控制电机第3章直流伺服电动机

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1、第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 第第 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.1 直流电动机直流电动机3.2 电磁转矩和转矩平衡方程式电磁转矩和转矩平衡方程式 3.4 直流电动机的使用直流电动机的使用3.5 直流伺服电动机及其控制方法直流伺服电动机及其控制方法3.6 直流伺服电动机的稳态特性直流伺服电动机的稳态特性 3.9 直流力矩电动机直流力矩电动机习题习题 第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.1 直流电动机直流电动机直直直直流流流流电电电电动动动动机机机机的的的的基基基基本本本本结结结结构构构构和和和和直直直直流流流流测测测测速速速速发发发发电电电电机机机机相相相

2、相同同同同， 所所所所不不不不同同同同的的的的是是是是电电电电动动动动机机机机的的的的输输输输入入入入为为为为电电电电压压压压信信信信号号号号， 输出为转速信号。输出为转速信号。输出为转速信号。输出为转速信号。第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.2 电磁转矩和转矩平衡方程式电磁转矩和转矩平衡方程式 3.2.1 3.2.1 电磁转矩电磁转矩电磁转矩电磁转矩定义：定义：电枢上所有导体产生的转矩之和，等于一跟导电枢上所有导体产生的转矩之和，等于一跟导体所生的平均电磁力矩乘上电枢的总导体数体所生的平均电磁力矩乘上电枢的总导体数N N，所以有：所以有：公式：公式：其中称转矩常数。第第二二章章

3、 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.2.2 3.2.2 电动机转矩平衡方程式电动机转矩平衡方程式电动机转矩平衡方程式电动机转矩平衡方程式稳定转矩平衡方程动态转矩平衡方程实实实实际际际际上上上上， 电电电电动动动动机机机机经经经经常常常常运运运运行行行行在在在在转转转转速速速速变变变变化化化化的的的的情情情情况况况况下下下下， 例例例例如如如如启启启启动动动动、 停停停停转转转转或或或或反反反反转转转转等等等等， 因因因因此此此此必必必必须须须须讨讨讨讨论论论论转转转转速速速速改改改改变变变变时时时时的的的的转转转转矩矩矩矩平平平平衡衡衡衡关关关关系系系系。 当当当当电电电电机机机机的的的的转转

4、转转速速速速改改改改变变变变时时时时， 由由由由于于于于电电电电机机机机及及及及负负负负载载载载具具具具有有有有转转转转动动动动惯惯惯惯量量量量， 将产生惯性转矩将产生惯性转矩将产生惯性转矩将产生惯性转矩T Tj j第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 其其其其中中中中, , J J是是是是负负负负载载载载和和和和电电电电动动动动机机机机转转转转动动动动部部部部分分分分的的的的转转转转动动动动惯惯惯惯量量量量; ; 是是是是电电电电动动动动机的角速度；机的角速度；机的角速度；机的角速度； 是电动机的角加速度。是电动机的角加速度。是电动机的角加速度。是电动机的角加速度。或(3-7)这时，这

5、时，这时，这时， 电动机轴上的转矩平衡方程式电动机轴上的转矩平衡方程式电动机轴上的转矩平衡方程式电动机轴上的转矩平衡方程式为为为为第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 电动机轴上的转矩平衡方程式应用电动机轴上的转矩平衡方程式应用电动机轴上的转矩平衡方程式应用电动机轴上的转矩平衡方程式应用利用动态转矩平衡方程可以根据控制系统技术指标选用电机。例如例如根据实际使用情况，规定负载的应达到的最大角加速度，从而规定电机的最大角加速度，如果已知电动机轴上的负载转矩TL以及电机本身和负载的转动惯量，就可以据式3-7求出所需的输出转矩T2。电机的输出转矩可以由电机的额定值计算，这样便可以按照系统的要求确

6、定选用某一规格的电机。第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.4 直流电动机的使用直流电动机的使用 3.4.1 3.4.1 直流电动机的启动直流电动机的启动直流电动机的启动直流电动机的启动启动要求：启动要求：启动时电磁转矩要大，以利于克服启动时阻转矩，包括总阻转矩和惯性转矩。启动时电枢电流不要太大，一般把启动电流限制在允许电流值的 1.52 倍以内。要求电动机有较小的转动惯量和加速过程中保持足够大的电磁转矩，以利于缩短启动时间。第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.4.2 3.4.2 直流电动机的调速方法直流电动机的调速方法直流电动机的调速方法直流电动机的调速方法调速方法：调

