电机及控制线路安装、调试

项目 4 ：控制电机的结构及应用

任务 4.1：伺服电机的结构及应用

任务描述： 通过伺服电机结构和工作原理的学习，了解伺服电机的结构，理解掌握伺服电机的工作原理。了解伺服电机在实际中的应用。

项目 4 ：控制电机的结构及应用

伺服电动机是自动控制系统中的执行元件，其任务是：将接受到的控制电信号转变为电机转轴上的角位移或角速度。信号强时转速高，新号弱时转速低，没信号时停转，这就是伺服电动机的伺服性。

一、知识链接

伺服电动机多用于闭环控制和阀门控制中。

伺 服 电动机

励磁

控制 阀门转角

项目 4 ：控制电机的结构原理及应用

伺服电动机实物图：

交流伺服电动机ND-D 型交流伺服电动机

直流伺服电动机SYK 系列直流伺服电动机

项目 4 ：控制电机的结构原理及应用

1 、直流伺服电动机

二、伺服电动机结构及原理

直流伺服电动机就是小型的他励直流电动机，原理和结构与一般直流电动机相类似。 为了适应各种不同伺服系统的需要，直流伺服电动机从结构上作了许多改进，如无槽电枢伺服电动机；空心杯形电枢伺服电动机；无刷直流执行伺服电动机；扁平形结构的直流力矩电动机等。这些类型的电动机具有转动惯量小、机电时间常数小、对控制信号响应速度快、低速运行特性好等特点。

项目 4 ：控制电机的结构原理及应用

图 4.1.1 直流伺服电动机的接线图

直流伺服电动机既可采用电枢控制，也可采用磁场控制，但一般多采用电枢控制。电杆控制时，其控制电路如图 4.1.1所示。图中将励磁绕组接于恒定电压 Uf，控制电压 U ．接到伺服电动机电枢两端。

直流伺服驱动

SM

+

-

U

^^^

+

-

Uf

项目 4 ：控制电机的结构原理及应用

U

0.6U

0.8U

0.4U

n

T

Uf为常数

图 4.1.2是直流伺服电动机不同控制电压下 (U为额定控制电压 ) 的机械特性曲线n=f(T)。由图中可见：在一定的负载转矩下，当励磁不变时，调节电枢电压 U ，就可以调节电动机的转速。当控制电压 U=o时，电动机立即停转。要电动机反转，可改变电枢电压 U 的极性。

图 4.1.2 直流伺服电动机的机械特性曲线

项目 4 ：控制电机的结构原理及应用

直流伺服电动机的主要优点：

（ 1 ）体积小、重量轻、效率高，一般适用于功至较大的系统；（ 2 ）电枢控制时的机械特性和调节特性都是斜率不变的平行直线族；（ 3 ）起动转矩大，调速范围广，从每分钟几十转到数千转。

直流伺服电动机的主要缺点：（ 1 ）结构较复杂，电刷和换向器需经常维护； （ 2 ）换向产生的火花，带来电磁干扰；（ 3 ）其控制信号来自直流放大器，因而直流放大器的零点漂移会影响系统的精度和稳定性。

项目 4 ：控制电机的结构原理及应用

2 、交流伺服电动机

交流伺服电动机工作原理与两相异步电动机相同。在定子铁心中嵌有两相绕组，彼此轴线在空间相差90°，其中一相绕组称为励磁绕组 f ，连接交流励磁电压 Uf另一相称为控制绕组 k ，外接控制信号电压 U 。控制电压 U 的大小和相位随偏差信号的变化而改变。如图 4.1.3所示，图 4.1.3为交流伺服电动机原理工作原理图。

项目 4 ：控制电机的结构原理及应用

图 4.1.3交流伺服电动机原理图

^^^

^^^

k

f C

Uk

Uf

U

转子

当调节控制电压 U 的大小时，则转子的转速随之变化。控制电压高，电动机旋转得快，控制电压低，电动机旋转得慢。当控制电压反相时，旋转磁场和转子也都反转。由此来控制电动机的转速和转向。

