直流伺服電機2012

1、直流伺服電機直流伺服電動機及驅(qū)動控制技術(shù)直流伺服電動機及驅(qū)動控制技術(shù)3.1 概述概述3.2 永磁直流伺服電機結(jié)構(gòu)及工作原理永磁直流伺服電機結(jié)構(gòu)及工作原理 3.3 直流伺服電動機的動態(tài)特性直流伺服電動機的動態(tài)特性3.4 特種直流伺服電動機特種直流伺服電動機3.5 直線直流電動機直線直流電動機3.6永磁直流伺服電機功率放大器永磁直流伺服電機功率放大器直流伺服電機2. 伺服電動機的一般規(guī)律伺服電動機的一般規(guī)律 普通直流伺服電動機直流伺服電動機直流伺服電動機 低慣量直流伺服電動機 直流力矩電動機 兩相感應伺服電動機交流伺服電動機交流伺服電動機 三相感應伺服電動機 無刷永磁伺服電動機直線伺服電動機直線伺

2、服電動機 電機為直線運動1. 伺服電動機的概念伺服電動機的概念伺服電動機又稱為執(zhí)行電動機，其功能是把輸入的電壓信號變換成可控的轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出。直流伺服電機一般規(guī)律一般規(guī)律u伺服電機的定子和轉(zhuǎn)子由永磁體或鐵芯線圈構(gòu)成。伺服電機的定子和轉(zhuǎn)子由永磁體或鐵芯線圈構(gòu)成。u永磁體產(chǎn)生磁場，而鐵芯線圈通電后也會產(chǎn)生磁場。永磁體產(chǎn)生磁場，而鐵芯線圈通電后也會產(chǎn)生磁場。u定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生力矩，使電機帶定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生力矩，使電機帶動負載運動，從而通過磁的形式將電能轉(zhuǎn)換為機械動負載運動，從而通過磁的形式將電能轉(zhuǎn)換為機械能。能。直流伺服電機一般規(guī)律一般規(guī)律u永磁體或鐵芯線圈產(chǎn)生

3、磁場的根源是存在著磁通勢。永磁體或鐵芯線圈產(chǎn)生磁場的根源是存在著磁通勢。u永磁體的磁通勢是常量，大小由體積和材料導磁性能決永磁體的磁通勢是常量，大小由體積和材料導磁性能決定，方向是由定，方向是由N極指向極指向S極。極。u而鐵芯線圈產(chǎn)生的磁通勢遵循如下的關(guān)系式：而鐵芯線圈產(chǎn)生的磁通勢遵循如下的關(guān)系式： Fm=IW安匝安匝 式中式中Fm磁通勢，或簡稱磁勢；磁通勢，或簡稱磁勢； I線圈中流過的電流；線圈中流過的電流； W線圈匝數(shù)，或繞組匝數(shù)。線圈匝數(shù)，或繞組匝數(shù)。u在同樣鐵芯下，線圈匝數(shù)越多，通過線圈的電流越大，在同樣鐵芯下，線圈匝數(shù)越多，通過線圈的電流越大，產(chǎn)生的磁通勢越大。磁勢的方向與線圈中的電

4、流成右螺旋產(chǎn)生的磁通勢越大。磁勢的方向與線圈中的電流成右螺旋關(guān)系。關(guān)系。u磁勢是即有大小又有方向的量，可用矢量表示。磁勢是即有大小又有方向的量，可用矢量表示。直流伺服電機電機理論指出：電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為電機理論指出：電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為式中式中 Fr , Fs轉(zhuǎn)、定子磁勢的幅值；轉(zhuǎn)、定子磁勢的幅值； r-s 轉(zhuǎn)、定子磁勢之間的夾角。轉(zhuǎn)、定子磁勢之間的夾角。要想增大力矩，必須增大定、轉(zhuǎn)子磁勢。要想增大力矩，必須增大定、轉(zhuǎn)子磁勢。當定子磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢相互垂直時，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大。當定子磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢相互垂直時，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大。電機統(tǒng)一理論是所有電機工作的基礎(chǔ)。電機統(tǒng)一理論是所有電機工作的基礎(chǔ)。一般規(guī)律一般

5、規(guī)律sin()TFr FsrsTFrFs 直流伺服電機一般規(guī)律一般規(guī)律電機的基本運動方程電機的基本運動方程式中式中 T電機轉(zhuǎn)矩電機轉(zhuǎn)矩, 單位為單位為Nm； Tf負載轉(zhuǎn)矩，單位為負載轉(zhuǎn)矩，單位為Nm； J電機轉(zhuǎn)子及負載的轉(zhuǎn)動慣量，單位為電機轉(zhuǎn)子及負載的轉(zhuǎn)動慣量，單位為Kgm2； 電機位置，單位為電機位置，單位為radu電機的基本運動方程指出電機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。電機的基本運動方程指出電機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。u在負載一定條件下，只有改變電機轉(zhuǎn)矩才能改變電機轉(zhuǎn)速。在負載一定條件下，只有改變電機轉(zhuǎn)矩才能改變電機轉(zhuǎn)速。 當電機轉(zhuǎn)矩大于負載轉(zhuǎn)矩時，電機產(chǎn)生加速運動；當電機轉(zhuǎn)矩大于負載轉(zhuǎn)矩時，電機產(chǎn)

6、生加速運動； 當電機轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩時，電機產(chǎn)生減速運動；當電機轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩時，電機產(chǎn)生減速運動； 當電機轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩時，電機恒速運動。當電機轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩時，電機恒速運動。u電機及負載轉(zhuǎn)動慣量是影響速度變化的另一主要因素電機及負載轉(zhuǎn)動慣量是影響速度變化的另一主要因素fdTJTd t直流伺服電機u負載的加速度要求和轉(zhuǎn)動慣量對選擇伺服電機是很重要的。負載的加速度要求和轉(zhuǎn)動慣量對選擇伺服電機是很重要的。u如果要求負載以高加速度運動或負載的轉(zhuǎn)動慣量較大，即如果要求負載以高加速度運動或負載的轉(zhuǎn)動慣量較大，即使負載轉(zhuǎn)矩很小，也可能需要大轉(zhuǎn)矩的電機；使負載轉(zhuǎn)矩很小，也可能需要大轉(zhuǎn)矩的電機；u反之

7、，如果負載要求的加速度很小或負載的轉(zhuǎn)動慣量較小，反之，如果負載要求的加速度很小或負載的轉(zhuǎn)動慣量較小，即使負載轉(zhuǎn)矩很大，也可能小轉(zhuǎn)矩的電機就能滿足要求。即使負載轉(zhuǎn)矩很大，也可能小轉(zhuǎn)矩的電機就能滿足要求。fdTJTd t一般規(guī)律一般規(guī)律電機的基本運動方程電機的基本運動方程直流伺服電機一般規(guī)律一般規(guī)律伺服電機的四象限運行伺服電機的四象限運行 u伺服系統(tǒng)常要求伺服電機即能正向運動，又能反伺服系統(tǒng)常要求伺服電機即能正向運動，又能反向運動；即能加速運動又能減速運動。這就向運動；即能加速運動又能減速運動。這就要求要求電機力矩的大小及方向都能改變。電機力矩的大小及方向都能改變。fdTJTd t直流伺服電機u電

