直流伺服电动机

第二章直流伺服电动机直流伺服电动机是自动控制系统中具有特殊用途的直流电动机，又称执行电机，它能够把输入的电压 信号变换成轴上的角位移和角速度等机械信号。

直流伺服电动机的工作原理、基本结构及内部电磁关系与 一般用途的直流电动机相同。

第一节直流电动机一、 直流电动机的基本工作原理直流电动机的基本结构与直流发电机相同。

电动机输入电压信号，输出转速信号。

二、 电磁转矩和转矩平衡方程pN1、电磁转矩T emI a = C T 尬I a2na对于一个已经制造好的电机，它的电磁转矩 T em 正比于每极磁通 叮」和电枢电流l a 。

称为电动机稳态转矩平衡方程。

3、动态转矩平衡方程当电机的转速发生改变时，由于电机及负载具有转动惯量，将产生惯性转矩J 负载和电动机转动部分的转动惯量;电动势平衡方程2、稳态转矩平衡方程Tem = T2T0 = T L此时，电动机轴上的动态转矩平衡方程为,d'J二 J ----dt直流电动机电动势平衡方程U =E a l a R a电枢电流的表达式U -E aR aU _C e ：」nR电动机的机械特性R an2T em 二 n 0 C e ①CeG ①2-'T em四、直流电动机的起动和调速1 •起动：起动电流大：1st =l a_ U -R a由于R a 不大，所以起动电流可能达到额定电流的十几倍。

为了限 制起动电流，一般采用在电枢回路中串联起动电阻 R st 的方法。

一般把起动电流限制在额定电流的1.5~2倍以内，保证有足够的起动转矩。

对于自动控制系统中使用的直流电动机，功率只有几百瓦，由于电 枢电阻比较大，其起动电流不超过额定电流的5~6倍，加上其转动惯量较小，转速上升快，起动时间短,所以可以直接起动，而且起动电流大，起动转矩也大，这正是控制系统所希望的。

U fU图2-2直流电动机的电枢回路为了获得较大的起动转矩，励磁磁通应为最大，因此电机起动时，励磁回路的调节电阻必须短接，并在励磁绕组两端加上额定励磁电压。

2.调速：U -l a R a n 二C e①调速的方法有三种：（1）改变电源电压U调速；（2）在电枢回路串联电阻R s调速；（3）调节励磁回路电阻R C f （改变磁通①）调速。

下面分析转矩、电流和转速等物理量的稳态值在调速前后的变化。

1）电枢回路串联电阻R s调速电枢回路串联的电阻越大，转速越低。

电枢回路串联电阻调速：损耗较大，效率较低。

当轻载时，电枢电流较小，串联电阻后，转速变化不大。

但是，这种调速方法设备比较简单。

2）降低电源电压调速电源电压越低，转速越低。

这种调速方法，可以实现平滑无级调速，但需要附加调压设备。

3）改变励磁回路电阻R Cf调速励磁回路串联的电阻R C f越大，转速越高。

（1 ）容易控制：励磁电流只有电枢额定电流的百分之几，所以调节电阻的容量小，铜耗也小，而且容易控制；（2）调速的快速性较差：励磁回路电感比电枢回路大，电气时间常数较大。

（3 ）转速只能升高：励磁回路串联电阻只能使励磁电流减小。

（4 ）改变磁通（弱磁）调速时，必须降低负载转矩：由于T e m=C T「l a，若电机拖动恒转矩负载,重新稳定后，因磁通门减弱，所以电流l a增大，将超过原来的额定值，这是不允许的，因此，在要求调速范围大的场合，几种调速方法总是同时兼用。

当电源电压可调时，利用降压降低转速，利用增加励磁回路电阻增大转速。

当电源电压恒定时，则利用增加电枢回路电阻降低转速，利用增加励磁回路电阻增大转速。

需要注意的是，对电动机的励磁绕组，若起动前就断开，则电动机由于起动转矩小而不能起动。

如果在运行过程中断开，则相当于励磁回路串联的电阻R C f 一；卍，电机转速大大超过额定转速，电机发出尖锐的噪声，出现“飞车”事故。

第二节直流伺服电动机的控制方法和运行特性伺服电动机分直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。

伺服电机的最大特点是可控性。

伺服系统一般有三种基本控制方式：位置控制、速度控制和力矩控制。

直流伺服电动机通常应用于功率较大的自控系统中，输出功率一般为1~600W，也有的达数kW，其电压分为：6、9、12、24、27、48、110、220V。

一、直流伺服电动机的分类直流伺服电动机的控制电源为直流电压，分普通直流伺服电动机、盘形电枢直流伺服电机、空心杯直流伺服电机和无槽直流伺服电机等。

普通直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种基本结构类型。

电磁式又分为他励、并励、串励和复励四种，永磁式可看作是他励式。

二、直流伺服电动机的控制方法直流伺服电动机工作原理与一般的直流电动机相同。

机械特性的线性度越好，系统的动态误差就越小。

硬特性转矩的变化对转速的影响比软特性为好，易于控制，这正是自动控制所需的。

在不同电压下，机械特性为一组平行线。

特性曲线的斜率与U无关。

电枢回路电阻R a越小，机械特性越硬，2、调节特性(控制特性)电机的转速与电枢电压的关系n f (U )称为电动机的调节特性或控制特性。

1)负载为常数时的调节特性在励磁不变、负载转矩恒定时，由机械特性表达式可知R aC e①C e C T ①2em又T em 二T2 , T o当负载转矩T2一定(且认为T o恒定)时，电动机的调节特性n = f (U )的关系曲线是一直线，斜率1为k 。

