第一章直流伺服电机
直流伺服电动机的分类
直流伺服电动机的分类
直流伺服电动机具有良好的启动、制动和调速特性，可以便利地在较宽的范围内实现平滑无级调速，故其常用在对伺服电动机的调速性能要求较高的设备中。
直流伺服电动机依据磁场励磁的方式不同，可以分为它励式、永磁式、并励式、串励式、复励式五种；按结构来分，可以分为电枢式、无槽电枢式、印刷电枢式、空心杯电枢式等；按转速的凹凸可分为两大类，高速直流伺服电动机和低速大扭矩宽调速电动机。
1.高速直流伺服电动机
高速直流伺服电动机又可分为一般直流伺服电动机和高性能直流伺服电动机。
一般高速它励式直流伺服电动机的应用历史最长，但是，这种电动机的转矩-惯量比很小，不能适应现代伺服掌握技术进展的要求。
2.低速大扭矩宽调速电动机
低速大扭矩宽调速电动机又称为直流力矩电机，由于它的转子直径较大，线圈绕组多，所以力矩大，转矩—惯量比高，热容量高，能长时间过载，不需要中间传动装置就可以直联丝杠工作；并且，由于没有励磁回路的损耗，它的形状尺寸比其它直流伺服电机小。
另外，低速大扭矩宽调速电动机还有一个重要的特点：低速特性好，能够在较低的速度下平稳运行，最低速可以达到1r/min，甚至达到0.1r/min。
1。
伺服电机知识汇总(直流-交流伺服电机)
伺服电机知识汇总（直流/交流伺服电机）伺服电机servomotor“伺服”一词源于希腊语“奴隶”的意思。
“伺服电机”可以理解为绝对服从控制信号指挥的电机：在控制信号发出之前，转子静止不动;当控制信号发出时，转子立即转动;当控制信号消失时，转子能即时停转。
伺服电机是自动控制装置中被用作执行元件的微特电机，其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度。
伺服电机分为交流伺服和直流伺服两大类交流伺服电机的基本构造与交流感应电动机(异步电机)相似。
在定子上有两个相空间位移90°电角度的励磁绕组Wf和控制绕组WcoWf，接恒定交流电压，利用施加到Wc上的交流电压或相位的变化，达到控制电机运行的目的。
交流伺服电机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格(要求分别小于10%～15%和小于15%～25%)等特点。
直流伺服电机基本构造与一般直流电动机相似。
电机转速n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j，式中E 为电枢反电动势，K为常数，j为每极磁通，Ua、Ia为电枢电压和电枢电流，Ra为电枢电阻，改变Ua或改变φ，均可控制直流伺服电动机的转速，但一般采用控制电枢电压的方法，在永磁式直流伺服电动机中，励磁绕组被永久磁铁所取代，磁通φ恒定。
直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。
直流伺服电机的优点和缺点优点：速度控制精确，转矩速度特性很硬，控制原理简单，使用方便，价格便宜。
缺点：电刷换向，速度限制，附加阻力，产生磨损微粒(无尘易爆环境不宜)交流伺服电机的优点和缺点优点：速度控制特性良好，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡，90%以上的高效率，发热少，高速控制，高精确度位置控制(取决于编码器精度)，额定运行区域内，可。
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
伺服电机的种类特点及应用
伺服电机的种类特点及应用伺服电机是一种能够根据控制信号准确地控制角度、位置或速度的电动机。
它通过内置的位置、速度或力传感器以及反馈控制系统，可以实现精确定位、快速响应和稳定控制。
伺服电机在工业自动化、机器人、航空航天、医疗设备等领域有着广泛的应用。
根据不同的控制方式和结构特点，伺服电机可以分为直流伺服电机、交流伺服电机和步进伺服电机。
1. 直流伺服电机直流伺服电机是最常见和应用最广泛的伺服电机之一。
它具有结构简单、响应速度快、转矩规模广等特点。
直流伺服电机通常由直流电机、编码器、功率放大器等组成。
它可以通过调整功率放大器的电压或电流，实现对电机转矩的精确控制。
直流伺服电机被广泛应用于工业自动化、机器人、航空航天等领域。
2. 交流伺服电机交流伺服电机是一种使用交流电作为动力源，通过电子器件来控制电机的转速和位置的伺服电机。
它具有高效能、性能稳定等特点。
交流伺服电机通常由交流电机、编码器、位置控制器等组成。
它可以通过位置控制器控制电机的输出位置、并通过编码器进行位置反馈，实现高精度的位置控制。
交流伺服电机被广泛应用于工业自动化、机器人、数控机床等领域。
步进伺服电机是一种通过控制信号使电机按固定的步距转动的伺服电机。
它具有结构简单、定位精度高、价格低廉等特点。
步进伺服电机通常由步进电机、驱动器、编码器等组成。
它不需要反馈传感器就能够实现准确定位控制，并且能够在断电后保持当前位置。
步进伺服电机被广泛应用于数控机床、印刷机械、标志设备等需要精确定位的领域。
除了上述分类外，还可以根据控制方式将伺服电机分为位置伺服电机、速度伺服电机和力矩伺服电机。
