直流伺服电动机(第2章)

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1、第 2 章 直流伺服电动机中国矿大信电学院2.1 直流伺服电动机工作原理直流伺服电动机工作原理2.6 直流力矩电动机直流力矩电动机 2.7 低惯量直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机 2.4 直流伺服电动机过渡过程中的工作状态直流伺服电动机过渡过程中的工作状态2.3 直流伺服电动机的特性直流伺服电动机的特性2.2 直流伺服电动机的控制方法直流伺服电动机的控制方法第2章 直流伺服电动机2.8 直流伺服电动机的应用举例直流伺服电动机的应用举例 2.5 直流伺服电动机的过渡过程直流伺服电动机的过渡过程掌握直流伺服掌握直流伺服电动机工作原理电动机工作原理了解直流伺服电动机的过渡过程了解直流伺服电动机的过

2、渡过程会分析直流伺服电动机的简单应用会分析直流伺服电动机的简单应用 掌握直流伺服电动机过渡过程中的工作状态掌握直流伺服电动机过渡过程中的工作状态掌握直流伺服电动机的掌握直流伺服电动机的特性特性掌握直流伺服电动机的掌握直流伺服电动机的控制方法控制方法本章要求：第2章 直流伺服电动机2.1 直流伺服电动机的工作原理和结构一、直流伺服电动机的结构NS+-n直流电机定子转子空 气 隙定 子 铁 心励 磁 绕 组机壳端盖电刷电 枢 绕 组电 枢 铁 心换 向 器转轴控制电机SZ 系 列 直 流 伺 服 电 动 机控制电机G Z 系 列 直 流 伺 服 电 动 机小 惯 量 直 流 伺 服 电 动 机控制

3、电机 二、直流伺服电动机的工作原理导体ab,cd中 通入图中所示方向 的电流，根据电磁 力定律，可以判断 载流导体ab,cd 在 磁场中受力方向， 形成逆时针方向电 磁力矩，线圈逆时 针旋转。NS+-nabcdABFF控制电机当线圈转动180o ,导体cd处于N极下，电流由c 到d，S极下导体电流由b到a ，导体受力仍然是逆 时针方向。电枢连续旋转，导体ab 、cd中电流的方向不断变化 ，交替在N极和S极下受电磁 力作用，从而使得电动机按 一定的方向连续旋转。换向 器，使电刷通过换向片只与 处于一定极性下的导体相连 接，从而使导体中的电流方 向发生变化。原理动画NS+-nabcdABFF2.2

4、 直流伺服电动机的控制方法一、基础知识复习 1 直流电动机的启动电动机从静止状态过渡到稳速的过程叫启动 过程。电机的启动性能有以下几点要求：1）启动时电磁转矩要大，以利于克服启动 时的阻转矩。 2）启动时电枢电流要尽可能的小。3）电动机有较小的转动惯量和在加速过程中 保持足够大的电磁转矩，以利于缩短启动时间。直流电动机采用电枢回路串电阻或降压启动。电动机生产机械TnTL控制电机2 直流电动机的调速可知直流电动机调速可以有：（1）改变电枢电源电压；（2）在电枢回路中串调节电阻；（3）改变磁通，即改变励磁回路的 调节电阻Rf以改变励磁电流。由控制电机0nTn0TN自然特性改变电动机的电 压、磁通、

5、电枢回路 总电阻均时，对应的 机械特性为：控制电机3 改变直流电动机转向的方法改变电动机的转向,就必须改变电磁转矩 的方向。根据左手定则可知,改变电磁转矩的 方向有两种方法:1）改变磁通的方向； 2）改变电流的方向。注意:磁通和电流的方向 只能改变其中的一个。Tem=CTIa电动机生产机械TnTL控制电机4 使用中必须注意的问题1）启动时要使励磁磁通最大； 2）切勿使励磁回路断开。K正K正K反K反+-K正K正K反K反+-控制电机 二、直流伺服电动机的控制方法直流伺服电动机实际为一台他励式直 流电动机，其励磁绕组由外施恒压的直流 电源励磁或为永磁磁极。对直流伺服电动机的控制主要是指对 电动机转速

