直流伺服电动机
伺服电机和直流电机的区别
伺服电机和直流电机的区别
伺服电机和直流电机是工业生产中常用的两种电动机，它们在工作原理、应用
场景、控制方式等方面存在一些区别。
本文将从几个方面详细介绍伺服电机和直流电机的区别。
工作原理
伺服电机是一种能够根据外部输入的控制信号，实现位置、速度、力矩等精确
控制的电动机。
其控制精度较高，通常配备有编码器用于反馈控制。
而直流电机是一种通过直流电流产生旋转力矩的电动机，通常只能实现基本的转速控制。
应用场景
伺服电机主要应用于对精确控制要求较高的系统中，例如机械加工、自动化生
产线等领域。
直流电机则广泛应用于家用电器、电动汽车等场合，其控制简单、成本低廉。
控制方式
伺服电机通过外部的控制器或者PLC等设备进行精确控制，可以实现闭环控制，控制精度高。
而直流电机通常采用PWM调速方式进行控制，控制精度相对较低。
结构特点
伺服电机通常内置有位置传感器或者编码器等装置，用于实时监测电机的位置。
直流电机结构相对简单，无需过多附件传感器。
性能表现
伺服电机在速度响应、位置精度、控制灵活性等方面表现更加出色，适用于对
控制精度要求高的场合。
直流电机则在功率密度、成本等方面具有优势，适用于大量普通驱动的场合。
综上所述，伺服电机和直流电机在工作原理、应用场景、控制方式、结构特点
以及性能表现等方面存在一定的区别，用户在选择电机时应根据具体的需求和应用场景来进行选型。
简述直流伺服电动机的工作原理
简述直流伺服电动机的工作原理直流伺服电动机是一种常见的电机类型，广泛应用于工业自动化控制、机器人、汽车、医疗设备等领域。
本文将简述直流伺服电动机的工作原理，包括电机结构、电机控制系统、编码器反馈系统等方面。
一、电机结构直流伺服电动机的基本结构包括转子、定子、永磁体、电刷等部分。
其中，永磁体是电机的核心部件，它产生磁场，使得电机可以转动。
电刷则起到输送电能的作用，通过与转子接触，将电能传递给转子。
在直流伺服电动机中，转子通过电磁感应原理产生转矩，从而带动负载旋转。
同时，电机控制系统可以通过改变电流的方向和大小来控制电机的转速和转向。
二、电机控制系统直流伺服电动机的控制系统主要包括功率放大器、控制器和编码器反馈系统。
功率放大器是直流伺服电动机的重要组成部分，它负责将控制信号转换为电流信号，并将其提供给电机。
控制器则负责处理控制信号，将其转换为电机可以理解的信号。
编码器反馈系统则用于检测电机的转速和位置，并将其反馈给控制器，从而实现闭环控制。
在控制系统中，控制器通常采用PID控制算法，通过调节控制信号，使得电机的转速和位置达到预定的目标值。
同时，电机的速度和位置可以通过编码器反馈系统进行实时监测和调整，从而保证电机的精准控制。
三、编码器反馈系统编码器反馈系统是直流伺服电动机的重要组成部分，它用于检测电机的转速和位置，并将其反馈给控制器。
编码器通常分为增量式编码器和绝对式编码器两种类型。
增量式编码器可以检测电机的转速和位置变化，但无法确定电机的绝对位置。
绝对式编码器则可以确定电机的绝对位置，但通常比增量式编码器更昂贵。
在编码器反馈系统中，编码器通过检测电机的转子和定子之间的相对位置来确定电机的转速和位置。
控制器可以根据编码器反馈的信息进行实时调整，从而保证电机的精准控制。
四、总结直流伺服电动机是一种重要的电机类型，具有精准控制、高效能、高速度等优点。
其工作原理主要包括电机结构、电机控制系统和编码器反馈系统等方面。
直流伺服电动机
一、直流伺服电动机的结构和分类
直流伺服电动机实质上就是一台他励式直流电动机。
分类： ㈠ 传统型直流伺服电动机：普通型直流伺服电机，分为电
磁式和永磁式两种。 ㈡ 低惯量型直流伺服电动机 ⑴ 盘形电枢直流伺服电动机； ⑵ 空心杯电枢直流伺服电动机； ⑶ 无槽电枢直流伺服电动机。
图7.2.1 盘形电枢直流伺服电动机结构
当转矩为零时，电机转速仅与电枢电压有关，此时的转速
称为理想空载转速。
n
n0
U ke