8、機的這種力矩一速度關(guān)系可以電機的這種力矩一速度關(guān)系可以4象限形式象限形式表示出來表示出來u電機在做正向或反向的加速或勻速運動時，輸出力矩和速電機在做正向或反向的加速或勻速運動時，輸出力矩和速度的方向一致，電機產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩度的方向一致，電機產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩“推推”動電機旋轉(zhuǎn)，這動電機旋轉(zhuǎn)，這種狀態(tài)稱為種狀態(tài)稱為電動狀態(tài)電動狀態(tài)；u當電機做正向或反向的減速運動時，力輸出矩和速度的方當電機做正向或反向的減速運動時，力輸出矩和速度的方向相反，電機產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩；向相反，電機產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩；“拉拉”動電機停止，這種狀動電機停止，這種狀態(tài)稱為態(tài)稱為制動狀態(tài)制動狀態(tài)。一般規(guī)律一般規(guī)律伺服電機的四象限運行伺服電機的四

9、象限運行 直流伺服電機 典型電梯典型電梯u四象限運行能力是伺服電機與一般電機區(qū)別的一四象限運行能力是伺服電機與一般電機區(qū)別的一個重要標志。個重要標志。u它要求電機能提供方向及大小均可控制的轉(zhuǎn)矩和它要求電機能提供方向及大小均可控制的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速。一般規(guī)律一般規(guī)律伺服電機的四象限運行伺服電機的四象限運行 直流伺服電機u 力矩和速度的可控性力矩和速度的可控性u 快速響應能力快速響應能力u 寬調(diào)速范圍寬調(diào)速范圍u 較高的過載能力較高的過載能力u 具有頻繁起、制動具有頻繁起、制動的能力3. 控制系統(tǒng)對伺服電動機的基本要求控制系統(tǒng)對伺服電動機的基本要求直流伺服電機3.2 永磁直流伺服電機結(jié)構(gòu)及工作原理

10、 1、永磁直流伺服電機的結(jié)構(gòu)、永磁直流伺服電機的結(jié)構(gòu)2、永磁直流伺服電機的工作原理、永磁直流伺服電機的工作原理直流伺服電機3.2.1 永磁直流伺服電機的結(jié)構(gòu)永磁直流伺服電機的結(jié)構(gòu)u由定子磁極、轉(zhuǎn)子電樞和換向機構(gòu)組成；由定子磁極、轉(zhuǎn)子電樞和換向機構(gòu)組成；u定子磁極一般為瓦狀永磁體，可為兩極或多極結(jié)構(gòu)；定子磁極一般為瓦狀永磁體，可為兩極或多極結(jié)構(gòu)；u轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)有多種形式，最常見的是在有槽鐵心內(nèi)鋪設(shè)繞轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)有多種形式，最常見的是在有槽鐵心內(nèi)鋪設(shè)繞組的結(jié)構(gòu)。鐵芯由沖壓成的硅鋼片一類材料迭壓而成；組的結(jié)構(gòu)。鐵芯由沖壓成的硅鋼片一類材料迭壓而成；u換向機構(gòu)由換向環(huán)和電刷構(gòu)成。繞組導線連接到換向片上，換

11、向機構(gòu)由換向環(huán)和電刷構(gòu)成。繞組導線連接到換向片上，電流通過電刷及換向片引入到繞組中。電流通過電刷及換向片引入到繞組中。 直流伺服電機3.2.2 永磁直流伺服電機的工作原理永磁直流伺服電機的工作原理u 轉(zhuǎn)矩的方向?qū)⑹罐D(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)以后，夾角的變化將使轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的方向?qū)⑹罐D(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)以后，夾角的變化將使轉(zhuǎn)矩的大小及方向都發(fā)生變化，這將使電機轉(zhuǎn)子來回擺動。矩的大小及方向都發(fā)生變化，這將使電機轉(zhuǎn)子來回擺動。u 要想維持電機單方向穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，必須維持要想維持電機單方向穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，必須維持dFr的方向不變；使的方向不變；使 保保持不變。持不變。u 而且如果能使而且如果能使 u 即即定子磁

12、勢和轉(zhuǎn)子磁勢相互垂直，則能得到最大轉(zhuǎn)矩定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢相互垂直，則能得到最大轉(zhuǎn)矩。 sin()dTdFr Fsrssr2sr直流伺服電機u電樞有多個線圈，每個線圈電樞有多個線圈，每個線圈產(chǎn)生的磁勢矢量相加得到合產(chǎn)生的磁勢矢量相加得到合成磁勢。成磁勢。u這僅使電機力矩更大一些，這僅使電機力矩更大一些，合成磁勢的方向依然隨轉(zhuǎn)子合成磁勢的方向依然隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而改變。力矩的大小及旋轉(zhuǎn)而改變。力矩的大小及方向改變的問題依然存在。方向改變的問題依然存在。u假如我們在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，能假如我們在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，能通過電流換向，始終保證電通過電流換向，始終保證電樞幾何中性面以上的全部繞樞幾何中性面以上的全部繞組端子為

13、電流流進，下面的組端子為電流流進，下面的繞組端子為電流流出，就能繞組端子為電流流出，就能保證轉(zhuǎn)子合成磁勢的方向不保證轉(zhuǎn)子合成磁勢的方向不變，且與定子磁勢垂直。變，且與定子磁勢垂直。u這個工作是由換向機構(gòu)完成這個工作是由換向機構(gòu)完成的。的。 3.2.2 永磁直流伺服電機的工作原理永磁直流伺服電機的工作原理直流伺服電機 u由于換向環(huán)和電刷的作用，當電樞旋轉(zhuǎn)時，每一個經(jīng)過電由于換向環(huán)和電刷的作用，當電樞旋轉(zhuǎn)時，每一個經(jīng)過電刷的繞組，其電流的方向都被自動改變，轉(zhuǎn)子的合成磁勢刷的繞組，其電流的方向都被自動改變，轉(zhuǎn)子的合成磁勢維持方向不變。這保證了在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁維持方向不變。這保證了在轉(zhuǎn)子旋

