直流伺服電機(jī)

直流伺服電機(jī)第1頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月2.伺服電動(dòng)機(jī)的分類

普通直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)直流力矩電動(dòng)機(jī)兩相感應(yīng)伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)三相感應(yīng)伺服電動(dòng)機(jī)無刷永磁伺服電動(dòng)機(jī)直線伺服電動(dòng)機(jī)1.伺服電動(dòng)機(jī)的概念伺服電動(dòng)機(jī)又稱為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，其功能是把輸入的電壓信號(hào)變換成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出。1.1概述第2頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月寬廣的調(diào)速范圍機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性均為線性無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象快速響應(yīng)。此外，還要求伺服電動(dòng)機(jī)的控制功率小、重量輕、體積小等。3.控制系統(tǒng)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的基本要求1.1概述第3頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.1控制方式由可知，改變電樞電壓和改變勵(lì)磁磁通都可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。1.2直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方式和運(yùn)行特性1.電樞控制勵(lì)磁磁通保持不變，改變電樞繞組的控制電壓。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，升高電樞電壓，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就升高；反之轉(zhuǎn)速就降低。電樞電壓等于零時(shí)，電機(jī)不轉(zhuǎn)。電樞電壓改變極性時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。圖1-1電樞控制原理圖第4頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月2．磁場(chǎng)控制電樞繞組電壓保持不變，改變勵(lì)磁回路的電壓。若電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，當(dāng)升高勵(lì)磁電壓時(shí)，勵(lì)磁電流增加，主磁通增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速就降低；反之，轉(zhuǎn)速升高。改變勵(lì)磁電壓的極性，電機(jī)轉(zhuǎn)向隨之改變。盡管磁場(chǎng)控制也可達(dá)到控制轉(zhuǎn)速大小和旋轉(zhuǎn)方向的目的，但勵(lì)磁電流和主磁通之間是非線性關(guān)系，且隨著勵(lì)磁電壓的減小其機(jī)械特性變軟，調(diào)節(jié)特性也是非線性的，故少用。1.2.1控制方式第5頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月1.機(jī)械特性機(jī)械特性是指電樞電壓等于常數(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的函數(shù)關(guān)系，即。把代入式得，為理想空載轉(zhuǎn)速；，為直線的斜率。伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性包括機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。1.2.2運(yùn)行特性第6頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-2直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性機(jī)械特性為一直線1.2.2運(yùn)行特性n0-理想空載轉(zhuǎn)速Tk-堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩

-直線斜率第7頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）n0、Tk、k的物理意義理想空載轉(zhuǎn)速n0：n0是電磁轉(zhuǎn)矩Te=0時(shí)的轉(zhuǎn)速，由于電機(jī)空載時(shí)Te=T0，電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速低于理想空載轉(zhuǎn)速。堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Tk：Tk是轉(zhuǎn)速n=0時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩。

機(jī)械特性的斜率k

：斜率k前面的負(fù)號(hào)表示直線是下傾的。斜率k的大小直接表示了電動(dòng)機(jī)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(shí)轉(zhuǎn)速變化大，機(jī)械特性軟。反之，斜率k小，機(jī)械特性就硬。1.2.2運(yùn)行特性第8頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）電樞電壓對(duì)機(jī)械特性的影響n0和Tk都與電樞電壓成正比，而斜率k則與電樞電壓無關(guān)。對(duì)應(yīng)于不同的電樞電壓可以得到一組相互平行的機(jī)械特性曲線。

圖1-3不同控制電壓時(shí)的機(jī)械特性直流伺服電動(dòng)機(jī)由放大器供電時(shí)，放大器可以等效為一個(gè)電動(dòng)勢(shì)源與其內(nèi)阻串聯(lián)。內(nèi)阻使直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變軟。1.2.2運(yùn)行特性第9頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月2.調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電樞電壓之間的函數(shù)關(guān)系，即。由得為特性曲線的斜率；為由負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩決定的常數(shù)。1.2.2運(yùn)行特性第10頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-4直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性為一上翹的直線。1.2.2運(yùn)行特性Ua0–始動(dòng)電壓

K1–特性斜率第11頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）Ua0和k1的物理意義始動(dòng)電壓Ua0：Ua0是電動(dòng)機(jī)處在待動(dòng)而又未動(dòng)臨界狀態(tài)時(shí)的控制電壓。斜率k1：是由電機(jī)本身參數(shù)決定的常數(shù)，與負(fù)載無關(guān)。由，當(dāng)n=0時(shí)，便可求得