7、速方法：(1)改变电机端电压Ua,即改变电枢电源电压；(2)改变电枢回路的调节电阻Rtj 。(3)(3)改变磁通， 即即改变励磁回路的调节的调节电阻R Rfj 以改变励磁以改变励磁电流If。第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 要改变电动机的转向，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)改变电枢电流的方向。请注注意意：如果磁通、电枢电流方向均变，则电磁转矩方向不变。所以要改变电动机的转向，必须单独改变电枢电流的方向或单独改变励磁电流的方向。3.4.3 3.4.3 改变电动机转向的方法改变电动机转向的方法改变电动机转向的方法改变电

8、动机转向的方法第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 1. 1. 1. 1. 启动时要使励磁磁通最大。启动时要使励磁磁通最大。启动时要使励磁磁通最大。启动时要使励磁磁通最大。 为为为为了了了了获获获获得得得得大大大大的的的的启启启启动动动动转转转转矩矩矩矩，启启启启动动动动时时时时，励励励励磁磁磁磁磁磁磁磁通通通通应应应应为为为为最最最最大大大大。因因因因此此此此启启启启动动动动时时时时，励励励励磁磁磁磁回回回回路路路路的的的的调调调调节节节节电电电电阻阻阻阻必必必必须须须须短短短短接接接接，并并并并在在在在励励励励磁磁磁磁绕组两端加上额定励磁电压。绕组两端加上额定励磁电压。绕组两端加上额

9、定励磁电压。绕组两端加上额定励磁电压。3.4.4 3.4.4 使用中必须注意的问题使用中必须注意的问题使用中必须注意的问题使用中必须注意的问题 2. 2. 2. 2. 切勿使励磁回路断开。切勿使励磁回路断开。切勿使励磁回路断开。切勿使励磁回路断开。 如如如如果果果果启启启启动动动动前前前前励励励励磁磁磁磁回回回回路路路路已已已已断断断断开开开开，则则则则电电电电机机机机不不不不能能能能启启启启动动动动。如如如如果果果果在在在在运行中断开，则将发生危险地事故。运行中断开，则将发生危险地事故。运行中断开，则将发生危险地事故。运行中断开，则将发生危险地事故。两种两种两种两种情况情况情况情况第第二二章

10、章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.5 直流伺服电动机及其控制方法直流伺服电动机及其控制方法 当当当当电电电电动动动动机机机机负负负负载载载载转转转转矩矩矩矩T TL L不不不不变变变变，励励励励磁磁磁磁磁磁磁磁通通通通不不不不变变变变时时时时，升升升升高高高高电电电电枢枢枢枢电电电电压压压压U Ua a，电电电电机机机机的的的的转转转转速速速速就就就就升升升升高高高高，反反反反之之之之，降降降降低低低低电电电电枢枢枢枢电电电电压压压压U Ua a, , 转转转转速速速速就就就就下下下下降降降降。在在在在U Ua a=0 =0 时时时时，电电电电机机机机则则则则不不不不转转转转。当当当当电电

11、电电枢枢枢枢电电电电压压压压的的的的极极极极性性性性改改改改变变变变时时时时，电电电电机机机机就就就就反反反反转转转转。因因因因此此此此，可可可可以以以以把把把把电电电电枢枢枢枢电电电电压压压压作为控制信号，作为控制信号，作为控制信号，作为控制信号， 实现电动机的转速控制。实现电动机的转速控制。实现电动机的转速控制。实现电动机的转速控制。T T= =C CT TIIa a第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 移项后，得到移项后，得到电枢电压电枢电压UaUa, ,转速转速n n 以及电磁转矩以及电磁转矩T T 的关系：的关系：在稳态时，电动机的电磁转矩与轴上的阻转矩相平衡，在稳态时，电动机

12、的电磁转矩与轴上的阻转矩相平衡， 即即T T= =T Ts s。所以稳态时，上式可以写成。所以稳态时，上式可以写成第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.6直流伺服电动机的稳态特性直流伺服电动机的稳态特性 要要要要实实实实现现现现准准准准确确确确的的的的速速速速度度度度控控控控制制制制， 就就就就要要要要了了了了解解解解电电电电动动动动机机机机在在在在电电电电枢枢枢枢电电电电压压压压U Ua a不不不不变变变变时时时时， 转转转转速速速速随随随随负负负负载载载载阻阻阻阻转转转转矩矩矩矩( (或或或或电电电电磁磁磁磁转转转转矩矩矩矩) )变变变变化化化化的的的的规规规规律。律。律。律。

