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1、第三章 直流伺服电动机(Chapter3 DC servo motor)DC servo motors are normally used as prime movers in computers, numerically controlled machinery, or other applications where starts and stops are made quickly and accurately. Servo motors have lightweight, low-inertia armatures that respond quickly to excitation-
2、voltage changes. In addition, very low armature inductance in these servo motors results in a low electrical time constant (typically 0.05 to 1.5 msec) that further sharpens servo motor response to command signals.伺服系统（servo system）伺服系统是用来控制被控对象的某种状态，使其自动地、连续地、精确地复现输入信号的变化规律，通常是闭环控制系统。伺服系统控制的目的就是使伺服
3、系统在可变的外部条件下仍然完成所期望的行为。广义来讲，所期望的行为可分为两种：(1)使系统保持原来的状态；(2)使系统沿着所希望的状态轨迹变化；若系统被控量是位置，则称为位置伺服系统。位置伺服系统的根本任务就是使系统按照给定的速度和运动轨迹实现准确的跟踪和定位，完成功率放大的职能，并在保证系统有足够的能力推动负载按输入指令的规律运动的同时，是输入和输出之间的偏差不超过允许的范围。典型的伺服系统结构如下图所示。伺服系统结构示意图机床进给系统就是一种位置伺服系统，为了满足高速高精密加工要求，希望所设计的位置伺服系统具备较高的速度、加速度和跟踪精度，且控制系统鲁棒性(所谓“鲁棒性”,是指控制系统在一
4、定(结构,大小)的参数摄动下,维持某些性能的特性。也可以认为指“稳定性”)要好，以克服加工时切削力的变化、工件质量的变化等因素的影响。 3.2.2 电动机转矩平衡方程式(torque balance equation)在稳态(steady-state)下电动机轴端输出转矩 总阻转矩 在过渡过程(transient process)Tj 动态转矩(dynamic torque)；Tj0 加速过程(accelerating process)； Tj0 匀速过程(constant speed process)； Tj0 减速(decelerating process)；3.4.2 直流电动机起动(s
5、tart)1）降低电源电压(source voltage)2）电枢回路串电阻(resistance)3.4.3 电动机的调速(speed control)方法1）调节电枢电路电源电压；2）改变电枢回路电阻；3）减弱励磁磁通磁3.6.2 直流电动机的调节特性电动机在一定的负载转矩下，稳态转速随控制电压变化的关系称为电动机的调节特性。1）负载为常数时的调节特性图3-16 直流伺服电动机的调节特性当n=0时 始动电压图3-17 直流伺服电动机的调节特性曲线组 2）变负载调速特性 图3-18 空气阻转矩与转速的关系 图3-19 可变负载时的调节特性 3.7 直流伺服电动机的电气制动(electrica
6、l brake of DC servo motor)一、运行状态（operation state）电动状态(motor state) 电机所产生的电磁转矩方向与电机转子旋转方向相同，对转子的运转起驱动作用。制动状态(brake state) 电机所产生的电磁转矩方向与电机转子旋转方向相反，对转子的运转起阻碍作用。二、电枢等效电路（equivalent circuit of armature）图1 电机的电枢等效电路图电枢电路电压平衡方程式：三、机械特性（mechanical characteristic）电机的机械特性：电机的转子转速和电磁转矩之间的关系。表示方式：1）机械特性方程式；2）机械
7、特性曲线。机械特性方程式（mechanical characteristic equation）理想空载转速，既无机械负载转矩又无空载转矩。电势常数，转矩常数， 图2 机械特性 四、电气制动（electrical brake）直流伺服电动机的电气制动：1）发电制动；2）反接制动；3）动能制动1）发电制动（regenerative braking）图3 发电制动电动状态：电机带负载稳定运行在A点 发电制动状态： 能量转换和传递：（1）电动状态：与方向相同，直流电源输出电功率；与方向相反，电机从直流电源接受电功率；与方向相同，电机向外输出机械功率，给机械负载；（2）发电制动状态：与方向相反，电机从