由于，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，始動(dòng)電壓越高。而且控制電壓從0到Ua0一段范圍內(nèi)，電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，故把此區(qū)域稱為電動(dòng)機(jī)的死區(qū)。1.2.2運(yùn)行特性第12頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）總阻轉(zhuǎn)矩對(duì)調(diào)節(jié)特性的影響總阻轉(zhuǎn)矩Ts變化時(shí)，，斜率k1保持不變。因此對(duì)應(yīng)于不同的總阻轉(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(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速很低時(shí)，轉(zhuǎn)速就不均勻，出現(xiàn)時(shí)快、時(shí)慢，甚至?xí)簳r(shí)停一下的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為直流伺服電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性。圖1-5不同負(fù)載時(shí)的調(diào)節(jié)特性（1）低速運(yùn)轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定的原因電樞齒槽的影響低速時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)的平均值很小，因而電樞齒槽效應(yīng)等引起電動(dòng)勢(shì)脈動(dòng)的影響增大，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比較明顯。1.2.2運(yùn)行特性第13頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月電刷接觸壓降的影響低速時(shí)，控制電壓很低，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(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定。電刷和換向器之間摩擦的影響低速時(shí)，電刷和換向器之間的摩擦轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，造成電機(jī)本身的阻轉(zhuǎn)矩T0不穩(wěn)定，因而導(dǎo)致總阻轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定。（2）解決的措施穩(wěn)速控制電路直流力矩電動(dòng)機(jī)1.2.2運(yùn)行特性第14頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月動(dòng)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(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速n和電樞電流ia隨時(shí)間變化的規(guī)律。產(chǎn)生過渡過程的原因是電機(jī)中存在機(jī)械慣性和電磁慣性。1.3直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性1.3.1過渡過程中的電機(jī)方程電壓平衡方程式

轉(zhuǎn)矩平衡方程式

其中第15頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月由于在小功率的隨動(dòng)系統(tǒng)中，選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)總是使電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)大于軸上的總阻轉(zhuǎn)矩。即在動(dòng)態(tài)過程中，電磁轉(zhuǎn)矩主要用來克服慣性轉(zhuǎn)矩，以加速過渡過程。為了推導(dǎo)方便，可以先假定，這樣。由和可得把ia和代入，兩邊乘以得1.3.1過渡過程中的電機(jī)方程第16頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月令為機(jī)電時(shí)間常數(shù)；

為電氣時(shí)間常數(shù)；

為理想空載轉(zhuǎn)速，則上式可化為是轉(zhuǎn)速的二階微分方程，對(duì)已制成的電機(jī)而言,都是常數(shù)。1.3.1過渡過程中的電機(jī)方程第17頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化規(guī)律對(duì)于二階常系數(shù)非齊次常微分方程

進(jìn)行拉氏變換得特征方程為其兩個(gè)根為轉(zhuǎn)速表達(dá)式為第18頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月由初始條件，時(shí)，轉(zhuǎn)速，加速度，故有由此解得

轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化規(guī)律為用同樣的分析方法，可找出過渡過程中電樞電流隨時(shí)間的變化規(guī)律

1.3.2轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化規(guī)律第19頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月⑴當(dāng)時(shí)，由，和兩根都為負(fù)實(shí)數(shù)。由和可知，電樞電感較小、電樞電阻較大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大時(shí)是這種情況。1.3.3過渡過程曲線在過渡過程中，轉(zhuǎn)速和電流隨時(shí)間的變化是非周期的。圖1-6在時(shí),的過渡過程第20頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月由和可知，電樞電感較大、電樞電阻較小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這種振蕩現(xiàn)象。圖1-7在時(shí),的過渡過程(2)當(dāng)時(shí)，由，和兩根是共軛復(fù)數(shù)。在過渡過程中，轉(zhuǎn)速和電流隨時(shí)間的變化是周期性的。1.3.3過渡過程曲線第21頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月⑶當(dāng)時(shí)（多數(shù)情況滿足這一條件），很小可以忽略不計(jì)。此時(shí)轉(zhuǎn)速n為按指數(shù)上升的曲線，

為按指數(shù)下降的曲線。可簡(jiǎn)化為一階微分方程其解為

同樣可得

于是式圖1-8在時(shí),的過渡過程1.3.3過渡過程曲線第22頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月把代入，得

實(shí)用上，被定義為轉(zhuǎn)速?gòu)牧闵娇蛰d轉(zhuǎn)速的63.2%所需的時(shí)間。把代入，可得⑷關(guān)于機(jī)電時(shí)間常數(shù)機(jī)電時(shí)間常數(shù)定義：電機(jī)在空載狀態(tài)下，勵(lì)磁繞組加額定勵(lì)磁電壓，電樞加階躍額定控制電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速?gòu)牧闵嚼硐肟蛰d轉(zhuǎn)速的63.2%所需的時(shí)間。可認(rèn)為過渡過程基本結(jié)束，所以為過渡過程所需時(shí)間。1.3.3過渡過程曲線第23頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.4機(jī)電時(shí)間常數(shù)與電機(jī)參數(shù)的關(guān)系機(jī)電時(shí)間常數(shù)與機(jī)械特性的斜率k是正比關(guān)系，即機(jī)械特性的斜率越小，特性越硬，機(jī)電時(shí)間常數(shù)越小，過渡過程越短；反之就越長(zhǎng)。一般直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)大約在十幾毫秒到幾十毫秒之間。機(jī)電時(shí)間常數(shù)與旋轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J、電樞回路的電阻成正比。機(jī)電時(shí)間常數(shù)還可以表示為1.3.3過渡過程曲線第24頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

