3.1 直流伺服电动机直流伺服电动机3.1.1 概述概述3.1.2 直流伺服电动机的控制方式和运转特直流伺服电动机的控制方式和运转特性性1.3 直流伺服电动机的动态特性直流伺服电动机的动态特性3.1.3 特种直流伺服电动机特种直流伺服电动机2. 伺服电动机的分类伺服电动机的分类 普通直流伺服电动机普通直流伺服电动机直流伺服电动机直流伺服电动机 低惯量直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机 直流力矩电动机直流力矩电动机 两相感应伺服电动机两相感应伺服电动机交流伺服电动机交流伺服电动机 三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无刷永磁伺服电动机直线伺服电动机直线伺服电动机1. 伺服电动机的概念伺服电动机的概念伺服电动机又称为执行电动机，其功能是把输入的电压信伺服电动机又称为执行电动机，其功能是把输入的电压信号变换成转轴的角位移或角速度输出。号变换成转轴的角位移或角速度输出。3.1.1概述概述广大的调速范围机械特性和调理特性均为线性无“自转景象快速呼应。 此外，还要求伺服电动机的控制功率小、分量轻、体积小等。3. 控制系统对伺服电动机的根本要求控制系统对伺服电动机的根本要求3.1.1概述概述控制方式控制方式由由 可知，改动电枢电压和改动励磁磁通都可以改可知，改动电枢电压和改动励磁磁通都可以改动电动机的转速。动电动机的转速。 3.1.2直流伺服电动机的控制方式和运转特性直流伺服电动机的控制方式和运转特性1. 1. 电电枢控制枢控制枢控制枢控制励磁磁通励磁磁通励磁磁通励磁磁通坚坚持不持不持不持不变变，改，改，改，改动电动电枢枢枢枢绕组绕组的控制的控制的控制的控制电压电压。当。当。当。当电动电动机的机的机的机的负载转负载转矩不矩不矩不矩不变时变时，升高，升高，升高，升高电电枢枢枢枢电电压压，电电机的机的机的机的转转速就升高；反之速就升高；反之速就升高；反之速就升高；反之转转速就降低。速就降低。速就降低。速就降低。电电枢枢枢枢电压电压等于零等于零等于零等于零时时，电电机不机不机不机不转转。电电枢枢枢枢电压电压改改改改动动极性极性极性极性时时，电电机反机反机反机反转转。图1-1 电枢控制原理图2磁场控制磁场控制电枢绕组电压坚持不变，改动励磁回路的电压。假设电枢绕组电压坚持不变，改动励磁回路的电压。假设电动机的负载转矩不变，当升高励磁电压时，励磁电电动机的负载转矩不变，当升高励磁电压时，励磁电流添加，主磁通添加，电机转速就降低；反之，转速流添加，主磁通添加，电机转速就降低；反之，转速升高。改动励磁电压的极性，电机转向随之改动。升高。改动励磁电压的极性，电机转向随之改动。虽然磁场控制也可到达控制转速大小和旋转方向的目虽然磁场控制也可到达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，调理特性也是非线励磁电压的减小其机械特性变软，调理特性也是非线性的，故少用。性的，故少用。1. 机械特性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，即函数关系，即 。把把 代入式代入式 得得 ，为理想空载转速；，为理想空载转速； ，为直线的斜率。，为直线的斜率。伺服电动机的运转特性包括机械特性和调理特性。伺服电动机的运转特性包括机械特性和调理特性。运转特性运转特性图 1-2 直流伺服电动机的机械特性机械特性为不断线运转特性运转特性n0 -理想空载转速Tk-堵转转矩 -直线斜率1n0、Tk、k的物理意义的物理意义理想空载转速理想空载转速n0：n0是电磁转矩是电磁转矩Te=0时的转速，由于电机空载时时的转速，由于电机空载时Te= T0，电机的空载转速低于理想空载转速。，电机的空载转速低于理想空载转速。堵转转矩堵转转矩Tk：Tk是转速是转速n=0时的电磁转矩。时的电磁转矩。 机械特性的斜率机械特性的斜率k ：斜率：斜率k前面的负号表示直线是下倾的。斜率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起的转速变化程度。斜的大小直接表示了电动机电磁转矩变化所引起的转速变化程度。斜率率k大，转矩变化时转速变化大，机械特性软。反之，斜率大，转矩变化时转速变化大，机械特性软。反之，斜率k小，机小，机械特性就硬。械特性就硬。运转特性运转特性2电枢电压对机械特性的影响电枢电压对机械特性的影响n0和和Tk都与电枢电压成正比，而斜率都与电枢电压成正比，而斜率k那么与电枢电压那么与电枢电压无关。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。性曲线。 图 1-3 不同控制电压时的机械特性直流伺服电动机由放大器供电时，放大器可以等效为一个电动势源与其内阻串联。内阻使直流伺服电动机的机械特性变软。运转特性运转特性2. 调理特性调理特性调理特性是指负载转矩不变时，电机转速与电枢电压之调理特性是指负载转矩不变时，电机转速与电枢电压之间的函数关系，即间的函数关系，即 。由由 得得为特性曲线的斜率；为由负载阻转矩决议的常数。运转特性运转特性图1-4 直流伺服电动机的调理特性调理特性为一上翘的直线。 运转特性运转特性Ua0 始动电压 K1 特性斜率1 Ua0和和k1的物理意义的物理意义始动电压始动电压Ua0： Ua0是电动机处在待动而又未动临界形状时的控制电压。是电动机处在待动而又未动临界形状时的控制电压。