直流伺服电机专题讲解(最新版)

单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第1章 直流伺服电动机,1.1 概述,1.2 直流伺服电动机的控制方式和运行特性,1.3 直流伺服电动机的动态特性,1.4 特种直流伺服电动机,1.5 直线直流电动机,1,2. 伺服电动机的分类,普通直流伺服电动机,直流伺服电动机,低惯量直流伺服电动机,直流力矩电动机,两相感应伺服电动机,交流伺服电动机,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. 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,电压信号变换,成转轴的,角位移或角速度输出,。,1.1概述,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。,3,3. 控制系统对伺服电动机的基本要求,1.1概述,4,一、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,励磁,绕组,转子,励磁式直流电动机结构,1.2 直流伺服电动机的控制方式和运行特性,5,1. 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。,励磁的定义：,磁极上的线圈通以直流电,产生磁通，称为励磁。,6,旋转方向,线圈中电流流动方向,换 相 器,线圈,磁极,7,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。,M,他励,U,f,I,f,I,a,U,M,并励,U,I,f,M,串励,U,M,复励,U,8,二、 工作原理,U,+,N,S,电刷,换向片,直流电源,电刷,换向器,线圈,I,I,9,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。,F,F,U,+,N,S,电刷,换向片,I,I,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。,10,F,F,U,+,N,S,电刷,换向片,I,I,E,E,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。,直流发电机,11,用右手定则判,感应电动势Ea的方向,U,+,N,S,E,E,I,a,电枢绕组,电阻Ra,感应电动势,输出电压,12,三.电枢电动势及电压平衡关系,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）。,1、电枢中的感应电动势,F,F,U,+,N,S,电刷,换向片,I,I,E,E,13,根据右手定则知，,E,和原通入的电流方向相反，其大小为：,C,e,：与电机结构有关的常数,n,：电动机转速,：磁通,单位：,（韦伯），,n,（转/每分），,E,（伏）,F,F,U,+,N,S,电刷,换向片,I,I,E,E,14,2. 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。,U,：外加电压,R,a,:绕组电阻,M,R,a,I,a,E,+,+,U,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,。,(2)若忽略绕组中的电阻,R,a,，则 ，,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。,15,四. 电磁转矩,C,t,：与线圈的结构有关的常数,（与线圈大小，磁极的对数等有关）,：线圈所处位置的磁通,I,a,：电枢绕组中的电流,1、电磁转矩,单位：,（韦伯），,I,a,（安培），,T,（牛顿米）,由转矩公式可知：,(1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。,(2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者,改变磁通的方向。,16,2、转矩平衡关系,电磁转矩,T,e,为驱动转矩，在电机运行时，必须和外,加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即,T,L,： 负载转矩,T,0,：空载转矩,转矩平衡过程：,当负载转矩（,T,L,）发生变化时，,通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁,转矩自动调整，以实现新的平衡。,17,例：,设外加电枢电压,U,一定，,T,e,=,T,L,+ T,0,(平衡)，这时，,若,T,L,突然增加，则调整过程为：,与原平衡点相比，新的平衡点：,I,a,、,P,入,T,L,n,E,I,a,T,e,最后达到新的平衡点。,根据直流电动机转速公式:,18,式中：,n,转速（r/min）；,U,a,电枢电压（V）；,I,a,电枢电流（A）；,R,a,电枢回路总电阻（,）；,励磁磁通（Wb）；,C,e,由电机结构决定的电动势常数。,1.2.1 控制方式,调节电动机转速的三种方法：,调节电枢供电电压,U,a,改变电枢回路电阻,R,a,减弱励磁磁通,19,三种调速方法的性能与比较：,1.,改变电阻R,a,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滑调速。,20,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,来控制电动机的转速，叫,电枢控制,。,把,控制信号加在励磁绕组,上，通过,控制磁通,来控制电动机的转速，叫,磁场控制,。,21,22,1.,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；反之转速就降低。