直流伺服电机的静态特性
直流伺服电机开题报告
直流伺服电机开题报告直流伺服电机开题报告一、引言直流伺服电机是一种广泛应用于自动控制系统中的电机，其具有快速响应、高精度、可靠性强等特点，被广泛应用于机器人、数控机床、印刷设备等领域。
本文旨在通过对直流伺服电机的研究，探索其原理、特性以及应用。
二、直流伺服电机的原理直流伺服电机是一种以直流电作为动力源的电机，其原理基于电磁感应和电磁力的作用。
当直流电通过电枢线圈时，产生的磁场与永磁体的磁场相互作用，使电枢产生转矩。
而通过控制电枢电流的大小和方向，可以实现对电机转速和位置的精确控制。
三、直流伺服电机的特性1. 高精度：直流伺服电机具有较高的转速精度和位置精度，能够满足对精确运动控制的要求。
2. 快速响应：直流伺服电机的响应速度快，能够迅速调整转速和位置，适用于高速运动和快速响应的场景。
3. 负载能力强：直流伺服电机能够承受较大的负载，具有较高的输出功率和转矩。
4. 可靠性强：直流伺服电机采用了先进的控制算法和保护措施，能够保证系统的稳定性和可靠性。
四、直流伺服电机的应用1. 机器人领域：直流伺服电机广泛应用于各类工业机器人和服务机器人中，用于实现机械臂的精确运动和姿态调整。
2. 数控机床：直流伺服电机在数控机床中被用于驱动主轴和进给系统，实现高精度的切削和定位。
3. 印刷设备：直流伺服电机在印刷设备中用于控制印刷轴的转速和位置，保证印刷品的准确对位和质量。
五、直流伺服电机的发展趋势1. 高效节能：随着环保意识的提高，直流伺服电机的节能性能将成为未来发展的重点，采用高效的电机设计和控制算法，减少能源消耗。
2. 智能化：直流伺服电机将趋向于智能化发展，通过引入传感器和自适应控制算法，实现更加智能化的运动控制。
3. 小型化：随着电子技术的进步，直流伺服电机将趋向于小型化发展，体积更小、重量更轻，适应更多场景的需求。
4. 高集成度：直流伺服电机将趋向于高度集成化发展，将控制器、传感器等功能集成在一体，减少系统的复杂性和成本。
直流伺服电机
US r为0时
U SC t
US r为正时
U SC
t
US r为负时
t
调制出正负脉宽一样方波 调制出脉宽较宽的波形
平均电压为0
平均电压为正
调制出脉宽较窄的波形 平均电压为负
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§6.4 直流伺服电机 （五） 直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统
3） 开关功率放大器
US
主回路：可逆H型双极式PWM
尖脉冲
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(1)晶闸管调速系统
直流电压
§6.4 直流伺服电机 （五） 直流进给运动的速度控制 (1)晶闸管调速系统
• [总结] 速度控制的原理：
• ①调速：当给定的指令信号增大时，则有较大的偏差信号加到调 节器的输入端，产生前移的触发脉冲，可控硅整流器输出直流电压 提高，电机转速上升。此时测速反馈信号也增大，与大的速度给定 相匹配达到新的平衡，电机以较高的转速运行。
⑤电机正转、反转、停止： 由正、负驱动电压脉冲宽窄而定。 当正脉冲较宽时，既t1> T/2，平均电压为正，电机正转； 当正脉冲较窄时，既t1< T/2 ，平均电压为负，电机反转； 如果正、负脉冲宽度相等，t1=T/2 ，平均电压为零，电机停转。
电枢反电势与转速之间有以下关系：
Ea Ke
（6.3）
Ke─电势常数；ω─电机转速（角速度）。
根据以上各式可以求得：
Ua
Ra
TM
Ke Ke KT 2
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（6.4）
§6.4 直流伺服电机 （二）一般直流电机的工作特性
当负载转矩为零时：
理
想
（6.5）
空0
Ua
K e
集成式直流伺服电机
集成式直流伺服电机
集成式直流伺服电机是一种将伺服电机与控制器、传感器等组件集成在一起的产品。
这种设计使得电机、控制器和传感器之间的连接更加紧凑，减少了外部线路和接口，提高了系统的可靠性和稳定性。
集成式直流伺服电机通常具有以下特点：
1.紧凑的设计：由于将伺服电机、控制器和传感器等组件集成在一起，因此其体积相对较小，适合于需要紧凑设计的场合。
2.高效能：集成式直流伺服电机通常采用先进的控制算法和优化设计，具有较高的动态响应速度和静态精度，能够满足各种复杂控制系统的需求。
3.易于安装和维护：由于集成式直流伺服电机的设计紧凑，因此其安装和维护相对简单，减少了安装时间和成本。
4.可靠性高：由于集成式直流伺服电机的各个组件都是经过严格测试和筛选的，因此其可靠性较高，能够满足各种恶劣环境下的工作需求。
