电机拖动与电气控制 第2版 教案 4.1伺服电机 4.2测速发电机 课程教案.docx

电机拖动与电气控制课程教案

章节名称

第4章常用低压电器

4.1伺服电动机4.2测速发电机

授课时数

2

授课形式

教学目标

①了解伺服电机、测速发电机工作原理和结构，电机在工业控制中的应用。

②能按照国家标准选用伺服电机和测速发电机，按照规范标准正确进行控制调试电机。

③尊重标准，自觉学习，树立民族自信

教学重点

难点

伺服电机、测速发电机工作原理

教学内容

4.1伺服电动机

随着“工业4.0”和“中国制造2025”的相继提出和不断深化，全球制造业正在向着自动化、集成化、智能化及绿色化方向发展。中国作为全球第一制造大国，以工业机器人为标志的智能制造在各行业的应用越来越广泛观看视频。

通过视频了解工业机器人是由伺服电机驱动。数控机床360度切削钢管的驱动装置是由步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机组成。

一、伺服电动机

又称为执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件。根据使用电源的不同，伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机输出功率较大，功率范围为1～600瓦，有的甚至可达上千瓦；而交流伺服电动机输出功率较小，功率范围一般为0.1～100瓦。

1.直流伺服电动机

直流伺服电动机实际上就是他励直流电动机，其结构和原理与普通的他励直流电动机相同，只不过直流伺服电动机输出功率较小而已。

1）结构

2）控制方式

当直流伺服电动机励磁绕组和电枢绕组都通过电流时，电动机转动起来，当其中的一个绕组断电时，电动机立即停转，因此直流伺服电动机控制信号，既可加到励磁绕组上，也可加到电枢绕组上。若把控制信号加到电枢绕组上，通过改变控制信号的大小和极性来控制转子转速的大小和方向，这种方式叫电枢控制；若把控制信号加到励磁绕组上进行控制，这种方式叫磁场控制。磁场控制有严重的缺点，使用的场合很少。

直流伺服电动机主要以电枢控制为主。

3）直流伺服电动机的特性

=1\*GB3①机械特性

直流伺服电动机电枢回路的电压平衡方式为:

忽略电枢反应的影响，电机的每极气隙磁通将保持不变，则

电动机的电磁转矩为

所以：电枢控制的直流伺服电动机的机械特性方程式为

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由机械特性曲线可以看出直流伺服电动机调速线性度好，转速调整范围大，起动转矩大，效率高。

改变控制电压，如UC1大于UC2大于UC3，则n0改变，机械特性的斜率不变，机械特性是一组平行的直线，

机械特性曲线与横轴的交点处的转矩就是n=0时的转矩，直流伺服电动机的堵转转矩。若负载转矩，则电机堵转。

机械特性调节特性

=2\*GB3②调节特性

在一定的转矩下，直流伺服电动机的转速n与控制电压的关系称为调节特性。调节特性也可由机械特性表达式画出，如图所示，调节特性也是一组平行线。

由调节特性可以看出，当转矩不变时，如，增强控制信号，直流伺服电动机的转速增加，且呈正比例关系；反之，减弱控制信号减弱到某一数值直流伺服电动机停止转动，即在控制信号小于时，电机堵转，要使电机能够转动，控制信号必须大于才行，故叫做始动电压，实际上始动电压就是调节特性与横轴的交点。所以，从原点到始动电压之间的区段，叫做某一转矩时直流伺服电动机的失灵区。由图可知，T越大，始动电压也越大，当为理想空载时，始动电压为0V，即只要有信号，不管是大是小，电机都转动。

从上述分析可知，电枢控制时的直流伺服电动机的机械特性和调节特性都是线性的，而且不存在“自转”现象，在自动控制系统中是一种很好的执行元件。

在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的直流电动机的调速系统。但直流伺服电动机电枢电流较大；电刷和换向器维护工作量大；接触电阻不稳定；电刷与换向器之间的火花有可能对控制系统产生干扰。所以现代数控机床和工业机器人都倾向采用交流伺服驱动。

二、交流伺服电动机

1.交流伺服电动机的结构

交流伺服电动机的定子与异步电动机类似，在定子槽中装有励磁绕组和控制绕组，而转子主要有笼型转子和非磁性空心杯转子两种结构形式。

笼型转子和三相异步电动机的笼型转子一样，但笼型转子的导条采用高电阻率的导电材料制造，如青铜、黄铜。另外，为了提高交流伺服电动机的快速响应性能，宜把笼型转子做成又细又长，以减小转子的转动惯量。

笼型转子的交流伺服电动机体积较大，气隙小，所需的励磁电流小，功率因数较高，电动机的机械强度大，但快速响应性能稍差，低速运行也不够平稳。

非磁性空心杯转子结构如图所示。它有两个定子：外定子和内定子，外定子铁芯槽内安放有励磁绕组和控制绕组，而内定子一般不放绕组，仅作磁路的一部分。空心杯转子位于内外绕组之间