直流伺服电机专题讲解(最新版)

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1.2.2 运行特性
• （1）n0、Te、k的物理意义
堵转转矩Tk：Tk是转速n=0时的电磁转矩。
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1.2.2 运行特性
• （1）n0、Te、k的物理意义
n Ua TR e a 2 n0 kTe C e C e C t
机械特性的斜率k ：斜率k前面的负号表示直线是下倾
的。斜率k的大小直接表示了电动机电磁转矩变化所引
La dia i a Ra e a U a dt
T (t ) Ts J
d dt
其中
ea C e n
T (t ) C t ia
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由于在小功率的随动系统中，选择电动机时总是使电动机 的额定转矩远大于轴上的总阻转矩。为了推导方便，可以 先假定 。 d Ts 0 ，这样
1、电枢中的感应电动势
电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁 场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线 圈中产生感应电动势（用E表示）。
电刷
+ U –
换向片
N
F E I
I
E F
S
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电刷
+ U
–
换向片
N
F E I I E F
S
根据右手定则知，E 和原通入的电流方向相反，其 大小为：
E Cen
起的转速变化程度。斜率k大，转矩变化时转速变化大， 机械特性软。反之，斜率k小，机械特性就硬。
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（2）电枢电压对机械特性的影响
n0和Tk都与电枢电压成正比，而斜率k则与电枢电压无关。
对应于不同的电枢电压可以得到一组相互平行的机械特性曲 线。
Ua Te Ra n n0 kTe C e C e C t 2
励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。
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旋转方向
线圈中电流流动方向 换相器
线圈 磁极
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根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的 直流电机又可细分为：
他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。 并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。 串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。 复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。
转向随之改变。
• 尽管磁场控制也可达到控制转速大小和旋转方向的目的， 但励磁电流和主磁通之间是非线性关系，且随着励磁电压的减小 其机械特性变软，调节特性也是非线性的，故少用。
Te=TL+ T0
Te Ct ΦI a
U E I a Ra
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1.2.2 运行特性
•伺服电动机的运行特性包括机械特性和调节特性。 1. 机械特性 机械特性是指电枢电压等于常数时，转速与电磁 转矩之间的函数关系，即 U a c, n f (Te ) 把 Te C t I a 代入式
Ua0 –始动电压 K1 – 特性斜率
图1-4
直流伺服电动机的调节特性
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（1） Ua0和k1的物理意义
• 始动电压Ua0： Ua0是电动机处在待动而又未动临界 状态时的控制电压。
由
n
Ua TR s a 2 Ce CeCt
由于 U a0
，当n=0时，便可求得 U a U a0 Ra Ts C t Ts ，即负载转矩越大，始动电压越高。而且控制
可以得到一组相互平行的调节特性。
，
图1-5
不同负载时的调节特性
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3．直流伺服电动机低速运转的不稳定性
当电动机转速很低时，转速就不均匀，出现时快、时慢，
甚至暂时停一下的现象，这种现象称为直流伺服电动机低
速运转的不稳定性。 （1）低速运转的不稳定的原因 电枢齿槽的影响 低速时，反电动势的平均值很小，因而电枢齿槽
e
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调节电动机转速的三种方法：
• 调节电枢供电电压 Ua • 改变电枢回路电阻 Ra • 减弱励磁磁通
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• 三种调速方法的性能与比较： •
•
•
1.改变电阻Ra只能有级调速；
2. 减弱磁通 能够平滑调速，但调速范围不
大，可在基速以上作小范围的弱磁升速。
• 3. 调节电压 U a 调速能在较大的范围内无级平
E
U E I a Ra
Te Ct ΦI a
最后达到新的平衡点。 与原平衡点相比，新的平衡点：Ia 、 P入
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1.2.1 控制方式
Ua Ea I a Ra
根据直流电动机转速公式:
E Cen
U a I a Ra n CeΦ
式中：
n — 转速（r/min）； Ua60a— 电枢电压（V）； C pN /( ) Ia — 电枢电流（A）； Ra — 电枢回路总电阻（）； — 励磁磁通（Wb）； Ce— 由电机结构决定的电动势常数。
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电刷
