第一章 直流伺服电机

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，其功

2、能是把输入的电压信号变换成转 轴的角位移或角速度输出。 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 1.2.1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 e aaa C RIU n 电枢控制电枢控制 励磁磁通保持不变，改变电枢绕组的 控制电压。当电动机的负载转矩不变 时，升高电枢电压，电机的转速就升 高；反之转速就

3、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。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等于常数时，转速与电磁转矩之间的 函数关系，即 。 把 代入式

4、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。 )( , ae TfncU ate ICT e aaa C RIU n e0 2 te ae e a kTn CC RT C U n e a 0 C U n 2 te a CC R k 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 e0 2 te ae e a kTn CC RT C U n 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 T n k （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

5、：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

6、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时，电机转速与电枢电压之间的函数关系， 即 。 由 得 )( 0aLse UfncTTTT时， 2 te ae e a CC RT C U n AUk CC RT C U n a1 2 te as e a e 1 1 C k 2 te as CC RT A 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。AU

7、k CC RT C U n a1 2 te as e a 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的死区死区。 2 te as e a CC RT C U n s t a a0a T C R UU e 1 1 C k sa0 TU 1.2.2 运行特性运行特

8、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。 sa0 TU s3s2s1 TTT、 （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，导致电磁转矩波动比较明显。 1.2.2 运

9、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。 1.3直流伺

10、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 aaaa a a d d UeRi t i L t JTtT s d d )( nCe ea at )(iCtT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。为了推导方便，可以先假定 ，这样 。 由 和 可得 0 s T t JtT d d )( 60 2n at )(iCtT dt d 60 2 d d)( ttt a n C J tC J C tT i nCe ea aaaa a a d d UeRi t i L e 1

11、 C d d 60 2 d d 60 2 0emm e a 2 te a 2 2 2 te a n C U n t n CC JR t n CC J L 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 2 te a m 60 2 CC JR a a e R L e a 0 C U n 0m 2 2 em d d d d nn t n t n 0em n、 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转速随时间的变化规

12、律转速随时间的变化规律 0m 2 2 em d d d d nn t n t n 对于二阶常系数非齐次常微分方程 进行拉氏变换得 p n pnppnpnp 0 m 2 em )()()( 特征方程为 01 m 2 em pp m e e 21 4 11 2 1 ， p其两个根为 转速表达式为 tptp eAeAnn 21 210 0t0n0 dt dn 由初始条件， 时，转速 ，加速度 ，故有 0 , 0 2211021 pApAnAA , , 0 21 1 20 21 2 1 n pp p An pp p A tptp ee n nn 21 meme me 0 0 /411/411 /412

13、 )( /41 / 12 me aa a tptp ee RU i 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 tptp eAeAnn 21 210 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 me 4 m e e 2 .1 4 11 2 1 ， p 1 p 2 p 2 te a m 60 2 CC JR a a e R L a L a RJ 在过渡过程中，转速和电流随时间的变化是非周

14、期的。 me 4 a in、 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，就会出现这种振荡现象。 图1-7 在 时, 的过渡过程 me 4 m e e 2 .1 4 11 2 1 ， p 1 p 2 p 2 te a m 60 2 CC JR a a e R L a L a R J (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。 me 4 a in、 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

15、。 me 4 e 0m 2 2 em d d d d nn t n t n 0m d d nn t n )1 ( m / 0 t enn m / a a a t e R U i a i 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me 4 a in、 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 m m t)1 ( m / 0 t enn 0 632. 0nn m 3t )1 ( m / 0 t enn 0 95. 0nn m 3 关于机电时间常数关于机电时间常数 机电时间

16、常数定义机电时间常数定义：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机电时间常数机电时间常数 与电机参数的关系与电机参数的关系 m 2 te a m 60 2 CC JR k J T nJ ICC IJR 60 2 60 2 60 2 K 0 aK 2 te aKa m 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

17、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。a R 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 l 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 直流力矩电动机就是为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？ aa

18、 UE a I i 2 a a a D 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。 l 特点特点 可知和由 )( 22 )( 60 60 aea pN a I I a pN TnpN a n a pN E a 电机转速低、转矩大，能够长期在堵转或低速状态下运行；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

19、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。 l 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。 l 特点特点 杯形转子直流伺服电动机已

20、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 l 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-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)

21、1.4.2 低惯量直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机 l 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。 l 结构结构l 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，机电时间 常数为(510) ms。 1.4.2

22、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。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。 l 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 alNI BF 方向可由左手定则确定，改 变直流电流的大小和方向， 可改变电磁力的大小和方向。 l 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 l 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