在运行时如果控制电压变为零，电动机就立即停转。这是交流伺服电动机的特点，也是我们所要求的。

项目 4 ：控制电机的结构原理及应用

1-空心杯形转子；2-外定子；3-内定子；4-机壳；5-端盖

图 4.1.4 空心杯型转子交流伺服电动机

交流伺服电动机转子类型有 2 种：一种是笼型，与普通笼型转子相似；另一种是空心杯型转子。杯形转子可视为无数条并联的导体条组成，如图 4.1.4

项目 4 ：控制电机的结构原理及应用

交流伺服电动机的结构特点与性能特点

种类 产品型号 结构特点 性能特点 应用范围

笼型转子 SL

与一般笼型电动机结构相同，但转子做得细而长转子导体用高电阻率的材料

励磁电流较小，体积较小机械强度高，但低速运行不够平稳有是有抖动现象。

小功率的伺服系统

杯形转子 SK

转子做成薄壁园筒形，在内外定子之间

转子惯量小，运行平稳，无抖动现象，但励磁电流较大，体积也较大。

要求运行平稳系统

项目 4 ：控制电机的结构原理及应用

图 4.1.5是交流伺服电动机在不同控制电压下的机械特性曲线， U 为额定控制电压的有效值。由图可见：在一定负载转矩下，控制电压越高，则电动机的转速越高；在一定的控制电压下，负载增加，转速下降。此外，由于转子电阻较大，机械特性曲线陡降较快，特性很软，不利于系统的稳定。

U

0.8U0.6U

0.4U

n

0 T

图 4.1.5 交流伺服电动机机械特性曲线

项目 4 ：控制电机的结构原理及应用

（ 1 ）体积大，重量重，动态响应差，效率低。 （ 2 ）机械特性非线性，导致系统的动态精度低。 （ 3 ）若参数选择不当，或制造工艺不良，都会使电动机在单相状态下产生自转现象，而直流伺服电动机则无自转现象。

同直流伺服电动机相比，交流伺服电动机有如下缺点：

项目 4 ：控制电机的结构原理及应用

三、伺服电动机的应用

项目 4 ：控制电机的结构原理及应用

实训项目：交流伺服电机绕组绝缘老化的检修1 、任务目标：

2 、工具仪器和设备：

（ 1 ）了解伺服电机的结构和铭牌数据的意义；（ 2 ）学会拆装伺服电机的方法；（ 3 ）学会检测伺服电机绝缘情况；

①伺服电机 一台； ②绝缘电阻仪 一台； ③常用电工工具（活扳手、锤子、轴承拉具、绝缘材料等） 一套；

3 、实训过程 ：

项目 4 ：控制电机的结构原理及应用

①观察交流电机的结构，抄录其名牌数据； ②用绝缘电阻仪测量伺服电机绕组的绝缘情况，发现绝缘电阻小于要求只准备拆开伺服电机检查处理； ③松开伺服电机后盖螺钉，取下后盖； ④取出编码器连接螺钉，脱开编码器和电机轴之间的连接； ⑤松开编码器，由于编码器和电机轴之间是锥度齿合，其编码器时一般要使用专门工具，并且特别小心；

项目 4 ：控制电机的结构原理及应用

⑥松开安装做的联机螺钉，取下安装座，露出电机绕组； ⑦检查电机绕组的引出线的连接部分就发现绝缘电阻已经老化，重新连接处理； ⑧装好安装座，固定编码器，装上端盖； ⑨用绝缘电阻仪测量伺服电机绕组是否符合要求；

项目 4 ：控制电机的结构原理及应用

4 、实训报告 ：

序号 项目要求 实训要求和结果 备注

1 实训项目名称

2 任务目标

3 工具、仪器和设备

4 名牌数据记录

5 分析数据结果

6 简述步骤和注意事项