机器人驱动与运动控制 课件 第6章 直流伺服电机及其驱动控制技术.pptx

第6章直流伺服电机及其驱动控制技术;

伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统。在伺服系统中，输出量能够自动、快速、准确地跟随输入量变化，因此又称之为随动系统或自动跟踪系统。机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。

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图6-1所示为一般工业用伺服系统组成框图。;

按照“伺服系统”的概念，伺服电机并非单指某一类型的电机，只要是在伺服系统中能够满足任务所要求的精度、快速响应性以及抗干扰性，就可以称之为伺服电机。通常，为能够达到伺服控制的性能要求，控制电机都需要具有位置/速度检测部件。表6-1和表6-2所示为电机的不同分类形式。;;;

伺服系统性能的基本要求如下：

(1)精度高。

(2)稳定性好。

(3)快速响应。

(4)调速范围宽。

(5)低速大转矩。

(6)能够频繁地启动、制动以及正反转切换。;

6.1直流伺服电机的结构;;

由于永磁体提供的磁场有限，有时候用电励磁替代永磁体励磁，因此就形成了如图6-3所示的直流伺服电机(即电励磁电机)的结构。除上述结构外，这种直流伺服电机一般还包括换向极绕组。;;

1.定子部分

由于直流伺服电机的定子励磁方式可以分为永磁体励磁和电枢绕组励磁两种，因此定子结构也各不相同。

定子为永磁体励磁的直流伺服电机的定子结构相对简单，一般由交错排布的永磁铁黏接在轭部形成，如图6-4所示。如果永磁体按照图6-4(a)所示的方式排列，则其轭部材料为非导磁性材料；如果永磁体按照图6-4(b)所示的方式排列，则其轭部材料为导磁性材料。;;

定子为电枢绕组励磁的直流伺服电机的定子结构相对复杂，一般由主磁极、电刷装置和机座构成。主磁极的作用是产生主磁场，它由主磁极铁芯和套在铁芯上的励磁绕组构成，如图6-5所示。;;

一般，直流伺服电机的机座既是电机的机械支撑，又是磁极外围磁路闭合的部分，即磁廓，因此机座用导磁性能较好的钢板焊接而成，或用铸钢制成。机座两端装有带轴承的端盖。电刷固定在机座或端盖上，一般电刷数等于主磁极数。电刷装置由电刷、刷握、刷杆、弹簧压板和座圈等组成，如图6-6所示。;;

2.转子部分

转子由电枢铁芯、电枢绕组和换向器组成，如图6-7所示。电枢铁芯是主磁路的组成部分，为了减少电枢旋转时铁芯中磁通方向不断变化而产生的涡流和磁损耗，电枢铁芯通常由0.5mm厚的硅钢片叠压而成，叠片间有一层绝缘漆。硅钢片如图6-8所示，图中环绕轴孔的一圈小圆孔为轴向通风孔。;;;

换向器由许多彼此绝缘的换向片组合而成，如图6-9所示。;

6.1.2无刷直流伺服电机的结构

众所周知，有刷直流伺服电机的电枢绕组要产生旋转的磁场，必须有滑动的接触机构——电刷和换向器，通过它们把电流馈给旋转着的电枢。无刷直流伺服电机却与有刷直流伺服电机相反，它具有旋转的磁场和固定的电枢。这样，电子换向线路中的功率开关器件(如晶闸管、晶体管、功率OSFET或IGBT(绝缘栅双极型晶体管)等)可直接与电枢绕组连接。在电机内，装有一个转子位置传感器，用来检测转子在运行过程中的位置，它与电子换向线路一起，替代了有刷直流伺服电机的机械换向装置。综上所述，无刷直流伺服电机由电机本体、转子位置传感器和电子换向线路三大部分组成，如图6-10所示。;;

无刷直流伺服电机的外观有很多种，常见的如图6-11和图6-12所示。;;

无刷直流伺服电机的本体的主要部件有转子和定子。首先，它们必须满足电磁方面的要求，保证在工作气隙中产生足够的磁通，电枢绕组允许通过一定的电流，以便产生一定的电磁转矩；其次，它们要满足机械方面的要求，保证机械结构牢固和稳定，能传送一定的转矩，并能经受住一定环境条件的考验。此外，对于转子和定子，还要考虑节约材料、结构简单紧凑、运行可靠和温升不超过规定的范围等要求。无刷直流伺服电机结构示意图如图6-13所示。;;

1.定子部分

(1)定子铁芯。定子铁芯一般由硅钢片叠成，选用硅钢片的目的是减少主定子的铁耗。硅钢片冲成带有齿槽的环形冲片，在槽内嵌入放电枢绕组，槽数视绕组的相数和极对数而定。为减少铁芯的涡流损耗，冲片表面涂绝缘漆或磷化处理。为了减少噪声和寄生转矩，定子铁芯采用斜槽，一般斜一个槽距。组装定子部分时，先将叠装后的铁芯槽内放置槽绝缘和电枢线圈，然后整形、浸漆，最后把主定子铁芯压入机壳内。有时为了增加绝缘和机械强度，还需要采用环氧树脂进行灌封。

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图6-14所示为图6-13所示无刷直流伺服电机的定子铁芯。;

(2)电枢绕组。电枢绕组是电机本体的一个最重要部件。当电机接上电源后，电流流入绕组，产生磁动势，与转子产生的励磁磁场相互作用而产生电磁转矩。当电机带着负载转起来以后，便在绕组中产生反电动势，吸收一定的电功