直流伺服電機

直流伺服電機第1頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月2.伺服電動機的分類

普通直流伺服電動機直流伺服電動機低慣量直流伺服電動機直流力矩電動機兩相感應(yīng)伺服電動機交流伺服電動機三相感應(yīng)伺服電動機無刷永磁伺服電動機直線伺服電動機1.伺服電動機的概念伺服電動機又稱為執(zhí)行電動機，其功能是把輸入的電壓信號變換成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出。1.1概述第2頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月寬廣的調(diào)速范圍機械特性和調(diào)節(jié)特性均為線性無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象快速響應(yīng)。此外，還要求伺服電動機的控制功率小、重量輕、體積小等。3.控制系統(tǒng)對伺服電動機的基本要求1.1概述第3頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.1控制方式由可知，改變電樞電壓和改變勵磁磁通都可以改變電動機的轉(zhuǎn)速。1.2直流伺服電動機的控制方式和運行特性1.電樞控制勵磁磁通保持不變，改變電樞繞組的控制電壓。當(dāng)電動機的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時，升高電樞電壓，電機的轉(zhuǎn)速就升高；反之轉(zhuǎn)速就降低。電樞電壓等于零時，電機不轉(zhuǎn)。電樞電壓改變極性時，電機反轉(zhuǎn)。圖1-1電樞控制原理圖第4頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月2．磁場控制電樞繞組電壓保持不變，改變勵磁回路的電壓。若電動機的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，當(dāng)升高勵磁電壓時，勵磁電流增加，主磁通增加，電機轉(zhuǎn)速就降低；反之，轉(zhuǎn)速升高。改變勵磁電壓的極性，電機轉(zhuǎn)向隨之改變。盡管磁場控制也可達(dá)到控制轉(zhuǎn)速大小和旋轉(zhuǎn)方向的目的，但勵磁電流和主磁通之間是非線性關(guān)系，且隨著勵磁電壓的減小其機械特性變軟，調(diào)節(jié)特性也是非線性的，故少用。1.2.1控制方式第5頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月1.機械特性機械特性是指電樞電壓等于常數(shù)時，轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的函數(shù)關(guān)系，即。把代入式得，為理想空載轉(zhuǎn)速；，為直線的斜率。伺服電動機的運行特性包括機械特性和調(diào)節(jié)特性。1.2.2運行特性第6頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-2直流伺服電動機的機械特性機械特性為一直線1.2.2運行特性n0-理想空載轉(zhuǎn)速Tk-堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩

-直線斜率第7頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）n0、Tk、k的物理意義理想空載轉(zhuǎn)速n0：n0是電磁轉(zhuǎn)矩Te=0時的轉(zhuǎn)速，由于電機空載時Te=T0，電機的空載轉(zhuǎn)速低于理想空載轉(zhuǎn)速。堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Tk：Tk是轉(zhuǎn)速n=0時的電磁轉(zhuǎn)矩。

機械特性的斜率k

：斜率k前面的負(fù)號表示直線是下傾的。斜率k的大小直接表示了電動機電磁轉(zhuǎn)矩變化所引起的轉(zhuǎn)速變化程度。斜率k大，轉(zhuǎn)矩變化時轉(zhuǎn)速變化大，機械特性軟。反之，斜率k小，機械特性就硬。1.2.2運行特性第8頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）電樞電壓對機械特性的影響n0和Tk都與電樞電壓成正比，而斜率k則與電樞電壓無關(guān)。對應(yīng)于不同的電樞電壓可以得到一組相互平行的機械特性曲線。

圖1-3不同控制電壓時的機械特性直流伺服電動機由放大器供電時，放大器可以等效為一個電動勢源與其內(nèi)阻串聯(lián)。內(nèi)阻使直流伺服電動機的機械特性變軟。1.2.2運行特性第9頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月2.調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時，電機轉(zhuǎn)速與電樞電壓之間的函數(shù)關(guān)系，即。由得為特性曲線的斜率；為由負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩決定的常數(shù)。1.2.2運行特性第10頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-4直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性為一上翹的直線。1.2.2運行特性Ua0–始動電壓

