什么是伺服电机?

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一、什么是伺服电机?
伺服电机(servo motor )是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机,是一种补助马达间接变速装置。
伺服电机可使控制速度,位置精度非常准确,可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制,并能快速反应,在自动控制系统中,用作执行元件,且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性,可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类,其主要特点是,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降。

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二、伺服电机的运行原理
杯形转子交流伺服电机由外定子,杯形转子和内定子三部分组成。它的外定子和笼型转子交流伺服电机相同,转子则由非磁性导电材料(如铜或铝)制成空心杯形状,杯子底部固定在转轴7上。空心杯的壁很薄(小于0.5mm),因此转动惯量很小。内定子由硅钢片叠压而成,固定在一个端盖1、8上,内定子上没有绕组,仅作磁路用。电机工作时,内﹑外定子都不动,只有杯形转子在内、外定子之间的气隙中转动。对于输出功率较小的交流伺服电机,常将励磁绕组和控制绕组分别安放在内、外定子铁心的槽内。

交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是,交流伺服电机必须具备一个性能,就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象,即无控制信号时,它不应转动,特别是当它已在转动时,如果控制信号消失,它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后,如控制信号消失,往往仍在继续转动。 当电机原来处于静止状态时,如控制绕组不加控制电压,此时只有励磁绕组通电产生脉动磁场。可以把脉动磁场看成两个圆形旋转磁场。这两个圆形旋转磁场以同样的大小和转速,向相反方向旋转,所建立的正、反转旋转磁场分别切割笼型绕组(或杯形壁)并感应出大小相同,相位相反的电动势和电流(或涡流),这些电流分别与各自的磁场作用产生的力矩也大小相等、方向相反,合成力矩为零,伺服电机转子转不起来。一旦控制系统有偏差信号,控制绕组就要接受与之相对应的控制电压。

三、伺服电动机与单相异步电动机比较
交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似,但前者的转子电阻比后者大得多,所以伺服电动机与单机异步电动机相比,有三个显著特点:
1、起动转矩大
由于转子电阻大,与普通异步电动机的转矩特性曲线相比,有明显的区别。它可使临界转差率S0>1,这样不仅使转矩特性(机械特性)更接近于线性,而且具有较大的起动转矩。因此,当定子一有控制电压,转子立即转动,即具有起动快、灵敏度高的特点。
2、运行范围较广
3、无自转现象
正常运转的伺服电动机,只要失去控制电压,电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后,它处于单相运行状态,由于转子电阻大,定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性(T1-S1、T2-S2曲线)以及合成转矩特性(T-S曲线)
交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。当电源频率为50Hz,电压有36V、110V、220、380V;当电源频率为400Hz,电压有20V、26V、36V、115V等多种。
交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性,并且由于转子电阻大,损耗大,效率低,因此与同容量直流伺服电动机相比,体积大、重量重,所以只适用于0.5-100W的小功率控制系统。
伺服电机的运行原理

在一般情况下,电机内部产生的磁场是椭圆形旋转磁场。一个椭圆形旋转磁场可以看成是由两个圆形旋转磁场合成起来的。这两个圆形旋转磁场幅值不等(与原椭圆旋转磁场转向相同的正转磁场大,与原转向相反的反转磁场小),但以相同的速度,向相反的方向旋转。它们切割转子绕组感应的电势和电流以及产生的电磁力矩也方向相反、大小不等(正转者大,反转者小)合成力矩不为零,所以伺服电机就朝着正转磁场的方向转动起来,随着信号的增强,磁场接近圆形,此时正转磁场及其力矩增大,反转磁场及其力矩减小,合成力矩变大,如负载力矩不变,转子的速度就增加。如果改变控制电压的相位,即移相180o,旋转磁场的转向相反,因而产生的合成力矩方向也相反,伺服电机将反转。若控制信号消失,只有励磁绕组通入电流,伺服电机产生的磁场将是脉动磁场,转子很快地停下来。为使交流伺服电机具有控制信号消失,立即停止转动的功能,把它的转子电阻做得特别大,使它的临界转差率Sk大于1。在电机运行过程中,如果控制信号降为“零”,励磁电流仍然存在,气隙中产生一个脉动磁场,此脉动磁场可视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成。画出正向及反向旋转磁场切割转子导体后产生的力矩一转速特性曲线1、2,以及它们的合成特性曲线3。假设电动机原来在单一正向旋转磁场的带动下运行于A点,此时负载力矩是 。一旦控制信号消失,气隙磁场转化为脉动磁场,它可视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成,电机即按合成特性曲线3运行。

由于转子的惯性,运行点由A点移到B点,此时电动机产生了一个与转子原来转动方向相反的制动力矩。在负载力矩和制动力矩的作用下使转子迅速停止。必须指出,普通的两相和三相异步电动机正常情况下都是在对称状态下工作,不对称运行属于故障状态。而交流伺服电机则可以靠不同程度的不对称运行来达到控制目的。这是交流伺服电机在运行上与普通异步电动机的根本区别。

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