控制电机小论文

《控制电机》论文直流伺服电机的原理及应用

学生姓名: 3333

任课教师：33333

学生学号： 3333331

专业：电气工程及其自动化

2014 年5月

直流伺服电机的原理及应用

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引言

在上个世纪，工人师傅们花去了大量的时间和精力来手动来完成很多事情，比如线瓶灌装、系统温度控制等。即使在早期工业时期，因为电机的不稳定性，好多工作还是人工完成。自从出现了伺服系统，才改变了这种现状。伺服电机的出现，明显的提高了产量，同时降低了生产成本。伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。本文就伺服电机的特性，性能，具体应用及其国内外发展状况等方面做简要描述。

在编写过程中，本人主要依照这几年来所学电机方面的知识，并参考了大量与本设计有关的资料文献由于各种类型的伺服电动机原理大致相同或相似，本人主要以应用较为广泛的直流伺服电动机作为研究对象.主要研究直流伺服电机的结构、工作原理、主要特性以及应用。

尽管已经作了很大的努力，但由于水平实在有限，经验不足，难免存在一些错误和不妥之处，望老师批评指正

一、伺服电机的工作原理

伺服电机因其启动转矩大、运行范围广、无自转现象、快速响应等特性被广

泛用于数字控制机床中。外观如图1-1、1-2。

图1-1 伺服电机外观

图1-2伺服电机外观

伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，

是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任

意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电

机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服

电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数

量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，

系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能

够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm 。直流伺

服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范

围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境

有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。伺服电机,可使控

制速度,位置精度非常准确。

伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用

作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到

的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。控制电路图如图1-3。

伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W 三相电形成电磁场，转

子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根

据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码

器的精度（线数）。

图1-3 伺服系统电路图

分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，

当信号电压为零时无自

转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。下面将对直流伺服电机着重介绍。

直流伺服电机，指使用直流电源得伺服电动机，

实质上就是一台他励式直流

电动机。它包括定子、转子铁芯、电机转轴、伺服电机绕组换向器、伺服电机绕

组、测速电机绕组、测速电机换向器,所述的转子铁芯由矽钢冲片叠压固定在电

机转轴上构成。直流电机分为传统型和低惯量型两大类。

图1-4 直流电机工作原理

图1-5 直流电机工作原理

直流伺服电机是梯形波，而交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉

动小。但直流伺服比较简单、便宜。此外，直流电机一般用在功率稍大的场合，

其输出功率一般为1—600w,但有时也可以用在数千瓦的系统。 近几年，随着电子技术的高速发展，伺服电机也有了很大的发展，出现各种

新型结构的伺服电机，比如：

图1-6 盘型电枢伺服电机结构示意图

图1-7 电磁式直流伺服电机的定子冲片

二、伺服电机的主要特性

直流伺服电机调速性能好。所谓“调速性能”，是指电动机在一定负载的条件下，根据需要，人为地改变电动机的转速。直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节。因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都用直流电动机拖动。

2.1 直流伺服电机的控制方式

他励式直流电动机，当励磁电压U 恒定，又负载转矩一定时，升高电枢电压

Ua ，电机的转速随之增高；反之，电机的转速就降低；若电枢电压为0，则电机停转。当电枢电压的极性改变后，电机的旋转方向随之改变。因此，把电枢电压作为控制信号就可以实现对电动机的转速控制，这种控制方式成为电枢控制。

2.2运行特性

直流伺服电机电枢控制工作原理图如图2-1所示：

图2-1直流伺服电机电枢控制工作原理图 为了分析简便，假设磁路为不饱和，其电刷位于集合中性线。这样，直流电

动机点数回路的电压平衡方程式应为 a a a a U E I R =+ （1-1） 其中a R 为电枢回路的总电阻。 当磁通φ恒定时，则有 a t n e E C K n φ== （1-2）

电动机的电磁转矩为 em t a t a T C I K I φ== （1-3）