直流伺服电动机

概述
什么是伺服电动机? 在自动控制系统中wk.baidu.com执行元件，所以又称执行
电动机。它将电压输入电压信号变换为转轴的角位移 或角速度而输出。输入电压信号又称为控制信号或控 制电压。改变控制电压可以改变伺服电机的转速及转 向。 伺服电机的分类:
交流、直流 伺服电机特点:
1. 宽广的调速范围 2. 机械特性和调节特性均为线性 3.无自转现象 4.快速相应
1-换向器 2-电刷 3-空心杯电枢 4-外定子 5-内定子
无槽电枢直流伺服电动机
工作原理
根据电磁学基本知识可知，载流导 体在磁场中要受到电磁力的作用。如
果导体在磁场中的长度为l, 其中流过 的电流为i，导体所在处的磁通密度为 B，那末导体受到的电磁力的值为 F=Bli
式中， F的单位为牛顿(N)； B的单位 为韦伯/米2(Wb/m2); l的单位为米(m); i的单位为安培(A)； 力F的方向用左
n = f ( T ) |Ua=C
Ua Ea Ia Ra
Ea Cen Ken Tem CtIa Kt Ia
n Ua Ke
Ra Kt Ke
Tem
n
Ua Ke
Ra Kt Ke
Tem
n0
kTem
n
Ua Ke
Ra Kt Ke
Tem
n0
kTem
调节特性
在自动控制系统中， 为了控制伺服电动机的转速， 就需要知道电动机在带了负载以后， 转速随控制信 号变化的情况。 也就是要知道， 电动机在带了负 载以后， 加多大的控制信号， 电动机能转动起来； 加上某一大小的控制信号时， 电动机的转速为多少。 电动机在一定的负载转矩下， 稳态转速随控制电压 变化的关系称为电动机的调节特性。
由于机电时间常数表示了电机过渡过程 时间的长短， 反映了电机转速追随信号 变化的快慢程度， 所以是伺服电动机一 项重要的动态性能指标。 一般直流伺服 电动机的机电时间常数大约在十几毫秒 到几十毫秒之间。 快速低惯量直流伺服 电动机的机电时间常数通常在10 ms以下， 其中空心杯电枢永磁直流伺服电动机的 机电时间常数可小到 2-3 ms。
电枢电压来控制电机的转速与 转向的方式。 励磁控制法 ：
在低速时受磁饱和的限制， 在高速时受换向火花和换向结 构强度的限制，并励磁线圈电 感较大，动态响应较差，所以 这种方法应用较少。
运行特性
机械特性 调节特性
机械特性
电动机在电枢电压Ua不变时，转速随负载转
矩(或电磁转矩)变化的规律。表征这个规律的 曲线称为电动机的机械特性。
n = f ( Ua ) |T=C
n Ua Ke
Ra Kt Ke
Tem
U a0
Ra Kt
Tem
n
Ua Ke
Ra Kt Ke
Tem
动态特性
什么是动态特性 直流伺服电机的传递函数 直流伺服电机的时间常数
什么是动态特性
当电枢电压发生突变时，电机转速从一种 稳定状态过渡到另一种稳定状态的过程：
如果把Ea=CeΦn代入上式， 便可得出电 枢电流Ia的表示式:
Ia
Ua Ea Ra
Ua Cen
Ra
直流电动机的电枢电流不仅取决于外加电压 和本身的内阻， 而且还取决于与转速成正比的
反电势(当Φ=常数时)。
n Ua Ia Ra
Ce
控制方式
n Ua Ia Ra
Ce
电枢控制： 当励磁电压一定时，改变
n=f(t) 或 Ω = f(t)
它包括机械和电气两部分 分析方法 拉氏变换
直流伺服电机的传递函数
ua
Raia
La
dia dt
ea
n=f(t) 或 Ω = f(t)
Ra
La
ia ua
SM
ea
Tem
J
d dt
ua
Ra J Kt
d dt
La J Kt
d 2 dt 2
Ke '
(t)
Ua
1
(1 em
直流伺服电动机
结构与分类 工作原理 控制方式 运行特性 动态特性
结构与分类
直流伺服电机本质是它励直流电机 传统型
永磁（SY）、电磁式（SZ） 低惯量
1、盘型电枢直流伺服电动机 2、空心杯点枢直流伺服电动机（SYK） 3、无槽电枢直流伺服电动机(SWC)
盘型电枢直流伺服电动机
空心杯点枢直流伺服电动机
课程简介
本科程是为适应科学技术的发展及控制 系统的需要而开设的。包括伺服电机、 步进电机、测速电机、旋转变压器、自 整角机、永磁同步电机、开关磁组电机、 直线电机等。掌握基本概念与原理、运 行特性和应用。为了加强上述电机的学 习开设有7个实验。
第一 章 直流伺服电动机
概述 直流伺服电动机 无刷直流电动机 直流力矩电动机（自学） 直流电动机的应用
手定则来确定。
电磁转矩
磁极下一根载流导体所受到的电磁力。 此力作 用在电枢外圆的切线方向， 产生的转矩为：
ti
Fi
D 2
Bxlia
D 2
N
N
T ti
i 1
1
Bxlia
D 2
NBplia
D 2
T
N
2 p Dl
l
Ia 2a
D 2
pN
2a
I
a
T GTIa
式中， Bp用每极总磁通Φ表示， Bp=Φ/(τl), 其中τ为极距， τ=πD/(2p), l为电枢铁心长； 导体电流ia用电枢总电流Ia表示， ia=Ia/(2a), 其中a为并联支路对数
Ke '
)
1
0 (1 em
)
2
60Ke
ua
me
d2 dt 2
m
d dt
U
a
(s)
Ua s
直流伺服电机的时间常数
(t)
Ua
1
(1 em
Ke '
)
1
0 (1 em
)
2 Ua
m
2 Ra J
60Ke Kt
J
60 Ua Ra
Ke Kt
J
0 Tk
m
2 JRa
60CeCT 2
直流伺服电机的时间常数
m
2 Ra J
60Ke Kt
2
60
Ra J CeCt 2
该式表明， 机电时间常数与旋转部
分的转动惯量、 电枢回路的电阻成正比。 但当电机在自动控制系统中使用时， 系 统中的放大器和电机所带的负载都影响 到电机的过渡过程， 现分述如下。
1、负载转动惯量的影响
2、放大器内阻的影响
3、磁密的影响
直流伺服电机的时间常数
直流电动机的反电势和电压平衡方程式
电枢导体切割磁通，产生感应电势的情形完全一样。
所以电动机电刷两端感应电势Ea的公式也相同， 即
Ea=CeΦn
式中， n为电枢转速； Φ为每极总磁通。
Ua=Ea+IaRa 上式称为直流电动机的电压平衡方 程式。 它表示外加电压与反电势 及电枢内阻压降相平衡。 或者说， 外加电压一部分用来抵消反电势， 一部分消耗在电枢内阻压降上。