直流伺服电机

1、电枢中的感应电动势 电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁 场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线 圈中产生感应电动势（用E表示）。
电刷
+ U –
换向片
N
F E I
I
E F
S
12
电刷
+ U
–
换向片
N
F E I I E F
S
根据右手定则知，E 和原通入的电流方向相反，其 大小为：
E Cen
起的转速变化程度。斜率k大，转矩变化时转速变化大， 机械特性软。反之，斜率k小，机械特性就硬。
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（2）电枢电压对机械特性的影响
n0和Tk都与电枢电压成正比，而斜率k则与电枢电压无关。
对应于不同的电枢电压可以得到一组相互平行的机械特性曲 线。
Ua Te Ra n n0 kTe 2 Ce Ce C t
26
1.2.2 运行特性
（1）n0、Te、k的物理意义 堵转转矩Tk：Tk是转速n=0时的电磁转矩。
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1.2.2 运行特性
（1）n0、Te、k的物理意义
n Ua TR e a 2 n0 kTe Ce Ce C t
机械特性的斜率k ：斜率k前面的负号表示直线是下倾
的。斜率k的大小直接表示了电动机电磁转矩变化所引
If Uf
Ia
M U U 他励
If
M
U
M
U
M
并励
串励
复励
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二、 工作原理
电刷
+
U –
换向片
N I I S
直流电源
电刷
换向器
线圈
8
电刷
+
N
F
I I
U –
换向片
F
S
换向器作用： 将外部直流电 转换成内部的 交流电，以保 持转矩方向不 变。
注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转 动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。 电刷压在换向片上。 由左手定则，通电线圈在磁场的作用下， 使线圈逆时针旋转。
交流伺服电动机
普通直流伺服电动机 低惯量直流伺服电动机 直流力矩电动机 两相感应伺服电动机 三相感应伺服电动机 无刷永磁伺服电动机
2
直线伺服电动机
1.1概述
3. 控制系统对伺服电动机的基本要求
宽广的调速范围 机械特性和调节特性均为线性
无“自转”现象
快速响应。
此外，还要求伺服电动机的控制功率小、重量轻、体
调速。
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直流伺服电动机的控制方式： 把控制信号作为电枢电压 Ua来控制电动机的转 速，叫电枢控制。 把控制信号加在励磁绕组上，通过控制磁通
来控制电动机的转速，叫磁场控制。
21
1.2.1 控制方式
1. 电枢控制
励磁磁通保持不变，改变电 枢绕组的控制电压。当电动机的 负载转矩不变时，升高电枢电压， 电机的转速就升高；反之转速就
Ce pN /(60a)
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调节电动机转速的三种方法：
调节电枢供电电压 Ua 改变电枢回路电阻 Ra 减弱励磁磁通
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三种调速方法的性能与比较：
1.改变电阻Ra只能有级调速；
2.减弱磁通能够平滑调速，但调速范围不大，
可在基速以上作小范围的弱磁升速。
3.调节电压Ua调速能在较大的范围内无级平滑
Ua0 –始动电压 K1 – 特性斜率
图1-4
直流伺服电动机的调节特性
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（1） Ua0和k1的物理意义 始动电压Ua0： Ua0是电动机处在待动而又未动临界状态时的 控制电压。 ，当n=0时，便可求得 U a U a0 Ra Ts C t 由于 U a0 Ts ，即负载转矩越大，始动电压越高。而且控 由
n Ua TR e a 2 Ce Ce C t
得
Ua Ts Ra n k1U a A 2 Ce Ce C t
k1
1 Ce
为特性曲线的斜率；
Ts Ra 为由负载阻转矩决定的常数。 A C e C t 2
30
n
Ua TR s a 2 k1U a A 调节特性为一上翘的直线。 Ce Ce C t
目的，但励磁电流和主磁通之间是非线性关系，且随着
励磁电压的减小其机械特性变软，调节特性也是非线性 的，故少用。
Te=TL+ T0
Te CtΦI a
U E I a Ra
23
1.2.2 运行特性
伺服电动机的运行特性包括机械特性和调节特性。 1. 机械特性 机械特性是指电枢电压等于常数时，转速与电磁 转矩之间的函数关系，即 U a c, n f (Te ) 把 Te C t I a 代入式