1. 位置伺服电机位置伺服电机是一种能够精确控制电机位置的伺服电机。
通过位置反馈传感器，可以实时监测电机位置，并通过控制器对电机的控制信号进行调节，使电机按照预定位置运动。
位置伺服电机广泛应用于需要精确定位的场合，如机床、自动化生产线等。
2. 速度伺服电机速度伺服电机是一种能够精确控制电机转速的伺服电机。
直流(DC)与交流(AC)伺服电机及驱动
目录直流（DC）与交流（AC）伺服电机及驱动 (1)1.直流(DC)伺服电机及其驱动 (1)（1）直流伺服电机的特性及选用 (1)（2）直流伺服电机与驱动 (2)（3）PWM直流调速驱动系统原理 (3)2.交流(AC)伺服电机及其驱动 (4)直流（DC）与交流（AC）伺服电机及驱动1.直流(DC)伺服电机及其驱动（1）直流伺服电机的特性及选用直流伺服电机通过电刷和换向器产生的整流作用，使磁场磁动势和电枢电流磁动势正交，从而产生转矩。
其电枢大多为永久磁铁。
直流伺服电机具有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性等优点。
但由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需要定期维修。
20世纪60年代研制出了小惯量直流伺服电机，其电枢无槽，绕组直接粘接固定在电枢铁心上，因而转动惯量小、反应灵敏、动态特性好，适用于高速且负载惯量较小的场合，否则需根据其具体的惯量比设置精密齿轮副才能与负载惯量匹配，增加了成本。
直流印刷电枢电动机是一种盘形伺服电机，电枢由导电板的切口成形，导体的线圈端部起换向器作用，这种空心式高性能伺服电机大多用于工业机器人、小型NC机床及线切割机床上。
宽调速直流伺服电机的结构特点是励磁便于调整，易于安排补偿绕组和换向极，电动机的换向性能得到改善，成本低，可以在较宽的速度范围内得到恒转速特性。
永久磁铁的宽调速直流伺服电机的结构如下图所示。
有不带制动器a和带制动器b两种结构。
电动机定子(磁钢)1采用矫顽力高、不易去磁的永磁材料(如铁氧体永久磁铁)、转子(电枢)2直径大并且有槽，因而热容量大，结构上又采用了通常凸极式和隐极式永磁电动机磁路的组合，提高了电动机气隙磁通密度。
同时，在电动机尾部装有高精密低纹波的测速发电机，并可加装光电编码器或旋转变压器及制动器，为速度环提供了较高的增量，能获得优良的低速刚度和动态性能。
日本发那科(FANUC)公司生产的用于工业机器人、CNC机床、加工中心(MC)的L系列(低惯量系列)、M系列(中惯量系列)和H系列(大惯量系列直流伺服电机）。
直流电动机伺服系统概述
6.4 直 流 电 动 机伺 服系统
1)静态特性
一般励磁式直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上，由励
磁绕组和磁极建立磁场，电枢绕组作为通电导体切割磁力线，产生电
磁转矩，转矩的大小正比于电机中气隙磁场和电枢电流，电磁转矩由
下式表示:
T CT Ia
(6-4)
式中：CT－转矩常数；
φ－磁场磁通；
在改变转速时，要求在速度指令发出后，电动机的转速能以最 大的加减速度达到新的指令速度值，在速度指令值不变时，要求电 动机速度保持恒定。直流伺服电动机的机械特性比较软，在外加电 压不变时，电动机的转速随负载的变化而变化。对电动机的调速， 要求在负载变化时或电动机驱动电源电压波动时保持电动机的转速 稳定不变。
6.4 直 流 电 动 机伺 服系统
1. SCR系统的组成 SCR调速系统组成框图如图6-29所示。 1）控制回路：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。 2）主回路：可控硅整流放大器等。 3）速度环：速度调节。作用：好的静态、动态特性。 4）电流环：电流调节。作用：加快响应，启动、低频稳定等。 5）触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。 6）可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电动机转动。
2. 性能特点与特性曲线 普通型大惯量宽调速永磁直流伺服电机的工作原理与一般励磁式
直流电机基本相同，但磁场的建立由永久磁铁实现，当电流通过电枢 绕组时，电流与磁场相互作用，产生感应电势、电磁力和电磁转矩， 使电枢旋转。永磁直流伺服电机特性原则上与一般直流电机相同，但 有很大的改进和变化，已不能简单的用电压、电流、转矩等参数来描 述，需用数据表和特性曲线来描述，使用时要查阅这些表和特性曲线 。
(6-6)
Ua Ce
直流伺服电机实验报告
直流伺服电机实验报告直流伺服电机实验报告引言：直流伺服电机是一种常见的电动机类型，广泛应用于工业自动化、机械控制和航空航天等领域。
本实验旨在通过对直流伺服电机的测试和分析，了解其性能特点和控制原理。
一、实验目的本实验的主要目的是：1. 理解直流伺服电机的基本原理和工作方式；2. 测试直流伺服电机的性能参数，如转速、转矩和响应时间等；3. 掌握直流伺服电机的控制方法，如位置控制和速度控制。
二、实验装置与步骤1. 实验装置：本实验使用的实验装置包括直流伺服电机、电源、电压表、电流表、转速表和控制器等。
