第一章直流伺服电机

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1、第第1章章 直流伺服电动机直流伺服电动机1.1 概述概述1.2 直流伺服电动机的控制方式和运行特性直流伺服电动机的控制方式和运行特性1.3 直流伺服电动机的动态特性直流伺服电动机的动态特性1.4 特种直流伺服电动机特种直流伺服电动机1.5 直线直流电动机直线直流电动机2. 伺服电动机的分类伺服电动机的分类 普通直流伺服电动机直流伺服电动机直流伺服电动机 低惯量直流伺服电动机 直流力矩电动机 两相感应伺服电动机交流伺服电动机交流伺服电动机 三相感应伺服电动机 无刷永磁伺服电动机直线伺服电动机直线伺服电动机1. 伺服电动机的概念伺服电动机的概念伺服电动机又称为执行电动机执行电动机，其功能是把输入的

2、电压信号变换成转把输入的电压信号变换成转轴的角位移或角速度输出轴的角位移或角速度输出。1.1概述概述宽广的调速范围机械特性和调节特性均为线性无“自转”现象快速响应。此外，还要求伺服电动机的控制功率小、重量轻、体积小等。3. 控制系统对伺服电动机的基本要求控制系统对伺服电动机的基本要求1.1概述概述1.2.1控制方式控制方式由 可知，改变电枢电压电枢电压和改变励磁磁通励磁磁通都可以改变电动机的转速。1.2直流伺服电动机的控制方式和运行特性直流伺服电动机的控制方式和运行特性1. 1. 电枢控制电枢控制励磁磁通保持不变，改变电枢绕组的励磁磁通保持不变，改变电枢绕组的控制电压控制电压。当电动机的负载转

3、矩不变时，升高电枢电压，电机的转速就升高；反之转速就降低。电枢电压等于零时，电机不转。电枢电压改变极性时，电机反转。图1-1 电枢控制原理图2磁场控制磁场控制电枢绕组电压保持不变，改变励磁回路的电压。电枢绕组电压保持不变，改变励磁回路的电压。若电动机的负载转矩不变，当升高励磁电压时，励磁电流增加，主磁通增加，电机转速就降低；反之，转速升高。改变励磁电压的极性，电机转向随之改变。尽管磁场控制也可达到控制转速大小和旋转方向的目的，但励磁电流和主磁通之间是非线性关系，且随着励磁电压的减小其机械特性变软，调节特性也是非线性的，故少用。1.2.1控制方式控制方式1. 机械特性机械特性机械特性是指电枢电压

4、等于常数时，转速与电磁转矩之间的指电枢电压等于常数时，转速与电磁转矩之间的函数关系函数关系，即 。把 代入式 得 ，为理想空载转速； ，为直线的斜率。伺服电动机的运行特性包括机械特性机械特性和调节特性调节特性。1.2.2 运行特性运行特性图 1-2 直流伺服电动机的机械特性机械特性为一直线1.2.2 运行特性运行特性n0 -理想空载转速Tk-堵转转矩 -直线斜率（1）n0、Tk、k的物理意义的物理意义理想空载转速理想空载转速n0：n0是电磁转矩Te=0时的转速，由于电机空载时Te= T0，电机的空载转速低于理想空载转速。堵转转矩堵转转矩Tk：Tk是转速n=0时的电磁转矩。 机械特性的斜率机械特

5、性的斜率k ：斜率k前面的负号表示直线是下倾的。斜率k的大小直接表示了电动机电磁转矩变化所引起的转速变化程度。斜率k大，转矩变化时转速变化大，机械特性软。反之，斜率k小，机械特性就硬。1.2.2 运行特性运行特性（2）电枢电压对机械特性的影响）电枢电压对机械特性的影响n0和Tk都与电枢电压成正比，而斜率k则与电枢电压无关。对应于不同的电枢电压可以得到一组相互平行的机械特性曲线。 图 1-3 不同控制电压时的机械特性直流伺服电动机由放大器供电时，放大器可以等效为一个电动势源与其内阻串联。内阻使直流伺服电动机的机械特性变软。1.2.2 运行特性运行特性2. 调节特性调节特性调节特性是指负载转矩不变