总之，集成式直流伺服电机是一种高效、紧凑、可靠的产品，适用于各种需要精确控制的应用场合。
直流伺服电机的基本特性
直流伺服电机的基本特性网络2010-08-01 01:50:12 网络1、机械特性在输入的电枢电压Ua保持不变时，电机的转速n随电磁转矩M变化而变化的规律，称直流电机的机械特性。
直流电机的机械特性曲线K值大表示电磁转矩的变化引起电机转速的变化大，这种情况称直流电机的机械特性软；反之，斜率K值小，电机的机械特性硬。
在直流伺服系统中，总是希望电机的机械特性硬一些，这样，当带动的负载变化时，引起的电机转速变化小，有利于提高重流电机的速度稳定性和工件的加工精度。
功耗增大。
2、调节特性直流电机在一定的电磁转矩M（或负载转矩）下电机的稳态转速n随电枢的控制电压U a 变化而变化的规律，被称为直流电机的调节特性。
直流电机的调节特性曲线斜率K反映了电机转速n随控制电压U a的变化而变化快慢的关系，其值大小与负载大小无关，仅取决于电机本身的结构和技术参数。
3、动态特性从原来的稳定状态到新的稳定状态，存在一个过渡过程，这就是直流电机的动态特性。
决定时间常数的主要因素有：惯性J的影响、电枢回路电阻R a的影响、机械特性硬度的影响。
直流伺服电机的种类和主要技术参数1、按转动部分惯性大小来分：•小惯量直流电机——印刷电路板的自动钻孔机•中惯量直流电机（宽调速直流电机）——数控机床的进给系统•大惯量直流电机——数控机床的主轴电机•特种形式的低惯量直流电机2、主要技术参数：额定功率P e•额定电压U e•额定电流I e•额定转速n e•额定转矩M I e•调速比D直流伺服电机的选择，是根据被驱动机械的负载转矩、运动规律和控制要求来确定。
直流伺服电机结构和速度控制原理直流伺服电机结构示意图1、直流电机的输出电磁转矩表达式为：2、控制直流伺服电机电磁转矩和速度的方法有两种：•改变电枢电压U a即改变电枢电流I a的方法；•改变励磁电流I f即改变磁通ф的方法。
3、常用调节电枢电压的方法优点：一元函数，线性较好，控制方便；响应速度快；输出转矩大。
控制电机的复习资料
控制电机的复习资料《直流伺服电动机》一、填空题1．伺服电动机在自动控制系统中作为执行元件。
2．伺服电动机将输入的电压信号变换成转轴的角位移或角速度而输出。
输入的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动机的转速及转向。
3．直流伺服电动机的结构上可以分为传统型和低惯量型。
与传统型的直流伺服电动机相比，低惯量型的直流伺服电动机具有时间常数小响应快速的特点。
4．电枢控制法是以电枢绕组作为控制绕组，是在负载转矩一定时，保持励磁电压不变，通过改变电枢电压来调节电动机转速，即电枢电压加大，转速增大；电枢电压减小，转速减小；电枢电压为零，电动机停转。
当电枢电压的极性改变后，电动机的旋转方向也随之改变。
5．直流伺服电动机的静态特性主要包括机械特性和调节特性。
6．机械特性是指控制电压恒定时，电动机的转速与转矩的关系。
机械特性与纵轴的交点为电磁转矩等于零时电动机的理想空载转速。
7．机械特性的斜率表示了电动机机械特性的硬度，即电动机的转速随转矩的改变而变化的程度。
8．调节特性是指在电磁转矩恒定时，电动机的转速与控制电压的关系。
9．调节特性曲线上从原点到始动电压点的这一段横坐标所示范围，称为在某一电磁转矩值时伺服电动机的失灵区。
失灵区的大小与负载转矩的大小成正比，负载转矩越大，想要使直流伺服电动机运行起来，电枢绕组需要加的控制电压也要相应的越大。
当n=0时，调节特性曲线与横轴的交点就表示在某一电磁转矩时，电动机的始动电压。
10．伺服电动机在自动控制系统中通常作为执行元件使用，对控制系统的性能影响很大，因此它应具有如下功能：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响应快速。
11．动态特性是指电动机的电枢上外施电压突变时，电动机从一种稳定转速过渡到另一种稳定转速的过程。
11．为了减小直流伺服电动机的机电过渡过程，可以采取以下措施：①尽可能减小电枢电阻；②采用细长型或空心杯型电枢、盘型电枢，以获得较小的转动惯量；③应增加每个电极气隙的磁通，即提高气隙的磁密。
《微特电机及其控制》(电机本体部分)课程重点内容
绪论1．微特电机的分类。
2．微特电机新的发展趋势。
第二章伺服电动机与伺服系统1．从结构上，直流伺服电动机的分类。
分为两大类，传统型直流伺服电动机，低惯量型直流伺服电动机。