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电刷
+ U
N
F E
I I
E F
–
换向片
S
由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中 产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的 方向相反。
10
直流发电机
用右手定则判
感应电动势Ea的方向
E + Ia
N
E
电枢绕组
U
– 感应电动势 S 输出电压
电阻Ra
E Cen
U E I a Ra
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三.电枢电动势及电压平衡关系
直流伺服电动机由放大器供
电时，放大器可以等效为一
个电动势源与其内阻串联。 内阻使直流伺服电动机的机
械特性变软。
图1-3
不同控制电压时的机械特性
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2. 调节特性 调节特性是指负载转矩不变时，电机转速与电枢电压 之间的函数关系，即 Te Ts TL T0 c时，n f (U a ) 由
积小等。
3
1.2 直流伺服电动机的控制方式和运行特性
一、直流伺服电动机的构成
直流电机由定子、转子和机座等部分构成。
机座
磁极
转子
励磁 绕组
励磁式直流电动机结构
4
1. 转子（又称电枢） 由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。 2. 定子 定子的分类： 永磁式：由永久磁铁做成。
励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 通过直流电，形成电磁铁。
U a I a Ra n Ce
。
得
Ua Te Ra n n0 kTe 2 Ce Ce C t
Ua n0 Ce
k ,为理想空载转速； Ra C e C t 2
,为直线的斜率。
24
1.2.2 运行特性
Ua Te Ra n n0 kTe 2 Ce Ce C t
四. 电磁转矩 1、电磁转矩
Te CtΦI a
Ct：与线圈的结构有关的常数 （与线圈大小，磁极的对数等有关）
：线圈所处位置的磁通
Ia：电枢绕组中的电流 单位： （韦伯），Ia（安培），T（牛顿米） 由转矩公式可知： (1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。 (2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者 改变磁通的方向。
T (t ) J dt
由

2 n 60
和
T (t ) C t ia
可得
ia
T (t ) J d 2J dn C t C t dt 60C t dt
1 C e
把ia和 ea Ce n 代入 L dia i R e U，两边乘以得 a a a a a dt
机械特性为一直线 n0 -- 理想空载转速 TK-- 堵转转矩
k Δn ΔT
--直线斜率
图1-2
直流伺服电动机的机械特性
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1.2.2 运行特性
（1）n0、Te、k的物理意义
理想空载转速n0：n0是电磁转矩Te=0时的转速，由 于电机空载时Te=T0，电机的空载转速低于理想空 载转速。
Ua Te Ra n n0 kTe 2 Ce Ce C t
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2、转矩平衡关系 电磁转矩Te为驱动转矩，在电机运行时，必须和外 加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即
Te TL T0
TL： 负载转矩 T0 ：空载转矩
转矩平衡过程：当负载转矩（TL）发生变化时， 通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁 转矩自动调整，以实现新的平衡。
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例： 设外加电枢电压 U 一定，Te=TL+ T0(平衡)，这时， 若TL突然增加，则调整过程为： TL T e n Ia
Ce：与电机结构有关的常数 ：磁通 n：电动机转速
13
单位： （韦伯），n（转/每分），E（伏）
2. 电枢绕组中电压的平衡关系 因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。 Ra + + U E I a Ra Ia M E U U：外加电压 Ra:绕组电阻 – –
以上两公式反映的概念： (1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想 改变E，只能改变 或 n。 E Cen (2)若忽略绕组中的电阻Ra，则 U E CeΦn， 可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反 比，通过改变 可调速。 14
