伺服电机及其调速

伺服电机及其调速
⼀、交流伺服电机及其调速分类和特点
长期以来，在要求调速性能较⾼的场合，⼀直占据主导地位的是应⽤直流电动机的调速系统。

但直流电动机都存在⼀些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护。

换向器换向时会产⽣⽕花，使电动机的最⾼速度受到限制，也使应⽤环境受到限制，⽽且直流电动机结构复杂，制造困难，所⽤钢铁材料消耗⼤，制造成本⾼。

⽽交流电动机，特别是⿏笼式感应电动机没有上述缺点，且转⼦惯量较直流电机⼩，使得动态响应更好。

在同样体积下，交流电动机输出功率可⽐直流电动机提⾼10﹪～70﹪，此外，交流电动机的容量可⽐直流电动机造得⼤，达到更⾼的电压和转速。

现代数控机床都倾向采⽤交流伺服驱动，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势。

分类和特点
1．异步型交流伺服电动机
异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机。

它有三相和单相之分，也有⿏笼式和线绕式，通常多⽤⿏笼式三相感应电动机。

其结构简单，与同容量的直流电动机相⽐，质量轻1/2，价格仅为直流电动机的1/3。

缺点是不能经济地实现范围很⼴的平滑调速，必须从电⽹吸收滞后的励磁电流。

因⽽令电⽹功率因数变坏。

这种⿏笼转⼦的异步型交流伺服电动机简称为异步型交流伺服电动机，⽤IM表⽰。

2．同步型交流伺服电动机
同步型交流伺服电动机虽较感应电动机复杂，但⽐直流电动机简单。

它的定⼦与感应电动机⼀样，都在定⼦上装有对称三相绕组。

⽽转⼦却不同，按不同的转⼦结构⼜分电磁式及⾮电磁式两⼤类。

⾮电磁式⼜分为磁滞式、永磁式和反应式多种。

其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较差、制造容量不⼤等缺点。

数控机床中多⽤永磁式同步电动机。

与电磁式相⽐，永磁式优点是结构简单、运⾏可靠、效率较⾼；缺点是体积⼤、启动特性⽋佳。

但永磁式同步电动机采⽤⾼剩磁感应，⾼矫顽⼒的稀⼟类磁铁后，可⽐直流电动外形尺⼨约⼩1/2，质量减轻60﹪，转⼦惯量减到直流电动机的1/5。

它与异步电动机相⽐，由于采⽤了永磁铁励磁，消除了励磁损耗及有关的杂散损耗，所以效率⾼。

⼜因为没有电磁式同步电动机所需的集电环和电刷等，其机械可靠性与感应（异步）电动机相同，⽽功率因数却⼤⼤⾼于异步电动机，从⽽使永磁同步电动机的体积⽐异步电动机⼩些。

这是因为在低速时，感应（异步）电动机由于功率因数低，输出同样的有功功率时，它的视在功率却要⼤得多，⽽电动机主要尺⼨是据视在功率⽽定的。

⼆、步进电机
（⼀）步进电机的结构与⼯作原理
1．结构
步进电机由转⼦和定⼦组成。

转⼦和定⼦都由带齿的硅钢⽚叠成。

定⼦上有绕组分为若⼲相3，4，5，6，8，10。

图4-3 单定⼦径向分相反应式伺服步进电机结构原理图
定⼦和转⼦上的齿的齿距相同，但，定⼦上各相极齿在周向排列相互错开相数分之⼀个齿距。

各相绕组可在径向排列---径向分相式（图4-3），也可在轴向分段排列---轴向分相式（图4-4）。

图4-4 步进电机的齿距
图4-5 五定⼦径向分相反应式伺服步进电机结构原理图
2．⼯作原理
图4-6 步进电机⼯作原理图
图4-6，单定⼦径向分相式反应式步进电机，相数为3（A、B、C三相），定⼦均布40齿，齿距⾓9°，定⼦每个磁极上5个齿，齿距⾓也是9°，各极的齿错开3°排列。

当A相通电时，转⼦的齿与A相极齿对齐，这是由于各极的齿错开3°排列，B相下，转⼦齿中⼼线在反时针⽅向落后定⼦齿中⼼线3°，C相下则落后6°（或顺时针⽅向超前3°）。