2. 实验步骤：（1）接线：按照实验装置的接线图连接电源、电机和测量仪器。
（2）电机参数测量：通过改变电压和电流的大小，测量直流伺服电机的转速和转矩特性。
（3）控制方法测试：使用控制器对直流伺服电机进行位置控制和速度控制，观察并记录控制效果。
三、实验结果与分析1. 电机参数测量结果：通过改变电压和电流的大小，测量了直流伺服电机在不同工作条件下的转速和转矩。
结果显示，随着电压和电流的增加，电机的转速和转矩也随之增加。
这说明直流伺服电机的性能受电压和电流的影响较大。
2. 控制方法测试结果：通过控制器对直流伺服电机进行位置控制和速度控制，观察了电机的响应时间和控制效果。
结果显示，直流伺服电机对位置控制和速度控制的响应时间较短，控制效果较好。
这说明直流伺服电机具有较高的控制精度和灵敏度。
四、实验结论通过本实验，我们对直流伺服电机的性能特点和控制原理有了更深入的了解。
实验结果表明，直流伺服电机具有较高的转速和转矩，且对位置控制和速度控制具有较好的响应性能。
这使得直流伺服电机在工业自动化和机械控制领域有着广泛的应用前景。
五、实验心得通过本次实验，我深入学习了直流伺服电机的工作原理和控制方法。
在实验过程中，我不仅掌握了实验装置的使用方法，还学会了如何测量和分析电机的性能参数。
这对我今后从事相关领域的研究和工作具有重要意义。
并激式直流伺服电机项目实施方案
第一章概论一、项目概况（一）项目名称并激式直流伺服电机项目（二）项目选址某某经济园区项目建设区域以城市总体规划为依据，布局相对独立，便于集中开展科研、生产经营和管理活动，并且统筹考虑用地与城市发展的关系，与项目建设地的建成区有较方便的联系。
（三）项目用地规模项目总用地面积47236.94平方米（折合约70.82亩）。
（四）项目用地控制指标该工程规划建筑系数53.18%，建筑容积率1.32，建设区域绿化覆盖率6.43%，固定资产投资强度182.02万元/亩。
（五）土建工程指标项目净用地面积47236.94平方米，建筑物基底占地面积25120.60平方米，总建筑面积62352.76平方米，其中：规划建设主体工程39973.01平方米，项目规划绿化面积4006.85平方米。
（六）设备选型方案项目计划购置设备共计132台（套），设备购置费3651.46万元。
（七）节能分析1、项目年用电量1008043.37千瓦时，折合123.89吨标准煤。
2、项目年总用水量38940.98立方米，折合3.33吨标准煤。
3、“并激式直流伺服电机项目投资建设项目”，年用电量1008043.37千瓦时，年总用水量38940.98立方米，项目年综合总耗能量（当量值）127.22吨标准煤/年。
达产年综合节能量51.96吨标准煤/年，项目总节能率24.19%，能源利用效果良好。
（八）环境保护项目符合某某经济园区发展规划，符合某某经济园区产业结构调整规划和国家的产业发展政策；对产生的各类污染物都采取了切实可行的治理措施，严格控制在国家规定的排放标准内，项目建设不会对区域生态环境产生明显的影响。
（九）项目总投资及资金构成项目预计总投资17604.47万元，其中：固定资产投资12890.66万元，占项目总投资的73.22%；流动资金4713.81万元，占项目总投资的26.78%。
（十）资金筹措该项目现阶段投资均由企业自筹。
（十一）项目预期经济效益规划目标预期达产年营业收入42277.00万元，总成本费用32241.16万元，税金及附加355.06万元，利润总额10035.84万元，利税总额11775.15万元，税后净利润7526.88万元，达产年纳税总额4248.27万元；达产年投资利润率57.01%，投资利税率66.89%，投资回报率42.76%，全部投资回收期3.84年，提供就业职位851个。
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2、直流伺服电机的动态特性
Tem(t) CtIa (t)
Ea
(t)
60
2
Ce(t)
d(t)
Tem(t) J dt Tc (t)
Ua
(t)
La
dIa (t) dt
Ra Ia (t)
Ea (t)
电力工程技术（china-dianli）
24
第三节 直流伺服电机的特性
2、直流伺服电机的动态特性
经拉氏变换整理得：
磁路饱和、换向困难
2）半个极下磁通的增加值，将小于另半个极下磁通的减 小值，总的气隙磁通将有所减小，这就是电枢磁场的去磁 作用。
影响不大，但是降低电机的工作效率。
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第一节 直流伺服电机工作原理
2、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向
电力工程技术（china-dianli）
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第一节 直流伺服电机工作原理
2、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向
减小和消除换向火花的方法：
