第二章伺服電動(dòng)機(jī)第二章伺服電動(dòng)機(jī)2.1伺服電動(dòng)機(jī)概述2.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)2.3直流伺服電動(dòng)機(jī)2.4交流伺服電動(dòng)機(jī)2.5伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及轉(zhuǎn)矩計(jì)算2.6伺服電動(dòng)機(jī)的安全與壽命總結(jié)2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut22.1伺服電動(dòng)機(jī)概述2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut3電機(jī)（電磁型）直流電機(jī)電磁型直流電機(jī)永磁式直流電機(jī)有刷直流電機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)交流電機(jī)感應(yīng)電機(jī)IM（異步電機(jī)）三相異步電機(jī)籠型異步電機(jī)繞線型異步電機(jī)單相/兩相異步電機(jī)同步電機(jī)SM永磁式同步電機(jī)電磁型同步電機(jī)磁阻電機(jī)磁滯電機(jī)步進(jìn)電機(jī)磁阻反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)VR永磁型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)PM

混合型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)HB

齒極型2.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)-工作原理2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和一般旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)一樣，分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。定子由硅鋼片疊成，裝上一定相數(shù)的控制繞組，輸入電脈沖對(duì)多相定子繞組輪流進(jìn)行勵(lì)磁。轉(zhuǎn)子用硅鋼片疊成或用軟磁性材料做成凸極結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子本身沒(méi)有勵(lì)磁繞組的稱為“反應(yīng)式”步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，用永久磁鐵做轉(zhuǎn)子的稱為“永磁式”步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。目前以反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用得較多。三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理圖A→B→C→A的順序通電，轉(zhuǎn)子則沿逆時(shí)針?lè)较蛞徊讲降剞D(zhuǎn)動(dòng)，每步轉(zhuǎn)過(guò)30°角。這個(gè)角度就叫步距角。顯然，單位時(shí)間內(nèi)通入的電脈沖數(shù)越多（即電脈沖頻率越高），電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高。從一相通電換接到另一相通電稱為一拍，每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角三相勵(lì)磁繞組依次單獨(dú)通電運(yùn)行，換接三次完成一個(gè)通電循環(huán)，稱為三相單三拍通雙三拍”，三相六拍2.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)-特點(diǎn)與分類2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut5步距角z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；m為運(yùn)行拍數(shù)，通常等于相數(shù)或相數(shù)的整數(shù)倍轉(zhuǎn)速步進(jìn)電機(jī)通電的脈沖頻率為f（脈沖數(shù)/秒）序號(hào)產(chǎn)品名稱代號(hào)含義1電磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)BD步、電2永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)BY步、永3永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)BYG步、永、感4反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)BF步、反5印制繞組步進(jìn)電動(dòng)機(jī)BN步、印6直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)BX步、線7滾切式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)BG步、滾2.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)-主要參數(shù)2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut6步距角z為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)，K為狀態(tài)系數(shù)，K=拍數(shù)/相數(shù)，m為相數(shù)7.5°/15°、3°/6°、1.5°/3°、0.9°/1.8°、0.75°/1.5°、0.6°/1.2°、0.36°/0.72°最大靜轉(zhuǎn)矩一般電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足TL=(0.3~0.5)Tmax，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ts（即最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩）總是小于最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Tjmax。矩頻特性2.3直流伺服電動(dòng)機(jī)-工作原理2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut7直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)工作原理2.3直流伺服電動(dòng)機(jī)-分類與特點(diǎn)2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut8名稱產(chǎn)品型號(hào)勵(lì)磁方式性能特點(diǎn)應(yīng)用范圍一般直流執(zhí)行電動(dòng)機(jī)SZ或SY電磁式、永磁式具有下垂的機(jī)械特性和線性調(diào)節(jié)特性，對(duì)控制信號(hào)響應(yīng)速度快一般直流伺服系統(tǒng)無(wú)槽電樞直流電動(dòng)機(jī)SWC電磁式、永磁式具有一般直流執(zhí)行電機(jī)的特點(diǎn)，而且轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和機(jī)電時(shí)間常數(shù)好，換向良好需要快速動(dòng)作，功率較大的直流伺服系統(tǒng)空心杯型電樞執(zhí)行電動(dòng)機(jī)SYK永磁式除具有一般直流執(zhí)行電機(jī)的特點(diǎn)，而且轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和機(jī)電時(shí)間常數(shù)非常小，低速運(yùn)轉(zhuǎn)平滑，換向好需要?jiǎng)幼骺焖俚闹绷魉欧到y(tǒng)印刷繞組直流執(zhí)行電動(dòng)機(jī)SN永磁式轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，機(jī)電時(shí)間常數(shù)小，低速運(yùn)轉(zhuǎn)性能好用于低速，啟動(dòng)和反轉(zhuǎn)頻繁的控制系統(tǒng)無(wú)刷直流執(zhí)行電動(dòng)機(jī)SW永磁式既保持了一般直流執(zhí)行電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，又克服了換向器和電刷帶來(lái)的缺點(diǎn)，壽命長(zhǎng)，噪聲低要求噪聲低、對(duì)無(wú)線電不產(chǎn)生干擾的控制系統(tǒng)直流力矩電動(dòng)機(jī)永磁式可以不經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)直接帶動(dòng)負(fù)載，反應(yīng)速度快，速度特性硬度大，能在堵轉(zhuǎn)和低速下運(yùn)行適用于對(duì)速度和位置控制精度要求很高的系統(tǒng)2.3直流伺服電動(dòng)機(jī)-參數(shù)2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut9電機(jī)型號(hào)DSEM-J482030E90L單位額定電壓48VDC額定電流20A額定力矩2.2Nm額定轉(zhuǎn)速3000RPM額定功率0.75kW慣量0.621Kgcm2電壓常數(shù)12.7V/Krpm力矩常數(shù)0.12Nm/A空載電流0.55A編碼器標(biāo)配2500線增量式編碼器，可選旋轉(zhuǎn)變壓器或17位絕對(duì)值編碼器環(huán)境要求工作溫度：0~40℃；儲(chǔ)存溫度：-25℃~65℃；濕度：85%RH或以下（無(wú)結(jié)露）；海拔小于1000米；戶外(無(wú)陽(yáng)光直射)，無(wú)腐蝕氣體，無(wú)易燃?xì)怏w，無(wú)油霧，無(wú)塵埃。2.4交流異步伺服電動(dòng)機(jī)工作原理2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut10在不同轉(zhuǎn)子電阻下的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性2.4交流伺服電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)（以0.4kw為例）2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut11參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值額定功率(kW)0.4電氣常數(shù)(ms)4.3額定扭矩(N·m)1.27絕緣等級(jí)A級(jí)（UL），B級(jí)（CE）最大扭矩(N-m)3.82絕緣阻抗100MΩ，DC500V以上額定轉(zhuǎn)速(r/min)3000絕緣耐壓1.8kVac,1sec最高轉(zhuǎn)速(r/min)5000重量(kg)(不帶剎車)1.6額定電流2.6徑向最大荷重(N)196瞬時(shí)最大電流(A)7.8軸向最大荷重(N)68每秒最大功率(kW/s)57.6振動(dòng)級(jí)數(shù)(um)15轉(zhuǎn)子慣量(x10-4kg·m2)(不帶剎車)0.277使用溫度(℃)0℃to40℃機(jī)械常數(shù)(ms)0.53保存溫度(C)-10℃to80℃扭矩常數(shù)-KT(N·m/A)0.49使用濕度20to90%RH(不結(jié)露)電壓常數(shù)-KE(mV/(r/min)17.4保存濕度20to90%RH(不結(jié)露)電機(jī)阻抗(Ohm)1.55耐振性等級(jí)2.5G電機(jī)感抗(mH)6.71IP等級(jí)IP65三大伺服電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)電機(jī)類型主要特點(diǎn)構(gòu)造與工作原理控制方式直流伺服電機(jī)只需接通直流電即可工作，控制簡(jiǎn)單;

啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩容易控制、效率高；需要定時(shí)維護(hù)和更換電刷，使用壽命短、噪聲大。由永磁體定子、線圈轉(zhuǎn)子、電刷和換向器構(gòu)成。通過(guò)電刷和換向器使電流方向不斷隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度而改變，實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)速控制采用電壓控制方式，因?yàn)榭刂齐妷号c電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。轉(zhuǎn)矩控制采用電流控制方式，因?yàn)榭刂齐娏髋c電機(jī)轉(zhuǎn)矩成正比。交流伺服電機(jī)沒(méi)有電刷和換向器，不需維護(hù)，也沒(méi)有產(chǎn)生火化的危險(xiǎn)；驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，價(jià)格高。按結(jié)構(gòu)分為同步電機(jī)和異步電機(jī)，轉(zhuǎn)子是由永磁體構(gòu)成的為同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子是由繞組形成的電磁鐵構(gòu)成的為異步電機(jī)。分為電壓控制和頻率控制兩種方式。異步電機(jī)通常采用電壓控制方式。步進(jìn)電機(jī)直接用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制，與計(jì)算機(jī)的接口比較容易;沒(méi)有電刷，維護(hù)方便、壽命長(zhǎng);啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)容易控制。缺點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換效率低，易失步等。按產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的方式可分為永磁體式(PM)，可變磁阻式(VR)，和混合式(HB)。PM式產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩較小，多用于計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和辦公設(shè)備;VR式能夠產(chǎn)生中等轉(zhuǎn)矩，而HB式能夠產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩，因此應(yīng)用最廣。單相勵(lì)磁:精度高，但易失步；雙相勵(lì)磁:輸出轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)子過(guò)沖小，常用方式，但效率低;單一雙相勵(lì)磁:分辨率高，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut122.6伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及轉(zhuǎn)矩計(jì)算計(jì)算負(fù)載慣量的目的就是為計(jì)算加/減速轉(zhuǎn)矩。知道了慣量與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系,就容易由慣量求出使旋轉(zhuǎn)對(duì)象加速或減速的轉(zhuǎn)矩。任何旋轉(zhuǎn)物體均有慣量存在,而慣量大小直接反應(yīng)旋轉(zhuǎn)時(shí)加/減速所需的轉(zhuǎn)矩大小及時(shí)間長(zhǎng)短。因此,選用電機(jī)時(shí)必須計(jì)算出電機(jī)的負(fù)載慣量,才能據(jù)此選擇所需電機(jī)的規(guī)格。