教案工业机器人基础第5章03文档格式.docx

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1伺服电动机

伺服电动机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种辅助马达间接变速装置。

伺服电动机可使速度控制，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象，在自动控制系统中，伺服电动机用做执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出.它分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

2伺服系统

伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）任意变化的自动控制系统。

它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的转矩、速度和位置的控制非常灵活方便。

伺服主要靠脉冲来定位，可以这样理解，伺服电动机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为伺服电动机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电动机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样就和伺服电动机接收的脉冲形成了呼应。

如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电动机，同时又收到了多少脉冲，就能够很精确地控制电动机的转动，从而实现精确的定位。

5.4.2直流伺服电动机

1直流电动机

根据直流电动机的工作原理可知，直流电动机的结构由定子和转子组成，直流电动机运行时静止不动的部分称为定子，其主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。

运行时转动的部分称为转子，主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电动机进行能量转换的枢纽，所以通常称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组和换向器等组成。

（1）直流电动机的额定值

电动机制造厂按照国家标准，根据电动机的设计和试验数据，规定的每台电动机的主要参数称为电动机的额定值.额定值一般标在电动机的铭牌上和产品说明书上。

直流电动机的额定值有以下几项。

1）额定功率:

额定功率是电动机桉照规定的工作方式运行时所能提供的输出功率。

对电动机来说，额定功率是指轴上输出的机槭功率，单位为kW。

2）额定电压:

额定电压是电动机电枢绕组能够安全工作的最大外加电压或输出电压，单位为V。

3）额定电流:

额定电流是电动机按照规定的工作方式运行时，电枢绕组允许流过的最大电流，单位为A。

4）额定转速:

额定转速是电动机在额定电压、额定电流和额定功率下运行时，电动机的旋转速度，单位为r/min。

额定值一般标在铭牌上，故又称为铭牌数据。

还有一些额定值，例如额定转矩、额定效率和额定温升等，不一定标在铭牌上，可查阅产品说明书。

（2）直流电动机的控制方式

直流电动机是在一个方向连续旋转，或在相反的方向连续转动，运动连续且平滑，但是本身没有位置控制能力。

直流电动机的优点:

调速方便（可无级调速），调速范围广，调速特性平滑；

低速性能好（起动转矩大，起动电流小），运行平稳，转矩和转速容易控制:

过载能力较强，起动和制动转矩较大。

直流电动机的缺点:

存在换向器，其制造复杂，价格较高:

换向器需经常维护，电刷极易磨损，必须经常更换，噪声比交流电动机大。

可通过改变电压或电流控制电动机的转速和转矩.PWM控制是利用脉宽调制器对大功率晶体管开关放大器的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到直流电动机的电枢两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制，改变电枢两端的平均电压以达到调节电动机转速的目的。

正因为直流电动机的转动是连续且平滑的，因此要实现精确的位置控制，必须加入某种形式的位置反馈，构成闭环伺服系统.有时，机器人的运动还有速度要求，所以还要加入速度反馈。

一般直流电动机和位置反馈、速度反馈形成一个鳖体，即通常所说的直流伺服电动机。

由于采用闭环伺服控制，所以能实现平滑的控制和产生大的转矩。

2直流伺服电动机原理

图5.38直流伺服电动机的工作原理图

直流伺服电动机的工作原理如图5.38所示。

图中N、导体转子有电流流过且转子电流和磁通正交时，由于磁场的作用，导体转子两边产生方向相反的电磁力，从而形成如图416所示的转矩使导体转动，当导体转过90°

时，由于换向器使电流反向，使转子导体两边s为永磁铁，当位于N、s之间的的电磁力反向，但由于此时转子位置的改变正好使所形成的转矩保持和原来相同的方向，使转子继续向同一方向转动白这样，转子每转过9o°

，换向器就使电流反向一次，使得转子连续不断地转动。

在图中所示位置开始通电时，转子转矩最大。

随着转子的旋转转矩逐渐减小，直到转过90°

时，转矩为零，转子继续旋转，转矩又从零开始逐渐增大。

所以直流电动机是一种转矩变化剧烈的电动机.为了保证电动机保持一定的最大转矩，实际使用的直流电动机往往要设置10个换向器。

3直流伺服电动机的种类

机器人对直流伺服电动机的基本要求是:

宽广的调速范围，机械特性和调速特性均为线性，无自转现象（控制电压降到零时，伺服电动机能立即自行停转），响应快速等。

直流伺服电动机经过几十年的研究发展了许多不同的结构和形式，目前主要有两大类，一类是小惯量直流伺服电动机，另一类是大惯量宽调速直流电动机。

（1）小惯量直流伺服电动机

小惯量直流伺服电动机的特点是转子轻、转动惯量小、快速响应好.按照电枢形式的不同分为盘型电枢直流伺服电动机、空心杯电枢永磁式直流伺服电动机及无槽电枢直流电动机

1-定子2-转子

图5.39盘型电枢直流伺服电动机

如图5.39所示，盘型电枢直流伺服电动机的定子是由永久磁铁和前后磁轭组成，转轴上装有圆盘，圆盘上有电枢绕组，可以是印制绕组，也可以是绕线式绕组，电枢绕组中的电流沿径向流过圆盘表面，与轴向磁通相互作用产生转矩。

1-空心杯电枢2-内定子3-外定子4-磁极5-气隙6-导线7-内定子中的磁路

图5.40空心杯电枢永磁式直流伺服电动机

如图5.40所示，空心杯电枢永磁式直流伺服电动机有1个外定子和1个内定子，外定子是两个半圆形的永久磁铁，内定子由圆柱形的软磁材料制成，空心杯电枢置于内外定子之间的圆周气隙中，并直接装在电动机轴上。

当电枢绕组流过-定的电流时，空心杯电枢能在内外定子间的气隙中旋转，并带动电动机转轴旋转。

小惯量直流伺服电动机与一般直流电动机相比，其转子为光滑无槽的铁心，用绝缘黏合剂直接把线圈黏合在铁心表面上，且转子长而直径小，气隙尺寸比一般直流电动机大10倍以上，输出功率一股在10KW以内，主要用于要求快速动作`功率较大的系统，小惯量直流电动机具有以下特点.

1）转动惯量小，为一般直流电动机的V10。

2）由于气隙大，电枢反应小，具有良好的换向性，一般换向时间只有几毫秒。

由于转子无槽，低速时电磁转矩的波动小，稳定性好，在速度低10r/min时也无爬行现象。

3）过载能力强，一般可达额定值的10倍。

4）容许过载的持续时间不能太长。

（2）大惯量宽调速直流电动机

小惯量直流伺服电动机用减少电动机转动惯量来提高电动机的快速性，而大惯量宽调速直流电动机在不改变一般直流电动机大转动惯量的情况下用提高转矩的方法来改善真动态特性，它既有小惯量电动机的快速性，又有较好的输出转矩/惯量比值，还可以在电动机内装测速发电机、旋转变压器、编码器等测量装置。

大惯量宽调速直流电动机的特点包括:

1）输出转矩大；

2）调速范围宽；

3）动态响应好；

4）过载能力强；

5）易于调试。

目前，直流电动机可达到很大的转矩/重量比，远高于步进电动机.除了在较大功率情况下，与液压驱动不相上下。

直流驱动还能达到高精度，加速迅速，且可靠性高.由于以上原因，当今大部分机器人都采用直流伺服电动机驱动各个关节，因此，机器人关节的驱动部分设计应包括伺服电动机的选定和传动比的确定。

