第二章1直流伺服电机

1、第二章第二章 控制用微电机及其应用控制用微电机及其应用第二章第二章 控制用微电机及其应用控制用微电机及其应用 本章介绍驱动功率较小的各种控制电机: 直流力矩电机 直流伺服电机 交流伺服电机 步进电机 控制用微电机的特点：1.外形尺寸小，机壳外径一般不大于160mm；2.功率小，一般不超过750W，最小的不到1W。应用范围：由于控制电机减少了能量转换过程，减少了成本和消耗，因此在中、小功率情况时一般都优先使用控制电机。第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 “伺服”一词源于希腊语“奴隶”的意思 。人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。在讯号来到之前，转子静止不

2、动；讯号来到之后，转子立即转动；当讯号消失，转子能即时自行停转。 伺服电动机概述伺服电动机概述电压信号伺服电动机角位移（转向）角速度（转速）又称为控制信号或控制电压又称为执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件。伺服电动机直流伺服电动机交流伺服电动机按使用的电源性质不同常用在功率稍大的系统中，其输出功率约为1600W，少数可达数千瓦。输出功率约为 0 . 1 100W，其中最常用的在30W以下。 盘形电枢直流电动机空心杯电枢直流电动机无槽电枢直流电动机 无刷直流伺服电动机 各种结构:低惯量的伺服电动机?直流力矩电动机 伺服电动机概述伺服电动机概述自动控制系统对伺服电动机的基本要求: 1、宽广的

3、调速范围；2、机械特性和调节特性均为线性；3、无“自转”现象；4、快速响应。5、其它要求。即电机的机电时间常数要小。相应地伺服电动机要有较大的堵转矩和较小的转动惯量。这样，电机的转速才能随着控制电压的改变而迅速变化。 即要求伺服电动机的转速随着控制电压的改变能在宽广的范围内连续调节 伺服电动机的机械特性是指控制电压一定时，转速随转矩的变化关系，调节特性是指电机转矩一定时，转速随控制电压的变化关系。线性的机械特性和调节特性有利于提高自动控制系统的动态精度。 即要求伺服电动机在控制电压降为零时能立即自行停转。 如希望伺服电动机的控制功率要小，这样可使放大器的尺寸相应减少，在航空上使用的伺服电动机还

4、要求其重量轻、体积小等。 第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 一、工作原理一、工作原理 图2-1 直流电动机工作原理图 载流导体在磁场中受到电磁力。若导体在磁场中的长度为l，其中流过的电流为i，导体所在处的磁密为B，则导体所受到的电磁力为 BliF 电磁力的方向由左手定则确定。 图中所有载流导体均受到反时针方向的转矩，从而使电动机旋转。第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 一、工作原理一、工作原理 图2-1 直流电动机工作原理图 直流电机是可逆的，它根据不同的外界条件而处于不同的运行状态。当迫使它旋转，输入机械能时，它便输出电能，处于发电机状态，此时称为发电机；当在电刷两端施加电

5、压输入电能时，它便旋转起来输出机械能，处于电动机状态。 由于定磁极下元件的电流方向是不变的，所以转矩是方向恒定的转矩，称为直流电动机的电磁转矩。若电机轴上带有负载，它便输出机械功。 第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 二、分类二、分类 直流伺服电动机有传统式结构和低惯量型两大类。 (一) 传统式直流伺服电动机 定子 传统式直流伺服电动机的结构型式是由定子、转子两大部分所组成。它又可再分为永磁式和电磁式两种。转子定子：永磁式直流伺服电动机是在定子上装有永久磁钢做成的磁极；电磁式直流伺服电动机的定子通常由硅钢片冲制叠压而成，磁极和磁辄整体相连，在磁极铁芯上套有激磁绕组。转子：两种电机的转子

6、铁芯由硅钢片冲制叠压而成，在转子冲片的外圆周上开有均布的齿槽，槽中放置电枢绕组并经换向器、电刷引出。n 定子主磁极和铁心定子主磁极和铁心n电枢绕组和电枢铁心电枢绕组和电枢铁心n电枢绕组和电枢铁心电枢绕组和电枢铁心第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 (二)第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 三、调速方式三、调速方式 第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 对于它激式直流电动机，当激磁电压 恒定，而负载转矩一定时，升高电枢电压 ，电机的转速随之增高，反之，减小电枢电压，电机的转速就降低，若电