当转速为零时，电机转矩仅与电枢电压有关，此时的转矩 称为堵转转矩。
U TD Ra kT
直流伺服电动机的机械特性如图7.2.4所示：
图7.2.4 电枢控制的直流伺服电机机械特性
图7.2.5 直流伺服电机调节特系。
图7.2.2 空心杯电枢直流伺服电动机结构
图7.2.3 无槽电枢直流伺服电动机结构
二、直流伺服电动机的运行特性
转速关系式：
n
U ke
Ra kekT
Tem
1、机械特性：指在控制电压保持不变的情况下，直流伺服
电动机的转速n随转矩变化的关系。
n n0 kTem
式中：
n0
U ke
,k
Ra kekT
控制方式：电枢控制和磁极控制，实际中主要采用电枢控制方式。
直流伺服电动机的调节特性如图7.2.5所示。
第一章-直流伺服电机
图1-1 电枢控制原理图
控制方式
2．磁场控制
电枢绕组电压保持不变，变化励磁回路旳电压。若电 动机旳负载转矩不变，当升高励磁电压时，励磁电流 增长，主磁通增长，电机转速就降低；反之，转速升 高。变化励磁电压旳极性，电机转向随之变化。 尽管磁场控制也可到达控制转速大小和旋转方向旳目 旳，但励磁电流和主磁通之间是非线性关系，且伴随 励磁电压旳减小其机械特征变软，调整特征也是非线 性旳，故少用。
1.2.2 运营特征
（2）电枢电压对机械特征旳影响
n0和Tk都与电枢电压成正比，而斜率k则与电枢电压无关。 相应于不同旳电枢电压能够得到一组相互平行旳机械特征曲线。
直流伺服电动机由放大器供电时， 放大器能够等效为一种电动势源 与其内阻串联。内阻使直流伺服 电动机旳机械特征变软。
图 1-3 不同控制电压时旳机械特征
较小、 电枢电阻 Ra 较大、转动惯量 J 较大
时是这种情况。
图1-6 在 4 e m 时, n、ia 旳过渡过程
过渡过程曲线
(2)
当
4 e
m
时，由
p1，.2
1 2 e
1
1 4 e m
， p1 和
p2
两根是共轭复数。
在过渡过程中，转速和电流随时间旳变化是周期性旳。
由e
La Ra
和m
2JRa 60CeCt
2
可知，电枢
电感 La 较大、 电枢电阻 Ra 较小、转动
惯量 J 较小时，就会出现这种振荡现象。
图1-7 在 4 e m 时, n、ia 旳过渡过程
过渡过程曲线
⑶ 当4 e m 时（多数情况满足这一条件）， e 很小能够忽视不计。
于是式
m e
(完整版)《直流伺服电动机》PPT课件
第二章 直流伺服电动机
3.4 直流电动机的使用
3.4.1 直流电动机的启动
启动要求：
①启动时电磁转矩要大，以利于克服启动时阻转矩，包括总
阻转矩
Ts
和惯性转矩J
dΩ dt
。
②启动时电枢电流不要太大，一般把启动电流限制在允许电 流值的 1.5～2 倍以内。
③要求电动机有较小的转动惯量和加速过程中保持足够大的 电磁转矩，以利于缩短启动时间。
第二章 直流伺服电动机
1) 负载为常数时的调节特性
电动机的负载转矩主要是动摩擦转矩TL加上电机本 身的阻转矩T0， 所以电动机的总阻转矩Ts=TL+T0。 在 转速比较低的条件下， 总阻转矩Ts是一个常数。
由式： n Ua TsRa
Ce CeCT 2
表征调节特性两个量
①始动电压——Ua0，是电动机处于待动而未动这种临界状 态时的控制电压。
作为控制信号， 实现电动机的转速控制。
第二章 直流伺服电动机
电枢电压Ua,转速n 以及电磁转矩T 的关系：
Ua
移项后，得到
Cen
TRa
CT
n
Ua Ce
TRa CeCT 2
在稳态时，电动机的电磁转矩与轴上的阻转矩相平衡， 即
T=Ts。所以稳态时，上式可以写成
n
Ua
Ce
Ts Ra
CeCT 2
第二章 直流伺服电动机
第二章 直流伺服电动机
第 3章 直流伺服电动机
3.1 直流电动机 3.2 电磁转矩和转矩平衡方程式 3.4 直流电动机的使用 3.5 直流伺服电动机及其控制方法 3.6 直流伺服电动机的稳态特性 3.9 直流力矩电动机 习题
第二章 直流伺服电动机
第6章 直流伺服电动机