4直流伺服电动机的控制

在电枢控制方式下，直流伺服电动机的主要静态特性是机械特性和调节特性。

（1）机械特性

机械特性是指控制电压恒定时，电动机的转速随转矩变化的关系。

当电压一定时，随着转矩T增加，转数n成正比下降。

随着电压的降低，机械特性平行的向低速度、小转矩方向平移，斜率不变。

（2）调节特性

调节特性是指转矩T恒定时，电动机的转速随控制电压变化的关系。

当T为不同值时，调节特性为一组平行直线，如图5.41所示。

当T一定时，控制电压高则转速也高，转速的增加与控制电压的增加成正比，这是理想的调节特性。

a）机械特性b）调节特性

图5.41直流电机的静态特性

调节特性曲线与横坐标的交点（n=0），表示在一定负载转矩时的电动机的始动电压。

在该转矩下，电动机的控制电压只有大于相应的始动电压时，电机才能启动。

例如T=T1时，始动电压为砀，控制电压饥>

砀时，电动机才能起动。

理想空载时，始动电压为零，它的大小决定于电动机的空载制动转矩。

空载制动转雉大，始动电压也大。

当电动机带动负载时，始动电压随负载转矩的增大而增大。

一般把调节特性曲线上横坐标从零到始动电压这一范围称为失灵区，在失灵区内，即使电枢有外加电压，电动机也不能转动。

失灵区的大小与负载转矩的大小成正比，负载转矩大，失灵区也大。

（3）调速方式

直流伺服电动机一般采用晶闸管（SCR）调速系统和晶体管脉宽调制（PWM）调速系统。

目前广泛使用后者进行调速驱动。

与晶闸管调速系统相比晶体管脉宽调制调速系统具有频带宽，电动机脉动小，电源功率因数高，动态特性好的优点。

PWM是利用大功率晶体管的开关作用，将恒定的直流电源电压转成-定频率的方波电压，并加在直流电动机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压来控制电动机转速的一种方式。

为了满足小型直流电动机的应用需要，各半导体厂商纷纷推出直流电动机驱动专用集成电路，如美国生产的半桥单片集成电路SG1635以及意大利公司生产的全桥驱动L292等。

直流伺服电动机最常用的控制方式是电枢控制，电枢控制就是把电枢绕组作为控制绕组，电枢电压作为控制电压，而励磁电压恒定不变，通过改变控制电压来控制直流伺服电动机的运行状态.

（4）电动机选择

选择电动机，首先要考虑电动机必须能够提供负载所需要的瞬时转矩和转速，就安全角度而言，就是能够提供克服峰值所需要的功率。

其次，当电动机的工作周期可以与其发热时间常数相比较时，必须考虑电动机的热定额问题，通常以负载的均方根功率作为确定电动机发热功率的基础。

5.4.3交流伺服电动机

直流伺服电动机上的电刷和换向器，需要定期更换和进行维修，电动机使用寿命短，噪声大.尤其是直流电动机的容量小，电枢电压低，很多特性参数随速度而变化，限制了直流电动机向高速、大容量方向发展.在一些具有可燃气体的场合，由于电刷换向过程中可能产生火花，因此不适合使用。

1交流电动机

（1）交流电动机的工作原理

图5.42异步交流电动机

单相交流电动机如图5.42所示，当定子绕组通过交流电流时，建立了电枢磁动势，它对电动机能量转换和运行性能都有很大影响。

所以单相交流绕组通入单相交流产生脉振磁动势，该磁动势可分解为两个幅值相等、转速相反的旋转磁动势和，从而在气隙中建立正转和反转磁场和，这两个旋转磁场切割转子导体，并分别在转子导体中产生感应电动势和感应电流。

该电流与磁场相互作用产生正、反电磁转矩.正向电磁转矩企图使转子正转；

反向电磁转矩企图便转子反转。

这两个转矩叠加起来就是推动电动机转动的合成转矩。

对于三相电动机，当向三相定子绕组中通入对称的三相交流电时，就产生了一个以同步转速n1沿定子和转子内圆空闸作顺时针方向旋转的旋转磁场，由于旋转磁场以n1转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势（感应电动势的方向用右手定则判定），由于转子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。

转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用（力的方向用左手定则判定），电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子沿着旋转磁场方向旋转。

通过上述分析可以总结出电动机工作原理。

当电动机的三相定子绕组（各相差120°

），通入三相交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电动机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电动机旋转方向与旋转磁场方向相同。

（2）交流电动机的特点

特点:

无电刷和换向器，无产生火花的危险；

比直流电动机的驱动电路复杂、价格高。

同步电动机:

定子是永磁体，所谓同步是指转子速度与定子磁场速度相同，体积小。

用途；

要求响应速度快的中等速度以下的工业机器人:

机床领域。

异步电动机:

所谓异步是指转子磁场和定子间存在速度差（不是角度差）。

转子和定子上都有绕组，转子惯量很小，响应速度很快。

中等功率以上的伺服系统，改变定子绕组上的电压或频率，即电压控制或频率控制方式.伺服电动机的精度由编码器的精度决定。

2交流伺服电动机的原理

由于直流电动机本身在结构上存在一些不足，而对于交流伺服电动机，由于它具有结构简单、制造方便、价格低廉，而且坚固耐用、惯量小、运行可靠、很少需要维护、可用于恶劣环境等优点，目前在机器人领域有逐渐取代直流伺服电动机的趋势，交流伺服电动机为单相异步电动机，定子两相绕组在空间相距90°

，一相为励磁绕组，运行时接至电压为Uf的交流电源上；

另一相为控制绕组，输入控制电压Uc，Uc与Uf为同频率的交流电压，转子为笼型。

同直流伺服电动机一样，交流伺服电动机也必须具有宽广的调速范围、线性机械特性和快速响应等性能，除此外，还应无“自转”现象。

在正常运行时，交流伺服电动机的励磁绕组和控制绕组都通电，通过改变控制电压既来控制电动机的转速，当Uc=0时，电动机应当停止旋转，而实际情况是，当转子电阻较小时，两相异步电动机运转起来后，若控制电压Uc=0，电动机便咸为单相异步电动机继续运行，并不停转，出现了所谓的“自转”现象，使自动控制系统失控。

3交流伺服电动视的种类

为了使转子具有较大的电阻和较小的转动惯量，交流伺服电动机的转子有三种结构。

（1）高电阻率导条的笼型转子。

这种转子结构同普通笼型异步电动机一样，只是转子细而长，笼导条和端环采用高电阻率的导电材料（如黄铜、青铜等）制造，国内生产的SL系列的交流伺服电动机就是采用这种结构。

（2）非磁性空心杯转子。

在外定子铁心槽内放置空间相距90只的两相分布绕组；

内定子铁心由硅钢片叠威，不放绕组，仅作为磁路的一部分；

由铝合金制成的空心杯转子置于内外定子铁心之间的气隙中，并靠其底盘和转轴固定。

（3）铁磁性空心转子

转子采用铁磁材料制成，转子本身既是主磁通的磁路，又作为转子绕组，结构简单，但当定子、转子气隙稍微不均匀时，转子就容易因单边磁拉力而被“吸住”所以目前应用较少。

如前所述，交流伺服电动机正得到越来越广泛的应用，大有取代直流电动机之势，交流伺服电动机除了能克服直流伺服电动机的缺点外，还具有转子惯量较直流电动机小，动态响应好，能在较宽的速度范圊内保持理想的转矩，结构简单，运行可靠等优点.一般同样体积下，交流电动机的输出功率可比直流电动机高出10%-70%。

另外，交流电动机的容量可做得比直流电动机大，达到更高的转速和电压◇目前在机器人系统中，90%的系统采用交流伺服电动机。

5.4.4步进电动机

对于小型机器人或点位式控制机器人而言，其位置精度和负载转矩较小，有时可采用步进电动机驱动。

这种电动机能在电脉冲控制下以很小的步距增量运动。

计算机的打印机和磁盘驱动器常用步进电动机实现打印头和磁头的定位，在小型机器人上，有时也用步进电动机作为主驱动电动机。

可以用编码器或电位器提供精确的位置反馈，所以步进电动机也可用子闭环控制。

1步进电动机的原理

（1）步进电动机的种类

步进电动机按励磁方式分有永磁式、反应式〈也称为可变磁阻式，在欧美等发达国家BO年代已被淘汰）和混合式3种。

混合式是指混合了永磁式和反应式的优点，混合式步进电动机的应用最为广泛。

（2）步进电动机的原理

这里以反应式步进电动机为例说明其工作原理，如图5.43所示为单定子、径向分相三相反应式步进电动机的结构原理图。

与普通电动机一样，该电动机有定子和转子两部分，其中定子又分为定子铁心和定子绕组.定子铁心由电工钢片叠压而成，其形状如图5.43所示。

1-定子绕组2-定子铁芯3-转子4-A项磁通

图5.43三相反应式步进电动机结构原理

2步进电动机的特点

（l）步进电动机的特性

步迸电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度（称为步距角），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量从而达到准确定位的目的；

