第1章直流伺服電

1、第1章 直流伺服電動(dòng)機(jī)1.1 直流伺服電動(dòng)機(jī)1.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)1.3 直流力矩電動(dòng)機(jī)1.1 直流伺服電動(dòng)機(jī) 1.結(jié)構(gòu)與分類(lèi) 2.原理 3.應(yīng)用 直流伺服電動(dòng)機(jī)是以直流電源驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)執(zhí)行器件。 直流電動(dòng)機(jī)分類(lèi) 1）傳統(tǒng)型：與普通直流電動(dòng)機(jī)基本相似。根據(jù)勵(lì)磁方式可以分為：永磁式和電磁式 2）低慣量型直流伺服電動(dòng)機(jī) 常見(jiàn)三種：盤(pán)型，空心杯型，無(wú)槽電樞型直流電機(jī)及其基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)及其基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)及其基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)及其基本結(jié)構(gòu)盤(pán)式電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 轉(zhuǎn)子為繞線式繞組或印制繞組，用環(huán)氧樹(shù)脂澆制成圓盤(pán)形；定子由永磁體和前后軟磁鐵組成，極數(shù)較多，一般為6、8、10極。鐵心盤(pán)形電樞磁鋼繞線

2、轉(zhuǎn)子盤(pán)形電樞電動(dòng)機(jī)盤(pán)式電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能特點(diǎn)：電樞繞組全部在氣隙中，散熱好，繞組電流密度高于普通電機(jī)10倍以上，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大；由于沒(méi)有齒槽效應(yīng)，力矩波動(dòng)小，低速運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)速范圍寬且平滑；換向性能好，電樞由非磁性材料做成，換向元件電感小，換向火花小；電樞轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，速度快。應(yīng)用領(lǐng)域：主要用在低速和啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)頻繁，要求薄 形安裝尺寸的系統(tǒng)中，如雷達(dá)天線、機(jī)器人以及數(shù)控機(jī)床等。無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 轉(zhuǎn)子無(wú)齒槽。電樞繞組直接均勻排列在光滑的鐵心表面，用環(huán)氧樹(shù)脂固化并與鐵心黏結(jié)成一個(gè)整體。 定子勵(lì)磁采用高性能的永磁體。無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能特點(diǎn)： 可減小電樞外徑，形狀細(xì)長(zhǎng)不受

3、嵌線限制，機(jī)電時(shí)間常數(shù)小，反應(yīng)快； 過(guò)載能力強(qiáng)，最大轉(zhuǎn)矩比額定轉(zhuǎn)矩大10倍； 低速性能好，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，線性度好。缺點(diǎn)：定、轉(zhuǎn)子間氣隙較大，約為普通電動(dòng)機(jī)的10倍。應(yīng)用領(lǐng)域：主要用在快速動(dòng)作、功率較大的伺服系統(tǒng)中，如雷達(dá)天線、自行火炮、導(dǎo)彈發(fā)射架以及數(shù)控機(jī)床等?？招谋姌兄绷魉欧妱?dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 無(wú)槽電動(dòng)機(jī)由于存在電樞鐵心，而盤(pán)形電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子直徑又較大，在實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)作時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不能滿足要求，空心杯電動(dòng)機(jī)是綜合上述兩種電動(dòng)機(jī)而發(fā)展起來(lái)的高性能電動(dòng)機(jī)； 定子分為外定子和內(nèi)定子，外磁式電動(dòng)機(jī)的外定子是永磁體，內(nèi)定子為軟磁材料，以減小磁路磁阻，僅作為主磁路的一部分； 轉(zhuǎn)子上的電樞繞組可采用印制繞組，也

