伺服电机

通常， e m，所以近似有： T (s) (s) K
Uc(s) ms 1
时间常数
设电枢外施阶跃电压Uc，其象函数为：
U
c
(
s)
Uc s
1
(s )
U
c(s
)
m
K s
1
K
U
c
s( ms 1)
K
U
c
m ss
1
m
伺服电动机
利用拉氏反变换公式：
L1
s(s
)
1
e t
可得电机角速度随时间变化的规律为：
T (s)
(s) 1 Js
(s)
方块图
Ea (s) Ke
伺服电动机
Uc (s) Ea (s)
Uc (s)
1
Ra sLa
Ea (s)
设TL=0，则可简化为：
Te
(s)
TL (s) T (s)
1
(s)
KT
Js
Ke
结构图
伺服电动机
Uc (s) Ea (s)
Uc (s) Ea (s)
KT (Ra sLa )Js
无刷直流电动机原理图
第四节 无刷直流电动机
V1
D1 V3
D3 V5
U
V4
V6
V2
D4
D6
控制电路
直流电源
电子开关
A
D5
ia
Z
Ci c
D2 H1 H2
X 永磁
Y 电机
ib B
H3 转子位置传感器
输出
电动机
位置传感器
永磁无刷直流电动机的原理框图
第四节 无刷直流电动机
电动机本体
1
(a)
2
2 1 (b)
T=0 T=T1
T=T 2
0
Uc
伺服电动机
动态方程式
电压方程 运动方程
uc
ic Ra
La
dic dt
ea
Te
TL
J
d dt
K e
60 2
Ce
60 2
pN 60a
pN 2a
Ct
KT
Te (t) Ctic KT ic
ea Cen
Ce
60 2
La
Ra
Uc Ic
TL Ea M
J
Ke KT
伺服电动机
1
6
SN
S
N
N
S
N
S
3
1-定子；2-转子；3-电刷；4电枢绕组；5-槽楔兼换向器片；
6-铜环
S
N
4
S
N
5
N
S
NS
2
为什么在电枢体积相同、电枢电流和电流密度相同 以及磁密相同条件下，能产生较大转矩？
伺服电动机
N l1
D1
N
D2
l2
S
D1
D2 2
S
V1 V2
D12 4
l1
D22 4
l2
D12l2
伺服电动机
机械时间常数也可写为：
RJ a
J
Uc Ke
J
0
0
m K K Te
K Uc
Ra
T
T st
可见，机械特性曲线越平坦(即 机械特性越硬)，则m越小。
0
Tst T
伺服电动机
1.3 直流力矩电动机(Torque Motor)
性能特点：低速、大转矩，转矩波动小，特 性的直线性好，在堵转条件下能长期工作。 原理：与一般直流伺服电动机相同。 结构特点：与一般直流伺电动机不同，呈扁 平形，以获得较大的转矩。 电枢长度与直径之比一般为0.2左右。
S
N
NS
1 绕组
伺服电动机
B. 空心杯电枢永磁式直流伺服电动机
3
2
外定子为磁钢，内定子为软
磁材料，或反之；
4
非磁性空心杯电枢上可为印
5
1
刷绕组，也可为绕线式绕组；
空心杯直接装在电机轴上， 在内、外定子间的气隙中旋 转
国产型号：SYK
1-内定子， 2-外定子， 3-空 心杯电枢， 4-电刷，5-换向 器
自动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为线性 无“自转”现象---控制电压为零时能立即自行停转 快速响应
伺服电动机
1.2 直流伺服电动机 (DC Servo Motor)
结构与分类 传统型直流伺服电动机
其结构与普通直流电动机基本相同，它可以再分为电磁式和永磁式两种；
伺服电动机
设 ：TL 0
KT ic
J
d dt
uc
Ra J KT
d dt
La J KT
d 2 dt 2
KT
Ra J KT2
La Ra
d 2 dt 2
Ra J KT2
d dt
uc KT
me
d 2 dt 2
m
d dt
Kuc
0
m
Ra J KT2
机电时间常数
当已知各常数，就可解该 方程，获得角速度变化规
0.632
t
t
(t)
KUc 1 e
m
0
1
e
m
0
m
4m
t
t m , 0.6320
t 4m , 0.9850
机械时间常数定义：当电动机空载时电枢外施阶跃电压，其角速度从0上升 到稳定角速度的63.2%时所需要的时间。
伺服电动机
m
Ra J KT Ke
2 Ra J 60 CeCT 2
3）再转过120度，C相导通。
第四节 无刷直流电动机