13、表征这个规律的曲线称为电动机的表征这个规律的曲线称为电动机的表征这个规律的曲线称为电动机的表征这个规律的曲线称为电动机的机械特性机械特性机械特性机械特性。3.6.1 3.6.1 机械特性机械特性机械特性机械特性第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 在在在在自自自自动动动动控控控控制制制制系系系系统统统统中中中中，为为为为了了了了控控控控制制制制伺伺伺伺服服服服电电电电动动动动机机机机的的的的转转转转速速速速，就就就就需需需需要要要要知知知知道道道道电电电电动动动动机机机机在在在在带带带带了了了了负负负负载载载载以以以以后后后后，转转转转速速速速随随随随控控控控制制制制信信信信号号号号变变

14、变变化化化化的的的的情情情情况况况况。也也也也就就就就是是是是要要要要知知知知道道道道，电电电电动动动动机机机机在在在在带带带带了了了了负负负负载载载载以以以以后后后后，加加加加多多多多大大大大的的的的控控控控制制制制信信信信号号号号，电电电电动动动动机机机机能能能能转转转转动动动动起起起起来来来来；加加加加上上上上某某某某一一一一大大大大小小小小的的的的控控控控制制制制信信信信号号号号时时时时，电电电电动动动动机机机机的的的的转转转转速速速速为为为为多多多多少少少少。电电电电动动动动机机机机在在在在一一一一定定定定的的的的负负负负载载载载转转转转矩矩矩矩下下下下，稳稳稳稳态态态态转转转转速速

15、速速随随随随控控控控制制制制电电电电压压压压变变变变化化化化的的的的关关关关系系系系称称称称为电动机的为电动机的为电动机的为电动机的调节特性调节特性调节特性调节特性。 3.6.2 3.6.2 调节特性调节特性调节特性调节特性第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 电电电电动动动动机机机机的的的的负负负负载载载载转转转转矩矩矩矩主主主主要要要要是是是是动动动动摩摩摩摩擦擦擦擦转转转转矩矩矩矩T TL L加加加加上上上上电电电电机机机机本本本本身身身身的的的的阻阻阻阻转转转转矩矩矩矩T T0 0， 所所所所以以以以电电电电动动动动机机机机的的的的总总总总阻阻阻阻转转转转矩矩矩矩T Ts s=

16、=T TL L+ +T T0 0。 在在在在转速比较低的条件下，转速比较低的条件下，转速比较低的条件下，转速比较低的条件下， 总阻转矩总阻转矩总阻转矩总阻转矩T Ts s是一个常数。是一个常数。是一个常数。是一个常数。由式：由式：由式：由式： 1) 1) 1) 1) 负载为常数时的调节特性负载为常数时的调节特性负载为常数时的调节特性负载为常数时的调节特性表征调节特性两个量表征调节特性两个量始动电压始动电压始动电压始动电压U Ua0a0，是电动机处于待动而未动这种临界是电动机处于待动而未动这种临界是电动机处于待动而未动这种临界是电动机处于待动而未动这种临界状态时的控制电压。状态时的控制电压。状态

17、时的控制电压。状态时的控制电压。调节特性的斜率调节特性的斜率调节特性的斜率调节特性的斜率 ，与负载无关，仅由电与负载无关，仅由电与负载无关，仅由电与负载无关，仅由电机本身的参数决定。机本身的参数决定。机本身的参数决定。机本身的参数决定。第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 图图 3 - 16 直流伺服电动机的调节特性直流伺服电动机的调节特性第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 图3-17直流伺服电动机的调节特性曲线组第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 在在在在自自自自动动动动控控控控制制制制系系系系统统统统中中中中，电电电电动动动动机机机机的的的的负负负负载载载载多多多多数

18、数数数情情情情况况况况下下下下是是是是不不不不变变变变的的的的，但但但但有有有有时时时时也也也也遇遇遇遇到到到到可可可可变变变变负负负负载载载载。例例例例如如如如当当当当负负负负载载载载转转转转矩矩矩矩是是是是由由由由空空空空气气气气摩摩摩摩擦擦擦擦造造造造成成成成的的的的阻阻阻阻转转转转矩矩矩矩时时时时，则则则则转转转转矩矩矩矩随随随随转转转转速速速速增增增增加加加加而而而而增增增增加加加加，并并并并且且且且转转转转速速速速越越越越高高高高，转转转转矩矩矩矩增增增增加加加加得得得得越越越越快快快快。转转转转矩矩矩矩随随随随转转转转速速速速变变变变化化化化的的的的大大大大致致致致情情情情况如况

