第1章直流伺服電

1、第1章 直流伺服電動機1.1 直流伺服電動機1.2 無刷直流電動機1.3 直流力矩電動機1.1 直流伺服電動機 1.結(jié)構(gòu)與分類 2.原理 3.應(yīng)用 直流伺服電動機是以直流電源驅(qū)動的電動執(zhí)行器件。 直流電動機分類 1）傳統(tǒng)型：與普通直流電動機基本相似。根據(jù)勵磁方式可以分為：永磁式和電磁式 2）低慣量型直流伺服電動機 常見三種：盤型，空心杯型，無槽電樞型直流電機及其基本結(jié)構(gòu)直流電機及其基本結(jié)構(gòu)直流電機及其基本結(jié)構(gòu)直流電機及其基本結(jié)構(gòu)盤式電樞直流伺服電動機結(jié)構(gòu)特點： 轉(zhuǎn)子為繞線式繞組或印制繞組，用環(huán)氧樹脂澆制成圓盤形；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。鐵心盤形電樞磁鋼繞線

2、轉(zhuǎn)子盤形電樞電動機盤式電樞直流伺服電動機運行性能特點：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10倍以上，啟動轉(zhuǎn)矩大；由于沒有齒槽效應(yīng)，力矩波動小，低速運行穩(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?。浑姌修D(zhuǎn)動慣量小，速度快。應(yīng)用領(lǐng)域：主要用在低速和啟動、反轉(zhuǎn)頻繁，要求薄 形安裝尺寸的系統(tǒng)中，如雷達天線、機器人以及數(shù)控機床等。無槽電樞直流伺服電動機結(jié)構(gòu)特點： 轉(zhuǎn)子無齒槽。電樞繞組直接均勻排列在光滑的鐵心表面，用環(huán)氧樹脂固化并與鐵心黏結(jié)成一個整體。 定子勵磁采用高性能的永磁體。無槽電樞直流伺服電動機運行性能特點： 可減小電樞外徑，形狀細(xì)長不受

3、嵌線限制，機電時間常數(shù)小，反應(yīng)快； 過載能力強，最大轉(zhuǎn)矩比額定轉(zhuǎn)矩大10倍； 低速性能好，轉(zhuǎn)矩波動小，線性度好。缺點：定、轉(zhuǎn)子間氣隙較大，約為普通電動機的10倍。應(yīng)用領(lǐng)域：主要用在快速動作、功率較大的伺服系統(tǒng)中，如雷達天線、自行火炮、導(dǎo)彈發(fā)射架以及數(shù)控機床等。空心杯電樞直流伺服電動機結(jié)構(gòu)特點： 無槽電動機由于存在電樞鐵心，而盤形電動機的轉(zhuǎn)子直徑又較大，在實現(xiàn)快速動作時，轉(zhuǎn)動慣量不能滿足要求，空心杯電動機是綜合上述兩種電動機而發(fā)展起來的高性能電動機； 定子分為外定子和內(nèi)定子，外磁式電動機的外定子是永磁體，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)氧樹脂固化?？招谋姌兄绷魉欧妱訖C運行性能特點： 電樞轉(zhuǎn)動慣量小，啟動時間常數(shù)小，可達1ms以下； 靈敏度高，機電時間常數(shù)小，快速性好； 轉(zhuǎn)子無磁滯和渦流損耗，效率高，可達80%或更高； 電樞無齒槽效應(yīng)，磁阻均勻，力矩波動小，低速運行平穩(wěn)，噪音很小； 轉(zhuǎn)子無鐵心，換向元件電感小，幾乎不產(chǎn)生火花，換向性能好，壽命長。應(yīng)用領(lǐng)域：主要用于高精度伺服系統(tǒng)及測量裝置中，如電視攝像機、磁帶機、X-Y函數(shù)記錄儀，數(shù)控機床等機電一體化設(shè)備。2.運行原理 1）控制方式 勵磁控制和電樞電壓控制 勵磁控制：這種調(diào)速方法的特點是由于勵磁這種調(diào)速方法的特

5、點是由于勵磁回路的電流很小，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對應(yīng)的由額定磁通時對應(yīng)的速度向高調(diào)速度向高調(diào)，而電動，而電動機機最高轉(zhuǎn)速最高轉(zhuǎn)速要受到電機本身的機械強度及要受到電機本身的機械強度及換向的限制。換向的限制。電樞電壓控制優(yōu)點：優(yōu)點：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，機械特性的機械特性的“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，同時便于控制，可以做到時便于控制，可以做到無級平滑調(diào)速，無級平滑調(diào)速，損耗較小損耗較小。在實際工程當(dāng)中，常常采。在實際工程當(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應(yīng)的速度向低調(diào)。此外，轉(zhuǎn)速只能由額定電壓對應(yīng)的速度向低調(diào)。此外，應(yīng)用這種方法時，應(yīng)用這種方法時，電樞回路需要一個專門的可調(diào)電樞回路需要一個專門的可調(diào)壓電源壓電源，過去用直流發(fā)電機，過去用直流發(fā)電機- -直流電動機系統(tǒng)實現(xiàn)，直流電動機系統(tǒng)實現(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)備直流電動機系統(tǒng)來實現(xiàn)。直流電動機系統(tǒng)來實現(xiàn)。2)靜態(tài)特性 所謂靜態(tài)特性是指電機在穩(wěn)定運行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速與電樞電壓（勵磁恒定），轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。 前者可稱為調(diào)節(jié)特性 后者可稱為機械特性靜態(tài)特性有刷直流電機模型有刷直流電機模型aaa靜態(tài)特性 1. 電動勢平衡方程式：電動勢平衡方程式： Ua=Ea+IaRa 2. 反向電動勢：反向電動勢： 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機械特性emememaeakTnTKK