7、枢电压为零，电机停转。当电枢电压极性改变后，电机的旋转方向也随之改变。因此把电枢电压作为控制信号，就可实现对电动机转速的控制。这种控制方式称为电枢控制式，电枢绕组称为控制绕组。 fUaU 对于电磁式直流伺服电动机，采用电枢控制时，其激磁绕组由外加恒压的直流电源激磁；而永磁式直流伺服电动机则由永磁磁极激磁。第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 四、静态工作特性四、静态工作特性 静态工作特性主要讨论直流伺服电机的机械特性和调节特性，有时也称为运行特性。电枢控制时直流伺服电动机的工作原理如图所示。 1、电机的磁路为不饱和，即不考虑电机中磁化曲线非线性的影响。2、略去带载时电枢反应磁势的影响。为

8、便于分析，作如下假设：第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 四、静态工作特性四、静态工作特性 第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 电动机电枢回路的总电阻(包括电刷的接触电阻) Ki:转矩常数，表示单位电枢电流所产生的转矩，Nm/A。 Ke:电势常数，表示单位转速时所产生的电势，V/rpm 。四、静态工作特性四、静态工作特性 第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 (一) 机械特性 机械特性机械特性指控制电压Ua恒定时，电机的转速n随转矩Tg变化的关系。理想空载转速eaKUn 0堵转矩 机械特性硬度eiakKKRTn0|tan| 随着控制电压增大，电机的机械特性曲线平行地向转速

9、和转矩增加的方向移动，但是它的斜率保持不变，所以电枢控制时直流伺服电动机的机械特性是一组平行的直线。geiaeaTKKRKUnaaikURKT 四、静态工作特性四、静态工作特性 第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 (二) 调节特性 调节特性是指转矩恒定时，电机的转速随控制电压变化的关系，即Tg=常数时，n=f(Ua) 。geiaeaTKKRKUn在一定负载转矩时电动机的启动电压。失灵区：调节特性曲线的横坐标从零到启动电压的这一范围称为在一定负载转矩时伺服电动机的失灵区。显然，失灵区的大小是与负载转矩成正比的。失灵区五、动态特性五、动态特性第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 电枢

10、控制时直流伺服电动机的动态特性，是指在电动机的电枢上外加阶跃电压时，电机转速的增长过程，即 或 。 )(tfn )(tf 为满足自动控制系统快速响应的要求，直流伺服电动机的机电过渡过程越短越好，即电动机的转速变化能够迅速跟上控制信号的改变。 若电动机的电枢在外加电压前是停转状态，当电枢外加阶跃电压后，由于电枢绕组有电感，电枢电流不能突然增长，有一个电气过渡过程；相应的电磁转矩有一定的转动惯量，由零增加稳定转速又需要一定的时间，因而有一个机械过渡过程。电气的和机械的过渡过程交叠在一起，形成了电机的机电过渡过程。五、动态特性五、动态特性第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 (一)直流伺服电动

11、机的基本方程式 五、动态特性五、动态特性第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 (一)直流伺服电动机的基本方程式 对基本方程组取拉普拉斯变换： (二)直流电动机的传递函数 五、动态特性五、动态特性第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 图2-8的方块图表示一个双端输入系统，它以角速度或角位移为输出量，或同时以它们二者为输出量。 (二)直流电动机的传递函数 五、动态特性五、动态特性第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 (二)直流电动机的传递函数 五、动态特性五、动态特性第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 (二)直流电动机的传递函数 五、动态特性五、动态特性第一节第一节 直流

12、伺服电动机直流伺服电动机 六、直流电动机的功率损耗六、直流电动机的功率损耗第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 总的输入电功率为电枢电压回路和电枢电流瞬时值的乘积: )()()(titutPaaidttditiLdttdtJKKKtTtKKtTtKKtBKtiRtPaaaieiLeifeieaai)()()()()()()()()()()(22功率表达式 直流电动机作为能量转换装置时，其效率为输出机械功率与总输入平均功率的比值: 六、直流电动机的功率损耗六、直流电动机的功率损耗第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 六、直流电动机的功率损耗六、直流电动机的功率损耗第一节第一节 直流伺

