟動三相交流電源，調節調壓器，時 ，再調節單相調壓器T2使 。（3）調節伺服電動機所帶負載，逐次增大力矩T，記錄電機轉速n。伺服電動機

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2．測試交流伺服電動機 時的機械特性 （1）保持 不變，調節單相變壓器T2使 。 （2）重復上述步驟，將所測數據記錄。 3．測試交流伺服電動機的調節特性

（1）調節三相調壓器使 ，并使電動機空載。逐次調節單相調壓器T2。使控制電壓UC從220V逐次減小到0V。

（2）將每次所測的控制電壓UC與電動機轉速n記錄。伺服電動機

（五）測試交流伺服電動機幅值—相位控制時的機械特性 1．實測交流伺服電動機 ，（即 ）時的機械特性 （1）調節單相調壓器T2使 。調節電動機所帶負載，從空載逐漸增大負載轉矩。 （2）記錄電動機從空載至堵轉時，電動機負載轉矩T及轉速n。伺服電動機

2．實測交流伺服電動機 （即 ）時的機械特性 （1）調節三相交流電源和單相調壓器使 ，重復上面實驗，將數據記錄于表18-12中。 四．伺服電動機的構造及工作原理 伺服電動機，按電流種類可分為直流伺服電動機和交流伺服電動機兩大類。 （一）直流伺服電動機 直流伺服電動機的結構和工作原理與普通小型直流電動機相同。有永磁式和電磁式兩種基本結構型式。電磁式直流伺服電動機勵磁方式采用他勵方式；永磁式直流伺服電動機也可看作是一種他勵式直流電動機。伺服電動機

一般用電壓信號控制直流伺服電動機的轉向和轉速大小。按照控制方式不同，直流伺服電動機又分為電樞控制和磁場控制兩種形式，電樞控制方式中，控制電壓Ua加到電樞繞組兩端；改變電磁式直流伺服電動機勵磁繞組電壓Uf的方向和大小的控制方式，叫磁場控制。由于電樞控制可以得到線性的機械特性和調節特性；電樞電路電感比較小，電磁慣性小，反應比較靈敏。所以用的比較多

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電樞控制時 直流伺服電動機的原理圖如圖18-4所示。勵磁繞組通常接到電壓為電動機的額定值的電源上進行勵磁。電樞繞組就是控制繞組，當控制繞組加控制電壓以后，電動機就轉動；控制繞組電壓消失，電動機就立即停轉。電樞控制的直流伺服電動機的機械特性和他勵直流電動機改變電壓時的人為機械特性一樣。 電樞電壓即控制電壓，為實際控制電壓與額定電壓之比，叫做信號系數。通常額定控制電壓也就是電動機的額定電壓。因此機械特性方程式可表示為伺服電動機

當控制信號不同時，即Ua不同時，機械特性為一組平行的直線，如圖18-5(a)所示。當Ua大小一定時，轉矩T增加時，轉速n下降；反之，當轉矩T減小時，轉速n上升。

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電動機在一定的負載轉矩下，轉速n與控制電壓UK的關系稱為電動機的調節特性。由機械特性方程式 可知，當T為常數時， 是一個線性函數，是一個直線方程，直線的斜率為 。 當 時 因此，伺服電動機的調節特性如圖18-5(b)所示。伺服電動機

從直流伺服電動機的調節特性上看出，T一定時，轉速n與控制電壓Ua之間成正比關系。另外，還可以看出，當n=0時，不同的轉矩T需要的控制電壓Ua也不同。例如：T=T1，Ua=U1，表示只有當控制電壓Ua>U1的條件下，電動機才能轉起來。另外，控制電壓從0～U1一段范圍內，電動機不轉，故此區域稱為電動機的死區或失靈區，稱Ul為始動電壓。顯然，負載越大，死區也越大。空載時，只要有信號電壓Ua，電動機就轉動。因此直流伺服電動機的調節特性也是很理想的。伺服電動機

直流伺服電動機的優點是具有線性的機械特性，啟動轉矩大，調速范圍寬廣而平滑，無自轉現象，且與同容量的交流伺服電動機比較，體積小，質量輕。其缺點是轉動慣量大，靈敏度差，轉速波動大，低速運轉不平穩；換向火花大，壽命短，對無線電干擾大。為了適應自動控制系統對伺服電動機快速響應性越來越高的要求，近年來，國內外已在傳統直流伺服電動機的基礎上，發展了低慣量的無槽電樞、空心杯電樞、印制繞組電樞和無刷直流伺服電動機。

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空心杯電樞永磁式直流伺服電動機的結構如圖18-6所示。它有一個外定子和一個內定子，外定子通常是由兩個半圓形的永久磁鋼組成。而內定子則為圓柱形的軟磁材料做成，僅作為磁路的一部分，以減小磁路磁阻。空心杯電樞上的繞組可以先繞成單個成形線圈，然后將它們沿圓周的軸向排列成空心杯形，再用環氧樹脂固化成形。空心杯電樞直接裝在電動機軸上，在內外定子間的氣隙中旋轉，電樞繞組則接到換向器上，由電刷引出。伺服電動機