当通电状态有A相转为B相时，在电磁⼒作⽤下，转⼦齿被吸引与B相极齿对齐，转⼦顺时针转过3°步距⾓。

这时，C相下，转⼦齿中⼼线在反时针⽅向落后定⼦齿中⼼线3°，A相下则落后6°（或顺时针⽅向超前3°）。

当通电状态再由B相转为C相时，转⼦齿被吸引与C相极齿对齐，转⼦⼜顺时针转过3°步距⾓。

这样，通电状态按A—B—C—A—B—C—A---这样的相序不断地改变，转⼦就会以3°步距⾓的步进⽅式连续的顺时针旋转。

若反过来变换通电状态的相序---A—C—B—A —C—B—A--，则转⼦就反时针旋转。

总结：
1）在结构上，定⼦各相的齿必须相互错开1/m个齿排列。

m为绕组相数。

2）通电状态按⼀定相序改变。

3）改变通电相序的⽅向就可改变转⼦的旋转⽅向。

4）步距⾓为：
（°）
式中，z—转⼦齿数，m—绕组相数，k—通电⽅式系数。

单三拍通电：A-B-C-A-，k=1
双三拍通电：AB-BC-BA-AB-，k=1
三相六拍通电：A-AB-B-BC-C-CA-A-，k=2。

k=拍数/相数。

（⼆）步进电路的驱动电路
步进电机式由指令脉冲控制进⾏⼯作的，脉冲频率---转速，脉冲数---转⾓。

那么，根据步进电机的⼯作原理，脉冲指令要实现对步进电机运转的控制，必须解决两个问题：
1）将指令脉冲按通电状态相序的要求进⾏分配，变脉冲串为各相通电状态串。

2）对脉冲进⾏功率放⼤。

这是由步进电机的驱动电路实现的，驱动电路主要包括环⾏分配器和功率放⼤器组成
1．环⾏分配器
环⾏分配器就是实现将指令脉冲按通电状态相序的要求进⾏分配的功能的。

硬环⾏分配器：由专⽤集成芯⽚或通⽤可编程逻辑器件组成。

如：CH250三相步进电机环配芯⽚。

软环⾏分配器：由软件实现环⾏分配器的功能。

由查表法设计软环⾏分配器：实现三相步进电机三相六拍的环⾏分配。

步进电机的A、B、C相的通断分别由计算机的PIO（并⾏输⼊/输出接⼝）的A⼝的PA0、
PA1、PA2的状态控制，即：PA0为0时A相断电，PA0为1时A相通电；PA1为0时B相断
电，PA1为1时B相通电；PA2为0时C相断电，PA2为1时C相通电。

这样，根据三相六拍的通电状态规律，可设计出环⾏分配器的输出状态表：
节拍序号C B A存储单元⽅向
PA 2
PA 1PA 0地址内容反转
正转
O O 12A00H 01H 1
0112A01H 03H 2
0102A02H 02H 3
1102A03H 06H 4
1002A04H 04H 51012A05H 05H
当有⼀个指令脉冲时，就根据当前的通电状态序号，电机转向的要求，从表中找出相应单元地址，并取出地址的内容，从PIO 的A ⼝输出。

如：正转，当前序号为2，则，序号+1=3，找出的对应单元地址为2A03H ，从该地址取出其内容06H 输出到PIO 的A ⼝，这时A ⼝低三位的状态从010变为110，即控制通电状态从B-BC 。