A相导通
B相导通
C相导通
转子每转过120度，功率管换流一次，定子磁场状态就改变 一次，电机有三个磁状态。每个功率管导通120度（1/3周期）。 磁场为跳跃式步进磁场。因此，所产生的电磁转矩为脉动转矩。
减小转矩脉动的方法是增加一周内的磁状态数，如二相导通六 状态。
定子铁心冲片
电枢冲片
伺服电动机
低惯量型直流伺服电动机 A. 盘形电枢直流伺服电动机：
定子有永久磁铁；
气隙位于圆盘两边；
圆盘上有印刷绕组或绕线 式绕组；
绕组的径向段为有效部分， 电流沿径向流过圆盘；
电枢绕组有效部分的裸导 体表面兼作换向器。
伺服电动机
A. 盘形电枢直流伺服电动机：
1
2
SN
N
S
3 4
但由于存在电刷和换向器，需要经常性维护，并且 会产生火花和电磁干扰，限制了它的应用范围。
近年发展起来的无刷直流电动机就是为了克服 换向器和电刷的滑动接触而发展起来的新型直流电 动机。
二、无刷直流电动机的工作原理
第四节 无刷直流电动机
有刷直流电动机工作原理
磁极静止，电枢旋转
f=IBla，这个力形成 电磁转矩
Te (s) KT Ic (s) Ea (s) Ke(s) KT (s)
每个方程都可以用一个 方块图表示。
伺服电动机
Uc (s)
Ic (s)
Uc (s) Ea (s) Uc (s) Ea (s)
1
Ic (s)
Ea (s)
Ra sLa
Te (s) KT
Te
(
s
)
TL
(
s) T
(
s
)
开关特性
第四节 无刷直流电动机
(2)电磁式位置传感器
(3)光电式位置传感器
R2
D1
V1
U0
输出信号
R1
P
V2
第四节 无刷直流电动机
一相导通星形三相三状态
1）H1受光，V1导通，A相 流过电流，产生磁势Fa。
电流路径：电源正极—A相 绕组—V1管—电源负极。
2）电机顺时针转过120度后， H1被遮光，H2受光，V1关 断，V2导通，B相绕组通入 电流，产生磁势Fb。
伺服电动机
电机电磁转矩表示式：
Te1
Bl1IN1
D1 2
Te2
Bl2 IN2
D2 2
Te1 l1 N1 D1 4 1 1 1
Te2 l2 N2 D2
42 2
Te2 2Te1
空载转速与电枢形状的关系
Ea
BlN
Dn 120
n0
120 n
Ua B Nl
1 D
第四节 无刷直流电动机
一、问题的提出 直流电动机虽然具有优良的调速和起动特性，
第四节 无刷直流电动机
工作原理
第一章 伺服电动机
第四节 无刷直流电动机
二相导通星形六状态
V1
D1 V3
D3 V5
US V4
V6
V2
D4
D6
控制电路
A
D5
iA
X
Z
iC
C
永磁 Y 电机
D2 H1 H2
iB
B
H3 转子位置传感器
第四节 无刷直流电动机
二相导通星形六状态
设电机为2极，定子为三相整距集中绕组，转 子采用表面式结构，永磁体宽度为120°电角度，
永磁转子结构型式 (a) 表面贴装式； (b) 内嵌式. 1－磁钢； 2－铁心
第四节 无刷直流电动机
永磁无刷直流电动机的结构 定子结构形式
第一章 伺服电动机
第四节 无刷直流电动机
转 子 结 构 形 式
第一章 伺服电动机
第四节 无刷直流电动机
逆变器结构
星形三相三状态
星形四相四状态
星形三相六状态
工作情况小结：转子每转过60°电角度，进行一次换相 ，使绕组导通情况改变一次，转子转过一对磁极，对应于 360°电角度，需进行6次换相，相应地定子绕组有6种导通 状态，而在每个60°区间都只有两相绕组同时导通，另外一 相绕组电流为零，这种工作方式常称为二相导通三相六状态 。由上述分析不难得出，各60°区间同时导通的功率开关依
l1 4l2
伺服电动机
电枢导体所占截面积：
S1
D12 4
KeK
f
N1
d12 4
N1
D1 d
2
KeK
f
S2
D22 4
KeK
f
N2
d
2 2
4
N2
D2 d
2
KeK
f
当电枢电流相同，电流密度相同时，导线直径相同
d1 d2 d
2
N1 D1 1 N2 D2 4
Ke—电枢截面利用系数，即槽面积占电枢截面 的比例系数； Kf—槽满率。
Uc1 Uc2 Uc3
机械特性斜率：
k tan n0 Ra
0
T
Tk KT Ke
伺服电动机
调节特性 负载转矩恒定时，转速随控制电压变化
n
Uc Ke
Ra Ke KT
Tl
n