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印制繞組直流伺服電動機的轉子呈薄片圓盤狀，厚度一般為1.5～2mm。轉子基片由環氧玻璃布膠板制成，基片兩側的銅箔用印制電路的方法制成雙面電樞繞組。這種伺服電動機的定子磁極為永久磁鐵，由于轉子沒有鐵心，故轉動慣量很小，對控制電壓反應快，可用于啟動頻繁的系統中。 直流伺服電動機一般用在功率稍大的系統中，其輸出的功率約為1～600W。目前國內生產的直流伺服電動機主要有SY和SZ兩個系列，SY系列為永磁式結構，SZ為電磁式結構。伺服電動機

（二）交流伺服電動機 交流伺服電動機與直流伺服電動機一樣，在自動控制系統中也常被用來作為執行元件。在系統中的任務是將輸入的交流電信號（如電壓的幅值或相位）轉換為轉子轉軸上的機械傳動。 由于交流伺服電動機在控制系統中主要作為執行元件，在性能指標、參數大小以及具體結構上，自動控制系統對它提出的要求有以下幾點：伺服電動機

①調速范圍要大，控制信號控制轉速和轉向應很方便； ②運行穩定，整個運行范圍內的特性應具有線性關系； ③要無“自轉”現象，當控制信號消除時，伺服電動機應立即停轉； ④控制功率要小，啟動轉矩要大； ⑤機電時間常數要小，始動電壓要低。當控制信號變化時，反應應快速靈敏。伺服電動機

1．交流伺服電動機結構特點 交流伺服電動機就是兩相異步電動機。它的結構同一般異步電動機相似，主要可分為定子和轉子兩大部分。但是，定子繞組是兩相的，一相為勵磁繞組Lf，一相為控制繞組LK。通常控制相分成兩個獨立且相同的部分，它們可以串聯或并聯，供選擇兩種控制電壓用。兩相繞組在空間相差90o電角度。 鼠籠式轉子與普通鼠籠式電動機轉子相似，制造加工工藝中采用了“一刀通”結構，使定子鐵心內圓和軸承室內圓為同一尺寸，一次夾裝同時加工，保證了定子內圓和轉子外圓的同心度和裝配精度，因而可以設計制造成小氣隙和轉子細而長。鼠籠式交流伺服電機有較高的利用率，體積小，重量輕，機械強度好，能在惡劣的氣候和環境條件下可靠地工作。伺服電動機

非磁性杯形轉子交流伺服電動機的結構如圖18-7所示。定子部分由外定子和內定子兩部分組成，外定子與鼠籠形轉子伺服電動機的定子完全一樣，內定子由環形鋼片疊成，通常內定子不放繞組，只是代替鼠籠轉子的鐵心，作為電機磁路的一部分。在內、外定子之間有細長的空心轉子裝在轉軸上，空心轉子作成杯子形狀，所以又稱為空心杯形轉子。伺服電動機

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杯形轉子與鼠籠轉子從外表形狀來看是不一樣的。但實際上，杯形轉子可以看做是鼠籠條數目非常多的、條與條之間彼此緊靠在一起的鼠籠轉子，這樣，杯形轉子只是鼠籠轉子的一種特殊形式。在電機中所起的作用也完全相同。 非磁性杯型主要特點是將鋁或銅制成空心薄壁結構，與鼠籠形轉子相比較，非磁性杯形轉子慣量小。軸承摩擦阻轉矩小。由于轉子上沒有齒和槽，所以定子和轉子之間沒有齒槽粘合現象，轉矩不隨軸的位置而發生變化，恒速旋轉時轉軸一般不會有抖動現象。運轉平穩。伺服電動機

比較鼠籠型和非磁性杯型交流伺服電動機，可以看到：鼠籠型交流伺服電動機優點是利用率高，體積小，機械強度高，可靠性高，制造成本低；缺點是有齒槽粘合現象，影響始動電壓的降低，低速運轉時不夠平滑，有抖動現象。 非磁性杯交流伺服電動機優點是轉子慣性小，運轉平滑，無抖動現象，始動電壓低；缺點是內、外定子間氣隙較大，勵磁電流大，利用率低，體積大，制造成本高。伺服電動機

2．工作原理 交流伺服電動機工作時，勵磁繞組Lf兩端施加單相交流電壓，控制繞組兩端施加控制信號電壓，與

二者同頻率。原理圖見圖18-8。伺服電動機

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勵磁繞組Lf接在勵磁電源上，控制電壓為零時，氣隙內的磁場為脈動磁場，電動機無啟動轉矩，轉子不動，若控制電壓加在控制繞組上，且控制繞組電流與勵磁繞組電流不同相，則在氣隙內建立大小一定的旋轉磁場，并產生電磁轉矩使轉子沿旋轉磁場的方向旋轉。伺服電動機在自動控制系統中作為執行元件，不僅要求它在靜止狀態下能服從控制電壓命令而轉動，而且要求它在受控啟動以后，必須像直流伺服機一樣具有伺服性，即控制信號電壓強時，電動機轉速高；控制信號電壓弱時，電動機轉速低；若控制信號電壓等于零，電動機就應該不轉了。為了滿足信號電壓強時轉速高、信號電壓弱時轉速低這一要求，可以讓信號強時電機氣隙磁勢接近圓形旋轉磁勢，弱