13、服电动机直流伺服电动机 机械转换效率可用输出机械功率与产生的总机械功率的比值求得:七、其他型式直流伺服电动机七、其他型式直流伺服电动机 第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 (一) 无刷直流伺服电动机 直流电动机具有良好的机械特性和调节特性，堵转转矩又大，因而被广泛应用于驱动装置及伺服系统中。但是，一般直流电动机都有换向器和电刷，其间形成滑动的机械接触容易产生火花，并引起无线电干扰，过大的火花甚至影响电机的正常运行。此外，因存在电刷和换向器的滑动接触，又使维护麻烦，且影响到电机工作的可靠性，所以人们早就开始寻求直流电动机的无接触式换向。 早在1934年就出现过采用电子管线路代替机械滑动接

14、触的无换向器直流电动机，但由于当时电子器件的技术水平和制造成本的限制，这种电动机并没有得到发展。 近年来出现的无刷电动机，是用晶体管开关电路和位置传感器来代替电刷和换向器。这使无刷直流电动机既具有直流电动机的机械特性和调节特性，又具有交流电动机的维护方便、运行可靠等优点。但目前的无刷直流电动机成本还较高，总的体积亦较大。这些缺点将随着科学技术的不断发展，新材料、新元件、新技术和新工艺的出现而被逐步克服。目前我国生产的这种型式电动机的型号为SW。七、其他型式直流伺服电动机七、其他型式直流伺服电动机 第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 (一) 无刷直流伺服电动机 直到晶体管和大功率可控硅元

15、件被广泛采用后，无换向器直流电动机才真正实现，相应地各种微型无刷直流电动机也得到了发展。1、无刷直流电动机的结构 七、其他型式直流伺服电动机七、其他型式直流伺服电动机 第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 (一) 无刷直流伺服电动机 无刷直流电动机通常是由电动机、转子位置传感器和晶体管开关电路三部分组成。 无刷直流电动机在结构上是一台反装式的普通直流电动机。它的电枢放置在定子上，永磁磁极位于转子上。它的电枢绕组为一多相绕组，可接成星形或三角形(封闭形)。各相绕组分别与晶体管开关电路中的功率开关元件相连接，如图211所示。 1、无刷直流电动机的结构 七、其他型式直流伺服电动机七、其他型式直

16、流伺服电动机 第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 (一) 无刷直流伺服电动机 2、无刷直流电动机的工作原理 七、其他型式直流伺服电动机七、其他型式直流伺服电动机 第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 (一) 无刷直流伺服电动机 三个光电管PT1、PT2和PT3安装位置相差120，通过安装在电机轴上的旋转挡板，按顺序使它们受光。 3、定子绕组的通电状态 七、其他型式直流伺服电动机七、其他型式直流伺服电动机 第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 (一) 无刷直流伺服电动机 当转子转过2电角度时定子绕组共有三个通电状态，每一状态仅有一相导通，而其它两相截止，其持续时间应为转子转过

17、 电角度所对应的时间。 32(二) 直流力矩电动机 七、其他型式直流伺服电动机七、其他型式直流伺服电动机 第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 力矩电动机是一种由伺服电动机和驱动电动机结合起来发展而成的特殊电机。它不经过齿轮等减速机构而直接驱动负载，并由输入的控制电压信号直接调节负载的转速。在位置控制方式的伺服系统中，它可以工作在堵转状态，在速度控制方式的伺服系统中，又可以工作在低速状态，且输出较大的转矩。所以力矩电动机是一种直接驱动负载的执行元件。(二) 直流力矩电动机 七、其他型式直流伺服电动机七、其他型式直流伺服电动机 第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 性能特点：低速、大

18、转矩，转矩波动小，特性的直线性好，在堵转条件下能长期工作。原理：与一般直流伺服电动机相同。结构特点：与一般直流伺电动机不同，呈扁平形，以获得较大的转矩。电枢长度与直径之比一般为0.2左右。(二) 直流力矩电动机 七、其他型式直流伺服电动机七、其他型式直流伺服电动机 第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 SNNNNNNNNSSSSSSS6134521-定子；2-转子；3-电刷；4-电枢绕组；5-槽楔兼换向器片；6-铜环 八、直流伺服电动机的应用和选择八、直流伺服电动机的应用和选择 第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 (一) 按输出量分类的控制系统 直流伺服电动机所控制的系统按输出量

