直流伺服电机特性及应用

《控制电机》论文直流伺服电机的原理及应用

学生姓名: 222

任课教师：22

学生学号：22

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。

图1-3 伺服系统电路图

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）。

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，先做如下假设：电机的磁路为不饱和，其电刷又位于集合中性线。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）

联立以上三式得 a a em e t e U R n T K K K =

- （1-4） 由上述转速公式可以得到直流伺服电机的机械特性和调节特性。

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如图2-2：

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，有利于提高直流电机的速度稳定性和工件的加工精度。 功耗增大。

图2-2 机械特性曲线