第2章 机电一体化的单元技术2.4.ppt

2.4 伺服驱动技术 1）定子旋转磁场产生原理 当交流电动机的三相定子绕组流过交流电时，三相绕组的合成磁场是一个旋转磁场。每当绕组中的电流变化一个周期，交流电动机就会旋转一周。 定子旋转磁场的同步转速为： 2.4 伺服驱动技术 2）交流伺服电动机的类型 （1）同步型SM（永磁交流伺服电动机） 按控制方式： 矩形波电流驱动（无刷直流电动机） 正弦波电流驱动（无刷交流电动机） 同步型交流伺服电动机是一台机组，一般由永磁同步电动机，转子位置传感器和速度传感器构成，常用于位置伺服系统。 （2）异步型IM（交流感应伺服电动机） 按结构：鼠笼式和绕线式 常用于机床主轴转速和其它大功率调速系统 永磁同步型交流伺服电机组成 结构：电机由定子、转子和检测元件组成 VS VS 脉冲编码器 转子 定子 接线盒 定子三相绕组 永磁同步型交流伺服电机的工作原理 ns－ 定子磁场转速（同步转速） θ－转子磁极轴线与定子磁极轴线的夹角 nr－转子旋转转速 f1－交流电源频率（定子供电频率） p－定子和转子的极对数 nS N ns nr θ S nr＝ns＝60 f1／p 交流感应伺服电机的工作原理 ns—同步转速 f1—交流电源频率（定子供电频率） s—转差率，s=( ns－nr)/ ns p—极对数 2.4 伺服驱动技术 3）交流伺服电动机的速度控制 异步交流伺服电动机的速度控制 交流感应伺服电动机的转速 n 满足如下公式： 改变交流感应伺服电动机的转速有三种方法： (1) 变转差率调速 (2) 变频调速 (3) 变极调速 f －定子电源频率（Hz） s －转差率 p －磁极对数 2.4 伺服驱动技术 (1) 定子调压调速 改变转差率的调速方法很多，调压调速就是其中一种。 原理：当负载转矩一定时，改变电机定子电压，可以使电机在不同的转差率下运行，从而达到调速的目的。 2.4 伺服驱动技术 (2) 变频调速 原理：通过调节输入到交流电动机定子的电压（或电流）的频率和幅值，来控制交流电动机的转速，以满足实际工作的要求。 改变f时，s不变，转差损耗小，调速范围宽，调速精度高，适合于调速性能较高的场合。 两种控制方式： 转差频率控制 电压-频率比（U/f）控制 2.4 伺服驱动技术 (3) 变极对数调速 原理：在恒定的频率下，改变电动机定子绕组的磁极对数，就可以改变转速。 针对笼型电机 有级调速 2.4 伺服驱动技术 （四）直线电动机 将电能转换为直线运动的电动机 2.4 伺服驱动技术 1）分类 按种类：直线直流电动机、直线同步电动机、直线感应电动机、直线步进电动机 按原理：交流感应式、交流同步式、直流式、步进式、振荡式、压电式 按结构：扁平形、圆筒型、圆盘形、圆弧形 2.4 伺服驱动技术 2）原理（交流感应式） 直线交流电动机的同步速度为： 转差率为 ： 2.4 伺服驱动技术 3）特点： 结构简单，不需要中间转换传动机构，可实现直接驱动，使系统得到了简化，提高了可靠性，易于维护。 直线移动速度高。由于没有离心力的影响，其直线速度不受限制。 具有较高的精度，如直线步进电机的步距精度可以达到1um 推力大，反应速度快，加速性能好。 适应性强，初级铁心密封后可工作于恶劣环境。 由于直线电动机初级不闭合，故存在端部效应，使磁场波形产生畸变，导致损耗增加，另外直线电机的气隙比旋转电动机大，这些都使直线电动机在低速时效率和功率因数下降较明显。 作业2 如图所示，有一丝杠螺母工作台驱动系统，已知工作台质量为m，水平方向和垂直方向受力分别为F1和F2，丝杠导程为L，转动惯量为Js，工作台与导轨之间的摩擦系数为μ，齿轮1～4的齿数分别为Z1 ～ Z4 ，转动惯量分别为J1 ～ J4 ，电动机本身转动惯量为Jd ，其角加速度为 。 （1）推导转换到电机轴上的等效转动惯量 （2）推导转换到电机轴上的等效负载转矩（传动效率η） （3）求电机轴上的总负载转矩 * * * * * * * * 惯频特性 步进电动机的惯频特性 带载起动频率主要取决于负载的转动惯量 实际应用中，由于负载转矩的存在，可采用的带载起动频率比由惯频特性曲线查得的还要低 2.4 伺服驱动技术 最高工作频率 步进电动机起动后，将脉冲频率逐渐升高，在额定负载下，电动机不失步正常运行的极限频率称为最高工作频率。 最高工作频率远大于起动频率 最高工作频率随负载而异 当驱动电源性能越好时，最高工作频率亦可越高 最高工作频率决定了步进电动机的最高转速（即被控对象的最大工作速度） 步进电动机的矩频特性 2.4 伺服驱动技术 矩频特性 步进电动机的输出转矩与控制脉冲频率的