为了实现通电相序的循环，当当前序号为5（表底）时，修改为表⾸序号。

2．功率放⼤器
由于环⾏分配器输出的脉冲功率很⼩，因此，需要功率放⼤器进⾏放⼤，以驱动步进电机。

常⽤的电路有以下两种。

（1
）单电压供电放⼤器
图4-6（a ）是⼀种单电压供电线路。

电路由⼆级射极跟随器和⼀级功率反向器组成，
第⼀级射极跟随器起隔离作⽤。

第⼆级射极跟随器T 2处于放⼤区，以改善功放器的动态特性。

当环⾏分配器某相输出为⾼电平是，该相放⼤器的功率管T 3饱和导通，60伏的直流电源给该相的绕组L A 供电，绕组中的电流按指数规律上升到稳态值。

当环⾏分配器输出为低电平时，因T 1和T 2处于⼩电流放⼤状态，T 3不导通，绕组断电。

当T 3由导通变为截⽌时，绕组电感将在绕组两端产⽣很⼤的感应电势，若和电源电压⼀起加在T 3上，将造成过压击穿。

因此，在绕组上并联续流⼆极管D 2，在T 3的集电极和射电极之间并联RC 吸收回路，以T 不被破坏。

在绕组上串联电阻R 0，⽤以限流和减⼩供电回路的时间常数。

，并联电容C 0以提⾼绕组的瞬时电压，使绕组中的电流上升速度提⾼，从⽽提⾼步进电机的启动频率。

但，串⼊R 后，功耗增⼤，为保持稳态电流，电源电压相应增⼤，对功率管的耐压要求更⾼。

为克服上述缺点，出现了双电压供电电路。

（2）双电压供电放⼤器
图3-4（b ）。

当环⾏分配器送来的脉冲使T 1管导通的同时，触发但稳态触发器D ，在D 输出的窄脉冲宽度年、
时间内使T2导通，60伏⾼压给绕组供电，由于D承受反压，切断了12伏低压电源。

在⾼压供电下，绕组的电流迅速上升，前沿很陡。

当超过D输出的脉冲宽度时，T管截⽌，这时，D1导通，由12伏低压供电，以维持所需电流。

当T1管断电时，绕组的⾃感电势使续流⼆极管D导通，电流继续流过绕组。

续流回路串接电阻可以减少时间常数和加快续流过程。

采⽤以上措施⼤⼤提⾼了电机的⼯作频率。

特点：开始⾼电压供电，使绕组中的冲击电流上升，前沿很陡。

利于提⾼启动频率和最⾼连续⼯作频率。

后低电压供电以维持额定稳态电流值，只需很⼩的限流电阻，因⽽功耗低。

当⼯作频率⾼，其周期⼩于单稳D的延迟周期时，变成纯⾼压供电，可获得较⼤的⾼频电流，具有较好的矩频特性。

（三）步进电机的使⽤特性
1．步距误差
单相通电时，步距误差取决于定⼦和转⼦的分齿精度、各相定⼦的错位⾓度的精度/
多相通电时，还与各相电流的⼤⼩、磁路性能等因数有关。

2．最⾼启动频率和最⾼⼯作频率
最⾼启动频率：空载时，步进电机由静⽌突然启动，并不失步地进⼊稳速运⾏，所允许的启动频率。

最⾼启动频率与步进电机的惯性J有关，J增⼤则最⾼启动频率下降。

最⾼⼯作频率：步进电机连续运⾏时所能接受的最⾼频率。

它与步距⾓⼀起决定执⾏部件的最⼤运动速度。

与负载惯量有关，也与定⼦相数、通电⽅式、控制电路的功放级等因数有关。

3．输出的转矩---频率特性
由于绕组本⾝是感性负载，输⼊频率越⾼，励磁电流就越⼩。

频率⾼，磁通量变化加剧，涡流损失加⼤。

因此，输⼊频率增⾼，输出⼒矩降低。

最⾼⼯作频率的输出⼒矩只能达到低频转矩的40—50%。

三、直流伺服电机及其调速系统
（⼀）直流伺服电机的调速
由公式：
直流电机调速有三种⽅法：
（1）改变电区电压U：由额定电压向下调低，转速也由额定转速向下调低，调速范围⼤。