斜率斜率k1： 是由电机本身参数决议的常数，与负载无关。是由电机本身参数决议的常数，与负载无关。由 ，当n=0时，便可求得 由于 ，即负载转矩越大，始动电压越高。而且控制电压从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。运转特性运转特性2总阻转矩对调理特性的影响总阻转矩对调理特性的影响总阻转矩总阻转矩Ts变化时，变化时， ，斜率，斜率k1坚持不变。因坚持不变。因此对应于不同的总阻转矩此对应于不同的总阻转矩 ，可以得，可以得到一组相互平行的调理特性。到一组相互平行的调理特性。3直流伺服电动机低速运转的不稳定性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，当电动机转速很低时，转速就不均匀，出现时快、时慢，甚至暂时停一下的景象，这种景象称为直流伺服电动机低甚至暂时停一下的景象，这种景象称为直流伺服电动机低速运转的不稳定性。速运转的不稳定性。图图1-5 1-5 不同不同负载时负载时的的调调理特性理特性1低速运转的不稳定的缘由低速运转的不稳定的缘由电枢齿槽的影响电枢齿槽的影响 低速时，反电动势的平均值很小，因此电枢齿槽效应低速时，反电动势的平均值很小，因此电枢齿槽效应等引起电动势脉动的影响增大，导致电磁转矩动摇比较明显。等引起电动势脉动的影响增大，导致电磁转矩动摇比较明显。运转特性运转特性电刷接触压降的影响电刷接触压降的影响 低速时，控制电压很低，电刷和低速时，控制电压很低，电刷和换向器之间的接触压降开场不稳定，影响电枢上有效电换向器之间的接触压降开场不稳定，影响电枢上有效电压的大小，从而导致输出转矩不稳定。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电刷和换向器之间摩擦的影响 低速时，电刷和换向器低速时，电刷和换向器之间的摩擦转矩不稳定，呵斥电机本身的阻转矩之间的摩擦转矩不稳定，呵斥电机本身的阻转矩T0不稳不稳定，因此导致总阻转矩不稳定。定，因此导致总阻转矩不稳定。2处理的措施处理的措施 稳速控制电路稳速控制电路 直流力矩电动机直流力矩电动机运转特性运转特性 构造构造1.4 特种直流伺服电动机特种直流伺服电动机1.4.1 直流力矩电动机直流力矩电动机直流力矩电动机就是为满足低转速大转矩负载的需求而设计制造的电机。直流力矩电动机普通做成圆盘状，电枢长度和直径之比普通为0.2左右；永磁多极式；槽数、换向片数和串联导体数多。图1-9 直流力矩电动机构造表示图 1-定子；2-电枢铁心；3-电枢绕组；4-槽楔；5-电刷；6-刷架为什么做成圆盘状？为什么做成圆盘状？在电枢电动势 、每极磁通 和导体电流 一样的条件下，添加导体数N和极对数p，能使转速n降低，电磁转矩Te增大。添加电枢直径，可以使电枢槽面积变大，以便把更多的导体放入槽内。同时电枢直径 的添加，使电机定子内径变大，可以放置更多的磁极。 特点特点电机转速低、转矩大，可以长期在堵转或低速形状下运转；反响速度快、转矩和转速动摇小；机械特性和调理特性线性度好。1.4.1 直流力矩电动机直流力矩电动机1.4.2 低惯量直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机1杯形转子直流伺服电动机杯形转子直流伺服电动机杯形转子直流伺服电动机又称动圈式直流伺服电动机。 构造构造杯形电枢绕组是用导线绕在绕线模上，然后用环氧树脂定形做成的。杯形转子内外两侧有内外定子构成磁路。由于转子内外侧都需求有足够的气隙，所以气隙大，磁阻大，磁动势利用率低。图1-10 杯形转子直流伺服电动机l-内磁轭；2-电枢绕组；3-永久磁钢；4-机壳(磁轭)；5-电刷；6-换向器低惯量；灵敏度高，时间常数很小最小在1ms以下； 损耗小，效率高； 力矩动摇小，低速转动平稳，噪音很小；换向性能好，寿命长。 特点特点杯形转子直流伺服电动机已系列化消费，输出功率从零点几瓦至5 kW，多用于高精度自动控制系统及丈量安装等设备中。1.4.2 低惯量直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机2印制绕组直流伺服电动机印制绕组直流伺服电动机 构造构造 转子呈薄片圆盘状，厚度普通为(1.52) mm，转子的绝缘基片是环氧玻璃布胶板。胶合在基片两侧的铜箔用印刷电路制成双面电枢绕组，电枢导体还兼作换向片。定子由永久磁钢和前后盘状轭铁组成，轭铁兼作前后端盖。组成多极的磁钢胶合在轭铁一侧，在电机中构成轴向的平面气隙。 图1-11 印制绕组直流伺服电动机l-后轭铁(端盖)；2-永久磁钢；3-电刷；4-印制绕组；5-机壳；6-前轭铁(端盖) 1.4.2 低惯量直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机 性能特点电机构造简单，制造本钱低；起动转矩大；力矩动摇很小，低速运转稳定；换向性能好；电枢转动惯量小，反响快，机电时间常数普通为(1015) ms。3无槽电枢直流伺服电动机无槽电枢直流伺服电动机电枢铁心是光滑、无槽的圆柱体。电枢绕组敷设在光滑电枢铁心外表，用环氧树脂固化成型并与铁心粘结在一同。气隙尺寸比普通的直流伺服电动机大10倍以上。 构造 特点特点 转动惯量低；起动转矩大；反响快；低速运转均匀；换向性能良好。目前电机的输出功率在几十瓦10kW，机电时间常数为(510) ms。 1.4.2 低惯量直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机