当n = o时,C e①=U oT em R aC T①控制方式有改变电枢电压的电枢控制和改变磁通的磁场控制两种。

电枢控制具有机械特性和控制特性线性度好，而且特性曲线为一组平行线，空载损耗较小，控制回路电感小，响应迅速等优点，所以自动控制系统中多采用电枢控制。

磁场控制只用于小功率电机。

下面只叙述电枢控制。

把电枢电压U作为控制信号，实现电动机的转速控制，这就是电枢控制方法。

电枢控制的物理过程：当T2 T o 和口①不变时，增大U，由于电机有惯性，转速不变化，E a暂时不变化，l a增大，使T em增加,由于阻转矩T2 T o不变，则T em>T? T o, n升高，E a随着增大,止，此时电机转速变为n2。

电压U降低时，转速n下降的过程相同。

当电压U极性改变时，电枢电流I a及电磁转矩T em的方向改变，电动机的转向改变。

三、直流伺服电动机的运行特性1、机械特性在电枢电压U不变的情况下，直流伺服电动机的转速随转矩的变化关系n = f (T em)，称为电动机的机械特性：n U- .T em 二n o 一：TemC e ①C e C T -2I a和T em减小，直到T em = T2 T o时为n =0时的电磁转矩T em二T d称为堵转转矩UT d C T①，n0、T d大小与电源电压成正比。

R an o和T d都与U成正比,R a越大，机械特性越软。

图2-9不同控制电压时直流伺服电动机的机械特性图2-10直流伺服电动机的调节特性3U : Uo , T em <T L , n = 0。

U =U^T CmRa, T em 二T L ，电动机处于从静止到转动的临界状态, C T ①UT Ru Uo , no 电压Uo 称为电动机的死区，或称为始动电压，"C T ①芝，所以U o 二聶当U U 0时，转速随电压线性变化。

控制特性的线性度越好，系统的动态误差越小。

2) 可变负载时的调节特性在自控系统中，电动机的负载多数情况下是不随转速改变的，但是也有可变负载。

例如，当负载转矩 是由空气摩擦造成的阻转矩时，则转矩随转速增加而增大，并且转速越高，转矩增加得越快，转矩随转速 变化的大致情况 如图2-12所示。

在变负载的情况下，调节特性不再是一条直线。

这是因为在不同转速时，由于阻转矩 T L 不同，相应的I a 也不同。

当U 改变时，I a R a 不再保持为常数，因此 加，负载转矩增量越来越大， I a R a 增量也越来越 大，E a 增量却越来越小，E a 尤n ，所以随着控制信号的增加，转速增量越来越小， 这样U 和n 的关 系如图2-13所示，不再是一条直线。

当然曲线n = f (U)的具体形状还与负载特性 n = f (T L )的形状有关，但是总的趋势是一致的。

实际工作中，常常用实验的方法直接测出电动机的调节特性， 此时电动机与负载配合， 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U 变化的曲线，就是带有放大器的直流伺服 电动机的调节特性曲线。

3) 直流伺服电动机低转速运转时的不稳定性从直流伺服电动机的理想调节特性来看，只要控制电压足够大(大于始动电压)时，电机就可以在很 低的转速下运行，但实际上，当电动机工作在几转每分钟到几十转每分钟的范围内时，其转速就不均匀， 出现时快、时慢、甚至暂停一下的现象， 这种现象称为直流伺服电动机低速运转的不稳定性，产生的原因:(1)低速时，反电动势平均值不大，因而齿槽效应等原因造成的电动势脉动的影响将增大，导致电 磁转矩波动比较明显。

(2)低速时，控制电压值很小，电刷和换向器之间的接触电压的不稳定性的影响增大，导致电磁转 矩不稳定性增大。

始动电压与电动机的阻转矩、负载转矩有关。

始动电压不同，但调节特性的斜率不变，对应不同负载转矩，可得到一组 相互平行的调节特性曲线。

与始动电压相对应的电枢电流| T La0电枢电压小于始动电压时，电机不能起动；当电源电压超过始动电压时, 电机开始旋转。

当负载转矩为恒值时，无论电动机的转速有多大， 变，此时电动势方程I a0总是不U-E a1a0Ra ~ E aU0 - C e^n UE a 的变化不再与u 的变化成正比。

随着转速增图 2 ：：2-11直流伺服电动机的调节特性曲线组图2-12空气阻转矩与转速的 图2-13可变负载时的调节特（3）低速时，电刷和换向器之间的摩擦转矩的不稳定性，造成电机本身阻转矩的不稳定，导致输出 转矩不稳定。

直流伺服电动机低速运转的不稳定性将在控制系统中造成误差， 必须在控制线路中采取措施使其转速均匀；或选用低速稳定性好的直流力矩电动机或低惯量直流电动机。

3、直流伺服电动机在过渡过程中的工作状态设一台电动机以n i 旋转，U i 、E ai 、I a1及厲的方向如图所示，数值为正，反之为负。

这时，U 1 = Eal ■ I al R a ， U 1 ■ E a1。

1 ）、发电机工作状态 如果要求电动机的转速下降到 n 2，则控制系统 加到电动机的控制电压要立即下降到U 2。

由于电机本身和负载具有转动惯量，转速不能马上下降，反 电动势仍为E a1，由于电压已发生变化，电枢电流如果此时U 2 ::: E a1，则l a2为负值，电磁转矩方向改变，与转速方向相反，为制动性质，电机处于发 电机状态。

由于电磁转矩作用，电机转速迅速下降，电动势E a1下降，当小于U 2时,到转速下降到 压时，电机重新稳定。