14、轉(zhuǎn)時定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢總是相互垂直。勢總是相互垂直。3.2.2 永磁直流伺服電機的工作原理永磁直流伺服電機的工作原理直流伺服電機力矩的波動力矩的波動u由于換向片的數(shù)目是有限的，由于換向片的數(shù)目是有限的，轉(zhuǎn)子磁勢的方向會有微小的轉(zhuǎn)子磁勢的方向會有微小的變化。這將導致力矩的波動。變化。這將導致力矩的波動。u當電機高速旋轉(zhuǎn)時，由于電機轉(zhuǎn)子和負載慣量的平滑作用，當電機高速旋轉(zhuǎn)時，由于電機轉(zhuǎn)子和負載慣量的平滑作用，這個影響可以忽略。這個影響可以忽略。u但當電機工作在低速狀態(tài)時，可能會產(chǎn)生問題。但當電機工作在低速狀態(tài)時，可能會產(chǎn)生問題。u可增加繞組、換向片或定子的極對數(shù)解決這個問題?？稍黾永@組、換向片或定

15、子的極對數(shù)解決這個問題。3.2.2 永磁直流伺服電機的工作原理永磁直流伺服電機的工作原理直流伺服電機3.3 永磁直流伺服電機工作特性永磁直流伺服電機工作特性1、數(shù)學模型、數(shù)學模型2、靜態(tài)特性、靜態(tài)特性3、動態(tài)特性、動態(tài)特性直流伺服電機力矩和電流的關(guān)系：力矩和電流的關(guān)系：式中式中 Fs, Fr 定、轉(zhuǎn)子磁勢的幅值；定、轉(zhuǎn)子磁勢的幅值； s ， r 定、轉(zhuǎn)子磁勢之間的夾角。定、轉(zhuǎn)子磁勢之間的夾角。因為因為 Fs =常量，常量，F(xiàn)r =IW，所以當線圈匝數(shù)，所以當線圈匝數(shù)W保持一定時，保持一定時， T=Kt I u 即力矩完全由電流控制，力矩大小及方向由電樞電流大小及極性決即力矩完全由電流控制，力矩

16、大小及方向由電樞電流大小及極性決定。定。u 力矩系數(shù)力矩系數(shù) Kt與電樞繞組匝數(shù)及定子磁極的磁通勢有關(guān)，其單位為與電樞繞組匝數(shù)及定子磁極的磁通勢有關(guān)，其單位為Nm/A。sin()srTFs Fr直流伺服電機fdTJTdt 電機基本運動方程：電機基本運動方程：直流伺服電機反電勢和轉(zhuǎn)速的關(guān)系反電勢和轉(zhuǎn)速的關(guān)系u電樞旋轉(zhuǎn)時切割定子磁極的磁力線，根據(jù)電磁感電樞旋轉(zhuǎn)時切割定子磁極的磁力線，根據(jù)電磁感應定律，這將在電樞繞組中產(chǎn)生感應電勢應定律，這將在電樞繞組中產(chǎn)生感應電勢e，其值，其值為為 ： u即即感應電勢正比于電機轉(zhuǎn)速感應電勢正比于電機轉(zhuǎn)速, 系數(shù)系數(shù)Ke與電樞繞組匝與電樞繞組匝數(shù)及定子磁極磁勢有關(guān)，

17、其單位為數(shù)及定子磁極磁勢有關(guān)，其單位為伏伏/弧度弧度/秒秒u感應電勢出現(xiàn)在電刷兩端，與電刷上所加的電樞感應電勢出現(xiàn)在電刷兩端，與電刷上所加的電樞電壓方向相反，因此常稱做電壓方向相反，因此常稱做反電勢反電勢。eeK直流伺服電機 電壓平衡方程式電壓平衡方程式 電樞的等效電路電樞的等效電路根據(jù)基爾霍夫電壓定律根據(jù)基爾霍夫電壓定律電樞回路電壓方程式電樞回路電壓方程式為：為：式中式中 Ua、ia電樞電壓、電樞電流；電樞電壓、電樞電流； L、R電樞等效電感、等效電阻；電樞等效電感、等效電阻； e反電勢。反電勢。eRidtdiLUaaa直流伺服電機u由電樞回路電壓方程式可見，真正產(chǎn)生力矩的電壓等于加由電樞回

18、路電壓方程式可見，真正產(chǎn)生力矩的電壓等于加到繞組上的電壓減去反電勢，電機的反電勢常數(shù)在設(shè)計時到繞組上的電壓減去反電勢，電機的反電勢常數(shù)在設(shè)計時這樣考慮：當電機工作在額定轉(zhuǎn)速時，這樣考慮：當電機工作在額定轉(zhuǎn)速時，Ua-e的值必須能產(chǎn)的值必須能產(chǎn)生足夠的電流，以使電機能產(chǎn)生額定力矩。生足夠的電流，以使電機能產(chǎn)生額定力矩。eRidtdiLUaaa直流伺服電機3.3.2 永磁直流伺服電機的工作特性永磁直流伺服電機的工作特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性aaaft adiuLi RedtdTJTdtTK ieKe0;0adidLJdtdtuafeteRTKK K靜態(tài)特性：靜態(tài)特性：電機的動態(tài)加速過程已經(jīng)結(jié)束，進入恒速

19、恒力矩電機的動態(tài)加速過程已經(jīng)結(jié)束，進入恒速恒力矩輸出狀態(tài)時的特性輸出狀態(tài)時的特性 直流伺服電機圖 1-2 直流伺服電動機的機械特性機械特性為一直線0ennkTuafeteRTKK K1. 機械特性機械特性機械特性是指電樞電壓等于常數(shù)時，轉(zhuǎn)速與負載轉(zhuǎn)矩之間機械特性是指電樞電壓等于常數(shù)時，轉(zhuǎn)速與負載轉(zhuǎn)矩之間的函數(shù)關(guān)系。的函數(shù)關(guān)系。3.3.2 永磁直流伺服電機的工作特性永磁直流伺服電機的工作特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性直流伺服電機（1）n0、Tk、k的物理意義的物理意義理想空載轉(zhuǎn)速理想空載轉(zhuǎn)速n0：n0是負載轉(zhuǎn)矩=0時的轉(zhuǎn)速。 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Tk：Tk是轉(zhuǎn)速n=0時的電磁轉(zhuǎn)矩。 機械特性的斜率機械特性的斜

20、率k ：斜率k前面的負號表示直線是下傾的。斜率k的大小直接表示了電動機電磁轉(zhuǎn)矩變化所引起的轉(zhuǎn)速變化程度。斜率k大，轉(zhuǎn)矩變化時轉(zhuǎn)速變化大，機械特性軟。反之，斜率k小，機械特性就硬。3.3.2 永磁直流伺服電機的工作特性永磁直流伺服電機的工作特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性直流伺服電機（2）電樞電壓對機械特性的影響）電樞電壓對機械特性的影響n0和和Tk都與電樞電壓成正比，而斜率都與電樞電壓成正比，而斜率k則與電樞電壓無關(guān)。則與電樞電壓無關(guān)。對應于不同的電樞電壓可以得到一組相互平行的機械特性曲線。對應于不同的電樞電壓可以得到一組相互平行的機械特性曲線。 圖 1-3 不同控制電壓時的機械特性0ennkTuafet

21、eRTKK K3.3.2 永磁直流伺服電機的工作特性永磁直流伺服電機的工作特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性直流伺服電機2. 調(diào)節(jié)（控制）特性調(diào)節(jié)（控制）特性調(diào)節(jié)特性是指負載轉(zhuǎn)矩不變時，電機轉(zhuǎn)速與電樞電壓之間的函數(shù)調(diào)節(jié)特性是指負載轉(zhuǎn)矩不變時，電機轉(zhuǎn)速與電樞電壓之間的函數(shù)關(guān)系，即：關(guān)系，即：1ankUA1kA為特性曲線的斜率；為由負載阻轉(zhuǎn)矩決定的常數(shù)。uafeteRTKK K控制特性為一上翹的直線。 始動電壓 特性斜率a0U1k3.3.2 永磁直流伺服電機的工作特性永磁直流伺服電機的工作特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性直流伺服電機（1） Ua0和和k1的物理意義的物理意義斜率斜率k1： 是由電機本身參數(shù)決定的常數(shù)，與負載

22、無關(guān)。是由電機本身參數(shù)決定的常數(shù)，與負載無關(guān)。始動電壓始動電壓Ua0： Ua0是電動機處在待動而又未動臨界狀態(tài)時的控制電壓。是電動機處在待動而又未動臨界狀態(tài)時的控制電壓。當當n=0時，便可求得。負載轉(zhuǎn)矩越大，始動電壓越高。而且控制電壓時，便可求得。負載轉(zhuǎn)矩越大，始動電壓越高。而且控制電壓從從0到到Ua0一段范圍內(nèi)，電機不轉(zhuǎn)動，故把此區(qū)域稱為電動機的一段范圍內(nèi)，電機不轉(zhuǎn)動，故把此區(qū)域稱為電動機的死區(qū)死區(qū)。1k1ankUAuafeteRTKK K3.3.2 永磁直流伺服電機的工作特性永磁直流伺服電機的工作特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性直流伺服電機（2）負載轉(zhuǎn)矩對調(diào)節(jié)特性的影響）負載轉(zhuǎn)矩對調(diào)節(jié)特性的影響負載轉(zhuǎn)

23、矩變化時，斜率k1保持不變。因此對應于不同的負載轉(zhuǎn)矩，可以得到一組相互平行的調(diào)節(jié)特性。3直流伺服電動機低速運轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性直流伺服電動機低速運轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性當電動機轉(zhuǎn)速很低時，轉(zhuǎn)速就不均勻，出現(xiàn)時快、時慢，甚至暫時停一下的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為直流伺服電動機低速運轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性。（1）低速運轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定的原因）低速運轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定的原因電樞齒槽的影響電樞齒槽的影響 低速時，反電動勢的平均值很小，因而電樞齒槽效應等引起電動勢脈動的影響增大，導致電磁轉(zhuǎn)矩波動比較明顯。3.3.1 永磁直流伺服電機的工作特性永磁直流伺服電機的工作特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性直流伺服電機 電刷接觸壓降的影響電刷接觸壓降的影響 低速時，控制電壓

24、很低，電刷和換向器之間的接觸壓降開始不穩(wěn)定，影響電樞上有效電壓的大小，從而導致輸出轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定。 電刷和換向器之間摩擦的影響電刷和換向器之間摩擦的影響 低速時，電刷和換向器之間的摩擦轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，造成電機本身的阻轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定。（2）解決的措施）解決的措施 穩(wěn)速控制電路 直流力矩電動機3.3.2 永磁直流伺服電機的工作特性永磁直流伺服電機的工作特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性直流伺服電機 u由調(diào)節(jié)特性可見，同樣負載條件下，轉(zhuǎn)速和電壓成線性關(guān)由調(diào)節(jié)特性可見，同樣負載條件下，轉(zhuǎn)速和電壓成線性關(guān)系，系，轉(zhuǎn)速的高低及方向完全由電樞電壓的幅值和極性決定轉(zhuǎn)速的高低及方向完全由電樞電壓的幅值和極性決定u由機械特性可見，同樣電樞

25、電壓下，由機械特性可見，同樣電樞電壓下，負載變大時，電機轉(zhuǎn)負載變大時，電機轉(zhuǎn)速將降低速將降低，這個特性可由速度回路加以改善。，這個特性可由速度回路加以改善。uafeteRTKK K調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性 機械特性機械特性3.3.2 永磁直流伺服電機的工作特性永磁直流伺服電機的工作特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性直流伺服電機3.3直流伺服電動機的動態(tài)特性直流伺服電動機的動態(tài)特性3.3.1過渡過程中的電機方程過渡過程中的電機方程3.3.2直流伺服電動機的動態(tài)特性直流伺服電動機的動態(tài)特性直流伺服電機動態(tài)特性是指在電樞控制條件下，在電樞繞組上加階躍電壓動態(tài)特性是指在電樞控制條件下，在電樞繞組上加階躍電壓時，電機轉(zhuǎn)速時，

26、電機轉(zhuǎn)速n和電樞電流和電樞電流ia隨時間變化的規(guī)律。產(chǎn)生過渡過隨時間變化的規(guī)律。產(chǎn)生過渡過程的原因是電機中存在程的原因是電機中存在機械慣性機械慣性和和電磁慣性電磁慣性。 3.3直流伺服電動機的動態(tài)特性直流伺服電動機的動態(tài)特性3.3.1過渡過程中的電機方程過渡過程中的電機方程電壓平衡方程式 轉(zhuǎn)矩平衡方程式力矩和電流關(guān)系反電勢和轉(zhuǎn)速的關(guān)系aaaft adiuLi RedtdTJTdtTK ieKe直流伺服電機3.3直流伺服電動機的動態(tài)特性直流伺服電動機的動態(tài)特性微分方程求解方法 直流伺服電機 一、拉普拉斯變換的定義dtetfsFst 0)()(:)(tf時域函數(shù)，原函數(shù)，t 0 時等于0。:)(s

27、Ff(t)的拉普拉斯變換，復頻域函數(shù)s = + j 復頻率u 拉氏變換拉氏變換即拉普拉斯變換。為簡化計算而建立的實變即拉普拉斯變換。為簡化計算而建立的實變量函數(shù)和復變量函數(shù)間的一種函數(shù)變換。拉普拉斯變量函數(shù)和復變量函數(shù)間的一種函數(shù)變換。拉普拉斯變換的這種運算步驟對于求解線性微分方程尤為有效，換的這種運算步驟對于求解線性微分方程尤為有效，它可把微分方程化為容易求解的代數(shù)方程來處理，從它可把微分方程化為容易求解的代數(shù)方程來處理，從而使計算簡化。而使計算簡化。3.3直流伺服電動機的動態(tài)特性直流伺服電動機的動態(tài)特性直流伺服電機 L變換重要定理變換重要定理（2）微分定理（5）位移定理（1）線性性質(zhì)（3）