6、大小、方向的控制，即对电动 机工作状态的控制；通常将电枢电压作为 控制信号，实现对电动机转速的控制。电动机生产机械TnTL控制电机 直流伺服电动机稳定运行时的转速为：稳态时（Tem = Tl ），当负载转矩 Tl 和磁 通 一定时，调节电枢两端所加电压 Ua ， 电动机的转速发生变化，从而改变电动机 的工作状态。 分析电动机转速变 化的物理过程？nT TLUNU1AC2.3 直流伺服电动机的特性分析一、直流伺服电动机的机械特性（变压）1. 反映转速和负载阻转矩（或电磁转矩）之 间的变化规律。表征这个规律的曲线称为电动机 的机械特性。Uj控制电机UjUaIaEan1TemnTemUa1 Ua2

7、Ua3Ua1 Ua2 Ua3n01n02n03Td1Td2Td32. 机械特性：其中为理想空载转速K 为机械特性直线的斜率控制电机令 n = 0 ，得：Td 为特性的横轴截距, 即启动力矩Ua1 Ua2 Ua3Ua1 Ua2 Ua3n01n02n03Td1Td2Td3nTemn0和Td都和电枢电压Ua成正比。而斜率k和电枢 电压Ua无关。所以对应不同的电枢电压Ua可以 得到一组相互平行的机械特性，电枢电压Ua越 大，曲线的位置越高。控制电机 3. 放大器对电动机机械特性的影响 直流伺服电动机的电枢电压是由系统的功 率放大器供给的，放大器是有内阻的，它 使得电动机机械特性变软。nTemRi2Ri

8、1Ri1 Ri2 n0放大器的内阻越大， 机械特性的斜率越大 ，特性越软。控制电机 二、直流伺服电动机的调节特性1 电动机在一定的负载下，稳定转速随控 制电压的变化关系称为电动机的调节特性。2 负载为常数时的调节特性Tem 、 一定时，n = f (Ua ) 是一条直线。控制电机nUaUa01Ua02Ua03TL1TL2TL3TL1 TL2 TL3当 n=0 时，当Ua Ua0 时，n 始终为零。 Ua0为 最小启动电压TL 不同， Ua0 不同，但直线斜率 不变。控制电机3 变负载时的调节特性在变负载的情况下,调节特性不再是一 条直线了。因为不同转速时,负载转矩不同, 相应的电枢电流也不同。

9、nTl0负载转矩与 转速的关系 （变负载）nUa变负载 时的调 节特性控制电机 4 直流伺服电动机低速运转的不稳定性从直流伺服电动机理想的调节特性来看，只要控制 电压足够小，电机便可以在很低的转速下运行。但是，当电动机工作在几转到几十转每分时,其 速度就不均匀,会出现一周内时快、时慢，甚至 暂停的现象，这种现象称为直流伺服电动机的 低速不稳定性。nUaUa00控制电机2）低速时，控制电压数值小，电刷和换向 器之间的接触压降不稳定性的影响将增大，故导 致电磁转矩不稳定性增大。3）低速时，电刷和换向器间的摩擦 不 稳定性，造成电机本身阻转矩 T0 的不稳 定性，因而导致输出转矩的不稳定性。1）低速

10、时，反电势平均值不大，因而齿槽 效应等原因造成的电势脉动的影响将变大，导致 电磁转矩波动较明显。转速波动的原因是：2.4 直流伺服电动机的工作状态在一般情况下，系统中的直流伺服电 动机大部分时间是处于电动机工作状态。 但是当控制信号或负载发生变化时，电动 机则从一个稳定状态过渡到另一个稳定状 态。在这过渡过程中，电动机的工作状态 就可能发生变化（调速、制动）。下面以天线控制系统为例，说明直流伺服 电动机在过渡过程中的几种工作状态。控制电机电动机以转速n1驱动天线跟踪飞机，此 时电机的电枢电压为Ua1 ，反电势为Ea1，电 枢电流为Ia1，转速为n1。UjUa1Ia1Ea1n1Tem控制电机Uj

