任课教师：李正强任课教师：李正强任课教师：李正强任课教师：李正强2013201320142014学年第二学期学年第二学期2345本章教学本章教学:一、教学要求：一、教学要求：p掌握直流伺服电机结构、分类和作用掌握直流伺服电机结构、分类和作用等概念；等概念；p理解直流伺服电机理解直流伺服电机工工作原理；作原理；p掌握掌握直流伺服电机直流伺服电机的静态特性；的静态特性；p了解直流伺服电机的动态特性（关注机电时间常数了解直流伺服电机的动态特性（关注机电时间常数的的作用）；作用）；p理解无刷直流电动机与普通直流伺服电机理解无刷直流电动机与普通直流伺服电机的区别。的区别。6二、教学时间安排二、教学时间安排：4 4学时学时 三、主要内容：三、主要内容：第一节第一节 直流伺服电机的结构直流伺服电机的结构第二节第二节 直流伺服电机工作原理直流伺服电机工作原理第三节第三节 直流伺服电机的特性直流伺服电机的特性第四节第四节 直流伺服电机控制直流伺服电机控制第五节第五节 无刷直流电动机无刷直流电动机本章重点：直流伺服电机工作原理本章重点：直流伺服电机工作原理和静态特性；和静态特性；本章难点：直流伺服电机本章难点：直流伺服电机的动态特性。的动态特性。四、教学过四、教学过程：程：本章教学本章教学:71 1 1 1、直流伺服电动机的结构、直流伺服电动机的结构、直流伺服电动机的结构、直流伺服电动机的结构第一节第一节 直流伺服电机工作原理直流伺服电机工作原理8图形符号图形符号9第一节第一节 直流伺服电机工作原理直流伺服电机工作原理定子结构定子结构定子结构定子结构1 1 1 1、直流伺服电动机的结构、直流伺服电动机的结构、直流伺服电动机的结构、直流伺服电动机的结构10第一节第一节 直流伺服电机工作原理直流伺服电机工作原理转子结构转子结构转子结构转子结构1 1 1 1、直流伺服电动机的结构、直流伺服电动机的结构、直流伺服电动机的结构、直流伺服电动机的结构11第一节第一节 直流伺服电机工作原理直流伺服电机工作原理换向装置换向装置换向装置换向装置1 1 1 1、直流伺服电动机的结构、直流伺服电动机的结构、直流伺服电动机的结构、直流伺服电动机的结构12第一节第一节 直流伺服电机工作原理直流伺服电机工作原理2 2 2 2、直流伺服电动机基本原理、直流伺服电动机基本原理、直流伺服电动机基本原理、直流伺服电动机基本原理 13鼓形绕组鼓形绕组14152 2 2 2、直流伺服电动机基本原理、直流伺服电动机基本原理、直流伺服电动机基本原理、直流伺服电动机基本原理 第一节第一节 直流伺服电机工作原理直流伺服电机工作原理16n加加于于直直流流电电机机的的直直流流电电源源，借借助助于于换换向向器器和和电电刷刷的的作作用用，使使直直流流电电机机电电枢枢线线圈圈流流过过的的电电流流，方方向向是是交交变变的的，从从而而使使电电枢枢产产生生的的电电磁磁转转矩矩的的方方向向恒恒定定不不变变，确保直流电机朝确保直流电机朝确定的方向连续旋转。确定的方向连续旋转。n定子：磁场定子：磁场永磁体永磁体n转子：电枢绕组转子：电枢绕组n换向：换向器换向：换向器与碳刷与碳刷第一节第一节 直流伺服电机工作原理直流伺服电机工作原理2 2 2 2、直流伺服电动机基本原理、直流伺服电动机基本原理、直流伺服电动机基本原理、直流伺服电动机基本原理 17第一节第一节 直流伺服电机工作原理直流伺服电机工作原理3 3 3 3、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向 pp 直流电动机磁场分析：直流电动机磁场分析：直流电动机磁场分析：直流电动机磁场分析：18第一节第一节 直流伺服电机工作原理直流伺服电机工作原理3 3 3 3、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向 pp 电枢反应的两个重要影响：电枢反应的两个重要影响：电枢反应的两个重要影响：电枢反应的两个重要影响：1 1）气隙磁场发生扭斜，气隙合成磁场的物理中性面将逆着）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。不再重合。2 2）半个极下磁通的增加值，将小于另半个极下磁通的减小）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值，总的气隙磁通将有所减小，这就是电枢磁场的去磁作用。用。磁路饱和、换向困难磁路饱和、换向困难磁路饱和、换向困难磁路饱和、换向困难 影响不大，但是降低电机的工作效率。影响不大，但是降低电机的工作效率。影响不大，但是降低电机的工作效率。影响不大，但是降低电机的工作效率。19第一节第一节 直流伺服电机工作原理直流伺服电机工作原理3 3 3 3、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向 20第一节第一节 直流伺服电机工作原理直流伺服电机工作原理3 3 3 3、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向 pp 减小和消除换向火花的方法：减小和消除换向火花的方法：减小和消除换向火花的方法：减小和消除换向火花的方法：1 1）移动电刷法。移动电刷法。移动电刷法。移动电刷法。将直流电动机的电刷从几何中性面开始，将直流电动机的电刷从几何中性面开始，逆着电枢旋转方向移动电刷，使换向火花最小为止，移动逆着电枢旋转方向移动电刷，使换向火花最小为止，移动的角度大于物理中性面的偏移角。的角度大于物理中性面的偏移角。2 2）附加换向磁极法附加换向磁极法附加换向磁极法附加换向磁极法。在几何中性面处设置附加的换向磁极，。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。电枢磁场的方向相反。3 3）选用合适电刷法选用合适电刷法选用合适电刷法选用合适电刷法。