直流伺服电机的基本特性

直流伺服电机的基本特性

网络2010-08-01 01:50:12 网络

1、机械特性

在输入的电枢电压Ua保持不变时，电机的转速n随电磁转矩M变化而变化的规律，称直流电机的机械特性。

直流电机的机械特性曲线

K值大表示电磁转矩的变化引起电机转速的变化大，这种情况称直流电机的机械特性软；反之，斜率K值小，电机的机械特性硬。在直流伺服系统中，总是希望电机的机械特性硬一些，这样，当带动的负载变化时，引起的电机转速变化小，有利于提高重流电机的速度稳定性和工件的加工精度。功耗增大。

2、调节特性

直流电机在一定的电磁转矩M（或负载转矩）下电机的稳态转速n随电枢的控制电压U a 变化而变化的规律，被称为直流电机的调节特性。

直流电机的调节特性曲线

斜率K反映了电机转速n随控制电压U a的变化而变化快慢的关系，其值大小与负载大小无关，仅取决于电机本身的结构和技术参数。

3、动态特性

从原来的稳定状态到新的稳定状态，存在一个过渡过程，这就是直流电机的动态特性。

决定时间常数的主要因素有：惯性J的影响、电枢回路电阻R a的影响、机械特性硬度的影响。

直流伺服电机的种类和主要技术参数

1、按转动部分惯性大小来分：

•小惯量直流电机——印刷电路板的自动钻孔机

•中惯量直流电机（宽调速直流电机）——数控机床的进给系统

•大惯量直流电机——数控机床的主轴电机

•特种形式的低惯量直流电机

2、主要技术参数：额定功率P e

•额定电压U e

•额定电流I e

•额定转速n e

•额定转矩M I e

•调速比D

直流伺服电机的选择，是根据被驱动机械的负载转矩、运动规律和控制要求来确定。

直流伺服电机结构和速度控制原理

直流伺服电机结构示意图

1、直流电机的输出电磁转矩表达式为：

2、控制直流伺服电机电磁转矩和速度的方法有两种：

•改变电枢电压U a即改变电枢电流I a的方法；

•改变励磁电流I f即改变磁通ф的方法。

3、常用调节电枢电压的方法

优点：一元函数，线性较好，控制方便；响应速度快；输出转矩大。

直流伺服电机的速度控制

1、直流伺服电机速度控制技术指标

（1）调速范围D——电机在额定负载下

（2）静差度S ——指电机由理想空载增加到额定负载时的转速降落Δn e与理想空载转速n0之比

（3）调速的平滑性Q——用两个相近转速之比表示

Q值越接近1，表示调速平滑性越好。

2、直流伺服电机调速——对控制信号进行功率放大

（1）线性型

优点：电路结构和原理简单，成本低，加速能力强；缺点：发热厉害，耗损大。适用于

小功率低惯量直流电机。

（2）开关型

•对直流电机采用脉冲方式供电，PWM

优点：功率损耗小，运行效率高，加减速性能好，尤其是在要求低速大转矩下连续运行的场合。已普遍用于中小惯量的直流电机调速。

（3）晶闸管型（可控硅型）

•对直流电机采用脉冲方式供电，PWM

优点：输出功率大，电流大。适用于大功率大惯量的直流电机调速。

（4）双向式PWM调速

双向式PWM调速主电路

电机的转动方向处决于t1的大小。

双向式PWM调速电压、电流波形图

优点：电枢电流稳定连续，外特性硬度高，死区很小，低速性能好，调速范围宽；缺点：工作过程中4个功率三极管都处于开关状态，故开关损耗大，易发生上、下两管直通，造成电源短路等。

单向式PWM调速电压波形图

单向式PWM调速电枢电压、电流波形图

3、直流伺服电机闭环速度控制系统

单环负反馈速度控制框图

双环负反馈速度控制系统

FANUC公司速度控制单元原理框图

直流伺服电机位置伺服控制系统

1、直流伺服电机位置伺服控制系统组成

直流伺服电机位置伺服控制系统组成框图

偏差区域和转速决定2、位置模块

（1）德国西门子公司（SIEMENS）IP246位置伺服模块

该模块的主要技术参数：

•输出电压：±10V

•分辨率：0.1～99.9um

•控制距离：max：±40000mm

•控制速度：1～65000mm/min

•加速度：1～9999mm/s2

•齿轮间隙补偿：max：64.999mm

•工具长度补偿：max：±40000mm 操作方式为：

•软件设置参考点和参考点设定方法

•手动操作

•自动操作

•补偿和偏移的输入和删除

•示教模式

（2）美国AB公司Creonics位置伺服模块

Creonics位置伺服模块MCC功能框图

交直流伺服技术的比较

1、直流伺服技术

伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流（DC）伺服系统和交流（AC）伺服系统。50年代，无刷电机和直流电机实现了产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。70年代则是直流伺服电机的应用最为广泛的时代。

2、交流伺服技术

从70年代后期到80年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术—交流伺

服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。

交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类:永磁同步（SM型）电动机交流伺服系统和感应式异步（IM型）电动机交流伺服系统。其中，永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流。感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格低廉，因而具有很好的发展前景，代表了将来伺服技术的方向。但由于该系统采用矢量变换控制，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，而且电机低速运行时还存在着效率低，发热严重等有待克服的技术问题，目前并未得到普遍应用。

系统的执行元件一般为普通三相鼠笼型异步电动机，功率变换器件通常采用智能功率模块IPM。为进一步提高系统的动态和静态性能，可采用位置和速度闭环控制。三相交流电流的跟随控制能有效地提高逆变器的电流响应速度，并且能限制暂态电流，从而有利于IPM的安全工作。速度环和位置环可使用单片机控制，以使控制策略获得更高的控制性能。电流调节器若为比例形式，三个交流电流环都用足够大的比例调节器进行控制，其比例系数应该在保证系统不产生振荡的前提下尽量选大些，使被控异步电动机三相交流电流的幅值、相位和频率紧随给定值快速变化，从而实现电压型逆变器的快速电流控制。电流用比例调节，具有结构简单、电流跟随性能好以及限制电动机起制动电流快速可靠等诸多优点。

3、交直流伺服技术的比较

直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响，其发展受到了限制。直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易发热，影响了与其连接的其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场合，机械换向器则成为直流伺服驱动技