第二章直流伺服電機(jī)演示文稿

第二章直流伺服電機(jī)演示文稿目前一頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)優(yōu)選第二章直流伺服電機(jī)目前二頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

“伺服”一詞源于希臘語“奴隸”的意思

。人們想把“伺服機(jī)構(gòu)”當(dāng)個得心應(yīng)手的馴服工具，服從控制信號的要求而動作。在訊號來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動；訊號來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動；當(dāng)訊號消失，轉(zhuǎn)子能即時自行停轉(zhuǎn)。

伺服電動機(jī)概述電壓信號伺服電動機(jī)角位移（轉(zhuǎn)向）角速度（轉(zhuǎn)速）又稱為控制信號或控制電壓又稱為執(zhí)行電動機(jī)，在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。伺服電動機(jī)直流伺服電動機(jī)交流伺服電動機(jī)按使用的電源性質(zhì)不同常用在功率稍大的系統(tǒng)中，其輸出功率約為1～600W，少數(shù)可達(dá)數(shù)千瓦。輸出功率約為0.1～100W，其中最常用的在30W以下。

盤形電樞直流電動機(jī)空心杯電樞直流電動機(jī)無槽電樞直流電動機(jī)

無刷直流伺服電動機(jī)

各種結(jié)構(gòu):低慣量的伺服電動機(jī)?直流力矩電動機(jī)

目前三頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)

伺服電動機(jī)概述自動控制系統(tǒng)對伺服電動機(jī)的基本要求:

1、寬廣的調(diào)速范圍；2、機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性均為線性；3、無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象；4、快速響應(yīng)。5、其它要求。即電機(jī)的機(jī)電時間常數(shù)要小。相應(yīng)地伺服電動機(jī)要有較大的堵轉(zhuǎn)矩和較小的轉(zhuǎn)動慣量。這樣，電機(jī)的轉(zhuǎn)速才能隨著控制電壓的改變而迅速變化。

即要求伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著控制電壓的改變能在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)

伺服電動機(jī)的機(jī)械特性是指控制電壓一定時，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的變化關(guān)系，調(diào)節(jié)特性是指電機(jī)轉(zhuǎn)矩一定時，轉(zhuǎn)速隨控制電壓的變化關(guān)系。線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性有利于提高自動控制系統(tǒng)的動態(tài)精度。

即要求伺服電動機(jī)在控制電壓降為零時能立即自行停轉(zhuǎn)。

如希望伺服電動機(jī)的控制功率要小，這樣可使放大器的尺寸相應(yīng)減少，在航空上使用的伺服電動機(jī)還要求其重量輕、體積小等。

目前四頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

一、工作原理

圖2-1直流電動機(jī)工作原理圖

載流導(dǎo)體在磁場中受到電磁力。若導(dǎo)體在磁場中的長度為l，其中流過的電流為i，導(dǎo)體所在處的磁密為B，則導(dǎo)體所受到的電磁力為

電磁力的方向由左手定則確定。

圖中所有載流導(dǎo)體均受到反時針方向的轉(zhuǎn)矩，從而使電動機(jī)旋轉(zhuǎn)。目前五頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

一、工作原理

圖2-1直流電動機(jī)工作原理圖

直流電機(jī)是可逆的，它根據(jù)不同的外界條件而處于不同的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)迫使它旋轉(zhuǎn)，輸入機(jī)械能時，它便輸出電能，處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，此時稱為發(fā)電機(jī)；當(dāng)在電刷兩端施加電壓輸入電能時，它便旋轉(zhuǎn)起來輸出機(jī)械能，處于電動機(jī)狀態(tài)。

由于定磁極下元件的電流方向是不變的，所以轉(zhuǎn)矩是方向恒定的轉(zhuǎn)矩，稱為直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。若電機(jī)軸上帶有負(fù)載，它便輸出機(jī)械功。目前六頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

二、分類

直流伺服電動機(jī)有傳統(tǒng)式結(jié)構(gòu)和低慣量型兩大類。

(一)傳統(tǒng)式直流伺服電動機(jī)

