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1、第十章伺服控制系统本章概述伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。在数控机床中，伺服系统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统。伺服系统接受来自CNC 装置的进给脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作台，有的带动刀架，通过及个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出所要求的复杂形状工件。进给伺服系统是数控装置和机床机械传部件间的联系环节，是数控机床的重要组成部分。它包括机械、 电子、电机（早期产品还包括液压）等各种部件，并涉及到强电与弱电控制，是一个比较复杂的控制系统。要使它成为一个既能使各部件互相配合协调工作，又能满足相
2、当高的技术性能指标的控制系统，的确是一个相当复杂的任务。再现有技术条件下，CNC装置的性能已相当优异，并正在迅速向更高水平发展，而数控机床的最高运动速度、跟踪及定位精度、加工表面质量、生产率及工作可靠性等技术指标，往往又主要决定于伺服系统的动态和静态性能。数控机床的故障也主要出现在伺服系统上。可见提高伺服系统的技术性能和可靠性，对于数控机床具有重大意义，研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。本章要点了解位置控制系统的概况、基本要求、特点和系统组成。掌握步进电动机环形分配器的基本原理及其硬、软件的实现方法；掌握步进电动机不同类型的驱动电路及其优缺点。目录：10.1 概述10
3、.1.1 伺服系统的组成及工作原理10.1.2 伺服系统的分类10.2 步进电动机位置控制系统10.2.1 步进电动机的脉冲分配电路10.2.2 步进电动机的功率驱动电路10.3 伺服系统中的位置检测元件10.3.1 位置检测元件的要求和种类10.3.2 光电脉冲编码器10.3.3 旋转变压器10.4 直流伺服系统10.4.1 直流伺服系统类型10.4.2 脉冲比较型直流伺服系统10.5 交流伺服系统简介10.1 概述伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。在数控机床中，伺服系统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统。伺服系统接受来自CNC 装置的进给脉冲，经变换和放大，再驱动各
4、加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作台，有的带动刀架，通过及个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出所要求的复杂形状工件。进给伺服系统是数控装置和机床机械传部件间的联系环节，是数控机床的重要组成部分。它包括机械、 电子、电机（早名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 15 页 - - - - - - - - - 期产品还包括液压）等各种部件，并涉及到强电与弱电控制，是一个比较复杂的控制系统。要使它成为一个既能使各部件互相配合协调工
5、作，又能满足相当高的技术性能指标的控制系统，的确是一个相当复杂的任务。再现有技术条件下，CNC装置的性能已相当优异，并正在迅速向更高水平发展，而数控机床的最高运动速度、跟踪及定位精度、加工表面质量、生产率及工作可靠性等技术指标，往往又主要决定于伺服系统的动态和静态性能。数控机床的故障也主要出现在伺服系统上。可见提高伺服系统的技术性能和可靠性，对于数控机床具有重大意义，研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。10.1.1 伺服系统的组成及工作原理伺服电机又称执行电机，它时控制电机的一个种类。伺服电机可以把输入的电压信号变换成为轴上的角唯一和角速度输出。在控制系统中，伺服系统时