28、積分定理（4）延遲定理（6）初值定理（7）終值定理 (s)Fb(s)Fa(t)fb(t)faL2121 0fsFstfL 0111-fssFsdttfL )()(0sFetfLs )()(AsFtfeLtA )(lim)(lim0sFstfst )(lim)(lim0sFstfst 3.3直流伺服電動機的動態(tài)特性直流伺服電動機的動態(tài)特性直流伺服電機傳遞函數(shù)的定義在零初始條件下(輸入量施加于系統(tǒng)之前，系統(tǒng)處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，即t 10 Te,則：則： 直流伺服電機的動態(tài)特性可由一個比例環(huán)節(jié)和兩個慣性環(huán)直流伺服電機的動態(tài)特性可由一個比例環(huán)節(jié)和兩個慣性環(huán)節(jié)的乘積表示節(jié)的乘積表示。1( )( )(1)

29、(1)eaKsusTmSTeS2211( )( )( )1( )( )11eeamemetetKKsG sJLJRusG s H sT T ST sssK KK KteJRTmK KRLTe TmTe 直流伺服電機u慣性環(huán)節(jié)特點：輸出量不能立即跟隨輸入量的變化，存在慣性環(huán)節(jié)特點：輸出量不能立即跟隨輸入量的變化，存在時間延遲，延遲時間的長短可以用時間常數(shù)時間延遲，延遲時間的長短可以用時間常數(shù)T衡量。衡量。u由于存在著機電時間常數(shù)，電機的轉(zhuǎn)速不能突變；由于存在著機電時間常數(shù)，電機的轉(zhuǎn)速不能突變； u由于存在著電氣時間常數(shù)，電機的電流不能突變；由于存在著電氣時間常數(shù)，電機的電流不能突變； 3.3直流

30、伺服電動機的動態(tài)特性直流伺服電動機的動態(tài)特性u一般直流伺服電動機的機電時間常數(shù)大約在一般直流伺服電動機的機電時間常數(shù)大約在十幾毫秒到幾十毫秒十幾毫秒到幾十毫秒之間。之間。直流伺服電機小結(jié) T=Kt I 力矩完全由電流控制。力矩完全由電流控制。 由調(diào)節(jié)特性和機械特性可見由調(diào)節(jié)特性和機械特性可見轉(zhuǎn)速由電樞電壓控制，轉(zhuǎn)速由電樞電壓控制，但受負載大小影響。但受負載大小影響。 電機中存在著電氣時間常數(shù)和機電時間常數(shù)，受電機中存在著電氣時間常數(shù)和機電時間常數(shù)，受其影響，電樞中電機轉(zhuǎn)速不能突變其影響，電樞中電機轉(zhuǎn)速不能突變。直流伺服電機3.4 特種直流伺服電動機特種直流伺服電動機3.4.1 直流力矩電動機直

31、流力矩電動機3.4.2 低慣量直流伺服電動機低慣量直流伺服電動機直流伺服電機l 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)3.4 特種直流伺服電動機特種直流伺服電動機3.4.1 直流力矩電動機直流力矩電動機直流力矩電動機就是為滿足低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩負載的需要而設(shè)計制造的電機。直流力矩電動機一般做成圓盤狀，電樞長度和直徑之比一般為0.2左右；永磁多極式；槽數(shù)、換向片數(shù)和串聯(lián)導體數(shù)多。圖1-9 直流力矩電動機結(jié)構(gòu)示意圖 1-定子；2-電樞鐵心；3-電樞繞組；4-槽楔；5-電刷；6-刷架直流伺服電機為什么做成圓盤狀？為什么做成圓盤狀？aaUE aIi2aaaD在電樞電動勢 、每極磁通 和導體電流 相同的條件下，增加導體數(shù)N和極對數(shù)p，能使

32、轉(zhuǎn)速n降低，電磁轉(zhuǎn)矩Te增大。增加電樞直徑，可以使電樞槽面積變大，以便把更多的導體放入槽內(nèi)。同時電樞直徑 的增加，使電機定子內(nèi)徑變大，可以放置更多的磁極。l 特點特點可知和由 )(22 )(60 60aeapNaIIapNTnpNanapNEa電機轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩大，能夠長期在堵轉(zhuǎn)或低速狀態(tài)下運行；反應速度快、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動小；機械特性和調(diào)節(jié)特性線性度好。3.4.1 直流力矩電動機直流力矩電動機直流伺服電機3.4.2 低慣量直流伺服電動機低慣量直流伺服電動機1空心杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動機空心杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動機杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動機又稱動圈式直流伺服電動機。l 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)杯形電樞繞組是用導線繞在繞線

33、模上，然后用環(huán)氧樹脂定形做成的。杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)外兩側(cè)有內(nèi)外定子構(gòu)成磁路。轉(zhuǎn)子無鐵心。圖1-10 杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動機l-內(nèi)磁軛；2-電樞繞組；3-永久磁鋼；4-機殼(磁軛)；5-電刷；6-換向器直流伺服電機u低慣量；靈敏度高，時間常數(shù)很小，力矩波動小，低速轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，噪音很?。粨Q向性能好，壽命長。l 特點特點u杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動機已系列化生產(chǎn)，輸出功率從零點幾瓦至幾kW，多用于高精度自動控制系統(tǒng)及測量裝置等設(shè)備中。3.4.2 低慣量直流伺服電動機低慣量直流伺服電動機直流伺服電機2印制繞組（盤式）直流伺服電動機印制繞組（盤式）直流伺服電動機l 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) u轉(zhuǎn)子呈薄片圓盤狀，厚度一般為(1.52)

34、mm，轉(zhuǎn)子的絕緣基片是環(huán)氧玻璃布膠板。膠合在基片兩側(cè)的銅箔用印刷電路制成雙面電樞繞組，電樞導體還兼作換向片。定子由永久磁鋼和前后盤狀軛鐵組成，軛鐵兼作前后端蓋。組成多極的磁鋼膠合在軛鐵一側(cè)，在電機中形成軸向的平面氣隙。 u繞組導體兼作換向器，電刷直接在導體上滑動。圖1-11 印制繞組直流伺服電動機l-后軛鐵(端蓋)；2-永久磁鋼；3-電刷；4-印制繞組；5-機殼；6-前軛鐵(端蓋) 3.4.2 低慣量直流伺服電動機低慣量直流伺服電動機直流伺服電機l 性能特點性能特點電機結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低；力矩波動很小，低速運行穩(wěn)定；由于無鐵心，換向性能好；電樞轉(zhuǎn)動慣量小，反應快。3無槽電樞直流伺服電動機無槽

