第一章直流伺服电机讲解
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1、采用细长的电枢以便降低转动惯量，其惯量大约是普通直 流电动机的1/3～ 1/2。 2、具有优良的换向性能，在大的峰值电流冲击之下仍能确保 良好的换向条件，因此具有大的瞬时电流和瞬时转矩。 3、机械强度高，能够承受住巨大的加速度造成的冲击力作用。
4、电刷一般都安放在几何中型面上，以确保正反转特性对称。
21
第一节 直流伺服电机工作原理
4、直流伺服电动机转矩方向与电流方向的关系 转矩方向与电流方向的关系：为确保直流电动机朝确定 的方向连续旋转，通过线圈的电流方向是交替变化的。
22
第二节 直流伺服电机的结构
传统直流伺服电机和直流电机工作原理、结构和基本 特征没有原则区别，但是在结构和性能上做了一些改 进，具有如下特点：
减小和消除换向火花的方法：
1）移动电刷法。将直流电动机的电刷从几何中性面开始， 逆着电枢旋转方向移动电刷，使换向火花最小为止，移动 的角度大于物理中性面的偏移角。 2）附加换向磁极法。在几何中性面处设置附加的换向磁 极，它的激磁绕组与电枢绕组串联，换向极的磁场方向必 须与电枢磁场的方向相反。 3）选用合适电刷法。
2、直流伺服电机的动态特性
按以上各式可建立动态方框图：
Ua (s)
- Ea (s)
源自文库
Te (s)
-
1 Ra La s
Ia (s)
Ct Tem(s)
T (s) 1 Js
60Ce 2
(s)
35
第三节 直流伺服电机的特性
2、直流伺服电机的动态特性
当Te=0时，传递函数为：
(s) 2 (60Ce)
1、直流伺服电机的静态特性:电枢控制
机械(调节)特性方程式 :
n
1）机械特性：
Ua Ct
T R em
a
2
Ce Ct
Ua一定时，
n=f (Tem )
转速与转矩的关系
30
第三节 直流伺服电机的特性
1、直流伺服电机的静态特性:电枢控制 2.调节特性： Tem一定时，n=f (Ua )
转速与控制量（如电 压）的关系
若 m 10 e ，可写成：
(s) 2 (60Ce)
1 Ke
U (s) ( ms 1)( es 1) ( ms 1)( es 1)
当 e很小，1 e 远远超过了控制系统通频带时，直流电动
机的传递函数可以简化为：
(s) 2 (60Ce) 1 Ke U (s) ms 1 ms 1 同理可得： (s) 2 (60Ce) 1 Ke U (s) s( ms 1) s( ms 1)
13
鼓形绕组
14
15
第一节 直流伺服电机工作原理
2、直流伺服电动机基本原理
16
第一节 直流伺服电机工作原理
2、直流伺服电动机基本原理 加于直流电机的直流电源，借助于换向器和电刷 的作用，使直流电机电枢线圈流过的电流，方向 是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒 定不变，确保直流电机朝确定的方向连续旋转。
磁路饱和、换向困难 2）半个极下磁通的增加值，将小于另半个极下磁通的减 小值，总的气隙磁通将有所减小，这就是电枢磁场的去磁 作用。
影响不大，但是降低电机的工作效率。
19
第一节 直流伺服电机工作原理
3、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向
20
第一节 直流伺服电机工作原理
3、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向
定子：磁场—永磁体
转子：电枢绕组
换向：换向器与碳刷
17
第一节 直流伺服电机工作原理
3、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向
直流电动机磁场分析：
18
第一节 直流伺服电机工作原理
3、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向
电枢反应的两个重要影响：
1）气隙磁场发生扭斜，气隙合成磁场的物理中性面将逆 着电动机旋转方向转过一个角度，物理中性面与几何中性 面不再重合。
37
第三节 直流伺服电机的特性
2、直流伺服电机的动态特性
影响 m 的主要因素：
（1）负载转动惯量的影响：
J=Jm+JL′ JL′——负载折算转动惯量
（2）电枢回路电阻的影响：
Ra′=Ra+Ri Ri ——电源（放大器）内阻
（3）机械特性硬度的影响： n/T－机械特性的斜率
38
第四节 直流伺服电机控制 电枢控制，输入量是电枢电压（或电流）。 磁场控制，输入量是磁通，激磁电流或电压
Ea (t)
33
第三节 直流伺服电机的特性
2、直流伺服电机的动态特性
经拉氏变换整理得：
(s)
1 Js
(Tem ( s)
Tc (s))
Tem(s) CtIa (s)
1 Ia (s) Las Ra (U a (s) Ea (s))
Ea
(s)
60
2
Ce ( s)
34
第三节 直流伺服电机的特性
23
第二节 直流伺服电机的结构
24
第二节 直流伺服电机的结构
25
第二节 直流伺服电机的结构
低惯量直流伺服电机
无槽电枢
盘式电枢
空心杯电枢
26
第二节 直流伺服电机的结构
宽调速直流伺服电机
27
第三节 直流伺服电机的特性
转矩：
T em
Ct
I a
K t
Ia
电势：
E a C e n K e
31
第三节 直流伺服电机的特性
1、直流伺服电机的静态特性:电枢控制
32
第三节 直流伺服电机的特性
2、直流伺服电机的动态特性
Tem(t) CtIa (t)
Ea (t)
60
2
Ce(t)
Tem (t )
J
d(t)
dt
Tc (t)
Ua (t)
La
dIa (t) dt
Ra Ia (t)
7
第一节 直流伺服电机工作原理
1、直流伺服电动机的结构
8
图形符号
9
第一节 直流伺服电机工作原理
1、直流伺服电动机的结构
定子结构
10
第一节 直流伺服电机工作原理
1、直流伺服电动机的结构
转子结构
11
第一节 直流伺服电机工作原理
1、直流伺服电动机的结构
换向装置
12
第一节 直流伺服电机工作原理
2、直流伺服电动机基本原理
6
本章教学:
二、教学时间安排：4学时
三、主要内容：