結(jié)構(gòu)1.4特種直流伺服電動(dòng)機(jī)1.4.1直流力矩電動(dòng)機(jī)直流力矩電動(dòng)機(jī)就是為滿足低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩負(fù)載的需要而設(shè)計(jì)制造的電機(jī)。直流力矩電動(dòng)機(jī)一般做成圓盤狀，電樞長(zhǎng)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(dǎo)體數(shù)多。圖1-9直流力矩電動(dòng)機(jī)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-刷架第25頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月為什么做成圓盤狀？在電樞電動(dòng)勢(shì)、每極磁通和導(dǎo)體電流相同的條件下，增加導(dǎo)體數(shù)N和極對(duì)數(shù)p，能使轉(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(dǎo)體放入槽內(nèi)。同時(shí)電樞直徑的增加，使電機(jī)定子內(nèi)徑變大，可以放置更多的磁極。

特點(diǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩大，能夠長(zhǎng)期在堵轉(zhuǎn)或低速狀態(tài)下運(yùn)行；反應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動(dòng)小；機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性線性度好。1.4.1直流力矩電動(dòng)機(jī)第26頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.2低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)1．杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)又稱動(dòng)圈式直流伺服電動(dòng)機(jī)。

結(jié)構(gòu)杯形電樞繞組是用導(dǎo)線繞在繞線模上，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。由于轉(zhuǎn)子內(nèi)外側(cè)都需要有足夠的氣隙，所以氣隙大，磁阻大，磁動(dòng)勢(shì)利用率低。圖1-10杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)l-內(nèi)磁軛；2-電樞繞組；3-永久磁鋼；4-機(jī)殼(磁軛)；5-電刷；6-換向器第27頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月低慣量；靈敏度高，時(shí)間常數(shù)很?。ㄗ钚≡?ms以下）；損耗小，效率高；力矩波動(dòng)小，低速轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，噪音很?。粨Q向性能好，壽命長(zhǎng)。

特點(diǎn)杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)已系列化生產(chǎn)，輸出功率從零點(diǎn)幾瓦至5kW，多用于高精度自動(dòng)控制系統(tǒng)及測(cè)量裝置等設(shè)備中。1.4.2低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)第28頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月2．印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)

結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子呈薄片圓盤狀，厚度一般為(1.5~2)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(dǎo)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(jī)中形成軸向的平面氣隙。圖1-11印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)l-后軛鐵(端蓋)；2-永久磁鋼；3-電刷；4-印制繞組；5-機(jī)殼；6-前軛鐵(端蓋)1.4.2低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)第29頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

性能特點(diǎn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大；力矩波動(dòng)很小，低速運(yùn)行穩(wěn)定；換向性能好；電樞轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，反應(yīng)快，機(jī)電時(shí)間常數(shù)一般為(10~15)ms。3．無槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)大10倍以上。

結(jié)構(gòu)

特點(diǎn)

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大；反應(yīng)快；低速運(yùn)行均勻；換向性能良好。目前電機(jī)的輸出功率在幾十瓦~10kW，機(jī)電時(shí)間常數(shù)為(5~10)ms。1.4.2低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)第30頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5直線直流電動(dòng)機(jī)直線直流電動(dòng)機(jī)把直流電壓轉(zhuǎn)換為直線位移或速度。按勵(lì)磁方式可分為永磁式和電磁式兩大類。1.永磁式直線直流電動(dòng)機(jī)永磁式直線直流電動(dòng)機(jī)，按照它的結(jié)構(gòu)可分為動(dòng)圈型和動(dòng)鐵型兩種。

動(dòng)圈型的結(jié)構(gòu)與原理

圖1-12動(dòng)圈型直線永磁直流電動(dòng)機(jī)原理結(jié)構(gòu)圖1-移動(dòng)線圈；2-永久磁鋼；3-軟鐵永久磁鋼在氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)可移動(dòng)線圈中通入直流電流時(shí)，便產(chǎn)生電磁力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。第31頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

動(dòng)圈型直線直流電機(jī)的典型實(shí)用結(jié)構(gòu)如圖為平面矩形磁鋼的直線電動(dòng)機(jī)，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)圈型直線永磁直流電動(dòng)機(jī)1-矩形磁鋼；2-軟鐵；3-移動(dòng)線圈如圖為環(huán)形磁鋼的直線電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)主要是圓筒形的，導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度能得到充分利用。圖1-14環(huán)形磁鋼動(dòng)圈型直線永磁直流電動(dòng)機(jī)

1-環(huán)形磁鋼；2-圓筒形導(dǎo)磁體；3-移動(dòng)線圈1.5直線直流電動(dòng)機(jī)第32頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

動(dòng)鐵型永磁直線直流電動(dòng)機(jī)

圖1-15動(dòng)鐵型直線永磁直流電動(dòng)機(jī)1-固定線圈；2-電刷；3-永久磁鋼；4-軟鐵動(dòng)鐵型