4、可先繞成單個(gè)成形繞組，然后將它們沿圓周的軸向排列成空心杯形，用環(huán)氧樹(shù)脂固化?？招谋姌兄绷魉欧妱?dòng)機(jī)運(yùn)行性能特點(diǎn)： 電樞轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，啟動(dòng)時(shí)間常數(shù)小，可達(dá)1ms以下； 靈敏度高，機(jī)電時(shí)間常數(shù)小，快速性好； 轉(zhuǎn)子無(wú)磁滯和渦流損耗，效率高，可達(dá)80%或更高； 電樞無(wú)齒槽效應(yīng)，磁阻均勻，力矩波動(dòng)小，低速運(yùn)行平穩(wěn)，噪音很?。?轉(zhuǎn)子無(wú)鐵心，換向元件電感小，幾乎不產(chǎn)生火花，換向性能好，壽命長(zhǎng)。應(yīng)用領(lǐng)域：主要用于高精度伺服系統(tǒng)及測(cè)量裝置中，如電視攝像機(jī)、磁帶機(jī)、X-Y函數(shù)記錄儀，數(shù)控機(jī)床等機(jī)電一體化設(shè)備。2.運(yùn)行原理 1）控制方式 勵(lì)磁控制和電樞電壓控制 勵(lì)磁控制：這種調(diào)速方法的特點(diǎn)是由于勵(lì)磁這種調(diào)速方法的特

5、點(diǎn)是由于勵(lì)磁回路的電流很小，只有額定電流的（回路的電流很小，只有額定電流的（1 13 3）% %，不僅，不僅能量損失很小，且電阻可以做成連能量損失很小，且電阻可以做成連續(xù)調(diào)節(jié)的，便于控制續(xù)調(diào)節(jié)的，便于控制。其限制是轉(zhuǎn)速只能。其限制是轉(zhuǎn)速只能由額定磁通時(shí)對(duì)應(yīng)的由額定磁通時(shí)對(duì)應(yīng)的速度向高調(diào)速度向高調(diào)，而電動(dòng)，而電動(dòng)機(jī)機(jī)最高轉(zhuǎn)速最高轉(zhuǎn)速要受到電機(jī)本身的機(jī)械強(qiáng)度及要受到電機(jī)本身的機(jī)械強(qiáng)度及換向的限制。換向的限制。電樞電壓控制優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：改變電樞電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法改變電樞電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法具有較好的調(diào)速性能具有較好的調(diào)速性能。由于調(diào)電壓后，。由于調(diào)電壓后，機(jī)械特性的機(jī)械特性的“硬度硬度”不變，因此有較不

6、變，因此有較好的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，好的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，調(diào)速范圍較大調(diào)速范圍較大，同，同時(shí)便于控制，可以做到時(shí)便于控制，可以做到無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，損耗較小損耗較小。在實(shí)際工程當(dāng)中，常常采。在實(shí)際工程當(dāng)中，常常采用這種方法。用這種方法。采用這種方法的限制是：采用這種方法的限制是： 轉(zhuǎn)速只能由額定電壓對(duì)應(yīng)的速度向低調(diào)。此外，轉(zhuǎn)速只能由額定電壓對(duì)應(yīng)的速度向低調(diào)。此外，應(yīng)用這種方法時(shí)，應(yīng)用這種方法時(shí)，電樞回路需要一個(gè)專(zhuān)門(mén)的可調(diào)電樞回路需要一個(gè)專(zhuān)門(mén)的可調(diào)壓電源壓電源，過(guò)去用直流發(fā)電機(jī)，過(guò)去用直流發(fā)電機(jī)- -直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，目前一般均采用可控由于電力電子技術(shù)的

7、發(fā)展，目前一般均采用可控硅調(diào)壓設(shè)備硅調(diào)壓設(shè)備直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。2)靜態(tài)特性 所謂靜態(tài)特性是指電機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速與電樞電壓（勵(lì)磁恒定），轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。 前者可稱(chēng)為調(diào)節(jié)特性 后者可稱(chēng)為機(jī)械特性靜態(tài)特性有刷直流電機(jī)模型有刷直流電機(jī)模型aaa靜態(tài)特性 1. 電動(dòng)勢(shì)平衡方程式：電動(dòng)勢(shì)平衡方程式： Ua=Ea+IaRa 2. 反向電動(dòng)勢(shì)：反向電動(dòng)勢(shì)： Ea = Cen = Ken 3. 電磁轉(zhuǎn)矩：電磁轉(zhuǎn)矩： Tem = CmIa = KmIa4.由由1，2，3聯(lián)立求解：聯(lián)立求解：ememaeaeaaaTKKRKUCRIUn機(jī)械特性emememaeakTnTKK

