控制电机 第一章 直流伺服电机 1 原理与运行特性

1.3 运行特性
电刷接触压降的影响 低速时，控制电压很低，电刷和
换向器之间的接触压降开始不稳定，影响电枢上有效电
压的大小，从而导致输出转矩不稳定。 电刷和换向器之间摩擦的影响 低速时，电刷和换向器 之间的摩擦转矩不稳定，造成电机本身的阻转矩T0不稳 定，因而导致总阻转矩不稳定。 （2）解决的措施 稳速控制电路
1.2 直流伺服电动机的原理
1.2 直流伺服电动机工作原理
直流伺服电动机实际就是他励直流电动机。 利用电刷、换向器来保持同一磁极下的电枢导体电流 1.2.1 直流伺服电机的主要结构 方向不变，从而产生持续转动力矩。 主磁极 主磁极 极靴 风扇 换向磁极 电刷装置 定子 机座 端盖 电枢铁心 电枢绕组 换向器 转轴 轴承
直流力矩电动机
绪论
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第1章 直流伺服电动机
1.1 伺服电动机概述 1.2 直流伺服电动机的原理 1.3 直流伺服电动机运行特性 1.4 直流伺服电动机的控制方式 1.5 直流伺服电动机的动态特性与特种电机 1.6 直流伺服电动机的PWM控制 1.7 直流伺服电动机的应用
1.1 直流伺服电动机的原理与运行特性
伺服电动机的定义、作用、分类、要求 直流伺服电动机结构、原理、参数、模型 直流伺服电动机的机械特性 直流伺服电动机的调节特性
(2) 转矩平衡方程
转矩暂态平衡方程：
Tem
d ( t ) T2 T0 J dt
转矩稳态态平衡方程：
Tem T2 T0
1.2 直流伺服电动机的原理
(3) 功率平衡方程
并励直流电动机的功率流程图
功率平衡方程：
P em P 2 p0 P 2 pFe pmec
其中，P2是机械轴上的输出功率。P2=T2Ω P0是空载损耗。 P0=T0Ω=pFe+pmec
1.1 伺服电动机概述
自动控制系统对伺服电动机的基本要求： (1) 宽广的调速范围。伺服电动机的转速随着控制电 压的改变能在宽广的范围内连续调节。 (2) 机械特性和调节特性均为线性。线性的机械特性 和调节特性有利于提高自动控制系统的动态精度。 机械特性：控制电压一定时，转速随转矩的变 化关系； 调节特性：电动机转矩一定时，转速随控制电 压的变化关系。 (3) 无“自转”现象。伺服电动机在控制电压为零时 能立自行停转。 (4) 快速响应。电动机的机电时间常数要小，相应地 伺服电动机要有较大的培转转矩和较小的转动惯量。 这样，电动机的转速便能随着控制电压的改变而迅 速变化。
1.1 伺服电动机概述
伺服电动机(执行电动机、Servomotor)：
一、实现伺服控制功能的电机。 二、将输入的电压信号变换成转轴的角位移或角速度 输出的电机。
伺服电动机作用：
在自动控制系统中作为执行元件。 输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。改变控 制电压可以变更伺服电动机的转速大小、反转向等。
n
Ua0 k1 –
–
始动电压 特性斜率
直流伺服电动机的调节特性
1.3 运行特性
（1） Ua0和k1的物理意义
始动电压Ua0 ：电动机处在待动而又未动临界状态时的电压。 Ua Ts Ra 由 n ，当n=0时，便可求得： 2 C e C e C t Ra U a U a0 Ts C t 由于Ua0∝Ts ，即负载转矩越大，Ua0越高。 控制电压从0到Ua0范围内，电机不转动，称为电动机的死区。
1.3 运行特性
机械特性的斜率k ： k 的大小表示电机电磁转矩变化所引起的转速变化程度：
k 越大，则转矩变化时转速变化大，机械特性软，反之越硬。
k
Δn ΔT
直流伺服电动机的机械特性
1.3 运行特性
（2）电枢电压对机械特性的影响 n0和Tk 都与电枢电压成正比，而斜率k则与电枢电压无关。 对应于不同的电枢电压可以得到相互平行的机械特性曲线。
(2) 直流伺服电机的电磁转矩(Tem)
电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢 铁心半径之积称为电磁转矩。
Tem
其中， CT
pN I a CT I a 2a
pN 2a 为电机的转矩常数，有 CT 9.55Ce 制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比！！
1.2.2 直流伺服电机的主要参数
(1) 直流伺服电机的电枢电动势(Ea)
电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。