6、时，电机转速与电枢电压之间的函数关系指负载转矩不变时，电机转速与电枢电压之间的函数关系，即 。由 得为特性曲线的斜率；为由负载阻转矩决定的常数。1.2.2 运行特性运行特性图1-4 直流伺服电动机的调节特性调节特性为一上翘的直线。1.2.2 运行特性运行特性Ua0 始动电压 K1 特性斜率（1） Ua0和和k1的物理意义的物理意义始动电压始动电压Ua0： Ua0是电动机处在待动而又未动临界状态时的控制电压。斜率斜率k1： 是由电机本身参数决定的常数，与负载无关。由 ，当n=0时，便可求得 由于 ，即负载转矩越大，始动电压越高。而且控制电压从0到Ua0一段范围内，电机不转动，故把此区域称为电动机

7、的死区死区。1.2.2 运行特性运行特性（2）总阻转矩对调节特性的影响）总阻转矩对调节特性的影响总阻转矩Ts变化时， ，斜率k1保持不变。因此对应于不同的总阻转矩 ，可以得到一组相互平行的调节特性。3直流伺服电动机低速运转的不稳定性直流伺服电动机低速运转的不稳定性当电动机转速很低时，转速就不均匀，出现时快、时慢，甚至暂时停一下的现象，这种现象称为直流伺服电动机低速运转的不稳定性。图图1-5 1-5 不同负载时的调节特性不同负载时的调节特性（1）低速运转的不稳定的原因）低速运转的不稳定的原因电枢齿槽的影响电枢齿槽的影响 低速时，反电动势的平均值很小，因而电枢齿槽效应等引起电动势脉动的影响增大，导

8、致电磁转矩波动比较明显。1.2.2 运行特性运行特性电刷接触压降的影响电刷接触压降的影响 低速时，控制电压很低，电刷和换向器之间的接触压降开始不稳定，影响电枢上有效电压的大小，从而导致输出转矩不稳定。电刷和换向器之间摩擦的影响电刷和换向器之间摩擦的影响 低速时，电刷和换向器之间的摩擦转矩不稳定，造成电机本身的阻转矩T0不稳定，因而导致总阻转矩不稳定。（2）解决的措施）解决的措施 稳速控制电路 直流力矩电动机1.2.2 运行特性运行特性动态特性是指在电枢控制条件下，在电枢绕组上加阶跃电压时，电机转速n和电枢电流ia随时间变化的规律。产生过渡过程的原因是电机中存在机械惯性机械惯性和电磁惯性电磁惯性

9、。 1.3直流伺服电动机的动态特性直流伺服电动机的动态特性1.3.1过渡过程中的电机方程过渡过程中的电机方程电压平衡方程式 转矩平衡方程式 其中由于在小功率的随动系统中，选择电动机时总是使电动机的额定转矩远大于轴上的总阻转矩。即在动态过程中，电磁转矩主要用来克服惯性转矩，以加速过渡过程。为了推导方便，可以先假定 ，这样 。由 和 可得把ia和 代入 ，两边乘以 得1.3.1过渡过程中的电机方程过渡过程中的电机方程令 为机电时间常数； 为电气时间常数； 为理想空载转速，则上式可化为是转速的二阶微分方程，对已制成的电机而言, 都是常数。1.3.1过渡过程中的电机方程过渡过程中的电机方程1.3.2转

10、速随时间的变化规律转速随时间的变化规律对于二阶常系数非齐次常微分方程 进行拉氏变换得特征方程为其两个根为转速表达式为由初始条件， 时，转速 ，加速度 ，故有由此解得 转速随时间的变化规律为用同样的分析方法，可找出过渡过程中电枢电流随时间的变化规律 1.3.2转速随时间的变化规律转速随时间的变化规律 当 时，由 ， 和 两根都为负实数。由 和 可知，电枢电感 较小、 电枢电阻 较大、转动惯量 较大时是这种情况。1.3.3过渡过程曲线过渡过程曲线在过渡过程中，转速和电流随时间的变化是非周期的。图1-6 在 时, 的过渡过程由 和 可知，电枢电感 较大、 电枢电阻 较小、转动惯量 较小时，就会出现这