8、RKUn0電壓突變電流未突變調(diào)節(jié)特性0TKUTKKRKUneaememaea3)動(dòng)態(tài)特性 產(chǎn)生過(guò)渡過(guò)程的原因，產(chǎn)生過(guò)渡過(guò)程的原因， 主要是電機(jī)中存在兩主要是電機(jī)中存在兩種慣性：種慣性： 機(jī)械慣性和電磁慣性。機(jī)械慣性和電磁慣性。 當(dāng)電樞電壓突然改變時(shí)，當(dāng)電樞電壓突然改變時(shí)， 由于電機(jī)和負(fù)載有轉(zhuǎn)由于電機(jī)和負(fù)載有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，動(dòng)慣量， 轉(zhuǎn)速不能突變轉(zhuǎn)速不能突變， 需要有一個(gè)漸變的過(guò)程，需要有一個(gè)漸變的過(guò)程， 才能達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，才能達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)， 因此轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是造成機(jī)械過(guò)因此轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是造成機(jī)械過(guò)渡過(guò)程的主要因素。渡過(guò)程的主要因素。 另外，另外， 由于電樞繞組具有電感，由于電樞繞組具有電感， 電樞電流也不能

9、電樞電流也不能突變突變， 也需要有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，也需要有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程， 所以電感是造成所以電感是造成電磁過(guò)渡過(guò)程的主要因素。電磁過(guò)渡過(guò)程的主要因素。動(dòng)態(tài)方程 （1） 因電樞繞組具有電感，因電樞繞組具有電感， 在過(guò)渡過(guò)程中電在過(guò)渡過(guò)程中電樞電流在變化，樞電流在變化， 所以在電樞回路中將產(chǎn)生電抗壓所以在電樞回路中將產(chǎn)生電抗壓降降 ， 其中其中La為電刷兩端的電感。為電刷兩端的電感。 因此，因此， 動(dòng)態(tài)電壓平衡方程式應(yīng)寫(xiě)成動(dòng)態(tài)電壓平衡方程式應(yīng)寫(xiě)成dtdiLaa一般來(lái)說(shuō)，一般來(lái)說(shuō)， 電磁過(guò)渡過(guò)程所需的時(shí)間要比機(jī)械過(guò)渡過(guò)程短得多。電磁過(guò)渡過(guò)程所需的時(shí)間要比機(jī)械過(guò)渡過(guò)程短得多。 因此在許多場(chǎng)合，因此在許多

10、場(chǎng)合， 只考慮機(jī)械過(guò)渡過(guò)程，只考慮機(jī)械過(guò)渡過(guò)程， 而忽略電磁過(guò)渡過(guò)程。而忽略電磁過(guò)渡過(guò)程。aaaaaaUeRidtdiL動(dòng)態(tài)方程 （2）反向電動(dòng)勢(shì)方程： ea = Cen （3）電磁轉(zhuǎn)矩方程： Tem = J （4）由（1）（2）（3）可得dtdeaTeaTeaCUndtdnCCJRdtndCCJL2222602602動(dòng)態(tài)方程 令令 02,602nCURLCCJReaaaeTeam則上式寫(xiě)成則上式寫(xiě)成 022nndtdndtndmem直流電動(dòng)機(jī)在直流電動(dòng)機(jī)在me時(shí)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)的過(guò)渡過(guò)程m1.1.3直流伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用 （1）PWM調(diào)制原理 實(shí)現(xiàn)電壓控制信號(hào)到脈寬調(diào)制信號(hào)的轉(zhuǎn)換。 占空比:(t2

11、t1)/(Tt1) 脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比由控制信號(hào)Uc的幅值決定。應(yīng)用go應(yīng)用 （2）單極性可逆調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用 （3）雙極性可逆調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用 2.直流伺服電動(dòng)機(jī)的微處理器控制（自學(xué)）1.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)P23 直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn): 機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大，控制方法簡(jiǎn)單。 缺點(diǎn)缺點(diǎn):是有換向器和電刷。 交流伺服電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn):是沒(méi)有換向器和電刷，維護(hù)方便，無(wú)火花，無(wú)電磁干擾，能在惡劣的環(huán)境下可靠工作。 缺點(diǎn):是機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性具有非線性，轉(zhuǎn)矩小，效率低。 因此，人們很早就開(kāi)始探索直流電動(dòng)機(jī)的無(wú)刷化，以使它同時(shí)具有直、交流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)得以