• 第一节 直流伺服电机的结构 • 第二节 直流伺服电机工作原理 • 第三节 直流伺服电机的特性 • 第四节 直流伺服电机控制 • 第五节 无刷直流电动机 本章重点：直流伺服电机工作原理和静态特性； 本章难点：直流伺服电机的动态特性。
四、教学过程：
转矩平衡方程式：
T em
T 0
T L
J
d
dt T 0
T L
G
D2
375
dn dt
28
第三节 直流伺服电机的特性
电势动态平衡方程式:
Ua
La
di a
dt
i a
Ra
E a
电势稳态平衡方程式:
U a I a Ra Ea
转矩稳态平衡方程式:
T em T 0 T L
29
第三节 直流伺服电机的特性
任课教师：李正强
2013－2014学年第二学期
2
3
4
5
本章教学:
一、教学要求：
掌握直流伺服电机结构、分类和作用等概念； 理解直流伺服电机工作原理； 掌握直流伺服电机的静态特性； 了解直流伺服电机的动态特性（关注机电时间常数
的作用）； 理解无刷直流电动机与普通直流伺服电机的区别。
39
第四节 直流伺服电机控制
40
第四节 直流伺服电机控制
PWM驱动装置控制原理图
41
第四节 直流伺服电机控制
PWM控制电路功能方框图
42
第四节 直流伺服电机控制
电压 命令
速度调节器
电流调节器
功率放大器
速度反馈
电流反馈
M T
43
1 Ke
U (s) m es2 ms 1 m es2 ms 1
=
式中， m 为电动机机电时间常数
m
2Ra J 60CeCt 2
2
60
Jn0 Ts
2
60
Jtg
e 为电动机电磁时间常数, e La Ra
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第三节 直流伺服电机的特性
2、直流伺服电机的动态特性
4、电刷一般都安放在几何中型面上，以确保正反转特性对称。
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第一节 直流伺服电机工作原理
4、直流伺服电动机转矩方向与电流方向的关系 转矩方向与电流方向的关系：为确保直流电动机朝确定 的方向连续旋转，通过线圈的电流方向是交替变化的。
22
第二节 直流伺服电机的结构
传统直流伺服电机和直流电机工作原理、结构和基本 特征没有原则区别，但是在结构和性能上做了一些改 进，具有如下特点：
减小和消除换向火花的方法：
1）移动电刷法。将直流电动机的电刷从几何中性面开始， 逆着电枢旋转方向移动电刷，使换向火花最小为止，移动 的角度大于物理中性面的偏移角。 2）附加换向磁极法。在几何中性面处设置附加的换向磁 极，它的激磁绕组与电枢绕组串联，换向极的磁场方向必 须与电枢磁场的方向相反。 3）选用合适电刷法。
2、直流伺服电机的动态特性
按以上各式可建立动态方框图：
Ua (s)
- Ea (s)
源自文库
Te (s)
-
1 Ra La s
Ia (s)
Ct Tem(s)
T (s) 1 Js
60Ce 2
(s)
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第三节 直流伺服电机的特性
2、直流伺服电机的动态特性
当Te=0时，传递函数为：
(s) 2 (60Ce)
1、直流伺服电机的静态特性:电枢控制
机械(调节)特性方程式 :
n
1）机械特性：
Ua Ct
T R em
a
2
Ce Ct
Ua一定时，
n=f (Tem )
转速与转矩的关系
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第三节 直流伺服电机的特性
1、直流伺服电机的静态特性:电枢控制 2.调节特性： Tem一定时，n=f (Ua )
转速与控制量（如电 压）的关系
若 m 10 e ，可写成：
(s) 2 (60Ce)
1 Ke
U (s) ( ms 1)( es 1) ( ms 1)( es 1)
当 e很小，1 e 远远超过了控制系统通频带时，直流电动
机的传递函数可以简化为：
(s) 2 (60Ce) 1 Ke U (s) ms 1 ms 1 同理可得： (s) 2 (60Ce) 1 Ke U (s) s( ms 1) s( ms 1)
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鼓形绕组
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第一节 直流伺服电机工作原理
2、直流伺服电动机基本原理
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第一节 直流伺服电机工作原理
2、直流伺服电动机基本原理 加于直流电机的直流电源，借助于换向器和电刷 的作用，使直流电机电枢线圈流过的电流，方向 是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒 定不变，确保直流电机朝确定的方向连续旋转。
磁路饱和、换向困难 2）半个极下磁通的增加值，将小于另半个极下磁通的减 小值，总的气隙磁通将有所减小，这就是电枢磁场的去磁 作用。
影响不大，但是降低电机的工作效率。
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第一节 直流伺服电机工作原理
3、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向
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第一节 直流伺服电机工作原理
3、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向
定子：磁场—永磁体
转子：电枢绕组
换向：换向器与碳刷
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第一节 直流伺服电机工作原理
3、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向
直流电动机磁场分析：
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第一节 直流伺服电机工作原理