35、電樞直流伺服電動機電樞鐵心是光滑、無槽的圓柱體。電樞繞組敷設(shè)在光滑電樞鐵心表面，用環(huán)氧樹脂固化成型并與鐵心粘結(jié)在一起。氣隙尺寸比普通的直流伺服電動機大10倍以上。l 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)l 特點特點 由于不存在齒飽和限制，可提高磁通密度和轉(zhuǎn)矩，可減小電樞外徑，形狀細長。轉(zhuǎn)動慣量低；冷卻效果好，啟動電流大，啟動轉(zhuǎn)矩大；反應快；低速運行均勻；換向性能良好。目前電機的輸出功率在幾十瓦10kW。 3.4.2 低慣量直流伺服電動機低慣量直流伺服電動機直流伺服電機3.5 直線直流電動機直線直流電動機 永磁式直線直流電動機永磁式直線直流電動機2. 電磁式直線直流電動機電磁式直線直流電動機 直流伺服電機3.5 直線直流電

36、動機直線直流電動機直線直流電動機把直流電壓轉(zhuǎn)換為直線位移或速度。按勵磁方式可分為永磁式永磁式和電磁式電磁式兩大類。1. 永磁式直線直流電動機永磁式直線直流電動機永磁式直線直流電動機，按照它的結(jié)構(gòu)可分為動圈型動圈型和動鐵型動鐵型兩種。l 動圈型的結(jié)構(gòu)與原理動圈型的結(jié)構(gòu)與原理 圖1-12 動圈型直線永磁直流電動機原理結(jié)構(gòu)圖1-移動線圈；2-永久磁鋼；3-軟鐵永久磁鋼在氣隙中產(chǎn)生磁場，當可移動線圈中通入直流電流時，便產(chǎn)生電磁力alNIBF 方向可由左手定則確定，改變直流電流的大小和方向，可改變電磁力的大小和方向。 直流伺服電機l 動圈型直線直流電機的典型實用結(jié)構(gòu)動圈型直線直流電機的典型實用結(jié)構(gòu)如圖為

37、平面矩形磁鋼的直線電動機，它結(jié)構(gòu)簡單，但線圈端部沒有得到利用；漏磁通大，即磁鋼未得到充分利用。 圖1-13矩形磁鋼動圈型直線永磁直流電動機1-矩形磁鋼；2-軟鐵；3-移動線圈如圖為環(huán)形磁鋼的直線電動機，其結(jié)構(gòu)主要是圓筒形的，導體的有效長度能得到充分利用。圖1-14環(huán)形磁鋼動圈型直線永磁直流電動機 1-環(huán)形磁鋼；2-圓筒形導磁體；3-移動線圈3.5 直線直流電動機直線直流電動機直流伺服電機l 動鐵型永磁直線直流電動機動鐵型永磁直線直流電動機 動鐵型永磁直線直流電動機的結(jié)構(gòu)是在個軟鐵框架上套有線圈，該線圈的長度要包括整個行程。 這種結(jié)構(gòu)形式的線圈流過電流時，不工作的部分要白白消耗能量。為了降低電能

38、的消耗，可將繞組的外表面進行加工使導體裸露出來，通過安裝在磁極上的電刷把電流引入線圈中。當磁鋼移動時，電刷跟著滑動，只讓線圈的工作部分通電，電動機的運行效率可以提高。 由于電刷存在磨損，故可靠性和壽命降低。另外，它的電樞較長，電樞線圈用銅量較大。優(yōu)點是電動機行程可做得很長。3.5 直線直流電動機直線直流電動機2. 電磁式直線直流電動機電磁式直線直流電動機 電磁式直線直流電動機也有動圈型動圈型和動鐵型動鐵型兩種。電磁式的成本要比永磁式低，但多了一項勵磁損耗。 直流伺服電機3.6永磁直流伺服電機功率放大器永磁直流伺服電機功率放大器 功率放大器的輸入是較小的信號功率，輸出是以電樞電壓和電流表示的較高

39、的功率。 功率放大是在控制信號作用下，將電源功率的一部分轉(zhuǎn)換到輸出功率。功率放大器自身也消耗部分功率。直流伺服電機對功率放大器的基本要求 功率放大的效率要高，即驅(qū)動器本身消耗的功率要小。 能在可控條件下實現(xiàn)電機的四象限運行： 能輸出幅值及極性均可改變的電壓實現(xiàn)電機速度 大小及方向的控制。 能輸出幅值及極性均可改變的電流實現(xiàn)電機力矩 大小及方向的控制。 線性功率放大器和線性功率放大器和PWM橋式功率放大器是最常見橋式功率放大器是最常見的兩種功率放大器。的兩種功率放大器。 3.6永磁直流伺服電機功率放大器永磁直流伺服電機功率放大器直流伺服電機T1、T2是一對互補晶體管。是一對互補晶體管。雙電源供電

40、。雙電源供電。當當Ub為正時，為正時，T1導通，導通，T2截止，加到電機電樞繞組上的電壓為正，截止，加到電機電樞繞組上的電壓為正， 電流電流ia產(chǎn)生正向力矩使電機正向旋轉(zhuǎn)。產(chǎn)生正向力矩使電機正向旋轉(zhuǎn)。當當Ub為負電壓時，為負電壓時，T1截止，截止，T2導通，加到電樞繞組上的電壓為負。導通，加到電樞繞組上的電壓為負。電流電流ia產(chǎn)生反向力矩使電機反向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生反向力矩使電機反向旋轉(zhuǎn)電機在正向運行過程中需要減速時，可降低電機在正向運行過程中需要減速時，可降低Ub電壓值，這時由于電電壓值，這時由于電機轉(zhuǎn)速不能突變，初始瞬時機轉(zhuǎn)速不能突變，初始瞬時Ua維持原電壓，并出現(xiàn)維持原電壓，并出現(xiàn)Ua Ub的情況

41、，的情況，這使這使T1截止，截止，T2導通，產(chǎn)生反向電樞電流使電機工作在制動狀態(tài)，導通，產(chǎn)生反向電樞電流使電機工作在制動狀態(tài)，電機開始減速，電機開始減速，Ua逐漸下降，直到再次出現(xiàn)逐漸下降，直到再次出現(xiàn)T2截止，截止，T1導通的狀態(tài)。導通的狀態(tài)。線性功率放大器線性功率放大器 3.6永磁直流伺服電機功率放大器永磁直流伺服電機功率放大器直流伺服電機線性功率放大器線性功率放大器 線性功率放大可使電機在四象限下工作。線性功率放大可使電機在四象限下工作。 但因調(diào)速時兩只晶體管工作在放大狀態(tài)，管壓降總是存在但因調(diào)速時兩只晶體管工作在放大狀態(tài)，管壓降總是存在的，電源功率有相當一部分變成了晶體管發(fā)出的熱量，效