1）移动电刷法。将直流电动机的电刷从几何中性面开始， 逆的着角电度枢大旋于电转物力方理工向中程移性技动面术电的（刷偏c，移hi使角na换。-d向ian火li花）最小为止，移动 2）附加换向磁极法。在几何中性面处设置附加的换向磁 极，它的激磁绕组与电枢绕组串联，换向极的磁场方向必 须与电枢磁场的方向相反。 3）选用合适电刷法。
直流电动机磁场分析：
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第一节 直流伺服电机工作原理
2、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向
电枢反应的两个重要影响：
1）气隙磁场发生扭斜，气隙合成磁场的物理中性面将逆 着电动机旋转方向转过一个角度，物理中性面与几何中性 面不再重合。
电力工程技术（china-dianli）
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第三节 直流伺服电机的特性
2、直流伺服电机的动态特性
影响 m 的主要因素：
（1）负载转动惯量的影响：
J=Jm+JL′ JL′——负载折算转动惯量
（2）电枢回路电阻的影响：
Ra′=Ra+Ri Ri ——电源（放大器）内阻
（3）机械特性硬度的影响： n/T－机械特性的斜率
T em T 0 T L J
d
dt
T 0
T L
G
D2
375
dn dt
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第三节 直流伺服电机的特性
电势动态平衡方程式:
Ua
La
di a
dt
i a
Ra
E a
电势稳态平衡方程式:
U a I a Ra Ea
转矩稳态平衡方程式:
T em T 0 T L
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电力工程技术（china-dianli）
2020/7/30
电力工程技术（china-di教学要求：
掌握直流伺服电机结构、分类和作用等概念； 理解直流伺服电机工作原理； 掌握直流伺服电机的静态特性； 了解直流伺服电机的动态特性（关注机电时间常数
的作用）； 理解无刷直流电动机与普通直流伺服电机的区别。
20
第三节 直流伺服电机的特性
1、直流伺服电机的静态特性:电枢控制
机械(调节)特性方程式 :
n
1）机械特性：
Ua Ct
T R em
a
2
Ce Ct
Ua一定时，
n=f (Tem )
转速与转矩的关系
电力工程技术（china-dianli）
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第三节 直流伺服电机的特性
1、直流伺服电机的静态特性:电枢控制
PWM驱动装置控制原理 图
电力工程技术（china-dianli）
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第四节 直流伺服电机控制
PWM控制电路功能方框 图
电力工程技术（china-dianli）
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第四节 直流伺服电机控制
电压 命令
速度调节器
电流调节器
功率放大器
M
电力工程技术（china-d电ia流n反li馈）
速度反馈
T
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2.调节特性： Tem一定时，n=f (Ua )
电力工程技术（china-dianli） 转速与控制量（如电 压）的关系
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第三节 直流伺服电机的特性
1、直流伺服电机的静态特性:电枢控制
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第三节 直流伺服电机的特性
电力工程技术（china-dianli）
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第二节 直流伺服电机的结构
传统直流伺服电机和直流电机工作原理、结构和基本 特征没有原则区别，但是在结构和性能上做了一些改 进，具有如下特点：
1、采用细长的电枢以便降低转动惯量，其惯量大约是普通直 流电动机的1/3～1/2。 2、具有优良的换向性能，在大的峰值电流冲击之下仍能确保 良好的换向条件，因此具有大的瞬时电流和瞬时转矩。 3、机械强度高，能够承受住巨大的加速度造成的冲击力作用。
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2
本章教学:
二、教学时间安排：4学时 三、主要内容：
• 第一节 直流伺服电机工作原理 • 第二节 直流伺服电机的结构 • 第三节 直流伺服电机的特性 • 第四节 直流伺服电机控制 本章重点：直流伺服电机工作原理和静态特性； 本章难点：直流伺服电机的动态特性。
电力工程技术（china-dianli）