电枢电压等于零时，电机不转。电枢电压改变极性时，电机反转。,图1-1 电枢控制原理图,1.2.1 控制方式,电枢绕组电压保持不变，改变励磁回路的电压。若电动机的负载转矩不变，当升高励磁电压时，励磁电流增加，主磁通增加，电机转速就降低；反之，转速升高。改变励磁电压的极性，电机转向随之改变。,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。,23,2磁场控制,T,e,=,T,L,+ T,0,伺服电动机的运行特性包括,机械特性,和,调节特性,。,24,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 。,把 代入式 得,为理想空载转速； ,为直线的斜率。,1.2.2 运行特性,1. 机械特性,25,图1-2 直流伺服电动机的机械特性,机械特性为一直线,1.2.2 运行特性,n,0,- 理想空载转速,T,K,- 堵转转矩,-直线斜率,（1）,n,0,、,T,e,、k,的物理意义,理想空载转速,n,0,：,n,0,是电磁转矩,T,e,=0时的转速，由于电机空载时,T,e,=,T,0,，电机的空载转速低于理想空载转速。,26,1.2.2 运行特性,（1）,n,0,、,T,e,、k,的物理意义,27,堵转转矩,T,k,：,T,k,是转速,n,=0时的电磁转矩。,1.2.2 运行特性,（1）,n,0,、,T,e,、k,的物理意义,28,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。,1.2.2 运行特性,29,n,0,和,T,k,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。,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。,（2）电枢电压对机械特性的影响,调节特性,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,由 得,30,为特性曲线的斜率；,为由负载阻转矩决定的常数。,2. 调节特性,31,图1-4 直流伺服电动机的调节特性,调节特性为一上翘的直线。,U,a0,始动电压,K,1,特性斜率,始动电压,U,a0,：,U,a0,是电动机处在待动而又未动临界状态时的控制电压。,32,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,U,a0,一段范围内，电机不转动，故把此区域称为电动机的,死区,。,（1）,U,a0,和,k,1,的物理意义,33,斜率,k,1,： 是由电机本身参数决定的常数，与负载无关。,（1）,U,a0,和,k,1,的物理意义,总阻转矩,T,s,变化时， ，斜率,k,1,保持不变。,因此对应于不同的总阻转矩 ，可以得到一组相互平行的调节特性。,34,图1-5 不同负载时的调节特性,（2）总阻转矩对调节特性的影响,35,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。,3直流伺服电动机低速运转的不稳定性,36,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,T,0,不稳定，因而导致总阻转矩不稳定。,（2）解决的措施,稳速控制电路：使转速平稳。,直流力矩电动机: 低速稳定性好。,37,动态特性,是指在,电枢控制,条件下，在电枢绕组上,加阶跃电压时,，电机转速,n,和电枢电流,i,a,随时间变化的规律,。产生过渡过程的原因是电机中存在,机械惯性,和,电磁惯性,。,1.3 直流伺服电动机的动态特性,1.3.1过渡过程中的电机方程,电压平衡方程式,转矩平衡方程式,其中,38,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 ，这样 。,由 和 可得,把,i,a,和 代入 ，两边乘以得,39,令 为机电时间常数；,为电气时间常数；,为理想空载转速，则上式可化为,是转速的二阶微分方程，对已制成的电机而言,都是常数。,40,41,42,1.3.2转速随时间的变化规律,对于二阶常系数非齐次常微分方程,进行拉氏变换得,特征方程为,其两个根为,转速表达式为,43,由初始条件，,时，转速 ，加速度 ，故有,由此解得,转速随时间的变化规律为,用同样的分析方法，可找出过渡过程中电枢电流,随时间的变化规律,1.3.2转速随时间的变化规律,44, 当,时，由 ， 和 两根都为负实数。,由 和 可知，,电枢电感 较小、 电枢电阻 较大、转动惯量 较大时是这种情况。,1.3.3过渡过程曲线,在过渡过程中，转速和电流随时间的变化是非周期的。,图1-6 在 时, 的过渡过程,45,由 和 可知，,电枢电感 较大、 电枢电阻 较小、转动惯量 较小时，就会出现这种振荡现象。,图1-7 在 时, 的过渡过程,(2) 当,时，由 ， 和 两根是共轭复数。,在过渡过程中，转速和电流随时间的变化是周期性的。,1.3.3过渡过程曲线,46, 当,时（多数情况满足这一条件）， 很小可以忽略不计。,此时转速,n,为按指数上升的曲线，,为按指数下降的曲线。,可简化为一阶微分方程,其解为,同样可得,于是式,图1-8 在 时, 的过渡过程,1.3.3过渡过程曲线,47,把,代入,，得,实用上，,被定义为转速从零升到空载转速的63.2%所需的时间。,把,代入 ，可得, 关于机电时间常数,机电时间常数定义,：电机在空载状态下，励磁绕组加额定励磁电压，电,枢加阶跃额定控制电压时，转速从零升到理想空载转速的63.2%所需的,时间。,可认为过渡过程基本结束，所以,为过渡过程所需时间。,1.3.3过渡过程曲线,48,1.3.4机电时间常数,与电机参数的关系,机电时间常数与机械特性的斜率,k,是正比关系，即机械特性的斜率越小，特性越硬，机电时间常数越小，过渡过程越短；反之就越长。