11、Ua1Ia1Ea1n1Tem电动运行时，各物理量的正 方向规定如图所示。如果飞机的飞行速度突然下 降到n2 ，为了跟踪飞机，电动机 的转速迅速下降到n2 ，因而控制 系统加到电动机电枢两端的电压 需立即降为Ua2 ，电动机从电动状 态变成了发电制动状态，直到电 动机达到新的稳定状态。Ea1nTemUjUa2Ia2转速变化的物理过程？控制电机Ea1nTemUjUa2Ia2降压调速物理过程：BnTTLU1U2AC0控制电机这种运行方式是利用电动机原来 积蓄的动能来发电，以产生电磁转矩 进行制动的，所以叫能耗制动。如果上述的天线控制系统， 在完成战斗任务之后，需要停 转时，控制系统将加在电枢两 端的

12、电压降为零，并将电枢两 端短路，此时电机工作在发电 机短路状态，电磁转矩为制动 转矩，电机转速将下降。因为 Ua2=0，故电机稳定转速为0。试分析物 理过程。EanTemUjIa控制电机nTTLA BEanTemUjIa 能耗制动物理过程分析：控制电机控制电机实验调整:调到对应周次的晚上做.2.5 直流伺服电动机的过渡过程为了分析控制系统的动态特性，了解电机的 转速、转矩、电流、功率等物理量在过渡过程中 随时间变化的规律，以及过渡过程时间和电机参 数的关系。产生过渡过程的原因，主要是电机中存在 两种惯性：机械惯性和电磁惯性。研究过渡过程的方法：将过渡过程中的物理 规律用微分方程表示出来，然后根

13、据初始条件 求解方程，找出各物理量与时间的函数关系。控制电机UjUa1Ia1Ea1n1Tem利用电压方程、转矩方程和动力学方程 ，可以推导出电机物理的微分方程。并求出 变化规律（函数）。控制电机对已制成的电机而言，j 机电时间常数、d 电磁时间常数、n0 都是常数，根据直流电动机在 动态下的方程建立转速对时间、电枢电流对时间 的微分方程，并求解得：其中 p1 和 p2 是 微分方程的两个根。控制电机电机的过渡过程曲线：4 d j Ia(t)n(t) n0IanotIan n0otIa(t)n(t)4 d j 2.6 直流力矩电动机4）具有峰值堵转转矩和峰值堵转电流直流力矩电动机性能特点:在其它

14、条件相同时,如增大电动机直径,减 小其轴向长度,就有利于增加电动机的转 矩和降低空载转速。这就是电动机做成 圆盘状的原因1）力矩波动小,低速下能稳定运行。 2）机械特性和调节特性的线性度好。 3）响应迅速,动态性好。2.7 低惯量直流伺服电动机由于普通直流伺服电动机的低速不稳定等缺 点，使其在应用上受到一定限制。目前国内外已在普通直流伺服电动机的基 础上发展了低惯量直流伺服电动机。主要形式 有：杯形电枢直流伺服电动机、盘形电枢直流 伺服电动机和无槽电枢直流伺服电动机。1）低惯量。由于转子无铁心，且薄壁细 长，惯量极低，有超低惯量电动机之称。1. 杯形电枢直流伺服电动机的性能特点是 ：控制电机2

15、）灵敏度高。3）损耗小，效率高。4）力矩波动小，低速运转平稳，噪声很小。5）换向性能好，寿命长。 2. 盘形电枢直流伺服电动机性能特点是:1) 电机结构简单,制造成本低。2) 启动转矩大。 3) 换向性能好。1）低惯量。由于转子无铁心，且薄壁细长 ，惯量极低，有超低惯量电动机之称。1. 杯形电枢直流伺服电动机的性能特点是：控制电机它具有转动惯量低、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 好等优点。其输出功率为几十 瓦到10KW，机电常 数为510ms。主要用于 要求快速动作、功率较大的系统如数控机床 和雷达天线驱动等方面。3.无槽电枢直流伺服电动机5) 电枢转

16、动惯量小,反应快, 机电时间常数一 般为1015ms,属于中等低惯量伺服电动机。4) 力矩波动很小,低速运行稳定性调速范围广而 且平滑,能在1:20的低速比范围内可靠平稳运行。In-line Bottle Filling A application is shown in Fig. 1. In this application multiple filling heads line up with bottles as they move along a continuous line. Each of the filling heads must match up with a bottle and track the bottle while it is moving. Product is dispensed as the no