效应等引起电动势脉动的影响增大，导致电磁转矩波动
比较明显。
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电刷接触压降的影响
低速时，控制电压很低，电刷和
换向器之间的接触压降开始不稳定，影响电枢上有效电 压的大小，从而导致输出转矩不稳定。 电刷和换向器之间摩擦的影响 低速时，电刷和换向器
之间的摩擦转矩不稳定，造成电机本身的阻转矩T0不稳
定，因而导致总阻转矩不稳定。
n Ua TR s a 2 Ce CeCt
制电压从0到Ua0一段范围内，电机不转动，故把此区域称 为电动机的死区。
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（1） Ua0和k1的物理意义 斜率k1： k1 1
C e
是由电机本身参数决定的常数，
与负载无关。
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（2）总阻转矩对调节特性的影响 总阻转矩Ts变化时， U a0 Ts ，斜率k1保持不变。
U a I a Ra n CeΦ
降低。电枢电压等于零时，电机
不转。电枢电压改变极性时，电 机反转。
图1-1 电枢控制原理图 22
2．磁场控制
U a I a Ra n CeΦ
电枢绕组电压保持不变，改变励磁回路的电压。若
电动机的负载转矩不变，当升高励磁电压时，励磁电流 增加，主磁通增加，电机转速就降低；反之，转速升高。 改变励磁电压的极性，电机转向随之改变。 尽管磁场控制也可达到控制转速大小和旋转方向的
因此对应于不同的总阻转矩 Ts1、Ts2、Ts3
可以得到一组相互平行的调节特性。
，
图1-5
不同负载时的调节特性
34
3．直流伺服电动机低速运转的不稳定性
当电动机转速很低时，转速就不均匀，出现时快、时慢，
甚至暂时停一下的现象，这种现象称为直流伺服电动机低
速运转的不稳定性。 （1）低速运转的不稳定的原因 电枢齿槽的影响 低速时，反电动势的平均值很小，因而电枢齿槽
2JRa Ua 2J d 2n dn La n 60CeCt 2 dt 2 60CeCt 2 dt Ce n0
第1章 直流伺服电动机
1.1 概述 1.2 直流伺服电动机的控制方式和运行特性 1.3 直流伺服电动机的动态特性 1.4 特种直流伺服电动机 1.5 直线直流电动机
1
1.1概述
1. 伺服电动机的概念
伺服电动机又称为执行电动机，其功能是把输入的 电压信号变换成转轴的角位移或角速度输出。 2. 伺服电动机的分类 直流伺服电动机
励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。
5
旋转方向
线圈中电流流动方向 换相器
线圈 磁极
6
根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的 直流电机又可细分为：
他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。 并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。 串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。 复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。
La dia ia Ra ea U a dt
T (t ) Ts J
d dt
其中
ea Ce n
T (t ) C t ia
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由于在小功率的随动系统中，选择电动机时总是使电动机 的额定转矩远大于轴上的总阻转矩。为了推导方便，可以 先假定 。 d Ts 0 ，这样
E
U E I a Ra
Te CtΦI a
最后达到新的平衡点。 与原平衡点相比，新的平衡点：Ia 、 P入
17
1.2.1 控制方式 根据直流电动机转速公式:
Ua Ea I a Ra
E Ceቤተ መጻሕፍቲ ባይዱn
U a I a Ra n CeΦ
式中：
n — 转速（r/min）； Ua — 电枢电压（V）； Ia — 电枢电流（A）； Ra — 电枢回路总电阻（）； — 励磁磁通（Wb）； Ce— 由电机结构决定的电动势常数。
（2）解决的措施 稳速控制电路：使转速平稳。
直流力矩电动机: 低速稳定性好。
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1.3 直流伺服电动机的动态特性
动态特性是指在电枢控制条件下，在电枢绕组上加阶跃 电压时，电机转速n和电枢电流ia随时间变化的规律。产生
过渡过程的原因是电机中存在机械惯性和电磁惯性。
1.3.1过渡过程中的电机方程 电压平衡方程式 转矩平衡方程式