直流伺服电动机

直流伺服电机自动控制系统对其基本要求：1）可控性好，控制信号消失即停止运转；2）运行性能好，机械和调节特性均为线性；3）调速范围广；4）快速响应性强；5）体积小、重量轻、控制功率小第2页/共40页第1页/共40页第一页，共41页。直流电动机工作原理图3.1直流电动机的工作原理①A、B两电刷间加直流电压使导体中流入电流(N(S)极下电流方向始终不变)②通电导体受到的电磁力的值为F=Bli③电磁力对转轴形成顺时针方向的恒定转矩（电磁转矩），驱动转子而使其旋转。①②③电能机械能第3页/共40页第2页/共40页第二页，共41页。3.2电磁转矩和转矩平衡方程式3.2.1电磁转矩

一根导体产生的力矩取平均磁通密度转矩系数第4页/共40页第3页/共40页第三页，共41页。

3.2.2电动机转矩平衡方程式

电机稳态运行电机转速变化输出转矩阻转矩负载转矩电机加速电机减速总阻转矩第5页/共40页第4页/共40页第四页，共41页。3.3直流电动机的反电势和电压平衡方程式

3.3.1电枢绕组中的反电势①电枢导体通电便产生电磁力矩②由左手定则可确定电磁力F的方向，亦即电机旋转方向①②③由右手定则可确定导体切割磁力线产生的感应电势e③第6页/共40页第5页/共40页第五页，共41页。3.3.2电动机的电压平衡方程式供电电压稳定TL↓—T↓—Ia↓—n↑TL↑—T↑—Ia↑—n↓供电电压波动供电电压稳定时第7页/共40页第6页/共40页第六页，共41页。电枢回路串联电阻启动为何？启动电流过大！随转速上升，需逐级切除串联电阻！3.4.2直流电动机的启动方法大功率直接启动小功率3.4直流电动机的使用第8页/共40页第7页/共40页第七页，共41页。

3.4.3电动机的调速方法

①改变电机端电压Ua②在电枢回路中串联调节电阻Rtj③改变励磁调节电阻RfjUa↑------n↑Ua↓------n↓Rtj

↑------n↓Rtj↓------n↑Rfj↑------Φ↓------n↑Rfj↓------Φ↑-------n↓只能使励磁电流减小，所以只能将转速调高第9页/共40页第8页/共40页第八页，共41页。3.4.4改变电动机转向的方法

①改变磁通的方向②改变电枢电流的方向③改变磁通和电枢电流的方向第10页/共40页第9页/共40页第九页，共41页。

3.4.5使用中必须注意的问题

1.启动时要使励磁磁通最大（为获得最大的启动转矩）2.切勿使励磁回路断开启动电路正确接法启动电路错误接法带负载空载将产生很大的堵转电流将产生飞车事故第11页/共40页第10页/共40页第十页，共41页。3.5直流伺服电动机3.5.1直流伺服电动机的分类

永磁式电磁式直流伺服电动机他励励磁方式并励励磁方式串励励磁方式复励励磁方式3.5.1直流伺服电动机的结构

直流测速发电机的结构相同

第12页/共40页第11页/共40页第十一页，共41页。3.6直流伺服电动机的稳态特性

3.6.1机械特性

表征电动机在电枢电压Ua不变时，转速随负载阻转矩(或电磁转矩)变化规律的曲线称为电动机的机械特性。第13页/共40页第12页/共40页第十二页，共41页。理想空载转速机械特性软硬程度堵转转矩Ua越大，曲线位置越高机械特性曲线第14页/共40页第13页/共40页第十三页，共41页。控制系统中放大器内阻的影响放大器等效电路放大器内阻的加入使机械特性变软！第15页/共40页第14页/共40页第十四页，共41页。输出转矩的机械特性用输出转矩表示的机械特性如何得出机械特性曲线①直接测出一组n、T2数据，做曲线②测出电枢电流/电压、转速，经过计算后间接测出曲线电磁转矩不可测量第16页/共40页第15页/共40页第十五页，共41页。

3.6.2调节特性

电动机在一定的负载转矩下，稳态转速随控制电压变化的关系称为电动机的调节特性。

！第17页/共40页第16页/共40页第十六页，共41页。1、负载为常数时调节特性曲线Ts不变时，n与Ua为线性关系！始动电压第18页/共40页第17页/共40页第十七页，共41页。1、可变负载时调节特性曲线空气阻转矩与转速的关系可变负载时调节特性n↑→TL增量↑→IaRa增量↑→Ea增量↓→n增量↓电压平衡方程式第19页/共40页第18页/共40页第十八页，共41页。