6、一种十分广泛应用的系统，伺服电机在系统中的用作执行元件的。根据被控对象的不同，由伺服电机组成的伺服系统一般有三种基本控制方式，即位置、速度、力矩控制方式。通常位置和速度控制用得比较多。在伺服系统中，控制电路十分关键，它直接影响到系统的性能品质。10.1.2 伺服系统的分类按调节理论分类1. 开环伺服系统开环伺服系统即无位置反馈的系统，其驱动元件主要是功率步进电机或液压脉冲马达。这两种驱动元件的工作原理的实质是数字脉冲到角度位移的变换，它不用位置检测元件实现定位，而是靠驱动装置本身，转过的角度正比与指令脉冲的个数；运动速度由进给脉冲的频率决定。开环伺服系统的结构简单，易于控制，但精度差，低速不平
7、稳，告诉扭矩小。一般用于轻载负载变化不大或经济型数控机床上。2. 闭环伺服系统闭环伺服系统是误差控制随动随动系统。数控机床进给系统的误差，是CNC 输出的位置指令和机床工作台（或刀架）实际位置的差值。闭环系统运动执行元件不能反映运动的位置，因此需要有位置检测装置。该装置测出实际位移量或者实际所处的位置，并将测量值反馈给CNC 装置，与指令进行比较，求得误差，依次构成闭环位置控制。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 15 页 - - - - - - - - -
8、由于闭环伺服系统是反馈控制，反馈测量装置精度很高，所以系统传动链的误差，环内各元件的误差以及运动中造成的误差都可以得到补偿，从而大大提高了跟随精度和定位精度。3. 半闭环系统位置检测元件不直接安装在进给坐标的最终运动部件上，而是中间经过机械传动部件的位置转换，称为间接测量。亦即坐标运动的传动链有一部分在位置闭环以外，在环外的传动误差没有得到系统的补偿，因而这种伺服系统的精度低于闭环系统。半闭环和闭环系统的控制结构是一致的，不同点只是闭环系统环内包括较多的机械传动部件，传动误差均可被补偿。理论上精度可以达到很高。但由于受机械变形、温度变化、振动以及其它因素的影响，系统稳定性难以调整。此外，机床运
9、行一段时间后，由于机械传动部件的磨损、变形以及其它因素的改变，容易使系统稳定性改变，精度发生变化。因此，目前使用半闭环系统较多。只在具备传动部件紧密度高、性能稳定、使用过程温差变化不大的高精度数控机床上使用全闭环伺服系统。按使用驱动元件分类1. 电液伺服系统电液伺服系统的执行元件是液压元件，其前一级为电气元件。驱动元件为液压机和液压缸，常用的有电液脉冲马达和电液伺服马达。数控机床发展的初期，多数采用电液伺服系统。电液伺服系统具有在低速下可以得到很高的输出力矩，以及刚性好、时间常数小、反映快和速度平稳等优点。然而，液压系统需要油箱、油管等供油系统，体积大。此外，还有噪声、漏油等问题，故从20 世
10、纪 70 年代起逐步被电气伺服系统代替。只是具有特殊要求时才采用电液伺服系统。2. 电气伺服系统电气伺服系统全部采用电子器件和电机部件，操作维护方便，可靠性高。电气伺服系统中的驱动元件主要有步进电机和交流伺服电机。它们没有液压系统中的噪声、污染和维修费用高等问题，但反应速度和低速力矩不如液压系统高，现在电机的驱动线路、电机本身的结构都得到很大的改善，性能大大提高，已经在更大的范围取代液压伺服系统。按使用直流伺服电机和交流伺服电机分名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页
11、，共 15 页 - - - - - - - - - 1. 直流伺服系统直流伺服系统常用的伺服电机有小惯量直流伺服电机和永磁直流伺服电机（也称为大惯量宽调速直流伺服电机）。小惯量伺服电机最大限度地减少了电枢的转动惯量，所以能获得最好的快速性。小惯量伺服电机一般都设计成有高的额定转速和低的惯量，所以应用时，要经过中间机械传动（如齿轮副）才能与丝杠相连接。2. 交流伺服系统交流伺服系统使用交流异步伺服电机和永磁同步伺服电机。由于直流伺服电机存在着固有的圈点，使其应用环境受到限制。交流伺服电机没有这些缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应好。另外在同体积条件下，交流电机的输出功率可比直流电机提高1
12、0 70。还有交流电机的容量可以比直流电机造的大，达到更高的转速和电压。按进给驱动和主轴驱动分类1.进给伺服系统进给伺服系统是指一般概念的伺服系统，它包括速度控制环和位置控制环。进给伺服系统完成各坐标轴的进给运动，具有定位和轮廓跟踪功能。2.主轴伺服系统严格来说，一般的主轴控制只是一个速度控制系统。主要实现主轴的旋转运动，提供切削过程中的转矩和功率，且保证任意转速的调节，完成在转速范围内的无极变速。具有C 轴控制的主轴与进给伺服系统一样，为一般概念的位置伺服控制系统。10.2 步进电动机位置控制系统步进电动机位置控制系统一般采用开环系统结构。10.2.1 步进电动机的脉冲分配电路步进电动机的控
