毕业论文---伺服电机及驱动系统在机床中的应用及其发展趋势

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1、 毕 业 论 文 伺服电机及驱动系统在机床中的应用及其发展趋势伺服电机及驱动系统在机床中的应用及其发展趋势 1 交流伺服电机的结构及工作原理 与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。定子上有两个绕组， 即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间相差 90 电角度。伺服电机内部的转子 是永磁铁，驱动 gS 控制的 uVW 三相电形成电磁场 转子在此磁场的作用下 转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进 行比较 调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度线数)。 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

2、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

3、偏差信号，控制绕组就要接 受与之相对应的控制电压。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

4、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。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运 行。由于转子的惯性，运行点由 A 点移到 B 点，

5、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。 就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的 响应最快;位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。 对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。那么如 果控制器本身的运算速度很慢(比如 PLC，或低端运动控制器)，就用位置方式控 制。如果控制器运

6、算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制 器上，减少驱动器的工作量，提高效率(比如大部分中高端运动控制器);如果有更 好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般 只是高端专用控制器才能这么干，而且，这时完全不需要使用伺服电机。 换一种说法是： 1、转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值 来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如 10V 对应 5Nm的话，当 外部模拟量设定为 5V 时电机轴输出为 2.5Nm:如果电机轴负载低于 2.5Nm时电 机正转，外部负载等于 2.5Nm时电机不转，大于 2.5Nm时电机反转(通常在有重 力负载情况下产生)。 可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小， 也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。 应用主要在对材质的受力有严 格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据 缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。 2、位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入