第6章 直流伺服电动机
根据转矩平衡方程式，当负载转矩不变时，电磁
转矩T=CTΦIa不变；又If不变，Φ不变，所以电枢电流Ia 也不变。再由电动机电压平衡方程式Ea=Ua-IaRa可以看
出，由于IaRa不变，感应电势Ea将随Ua的降低而减小；
又Φ不变，故转速要相应减小。若电压改变后的感应电 势、转速、 电流用Ea′、n′、Ia′表示，则Ua′=55 V时的
第6章 直流伺服电动机
第6章 直流伺服电动机
1 直流电动机的工作原理 2 电磁转矩和转矩平衡方程式
3 直流电动机的反电势和电压平衡方程式
4 直流电动机的使用 5 直流伺服电动机及其控制方法 6 直流伺服电动机的稳态特性
第6章 直流伺服电动机
7 直流伺服电动机在过渡过程中的工作状态 8 直流伺服电动机的过渡过程
的方向一致时， 数值为正； 反之， 数值为负。
第6章 直流伺服电动机
由于现在主要研究电机的工作状态， 为了分析简 便， 可先不考虑放大器的内阻， 这时电枢回路的电压 平衡方程式为 Ua1 =Ea1 +Ia1 Ra 式中, Ua1 >Ea1 。
第6章 直流伺服电动机
负载为常数时的调节特性
仍以直流电动机带动天线旋转为例来说明电动机的 调节特性。 在不刮风或风力很小时， 电动机的负载转矩主要是 动摩擦转矩TL加上电机本身的阻转矩T0。 在转速比较低的条件下， 可以认为
动摩擦转矩和转速无关，是不变的。 因此， 总阻转矩Ts 是一个常数。
负载转动惯量的影响当电机在系统中带动负载时其转动惯量应该包括负载通过传动比折合到电动机轴上的转动惯量j放大器内阻的影响当电机是由直流放大器提供控制信号时如同在分析放大器内阻对机械特性的影响一样这时电枢回路的电阻中应包括放大器的内阻r即总的电枢回路电阻为r这样一来电机机电时间常数表示式32可以看出负载惯量越大或放大器内阻越大则机电时间常数亦越大过渡过程的时间就越长
直流伺服电动机工作原理
直流伺服电动机工作原理直流伺服电动机是一种能够通过控制系统来精确控制转速和位置的电动机。
其工作原理可以概括为以下几个步骤：1. 电源供电：直流伺服电动机首先需要通过电源来提供电能。
电源会提供直流电压，通常是以可调节的方式供应。
2. 电动机转子：直流伺服电动机内部有一个转子，它由一组线圈和永磁体组成。
转子可以自由地旋转。
3. 电机驱动器：为了控制电动机的转速和位置，需要一个电机驱动器。
电机驱动器主要由功率放大器和控制电路组成。
控制电路通常接收来自控制系统的信号，并根据信号来调整电机的转速和位置。
4. 控制信号：控制信号可以来自于传感器或控制程序。
传感器可以测量电动机的转速和位置，并将信息传送给控制系统。
控制程序可以根据需求来将电动机的转速和位置设置为特定的数值。
5. 调整电压：根据控制信号，控制电路会调整电机驱动器的输出电压。
输出电压的改变会导致电动机的转速和位置相应地变化。
6. 转矩产生：当电机驱动器输出电压改变时，通过控制线圈通入不同的电流。
电流通过线圈时会在线圈和永磁体之间产生磁场。
根据电流的方向和大小，磁场的极性和强度也会相应改变。
这个磁场会与永磁体的磁场相互作用，产生力矩，进而驱动转子转动。
7. 反馈回路：为了确保电动机的准确控制，通常会设置一个反馈回路。
反馈回路可以监测电动机的实际转速和位置，并将信息反馈给控制系统。
控制系统通过与期望值进行比较，可以及时调整控制信号，从而保持电动机的精确控制。
通过以上的工作原理，直流伺服电动机可以在控制系统的指导下，实现精确的转速和位置控制，广泛应用于机器人、自动化设备和工业生产线等领域。
简述伺服电动机的种类特点及应用
简述伺服电动机的种类特点及应用伺服电动机是一种能够精确控制运动位置、速度和加速度的电动机。
它具有高精度、高速度和高可靠性的特点，广泛应用于工业机械、机器人、自动化设备、医疗设备等领域。
根据结构和控制方式的不同，伺服电动机可以分为直流伺服电动机、交流伺服电动机和步进伺服电动机。