+ U
N
F E
I I
E F
–
换向片
S
由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中 产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的 方向相反。
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直流发电机
用右手定则判
感应电动势Ea的方向
E + Ia
N
E
电枢绕组
U
– 感应电动势 S 输出电压
电阻Ra
E Cen
U E I a Ra
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三.电枢电动势及电压平衡关系
电压从0到Ua0一段范围内，电机不转动，故把此区域称为 电动机的死区。
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（1） Ua0和k1的物理意义 斜率k1： k1 1
C e
是由电机本身参数决定的常数，
与负载无关。
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（2）总阻转矩对调节特性的影响 • 总阻转矩Ts变化时，U a0 Ts ，斜率k1保持不变。
•因此对应于不同的总阻转矩 Ts1、Ts2、Ts3
效应等引起电动势脉动的影响增大，导致电磁转矩波动
比较明显。
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电刷接触压降的影响
低速时，控制电压很低，电刷和
换向器之间的接触压降开始不稳定，影响电枢上有效电 压的大小，从而导致输出转矩不稳定。 电刷和换向器之间摩擦的影响 低速时，电刷和换向器
之间的摩擦转矩不稳定，造成电机本身的阻转矩T0不稳
定，因而导致总阻转矩不稳定。
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1.2 直流伺服电动机的控制方式和运行特性
一、直流伺服电动机的构成
直流电机由定子、转子和机座等部分构成。
机座
磁极
转子
励磁 绕组
励磁式直流电动机结构
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1. 转子（又称电枢） 由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。 2. 定子 定子的分类： 永磁式：由永久磁铁做成。
励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 通过直流电，形成电磁铁。
•
• • 直流伺服电动机
普通直流伺服电动机
低惯量直流伺服电动机 直流力矩电动机
•
• • 交流伺服电动机
两相感应伺服电动机
三相感应伺服电动机 无刷永磁伺服电动机
•
直线伺服电动机
2
1.1概述
3. 控制系统对伺服电动机的基本要求
宽广的调速范围 机械特性和调节特性均为线性 无“自转”现象 快速响应。 • 此外，还要求伺服电动机的控制功率小、重量轻、体积小等。
C e C e C t 2Leabharlann 得 n U a Ts Ra
C e
C e C t
2
k1U a A
k1
1 Ce
为特性曲线的斜率；
Ts Ra 为由负载阻转矩决定的常数。 A C e C t 2
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n
Ua TR s a 2 k1U a A 调节特性为一上翘的直线。 C e C e C t
Ce：与电机结构有关的常数 ：磁通 n：电动机转速
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单位： （韦伯），n（转/每分），E（伏）
2. 电枢绕组中电压的平衡关系 因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。 Ra + + U E I a Ra Ia M E U U：外加电压 Ra:绕组电阻 – –
以上两公式反映的概念： (1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想 改变E，只能改变 或 n。 E Cen (2)若忽略绕组中的电阻Ra，则 U E CeΦn， 可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反 比，通过改变 可调速。
滑调速。
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直流伺服电动机的控制方式： 把控制信号作为电枢电压 U a 来控制电动机的转 把控制信号加在励磁绕组上，通过控制磁通
速，叫电枢控制。
来控制电动机的转速，叫磁场控制。
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1.2.1 控制方式
1. 电枢控制
励磁磁通保持不变，改变电枢 绕组的控制电压。当电动机的负 载转矩不变时，升高电枢电压， 电机的转速就升高；反之转速就
If Uf
Ia
M U U 他励
If
M
U
M
U
M
并励
串励
复励
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二、 工作原理
电刷
+
U –
换向片
N I I S
直流电源
电刷
换向器
线圈
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电刷
+
N
F
I I
U –
换向片
F
S
换向器作用： 将外部直流电 转换成内部的 交流电，以保 持转矩方向不 变。
注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转 动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。 电刷压在换向片上。 由左手定则，通电线圈在磁场的作用下， 使线圈逆时针旋转。
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四. 电磁转矩 1、电磁转矩
Te Ct ΦI a
Ct：与线圈的结构有关的常数 （与线圈大小，磁极的对数等有关）