19、如况如况如图图图图 3 - 18 3 - 18 3 - 18 3 - 18 所示。所示。所示。所示。 2) 2) 2) 2)可变负载时的调节特性可变负载时的调节特性可变负载时的调节特性可变负载时的调节特性 变负载的情况下，调节特性不再是一条直线了。这是因变负载的情况下，调节特性不再是一条直线了。这是因为，在不同转速时，由于阻转矩为，在不同转速时，由于阻转矩Ts不同，相应的电枢电流不同，相应的电枢电流Ia=Ts/(CT)也不同。当电枢电压也不同。当电枢电压Ua改变时，电枢内阻上的改变时，电枢内阻上的电压降电压降IaRa不再保持为常数，因此反电势不再保持为常数，因此反电势Ea的变化不再与的变化不再

20、与电枢电压电枢电压Ua的变化成正比。的变化成正比。第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 图3-18空气阻转矩与转速的关系第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 图3-19可变负载时的调节特性第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 从从从从直直直直流流流流伺伺伺伺服服服服电电电电动动动动机机机机理理理理想想想想的的的的调调调调节节节节特特特特性性性性来来来来看看看看，只只只只要要要要控控控控制制制制电电电电压压压压U Ua a足足足足够够够够小小小小，电电电电机机机机便便便便可可可可以以以以在在在在很很很很低低低低的的的的转转转转速速速速下下下下运运运运行行行行。但但但但是是是是实

21、实实实际际际际上上上上，当当当当电电电电动动动动机机机机工工工工作作作作在在在在几几几几转转转转每每每每分分分分到到到到几几几几十十十十转转转转每每每每分分分分的的的的范范范范围围围围内内内内时时时时，其其其其转转转转速速速速就就就就不不不不均均均均匀匀匀匀，就就就就会会会会出出出出现现现现一一一一周周周周内内内内时时时时快快快快、时时时时慢慢慢慢，甚甚甚甚至至至至暂暂暂暂停停停停一一一一下下下下的的的的现现现现象象象象，这这这这种种种种现现现现象象象象称称称称为为为为直直直直流流流流伺伺伺伺服服服服电电电电动动动动机机机机低低低低速速速速运转的不稳定性。产生这种现象的原因是：运转的不稳定性。

22、产生这种现象的原因是：运转的不稳定性。产生这种现象的原因是：运转的不稳定性。产生这种现象的原因是：3)3)3)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第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 (1) (1) 低低低低速速速速时时时时，反反反反电电电电势势势势平平平平均均均均值值值值不不不不大大大大，因因因因而而而而齿齿齿齿槽槽槽槽效效效效应应应应等等等等原原原原因因因因造造造造成成成成的的的的电电电电势势势势脉脉脉脉动动动动的的的的影影影影响响响响将将将将增增增增大大大大，导导导导致致致致电电电电磁磁

23、磁磁转转转转矩矩矩矩波波波波动比较明显。动比较明显。动比较明显。动比较明显。 (2) (2) 低低低低速速速速时时时时，控控控控制制制制电电电电压压压压数数数数值值值值很很很很小小小小，电电电电刷刷刷刷和和和和换换换换向向向向器器器器之之之之间间间间的的的的接接接接触触触触压压压压降降降降不不不不稳稳稳稳定定定定性性性性的的的的影影影影响响响响将将将将增增增增大大大大，故故故故导导导导致致致致电电电电磁磁磁磁转转转转矩不稳定性增加。矩不稳定性增加。矩不稳定性增加。矩不稳定性增加。 (3) (3) 低低低低速速速速时时时时，电电电电刷刷刷刷和和和和换换换换向向向向器器器器之之之之间间间间的的的的

24、摩摩摩摩擦擦擦擦转转转转矩矩矩矩的的的的不不不不稳稳稳稳定定定定性性性性，造造造造成成成成电电电电机机机机本本本本身身身身阻阻阻阻转转转转矩矩矩矩T T0 0的的的的不不不不稳稳稳稳定定定定，因因因因而而而而导导导导致致致致输输输输出转矩不稳定。出转矩不稳定。出转矩不稳定。出转矩不稳定。第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 直直直直流流流流伺伺伺伺服服服服电电电电动动动动机机机机低低低低速速速速运运运运转转转转的的的的不不不不稳稳稳稳定定定定性性性性将将将将在在在在控控控控制制制制系系系系统统统统中中中中造造造造成成成成误误误误差差差差。 当当当当系系系系统统统统要要要要求求求求电电电电