（2）改变磁通量Φ（即改变ke）：改变激磁回路的电阻可改变Φ。

由于激磁回路电感⼤，电⽓时间常数⼤，调速快速性差，转速只能由额定转速向上调⾼。

（3）在电枢回路中串联调节电阻。

转速只能调低，铜耗⼤，不经济。

直流伺服电机通常采⽤调压调速。

(⼆)⼤惯量直流伺服电机
⼜称宽调速直流伺服电机。

1．结构特点
激磁⽅式为永磁式。

结构特点主要围绕提⾼⼒矩系数，增⼤输出⼒矩。

⼒矩系数k T=C MΦ，C M=pN/2πa。

采⽤⾼性能的磁性材料。

产⽣强磁场Φ，且磁性能的稳定性好。

增加转⼦上的槽数和槽的截⾯积，增⼤（N）电枢绕组总导体数、（p）极对数。

采⽤单波绕组形式，减⼩并联⽀路对数（a）。

增⼤极对数，还可减⼩电枢电感，从⽽减⼩电机的机械常数和电⽓常数，提⾼响应的快速性。

提⾼转矩的意义在于：低速转矩⼤，过载能⼒强。

惯量⼤，输出转矩⼤，可直接驱动负载，⽆须机械减速。

调速范围宽，采⽤优质电刷材料，加⼤电刷的接触⾯积，增加轴和轴承的刚度，从⽽较好的解决了⾼速换向的问题，提⾼了电机的⼯作速度。

增加转⼦槽数和换向⽚数，使齿槽分布均匀，减⼩了转矩的波动，电机在低速时仍能平稳运⾏。

内装低波纹测速发电机，还可内装位置检测元件。

热容量⼤，可在⾃然冷却条件下长时间⼯作或在过载条件下⼯作。

2．⼯作特性
⼯作特性由⼀些参数和特性曲线所限定。

速度界限线：不发⽣机械故障的转速上限线。

发热界限线：连续运⾏时，温度达到绝缘所允许的极限。

换向界限线：良好的换向/
瞬时换向界限线：
去磁界限线：转矩⼤于此线运⾏，会出现不能恢复的去磁现象。

上述5条线，将电机运⾏分为3个⼯作区域：
区域Ⅰ：连续⼯作区；区域Ⅱ：间歇⼯作区；区域Ⅲ：短暂⼯作区。

（三）直流伺服电机的可控硅（晶闸管）调速系统
可控硅，⼯作特性类似于⼆极管，加正向电压才可能导通，且导通与否还取决于触发断是否有触发脉冲。

当交流电作⽤于可控硅时，在正半周，加以触发脉冲，则导通，电流流过负载，负半周，可控硅截⽌，因此，负载上只有直流通过，且，改变触发⾓，可改变负载上的平均直流电压。

负载为感性负载（电机），当触发⾓⼩于90°时，可控硅⼯作在整流状态，⼤于190°时⼯作在逆变状态。

直流伺服电机的可控硅调速系统由可控硅直流调速主回路和控制回路组成：
主回路多采⽤三相桥式反并联⽆环流可逆回路（图4-12），为电机提供可调压的直流电源（桥式回路整流），且实现电机的正反转（反并联的两组）和快速换向（逆变）。

控制回路为速度、电流双环回路和触发电路组成（图4-11）。

触发电路为主控回路提供触发脉冲，控制触发⾓。

直流伺服电机的脉冲宽度调速系统
（四）直流伺服电机的脉冲宽度调速系统
（四）
简称PWM系统，它是利⽤开关频率较⾼的⼤功率晶体管作为开关元件，将整流后的恒压直流电源，转换成幅值不变，但脉冲宽度（持续时间）可调的⾼频矩形波，给伺服电机的电枢供电。

改变脉冲宽度，就可以改变电枢回路的平均电压，从⽽对电机调速。

直流伺服电机的脉冲调宽调速系统原理如图4-13。

主电路为晶体管脉宽调制放⼤器PWM。

控制电路包括：速度控制回路、电流控制回路和脉宽调制电路。

经速度控制环和电流控制环调节变换后输出的速度指令直流电压U c，它与三⾓波经脉宽调制电路，调制后得到调宽的脉冲系列，作为控制信号输送到PWM各相关晶体管的基极，使调宽脉冲得以放⼤，成为直流伺服电机电枢的输⼊电压。