13、制步进电动机绕组是按一定通电方式工作的，为实现这种轮流通电，需将控制脉冲按规定的通电方式分配到电动机的每相绕组。这种分配既可以用硬件来实现，也可以用软件来实现。实现脉冲分配的硬件逻辑电路称为环行分配器。在计算机数字控制系统中，采用软件实现脉冲分配的方式相应称作软件环分。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 15 页 - - - - - - - - - 硬件环形分配器：硬件环形分配器需要根据步进电动机的相数和要求的通电方式设计，图为一个三相六拍的环形分配器。分配器
14、的主体是三个J-K 触发器。三个J-K 触发器的 Q 输出端分别经各自的功放线路与步进电动机A、B、C 三相绕组连接。当 QA1 时， A 相绕组通电； QB1 时， B 相绕组通电； QC1 时， C 相绕组通电。 WX 和 WX 是步进电动机的正反转控制信号。正转时，各相通电顺序：AAB BBCCCA 反转时，各相通电顺序：AACCCBBBA 软件环分：对于不同的计算机和接口器件，软件环分有不同的形式，现以AT89C51 单片机配置的系统为例加以说明。1） 由 P1 口作为驱动电路的接口控制脉冲经AT89C51 的并行 I/O 接口 P1 口输出到步进电动机各相的功率放大器输入，设P1 口
15、的 P1.0 输出至 A 相，P1.1 输出至 B 相， P1.2 输出至 C 相。2）建立环形分配表为了使电动机按照如前所述顺序通电，首先必须在存储器中建立一个环形分配表，存储器各单元中存放对应绕组通电的顺序数值，当运行时，依次将环形分配表中的数据，也就是对应存储器单元的内容送到P1 口，使 P1.0、P1.1、P1.2 依次送出有关信号，从而使电动机轮流通电。表为三相六拍环形分配表，K 为存储器单元基地址（十六位二进制数），后面所加的数为地址的索引值。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - -
16、- - - - 第 5 页，共 15 页 - - - - - - - - - 可见，要是电动机正转，只需依次输出表中各单元的内容即可。当输出状态已是表底状态时，则修改索引值使下次输出重新为表首状态。如要使电动机反转，则只需反向依次输出各单元的内容。当输出状态达到表首状态时，则修改指针使下一次输出重新为表底状态。10.2.2 步进电动机的功率驱动电路步进电动机的驱动电路实际上是一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。由于功率放大器的输出直接驱动电动机绕组，因此，功率放大电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。对驱动电路要求的核心问题则是如何提高步进电动机的快速性和平稳性。目前，国内经济
17、型数控机床步进电动机驱动电路主要有以下几种: 1.单电压限流型驱动电路图所示是步进电动机一相的驱动电路，L 是电动机绕组，晶体管VT 可以认为是一个无触点开关，它的理想工作状态应使电流流过绕组L 的波形尽可能接近矩形波。但是由于电感线圈中的电流指数规律上升，其时间常数，须经过 的时间后才能达到稳态电流。由于步进电动机绕组本身的电阻很小，所以，时间常数很大，从而严重影响电动机的启动频率。为了减小时间常数，在励磁绕组中串以电阻R，这样时间常数就大大减小，缩短了绕组中电流上升的过度过程，从而提高了工作速度。在电阻R 两端并联电容C，是由于电容上的电压不能突变，在绕组由截止到导通的瞬间，电源电压全部降
18、落在绕组上，使电流上升更快，所以，电容C 又称为加速电容。二极管 V 在晶体管 VT 截止时起续流和保护作用，以防止晶体管截止瞬间绕组产生的反电势造成管子击穿，串联电阻RD 使电流下降更快，从而使绕组电流波形后沿变陡。这种电路的缺点是R 上有功率消耗。为了提高快速性，需加大R 的阻值，随着阻值的加大， 电源电压也势必提高，功率消耗也进一步加大，正因为这样，单电压限流型驱动电路的使用受到了限制。2. 高低压切换型驱动电路高低压切换型驱动电路的最后一级如图(a)所示，相应的电压电流波形图如图 (b)所示。这种电路中采用高压和低压两种电压供电，一般高压大于60V ，低压为 520V。V1 在 VT1