8、外接受机械功率。与方向相同，电机发出电功率；与方向相反，直流电源从电机接受电功率。电压降低不多，不能进入发电制动状态其它转矩将电机拖入发电制动状态2）反接制动(reverse connection brake)图4 反接制动 能量转换与功率传递（1）电动状态：与方向相同，直流电源输出电功率；与方向相反，电机从直流电源接受电功率；与方向相同，电机向外输出机械功率，给机械负载。（2）反接制动状态：与方向相同，直流电源输出电功率；与方向相同，电机发出电功率；与方向相反，电机从外接受机械功率；来自电源的电功率和电机发出的电功率损耗在电机电枢电路电阻上。3）动能制动（kinetic energy bra
9、ke）图5 动能制动 能量转换与功率传递（1）电动状态：与方向相同，直流电源输出电功率；与方向相反，电机从直流电源接受电功率；与方向相同，电机向外输出机械功率，给机械负载。（2）动能制动状态：与方向相反，电机接收机械功率；与方向相同，电机发出电功率； 电机和直流电源间无电功率的传递；电机产生的电功率损耗在电机电枢电路电阻上。3.9 直流力矩电动机（DC torque motor）适用场合：低转速、大转矩。力矩可达数kNm，空载转速可低到10r/min。结构特点：力矩电动机一般做成圆盘状，电枢轴向长度和直径之比一般为0.2。图3-28 直流力矩电动机结构示意图1-定子；2-转子；3-电刷；4-电
10、枢绕组；5-槽楔兼换向器(commutator)；6-铜环1. 电枢形状对转矩的影响2. 电枢形状对空载（no-load）转速的影响性能特点:(1) 力矩波动(torque ripple)小，低速(low speed)下能稳定运行； (2) 机械特性(Mechanical Characteristic)和调节特性(regulation characteristic)线形度好；(3) 响应迅速，动态特性好；3.10 低惯量(inertia)直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机的主要形式：杯形电枢直流伺服电动机、盘形电枢直流伺服电动机、无槽(slot-less)电枢直流伺服电动机。1. 杯形电枢直流
11、伺服电动机 图3-30 杯形转子直流伺服电动机1-电刷；2-换向器；3-空心杯电枢；4-外定子；5-内定子杯形电枢永磁直流伺服电动机工作原理与普通电机无异，不同的是其电枢绕组制成杯形。这种电机具有非常小的惯量，所以一般时间常数都很小，最小可达1毫秒。由于其导磁体与永磁体之间无相对运行，导磁体内磁场无变化，无铁损(Iron Loss)，所以这种电机较一般永磁直流电动机总损耗小，故效率(efficiency)高达80%以上。此外，这种电机还具有起动、停止迅速、换向性能好、运行平稳等优点。 特点：(1)低惯量 (2)灵敏度高；(3)损耗小，效率高； (4)力矩波动小，低速时运转平稳，噪声小；(5)换
12、向性能好。这种电动机广泛应用于计算机外部设备、音响设备、办公设备、仪器仪表、电影摄影机和录像机等。2. 盘形电枢直流伺服电动机盘形电枢的特点是电枢的直径远大于长度，电枢有效导体沿径向排列，定转子间的气隙为轴向平面气隙，主磁通沿轴向通过气隙。圆盘中电枢绕组可以是印制绕组或绕线式绕组，后者功率比前者大。印制绕组是采用与制造印制电路板相类似的工艺制成的，它可以是单片双面或多片重叠的。绕线式则是先绕成单个线圈，然后把全部线圈排列成盘形，再用环氧树脂热固化成型。图3 - 31为印制绕组盘形电枢直流伺服电动机结构简图。由此图可见，它不单独设置换向器，而是利用靠近转轴的电枢端部兼作换向器，但导体表面需另外镀
13、一层耐磨材料，以延长使用寿命。图3 - 32为线绕式盘形电枢直流伺服电动机结构简图。图3 - 31 印制绕组直流伺服电动机图3 - 32 线绕式盘形电枢电动机的主要零部件结构图盘形电枢直流伺服电动机具有与杯形电枢类似的特点，它们是：(1) 电机结构简单，制造成本低。(2) 起动转矩大。由于电枢绕组全部在气隙中，散热良好，其绕组电流密度比一般普通的直流伺服电动机高10倍以上，因此容许的起动电流大，起动转矩也大。(3) 力矩波动很小，低速运行稳定，调速范围广而平滑，能在120的速比范围内可靠平稳运行。这主要是由于这种电机没有齿槽效应以及电枢元件数、换向片数很多的缘故。 (4) 换向性能好。电枢由非
14、磁性材料组成，换向元件电感小，所以换向火花小。 (5) 电枢转动惯量小，反应快，机电时间常数一般为1015 ms,属于中等低惯量伺服电动机。3. 无槽电枢直流伺服电动机图 无槽电枢直流伺服电动机无槽电枢直流电动机的结构和普通直流电动机的差别仅仅是电枢铁心是光滑、无槽的圆柱体。电枢的制造是将敷设在光滑电枢铁心表面的绕组，用环氧树脂固化成型并与铁心粘结在一起，其气隙尺寸较大，比普通的直流电动机大10倍以上。定子励磁一般采用高磁能的永久磁钢。由于无槽直流电动机在磁路上不存在齿部磁通密度饱和的问题，因此就有可能大大提高电机的气隙磁通密度和减小电枢的外径。这种电机的气隙磁通密度可达 1 T以上，比普通直流伺服电动机大 1.5 倍左右。电枢的长度与外径之比在5倍以上。所以无槽直流电动机具有转动惯量低、启动转矩大、反应快、启动灵敏度高、转速平稳、低速运行均匀、换向性能良好等优点。目前电机的输出功率在几十瓦到10 kW以内，机电时间常数为510 ms。主要用于要求快速动作、功率较大的系统，例如数控机床和雷达天线驱动等方面。Axial Flux MotorThis motor is different from conventional electric motors due t