定子

傳統(tǒng)式直流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)型式是由定子、轉(zhuǎn)子兩大部分所組成。它又可再分為永磁式和電磁式兩種。轉(zhuǎn)子定子：永磁式直流伺服電動機(jī)是在定子上裝有永久磁鋼做成的磁極；電磁式直流伺服電動機(jī)的定子通常由硅鋼片沖制疊壓而成，磁極和磁輒整體相連，在磁極鐵芯上套有激磁繞組。轉(zhuǎn)子：兩種電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵芯由硅鋼片沖制疊壓而成，在轉(zhuǎn)子沖片的外圓周上開有均布的齒槽，槽中放置電樞繞組并經(jīng)換向器、電刷引出。目前七頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)定子主磁極和鐵心目前八頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)電樞繞組和電樞鐵心目前九頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)電樞繞組和電樞鐵心目前十頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

(二)目前十一頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

目前十二頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

目前十三頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

目前十四頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)三、調(diào)速方式

第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

對于它激式直流電動機(jī)，當(dāng)激磁電壓恒定，而負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時，升高電樞電壓，電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之增高，反之，減小電樞電壓，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就降低，若電樞電壓為零，電機(jī)停轉(zhuǎn)。當(dāng)電樞電壓極性改變后，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向也隨之改變。因此把電樞電壓作為控制信號，就可實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。這種控制方式稱為電樞控制式，電樞繞組稱為控制繞組。

對于電磁式直流伺服電動機(jī)，采用電樞控制時，其激磁繞組由外加恒壓的直流電源激磁；而永磁式直流伺服電動機(jī)則由永磁磁極激磁。目前十五頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

目前十六頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)四、靜態(tài)工作特性

靜態(tài)工作特性主要討論直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性，有時也稱為運(yùn)行特性。電樞控制時直流伺服電動機(jī)的工作原理如圖所示。

1、電機(jī)的磁路為不飽和，即不考慮電機(jī)中磁化曲線非線性的影響。2、略去帶載時電樞反應(yīng)磁勢的影響。為便于分析，作如下假設(shè)：第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

目前十七頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)四、靜態(tài)工作特性

第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

電動機(jī)電樞回路的總電阻(包括電刷的接觸電阻)Ki:轉(zhuǎn)矩常數(shù)，表示單位電樞電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，N·m/A。Ke:電勢常數(shù)，表示單位轉(zhuǎn)速時所產(chǎn)生的電勢，V/rpm。目前十八頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)四、靜態(tài)工作特性

第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

(一)機(jī)械特性

機(jī)械特性指控制電壓Ua恒定時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速n隨轉(zhuǎn)矩Tg變化的關(guān)系。理想空載轉(zhuǎn)速堵轉(zhuǎn)矩

機(jī)械特性硬度

隨著控制電壓增大，電機(jī)的機(jī)械特性曲線平行地向轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩增加的方向移動，但是它的斜率保持不變，所以電樞控制時直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性是一組平行的直線。目前十九頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)四、靜態(tài)工作特性

第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

(二)調(diào)節(jié)特性

調(diào)節(jié)特性是指轉(zhuǎn)矩恒定時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制電壓變化的關(guān)系，即Tg=常數(shù)時，n=f(Ua)

。在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩時電動機(jī)的啟動電壓。失靈區(qū)：調(diào)節(jié)特性曲線的橫坐標(biāo)從零到啟動電壓的這一范圍稱為在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩時伺服電動機(jī)的失靈區(qū)。顯然，失靈區(qū)的大小是與負(fù)載轉(zhuǎn)矩成正比的。失靈區(qū)目前二十頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)五、動態(tài)特性第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

電樞控制時直流伺服電動機(jī)的動態(tài)特性，是指在電動機(jī)的電樞上外加階躍電壓時，電機(jī)轉(zhuǎn)速的增長過程，即或。

為滿足自動控制系統(tǒng)快速響應(yīng)的要求，直流伺服電動機(jī)的機(jī)電過渡過程越短越好，即電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化能夠迅速跟上控制信號的改變。

若電動機(jī)的電樞在外加電壓前是停轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)電樞外加階躍電壓后，由于電樞繞組有電感，電樞電流不能突然增長，有一個電氣過渡過程；相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩有一定的轉(zhuǎn)動慣量，由零增加穩(wěn)定轉(zhuǎn)速又需要一定的時間，因而有一個機(jī)械過渡過程。電氣的和機(jī)械的過渡過程交疊在一起，形成了電機(jī)的機(jī)電過渡過程。目前二十一頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)五、動態(tài)特性第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