19、 和 VT2 都截止时通过电源和 V2 为电机绕组提供放电回路。在 t1-t2 时间内。 VT1 和 VT2 均饱和导通， 80V 的高压电源经过VT1 和 VT2 管加到步进电动机的绕组上，使其电流迅速上升，当时间到达 t2 时，或电流上升到某一数值时，Ub2 变为低电平， VT2 截止，电动机绕组的电流由+12V 电源经过 VT1 管来维持， 此时，电流下降到电动机的额定电流，直到t3 时Ub1 也为低电平， VT1 管截止，电动机绕组电流下降到0。一般电压名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - -
20、 - - - - - 第 6 页，共 15 页 - - - - - - - - - Ub1 由脉冲分配经过几级放大获得，电压 Ub2 由单稳定时或定流装置再经脉冲变压器获得。优点： 功耗小，启动力矩大，突跳频率和工作频率高。缺点： 大功率管的数量要多用一倍，增加了驱动电源。3.PWM 型驱动电路恒频脉宽调制功放电路基本上是把斩波恒流和斩波平滑功放电路的特点集于一身，功能更好。V1 是 20kHz 的方波，它作为各相 D 触发器的时钟信号 CP， 以保证各相以同样的频率进行斩波。V2 是步进控制信号。Vref 是比较器 OP 的正输入端信号，它用于确定电机绕组电流 iL 的稳定值。恒频脉宽调制功
21、率放大电路不但有较好高频特性，而且有效地减少了步进电机的噪声，同时还降低了功耗。因此体积也可以减少。但是由于斩波的频率较高，对功放管的要求也稍高。而这种电路的低频振荡也较高。10.3.1 位置检测元件的要求和种类感应同步器：感应同步器根据用途不同和结构特点分成直线式和旋转式(圆盘式 )两大类，直线式由定尺和滑尺组成，旋转式由定子和转子组成，前者用以测量工作机构的直线位移，后者用以测量旋转角度。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 15 页 - - - - - -
22、 - - - 图所示为直线感应同步器结构。定尺和滑尺由一系列开口线圈串联而成，其中一尺产生分布的交变磁场，另一尺则作为读出装置。 由图可见， 当两个线圈的轴线重合时，读出的信号尽大；而当两个线圈的轴线错开时 2，输出为零。 同理，当滑尺继续移动 2 时，输出信号最大，但相位相反。绝对值脉冲编码器：绝对值编码器通过读取编码盘上的图案来表示轴的位置。它由一组二元信号(“0”和“1”)按一定规律组成代码，每一个代码对应于编码器的一个确定位置。编码器由编码模具和读码装置两部分组成。编码模具由若干个二进制码元按一定编码规律组成。图表示一个二进制编码的码盘，其中4 个码道分别相应于二进制的20、21、22
23、 和 23 各位，阴影部分表示为“1”，而空白部分表示为零，共16 个代码。读码装置是多种多样的，依编码模具的二元信号形成原理而定。例如，以导电一不导电作为 “1”和“0”，读码装置就需要采用电刷，而当以透光一不透光表示“1”和“0”时，读码装置相应地采用光电方法。光删：计量光栅是用于数控机床的精密检测元件，是闭环系统中另一种用得较多的测量装置，用作位移或转角的测量，测量精度可达几微米。在玻璃的表面上制成透明与不透明间隔相等的线纹，称透射光栅；在金属的镜面上制成全反射与漫反射间隔相等的线纹，称反射光栅，也可以把线纹做成具有一定衍射角度的定向光栅。计量光栅分为长光栅(测量直线位移 )和圆光栅 (
24、测量角位移 )，而每一种又根据其用途和材质的不同分为多种。栅位置检测装置由光源、长光栅 (标尺光栅 )、短光栅 (指示光栅 )和光电元件等组成，如图所示。 根据光栅的工作原理分透射直线式和莫尔条纹式光栅两类。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 15 页 - - - - - - - - - 10.3.2 光电脉冲编码器、分类与结构脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器。它把机械转角变成电脉冲，是一种常用的角位移传感器。脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式三种。光电式
