伺服电机以及伺服控制系统研究原理

感应电势与转速关系 Ea KEn（ 一定）
电枢回路电压平衡方程式 UaEaIaRa
伺服电机以及伺服控制系统研究原 理
7.3 直流伺服电机及其速度控制
直流电机转速与转矩的关系n=f(T)称机械特性
主要内容
n
n
电机转速与理想转速的差Δn， 反映了电机机械特性硬度，Δn
n0
越小（转矩对转速变化的影响
T 程度越小），机械特性越硬。 T
n
Ua KE
Ra K E KT 2
Tm
n0
Ra K E KT 2
Tm
直流电机的基本调速方式有三种: 调节电阻Ra、调节电枢电压Ua和调 节磁通Φ的值。
理
直流电机的励磁方式
励磁概念：由电流激励出磁场的过程叫做励磁。
他励
并励
伺服电机以及伺服控制系统研究原 理
串励
直流电机的基本方程式
1. 电气系统的电动平衡方程
感应电动势
Ua
ua
Gaf i f
Raia
La
dia dt
uf
Rfif
Lf
dif dt
ua u f u
I
Ia
M
If
伺服电机以及伺服控制系统研究原 理
实例：直流伺服系统
在电枢控制的直流电动机中，励磁电流为常数， 故上式可写成：
TM KTia 式中：K T ——电动机的转矩常数
由控制输入电压 e i ( t ) 开始，系统的因果方程为
1.电枢电压方程：
La
dia dt
Raia
ei eb
伺服电机以及伺服控制系统研究原 理
实例：直流伺服系统
2.电动机转矩 TM KTia
二. 伺服系统的定义： (servomechanism) (servo-system）
伺服系统是指实现输出变量精确 地跟随或复现输入变量的控制系统。
伺服电机以及伺服控制系统研究原 理
伺服电机
伺服电机（servo motor ） 伺服电动机又称执行电动机，在自动控
制系统中，它的转矩和转速受信号电压控 制。当信号电压的大小和相位发生变化时， 电动机的转速和转动方向将非常灵敏和准 确地跟着变化。当信号消失时，转子能及 时地停转。
直流电机原理
N 如图所示：
a
F
x
N和S是一对固定的磁 极（一般是电磁铁，也 可为永久磁铁），两级 之间装着一个可以转动
的铁质圆柱体，圆柱体
F ' 表面上固定这一个线圈，
上边为a，下圈为x，通
x
入如图所示的电流根据
左手定则便可得出电磁
S
转矩。
载流线圈在磁场中伺产服生电机转以及矩伺理服控制系统研究原
一、直流电机原理
伺服电机以及伺服控制系统研究原 理
伺服电机的分类
伺服电机
鼠笼转子
交流伺服电机 杯形转子
直流伺服电机
伺服电机以及伺服控制系统研究原 理
一、直流电动机工作原理
安培定律 F Bil
B ——磁场的磁感应强度(Wb / m2 )
i ——导体中的电流 ( A )
l ——导体的有效长度( m )
伺服电机以及伺服控制系统研究原 理
3.转矩平衡方程
Jd20
dt2
Bd0
dt
TMTN
4.电动机的反电动势正比于速度
eb
Kb
d0
dt
伺服电机以及K 伺b服控—制—系反统研电究原动势常数
理
实例：直流伺服系统
系统因果方程拉氏变换为
(Las Ra )Ia (s) Ei (s) Eb (s) TM (s) KT Ia (s)
(Js2 Bs)0 (s) TN (s) Eb (s) Kbs0 (s)
当负载转矩 TN (s) 0 其传递函数是:
伺服电机以及伺服控制系统研究原 理
实例：直流伺服系统
G (s) 0(s)
K T
E i(s) s[(L a s R a)(J s B ) K T K b
TN (s)
E i(s)
1 Las Ra
I a (s ) K T TM (s)
1 s(Js B )
内容
• 基本概念的介绍与举例 • 伺服电机原理介绍 • 伺服控制系统介绍 • 总结
伺服电机以及伺服控制系统研究原 理
一、“伺服”的含义 Servomechanism
“伺服”—词源于希腊语“奴隶”的意思。
伺服电机以及伺服控制系统研究原 理
伺服系统应用举例（2）
机械手手臂伸缩运动的电液伺服系统原理图。
实例：直流伺服系统
伺服电机在磁化曲线的线性范围内使用，
因而气隙磁通 正比于励磁电流，即：
K f i f 式中：K f ——常数 i f 为磁场励磁电流
由电动机产生的转矩 T M 正比于电枢电流
和气隙磁通的乘积，即
TM K1Kfifia 式中：K 1 ——常数 i a 是电枢电流
伺服电机以及伺服控wenku.baidu.com系统研究原 理
1. 电气系统的电动平衡方程
u ——电源电压
u a ——电枢绕组上的端电压
R a ——电枢电路的电阻 R f ——励磁回路的电阻
u f ——励磁绕组上的端电压
L a ——电枢回路的自感系数
i a ——电枢电流
i f ——励磁电流
L f ——励磁回路的自感系数
——电动机的机械角速度
伺服电机以及伺服控制系统研究原 理
0(s)
Eb(s)
K b(s)
直流伺服电机的系统方框图 伺服电机以及伺服控制系统研究原 理
7.3 直流伺服电机及其速度控制
直流伺服电机的调速原理与方法
If If
原 理 Uf Uf 图
Ia Ia
主要内容
M M Ua Ua
R a R La a L a
Ua Ua
等 Ea Ea 效
图
电磁转矩
Tm KTIa
1－电放大器 2－电液伺服阀 3－液压缸 4－机械手手臂 5－齿轮齿条机构伺6服－电电机以位及器伺服7－控制步系进统电研机究原
理
伺服系统应用举例（1）
1.2.3.4——节流口
5——工件
6——刀具
7——样件
8——触销
9——油缸
图1.7 液压仿形车床工伺作服原电理机以图及伺服控制系统研究原
理
10——油泵
2. 机械系统的转矩平衡方程
Te
T2
T0
J
d
dt
T e ——电磁转矩
T 2 ——负载转矩
T 0 ——空载损耗转矩
如果电动机以恒 角速度转动，则 ：
J d 0 dt
伺服电机以及伺服控制系统研究原 理
实例：直流伺服系统
Ra
ei(t)
ia
La
0(t)
eb TM
TN
J
B i f 常数
伺服电机以及伺服控制系统研究原 理
为什么要用电刷？
伺服电机以及伺服控制系统研究原 理
一、直流电机的原理
N
F
1
8
n
A
6
B
4
3
5
7
这样的连接方 法只有一组线 圈得电，绕组 使用率低，那 么如何提高绕 组的使用率 呢？
2
SF 伺服电机以及伺服控制系统研究原 理
改进后的绕线
N
1
8
n6
3
7
2
提高了绕组的使用率
4
5
S
改进后的绕组伺服电机以及伺服控制系统研究原