8、RKUn0電壓突變電流未突變調(diào)節(jié)特性0TKUTKKRKUneaememaea3)動態(tài)特性 產(chǎn)生過渡過程的原因，產(chǎn)生過渡過程的原因， 主要是電機中存在兩主要是電機中存在兩種慣性：種慣性： 機械慣性和電磁慣性。機械慣性和電磁慣性。 當(dāng)電樞電壓突然改變時，當(dāng)電樞電壓突然改變時， 由于電機和負(fù)載有轉(zhuǎn)由于電機和負(fù)載有轉(zhuǎn)動慣量，動慣量， 轉(zhuǎn)速不能突變轉(zhuǎn)速不能突變， 需要有一個漸變的過程，需要有一個漸變的過程， 才能達到新的穩(wěn)態(tài)，才能達到新的穩(wěn)態(tài)， 因此轉(zhuǎn)動慣量是造成機械過因此轉(zhuǎn)動慣量是造成機械過渡過程的主要因素。渡過程的主要因素。 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， 也需要有一個過渡過程，也需要有一個過渡過程， 所以電感是造成所以電感是造成電磁過渡過程的主要因素。電磁過渡過程的主要因素。動態(tài)方程 （1） 因電樞繞組具有電感，因電樞繞組具有電感， 在過渡過程中電在過渡過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， 動態(tài)電壓平衡方程式應(yīng)寫成動態(tài)電壓平衡方程式應(yīng)寫成dtdiLaa一般來說，一般來說， 電磁過渡過程所需的時間要比機械過渡過程短得多。電磁過渡過程所需的時間要比機械過渡過程短得多。 因此在許多場合，因此在許多

10、場合， 只考慮機械過渡過程，只考慮機械過渡過程， 而忽略電磁過渡過程。而忽略電磁過渡過程。aaaaaaUeRidtdiL動態(tài)方程 （2）反向電動勢方程： ea = Cen （3）電磁轉(zhuǎn)矩方程： Tem = J （4）由（1）（2）（3）可得dtdeaTeaTeaCUndtdnCCJRdtndCCJL2222602602動態(tài)方程 令令 02,602nCURLCCJReaaaeTeam則上式寫成則上式寫成 022nndtdndtndmem直流電動機在直流電動機在me時的過渡過程時的過渡過程m1.1.3直流伺服電動機的應(yīng)用 （1）PWM調(diào)制原理 實現(xiàn)電壓控制信號到脈寬調(diào)制信號的轉(zhuǎn)換。 占空比:(t2

11、t1)/(Tt1) 脈寬調(diào)制信號的占空比由控制信號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.直流伺服電動機的微處理器控制（自學(xué)）1.2 無刷直流電動機P23 直流電動機的優(yōu)點: 機械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大，控制方法簡單。 缺點缺點:是有換向器和電刷。 交流伺服電動機的優(yōu)點:是沒有換向器和電刷，維護方便，無火花，無電磁干擾，能在惡劣的環(huán)境下可靠工作。 缺點:是機械特性和調(diào)節(jié)特性具有非線性，轉(zhuǎn)矩小，效率低。 因此，人們很早就開始探索直流電動機的無刷化，以使它同時具有直、交流電動機的優(yōu)點。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，無刷直流電動機已經(jīng)得以

12、實現(xiàn)。 1.2.1 無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)與組成1.電動機 普通永磁直流電動機的電樞在轉(zhuǎn)子上，永磁磁極在定子上。 無刷直流電動機與此相反，它的電樞在定子上，永磁磁極在轉(zhuǎn)子上，與同步電動機相似。1.電動機 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)子實際結(jié)構(gòu)定轉(zhuǎn)子實際結(jié)構(gòu) 1.電動機永磁轉(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)子位置檢測器 （1）電磁式 （2）光電式 （3）磁敏式 （4）無傳感器（1）電磁式電磁式傳感器具有較高的強度，可經(jīng)受較大的振動沖擊，故多用于航空航天領(lǐng)域。電磁式位置傳感器輸出信號較大

13、，一般不需要經(jīng)過放大便可直接驅(qū)動開關(guān)管，但因輸出電壓是交流，必須先整流。傳感器過于笨重復(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)生的電信號一般都較弱電信號一般都較弱，v 需要經(jīng)過放大需要經(jīng)過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輸出的是直流電信號， 不必再進行整流，不必再進行整流， 這是它的這是它的一個優(yōu)點一個優(yōu)點（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 無刷直流電機的控制方法無刷直流電動機原理圖（三相無刷直流電動機原理圖（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：電角度和機械角度附：電角度和機械角度 機械角度是指電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度,由m表示； 電角度是指磁場的旋轉(zhuǎn)角度，由e表示。 當(dāng)轉(zhuǎn)子為一對極時，m=e； 當(dāng)轉(zhuǎn)子為n對極時，e=nm。2. 工作原理1）旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生）旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生 假定電機定子為3相6極，星型連接。轉(zhuǎn)子為一對極。 電流方向不同時，產(chǎn)生的磁場方向不同。 若繞組的繞線方向一致，當(dāng)電流從A相繞組流進，從C相繞組流出時，電流在兩個繞組中產(chǎn)生的磁動勢方向是不同的。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)： 每步三個繞組中一個繞組流入電流，一個繞組流出電流，一個繞組不導(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- 每步磁場旋轉(zhuǎn)60度，每6步旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)一周； 每步僅一個繞組被換相。6步通電順序步通電順序 隨著磁場的旋轉(zhuǎn)，吸引轉(zhuǎn)子磁極隨之旋轉(zhuǎn)。 磁場順時針旋轉(zhuǎn)，電機順時針旋轉(zhuǎn)：123456 磁場逆時針旋