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第四节 直流伺服电机控制
电枢控制，输入量是电枢电压（或电流）。 磁场控制，输入量是磁通，激磁电流或电压
电力工程技术（china-dianli）
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第四节 直流伺服电机控制
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第四节 直流伺服电机控制
电力工程技术（china-dianli）
4、电刷一般都安放在几何中型面上，以确保正反转特性对称。
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第二节 直流伺服电机的结构
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第二节 直流伺服电机的结构
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第二节 直流伺服电机的结构
低惯量直流伺服电机
无槽电枢
- Ea (s)
Te (s)
-
1 Ia (s) Ra La s
Ct Tem(s)
T (s) 1 Js
60Ce 2
(s)
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第三节 直流伺服电机的特性
2、直流伺服电机的动态特性
当Te=0时，传递函数为：
(s) 2 (60Ce)
1 Ke
U (s) m es2 ms 1 m es2 ms 1
• 定子：磁场—永磁体
• 转子：电枢绕组
• 换向：换向器与碳刷
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第一节 直流伺服电机工作原理
1、直流伺服电动机基本原理
定子结构
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6
第一节 直流伺服电机工作原理
1、直流伺服电动机基本原理
电力工程技术（china-dianli）
盘式电枢
空心杯电枢
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第二节 直流伺服电机的结构
宽调速直流伺服电机
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电力工程技术（china-dianli）
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第三节 直流伺服电机的特性
转矩：
T em
Ct
I a
K t
Ia
电势：
E a C e n K e
转矩平衡方程式：
(s)
1 Js
(Tem ( s)
Tc (s))
Tem(s) CtIa (s)
Ia (s)
1 Las
Ra
(U a
(s)
Ea
(s))
Ea
(s)
60
2
Ce ( s)
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第三节 直流伺服电机的特性
2、直流伺服电机的动态特性
按以上各式可建立动态方框图：
Ua (s)
转子结构
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第一节 直流伺服电机工作原理
1、直流伺服电动机基本原理
换向装置
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第一节 直流伺服电机工作原理
1、直流伺服电动机基本原理
电力工程技术（china-dianli）
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第一节 直流伺服电机工作原理
2、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向
(s) 2 (60Ce)
1 Ke
U (s) ( ms 1)( es 1) ( ms 1)( es 1)
当 e很小，1 e 远远超过了控制系统通频带时，直流电动
机的传递函数可以简化为：
(s) 2 (60Ce) 1 Ke U (s) ms 1 ms 1 同理可得： (s) 2 (60Ce) 1 Ke U (s) s( ms 1) s( ms 1)
四、教学过程：
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3
第一节 直流伺服电机工作原理
1、直流伺服电动机基本原理
电力工程技术（china-dianli）
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第一节 直流伺服电机工作原理
1、直流伺服电动机基本原理 • 加于直流电机的直流电源，借助于换向器和电刷的 作用，使直流电机电枢线圈流过的电流，方向是交 变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变， 确保直流电机朝确定的方向连续旋转。