11、种振荡现象。图1-7 在 时, 的过渡过程(2) 当 时，由 ， 和 两根是共轭复数。在过渡过程中，转速和电流随时间的变化是周期性的。1.3.3过渡过程曲线过渡过程曲线 当 时（多数情况满足这一条件）， 很小可以忽略不计。此时转速n为按指数上升的曲线， 为按指数下降的曲线。可简化为一阶微分方程其解为 同样可得 于是式图1-8 在 时, 的过渡过程1.3.3过渡过程曲线过渡过程曲线把 代入 ，得 实用上， 被定义为转速从零升到空载转速的63.2%所需的时间。把 代入 ，可得 关于机关于机电时间常数常数机机电时间常数定常数定义：电机在空载状态下，励磁绕组加额定励磁电压，电枢加阶跃额定控制电压时，转

12、速从零升到理想空载转速的63.2%所需的时间。可认为过渡过程基本结束，所以 为过渡过程所需时间。1.3.3过渡过程曲线过渡过程曲线1.3.4机机电时间常数常数 与电机参数的关系与电机参数的关系机电时间常数与机械特性的斜率k是正比关系，即机械特性的斜率越小，特性越硬，机电时间常数越小，过渡过程越短；反之就越长。一般直流伺服电动机的机电时间常数大约在十几毫秒到几十毫秒之间。机电时间常数与旋转部分的转动惯量J、电枢回路的电阻 成正比。机电时间常数还可以表示为1.3.3过渡过程曲线过渡过程曲线 结构结构1.4 特种直流伺服电动机特种直流伺服电动机1.4.1 直流力矩电动机直流力矩电动机直流力矩电动机就

13、是为满足低转速大转矩负载满足低转速大转矩负载的需要而设计制造的电机。直流力矩电动机一般做成圆盘状，电枢长度和直径之比一般为0.2左右；永磁多极式；槽数、换向片数和串联导体数多。图1-9 直流力矩电动机结构示意图 1-定子；2-电枢铁心；3-电枢绕组；4-槽楔；5-电刷；6-刷架为什么做成圆盘状？为什么做成圆盘状？在电枢电动势 、每极磁通 和导体电流 相同的条件下，增加导体数N和极对数p，能使转速n降低，电磁转矩Te增大。增加电枢直径，可以使电枢槽面积变大，以便把更多的导体放入槽内。同时电枢直径 的增加，使电机定子内径变大，可以放置更多的磁极。 特点特点电机转速低、转矩大，能够长期在堵转或低速状

14、态下运行；反应速度快、转矩和转速波动小；机械特性和调节特性线性度好。1.4.1 直流力矩电动机直流力矩电动机1.4.2 低惯量直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机1杯形转子直流伺服电动机杯形转子直流伺服电动机杯形转子直流伺服电动机又称动圈式直流伺服电动机。 结构结构杯形电枢绕组是用导线绕在绕线模上，然后用环氧树脂定形做成的。杯形转子内外两侧有内外定子构成磁路。由于转子内外侧都需要有足够的气隙，所以气隙大，磁阻大，磁动势利用率低。图1-10 杯形转子直流伺服电动机l-内磁轭；2-电枢绕组；3-永久磁钢；4-机壳(磁轭)；5-电刷；6-换向器低惯量；灵敏度高，时间常数很小（最小在1ms以下）； 损耗

15、小，效率高； 力矩波动小，低速转动平稳，噪音很小；换向性能好，寿命长。 特点特点杯形转子直流伺服电动机已系列化生产，输出功率从零点几瓦至5 kW，多用于高精度自动控制系统及测量装置等设备中。1.4.2 低惯量直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机2印制绕组直流伺服电动机印制绕组直流伺服电动机 结构结构 转子呈薄片圆盘状，厚度一般为(1.52) mm，转子的绝缘基片是环氧玻璃布胶板。胶合在基片两侧的铜箔用印刷电路制成双面电枢绕组，电枢导体还兼作换向片。定子由永久磁钢和前后盘状轭铁组成，轭铁兼作前后端盖。组成多极的磁钢胶合在轭铁一侧，在电机中形成轴向的平面气隙。 图1-11 印制绕组直流伺服电动机l-