19、可以划为位置、速度及力矩(或力)三种控制系统，该输出量往往按输入的要求而变化。 八、直流伺服电动机的应用和选择八、直流伺服电动机的应用和选择 第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 (二) 应用直流伺服电动机的基本要求 直流伺服电动机控制的系统是由各种元器件或组件等组成的。要正确地设计一个最佳系统，不仅涉及系统的理论，还关系到合理正确的设计，应在满足性能要求下达到最佳的经济指标。最佳系统主要是从系统运动速度变化和负载耦合两个方面加以考虑。对系统中作驱动用直流电动机来说，主要是运行可靠，即发热和换向火花等问题。对任何一种系统，均有如下要求：如环境温度和湿度变化范围；环境的条件如工厂、试验室、

20、室外、室内等，所用电源；体积和重量；寿命、成本及价格等。八、直流伺服电动机的应用和选择八、直流伺服电动机的应用和选择 第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 (二) 应用直流伺服电动机的基本要求 系统的负载是主要环节，电动机类别的选定和性能的要求取决于此。所有负载可归为惯性、摩擦及粘滞阻尼三种特征参数。在分析电动机时，均要将负载端的特征参数换算到电动机输出轴端上。 精度是这类系统的一项重要指标，可用输出量和设定量之间偏差来表示。按要求分为短时和长期的两种。短时精度在系统设计时就可以确定。直流电动机的速度转矩特性和动态带宽以及其它因素对精度有较大影响，在选择元器件和确定指标时必须加以注意。长

21、期精度在系统设计时无法确定，因为元器件的长期使用性能在设计时还难以确定。一般来说，长期精度和直流电动机的性能没有直接的联系。八、直流伺服电动机的应用和选择八、直流伺服电动机的应用和选择 第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 (三) 直流伺服电动机的典型应用1、绕线机 绕线机是一种连续运动的机构，它包括绕线和排线的速度控制系统、拉线的张力控制系统。图中所示的绕线及排线的速度系统的速度是可变的，可根据需要而预先设定。八、直流伺服电动机的应用和选择八、直流伺服电动机的应用和选择 第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 (三) 直流伺服电动机的典型应用1、绕线机 系统的速度是由两个电位器的比

22、较电压预先设置的，绕线机在给定速度下绕排线。若由于某种干扰使速度增大或减少，相应测速发电机的输出电势增大或减少，输出电势经比较器及放大器后加于电动机，以控制驱动电压下降或上升，使电机速度维持一定。八、直流伺服电动机的应用和选择八、直流伺服电动机的应用和选择 第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 (三) 直流伺服电动机的典型应用2、雷达天线的位置控制系统 被跟踪目标的位置经雷达天线系统检测并发出误差信号，该信号经过放大后就作为力矩电动机的控制信号，驱动天线跟踪目标。 八、直流伺服电动机的应用和选择八、直流伺服电动机的应用和选择 第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 (三) 直流伺服电

23、动机的典型应用3、数控机床的控制系统 数控机床的加工过程，实质上是按最小位移量和规定方向逼近曲线或直线的过程。 直流电机(四) 直流电动机的选择 直流电动机的最佳选择是指满足性能下造价最低，从性能来看，直流电动机的选择主要是基于所需速度和转矩。实际上，直流电动机的选择不仅指本身性能要求，还涉及系统的设计。 八、直流伺服电动机的应用和选择八、直流伺服电动机的应用和选择 第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 1、负载分析 2、环境条件 3、机构4、结构型式 性能比较 摩擦负载的机构预先估算；粘滞阻尼负载可从系统工作范围内负载转矩-速度曲线计算出；惯性负载从负载机构的惯量和速度得出。合成负载是从惯性负载、摩擦负载及粘滞阻尼负载算出，合成负载转矩应小于直流电动机的额定值。 (四) 直流电动机的选择 直流电动机的最佳选择是指满足性能下造价最低，从性能来看，直流电动机的选择主要是基于所需速度和转矩。主要是基于所需速度和转矩。实际上，直流电动机的选择不仅指本身性能要求，还涉及系统的设计。 八、直流伺服电动机的应用和选择八、直流伺服电动机的应用和选择 第一节第一节 直流伺服电动机直流伺服电动机 1、负载分析 2、环境条件 3、机构 4、结