25、动动动动机机机机在在在在这这这这样样样样低低低低的的的的转转转转速速速速下下下下运运运运行行行行时时时时， 就就就就必必必必须须须须在在在在系系系系统统统统的的的的控控控控制制制制线线线线路路路路中中中中采采采采取取取取措措措措施施施施， 使使使使其其其其转转转转速速速速平平平平衡衡衡衡； 或或或或者者者者选选选选用用用用低低低低速速速速稳稳稳稳定定定定性性性性好好好好的的的的直直直直流流流流力力力力矩矩矩矩电电电电动动动动机机机机或低惯量直流电动机。或低惯量直流电动机。或低惯量直流电动机。或低惯量直流电动机。第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.9 直流力矩电动机直流力矩电动机 3

26、.9.1 3.9.1 概述概述概述概述 在在在在某某某某些些些些运运运运动动动动速速速速度度度度相相相相对对对对来来来来说说说说是是是是比比比比较较较较低低低低的的的的自自自自动动动动控控控控制制制制系系系系统统统统中中中中。 例例例例如如如如某某某某一一一一种种种种防防防防空空空空雷雷雷雷达达达达天天天天线线线线的的的的最最最最高高高高旋旋旋旋转转转转速速速速度度度度为为为为 15 15 r/mr/minin。 一一一一般般般般直直直直流流流流伺伺伺伺服服服服电电电电动动动动机机机机的的的的额额额额定定定定转转转转速速速速为为为为 1500 1500 r/mr/minin或或或或 3000

27、3000 r/mr/minin， 甚甚甚甚至至至至 6000 6000 r/mr/minin， 这这这这时时时时就就就就需需需需要要要要用用用用齿齿齿齿轮轮轮轮减速后再去拖动天线旋转减速后再去拖动天线旋转减速后再去拖动天线旋转减速后再去拖动天线旋转。 但但但但是是是是齿齿齿齿轮轮轮轮之之之之间间间间的的的的间间间间隙隙隙隙对对对对提提提提高高高高自自自自动动动动控控控控制制制制系系系系统统统统的的的的性性性性能能能能指指指指标标标标很很很很有有有有害害害害，它它它它会会会会引引引引起起起起系系系系统统统统在在在在小小小小范范范范围围围围内内内内的的的的振振振振荡荡荡荡和和和和降降降降低低低低系

28、系系系统统统统的的的的刚刚刚刚度度度度。因因因因此此此此，我我我我们们们们希希希希望望望望有有有有一一一一种种种种低低低低转转转转速速速速、大大大大转转转转矩矩矩矩的电动机的电动机的电动机的电动机来直接带动被控对象。来直接带动被控对象。来直接带动被控对象。来直接带动被控对象。第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 直流力矩电动机直流力矩电动机直流力矩电动机直流力矩电动机就是为满足类似上述这种就是为满足类似上述这种就是为满足类似上述这种就是为满足类似上述这种低转速、低转速、低转速、低转速、 大转矩负载大转矩负载大转矩负载大转矩负载的需要而设计制造的电动机。的需要而设计制造的电动机。的需要而设

29、计制造的电动机。的需要而设计制造的电动机。 它能够在长期堵转或低速运行时产生足够大的转它能够在长期堵转或低速运行时产生足够大的转它能够在长期堵转或低速运行时产生足够大的转它能够在长期堵转或低速运行时产生足够大的转矩，矩，矩，矩， 而且不需经过齿轮减速而直接带动负载。而且不需经过齿轮减速而直接带动负载。而且不需经过齿轮减速而直接带动负载。而且不需经过齿轮减速而直接带动负载。 它具有反应速度快、它具有反应速度快、它具有反应速度快、它具有反应速度快、 转矩和转速波动小、转矩和转速波动小、转矩和转速波动小、转矩和转速波动小、 能在很能在很能在很能在很低转速下稳定运行、低转速下稳定运行、低转速下稳定运行

30、、低转速下稳定运行、 机械特性和调节特性线性度好等机械特性和调节特性线性度好等机械特性和调节特性线性度好等机械特性和调节特性线性度好等优点。优点。优点。优点。 特别特别特别特别适用于适用于适用于适用于位置伺服系统和低速伺服系统中作执位置伺服系统和低速伺服系统中作执位置伺服系统和低速伺服系统中作执位置伺服系统和低速伺服系统中作执行元件，行元件，行元件，行元件， 也适用于需要转矩调节、也适用于需要转矩调节、也适用于需要转矩调节、也适用于需要转矩调节、 转矩反馈和一定张转矩反馈和一定张转矩反馈和一定张转矩反馈和一定张力的场合力的场合力的场合力的场合( (例如在纸带的传动中例如在纸带的传动中例如在纸带