调节特性与横坐标的交点，就表示在 某一电磁转矩时电动机的始动电压。 从原点到始动电压点的一段范围，称 为在某一电磁转矩值时伺服电动机的 失灵区，也称死区。
2. 磁极控制— 调节磁通来控制转速，仅适用于电励磁直流 伺服电动机。但因停转时电枢电流大，磁极绕组匝数多、 电感大，时间常数大等缺点，很少采用。
本课程只介绍直流伺服电动机的电枢控制。
伺服电动机
不考虑电机磁路饱和，并忽略负载时电枢反应的影 响，则励磁磁通正比于励磁电压，即：
CU f
Uc Ea Ic Ra
Ea
pN n 60a
Cen
Ken
Uf
Te
pN 2a
Ic
Ct I c
KT
Ic
n
Uc Ke
Ra Ke KT
Te
n
Ic
Uc
伺服电动机
机械特性 控制电压恒定时，电机转速随转矩的变化关系
n
Uc Ke
Ra Ke KT
Te
n0
kTe
n
理想空载转速： 堵转转矩：
Td
n0 KT
Ra
Uc Ke Uc
Uc1 Uc2 Uc3
伺服电动机
C. 无槽电枢直流伺服电动机
N
电枢铁心上无槽，电枢绕组
直接排列在铁心表面，再用
环氧树脂将它与电枢铁心固
化为一个整体；
定子磁极为电磁或永磁式；
国产型号：SWC。
S
伺服电动机
控制方式
由直流电机原理知道：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
n
Ua Ce
RaTe CeCt 2
直流伺服电动机有两种基本控制方式：
1. 电枢控制— 改变电枢电压来控制转速，适用于电励磁和 永磁励磁直流伺服电动机。
转子按逆时针方向旋转，电角速度为r
工作情况分析：
rt=0° 换相前；换相后 rt=60°换相前；换相后
a）rt=0°换相前
b）rt=0°换相后
无刷直流电动机工作原理
a）rt=0°换相前
b）rt=0°换相 后
不同时刻的电流路径
c）rt=60°换相前
d）rt=60°换相后
b）rt=60°换相前
c）rt=60°换相后
律
e
La Ra
电气时间常数
伺服电动机
传递函数 对上述方程式进行拉氏变换，用s表示拉氏算子， 则可得下列象函数方程：
Uc (s) Ic (s)Ra sLa Ic (s) Ea (s) (Ra sLa )Ic (s) Ea (s)
I
c
(
s)
U
c
(s) Ra
Ea ( sLa
s
)
T (s) Te (s) TL (s) sJ(s)
(s)
Ke
Uc (s)
K
(s)
mes2 ms 1
传递函数：
T (s) (s) Uc (s)
KT ( Ra sLa ) Js
KT Ke 1 ( Ra sLa ) Js
( Ra
KT sLa )Js KT Ke
La J KT2
s2
1 KT
Ra J KT2
s
1
K mes2 ms
1
伺服电动机
机械时间常数与转动惯量成正比；
与电机的每极气隙磁通的平方成反比，为了减小电机机 械时间常数，应增加每极气隙磁通；
与电枢电阻Ra的大小成正比，为减小时间常数，应尽可能 减小电枢电阻，当伺服电动机用于自动控制系统，并由 放大器供给控制电压时，应计入放大器的内阻Ri，Ra+Ri；
直流伺服电动机的机械时间常数一般<30ms，低惯量直流 伺服电机的时间常数<10ms。
封闭三相六状态
第四节 无刷直流电动机
正交两相四状态
封闭四相四状态
第四节 无刷直流电动机
转子位置传感器 (1) 磁敏式位置传感器—霍尔元件
第四节 无刷直流电动机
转子位置传感器 (1) 磁敏式位置传感器
霍尔元件
放大
Uo (V)
UCC
3
功放
2关
开
UO
输出
1
0 BRP BH BOP
B(T)
外形
电路原理 霍尔集成电路
根据左手定则，线圈 在这个转矩作用下将 按逆时针方向旋转
当载流导体转过180 度后，借助电刷-换 向片改变导体中电流 方向
第四节 无刷直流电动机
无刷直流电动机原理
电枢静止，磁极旋转， 且磁极为永久磁铁。 电枢绕组中电流的换 向是借助于转子位置 传感器和电子开关线 路来实现的，所以， 无刷直流电动机一般 都是由电动机、位置 传感器和电子开关线 路三部分组成。
第一章 伺服电动机
直流伺服电动机 直流力矩电动机 无刷直流电动机 永磁同步电动机
伺服电动机
1.1 简介
伺服电动机又称执行电机，在自动控制系统中作为 执行元件。
功能：电压信号 转轴的角位移或角速度
分类：直流伺服电机---功率较大，几百瓦，也可达数千 瓦。 交流伺服电机---感应电机，永磁同步电机。