K1–特性斜率第11頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）Ua0和k1的物理意義始動電壓Ua0：Ua0是電動機處在待動而又未動臨界狀態(tài)時的控制電壓。斜率k1：是由電機本身參數(shù)決定的常數(shù)，與負(fù)載無關(guān)。由，當(dāng)n=0時，便可求得

由于，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，始動電壓越高。而且控制電壓從0到Ua0一段范圍內(nèi)，電機不轉(zhuǎn)動，故把此區(qū)域稱為電動機的死區(qū)。1.2.2運行特性第12頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）總阻轉(zhuǎn)矩對調(diào)節(jié)特性的影響總阻轉(zhuǎn)矩Ts變化時，，斜率k1保持不變。因此對應(yīng)于不同的總阻轉(zhuǎn)矩，可以得到一組相互平行的調(diào)節(jié)特性。3．直流伺服電動機低速運轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速很低時，轉(zhuǎn)速就不均勻，出現(xiàn)時快、時慢，甚至?xí)簳r停一下的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為直流伺服電動機低速運轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性。圖1-5不同負(fù)載時的調(diào)節(jié)特性（1）低速運轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定的原因電樞齒槽的影響低速時，反電動勢的平均值很小，因而電樞齒槽效應(yīng)等引起電動勢脈動的影響增大，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩波動比較明顯。1.2.2運行特性第13頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月電刷接觸壓降的影響低速時，控制電壓很低，電刷和換向器之間的接觸壓降開始不穩(wěn)定，影響電樞上有效電壓的大小，從而導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定。電刷和換向器之間摩擦的影響低速時，電刷和換向器之間的摩擦轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，造成電機本身的阻轉(zhuǎn)矩T0不穩(wěn)定，因而導(dǎo)致總阻轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定。（2）解決的措施穩(wěn)速控制電路直流力矩電動機1.2.2運行特性第14頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月動態(tài)特性是指在電樞控制條件下，在電樞繞組上加階躍電壓時，電機轉(zhuǎn)速n和電樞電流ia隨時間變化的規(guī)律。產(chǎn)生過渡過程的原因是電機中存在機械慣性和電磁慣性。1.3直流伺服電動機的動態(tài)特性1.3.1過渡過程中的電機方程電壓平衡方程式

轉(zhuǎn)矩平衡方程式

其中第15頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月由于在小功率的隨動系統(tǒng)中，選擇電動機時總是使電動機的額定轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)大于軸上的總阻轉(zhuǎn)矩。即在動態(tài)過程中，電磁轉(zhuǎn)矩主要用來克服慣性轉(zhuǎn)矩，以加速過渡過程。為了推導(dǎo)方便，可以先假定，這樣。由和可得把ia和代入，兩邊乘以得1.3.1過渡過程中的電機方程第16頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月令為機電時間常數(shù)；

為電氣時間常數(shù)；

為理想空載轉(zhuǎn)速，則上式可化為是轉(zhuǎn)速的二階微分方程，對已制成的電機而言,都是常數(shù)。1.3.1過渡過程中的電機方程第17頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2轉(zhuǎn)速隨時間的變化規(guī)律對于二階常系數(shù)非齊次常微分方程

進(jìn)行拉氏變換得特征方程為其兩個根為轉(zhuǎn)速表達(dá)式為第18頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月由初始條件，時，轉(zhuǎn)速，加速度，故有由此解得