1. 直流伺服电动机：直流伺服电动机是应用最广泛的一种伺服电动机。
它的特点是转矩波动小、动态性能好，可以快速响应外部控制信号，适用于高精度、高速度控制的场合。
直流伺服电动机的控制比较简单，通常采用闭环控制系统，通过编码器反馈信号来实时监测电机转速和位置，进而调整电机的电流和电压。
直流伺服电动机的应用非常广泛，如CNC机床、注塑机、纺织机、纸张机械等工业设备，以及医疗设备、机器人、印刷设备等。
它可以实现高速度、高精度的运动控制，满足不同领域的精确定位和稳定运动需求。
2. 交流伺服电动机：交流伺服电动机逐渐取代直流伺服电动机在某些领域的应用，因为它具有结构简单、体积小、维护方便等优点，同时具备较高的动态性能和较大的功率范围。
交流伺服电动机通常采用矢量控制或矢量直流控制方式，通过闭环反馈控制系统来实现位置和速度的精确控制。
交流伺服电动机的应用范围广泛，如自动化机械、半导体设备、食品包装设备、纺织设备等。
它能够实现高精度、高性能的运动控制，在工业生产过程中提高生产效率和产品质量。
3. 步进伺服电动机：步进伺服电动机是将步进电机与伺服控制器相结合的一种电机。
它具有步进电机的精密定位能力和伺服电机的动态性能，能够实现高精度、高分辨率的位置控制。
步进伺服电动机通过闭环控制系统来保证位置的准确性，通常采用编码器或位置传感器来实时反馈位置信息。
步进伺服电动机广泛应用于自动化设备、医疗设备、印刷设备、纺织设备等领域。
它可用于需要高分辨率、高精度定位的场合，如3D打印机、数控雕刻机、纺织机械等。
总的来说，伺服电动机是一种能够实现高精度、高速度和高可靠性运动控制的电动机。
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无槽电枢直流伺服电动机
工作原理
根据电磁学基本知识可知，载流导 体在磁场中要受到电磁力的作用。如
果导体在磁场中的长度为l, 其中流过 的电流为i，导体所在处的磁通密度为 B，那末导体受到的电磁力的值为 F=Bli
式中， F的单位为牛顿(N)； B的单位 为韦伯/米2(Wb/m2); l的单位为米(m); i的单位为安培(A)； 力F的方向用左
概述
什么是伺服电动机? 在自动控制系统中作执行元件，所以又称执行
电动机。它将电压输入电压信号变换为转轴的角位移 或角速度而输出。输入电压信号又称为控制信号或控 制电压。改变控制电压可以改变伺服电机的转速及转 向。 伺服电机的分类:
交流、直流 伺服电机特点:
1. 宽广的调速范围 2. 机械特性和调节特性均为线性 3.无自转现象 4.快速相应
课程简介
本科程是为适应科学技术的发展及控制 系统的需要而开设的。包括伺服电机、 步进电机、测速电机、旋转变压器、自 整角机、永磁同步电机、开关磁组电机、 直线电机等。掌握基本概念与原理、运 行特性和应用。为了加强上述电机的学 习开设有7个实验。
第一 章 直流伺服电动机
概述 直流伺服电动机 无刷直流电动机 直流力矩电动机（自学） 直流电动机的应用
n = f ( Ua ) |T=C
n Ua Ke
Ra Kt Ke
Tem
U a0
Ra Kt
Tem
n
Ua Ke
Ra Kt Ke
Tem
动态特性
什么是动态特性 直流伺服电机的传递函数 直流伺服电机的时间常数
什么是动态特性
当电枢电压发生突变时，电机转速从一种 稳定状态过渡到另一种稳定状态的过程：
n=f(t) 或 Ω = f(t)
它包括机械和电气两部分 分析方法 拉氏变换
直流伺服电机的传递函数
ua
Raia
La
dia dt
ea
n=f(t) 或 Ω = f(t)
Ra
La
ia ua
SM
ea
Tem
J
d dt
ua
Ra J Kt
d dt
La J Kt
d 2 dt 2
Ke '
(t)
Ua
1
(1 em
电枢电压来控制电机的转速与 转向的方式。 励磁控制法 ：
在低速时受磁饱和的限制， 在高速时受换向火花和换向结 构强度的限制，并励磁线圈电 感较大，动态响应较差，所以 这种方法应用较少。