(一)直流伺服電動機(jī)的基本方程式

目前二十二頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)五、動態(tài)特性第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

(一)直流伺服電動機(jī)的基本方程式

對基本方程組取拉普拉斯變換：

目前二十三頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)(二)直流電動機(jī)的傳遞函數(shù)

五、動態(tài)特性第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

圖2-8的方塊圖表示一個雙端輸入系統(tǒng)，它以角速度ω或角位移為輸出量，或同時以它們二者為輸出量。

目前二十四頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)(二)直流電動機(jī)的傳遞函數(shù)

五、動態(tài)特性第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

目前二十五頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)(二)直流電動機(jī)的傳遞函數(shù)

五、動態(tài)特性第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

目前二十六頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)(二)直流電動機(jī)的傳遞函數(shù)

五、動態(tài)特性第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

目前二十七頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)六、直流電動機(jī)的功率損耗第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

總的輸入電功率為電樞電壓回路和電樞電流瞬時值的乘積:

功率表達(dá)式

目前二十八頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)

直流電動機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換裝置時，其效率為輸出機(jī)械功率與總輸入平均功率的比值:

六、直流電動機(jī)的功率損耗第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

目前二十九頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)六、直流電動機(jī)的功率損耗第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

機(jī)械轉(zhuǎn)換效率可用輸出機(jī)械功率與產(chǎn)生的總機(jī)械功率的比值求得:目前三十頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)七、其他型式直流伺服電動機(jī)

第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

(一)無刷直流伺服電動機(jī)

直流電動機(jī)具有良好的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩又大，因而被廣泛應(yīng)用于驅(qū)動裝置及伺服系統(tǒng)中。但是，一般直流電動機(jī)都有換向器和電刷，其間形成滑動的機(jī)械接觸容易產(chǎn)生火花，并引起無線電干擾，過大的火花甚至影響電機(jī)的正常運(yùn)行。此外，因存在電刷和換向器的滑動接觸，又使維護(hù)麻煩，且影響到電機(jī)工作的可靠性，所以人們早就開始尋求直流電動機(jī)的無接觸式換向。

早在1934年就出現(xiàn)過采用電子管線路代替機(jī)械滑動接觸的無換向器直流電動機(jī)，但由于當(dāng)時電子器件的技術(shù)水平和制造成本的限制，這種電動機(jī)并沒有得到發(fā)展。目前三十一頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)

近年來出現(xiàn)的無刷電動機(jī)，是用晶體管開關(guān)電路和位置傳感器來代替電刷和換向器。這使無刷直流電動機(jī)既具有直流電動機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性，又具有交流電動機(jī)的維護(hù)方便、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。但目前的無刷直流電動機(jī)成本還較高，總的體積亦較大。這些缺點(diǎn)將隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新材料、新元件、新技術(shù)和新工藝的出現(xiàn)而被逐步克服。目前我國生產(chǎn)的這種型式電動機(jī)的型號為SW。七、其他型式直流伺服電動機(jī)

第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

(一)無刷直流伺服電動機(jī)

直到晶體管和大功率可控硅元件被廣泛采用后，無換向器直流電動機(jī)才真正實(shí)現(xiàn)，相應(yīng)地各種微型無刷直流電動機(jī)也得到了發(fā)展。目前三十二頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)1、無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)

七、其他型式直流伺服電動機(jī)

第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

(一)無刷直流伺服電動機(jī)

無刷直流電動機(jī)通常是由電動機(jī)、轉(zhuǎn)子位置傳感器和晶體管開關(guān)電路三部分組成。

目前三十三頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)

無刷直流電動機(jī)在結(jié)構(gòu)上是一臺反裝式的普通直流電動機(jī)。它的電樞放置在定子上，永磁磁極位于轉(zhuǎn)子上。它的電樞繞組為一多相繞組，可接成星形或三角形(封閉形)。各相繞組分別與晶體管開關(guān)電路中的功率開關(guān)元件相連接，如圖2－11所示。

1、無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)七、其他型式直流伺服電動機(jī)

第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

(一)無刷直流伺服電動機(jī)

目前三十四頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)2、無刷直流電動機(jī)的工作原理七、其他型式直流伺服電動機(jī)

第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

(一)無刷直流伺服電動機(jī)