传统型直流伺服电动机其结构与普通直流电动机基本相同，只是功率和容量小得多，它可以再分为电磁式和永磁式两种；低惯量型直流伺服电动机可分为空心杯电枢直流伺服电动机，盘式电枢直流伺服电动机，无槽电枢直流伺服电动机2．直流伺服电机的静态特性1．机械特性：给出机械特性n=f(T e)的方程，绘制机械特性的曲线。
机械特性：控制电压恒定时，电机转速随电磁转矩的变化关系n=f (Te)2．调节特性：给出调节特性n=f(U a)的方程，绘制调节特性的曲线，结合调节特性曲线，掌握失灵区的概念。
调节特性负载转矩恒定时，转速随控制电压变化n=f (Ua)3．直流伺服电机的动态特性1．机电时间常数的计算公式，影响因素及相应的减小机电时间常数的方法。
机电时间常数与转动惯量成正比；与电机的每极气隙磁通的平方成反比，为了减小电机机械时间常数，应增加每极气隙磁通；与电枢电阻Ra的大小成正比，为减小时间常数，应尽可能减小电枢电阻，当伺服电动机用于自动控制系统，并由放大器供给控制电压时，应计入放大器的内阻Ri，Ra+Ri；直流伺服电动机的机电时间常数一般<30ms，低惯量直流伺服电机的时间常数<10ms。
4．交流异步伺服电动机1．不同转子电阻对机械特性的影响，分析为什么异步伺服电动机的转子电阻较普通异步电动机大。
增大转子电阻的三个好处：1. 可以增大调速范围由电机学原理知，异步电机的稳定运行区仅在： 0<s<sm，而正常电机的sm=0.1~0.2, 所以调速范围甚小。
增大转子电阻，使sm增大，从而增大调速范围。
2.使机械特性更加线性如右图中，曲线3的线性度比曲线2要好。
sm1=0.2, sm2=1.1, sm3=1.8能消除自转现象T=T1+T2，在正向旋转时， 0<s<1， T>0。
永磁直流伺服电机的工作特性
永磁直流伺服电机的工作特性1. 永磁直流伺服电机的性能特点 1) 低转速大惯量 2) 转矩大 3) 起动力矩大 4) 调速泛围大，低速运行平稳，力矩波动小 2. 永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述 1) 转矩-速度特性曲线（工作曲线） 2) 负载-工作周期曲线 过载倍数 Tmd，负载工作周期比 d。
3) 数据表：N、T、时间常数、转动惯量等等。
3.永磁直流伺服电机的工作特性曲线 图 6﹒8 永磁直流伺服电机工作曲线图 6﹒9 负载-工作周期曲线Ⅰ区为连续工作区；Ⅱ区为断续工作区，由负载-工作周期曲线决定工作时间；Ⅲ区 为瞬时加减速区20 世纪 80 年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永 磁交流伺服驱动技术有了突出的发展， 各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动 机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。
交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统 的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。
90 年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。
交流伺服驱动装置 在传动领域的发展日新月异。
永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较， 主要优点有：⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。
⑵定子绕组散热比较方便。
⑶惯量小，易于提高系统的快速性。
⑷适应于高速大力矩工作状态。
⑸同功率下有较小的体积和重量。
交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似， 但前者的转子电阻 比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点： A、起动转矩大 由于转子电阻大，其转矩特性曲线与普通异步电动机的转矩特性曲线相比，有明显 的区别。
它可使临界转差率 S0＞1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性， 而且具有较大的起动转矩。
因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、 灵敏度高的特点。
第1章直流伺服电动机
2. 输出电压表达式
UL
kuUf 1 ku cos
sin
三、多极旋变提高精度原理
机械角度不变时，多极旋变的电角度大，输出电压高。
四、感应同步器
1. 结构：圆盘式；直线式
2. 信号处理方法