1．脉冲宽度调制电路
任务：将速度指令电压信号转换成脉冲周期固定，⽽宽度可由速度指令电压信号的⼤⼩调节变化的脉冲电压。

由于脉冲周期固定，脉冲宽度的改变将使脉冲电压的平均电压改变，即随指令电压改变⽽改变。

经PWM放⼤后，输⼊电枢的电压也跟着改变，从⽽达到调速的⽬的。

原理：脉宽调制电路由三⾓波发⽣器、⽐较器和脉冲分配器组成。

图4-14。

当三⾓波（幅值
和频率固定不变）和速度指令电压Uc（直流）输⼊⽐较器后，若其和的极性为负，则输出正电压⽅波，为正时，输出为负电压⽅波。

如图，在0-t1，三⾓波负幅值⼤于Uc，极性为负，输出为正电压⽅波；在t1-t4时，极性为负，输出为负⽅波。

这样。

直流转换为双极性脉冲。

当1改变时，脉冲宽度随着改变。

⽐较器输出的脉冲信号，经脉冲分配器分为Ub1、Ub4、Ub2、Ub3四组脉宽调制信号。

作为PWM各晶体管基极的控制信号。

当Uc从负增⼤到正时Ub1、Ub4的脉冲宽度增⼤，Ub2、Ub3的脉冲宽度减⼩。

Uc为零时，正负脉冲宽度相等。

2．晶体管脉冲放⼤器
图4-15。

H形双极性脉宽放⼤器。

由双晶体管开关电桥电路加续流电路组成。

T1和T4为⼀组，T2和T3为⼀组。

同组两个三极管同时导通或关断。

两组交替通断。

当Uc为正时Ub1、Ub4的正脉冲宽度⼤于负脉冲宽度，Ub2、Ub3的正脉冲宽度⼩于负脉冲宽度。

电枢加正直流电压，电流从B流到A，电机正转，反之，Uc为负时，电机反转。

Uc的绝对值越⼤，加在电枢上的平均电压越⾼，转速越⾼。

Uc为零时，平均电压为零，电机停⽌。

四、脉宽调速交流伺服电机及其调速系统
脉宽调速交流伺服电机及其调速系统
四、
直流伺服电机具有良好的调速特性和转矩特性，但结构复杂、制造成本⾼、体积⼤，⽽且电刷容易磨损，换向器会产⽣⽕花，是其使⽤受到限制。

交流电机没有电刷和换向器等结构上的缺点。

⽽且，随着新型功率开关器件、专⽤集成电路、计算机技术和控制算法等的发展，使得交流电机伺服驱动的调速特性更能适应数控机床进给伺服系统的要求。

（⼀）永磁同步交流伺服电机
交流感应电机结构简单、容量⼤、价格低，⼀般⽤于主运动的驱动。

伺服驱动⽤交流同步电机。

永磁同步交流电机结构如图4-16所⽰。

（⼆）交流伺服电机的变频调速
根据交流电机的转速公式:
实现交流电机的调速有三种⽅式：
1）改变极对数(p),只能实现有级变速；
2）控制滑差率(s),交流异步电机才能实现,且调速范围窄,不易控制；
3）改变交流频率(f),可实现宽范围的⽆级调速,且转速与频率成正⽐；
交流伺服电机采⽤变频调速。

有交流电机的相电压公式：，当频率f升⾼时，若输⼊的相电压不变，则⽓隙磁通Φ减⼩；
再由交流电机的转矩公式：，Φ减⼩，电机转⼦的感应电流相应也减⼩，电机输出转矩下降。

另外，频率f减⼩，⽓隙磁通Φ将增加，这⼜会导致磁路饱和，激磁电流上升，铁耗剧增，功率因素下降。

为此：
变频调速时，需要同时改变定⼦的相电压，以维持Φ接近不变，使输出转矩也接近不变（恒转矩）。

可见，交流伺服电机变频调速的关键问题是要获得调频调压的交流电源。

调频调压电源通常采⽤交流----直流----交流的变换电路实现，这种电路的主要组成部分是三相电流逆变器。

图4-17是⽬前⼴泛采⽤的电压型功率晶体管三相逆变器主回路原理图。

交流---直流：⼆极管整流电路，获得恒定的直流电压U d；
直流---交流：由功率晶体管开关元件V1、V4、V3、V6、V5、V2组成的三相脉宽调制逆变
器，获得频率和幅值可调的三相交流电压。

由三个⾼速的三⾓波正弦波脉宽调制器，按⼀定规律控制逆变器的开关元件的通断，从⽽在逆变器的输出端获得三组等幅、等距、但不等宽的矩形脉冲，来近似等效于三相正弦电压。

三⾓波正弦波脉冲调制的原理如图4-18所⽰。

V T为幅值为E T，频率为f T的双极性三⾓波，称为载波。

V S为正弦波，称为控制波，逆变器的每⼀相有⼀路控制波，幅值同为E S，频率同为f S，相位相差120°。

控制波的幅值和相位是可调的。

根据三⾓波和正弦波的交点，可产⽣⼀列在T S（=1/f S）周期内幅值为E S的等幅、等距，但宽度呈正弦分布的脉冲。

⽤每⼀相的脉冲系列的⾼低电平信号去控制主回路同相的上下两个晶体管的基极（如A相，⾼电平控制V1，低电平控制V4），结果，在逆变器输出端获得⼀组经功率放⼤了的频率为f S的类似于控制脉冲系列的调宽矩形脉冲，它等效于频率为f S的正弦电压或电流。

其基波电压幅值为：
由上式。

U、E不变，通过改变控制波的幅值E就能调节逆变器输出的正弦电压的幅值----实现调压。

由于逆变器输出电压的频率与控制波的频率相同，同样，改变控制波的频率就能实现调频。