常常用实验的方法直接测出电动机的调节特性。此时电机和负载耦合，并由放大器提供信号电压。在实验中测出电动机的转速n随放大器输入电压U1变化的曲线，因此所得到的是带有放大器的直流电动机的调节特性曲线。如何得出调节特性曲线第20页/共40页第19页/共40页第十九页，共41页。3.7直流伺服电动机在过渡过程中

的工作状态

电动机从一个稳定状态向另一个稳定状态过渡过程中的工作状态。发电机工作状态反接制动工作状态动能制动工作状态第21页/共40页第20页/共40页第二十页，共41页。3.7.1发电机工作状态电动机状态发电机状态第22页/共40页第21页/共40页第二十一页，共41页。3.7.2反接制动工作状态电动机状态反接制动状态Ua3方向同于Ea1第23页/共40页第22页/共40页第二十二页，共41页。3.7.3动能制动工作状态电动机状态动能制动状态第24页/共40页第23页/共40页第二十三页，共41页。3.8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，不仅需要知道电机在过渡过程中的工作状态，而且还要进一步了解电机的转速、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。第25页/共40页第24页/共40页第二十四页，共41页。产生过渡过程的原因两种惯性机械惯性电磁惯性转动惯量电枢电感转速不能突变电流不能突变时间短得多第26页/共40页第25页/共40页第二十五页，共41页。

3.8.1伺服电动机过渡过程的分析动态电压平衡方程式动态转矩平衡方程式代入求解微分方程初始条件机电时间常数电磁时间常数第27页/共40页第26页/共40页第二十六页，共41页。过渡过程中转速n、电枢电流Ia随时间变化的规律:第28页/共40页第27页/共40页第二十七页，共41页。在4τd<τj时的过渡过程在4τd>τj时的过渡过程在τj>>τd时的过渡过程非周期过渡过程周期振荡过渡过程机电时间常数定义第29页/共40页第28页/共40页第二十八页，共41页。机电时间常数的单位

单位kg·m2单位r·min单位N·m机电时间常数单位s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。快速低惯量直流伺服电动机的机电时间常数通常在10ms以下，空心杯电枢永磁直流伺服电动机的机电时间常数可小到2～3ms。第30页/共40页第29页/共40页第二十九页，共41页。3.9直流力矩电动机产生的原因：某些自动控制系统要求被控对象的运动速度非常低，普通伺服电机的转速很高，需要齿轮减速，而齿轮间隙会造成振荡。应用：雷达天线、位置伺服系统、低速伺服系统优势：转速低、转矩大第31页/共40页第30页/共40页第三十页，共41页。工作原理和基本结构工作原理和普通伺服电机相同第32页/共40页第31页/共40页第三十一页，共41页。提高转矩的原因第33页/共40页第32页/共40页第三十二页，共41页。降低转速的原因理想空载理想空载第34页/共40页第33页/共40页第三十三页，共41页。3.10低惯量直流伺服电动机产生的原因：普通伺服电机转动惯量大、低速运转不够平稳、换向火花对无线电造成干扰，在某些控制系统中应用受到限制应用：高精度的自动控制系统及测量装置、数控机床、雷达天线等优势：转动惯量低第35页/共40页第34页/共40页第三十四页，共41页。杯形电枢直流伺服电机用于高精度的自动控制系统及测量装置等设备中。如电视摄像机、录音机、X-Y函数记录仪、机床控制系统等第36页/共40页第35页/共40页第三十五页，共41页。盘形电枢直流伺服电机用于数控机床、工业机器人、雷达天线驱动和其他伺服系统第37页/共40页第36页/共40页第三十六页，共41页。无槽电枢直流伺服电机用于要求快速动作、功率较大的系统，例如数控机床和雷达天线驱动等电枢铁心为光滑、无槽的圆柱体。电枢的制造是将敷设在光滑电枢铁心表面的绕组，用环氧树脂固化成型并与铁心粘结在一起。其气隙尺寸较大，定子励磁一般采用高磁能的永久磁钢。第38页/共40页第37页/共40页第三十七页，共41页。直流伺服电机的控制方法1、调节转子电压当Ts、Φ不变时，n与Ua成线性关系！第39页/共40页第38页/共40页第三十八页，共41页。直流伺服电机的控制方法2、PWM数字调速技术数字控制器脉宽调制功率放大M转速测量第40页/共40页第39页/共40页第三十九页，共41页。感谢您的观看！