42、的，電源功率有相當一部分變成了晶體管發(fā)出的熱量，效率較低。率較低。 晶體管是電流放大器件，驅(qū)動電路較復雜。晶體管是電流放大器件，驅(qū)動電路較復雜。 需要雙電源供電。需要雙電源供電。3.6永磁直流伺服電機功率放大器永磁直流伺服電機功率放大器直流伺服電機PWM功率放大器功率放大器 PWM : Pulse-Width Modulation 脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制 脈寬調(diào)制電路脈寬調(diào)制電路 H橋橋PWM功放電路功放電路 驅(qū)動電路驅(qū)動電路 泵升電壓限制電路泵升電壓限制電路3.6永磁直流伺服電機功率放大器永磁直流伺服電機功率放大器直流伺服電機脈寬調(diào)制電路脈寬調(diào)制電路 實現(xiàn)電壓控制信號到實現(xiàn)電壓控制信號到脈寬調(diào)制脈

43、寬調(diào)制信號的轉(zhuǎn)換。信號的轉(zhuǎn)換。 占空比占空比:(t2t1)/(Tt1) 脈寬調(diào)制信號的脈寬調(diào)制信號的占空比由控制占空比由控制信號信號Uc的幅值決定。的幅值決定。3.6永磁直流伺服電機功率放大器永磁直流伺服電機功率放大器直流伺服電機 三角波發(fā)生器輸出一固定頻率的三角波電壓信三角波發(fā)生器輸出一固定頻率的三角波電壓信號號Ut，并與控制信號，并與控制信號Uc在比較器在比較器IC5中相比較。中相比較。 當當UcUt時，其輸出為正，當時，其輸出為正，當UcUt時，其輸時，其輸出為負，這樣在其輸出端產(chǎn)生一等幅的方波脈出為負，這樣在其輸出端產(chǎn)生一等幅的方波脈沖序列信號沖序列信號Upwm，信號的占空比由控制信號

44、，信號的占空比由控制信號Uc的幅值決定。的幅值決定。 這個信號經(jīng)二極管這個信號經(jīng)二極管D0的箍位作用削去負半周，的箍位作用削去負半周，然后一路經(jīng)然后一路經(jīng)IC6反相后輸出到功率反相后輸出到功率MOSFET T1、T4的柵極驅(qū)動電路，另一路直接輸出到的柵極驅(qū)動電路，另一路直接輸出到T2、T3的柵極驅(qū)動電路。的柵極驅(qū)動電路。3.6永磁直流伺服電機功率放大器永磁直流伺服電機功率放大器直流伺服電機功率晶體管和功率MOSFET MOSFET :Metal-oxide semiconductor field effect transistor 金屬氧化物半導體場效應晶體管金屬氧化物半導體場效應晶體管 功率

45、晶體管是電流控制器件，驅(qū)動較復雜。且由于存在功率晶體管是電流控制器件，驅(qū)動較復雜。且由于存在結(jié)電容，工作頻率不能太高。結(jié)電容，工作頻率不能太高。 功率功率MOSFET是電壓控制器件，驅(qū)動較簡單。且極間電是電壓控制器件，驅(qū)動較簡單。且極間電容較小，能工作在較高頻率下。容較小，能工作在較高頻率下。功率功率MOSFET功率晶體管功率晶體管3.6永磁直流伺服電機功率放大器永磁直流伺服電機功率放大器直流伺服電機H橋雙極性橋雙極性PWM功放電路功放電路diULdt tUs第一象限運行直流伺服電機第一象限運行（正向電動）： 在 0 t t1期間， Ug1 、 Ug4為正， T1 、 T4導通， Ug2 、

46、Ug3為零，T2 、 T3截止，電流 ia 沿回路1流通，電動機M兩端電壓UAB = +Us ； 在t1 t T期間， Ug1 、 Ug4為零， T1 、 T4截止，電流減小， 因L(dia/dt)0，且絕對值很大，所以UAB0時， 電機正轉(zhuǎn)； 當 0時， 電機反轉(zhuǎn)； 當 = 0時， 電機停止1ass21tUUUT（）3.6永磁直流伺服電機功率放大器永磁直流伺服電機功率放大器直流伺服電機Us第二象限運行U, iUaeia+Ustt1T0-UsO直流伺服電機第二象限運行（正向制動）：如電機工作在第一象限時突然發(fā)出減速指令，則電機進入第二象限運行。此時， Ug1 、 Ug4的占空比減小，使得加到電

47、樞兩端的平均電壓減小。由于電機轉(zhuǎn)速不能突變，造成eUa的情況，從而使電流反向流動，產(chǎn)生制動力矩。如減速發(fā)生在t1 t T期間， T3 、 T2導通， 電源輸出能量，電流 ia 沿回路3流通，電流值反向增加；如減速發(fā)生在 0 t t1期間， T3 、 T2截止，電流絕對值減小，由于電樞電感作用，電流維持原方向。在自感電動勢的作用下，UB下降，UA上升，二極管D4、 D1 導通續(xù)流，電流 ia 沿回路4流通。此時也只有D4、 D1 最容易讓原方向電流流過。T1T4雖然是正向柵極偏壓，但UDS0,故T1T4不通?？梢钥闯?，如果沒有蓄流二極管，則T2,T3將被擊穿。直流伺服電機第三象限運行（反向電動）

48、： 在 0 t t1 期間，Ug2 、 Ug3 為正， T2 、 T3導通， Ug1 、 Ug4為負，使T1 、 T4保持截止，電流 ia 沿回路3流通，電動機M兩端電壓UAB = Us ； 在t1 t T 期間，Ug2 、 Ug3為零，T2 、 T3截止， D1 、 D4 續(xù)流，并鉗位使 T1 、 T4截止，電流 ia沿回路4流通，電動機M兩端電壓UAB = +Us ；直流伺服電機雙極性PWM功放電路特點 因為加在電樞上的電壓極性在一個周期內(nèi)因為加在電樞上的電壓極性在一個周期內(nèi)是正負相反的，所以稱為雙極性是正負相反的，所以稱為雙極性PWM功放。功放。 因功放管工作在開關(guān)方式，放大器效率高。因

49、功放管工作在開關(guān)方式，放大器效率高。 能實現(xiàn)伺服電機四象限運行。能實現(xiàn)伺服電機四象限運行。 可在單電源下工作?？稍趩坞娫聪鹿ぷ?。 對周邊電路有較強的電磁干擾對周邊電路有較強的電磁干擾. 諧波成分會引起電機發(fā)熱諧波成分會引起電機發(fā)熱3.6永磁直流伺服電機功率放大器永磁直流伺服電機功率放大器直流伺服電機u 在橋式電路中常將上橋臂的功率管稱為在橋式電路中常將上橋臂的功率管稱為“高端高端”，下橋臂的功率管，下橋臂的功率管稱為稱為“低端低端”。u 高端器件的源極在高電壓和地之間浮動，而低端器件的源極總是接高端器件的源極在高電壓和地之間浮動，而低端器件的源極總是接地的。地的。u 當當T1導通而導通而T2截

