第一章直流伺服电机

电势动态平衡方程式: 电势动态平衡方程式:
电势稳态平衡方程式: 电势稳态平衡方程式:
转矩稳态平衡方程式: 转矩稳态平衡方程式:
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第三节 直流伺服电机的特性
1、直流伺服电机的静态特性:电枢控制 直流伺服电机的静态特性: 机械(调节) 机械(调节)特性方程式 : 1）机械特性： ）机械特性： Ua一定时， 一定时， n=f (Tem )
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ω (s)
θ (s)
第三节 直流伺服电机的特性
2、直流伺服电机的动态特性 影响 τ m 的主要因素： 的主要因素：
（1）负载转动惯量的影响： 负载转动惯量的影响： J=Jm+JL′ JL′——负载折算转动惯量 （2）电枢回路电阻的影响： 电枢回路电阻的影响： Ra′=Ra+Ri Ri ——电源（放大器）内阻 ——电源 放大器） 电源（ （3）机械特性硬度的影响： 机械特性硬度的影响： n/T－ n/T－机械特性的斜率
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第二节 直流伺服电机的结构
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第二节 直流伺服电机的结构
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第二节 直流伺服电机的结构
低惯量直流伺服电机
无槽电枢 盘式电枢
空心杯电枢
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第二节 直流伺服电机的结构
宽调速直流伺服电机
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第三节 直流伺服电机的特性
转矩： 转矩：
电势： 电势：
转矩平衡方程式： 转矩平衡方程式：
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第三节 直流伺服电机的特性
2
本章教学: 本章教学:
二、教学时间安排：4学时 教学时间安排： 主要内容： 三、主要内容：
• 第一节 直流伺服电机工作原理 • 第二节 直流伺服电机的结构 • 第三节 直流伺服电机的特性 • 第四节 直流伺服电机控制 本章重点：直流伺服电机工作原理和静态特性； 本章重点：直流伺服电机工作原理和静态特性； 本章难点：直流伺服电机的动态特性。 本章难点：直流伺服电机的动态特性。
四、教学过程： 教学过程：
3
第一节 直流伺服电机工作原理
1、直流伺服电动机基本原理
4
第一节 直流伺服电机工作原理
1、直流伺服电动机基本原理 加于直流电机的直流电源， 加于直流电机的直流电源 ， 借助于换向器和电刷 的作用， 使直流电机电枢线圈流过的电流， 的作用 ， 使直流电机电枢线圈流过的电流 ， 方向 是交变的， 是交变的 ， 从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒 定不变，确保直流电机朝确定的方向连续旋转。 定不变，确保直流电机朝确定的方向连续旋转。 定子：磁场— 定子：磁场—永磁体 转子： 转子：电枢绕组 换向： 换向：换向器与碳刷
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第四节 直流伺服电机控制 电枢控制，输入量是电枢电压（或电流）。 电枢控制，输入量是电枢电压（或电流）。 磁场控制，输入量是磁通，激磁电流或电压 磁场控制，输入量是磁通，激磁电流或电压
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第四节 直流伺服电机控制
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第四节 直流伺服电机控制
PWM驱动装置控制原理图 PWM驱动装置控制原理图
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第三节 直流按以上各式可建立动态方框图： 按以上各式可建立动态方框图：
Te (s )
U a (s ) I a (s ) Tem (s ) 1 Ct φ Ra + La s Ea (s )
60Ceφ 2π
-
∆T (s )
-
1 Js
ω (s )
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第三节 直流伺服电机的特性
直流电动机磁场分析： 直流电动机磁场分析：
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第一节 直流伺服电机工作原理
2、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向 直流伺服电动机磁场、
电枢反应的两个重要影响： 电枢反应的两个重要影响： 1）气隙磁场发生扭斜，气隙合成磁场的物理中性面将逆 气隙磁场发生扭斜， 着电动机旋转方向转过一个角度， 着电动机旋转方向转过一个角度，物理中性面与几何中性 面不再重合。 面不再重合。 磁路饱和、 磁路饱和、换向困难 2）半个极下磁通的增加值，将小于另半个极下磁通的减 半个极下磁通的增加值， 小值，总的气隙磁通将有所减小， 小值，总的气隙磁通将有所减小，这就是电枢磁场的去磁 作用。 作用。 影响不大，但是降低电机的工作效率。 影响不大，但是降低电机的工作效率。
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第三节 直流伺服电机的特性
2、直流伺服电机的动态特性
经拉氏变换整理得： 经拉氏变换整理得：
1 ω ( s ) = (Tem ( s) − Tc ( s)) Js Tem ( s) = CtφI a ( s ) 1 I a (s) = (U a ( s ) − Ea ( s )) La s + Ra 60 Ea ( s ) = Ceφω ( s ) 2π
为电动机电磁时间常数 τ e 为电动机电磁时间常数, τ e = La Ra