三個光電管PT1、PT2和PT3安裝位置相差120°，通過安裝在電機(jī)軸上的旋轉(zhuǎn)擋板，按順序使它們受光。目前三十五頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)3、定子繞組的通電狀態(tài)七、其他型式直流伺服電動機(jī)

第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

(一)無刷直流伺服電動機(jī)

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過2π電角度時定子繞組共有三個通電狀態(tài)，每一狀態(tài)僅有一相導(dǎo)通，而其它兩相截止，其持續(xù)時間應(yīng)為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過電角度所對應(yīng)的時間。

目前三十六頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)(二)直流力矩電動機(jī)

七、其他型式直流伺服電動機(jī)

第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

力矩電動機(jī)是一種由伺服電動機(jī)和驅(qū)動電動機(jī)結(jié)合起來發(fā)展而成的特殊電機(jī)。它不經(jīng)過齒輪等減速機(jī)構(gòu)而直接驅(qū)動負(fù)載，并由輸入的控制電壓信號直接調(diào)節(jié)負(fù)載的轉(zhuǎn)速。在位置控制方式的伺服系統(tǒng)中，它可以工作在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，在速度控制方式的伺服系統(tǒng)中，又可以工作在低速狀態(tài)，且輸出較大的轉(zhuǎn)矩。所以力矩電動機(jī)是一種直接驅(qū)動負(fù)載的執(zhí)行元件。目前三十七頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)(二)直流力矩電動機(jī)

七、其他型式直流伺服電動機(jī)

第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

性能特點(diǎn)：低速、大轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩波動小，特性的直線性好，在堵轉(zhuǎn)條件下能長期工作。原理：與一般直流伺服電動機(jī)相同。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：與一般直流伺電動機(jī)不同，呈扁平形，以獲得較大的轉(zhuǎn)矩。電樞長度與直徑之比一般為0.2左右。目前三十八頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)(二)直流力矩電動機(jī)

七、其他型式直流伺服電動機(jī)

第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

1-定子；2-轉(zhuǎn)子；3-電刷；4-電樞繞組；5-槽楔兼換向器片；6-銅環(huán)目前三十九頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)八、直流伺服電動機(jī)的應(yīng)用和選擇第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

(一)按輸出量分類的控制系統(tǒng)

直流伺服電動機(jī)所控制的系統(tǒng)按輸出量可以劃為位置、速度及力矩(或力)三種控制系統(tǒng)，該輸出量往往按輸入的要求而變化。

目前四十頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)八、直流伺服電動機(jī)的應(yīng)用和選擇第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

(二)應(yīng)用直流伺服電動機(jī)的基本要求

直流伺服電動機(jī)控制的系統(tǒng)是由各種元器件或組件等組成的。要正確地設(shè)計(jì)一個最佳系統(tǒng)，不僅涉及系統(tǒng)的理論，還關(guān)系到合理正確的設(shè)計(jì)，應(yīng)在滿足性能要求下達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。最佳系統(tǒng)主要是從系統(tǒng)運(yùn)動速度變化和負(fù)載耦合兩個方面加以考慮。對系統(tǒng)中作驅(qū)動用直流電動機(jī)來說，主要是運(yùn)行可靠，即發(fā)熱和換向火花等問題。對任何一種系統(tǒng)，均有如下要求：如環(huán)境溫度和濕度變化范圍；環(huán)境的條件如工廠、試驗(yàn)室、室外、室內(nèi)等，所用電源；體積和重量；壽命、成本及價格等。目前四十一頁\總數(shù)四十六頁\編于七點(diǎn)八、直流伺服電動機(jī)的應(yīng)用和選擇第一節(jié)

直流伺服電動機(jī)

(二)應(yīng)用直流伺服電動機(jī)的基本要求

系統(tǒng)的負(fù)載是主要環(huán)節(jié)，電動機(jī)類別的選定和性能的要求取決于此。所有負(fù)載可歸為慣性、摩擦及粘滯阻尼三種特征參數(shù)。在分析電動機(jī)時，均要將負(fù)載端的特征參數(shù)換算到電動機(jī)輸出軸端上。

精度是這類系統(tǒng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，可用輸出量和設(shè)定量之間偏差來表示。按要求分為短時和長期的兩種。短時精度在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時就可以確定。直流電動機(jī)的速度—轉(zhuǎn)矩特性和動態(tài)帶寬以及其它因素對精度有較大影響，在選擇元器件和確定指標(biāo)時必須加以注意。長期精度