伺服电动机在数控系统中的重要性与特性

伺服电动机为数控伺服系统的重要组成部分，是速度和轨迹控制的执行元件。伺服系统的设计、调试与选用的电动机及其特性有密切关系，直接影响伺服系统的静、动态品质。在数控机床中，常用的伺服电动机有直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机和直线电动机等。直流伺服电动机具有良好的调速性能，在20世纪70年代与80年代的数控系统中得到了广泛的应用；交流伺服电动机由于结构和控制原理的发展，性能大大提高，从80年代末开始逐渐取代直流伺服电动机，是目前主要使用的电动机；步进电动机应用在轻载、负荷变动不大以及经济型数控系统中；直线电动机是一种很有发展前途的特种电动机，主要应用在高速、高精度的进给伺服系统中。

1.直流伺服电动机

常用的直流伺服电动机有：永磁式直流电动机、励磁式直流电动机、混合式直流电动机、无刷直流电动机和直流力矩电动机等。直流进给伺服系统使用永磁式直流电动机类型的有槽电枢永磁直流电动机（普通型）；直流主轴伺服系统使用励磁式直流电动机类型的他励直流电动机。此外，永磁式直流电动机还包括无槽电枢永磁直流电动机、杯形电枢永磁直流电动机和印制绕组电枢永磁直流电动机等。这几种电动机均为小惯量电动机，适用于要求快速响应和频繁启动的伺服系统，但其过载能力低，电枢惯量与机械传动系统匹配较差。普通型永磁式直流电动机产量大，应用广泛。

图3-51 永磁直流伺服电动机的结构示意图

1—磁极（定子） 2—机壳 3—电刷（正极） 4—整流子 5—电刷（负极） 6—电枢（转子）

（1）永磁直流伺服电动机结构

普通型永磁直流伺服电动机的转子惯量大，调速范围宽，所以也称为大惯量宽调速永磁直流伺服电动机，广泛用在进给直流伺服系统中。如图3-51所示，永磁直流伺服电动机由机壳、磁极（定子）、电枢（转子）和电刷换向器等组成。

反馈用的检测元件有测速发电机、旋转变压器和光电脉冲编码器，这三种检测元件均可安装在电动机的尾部。定子磁极是一个永久磁体，由此建立磁场。高性能直流电动机采用稀土永磁材料，其磁极的形状大都为瓦状结构，并加上极靴或磁轭，以聚集气隙磁通；电枢由有槽铁心和绕组两部分组成，属于转动部分；换向器由电刷、换向片等组成，其作用是将外加的直电流电源引向电枢绕组，完成换向工作。

无槽永磁直流伺服电动机的铁心为无槽平滑圆柱体，电枢绕组为成形的线圈元件组成，直接绑扎分布在电枢铁心表面上，该电动机转矩脉动小。

杯形电枢永磁直流伺服电动机的电枢由漆包线编织成杯形（称为动圈转子），这种电动机非常轻巧，电气时间常数小。

印制绕组电枢永磁直流伺服电动机的名称起源于其电枢的制作应用一般印制电路的制作方法。目前，该方法早已被先进的冲制技术所代替。该电动机的电枢圆盘很轻，惯量很小。

（2）永磁直流伺服电动机的工作原理和特性

永磁直流伺服电动机（以下均指普通型，即大惯量宽调速永磁直流伺服电动机）的工作原理与一般（励磁式）直流电动机基本相同，但磁场的建立由永久磁铁实现。当电流通过电枢绕组（线圈）时，电流与磁场相互作用，产生感应电势、电磁力和电磁转矩，使电枢旋转。

永磁直流伺服电动机的特性原则上与一般直流电动机相同，但有很大的改进和变化，已不能简单地用电压、电流、转矩等参数来描述，需用数据表和特性曲线来描述，使用时要查阅有关表和特性曲线。

