一、实验目的

（1）了解伺服电动机的工作原理。

（2）通过实验测出直流伺服电动机的参数ra、Ke、KT。

（3）掌握直流伺服电动机的机械特性和调节特性的测量方法。

二、实验仪器

实验仪器如表10-8所示。

表10-8　实验仪器

三、实验内容及步骤

1.伺服电动机的认识

伺服电动机被广泛应用在机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、自动化生产线等对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求相对较高的设备中。在认识交流伺服电动机结构的基础上，分析其工作原理和控制方式。

伺服电动机在自控系统中常被用作执行元件，即将输入的电信号转换为转轴上的机械传动，一般分为交流伺服电动机与直流伺服电动机。

1）交流伺服电动机的结构

交流伺服电动机的结构与两相异步电动机相同。它的定子铁芯上放置着空间位置相差90°电角度的两相分布绕组，一相为励磁绕组L，另一相为控制绕组K，如图10.5所示。两相绕组通电时，必须保持频率相同。

图10.5　交流伺服电动机的结构图

转子采用笼型转子。为了达到快速响应的特点，其笼型转子比普通异步电动机的转子细而长，以减小它的转动惯量。有时笼型转子还做成非磁性薄壁杯形，安放在外定子与内定子所形成的气隙中，如图10.6所示。杯形转子可以看成是由无数导条并联而成的笼型转子，因此工作原理与笼型转子相同。该电动机因气隙增大、励磁电流增大，故效率降低。

图10.6　薄壁杯形转子交流伺服电动机结构示意图

2）交流伺服电动机的工作原理

交流伺服电动机的工作原理与两相异步电动机的工作原理相同。但交流伺服电动机会出现“自转现象”。本来旋转着的交流伺服电动机，当控制信号电压Uk为零时，要求伺服电动机的转速相应为零。但是实际上，当控制电压为零时，因励磁绕组依然接通交变励磁电压，此时，电动机处于单相运行状态。由单相异步电动机的运行原理可知，电动机仍能继续运转，这就是“自转现象”。它将严重影响交流伺服电动机工作的准确等级。

消除“自转现象”的方法就是减少转子重量，增加转子回路的电阻值，采用高阻薄壁杯形转子即能实现。图10.7显示了转子回路电阻值高时，交流伺服电动机单相运行的机械特性。从图中可以看出，因转子回路电阻增加，由异步电动机的机械特性方程的特点可知，T+和T-的临界工作点Sm将分别由第I、Ⅲ象限移至第Ⅱ、Ⅳ象限，从而使T合曲线工作在第Ⅱ、Ⅳ象限下，则T合与n转向相反，T合对n起阻尼作用，使电动机停转，“自转现象”消除。

图10.7　交流伺服电动机工作原理曲线图

3）交流伺服电动机的控制方法

改变交流伺服电动机控制电压的大小或改变控制电压与励磁电压之间的相位角，都能使电动机气隙中的正转磁场、反转磁场及合成转矩发生变化，因而达到改变伺服电动机转速的目的。

交流伺服电动机的控制方式有如下三种：

（1）幅值控制。

这种控制方式是通过调节控制电压的大小来调节电动机的转速，进而控制电压与励磁电压的相位保持90°不变。当控制电压Uk=0时，电动机停转，即n=0。

（2）相位控制。

这种控制方式是通过调节控制电压的相位（即调节控制电压与励磁电压之间的相位角β）来改变电动机的转速，进而控制电压的幅值始终保持不变。当β=0时，电动机停转，n=0。

（3）幅相控制。

幅相控制也称电容移相控制。这种控制方式是将励磁绕组串电容C后接到励磁电源U1上。这种方法既可通过可变电容C来改变控制电压和励磁电压间的相位角β，同时又可通过改变控制电压的大小来共同达到调速的目的。虽然这种控制方式的机械特性及调节特性的线性度不如上述两种方法，但它不需要复杂的移相装置，设备简单、成本低，所以它已成为自控系统中常用的一种控制方式。

2.直流伺服电动机实验

1）用伏安法测直流伺服电动机电枢的直流电阻

（1）按图10.8连接线路，电枢电源由PWD-18挂件单相调压及整流滤波电路提供，电阻R用PWD-17上2250Ω阻值，开关S在PWD-17挂件上。

（2）经检查无误后接通电枢电源，并调至220V，合上开关S，调节电阻R，使电枢电流达到0.2A，迅速测取电动机电枢两端电压U和电流I，再将电机轴分别旋转三分之一周和三分之二周。同样测取U、I，记录于表10-9中，取三次的平均值作为实际冷态电阻。