31、的传动中例如在纸带的传动中) )。第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.9.2 3.9.2 结构特点结构特点结构特点结构特点 一一一一般般般般直直直直流流流流伺伺伺伺服服服服电电电电动动动动机机机机为为为为了了了了减减减减少少少少其其其其转转转转动动动动惯惯惯惯量量量量， 大大大大部部部部分做成细长圆柱形。分做成细长圆柱形。分做成细长圆柱形。分做成细长圆柱形。 而而而而直直直直流流流流力力力力矩矩矩矩电电电电动动动动机机机机为为为为了了了了能能能能在在在在相相相相同同同同的的的的体体体体积积积积和和和和电电电电枢枢枢枢电电电电压压压压下下下下产产产产生生生生比比比比较较较较大大大大的

32、的的的转转转转矩矩矩矩和和和和低低低低的的的的转转转转速速速速，一一一一般般般般做做做做成成成成圆圆圆圆盘盘盘盘状状状状，电枢长度和直径之比一般为电枢长度和直径之比一般为电枢长度和直径之比一般为电枢长度和直径之比一般为 0.2 0.2 左右左右左右左右； 从结构合理性来考虑，从结构合理性来考虑，从结构合理性来考虑，从结构合理性来考虑， 一般做成一般做成一般做成一般做成永磁多极永磁多极永磁多极永磁多极的。的。的。的。 为为为为了了了了减减减减少少少少转转转转矩矩矩矩和和和和转转转转速速速速的的的的波波波波动动动动， 选选选选取取取取较较较较多多多多的的的的槽槽槽槽数数数数、 换向片数和串联导体数

33、。换向片数和串联导体数。换向片数和串联导体数。换向片数和串联导体数。 第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 图图图图 3 - 28 3 - 28 直流力矩电动机的结构示意图直流力矩电动机的结构示意图直流力矩电动机的结构示意图直流力矩电动机的结构示意图返 回第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.9.3 3.9.3 直流力矩电动机性能特点直流力矩电动机性能特点直流力矩电动机性能特点直流力矩电动机性能特点 1. 1. 力矩波动小，力矩波动小，力矩波动小，力矩波动小， 低速下能稳定运行低速下能稳定运行低速下能稳定运行低速下能稳定运行 力力力力矩矩矩矩电电电电动动动动机机机机重重重重要要

34、要要性性性性能能能能指指指指标标标标之之之之一一一一是是是是力力力力矩矩矩矩波波波波动动动动， 这这这这是是是是因因因因为为为为它它它它通通通通常常常常运运运运行行行行在在在在低低低低速速速速状状状状态态态态或或或或长长长长期期期期堵堵堵堵转转转转， 力力力力矩矩矩矩波波波波动动动动将将将将导致运行不平稳或不稳定。导致运行不平稳或不稳定。导致运行不平稳或不稳定。导致运行不平稳或不稳定。 力力力力矩矩矩矩波波波波动动动动的的的的主主主主要要要要原原原原因因因因是是是是由由由由于于于于绕绕绕绕组组组组元元元元件件件件数数数数、 换换换换向向向向器器器器片片片片数数数数有有有有限限限限使使使使反反反

35、反电电电电势势势势产产产产生生生生波波波波动动动动， 电电电电枢枢枢枢铁铁铁铁心心心心存存存存在在在在齿齿齿齿槽槽槽槽引引引引起起起起磁磁磁磁场场场场脉脉脉脉动动动动， 以以以以及及及及换换换换向向向向器器器器表表表表面面面面不不不不平平平平使使使使电电电电刷刷刷刷与与与与换换换换向向向向器器器器之之之之间间间间的滑动摩擦力矩有所变化等。的滑动摩擦力矩有所变化等。的滑动摩擦力矩有所变化等。的滑动摩擦力矩有所变化等。 结结结结构构构构上上上上采采采采用用用用扁扁扁扁平平平平式式式式电电电电枢枢枢枢， 可可可可增增增增多多多多电电电电枢枢枢枢槽槽槽槽数数数数、 元元元元件件件件数数数数和和和和换换

36、换换向向向向器器器器片片片片数数数数； 适适适适当当当当加加加加大大大大电电电电机机机机的的的的气气气气隙隙隙隙， 采采采采用用用用磁磁磁磁性性性性槽槽槽槽楔、楔、楔、楔、 斜槽等措施，斜槽等措施，斜槽等措施，斜槽等措施， 都可使力矩波动减小。都可使力矩波动减小。都可使力矩波动减小。都可使力矩波动减小。第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 2. 2. 机械特性和调节特性的线性度机械特性和调节特性的线性度机械特性和调节特性的线性度机械特性和调节特性的线性度 事事事事实实实实上上上上， 与与与与直直直直流流流流发发发发电电电电机机机机一一一一样样样样， 电电电电动动动动机机机机中中中中同同同