21第一节第一节 直流伺服电机工作原理直流伺服电机工作原理4 4 4 4、直流伺服电动机转矩方向与电流方向的关系、直流伺服电动机转矩方向与电流方向的关系、直流伺服电动机转矩方向与电流方向的关系、直流伺服电动机转矩方向与电流方向的关系转矩方向与电流方向的关系：为确保直流电动机朝确定转矩方向与电流方向的关系：为确保直流电动机朝确定的方向连续旋转，通过线圈的电流方向是交替变化的。的方向连续旋转，通过线圈的电流方向是交替变化的。22第二节第二节 直流直流伺服电机的结构伺服电机的结构传统直流伺服电机和传统直流伺服电机和直流电机工作原理、结构和基本直流电机工作原理、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：进，具有如下特点：1 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、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流电动机的1/31/3 1/21/2。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、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。良好的换向条件，因此具有大的瞬时电流和瞬时转矩。3 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。、机械强度高，能够承受住巨大的加速度造成的冲击力作用。4 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。、电刷一般都安放在几何中型面上，以确保正反转特性对称。23第二节第二节 直流直流伺服电机的结构伺服电机的结构24第二节第二节 直流直流伺服电机的结构伺服电机的结构25第二节第二节 直流直流伺服电机的结构伺服电机的结构pp 低惯量直流伺服电机低惯量直流伺服电机低惯量直流伺服电机低惯量直流伺服电机 无槽电枢无槽电枢盘式电枢盘式电枢空心杯电枢空心杯电枢26第二节第二节 直流直流伺服电机的结构伺服电机的结构pp 宽调速直流伺服电机宽调速直流伺服电机宽调速直流伺服电机宽调速直流伺服电机27第三节第三节 直流直流伺服电机的特性伺服电机的特性转矩：转矩：转矩：转矩：电势：电势：电势：电势：转矩平衡方程式：转矩平衡方程式：转矩平衡方程式：转矩平衡方程式：28第三节第三节 直流直流伺服电机的特性伺服电机的特性转矩稳态平衡方程式转矩稳态平衡方程式转矩稳态平衡方程式转矩稳态平衡方程式:电势稳态平衡方程式电势稳态平衡方程式电势稳态平衡方程式电势稳态平衡方程式:电势动态平衡方程式电势动态平衡方程式电势动态平衡方程式电势动态平衡方程式:291 1、直流伺服电机的静态特性直流伺服电机的静态特性直流伺服电机的静态特性直流伺服电机的静态特性:电枢控制电枢控制电枢控制电枢控制机械机械机械机械(调节调节调节调节)特性方程式特性方程式特性方程式特性方程式 :1）机械）机械特性：特性：Ua一定时，一定时，n=f(Tem)第三节第三节 直流直流伺服电机的特性伺服电机的特性转速与转矩的关系转速与转矩的关系转速与转矩的关系转速与转矩的关系302.调节特性：调节特性：Tem一定时，一定时，n=f(Ua)第三节第三节 直流直流伺服电机的特性伺服电机的特性1 1、直流伺服电机的静态特性直流伺服电机的静态特性直流伺服电机的静态特性直流伺服电机的静态特性:电枢控制电枢控制电枢控制电枢控制转速与控制量（如电转速与控制量（如电转速与控制量（如电转速与控制量（如电压）的关系压）的关系压）的关系压）的关系31第三节第三节 直流直流伺服电机的特性伺服电机的特性1 1、直流伺服电机的静态特性直流伺服电机的静态特性直流伺服电机的静态特性直流伺服电机的静态特性:电枢控制电枢控制电枢控制电枢控制322 2、直流伺服电机的动态特性直流伺服电机的动态特性直流伺服电机的动态特性直流伺服电机的动态特性第三节第三节 直流直流伺服电机的特性伺服电机的特性33经拉氏变换整理得：经拉氏变换整理得：第三节第三节 直流直流伺服电机的特性伺服电机的特性2 2、直流伺服电机的动态特性直流伺服电机的动态特性直流伺服电机的动态特性直流伺服电机的动态特性34按以上各式可建立动态方框图：按以上各式可建立动态方框图：第三节第三节 直流直流伺服电机的特性伺服电机的特性-2 2、直流伺服电机的动态特性直流伺服电机的动态特性直流伺服电机的动态特性直流伺服电机的动态特性35=当当Te=0时，传递函数为：时，传递函数为：为电动机为电动机电磁时间常数电磁时间常数,第三节第三节 直流直流伺服电机的特性伺服电机的特性式中，式中，为电动机机电时间常数为电动机机电时间常数2 2、直流伺服电机的动态特性直流伺服电机的动态特性直流伺服电机的动态特性直流伺服电机的动态特性36同理可得：同理可得：第三节第三节 直流直流伺服电机的特性伺服电机的特性若若 ，可写成：可写成：当当 很小，很小，远远超过了控制系统通频带时，直流电动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：机的传递函数可以简化为：2 2、直流伺服电机的动态特性直流伺服电机的动态特性直流伺服电机的动态特性直流伺服电机的动态特性37影响影响影响影响 的主要因素：的主要因素：的主要因素：的主要因素：第三节第三节 直流直流伺服电机的特性伺服电机的特性（1 1）负载转动惯量的影响：）负载转动惯量的影响：J=J=J Jm m+J+JL L J JL L负载折算转动惯量负载折算转动惯量（2 2）电枢回路电阻的影响：）电枢回路电阻的影响：R Ra a=R Ra a+R+Ri i R Ri i 电源（放大器）内阻电源（放大器）内阻（3 3）机械特性硬度的影响：）机械特性硬度的影响：n/Tn/T机械特性的斜率机械特性的斜率2 2