選定電機(jī)后,如果無(wú)法在希望的加速時(shí)間達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速,必定是電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不符合負(fù)載的需求,必須加大電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。如果機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的加速時(shí)間確實(shí)很短,當(dāng)然可選用較小型號(hào)的電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng),但相對(duì)的運(yùn)行效率必定較差。2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut132.6.1物體旋轉(zhuǎn)慣量計(jì)算2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut142.6.1直線運(yùn)動(dòng)慣量計(jì)算2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut152.6.1懸吊物體慣量計(jì)算2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut162.6.1復(fù)合運(yùn)動(dòng)慣量計(jì)算2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut172.6.2旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut18式中TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m）；TLo為負(fù)載軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m）；TF為旋轉(zhuǎn)摩擦負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m）；η為驅(qū)動(dòng)部的效率；n為減速比N2/N1，(n>1為減速，n<1為加速)。關(guān)于負(fù)載軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TLo，如果帶動(dòng)的是被切削工件，切削工作進(jìn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；如果切削完成，只有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與外界無(wú)接觸，應(yīng)沒(méi)有負(fù)載轉(zhuǎn)矩TLo產(chǎn)生。2.6.3上下直線運(yùn)動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut19式中TF為可動(dòng)部分摩擦負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m）；TU為不平衡轉(zhuǎn)矩（N·m）；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m）；W1為負(fù)載重量(kg)；W2為平衡配重重量(kg)；η為驅(qū)動(dòng)部分的效率；μ為摩擦系數(shù)；V為可動(dòng)部分速度(mm/min)；N為伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度(r/min)；g為重力加速度(9.8m/s2)；ΔS為伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)一周的位移量(mm)。垂直配置的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)必定會(huì)有不平衡轉(zhuǎn)矩TU，只是量的大小不同。靜止時(shí)，TU就是電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩。上升時(shí)下降時(shí)其中：2.6.3加速轉(zhuǎn)矩或減速轉(zhuǎn)矩2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut20式中Ta為加速轉(zhuǎn)矩（N·m）；Td為減速轉(zhuǎn)矩（N·m）；JL為伺服電機(jī)軸換算負(fù)載慣量（kg·cm2）；JM為電機(jī)慣量（kg·cm2）；N0為電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；tpsa為加速時(shí)間(s)；tpsd為減速時(shí)間(s)。N0與tpsa及tpsd相互配合，電機(jī)于tpsa時(shí)間內(nèi)由0加速至N0轉(zhuǎn)速，于tpsd時(shí)間內(nèi)由N0轉(zhuǎn)速減速至0。由上述兩式可看出，相同輸出轉(zhuǎn)矩下，負(fù)載慣量越大，需要的加/減速時(shí)間越長(zhǎng)。因此，進(jìn)行高頻率定位時(shí)必須盡可能降低運(yùn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，也就是降低重量或旋轉(zhuǎn)半徑。2.6.3運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut21T1為加速轉(zhuǎn)矩；T2為勻速轉(zhuǎn)矩；T3為減速轉(zhuǎn)矩。選用電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩必須大于加速轉(zhuǎn)矩T1的要求。2.6.3瞬時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut22tpsa為加速時(shí)間；te為勻速時(shí)間；tpsd為減速時(shí)間；t1為停止時(shí)間；tf為運(yùn)行周期；TMa為加速轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；TMd為減速轉(zhuǎn)矩；TLH為保持轉(zhuǎn)矩。前文提到加/減速時(shí)間在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期已經(jīng)決定，運(yùn)行周期tf涉及設(shè)備效率，因此不可任意變動(dòng)。如果電機(jī)選用有誤而必須延長(zhǎng)加/減速時(shí)間，勢(shì)必會(huì)壓縮運(yùn)行周期內(nèi)其他時(shí)間；被迫加長(zhǎng)tf，影響范圍很大，必須謹(jǐn)慎。2.6.3伺服電動(dòng)機(jī)選型2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut232.6.3伺服電動(dòng)機(jī)選型-實(shí)例分析2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut24滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的水平運(yùn)動(dòng)平臺(tái)重量為20kg，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈絲杠移動(dòng)4mm(經(jīng)減速齒輪減速1/2后)，滾珠絲杠慣量為5.88kg/cm2(由規(guī)格表查得)，減速齒輪慣量可忽略不計(jì)。希望加速時(shí)間為0.2s，勻速時(shí)間為1s，減速時(shí)間為0.2s，停止時(shí)間為2s，試選用適當(dāng)?shù)乃欧姍C(jī)。ΔS=4mm，W=20Kg平臺(tái)慣量：經(jīng)絲杠減速后的慣量：負(fù)載慣量：0.081+1.47=1.551（kg/cm2）直線運(yùn)動(dòng)軸方向的力為：負(fù)載轉(zhuǎn)矩