37、同样样样样也也也也存存存存在在在在着着着着电电电电枢枢枢枢反反反反应应应应的的的的去去去去磁磁磁磁作作作作用用用用， 而而而而且且且且它它它它的的的的去去去去磁磁磁磁程程程程度度度度与与与与电电电电枢枢枢枢电电电电流流流流或或或或负负负负载载载载转转转转矩矩矩矩有有有有关关关关， 它它它它导导导导致致致致机机机机械械械械特特特特性性性性和和和和调调调调节节节节特特特特性性性性的的的的非线性。非线性。非线性。非线性。 为为为为了了了了提提提提高高高高特特特特性性性性的的的的线线线线性性性性度度度度， 在在在在设设设设计计计计直直直直流流流流力力力力矩矩矩矩电电电电动动动动机机机机时时时时，把把把

38、把磁磁磁磁路路路路设设设设计计计计成成成成高高高高度度度度饱饱饱饱和和和和， 并并并并采采采采取取取取增增增增大大大大空空空空气气气气隙隙隙隙等等等等方方方方法，法，法，法， 使电枢反应的影响显著减小。使电枢反应的影响显著减小。使电枢反应的影响显著减小。使电枢反应的影响显著减小。第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3. 3. 响应迅速，响应迅速，响应迅速，响应迅速， 动态特性好动态特性好动态特性好动态特性好 决定过渡过程快慢的两个时间常数是决定过渡过程快慢的两个时间常数是决定过渡过程快慢的两个时间常数是决定过渡过程快慢的两个时间常数是机电时间常机电时间常机电时间常机电时间常数数数数 j

39、 j和和和和电磁时间常数电磁时间常数电磁时间常数电磁时间常数 d d。 虽然直流力矩电动机电枢直径虽然直流力矩电动机电枢直径虽然直流力矩电动机电枢直径虽然直流力矩电动机电枢直径大，大，大，大， 转动惯量大，转动惯量大，转动惯量大，转动惯量大， 但由于它的堵转力矩很大，空载转但由于它的堵转力矩很大，空载转但由于它的堵转力矩很大，空载转但由于它的堵转力矩很大，空载转速很低，速很低，速很低，速很低， 力矩电动机的机电时间常数还是比较小的，力矩电动机的机电时间常数还是比较小的，力矩电动机的机电时间常数还是比较小的，力矩电动机的机电时间常数还是比较小的， 这样，这样，这样，这样， 其电磁时间常数其电磁时

40、间常数其电磁时间常数其电磁时间常数 d d相对变大。相对变大。相对变大。相对变大。 已知已知已知已知 d d= =L La a/ /R Ra a， 其中电枢绕组电感其中电枢绕组电感其中电枢绕组电感其中电枢绕组电感L La a主要取决于电枢绕组的电枢反应主要取决于电枢绕组的电枢反应主要取决于电枢绕组的电枢反应主要取决于电枢绕组的电枢反应磁链。磁链。磁链。磁链。 可以证明，可以证明，可以证明，可以证明， 增加极对数增加极对数增加极对数增加极对数可以减少电枢反应磁链。可以减少电枢反应磁链。可以减少电枢反应磁链。可以减少电枢反应磁链。第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 4. 4. 峰值堵转转矩

41、和峰值堵转电流峰值堵转转矩和峰值堵转电流峰值堵转转矩和峰值堵转电流峰值堵转转矩和峰值堵转电流 因因因因为为为为电电电电枢枢枢枢磁磁磁磁场场场场对对对对主主主主磁磁磁磁场场场场的的的的去去去去磁磁磁磁作作作作用用用用随随随随电电电电枢枢枢枢电电电电流流流流的的的的增增增增加加加加而而而而增增增增加加加加， 故故故故峰峰峰峰值值值值堵堵堵堵转转转转电电电电流流流流是是是是受受受受磁磁磁磁钢钢钢钢去去去去磁磁磁磁限限限限制制制制的的的的最最最最大大大大电电电电枢枢枢枢电电电电流流流流。 与与与与其其其其相相相相对对对对应应应应的的的的堵堵堵堵转转转转转转转转矩矩矩矩称称称称为为为为峰峰峰峰值值值值堵