图10.8　测电枢绕组直流电阻接线图

表10-9　实验数据表

（3）计算基准工作温度时的电枢电阻。

由实验直接测得电枢绕组电阻值，此值为实际冷态电阻值，冷态温度为室温，按下式换算到基准工作温度时的电枢绕组电阻值。

式中：Raref——换算到基准工作温度时电枢绕组电阻，Ω；

Ra——电枢绕组的实际冷态电阻，Ω；

θref——基准工作温度，对于E级绝缘为75℃；

θa——实际冷态时电枢绕组温度，℃。

2）测取直流伺服电动机的机械特性

（1）按图10.9连接线路，电枢电源由PWD-18挂件单相调压及整流滤波电路提供，电阻R用PWD-17上2250Ω阻值，开关S在PWD-17挂件上。

（2）先接通励磁电源，再接通电枢电源并调至220V。(www.daowen.com)

图10.9　直流伺服电动机接线图

（3）合上开关S，逐渐减小RL的阻值（注：先调1800Ω阻值，调到最小后用导线短接），使n=nN=1600r/min，Ia=IN=1.2A，U=UN=220V，此时电动机励磁电流为额定励磁电流。

（4）保持此额定电流不变，逐渐增加RL阻值，从额定负载到空载（断开开关S），测取其机械特性n=f（T），其中T可由IF从校正曲线查出，记录n、Ia、IF的7～8组数据于表10-10中。

表10-10　实验数据表

（5）调节电枢电压为U=160V，保持电动机励磁电流为额定电流If=IfN，减小RL阻值，使Ia=1A，再增大RL阻值，一直到空载，其间记录7～8组数据于表10-11中。

表10-11　实验数据表

（6）调节电枢电压为U=110V，保持If=IfN不变，减小RL阻值，使Ia=0.8A，再增大RL阻值，一直到空载，其间记录7～8组数据于表10-12中。

表10-12　实验数据表

3）测取直流伺服电动机的调节特性

（1）按3）中（1）、（2）、（3）步骤起动电动机。调节RL，使电动机输出转矩为额定输出转矩时的IF值并保持不变，即保持直流发电机输出电流为额定输出转矩时的电流值（额定输出转矩TN=），调节直流伺服电动机电枢电压，测取直流伺服电动机的调节特性n=f（Ua），直到n=100r/min，记录7～8组数据于表10-13中。

表10-13　实验数据表

（2）保持电动机输出转矩T=0.5TN，重复以上实验，记录7～8组数据于表10-14中。

表10-14　实验数据表

（3）保持电动机输出转矩T=0（即直流发电机与直流伺服电动机脱开，直流伺服电动机直接与测速发电机同轴连接），调节直流伺服电动机电枢电压，直至n=0r/min，其间取7～8组数据记录于表10-15中。

表10-15　实验数据表

（4）测定空载始动电压和检查空载转速的不稳定性。

①空载始动电压。

起动电机，把电枢电压调至最小后，使电枢电压从零缓慢上升，直至转速开始连续转动，此时的电压即为空载始动电压。

②正、反向各作三次，取其平均值作为该电机始动电压，将数据记录于表10-16中。

If=IfN =____mA　　T=0

表10-16　实验数据表

③正（反）转空载转速的不对称性。

注：正（反）转空载转速的不对称性应≤3%。

（5）测量直流伺服电动机的机电时间常数。

按图10.4中右图连接线路，直流伺服电动机加额定励磁电流，用记忆示波器拍摄直流伺服电动机空载起动时的电流过渡过程，从而求得电动机的机电时间常数。

四、实验内容及要求

（1）检查各电器元件的质量情况，了解其使用方法。

（2）按图连接长动与点动联锁控制的电气控制线路。先连接主电路，再连接控制回路。

（3）用万用表检查所连线路是否正确，自行检查无误后，经指导教师检查认可后合闸通电实验。

（4）操作伺服电动机和观察其工作情况。

（5）若在实验中发生故障，应画出故障现象的原理图，分析故障原因并排除

五、思考题

（1）转矩常数KT的计算现采用而没有采用公式来求取，这是为什么？用这两种方法所得之值是否相同？有差别时其原因是什么？

（2）若直流伺服电动机正（反）转速有差别，试分析其原因。

六、实验报告要求

（1）由实验数据求得电机参数：Ra、Ke、KT

Ra——直流伺服电动机的电枢电阻；

Ke——电势常数，Ke=。

KT——转矩常数，KT=。

（2）由实验数据作出直流伺服电动机的3条机械特性曲线和3条调节特性曲线。

（3）求该直流伺服电动机的传递函数。

（4）回答思考题。