3、直流伺服电动机磁场、电枢反应与换向
电枢反应的两个重要影响：
1）气隙磁场发生扭斜，气隙合成磁场的物理中性面将逆 着电动机旋转方向转过一个角度，物理中性面与几何中性 面不再重合。
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第三节 直流伺服电机的特性
2、直流伺服电机的动态特性
影响 m 的主要因素：
（1）负载转动惯量的影响：
J=Jm+JL′ JL′——负载折算转动惯量
（2）电枢回路电阻的影响：
Ra′=Ra+Ri Ri ——电源（放大器）内阻
（3）机械特性硬度的影响： n/T－机械特性的斜率
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第四节 直流伺服电机控制 电枢控制，输入量是电枢电压（或电流）。 磁场控制，输入量是磁通，激磁电流或电压
Ea (t)
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第三节 直流伺服电机的特性
2、直流伺服电机的动态特性
经拉氏变换整理得：
(s)
1 Js
(Tem ( s)
Tc (s))
Tem(s) CtIa (s)
1 Ia (s) Las Ra (U a (s) Ea (s))
Ea
(s)
60
2
Ce ( s)
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第三节 直流伺服电机的特性
23
第二节 直流伺服电机的结构
24
第二节 直流伺服电机的结构
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第二节 直流伺服电机的结构
低惯量直流伺服电机
无槽电枢
盘式电枢
空心杯电枢
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第二节 直流伺服电机的结构
宽调速直流伺服电机
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第三节 直流伺服电机的特性
转矩：
T em
Ct
I a
K t
Ia
电势：
E a C e n K e
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第三节 直流伺服电机的特性
1、直流伺服电机的静态特性:电枢控制
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第三节 直流伺服电机的特性
2、直流伺服电机的动态特性
Tem(t) CtIa (t)
Ea (t)
60
2
Ce(t)
Tem (t )
J
d(t)
dt
Tc (t)
Ua (t)
La
dIa (t) dt
Ra Ia (t)
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第一节 直流伺服电机工作原理
1、直流伺服电动机的结构
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图形符号
9
第一节 直流伺服电机工作原理
1、直流伺服电动机的结构
定子结构
10
第一节 直流伺服电机工作原理
1、直流伺服电动机的结构
转子结构
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第一节 直流伺服电机工作原理
1、直流伺服电动机的结构
换向装置
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第一节 直流伺服电机工作原理
2、直流伺服电动机基本原理
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本章教学:
二、教学时间安排：4学时
三、主要内容：
• 第一节 直流伺服电机的结构 • 第二节 直流伺服电机工作原理 • 第三节 直流伺服电机的特性 • 第四节 直流伺服电机控制 • 第五节 无刷直流电动机 本章重点：直流伺服电机工作原理和静态特性； 本章难点：直流伺服电机的动态特性。
四、教学过程：
转矩平衡方程式：
T em
T 0
T L
J
d
dt T 0
T L
G
D2
375
dn dt
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第三节 直流伺服电机的特性
电势动态平衡方程式:
Ua
La
di a
dt
i a
Ra
E a
电势稳态平衡方程式:
U a I a Ra Ea
转矩稳态平衡方程式:
T em T 0 T L
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第三节 直流伺服电机的特性
任课教师：李正强
2013－2014学年第二学期
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本章教学:
一、教学要求：
掌握直流伺服电机结构、分类和作用等概念； 理解直流伺服电机工作原理； 掌握直流伺服电机的静态特性； 了解直流伺服电机的动态特性（关注机电时间常数
的作用）； 理解无刷直流电动机与普通直流伺服电机的区别。
39
第四节 直流伺服电机控制
40
第四节 直流伺服电机控制
PWM驱动装置控制原理图
41
第四节 直流伺服电机控制
PWM控制电路功能方框图
42
第四节 直流伺服电机控制
电压 命令
速度调节器
电流调节器
功率放大器
速度反馈
电流反馈
M T
43
1 Ke
U (s) m es2 ms 1 m es2 ms 1
=
式中， m 为电动机机电时间常数
m
2Ra J 60CeCt 2
2
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Jn0 Ts
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Jtg
e 为电动机电磁时间常数, e La Ra
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第三节 直流伺服电机的特性
2、直流伺服电机的动态特性