1）永磁直流伺服电动机的性能特点

①低转速大惯量。这种电动机具有较大的惯量，电动机的额定转速较低，可以直接和机床的进给传动丝杠相连，因而省掉了减速机构。

②转矩大。该电动机输出转矩比较大，特别是低速时转矩大，能满足数控机床在低速时进行大进给率加工的要求。加大力矩采取的措施，是选用高磁导的磁性材料。

③起动力矩大。该电动机具有很大的电流过载倍数，起动时，加速电流允许为额定电流的10倍，因而使得力矩/惯量比大，快速性好。

④调速范围大，低速运行平稳，力矩波动小。该电动机转子的槽数增多，并采用斜槽，使低速运行平稳（如在0.1r/min的速度运行）。

2）永磁直流伺服电动机的特性曲线

①转矩-速度特性曲线。

转矩-速度特性曲线又称为工作特性曲线，如图3-52所示。伺服电动机的工作区域被温度极限线、转速极限线、换向极限线、转矩极限线以及瞬时换向极限线分成三个区域：Ⅰ区为连续工作区，在该区域内可对转矩和转速作任意组合，都可长期连续工作；Ⅱ区为断续工作区，此时电动机只能根据如图3-53所示负载-工作周期曲线所决定的允许工作时间和断电时间做间歇工作；Ⅲ区为瞬时加速和减速区域，电动机只能用作加速或减速，工作一段极短的时间。选择该类电机时，要考虑负载转矩、摩擦转矩，特别是惯性转矩。

图3-52 转矩-速度特性曲线

图3-53 负载-工作周期曲线

②负载-工作周期曲线。

该曲线给出了在满足机械所需转矩的同时，而又确保电动机不过热的情况下，电动机允许的工作时间。因此，这些曲线是由电动机温度极限所决定的。负载-工作周期曲线的使用方法：首先根据实际负载转矩的要求，求出电动机在该时的过载倍数T_md；然后在负载-工作周期曲线的水平轴线上找到实际机械所需要的工作时间t，并从该点向上作垂线，与所要求的T_md的那条曲线相交；再从该点作水平线，与纵轴相交的点即为允许的负载-工作周期比d。

过载倍数T_md由下式定义：

式中，负载-工作周期比可用下式求出：

式中 t_R——电动机的工作时间；

t_F——电动机的断电时间。

最后可由下式求出最短断电时间tF

（3）主轴直流伺服电动机的工作原理和特性

机床主轴驱动和进给驱动有很大差别，对主轴直流伺服电动机要求有很宽的调速范围和提供大的转矩、功率。主电动机应有2.2～250kW的功率范围，1∶100～1∶1000恒转矩调速范围和1∶10的恒功率调速范围，而且要求在主轴在任一转向都可进行传动和加减速，即要求有四象限的驱动能力。主轴直流伺服电动机因换向的原因，恒功率调速范围小。到了20世纪80年代以后开始采用主轴交流伺服电动机。

为了满足数控机床对主轴驱动的要求，主轴直流伺服电动机的结构与进给驱动的永磁式直流伺服电动机不同。因为要求主轴电动机有大的输出功率，所以在结构上不做成永磁式，而与普通励磁式直流电动机同为他激式。主轴直流伺服电动机也是由定子和转子两大部分组成。转子与永磁直流伺服电动机相同，由电枢绕组和换向器组成；而定子则完全不同，它由主磁极和换向极组成。有的主轴直流伺服电动机在主磁极上不但有主磁极绕组，还带有补偿绕组。这类电动机在结构上的特点是：为了改善换向性能，在电动机结构上都有换向极；为缩小体积，改善冷却效果，采用了轴向强迫通风冷却或热管冷却；电动机外壳结构为密封式，以适应恶劣的机加车间环境；在电动机的尾部一般都同轴安装有测速发电机作为速度反馈元件。

图3-54 转矩-速度特性曲线

主轴直流伺服电动机虽然在结构上有很大变化，但工作原理同一般他激直流电动机一样，电枢线圈中的电流与磁场相互作用产生电磁力、电磁转矩。其性能主要表现在转矩-速度特性曲线上，如图3-54所示。在基本转速n_j以下属于恒转矩（T）调速范围，用改变电枢电压来调速；在基本转速以上属于恒功率（P）调速范围，采用控制激磁的调速方法调速。一般来说，恒转矩速度范围与恒功率速度范围之比为1∶2。

另外，主轴直流伺服电动机一般都有过载能力，且大都以能过载150%（即连续额定电流的1.5倍）为指标。至于过载时间，则根据生产厂的不同有较大差别，从1～30min不等。

（4）直流伺服电动机的工作特性

1）静态特性一般直流伺服电动机（励磁式）的工作原理是建立在电磁力定律基础上，由励磁绕组和磁极建立磁场，通电导体（电枢磁绕）切割磁力线产生电磁转矩，转矩的大小正比于电动机中气隙磁场和电枢电流。电磁转矩T_M由下式表示：

T_M=K_TϕI_a

式中 K_T——转矩常数；

ϕ——磁场磁通；

I_a——电枢电流。

电枢回路的电压U_a为

U_a=I_aR_a+E_a

式中 R_a——电枢电阻；

E_a——电枢反电势。(www.xing528.com)