16、后轭铁(端盖)；2-永久磁钢；3-电刷；4-印制绕组；5-机壳；6-前轭铁(端盖) 1.4.2 低惯量直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机 性能特点性能特点电机结构简单，制造成本低；起动转矩大；力矩波动很小，低速运行稳定；换向性能好；电枢转动惯量小，反应快，机电时间常数一般为(1015) ms。3无槽电枢直流伺服电动机无槽电枢直流伺服电动机电枢铁心是光滑、无槽的圆柱体。电枢绕组敷设在光滑电枢铁心表面，用环氧树脂固化成型并与铁心粘结在一起。气隙尺寸比普通的直流伺服电动机大10倍以上。 结构结构 特点特点 转动惯量低；起动转矩大；反应快；低速运行均匀；换向性能良好。目前电机的输出功率在几十瓦10kW

17、，机电时间常数为(510) ms。 1.4.2 低惯量直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机1.5 直线直流电动机直线直流电动机直线直流电动机把直流电压转换为直线位移或速度把直流电压转换为直线位移或速度。按励磁方式可分为永磁式永磁式和电磁式电磁式两大类。1. 永磁式直线直流电动机永磁式直线直流电动机永磁式直线直流电动机，按照它的结构可分为动圈型动圈型和动铁型动铁型两种。 动圈型的结构与原理动圈型的结构与原理 图1-12 动圈型直线永磁直流电动机原理结构图1-移动线圈；2-永久磁钢；3-软铁永久磁钢在气隙中产生磁场，当可移动线圈中通入直流电流时，便产生电磁力方向可由左手定则确定，改变直流电流的大小和

18、方向，可改变电磁力的大小和方向。 动圈型直线直流电机的典型实用结构动圈型直线直流电机的典型实用结构如图为平面矩形磁钢的直线电动机，它结构简单，但线圈端部没有得到利用；漏磁通大，即磁钢未得到充分利用。 图1-13矩形磁钢动圈型直线永磁直流电动机1-矩形磁钢；2-软铁；3-移动线圈如图为环形磁钢的直线电动机，其结构主要是圆筒形的，导体的有效长度能得到充分利用。图1-14环形磁钢动圈型直线永磁直流电动机 1-环形磁钢；2-圆筒形导磁体；3-移动线圈1.5 直线直流电动机直线直流电动机 动铁型永磁直线直流电动机动铁型永磁直线直流电动机 图1-15动铁型直线永磁直流电动机1-固定线圈；2-电刷；3-永久

19、磁钢；4-软铁动铁型永磁直线直流电动机的结构如1-15所示，在个软铁框架上套有线圈，该线圈的长度要包括整个行程。 这种结构形式的线圈流过电流时，不工作的部分要白白消耗能量。为了降低电能的消耗，可将绕组的外表面进行加工使导体裸露出来，通过安装在磁极上的电刷把电流引入线圈中。当磁钢移动时，电刷跟着滑动，只让线圈的工作部分通电，电动机的运行效率可以提高。 由于电刷存在磨损，故可靠性和寿命降低。另外，它的电枢较长，电枢线圈用铜量较大。优点是电动机行程可做得很长。1.5 直线直流电动机直线直流电动机2. 电磁式直线直流电动机电磁式直线直流电动机 电磁式直线直流电动机也有动圈型动圈型和动铁型动铁型两种。

20、动圈型动圈型 励磁线圈通电后产生磁通与移动线圈的通电导体相互作用产生电磁力，克服滑轨上的静摩擦力，移动线圈便作直线运动。图1-16 电磁式动圈型直线直流电动机1-移动线圈；2-励磁线圈 对于动圈型电动机，电磁式的成本要比永磁式低，但多了一项励磁损耗。 1.5 直线直流电动机直线直流电动机 动铁型动铁型 电磁式动铁型直线直流电动机通常做成多极式，如图1-17所示。当环形励磁线圈通电时，便产生磁通，径向穿过气隙和电枢线圈。径向气隙磁场与通电的电枢线圈相互作用产生轴向电磁力，推动磁极作直线运动。电刷安装在磁极上随磁极运动。电刷在剥出漆皮的电枢线圈表面滑动就相当于电刷在换向器上移动，以保证在某极下电枢线圈的电流方向在运动中始终不变，从而保证电枢始终受到一定方向的电磁力。图1-17 电磁式动铁型多极直线直流电动机 1-励磁线圈；2-软铁；3-电枢线圈；4-电刷1.5 直线直流电动机直线直流电动机