42、堵堵堵转转转转转转转转矩，矩，矩，矩， 它是力矩电机最大的堵转转矩。它是力矩电机最大的堵转转矩。它是力矩电机最大的堵转转矩。它是力矩电机最大的堵转转矩。 需需需需要要要要指指指指出出出出， 由由由由于于于于电电电电机机机机定定定定子子子子上上上上装装装装有有有有永永永永久久久久磁磁磁磁钢钢钢钢， 所所所所以以以以在在在在拆拆拆拆装装装装电电电电机机机机时时时时， 务务务务必必必必使使使使定定定定子子子子磁磁磁磁路路路路处处处处于于于于短短短短路路路路状状状状态态态态。 即即即即取取取取出出出出转转转转子子子子之之之之前前前前， 应应应应先先先先用用用用短短短短路路路路环环环环封封封封住住住住定

43、定定定子子子子， 再再再再取取取取出出出出转转转转子子子子， 否否否否则则则则, , 永永永永久久久久磁磁磁磁钢钢钢钢将将将将失失失失磁磁磁磁。 如如如如果果果果使使使使用用用用中中中中发发发发生生生生电电电电枢枢枢枢电电电电流流流流超超超超过过过过峰峰峰峰值值值值堵堵堵堵转转转转电电电电流流流流， 使使使使电电电电机机机机去去去去磁磁磁磁， 并并并并导导导导致致致致堵堵堵堵转转转转转转转转矩矩矩矩不不不不足足足足时，时，时，时， 则必须重新充磁。则必须重新充磁。则必须重新充磁。则必须重新充磁。第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 思考题与习题思考题与习题 1.直流电动机的电磁转矩和电枢

44、电流由什么决定?2.如果用直流发电机作为直流电动机的负载来测定电动机的特性(见图3-33)，就会发现，当其他条件不变，而只是减小发电机负载电阻RL时，电动机的转速就下降。试问这是什么原因?第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 图3-33用直流发电机作为直流电动机的负载第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.一台他励直流电动机，如果励磁电流和被拖动的负载转矩都不变，而仅仅提高电枢端电压，试问电枢电流、转速变化怎样?4.已知一台直流电动机，其电枢额定电压Ua=110V，额定运行时的电枢电流Ia=0.4A，转速n=3600r/min,它的电枢电阻Ra=50，空载阻转矩T0=15mNm。

45、试问该电动机额定负载转矩是多少?第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 5.用一对完全相同的直流机组成电动机发电机组，它们的励磁电压均为110V，电枢电阻Ra=75。已知当发电机不接负载，电动机电枢电压加110V时，电动机的电枢电流为0.12A，绕组的转速为4500r/min。试问：(1)发电机空载时的电枢电压为多少伏?(2)电动机的电枢电压仍为110V，而发电机接上0.5k的负载时，机组的转速n是多大(设空载阻转矩为恒值)?第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 6.一台直流电动机，额定转速为3000r/min。如果电枢电压和励磁电压均为额定值，试问该电机是否允许在转速n=2500r

46、/min下长期运转?为什么?7.直流电动机在转轴卡死的情况下能否加电枢电压?如果加额定电压将会有什么后果? 8.并励电动机能否用改变电源电压极性的方法来改变电动机的转向?第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 9.当直流伺服电动机电枢电压、励磁电压不变时，如将负载转矩减少，试问此时电动机的电枢电流、电磁转矩、转速将怎样变化?并说明由原来的稳态到达新的稳态的物理过程。 10.请用电压平衡方程式解释直流电动机的机械特性为什么是一条下倾的曲线?为什么放大器内阻越大，机械特性就越软?11.直流伺服电动机在不带负载时，其调节特性有无死区?调节特性死区的大小与哪些因素有关?第第二二章章 直流伺服电动机

47、直流伺服电动机 12.一台直流伺服电动机带动一恒转矩负载(负载阻转矩不变)，测得始动电压为4，当电枢电压Ua=50V时，其转速为1500r/min。若要求转速达到3000r/min，试问要加多大的电枢电压?第第二二章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 13.已知一台直流伺服电动机的电枢电压Ua=110V，空载电流Ia0 =0.055A，空载转速n0=4600r/min，电枢电阻Ra=80。试求：(1)当电枢电压Ua=67.5V时的理想空载转速n0及堵转转矩Td;(2)该电机若用放大器控制，放大器内阻Ri=80，开路电压Ui=67.5V，求这时的理想空载转速n0及堵转转矩Td;(3)当阻转矩TL+T0由3010-3 Nm增至4010-3 Nm时，试求上述两种情况下转速的变化n。