直流伺服电动机

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Dl
N
N
ti Bxlia
lIa2Iaai1D D2
2a 2
2pN21apNaIa Ia
D 2
NBplia
D 2
TTGGTTI aI a
式中， Bp用每极总磁通Φ表示， Bp=Φ/(τl), 其中τ为极距， τ=πD/(2p), l为电枢铁心长； 导体电流ia用电枢总电流Ia表示， ia=Ia/(2a), 其中a为并联支路对数
如果把Ea=CeΦn代入上式，便可得出电枢电流 Ia的表示式:
Ia
Ua Ea Ra
Ua Cen
Ra
直流电动机的电枢电流不仅取决于外加电压和 本身的内阻， 而且还取决于与转速成正比的反 电势(当Φ=常数时)。
n Ua Ia Ra
Ce
控制方式
励磁控制 低速时受饱和限制，高速时受结构限制。
参考文献
教材
控制电机及其应用 巫付专/ 王晓雷
参考文献
控制电机及应用 陈昌隆
答疑及考核
答疑 ： C楼104 星期二 下午 考核：系考 2 学分
期末 80% 平时 20%（作业、实验和考勤）
第一章 直流伺服电动机
概述 直流伺服电动机 无刷直流电动机（自学） 直流力矩电动机（自学） 直流电动机的应用
力矩电动机具有以下的优点
提高了速度和位置的控制精度 特性的线性度好 采用力矩电动机的直接驱动系统，还具
有运行可靠、维护简便、振动小、机械 噪声小和结构紧凑等优点
结构和性能
直流力矩电动机是一种永磁式低速直流伺服电动机， 它的外形和普通直流伺服电动机完全两样。通常做 成扁平式结构，电枢长度与直径之比一般仅为 0 . 2 左右，并选取较多的极对数。选用扁平式结构是为 了使力矩电动机在一定的电枢体积和电枢电压下能 产生较大的转矩和较低的转速。力矩电动机的总体 结构型式又有分装式和内装式两种。分装式结构包 括定子、转子和电刷架三大部件，转子直接套在负 载轴上，机壳由用户根据需要自行选配。内装式与 一般电机
电枢控制 当励磁电压一定 时，改变电枢电 压来控制电机的 转速与转向的方 式。
运行特性
机械特性 调节特性
机械特性
电动机在电枢电压Ua不变时，转速随负载 阻转矩(或电磁转矩)变化，表征这个变化规律
的曲线称为电动机的机械特性。
n = f ( T ) |Ua=C
n
Ua
Ce
TRa
CeCT 2
n
Ua
早在 1934 年出现过采用电子管线路代替机械滑动接触的无换 向器直流电动机。但由于当时电子器件的技术水平和制造成 本的限制，这种电动机并没有得到发展。直到晶体管和大功 率可控硅元件广泛采用后，无换向器直流电动机才真正实现， 相应地各种微型无刷直流电动机也得到了发展。
无刷直流电动机的结构
无刷直流电动机通常是由电动机、转子位置 传感器和晶体管开关电路三部分组成，它的原 理方框图和简要的结构图如图 所示。
直流电动机的反电势和电压平衡方程式
电枢导体切割磁通，产生感应电势的情形完全一样。 所以电动机电刷两端感应电势Ea的公式也相同， 即
Ea=CeΦn
式中， n为电枢转速； Φ为每极总磁通。
Ua=Ea+IaRa 上式称为直流电动机的电压平 衡方程式。 它表示外加电压 与反电势及电枢内阻压降相平 衡。或者说，外加电压一部分 用来抵消反电势，一部分消耗 在电枢内阻压降上。
直流伺服电动机
结构与分类 工作原理 控制方式 运行特性 动态特性
结构与分类
直流伺服电机本质是他励式直流电机 传统型
永磁（SY）、电磁式（SZ） 低惯量
1、盘型电枢直流伺服电动机 2、空心杯点枢直流伺服电动机（SYK） 3、无槽电枢直流伺服电动机(SWC)
工作原理
根据电磁学基本知识可知，载流导体在磁场中要 受到电磁力的作用。如果导体在磁场中的长度为l, 其中流过的电流为i，导体所在处的磁通密度为B， 那末导体受到的电磁力的值为
控制电机及其应用
电子信息学院 控制及特种电机课程组
主讲 巫付专/王耕
课程简介
本科程是为适应科学技术的发展及控制系统的 需要而开设的。包括伺服电机、步进电机、测 速电机、旋转变压器、自整角机、永磁同步电 机、开关磁组电机、直线电机等。掌握基本概 念与原理、运行特性和应用。为了加强上述电 机的学习开设有7个实验。