轉(zhuǎn)速隨時間的變化規(guī)律為用同樣的分析方法，可找出過渡過程中電樞電流隨時間的變化規(guī)律

1.3.2轉(zhuǎn)速隨時間的變化規(guī)律第19頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月⑴當(dāng)時，由，和兩根都為負(fù)實數(shù)。由和可知，電樞電感較小、電樞電阻較大、轉(zhuǎn)動慣量較大時是這種情況。1.3.3過渡過程曲線在過渡過程中，轉(zhuǎn)速和電流隨時間的變化是非周期的。圖1-6在時,的過渡過程第20頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月由和可知，電樞電感較大、電樞電阻較小、轉(zhuǎn)動慣量較小時，就會出現(xiàn)這種振蕩現(xiàn)象。圖1-7在時,的過渡過程(2)當(dāng)時，由，和兩根是共軛復(fù)數(shù)。在過渡過程中，轉(zhuǎn)速和電流隨時間的變化是周期性的。1.3.3過渡過程曲線第21頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月⑶當(dāng)時（多數(shù)情況滿足這一條件），很小可以忽略不計。此時轉(zhuǎn)速n為按指數(shù)上升的曲線，

為按指數(shù)下降的曲線?？珊喕癁橐浑A微分方程其解為

同樣可得

于是式圖1-8在時,的過渡過程1.3.3過渡過程曲線第22頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月把代入，得

實用上，被定義為轉(zhuǎn)速從零升到空載轉(zhuǎn)速的63.2%所需的時間。把代入，可得⑷關(guān)于機電時間常數(shù)機電時間常數(shù)定義：電機在空載狀態(tài)下，勵磁繞組加額定勵磁電壓，電樞加階躍額定控制電壓時，轉(zhuǎn)速從零升到理想空載轉(zhuǎn)速的63.2%所需的時間?？烧J(rèn)為過渡過程基本結(jié)束，所以為過渡過程所需時間。1.3.3過渡過程曲線第23頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.4機電時間常數(shù)與電機參數(shù)的關(guān)系機電時間常數(shù)與機械特性的斜率k是正比關(guān)系，即機械特性的斜率越小，特性越硬，機電時間常數(shù)越小，過渡過程越短；反之就越長。一般直流伺服電動機的機電時間常數(shù)大約在十幾毫秒到幾十毫秒之間。機電時間常數(shù)與旋轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動慣量J、電樞回路的電阻成正比。機電時間常數(shù)還可以表示為1.3.3過渡過程曲線第24頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

結(jié)構(gòu)1.4特種直流伺服電動機1.4.1直流力矩電動機直流力矩電動機就是為滿足低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩負(fù)載的需要而設(shè)計制造的電機。直流力矩電動機一般做成圓盤狀，電樞長度和直徑之比一般為0.2左右；永磁多極式；槽數(shù)、換向片數(shù)和串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)多。圖1-9直流力矩電動機結(jié)構(gòu)示意圖

1-定子；2-電樞鐵心；3-電樞繞組；4-槽楔；5-電刷；6-刷架第25頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月為什么做成圓盤狀？在電樞電動勢、每極磁通和導(dǎo)體電流相同的條件下，增加導(dǎo)體數(shù)N和極對數(shù)p，能使轉(zhuǎn)速n降低，電磁轉(zhuǎn)矩Te增大。增加電樞直徑，可以使電樞槽面積變大，以便把更多的導(dǎo)體放入槽內(nèi)。同時電樞直徑的增加，使電機定子內(nèi)徑變大，可以放置更多的磁極。

特點電機轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩大，能夠長期在堵轉(zhuǎn)或低速狀態(tài)下運行；反應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動?。粰C械特性和調(diào)節(jié)特性線性度好。1.4.1直流力矩電動機第26頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.2低慣量直流伺服電動機1．杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動機杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動機又稱動圈式直流伺服電動機。

結(jié)構(gòu)杯形電樞繞組是用導(dǎo)線繞在繞線模上，然后用環(huán)氧樹脂定形做成的。杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)外兩側(cè)有內(nèi)外定子構(gòu)成磁路。由于轉(zhuǎn)子內(nèi)外側(cè)都需要有足夠的氣隙，所以氣隙大，磁阻大，磁動勢利用率低。圖1-10杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動機l-內(nèi)磁軛；2-電樞繞組；3-永久磁鋼；4-機殼(磁軛)；5-電刷；6-換向器第27頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月低慣量；靈敏度高，時間常數(shù)很?。ㄗ钚≡?ms以下）；損耗小，效率高；力矩波動小，低速轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，噪音很?。粨Q向性能好，壽命長。