25、的精度与可靠性都优于其他两种，因此数控机床上只使用光电式脉冲编码器。由霍耳效应构成的电磁感应或脉冲发生器也有用作速度检测的。光电脉冲编码器按每转发出的脉冲数的多少来分，又有多种型号。根据机床滚珠丝杠螺距来选用相应的脉冲编码器。增量式光电脉冲编码器最初的结构就是一种光电盘。在一个圆盘的圆周上分成相等的透明与不透明部分，圆盘与工作轴一起旋转。此外还有一个固定不动的扇形薄片与圆盘平行放置，并制作有辨向狭缝(或狭缝群 )，当光线通过这两个作相对运动 的透光与不透光部分时，使光电元件接受到的光通量也时大时小地连续变化(近似于正弦信号 )，经放大、整形电路的变换后变成脉冲信号。通过计量脉冲的数目和频率即可
26、测出工作轴的转角和转速。该编码器通过十字连接头与伺服电动机连接，它的法兰盘固定在电动机的端面上，罩上防护罩，构成完整的驱动部件。光电脉冲编码器的结构示意图见图。、工作原理光线透过圆光栅和指示光栅的线纹，在光电元件上形成明暗交替变化的条纹，产生两组近似于正弦波的电流信号A 与B，两者的相位相差90o，经放大、整形电路变成方波，如图所示。若A 相超前于 B 相，对应电动机作正向旋转；若B 相超前于 A 相，对应电动机作反相旋转。若以该方波的前沿或后沿产生计数脉冲，可以形成代表正向位移和反向位移的脉冲序列。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - -
27、- - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 15 页 - - - - - - - - - (a) 信号处理线路(b)光电输出波形图Z 相是一转脉冲，它是用来产生机床的基准点的。通常，数控机床的机械参考点与各轴的脉冲编码器发Z 相脉冲的位置是一致的。在应用时，从脉冲编码器输出的，四个方波被引入位置控制回路，经辨向和乘以倍率后，变成代表位移的测量脉冲。经频率一电压变换器变成正比于频率的电压，作为速度反馈信号，供给速度控制单元进行速度调节。图 ()为光电脉冲编码器的信号处理线路图。其中施密特触发器作为放大整形用。它将相差 90o 的二组正弦波电流信号与 B，放大整形
28、为方波。若A 相超前相90o(图 ()右)则输出正转脉冲列；若相落后B 相 90o，如图()左，则输出反转脉冲列F。若门电路如图()所示由与或门组成，则在输入信号一周期内有4 个脉冲输出，即把与位移(转角 )成正比的栅距角或莫尔条纹宽度细分成四等分了。10.3.3 旋转变压器旋转变压器是一种间接测量装置，由于它具有结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要求低、输出信号幅度大和抗干扰能力强等特点，所以在连续控制系统中得到了普通使用。旋转变压器又叫同步分解器，它是一种控制用的微电机，在结构上与两相绕线式异步电动机相似，由定子和转子组成。定子绕组为变压器一次侧，转子绕组为变压器二次侧。激磁电压接到
29、二次侧，感应电动势由一次侧输出。由于定子和转子之间的磁通分布符合正弦规律，所以当激磁电压加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组产生感应名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 15 页 - - - - - - - - - 电动势。如图所示，由变压器原理，设一次绕组匝数为N1，二次绕组匝数为N2，n=N1N2 为变压比。当一次侧输入交变电压U1Umsin t 时，二次侧产生感应电势E2nU1 nUmsint。10.4 直流伺服系统直流伺服电动机的结构和一般直流电动机
30、一样，只是为了减小转动惯量而做得细长一些。它的励磁绕组和电枢分别由两个独立电源供电。也有永磁式的，即磁极是永久磁铁。通常采用电枢控制，就是励磁电压f 一定，建立的磁通量也是定值，而将控制电压Uc 加在电枢上，其接线图如图所示。直流伺服电动机接线图直流伺服电动机的机构特性（n=f(T) ）和直流他励电动机一样，也用下式表示：n=Uc/KE -Ra/KEKTT图是直流伺服电动机在不同控制电压下（Uc 为额定控制电压）的机械特性曲线。直流伺服电动机的n=f(T) 曲线由图可见：在一定负载转矩下，当磁通不变时，如果升高电枢电压，电机的转速就升高；反之，降低电枢电压，转速就下降；当Uc0 时，电动机立即