无刷直流电动机的工作原理
下面以一台采用晶体管开关电路进行换流的两 极三相绕组、并带有光电位置传感器的无刷直 流电动机为例，说明转矩产生的基本原理。在 图 1 一 13 中表示电机转子在几个不同位置时定 子电枢绕组的通电状况；且通过电枢绕组磁势 和转子绕组磁势的相互作用，来分析电动机转 矩的产生。
F=Bli 式中，F的单位为牛顿(N)； B的单位为韦伯/米2(Wb/m2); l的单位为米(m); i的单位为安培(A)； 力F的方向用左手定则来确定。
电磁转矩
磁极下每一根载流导体所受到的电磁力，此 力作用在电枢外圆的切线方向， 产生的转矩为：
ti
ห้องสมุดไป่ตู้
Fi
D 2
Bxlia
D 2
T
T
T
NN22ppDl
该式表明， 机电时间常数与旋转部分 的转动惯量、 电枢回路的电阻成正比。 但当电机在自动控制系统中使用时， 系 统中的放大器和电机所带的负载都影响 到电机的过渡过程， 现分述如下。
1、负载转动惯量的影响 2、放大器内阻的影响 3、磁密的影响
直流伺服电机的时间常数
由于机电时间常数表示了电机过渡过程时间的 长短， 反映了电机转速追随信号变化的快慢程 度， 所以是伺服电动机一项重要的动态性能指 标。 一般直流伺服电动机的机电时间常数大约 在十几毫秒到几十毫秒之间。 快速低惯量直流 伺服电动机的机电时间常数通常在10 ms以下， 其中空心杯电枢永磁直流伺服电动机的机电时 间常数可小到 2～3 ms。
直流伺服电机的传递函数
ua
Raia
La
dia dt
ea
Tem
J
d dt
ua
Ra J Kt
d dt
La J Kt
d 2 dt 2
Ke '
(t)
Ua Ke '
1
(1 em
)
1
0 (1 em
)
直流伺服电机的时间常数
(t)
Ua Ke '
(1
1
em
)
0 (1
1
em
)
m
2 JRa
60CeCT 2
直流伺服电机的时间常数
n
Ua
Ce
TRa
CeCT
2
n
Ua
Ce
TRa
CeCT 2
动态特性
什么是动态特性 直流伺服电机的传递函数 直流伺服电机的时间常数
什么是动态特性
当电枢电压发生突变时，电机转速从一种 稳定状态过渡到另一种稳定状态的过程：
n=f(t) 或 Ω = f(t)
它包括机械和电气两部分 分析方法：拉氏变换
概述
什么是伺服电动机? 在自动控制系统中作执行元件，所以又称执行电动
机。它将电压输入电压信号变换为转轴的角位移或角 速度而输出。输入电压信号又称为控制信号或控制电 压。改变控制电压可以改变伺服电机的转速及转向。
伺服电机的分类: 交流、直流
伺服电机特点:
1. 宽广的调速范围 2. 机械特性和调节特性均为线性 3.无自转现象 4.快速相应
无刷直流电动机
直流伺服电动机具有良好的机械特性和调节特性，堵转转矩 又大，因而被广泛应用于驱动装置及伺服系统中。但是，一 般直流电动机都有换向器和电刷，其间形成滑动的机械接触 并容易产生火花，引起无线电干扰，过大的火花甚至影响电 机的正常运行。此外，因存在着滑动接触，又使维护麻烦， 影响到电机工作的可靠性，所以人们早就开始寻求直流电动 机的无接触式换向。
Ce
TRa
CeCT 2
n0
kT
n
Ua
Ce
TRa
CeCT 2
n0
kT
调节特性
在自动控制系统中， 为了控制伺服电动机的转 速， 就需要知道电动机在带了负载以后， 转速随 控制信号变化的情况。 也就是要知道， 电动机在 带了负载以后， 加多大的控制信号， 电动机能转 动起来； 加上某一大小的控制信号时， 电动机的 转速为多少。电动机在一定的负载转矩下， 稳态 转速随控制电压变化的关系称为电动机的调节特 性。n = f ( Ua ) |T=C
直流力矩电动机
力矩电动机是一种由伺服电动机和驱动电动 机相结合而形成的特殊电机。它可以不用齿 轮等减速机构直接驱动负载，并由输人控制 电压信号直接调节负载的转速。在位置控制 方式的伺服系统中，它可以长期工作在堵转 状态；而在速度控制方式的伺服系统中，又 可以工作在低速状态，且输出较大的转矩。 所以，力矩电动机是一种直接驱动负载的执 行元件。