50、止時，截止時，T1的源極為高電壓，這意味著的源極為高電壓，這意味著T1的柵極必的柵極必須比這個高電壓還高才能維持導通。因此須比這個高電壓還高才能維持導通。因此T1的柵極電壓必須也是個的柵極電壓必須也是個浮動電壓。浮動電壓。直流伺服電機再生制動問題再生制動問題 當電機運行在二、四象限即制動狀態(tài)時當電機運行在二、四象限即制動狀態(tài)時Ua e。這說明。這說明電機將電機運動的機械能轉(zhuǎn)換為電能，并將它送回電源。電機將電機運動的機械能轉(zhuǎn)換為電能，并將它送回電源。 由于整流二極管的單向性，這個電流不能回饋到電網(wǎng)，由于整流二極管的單向性，這個電流不能回饋到電網(wǎng)，只能向濾波電容只能向濾波電容C充電。電容對電流的積

51、分效應使電源充電。電容對電流的積分效應使電源電壓升高。電壓升高。 這種因能量回饋升高的電壓稱為這種因能量回饋升高的電壓稱為“泵升電壓泵升電壓”。泵升電。泵升電壓過高可能會損壞并聯(lián)在電源母線上所有器件，如功率壓過高可能會損壞并聯(lián)在電源母線上所有器件，如功率管、續(xù)流二極管和電容器等。管、續(xù)流二極管和電容器等。CMSu1D3D2D4D3T4T1T2T4gu3gu2gu1guuAB1243直流伺服電機有兩種情況使電機運動在制動狀態(tài)有兩種情況使電機運動在制動狀態(tài)1）電機處于減速狀態(tài)時：電機處于減速狀態(tài)時：電機的速度下降是電樞電壓減小的結(jié)果。但是當電壓突然變小時，電機的慣量使其速度不能突變，也即反電勢e不

52、能突變。這將出現(xiàn)Uae的情形，使電流反向流動從而產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。2）電機具有垂直性負載且負載向下運動時電機具有垂直性負載且負載向下運動時：這時伺服電機必須產(chǎn)生與運動方向相反的制動轉(zhuǎn)矩平衡重物下落產(chǎn)生的重力矩。 在制動狀態(tài)下，電機旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的動能和重物下落時產(chǎn)生的勢能轉(zhuǎn)換為電能以電流的形式回饋到供電電源。這種制動方式常稱為再生制動再生制動。直流伺服電機附：泵升電壓數(shù)值可借助于能量守恒定律近似估算附：泵升電壓數(shù)值可借助于能量守恒定律近似估算 已知：已知： 濾波電容中儲存的電能為濾波電容中儲存的電能為 焦耳焦耳 電機旋轉(zhuǎn)的動能為電機旋轉(zhuǎn)的動能為 焦耳焦耳 重物下落的勢能為重物下落的勢能為 焦耳焦耳

53、 若用下標若用下標“1”和和“2”分別表示能量回饋前、后各量的值。分別表示能量回饋前、后各量的值。則由能量守恒定律，有則由能量守恒定律，有 即即 212cEcu212JEJmEmgh111222cJmCJmEEEEEE222211122211112222cujmghcuJmgh3.6永磁直流伺服電機功率放大器永磁直流伺服電機功率放大器直流伺服電機 解此式，可得能量回饋后電容上的電壓為 在上面的計算中 C濾波電容的數(shù)值 單位為F； J負載及電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量 單位為kgm2； m負載的質(zhì)量 單位為Kg； 電機角速度 單位為rad/s； h重物負載的高度 單位為m; g重力加速度常數(shù) 單位9.81

54、m/s2; u電容上電壓 單位V。 上面的計算中忽略了電機中消耗的電能及一些摩擦產(chǎn)生的熱能，這些損耗相對來說比較小。2221221122()()mg hhJuuCc3.6永磁直流伺服電機功率放大器永磁直流伺服電機功率放大器直流伺服電機 例例4-1一直流伺服電機采用一直流伺服電機采用PWM橋式功放電路驅(qū)動，功放橋式功放電路驅(qū)動，功放電路中濾波電容電路中濾波電容C=5000 ，電容上的電壓在能量回饋前，電容上的電壓在能量回饋前為為100V，電機及其負載的轉(zhuǎn)動慣量，電機及其負載的轉(zhuǎn)動慣量 。負載做。負載做非垂直性運動，求當電機轉(zhuǎn)速從非垂直性運動，求當電機轉(zhuǎn)速從3000rpm降至零速時，降至零速時，C

55、上的電壓升高至多少？上的電壓升高至多少？ 解：解：3000rpm=3000 rad/s =314 rad/s 本例中，若電機及其負載的轉(zhuǎn)動慣量增加一倍，即本例中，若電機及其負載的轉(zhuǎn)動慣量增加一倍，即,則可則可以算出以算出u2=298V，可見轉(zhuǎn)動慣量對泵升電壓的影響是較大，可見轉(zhuǎn)動慣量對泵升電壓的影響是較大的。的。322 10JKgmF3222221162 10(0)100314222 5000 10JuuVC2603.6永磁直流伺服電機功率放大器永磁直流伺服電機功率放大器直流伺服電機泵升電壓限制電路泵升電壓限制電路 泵升電壓通過電阻泵升電壓通過電阻RL泄放掉。泄放掉。 3.6永磁直流伺服電機功

56、率放大器永磁直流伺服電機功率放大器直流伺服電機 圖中，比較器的反相輸入端為一門坎電壓圖中，比較器的反相輸入端為一門坎電壓Uth。同相輸入端。同相輸入端的電壓的電壓Us1由由R1，R2對電容電壓的分壓得到。對電容電壓的分壓得到。 根據(jù)要限定的泵升電壓設(shè)定根據(jù)要限定的泵升電壓設(shè)定Uth的值。當泵升電壓在安全范的值。當泵升電壓在安全范圍之內(nèi)時，圍之內(nèi)時， 比較器輸出負電壓，功率管比較器輸出負電壓，功率管T處于截止狀態(tài)；處于截止狀態(tài)； 當泵升電壓達到限定值時，比較器輸出正電壓使功率管導當泵升電壓達到限定值時，比較器輸出正電壓使功率管導通，泵升電壓通過電阻通，泵升電壓通過電阻RL泄放掉。泄放掉。 在泄放

57、的瞬間，電阻在泄放的瞬間，電阻RL所耗散的功率是比較大的。在例所耗散的功率是比較大的。在例4-1中，如果減速過程中電機及其負載的功能全部轉(zhuǎn)換為中，如果減速過程中電機及其負載的功能全部轉(zhuǎn)換為RL中中耗散的熱能，且減速時間為耗散的熱能，且減速時間為50ms。則電阻的瞬間耗散功率。則電阻的瞬間耗散功率可達可達 從上式可以看出，減速時間越短，電阻瞬間消耗功率越大。從上式可以看出，減速時間越短，電阻瞬間消耗功率越大。2321112 10314221972()0.05JddJEPWtt 3.6永磁直流伺服電機功率放大器永磁直流伺服電機功率放大器直流伺服電機5. 電流回路和速度回路 功率放大器可以從較小的電壓信號控制較大的電樞電壓和電功率放大器可以從較