电枢反电势与转速之间有以下关系：

E_a=K_eϕω

式中 K_e——电势常数；

ω——电动机转速（角速度）。

根据以上各式可以求得电动机转速为

上式表明了电动机转速与电磁转矩的关系，此关系称为机械特性。机械特性是静态特性，是稳定运行时带动负载的性能，稳定运行时，电磁转矩与所带负载转矩相等。

当负载转矩为零时，电磁转矩也为零，这时可得

式中 ω₀——理想空载转速。

当转速为零，即电动机刚通电时，起动转矩T_s可由下式求得：

式中 T_s——起动转矩；

——起动时电流。一般直流电动机该值很小，因此起动转矩不能满足要求。

当电动机带动某一负载T_L时，电动机转速与理想空载转速ω₀会有一个差值Δω。Δω的值表明了机械特性的宽度越小，机械特性越硬。差值Δω由下式求得：

式中，T_L为所带负载转矩，其大小与电动机的调速范围有密切关系。Δω值大，不可能实现宽范围的调速。而进给系统要求很宽的调速范围，因此采用永磁直流伺服电动机。

2）动态特性 电动机处于过渡过程工作状态时，其动态特性直接影响着生产率、加工精度和表面质量。直流伺服电动机有优良的动态品质。直流伺服电动机的动态力矩平衡方程式为

式中 T_M——电动机电磁转矩；

T_L——折算到电动机轴上的负载转矩；

ω——电动机转速；

J——电动机转子上总转动惯量。上式表明在动态过程中，电动机由直流伺服电能转换来的电磁转矩T_M，克服负载转矩后，其剩余部分用来克服机械惯量，产生加速度，以使电动机由一种稳定状态过渡到另一种稳定状态。

为了取得平稳的、快速的、无振荡的、单调上升的转速过渡过程，要减小过渡过程时间。因此，小惯量电动机采取的措施是从结构上减小其转子转动惯量；大惯量电动机采取的措施是从结构上提高起动转矩T_s。

2.交流伺服电动机

直流伺服电动机具有优良的调速性能，但却存在一些固有的缺点，例如其电刷和换向器易磨损，需要经常维护；由于换向器换向时会产生火花，使电动机的最高转速受到限制，也使应用环境受到限制；而且直流伺服电动机的结构复杂，制造困难，所用铜铁材料消耗大，制造成本高。但交流伺服电动机没有上述缺点，且转子惯量较直流电动机小，使得动态响应好。一般在同样体积下，交流伺服电动机的输出功率可比直流伺服电动机高10%～70%。另外，交流伺服电动机的容量也比直流伺服电动机容量大，可达到更高的电压和转速。20世纪80年代以来，交流调速技术及应用发展很快。交流伺服电动机广泛用在数控机床上，并取代了直流伺服电动机。在交流伺服系统中，多采用交流同步伺服电动机和交流异步感应伺服电动机。

交流异步感应伺服电动机结构简单、制造容量大，主要用在主轴驱动系统中；交流同步伺服电动机可方便地获得与频率成正比的可变速度，可以得到非常硬的机械特性和很宽的调速范围，在电源电压和频率固定不变时，它的转速是稳定不变的，主要用在进给驱动系统中。

（1）永磁交流同步伺服电动机的结构

交流同步伺服电动机分为励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式等四种。前两种输出功率范围较宽，后两种输出功率较小。各种交流同步伺服电动机的结构均类似，都由定子和转子两个主要部分组成。四种电动机的转子差别较大，励磁交流同步伺服电动机转子结构较复杂，其他三种同步伺服电动机转子结构十分简单，磁阻交流同步伺服电动机和磁滞交流同步伺服电动机效率低，功率因数差。永磁交流同步伺服电动机结构简单、运行可靠、效率高，所以在数控机床进给驱动系统中多数采用永磁交流同步伺服电动机。

图3-55 永磁交流同步伺服电动机结构原理

1—定子 2—转子 3—脉冲编码器 4—定子三相绕组 5—接线盒

1）永磁交流同步伺服电动机的结构 永磁交流同步伺服电动机由定子、转子和检测元件三部分组成，其结构原理如图3-55所示。电枢在定子上，定子具有齿槽，内有三相交流绕组，形状与普通交流感应电动机的定子相同，但采取了许多改进措施，如非整数节距的绕组、奇数的齿槽等。这种结构优点是气隙磁密度较高，极数较多。电动机的外形呈多边形，且无外壳；转子由多块永磁铁和冲片组成，磁场波形为正弦波。转子结构中还有一类是有极靴的星形转子，采用矩形磁铁或整体星形磁铁；检测元件（脉冲编码器或旋转变压器）安装在电动机轴上，它的作用是检测出转子磁场相对于定子绕组的位置。