,一般直流伺服电动机的机电时间常数大约在十几毫秒到几十毫秒之间。,机电时间常数与旋转部分的转动惯量,J,、电枢回路的电阻,成正比。,机电时间常数还可以表示为,1.3.3过渡过程曲线,49,结构,1.4 特种直流伺服电动机,1.4.1 直流力矩电动机,直流力矩电动机就是为满足低转速大转矩负载的需要而设计制造的电机。,直流力矩电动机一般做成圆盘状，电枢长度和直径之比一般为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 直流力矩电动机结构示意图,1-定子；2-电枢铁心；3-电枢绕组；4-槽楔；5-电刷；6-刷架,50,为什么做成圆盘状？,在电枢电动势,、每极磁通 和导体电流 相同的条件下，增加导体数,N,和极对数,p,，能使转速,n,降低，电磁转矩,T,e,增大。,增加电枢直径，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 的增加，使电机定子内径变大，可以放置更多的磁极。,特点,电机转速低、转矩大，能够长期在堵转或低速状态下运行；反应速度快、转矩和转速波动小；机械特性和调节特性线性度好。,1.4.1 直流力矩电动机,51,1.4.2 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又称动圈式直流伺服电动机。,结构,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要有足够的气隙，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,52,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； 力矩波动小，低速转动平稳，噪音很小；换向性能好，寿命长。,特点,杯形转子直流伺服电动机已系列化生产，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测量装置等设备中。,1.4.2 低惯量直流伺服电动机,53,2印制绕组直流伺服电动机,结构,转子呈薄片圆盘状，厚度一般为(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，在电机中形成轴向的平面气隙。,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,54,性能特点,电机结构简单，制造成本低；起动转矩大；力矩波动很小，低速运行稳定；换向性能好；电枢转动惯量小，反应快，机电时间常数一般为(1015) ms。,3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表面，用环氧树脂固化成型并与铁心粘结在一起。气隙尺寸比普通的直流伺服电动机大10倍以上。,结构,特点,转动惯量低；起动转矩大；反应快；低速运行均匀；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,55,1.5 直线直流电动机,直线直流电动机把直流电压转换为直线位移或速度。按励磁方式可分为,永磁式,和,电磁式,两大类。,1. 永磁式直线直流电动机,永磁式直线直流电动机，按照它的结构可分为,动圈型,和,动铁型,两种。,动圈型的结构与原理,图1-12 动圈型直线永磁直流电动机原理结构图,1-移动线圈；2-永久磁钢；3-软铁,永久磁钢在气隙中产生磁场，当可移动线圈中通入直流电流时，便产生电磁力,方向可由左手定则确定，改变直流电流的大小和方向，可改变电磁力的大小和方向。,56,动圈型直线直流电机的典型实用结构,如图为平面矩形磁钢的直线电动机，它结构简单，但线圈端部没有得到利用；漏磁通大，即磁钢未得到充分利用。,图1-13矩形磁钢动圈型直线永磁直流电动机,1-矩形磁钢；2-软铁；3-移动线圈,如图为环形磁钢的直线电动机，其结构主要是圆筒形的，导体的有效长度能得到充分利用。,图1-14环形磁钢动圈型直线永磁直流电动机,1-环形磁钢；2-圆筒形导磁体；3-移动线圈,1.5 直线直流电动机,57,动铁型永磁直线直流电动机,图1-15动铁型直线永磁直流电动机,1-固定线圈；2-电刷；3-永久磁钢；4-软铁,动铁型永磁直线直流电动机的结构如1-15所示，在,个软铁框架上套有线圈，该线圈的长度要包括整个行程。,这种结构形式的线圈流过电流时，不工作的部分要白白消耗能量。为了降低电能的消耗，可将绕组的外表面进行加工使导体裸露出来，通过安装在磁极上的电刷把电流引入线圈中。当磁钢移动时，电刷跟着滑动，只让线圈的工作部分通电，电动机的运行效率可以提高。,由于电刷存在磨损，故可靠性和寿命降低。另外，它的电枢较长，电枢线圈用铜量较大。优点是电动机行程可做得很长。,1.5 直线直流电动机,58,2. 电磁式直线直流电动机,电磁式直线直流电动机也有,动圈型,和,动铁型,两种。,动圈型,励磁线圈通电后产生磁通与移动线圈的通电导体相互作用产生电磁力，克服滑轨上的静摩擦力，移动线圈便作直线运动。,图1-16 电磁式动圈型直线直流电动机,1-移动线圈；2-励磁线圈,对于动圈型电动机，电磁式的成本要比永磁式低，但多了一项励磁损耗。,1.5 直线直流电动机,59,动铁型,电磁式动铁型直线直流电动机通常做成多极式，如图1-17所示。当环形励磁线圈通电时，便产生磁通，径向穿过气隙和电枢线圈。径向气隙磁场与通电的电枢线圈相互作用产生轴向电磁力，推动磁极作直线运动。,电刷安装在磁极上随磁极运动。电刷在剥出漆皮的电枢线圈表面滑动就相当于电刷在换向器上移动，以保证在某极下电枢线圈的电流方向在运动中始终不变，从而保证电枢始终受到一定方向的电磁力。,图1-17 电磁式动铁型多极直线直流电动机,1-励磁线圈；2-软铁；3-电枢线圈；4-电刷,1.5 直线直流电动机,