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第三节 直流伺服电机的特性
2、直流伺服电机的动态特性 可写成： 若 τ m > 10τ e ，可写成： 2π (60Ceφ ) 1 Ke ω ( s) = = U ( s) (τ m s + 1)(τ e s + 1) (τ m s + 1)(τ e s + 1)
当τ e很小，1 τ e 远远超过了控制系统通频带时，直流电动 很小， 远远超过了控制系统通频带时， 机的传递函数可以简化为： 机的传递函数可以简化为：
2π (60Ceφ ) 1 K e = = U ( s) τ ms +1 τ ms +1 2π (60Ceφ ) 1 Ke = = 同理可得： 同理可得： U ( s) s (τ m s + 1) s (τ m s + 1)
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第三节 直流伺服电机的特性
2、直流伺服电机的动态特性
Tem (t ) = CtφI a (t ) 60 Ea (t ) = Ceφω (t ) 2π dω (t ) Tem (t ) = J + Tc (t ) dt dI a (t ) U a (t ) = La + Ra I a (t ) + Ea (t ) dt
2、直流伺服电机的动态特性
当Te=0时，传递函数为： 时 传递函数为：
=
2π (60Ceφ ) 1 Ke = = 2 U ( s ) τ mτ e s + τ m s + 1 τ mτ e s 2 + τ m s + 1
式中， 式中， m 为电动机机电时间常数 τ
ω (s)
2πRa J 2π Jn0 2π τm = = = Jtgβ 2 60CeCtφ 60 Ts 60
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第二节 直流伺服电机的结构
传统直流伺服电机和直流电机工作原理、结构和基本 传统直流伺服电机和直流电机工作原理、 特征没有原则区别， 特征没有原则区别，但是在结构和性能上做了一些改 具有如下特点： 进，具有如下特点：
1、采用细长的电枢以便降低转动惯量，其惯量大约是普通直 采用细长的电枢以便降低转动惯量， 流电动机的1/3 1/2。 1/3～ 流电动机的1/3～1/2。 2、具有优良的换向性能，在大的峰值电流冲击之下仍能确保 具有优良的换向性能， 良好的换向条件，因此具有大的瞬时电流和瞬时转矩。 良好的换向条件，因此具有大的瞬时电流和瞬时转矩。 3、机械强度高，能够承受住巨大的加速度造成的冲击力作用。 机械强度高，能够承受住巨大的加速度造成的冲击力作用。 4、电刷一般都安放在几何中型面上，以确保正反转特性对称。 电刷一般都安放在几何中型面上，以确保正反转特性对称。
任课教师：杜明星 任课教师：
2010－2011学年第一学期 2010－2011学年第一学期
本章教学: 本章教学:
一、教学要求： 教学要求：
掌握直流伺服电机结构、分类和作用等概念； 掌握直流伺服电机结构、分类和作用等概念； 理解直流伺服电机工作原理； 理解直流伺服电机工作原理； 掌握直流伺服电机的静态特性； 掌握直流伺服电机的静态特性； 直流伺服电机的静态特性 了解直流伺服电机的动态特性（ 了解直流伺服电机的动态特性（关注机电时间常数 的作用）； 的作用）； 理解无刷直流电动机与普通直流伺服电机的区别。 理解无刷直流电动机与普通直流伺服电机的区别。
转速与转矩的关系
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第三节 直流伺服电机的特性
1、直流伺服电机的静态特性:电枢控制 直流伺服电机的静态特性: 2.调节特性： 调节特性： 调节特性 Tem一定时，n=f (Ua ) 一定时，
转速与控制量（ 转速与控制量（如电 压）的关系
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第三节 直流伺服电机的特性
1、直流伺服电机的静态特性:电枢控制 直流伺服电机的静态特性:
5
第一节 直流伺服电机工作原理
1、直流伺服电动机基本原理
定子结构
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第一节 直流伺服电机工作原理
1、直流伺服电动机基本原理
转子结构
7
第一节 直流伺服电机工作原理
1、直流伺服电动机基本原理
换向装置
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第一节 直流伺服电机工作原理
1、直流伺服电动机基本原理
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第一节 直流伺服电机工作原理
2、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向 直流伺服电动机磁场、
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第一节 直流伺服电机工作原理
2、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向 直流伺服电动机磁场、
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第一节 直流伺服电机工作原理
2、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向 直流伺服电动机磁场、
减小和消除换向火花的方法： 减小和消除换向火花的方法： 1）移动电刷法。将直流电动机的电刷从几何中性面开始， 移动电刷法。将直流电动机的电刷从几何中性面开始， 逆着电枢旋转方向移动电刷，使换向火花最小为止， 逆着电枢旋转方向移动电刷，使换向火花最小为止，移动 的角度大于物理中性面的偏移角。 的角度大于物理中性面的偏移角。 附加换向磁极法。 2）附加换向磁极法。在几何中性面处设置附加的换向磁 它的激磁绕组与电枢绕组串联， 极，它的激磁绕组与电枢绕组串联，换向极的磁场方向必 须与电枢磁场的方向相反。 须与电枢磁场的方向相反。 选用合适电刷法。 3）选用合适电刷法。