2）永磁交流同步伺服电动机工作原理和性能

①工作原理。

永磁交流同步伺服电动机的工作原理很简单，与励磁式交流同步电动机类似，即转子磁场与定子磁场相互作用的原理。所不同的是，转子磁场不是由转子中激磁绕组产生，而是由转子永久磁铁产生。具体是：当定子三相绕组通上交流电后，就产生一个旋转磁场，该旋转磁场以同步转速n_s旋转，如图3-56所示。根据磁极同性相斥、异性相吸的原理，定子旋转磁极就要与转子的永久磁铁磁极相互吸引住，并带着转子一起旋转。因此，转子也将以同步转数与定子旋转磁场一同旋转。当转子轴上加有负载转矩之后，将造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不一致（不重合），相差一个θ角。负载转矩变化，θ角也变化，只要不超过一定界限，转子仍然跟着定子以同步转数旋转。设转子转数为n₀（r/min），则

n₀=n_s=60f/p

式中 f——电源频率（Hz）；

p——转子磁极对数。

图3-56 永磁交流同步伺服电动机工作原理

永磁交流同步电动机有一个问题是起动困难。这是由于转子本身的惯量以及定子、转子磁场之间转速相差太大，使在起动时，转子受到的平均转矩为零，因此不能自起动。解决这个问题不用加起动绕组的办法，而是在设计中设法减低转子惯量，以及在速度控制单元中采取先低速后高速的控制方法等来解决自起动问题。

图3-57 永磁交流同步伺服电动机工作特性曲线

②永磁交流同步伺服电动机的性能。

永磁交流同步伺服电动机的性能同直流伺服电动机一样，也用特性曲线和数据表来表示。当然，最主要的是转矩-速度特性曲线，如图3-57所示。在连续工作区Ⅰ，速度和转矩的任何组合，都可连续工作，但连续工作区的划分受到一定条件的限制。连续工作区划定的条件有两个：一是供给电动机的电流是理想的正弦波；二是电动机工作在某一特定温度下。断续工作区的范围更大，尤其在高速区，这有利于提高电动机的加、减速能力。

（2）交流主轴伺服电动机的结构和工作原理

交流主轴伺服电动机要提供很大的功率，如果用永久磁体，当容量做得很大时，电动机成本太高。主轴驱动系统的电动机还要具有低速恒转矩、高速恒功率的要求。因此，采用专门设计的鼠笼式交流异步伺服电动机。

交流主轴伺服电动机从结构上分为带换向器的伺服电动机和不带换向器的伺服电动机两种。通常用不带换向器的三相感应电动机。它的结构是在定子上装有对称三相绕组，而在圆柱体的转子铁心上嵌有均匀分布的导条，导条两端分别用金属环把它们连在一起，称为笼式转子。为了增加输出功率，缩小电动机的体积，采用了定子铁心在空气中直接冷却的办法，即没有机壳，而且在定子铁心上做出了轴向孔以利于通风。因此，电动机外形呈多边形而不是圆形，电动机轴尾部同轴安装有检测元件。

交流主轴伺服电动机的工作原理是：当定子上对称三相绕组接通对称三相电源以后，由电源供给激磁电流，在定子和转子之间的气隙内建立起以同步转速旋转的旋转磁场，依靠电磁感应作用，在转子导条内产生感应电流。因为转子导条已构成闭合回路，转子导条中就有电流流过，从而产生电磁转矩，实现由电能变为机械能的能量变换。

交流主轴伺服电动机的性能用特性曲线和数据表来表示，图3-58给出了交流主轴伺服电动机的功率-速度关系曲线。从图中曲线可见，交流主轴伺服电动机的特性曲线与直流主轴伺服电动机的类似：在基本速度以下为恒转矩区域，而在基本速度以上为恒功率区域。但有些电动机的特性如图中所示那样，当电动机速度超过某一定值之后，其功率-速度曲线又往下倾斜，不能保持恒功率。对于一般交流主轴伺服电动机，这个恒功率的速度范围只有1∶3的速度比。另外，交流主轴伺服电动机也有一定的过载能力，一般为额定值的1.2～1.5倍，过载时间则从几分钟到半小时不等。

图3-58 交流主轴伺服电动机工作特性曲线