特點杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動機已系列化生產(chǎn)，輸出功率從零點幾瓦至5kW，多用于高精度自動控制系統(tǒng)及測量裝置等設(shè)備中。1.4.2低慣量直流伺服電動機第28頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月2．印制繞組直流伺服電動機

結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子呈薄片圓盤狀，厚度一般為(1.5~2)mm，轉(zhuǎn)子的絕緣基片是環(huán)氧玻璃布膠板。膠合在基片兩側(cè)的銅箔用印刷電路制成雙面電樞繞組，電樞導(dǎo)體還兼作換向片。定子由永久磁鋼和前后盤狀軛鐵組成，軛鐵兼作前后端蓋。組成多極的磁鋼膠合在軛鐵一側(cè)，在電機中形成軸向的平面氣隙。圖1-11印制繞組直流伺服電動機l-后軛鐵(端蓋)；2-永久磁鋼；3-電刷；4-印制繞組；5-機殼；6-前軛鐵(端蓋)1.4.2低慣量直流伺服電動機第29頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

性能特點電機結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低；起動轉(zhuǎn)矩大；力矩波動很小，低速運行穩(wěn)定；換向性能好；電樞轉(zhuǎn)動慣量小，反應(yīng)快，機電時間常數(shù)一般為(10~15)ms。3．無槽電樞直流伺服電動機電樞鐵心是光滑、無槽的圓柱體。電樞繞組敷設(shè)在光滑電樞鐵心表面，用環(huán)氧樹脂固化成型并與鐵心粘結(jié)在一起。氣隙尺寸比普通的直流伺服電動機大10倍以上。

結(jié)構(gòu)

特點

轉(zhuǎn)動慣量低；起動轉(zhuǎn)矩大；反應(yīng)快；低速運行均勻；換向性能良好。目前電機的輸出功率在幾十瓦~10kW，機電時間常數(shù)為(5~10)ms。1.4.2低慣量直流伺服電動機第30頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5直線直流電動機直線直流電動機把直流電壓轉(zhuǎn)換為直線位移或速度。按勵磁方式可分為永磁式和電磁式兩大類。1.永磁式直線直流電動機永磁式直線直流電動機，按照它的結(jié)構(gòu)可分為動圈型和動鐵型兩種。

動圈型的結(jié)構(gòu)與原理

圖1-12動圈型直線永磁直流電動機原理結(jié)構(gòu)圖1-移動線圈；2-永久磁鋼；3-軟鐵永久磁鋼在氣隙中產(chǎn)生磁場，當(dāng)可移動線圈中通入直流電流時，便產(chǎn)生電磁力方向可由左手定則確定，改變直流電流的大小和方向，可改變電磁力的大小和方向。第31頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

動圈型直線直流電機的典型實用結(jié)構(gòu)如圖為平面矩形磁鋼的直線電動機，它結(jié)構(gòu)簡單，但線圈端部沒有得到利用；漏磁通大，即磁鋼未得到充分利用。

圖1-13矩形磁鋼動圈型直線永磁直流電動機1-矩形磁鋼；2-軟鐵；3-移動線圈如圖為環(huán)形磁鋼的直線電動機，其結(jié)構(gòu)主要是圓筒形的，導(dǎo)體的有效長度能得到充分利用。圖1-14環(huán)形磁鋼動圈型直線永磁直流電動機

1-環(huán)形磁鋼；2-圓筒形導(dǎo)磁體；3-移動線圈1.5直線直流電動機第32頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

動鐵型永磁直線直流電動機

圖1-15動鐵型直線永磁直流電動機1-固定線圈；2-電刷；3-永久磁鋼；4-軟鐵動鐵型