12、實(shí)現(xiàn)。 1.2.1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成1.電動(dòng)機(jī) 普通永磁直流電動(dòng)機(jī)的電樞在轉(zhuǎn)子上，永磁磁極在定子上。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與此相反，它的電樞在定子上，永磁磁極在轉(zhuǎn)子上，與同步電動(dòng)機(jī)相似。1.電動(dòng)機(jī) 定定子子 永永磁磁轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子 傳傳感感器器定定子子 傳傳感感器器轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子 (a) 結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 (b) 定轉(zhuǎn)子實(shí)際結(jié)構(gòu)定轉(zhuǎn)子實(shí)際結(jié)構(gòu) 1.電動(dòng)機(jī)永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式 凸極式凸極式 內(nèi)嵌式內(nèi)嵌式2.轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器 （1）電磁式 （2）光電式 （3）磁敏式 （4）無(wú)傳感器（1）電磁式電磁式傳感器具有較高的強(qiáng)度，可經(jīng)受較大的振動(dòng)沖擊，故多用于航空航天領(lǐng)域。電磁式位置傳感器輸出信號(hào)較大

13、，一般不需要經(jīng)過(guò)放大便可直接驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，但因輸出電壓是交流，必須先整流。傳感器過(guò)于笨重復(fù)雜，因而大大限制了其在普通條件下的應(yīng)用。（2）光電式v光電式位置傳感器產(chǎn)生的光電式位置傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)一般都較弱電信號(hào)一般都較弱，v 需要經(jīng)過(guò)放大需要經(jīng)過(guò)放大才能去控制功率晶體管。才能去控制功率晶體管。v 但它但它輸出的是直流電信號(hào)輸出的是直流電信號(hào)， 不必再進(jìn)行整流，不必再進(jìn)行整流， 這是它的這是它的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)一個(gè)優(yōu)點(diǎn)（3）磁敏式（3）磁敏式（3）磁敏式3.電子換向電路 US A B C D b) b) 四相半橋主電路四相半橋主電路 US A B C a) a) 三相半橋主電路三相半橋主電路1) 非橋式（

14、半橋式）非橋式（半橋式）半控型半控型3.電子換向電路2) 橋式橋式全控型全控型c) c) 星形聯(lián)結(jié)三相橋式主電路星形聯(lián)結(jié)三相橋式主電路 US VD1 VD4 VT1 VT4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 A B C 3.電子換向電路d) 三角形聯(lián)結(jié)三相橋式主電路三角形聯(lián)結(jié)三相橋式主電路 2) 橋式橋式全控型全控型 US VD1 VD4 VT1 VT4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 A B C 1.2.2 無(wú)刷直流電機(jī)的控制方法無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)原理圖（三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)原理圖（三相 光電式位置傳感器）光電式位置傳感器）1. 三相非

15、橋式（半橋式）三相非橋式（半橋式）半控型半控型附：電角度和機(jī)械角度附：電角度和機(jī)械角度 機(jī)械角度是指電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度,由m表示； 電角度是指磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)角度，由e表示。 當(dāng)轉(zhuǎn)子為一對(duì)極時(shí)，m=e； 當(dāng)轉(zhuǎn)子為n對(duì)極時(shí)，e=nm。2. 工作原理1）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生 假定電機(jī)定子為3相6極，星型連接。轉(zhuǎn)子為一對(duì)極。 電流方向不同時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向不同。 若繞組的繞線方向一致，當(dāng)電流從A相繞組流進(jìn)，從C相繞組流出時(shí)，電流在兩個(gè)繞組中產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)方向是不同的。6步通電順序步通電順序 三相繞組通電遵循如下規(guī)則(22導(dǎo)通120模式)： 每步三個(gè)繞組中一個(gè)繞組流入電流，一個(gè)繞組流出電流，一個(gè)繞組不導(dǎo)通； 通電順序如下： 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-6步通電順序步通電順序 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C- 每步磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)60度，每6步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周； 每步僅一個(gè)繞組被換相。6步通電順序步通電順序 隨著磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)，吸引轉(zhuǎn)子磁極隨之旋轉(zhuǎn)。 磁場(chǎng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)：123456 磁場(chǎng)逆時(shí)針旋