同时可以通过控制脉冲频率来控制电动机转动的速度和加速度；

一般步迸电动机的精度为步距角的3%-5%，且不累积。

步进电动机的转矩会随转速的升高而下降。

步递电动机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法起动，并伴有啸叫声。

空载起动频率，即步进电动机在空载情况下能够正常起动的脉冲频率，要使电动机达到高速转动，脉冲频率应有加速过程，即起动频率较佟，然后撺一定加速度升到所希望的高频（电动机转速从低速升到篙速）.定子绕组上有很多对磁极，每个磁极依通电方向不同可形成N极或者S极.

（2）步进电动机的优点

1）输出角度精度高，无积累误差，惯性小。

步迸电动机的输出精度主要由步距角来反映.目前步距角一般可以做到0.002°

-0.005°

甚至更小，步进电动机的实际步距角与理论步距角总存在一定的误差，这误差在电动机旋转-周的时间内会逐步积累，但当电动机旋转一周后，其转轴又回到初始位置，使误差回零。

2）输入和输出呈严格线性关系。

输出角度不受电压、电流及波形等因素的影晌，仅取决于输入脉冲数的多少。

3）容易实现位置、速度控制，起、停及正、反转控制方便。

步进电动机的位置（输出角度）由输入脉冲数确定，其转速由输入脉冲的频率决定，正、反转（转向）由脉冲输入的顺序决走，而脉冲数、脉冲频率、脉冲顺序都可方便地由计算机输出控制。

4）输出信号为数字信号，可以与计算机直接通信。

5）结构简单，使用方便，可靠性好，寿命长。

3步进电动机的系统与步迸电动机的选择

（1）步进电动机的系统

步进电动机一般作为开环伺服系统的执行机构，有时也用于闭环伺服系统，它是一种将脉冲电信号转换为角位移或直线位移的一种D―A转换装置，按照输出位移的不同，步进电动机可分为回转式步进电动机和直线式步进电动机。

机器人中一般采用回转式步进电动机。

如果把步进电动机装在机器人田转关节轴上，则接收一个电脉冲，步进电动机就带动机器人的关节轴转过-个相应的角度，步进电动机连续不断地接收脉冲，关节轴就连续不断地转动.步进电动机转过的角度与接收的脉冲攀成正比。

一个步进电动机的系统由步进电动机控制卡，步进电动机驱动器和步进电动机组成，如图5.44所示。

图5.44步进电动机的系统组威

步进电动机驱动器优点是控制较容易，维修也较方便，而且控制为全数字化.缺点是由于开环控制，所以精度不高。

（2）步进电动机的选择

步进电动机有步距角（涉及相数）、静转矩及电流三大要素组成。

一旦三大要素确定，步进电动机的型号便确定下来了。

电动机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电动机轴上，每个当量电动机应走多少角度（包括减速）。

电动机的步距角应小于或等于此角度。

目前市场上步进电动机的步距角一般有0.36°

/0.72°

（五相电动机）、0.9°

/1.8°

（二、四相电动机）、1.5°

/3°

（三相电动机）等。

步进电动机的动态转矩很难立即确定，往往先确走电动机的静转矩，静转矩选择的依据是电动机工作的负载，而负载可分为模性负载和摩擦负载两种。

直接起动时（一般由低速）时两种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行时只要考虑摩擦负载.一般情况下，静转矩应为摩擦负载的2到3倍。

静转矩相同的电动机，由于电流参数不同，其运行特性差别较大，可依据矩频特性曲线图，判断电动机的电流（参考驱动电源及驱动电压）。

【本课小结】