运行特性
机械特性 调节特性
机械特性
电动机在电枢电压Ua不变时，转速随负载转
矩(或电磁转矩)变化的规律。表征这个规律的 曲线称为电动机的机械特性。
60Ke Kt
2
60
Ra J CeCt 2
该式表明， 机电时间常数与旋转部
分的转动惯量、 电枢回路的电阻成正比。 但当电机在自动控制系统中使用时， 系 统中的放大器和电机所带的负载都影响 到电机的过渡过程， 现分述如下。
1、负载转动惯量的影响
2、放大器内阻的影响
3、磁密的影响
直流伺服电机的时间常数
如果把Ea=CeΦn代入上式， 便可得出电 枢电流Ia的表示式:
Ia
Ua Ea Ra
Ua Cen
Ra
直流电动机的电枢电流不仅取决于外加电压 和本身的内阻， 而且还取决于与转速成正比的
反电势(当Φ=常数时)。
n Ua Ia Ra
Ce
控制方式
n Ua Ia Ra
Ce
电枢控制： 当励磁电压一定时，改变
n = f ( T ) |Ua=C
Ua Ea Ia Ra
Ea Cen Ken Tem CtIa Kt Ia
n Ua Ke
Ra Kt Ke
Tem
n
Ua Ke
Ra Kt Ke
Tem
n0
kTem
n
Ua Ke
Ra Kt Ke
Tem
Hale Waihona Puke n0kTem调节特性
在自动控制系统中， 为了控制伺服电动机的转速， 就需要知道电动机在带了负载以后， 转速随控制信 号变化的情况。 也就是要知道， 电动机在带了负 载以后， 加多大的控制信号， 电动机能转动起来； 加上某一大小的控制信号时， 电动机的转速为多少。 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。
手定则来确定。
电磁转矩
磁极下一根载流导体所受到的电磁力。 此力作 用在电枢外圆的切线方向， 产生的转矩为：
ti
Fi
D 2
Bxlia
D 2
N
N
T ti
i 1
1
Bxlia
D 2
NBplia
D 2
T
N
2 p Dl
l
Ia 2a
D 2
pN
2a
I
a
T GTIa
式中， Bp用每极总磁通Φ表示， Bp=Φ/(τl), 其中τ为极距， τ=πD/(2p), l为电枢铁心长； 导体电流ia用电枢总电流Ia表示， ia=Ia/(2a), 其中a为并联支路对数
由于机电时间常数表示了电机过渡过程 时间的长短， 反映了电机转速追随信号 变化的快慢程度， 所以是伺服电动机一 项重要的动态性能指标。 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10 ms以下， 其中空心杯电枢永磁直流伺服电动机的 机电时间常数可小到 2-3 ms。
直流伺服电动机
结构与分类 工作原理 控制方式 运行特性 动态特性
结构与分类
直流伺服电机本质是它励直流电机 传统型
永磁（SY）、电磁式（SZ） 低惯量
1、盘型电枢直流伺服电动机 2、空心杯点枢直流伺服电动机（SYK） 3、无槽电枢直流伺服电动机(SWC)
盘型电枢直流伺服电动机
空心杯点枢直流伺服电动机
直流电动机的反电势和电压平衡方程式
电枢导体切割磁通，产生感应电势的情形完全一样。
所以电动机电刷两端感应电势Ea的公式也相同， 即
Ea=CeΦn
式中， n为电枢转速； Φ为每极总磁通。
Ua=Ea+IaRa 上式称为直流电动机的电压平衡方 程式。 它表示外加电压与反电势 及电枢内阻压降相平衡。 或者说， 外加电压一部分用来抵消反电势， 一部分消耗在电枢内阻压降上。
Ke '
)
1
0 (1 em
)
2
60Ke
ua
me
d2 dt 2
m
d dt
U
a
(s)
Ua s
直流伺服电机的时间常数
(t)
Ua
1
(1 em
Ke '
)
1
0 (1 em
)
2 Ua
m
2 Ra J
60Ke Kt
J
60 Ua Ra
Ke Kt
J
0 Tk
m
2 JRa
60CeCT 2
直流伺服电机的时间常数
m
2 Ra J