31、停转。要电动机反转，可改变电枢电压的极性。10.4.1 直流伺服系统类型从传递函数的角度来看，位置控制器相当于一个比例环节，其比例系数是KP 。位置控制器输出是数字量，必须经过D/A 转换之后才能控制调速单元，D/A 转换也相当于一个比例环节，其比例系数是 KA 。从位置环的角度来看，调速单元可以等效为一惯性环节KV(TvS+1) ，式中，Tv 为惯性时间常数；Kv 为调速单元的放大倍数。调速单元输出的量是速度量，这一速度量经过积分环节1s后成为角位移量。位置量检测环节是指位置传感器(光电编码器、旋转变压器等)和后置处理电路。这个环节也可以看作是一个比例环节，比例系数是KJ。名师资料总结 -
32、- -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 15 页 - - - - - - - - - 相位比较的进给伺服系统采用相位比较法实现位置闭环控制的伺服系统，是高性能数控机床中所使用的一种伺服系统。相位伺服系统的核心问题是，如何把位置检测转换为相应的相位检测，并通过相位比较实现对驱动执行元件的速度控制。幅值比较的进给伺服系统幅值比较伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较构成的闭环控制系统。该系统的特点之一是，所用的位置检测元件应工
33、作在幅值工作方式。感应同步器和旋转变压器都可以用于幅值伺服系统。幅值伺服系统实现闭环控制的过程与相位伺服系统有许多相似之处。数据采样式进给伺服系统10.4 直流伺服系统10.4.2 脉冲比较型直流伺服系统（相位比较型）图所示为用于工件轮廓加工的一个坐标进给伺服系统，它包含速度控制单元和位置控制外环，由于它的位置环是按给定输入脉冲数和反馈脉冲数进行比较而构成闭环控制，所以称该系统为脉冲比较的位置伺服系统。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 15 页 - - -
34、 - - - - - - 10.5 交流伺服系统简介交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似，如图所示。其定子上装有两个位置互差 90 的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf 上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“ 自转 ” 现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子
35、做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm ，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子，如图所示。交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点：一、起动转矩大由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图中曲线1 所示，与普通
36、异步电动机的转矩特性曲线2 相比，有明显的区别。它可使临界转差率S01，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。二、运行范围较宽如图所示，较差率S 在 0 到 1 的范围内伺服电动机都能稳定运转。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 15 页 - - - - - - - - - 较差率三、无自转现象正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电
37、动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性（T1S1、T2S2 曲线）以及合成转矩特性（TS 曲线）如图所示，与普通的单相异步电动机的转矩特性（图中T S曲线）不同。这时的合成转矩T 是制动转矩，从而使电动机迅速停止运转。转矩特性曲线图是伺服电动机单相运行时的机械特性曲线。负载一定时，控制电压Uc 愈高，转速也愈高，在控制电压一定时，负载增加，转速下降。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 15 页 - - - - - - - - - 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 15 页 - - - - - - - - -