式中：Ce
pN 60 a
pN Ea n Ce n 60a
为电机的结构常数 ，称为电动势常数
直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关！！
1.2 直流伺服电动机的原理
伺服系统 全闭环数控系统
绪论
伺服电动机的分类(根据使用的电源性质)：
(1) 直流(DC)伺服电动机。用在功率稍大的系统中。其 输出功率约为1~600w，但也有的可达数下瓦。 (2) 交流(AC)伺服电动机。通常采用笼型转子两相伺服 电动机和空心杯转子两相伺服电动机，所以常把交流伺服 电动机称为两相伺服电动机。两相伺服电动机输出功率约 为0.1~100w，其中最常用的是在30W以下。
直流伺服电动机的调节特性
1.3 运行特性
斜率k1：
k1 1 C e
是由电机本身参数决定的常数，与负载无关。
直流伺服电动机的调节特性
1.3 运行特性
（2）总阻转矩对调节特性的影响
总阻转矩Ts变化时，Ua0∝Ts ，斜率k1保持不变。
因此对应于不同的总阻转矩Ts1 、 Ts2 、Ts3 、… ，可以 得到一组相互平行的调节特性。
可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。 性质: 发电机——从原动机吸收的机械功率全部转化为电功率(EaIa)输出； 电动机——从电源吸收的电功率全部转化为机械功率输出。
1.2 直流伺服电动机的原理
1.2.3 直流伺服电机的基本方程
(1) 电压平衡方程
直流电动机的暂态等效电路
电压暂态平衡方程：
1.3 运行特性
Ua Te R a n n 0 kTe 2 C e C e C t
n0 - 理想空载转速 Tk - 堵转转矩
k Δn ΔT
- 直线斜率
直流伺服电动机的机械特性 理想空载转速n0：n0是电磁转矩Te=0时的转速，由于电 机空载时Te= T0，电机的空载转速低于理想空载转速。 堵转转矩Tk ：Tk 是转速n=0时的电磁转矩。
不同负载时的调节特性
1.3 运行特性
3．直流伺服电动机低速运转的不稳定性 当电动机转速很低时，转速就不均匀，出现时快、时慢， 甚至暂时停一下的现象，这种现象称为直流伺服电动机低速 运转的不稳定性。 （1）低速运转的不稳定的原因
电枢齿槽的影响 低速时，反电动势的平均值很小，因而电
枢齿槽效应等引起电动势脉动的影响增大，导致电磁转矩波 动比较明显。
n Ua TR e a 2 n 0 kTe C e C e C t
直流伺服电动机由放大器供电 时，放大器可以等效为一个电动 势源与其内阻串联。内阻使直流 伺服电动机的机械特性变软？
不同控制电压时的机械特性
1.3 运行特性
2. 调节特性 负载转矩不变时(TL恒定)，电机转速与电枢电压之间的 函数关系，即n=f(Ua) 。
Ua Te Ra 由： n C e C e C t 2
Ua Ts Ra k1U a A 得： n 2 Ce CeCt
其中， k1
A
1 Ce
为特性曲线的斜率；
Ts Ra C e C t 2
为由负载阻转矩决定的常数。
1.3 运行特性
Ua TR s a 2 k1U a A Ce CeCt
1.3 运行特性
直流伺服电动机的运行特性包括机械特性和调节特性。
1. 机械特性 电枢电压Ua等于常数时，转速与电磁转矩之间的函数关 系，即n=f(Tem) 。
Ua Te R a n n 0 kTe 2 C e C e C t
Ua 其中， n0 C 为理想空载转速； e Ra 为直线的斜率。 k 2 C e C t
1.2 直流伺服电动机的原理
(3) 直流伺服电机的电磁功率(Pem)
电磁转矩与转子角速度的乘积，它反映了直流电机经过气隙所传递的 功率。
Pem Tem 来自百度文库CT I a
Np 2 n Np Ia nI a Ea I a 2 a 60 60a
pN 其中，CT 为电机的转矩常数，有 CT 9.55Ce 2a
转子
机座
电枢铁芯 电枢绕组 换向器
1.2 直流伺服电动机的原理
直流伺服电动机的磁场
空 载 磁 势 电 枢 反 应 磁 势
(a) 磁力线分布
(b) 气隙磁密的空间分布
结论： （1）气隙磁场发生畸变； （2）饱和后电枢磁场呈去磁作用，导致每极磁通减小。
负载后的合成气隙磁场 (电枢反应)
1.2 直流伺服电动机的原理
dia (t ) U e ( t ) R i ( t ) L a a a a a dt U R i (t ) L di f (t ) f f f f dt
U a E a R a I a 电压稳态平衡方程： U f R f I f
1.2 直流伺服电动机的原理