方式一，鉴相
正弦绕组 输入：
余弦绕组
ua U m cost
k
1 ln(6.86 4 1
2.71)
第3章 无刷永磁伺服电动机
无刷直流电机和永磁同步电机的主要不同点 一、转子结构
表面式（凸装式）、嵌入式和内置式。 二、电枢绕组及其与逆变器的连接
a)半桥电路
b）绕组星形连接的桥式电路
c）绕组角形连接的桥式电路
三、无刷直流电动机的工作原理
rt=0°换相前 rt=60°换相前
静态稳定区：
最大静态转矩： Tsm F2ZsZrl1
Tsm（1~ n）
Tsm
sin(n / m) sim( / m)
矩角特性族：各个通电状态的矩角特性画在一起。
2. 动态特性 动态稳定区： se se
起动转矩：Tst
Tsm
sin( se 2
)
丢步的概念：
稳定裕度： se
1. 结构
转子 Zr=2mk±2
绕组：集中绕组，相对的两个线圈串联构成一相。
2. 原理 通电状态改变，使磁场轴线移动，在磁阻转矩作用下，转子转动一步。
m相m拍
运行方式
→ N拍
m相2m拍
步距角
3600 s Zr N
se
360 0 N
齿距角 3600 Zr
转速 n 60f NZ r
二、特性 1. 静态特性 矩角特性：Te Tsm sin e
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直流伺服电机的静态特性
磁场的影响，认为电机的每极气隙磁通中将保持恒定。
（1）机械特性
直流伺服电机的机械特性是指当电源电压U=常值、气隙每极磁通量①=常值时，电机的转速n和电磁转矩T e之间的关系曲线，即n=f（T e）。
在直流伺服电机的诸多特性中，机械特性是
最重要的特性。
它是选用直流伺服电机的依据。
直流伺服电机的机械特性方程与直流电机的机械特性方程基本相同，即
式中，U a为电枢电压；R a为电枢回路总电阻；n为转速；①
为每极磁通；C e为电动势常数；C T为转矩常数；T e为电磁转矩;
因为直流伺服电机的机械特性方程为一直线方程，所以其机械特性为一条直线，如图2-13所示。
显然，只要找到直线上的两个点，便可绘制出该机械特性的直线。
图2-13直流伺服电机的机械特性
从图2-13中可以看出，直流伺服电机的机械特性是线性的，该机械特性曲线上有两个特殊点，现分述如下。
①理想空载点（0，n0）。
由直流伺服电机的机械特性曲线和机械特性方程可知，n0是机械特性曲线与纵轴的交点，即电磁转矩T e=0时的转速，即
在实际的电机中，当电机轴上不带负载时，因为它本身有空载损耗所引起的空载阻转矩。
因此，即使空载（即负载转矩T L=0）
时，电机的电磁转矩也不为零，只有在理想条件下，即电机本身没有空载损耗时，才可能有T e=0,所以对应于T e=0时的转速
n0称为理想空载转速。
②堵转点（T k，0）。
由直流伺服电机的机械特性曲线和机械特性方程可知，T k是机械特性曲线与横轴轴的交点，即电机的转速n=0时的电磁转矩，即式中，T k为电机处在堵转状态时所产生的电磁转矩。
称为直流电机机械特性的
斜率。
k前面的负号表示直线是下倾的。
k的大小可用A n/A T表示，如图2-13所示。
因此k的大小表示电机电磁转矩变化所引起的转速变化程度。
斜率k大，则对应于同样的转矩变化，转速变化大，这时电机的机械特性软。
反之斜率k小，则对应于同样的转矩变化，转速变化小，这时电机的机械特性硬。
以上讨论的是在电枢电压为常数时，直流伺服电机的机械特性。
改变电枢电压U a，电机的机械特性就发生变化。
由机械特性方程可知，电机的理想空载转速n0随电枢电压U a成正比变化，但是，机械特性的斜率k与电枢电压U a无关，k 即保持不变。
所以，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，如图2-14所示。
随电枢电压的降低，机械特性曲线平行地向原点移动，但机械特性曲线的斜率不变，即机械特性的硬度不变。
这是电枢控制的优点之一。
图2-14不同控制电压时的机械特性
(2)调节特性
直流伺服电机的调节特性是指负载转矩T L恒定时，电机的转速随控制电压变化的关系，即
n=f(U a)
当负载转矩保持不变时，电机轴上的总阻转矩T s=T L+T0(式中，T0为电机的空载转矩)也不变，因此电机稳态运行时，其电磁转矩T e=T s为常数。
由机械特性方程可得电机的转速n与控制电压U a的关系为
图2-15不同负载时的调节特性
由以上分析可知，电枢控制时直流伺服电机的机械特性和调节特性都是一组平行的直线。
这是直流伺服电机很可贵的特点，也是交流伺服电机所不及的。
但是上述的结论是在假设电机的磁路为不饱和及忽略电枢反应的前提下才得到的，实际的直流伺服电机的特性曲线只是一组接近直线的曲线。