直流伺服电机

1第1章直流伺服电动机1.1概述1.2直流伺服电动机的控制方式和运行特性1.3直流伺服电动机的动态特性1.4特种直流伺服电动机1.5直线直流电动机22.伺服电动机的分类普通直流伺服电动机直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机直流力矩电动机两相感应伺服电动机交流伺服电动机三相感应伺服电动机无刷永磁伺服电动机直线伺服电动机1.伺服电动机的概念伺服电动机又称为执行电动机，其功能是把输入的电压信号变换成转轴的角位移或角速度输出。1.1概述3宽广的调速范围机械特性和调节特性均为线性无“自转”现象快速响应。此外，还要求伺服电动机的控制功率小、重量轻、体积小等。3.控制系统对伺服电动机的基本要求1.1概述4一、直流伺服电动机的构成直流电机由定子、转子和机座等部分构成。机座磁极励磁绕组转子励磁式直流电动机结构1.2直流伺服电动机的控制方式和运行特性51.转子（又称电枢）由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。2.定子定子的分类：永磁式：由永久磁铁做成。励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中通过直流电，形成电磁铁。励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称为励磁。6旋转方向线圈中电流流动方向换相器线圈磁极7根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流电机又可细分为：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。M他励UfIfIaUM并励UIfM串励UM复励U8二、工作原理U+–NS电刷换向片直流电源电刷换向器线圈II9注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转。FFU+–NS电刷换向片II换向器作用：将外部直流电转换成内部的交流电，以保持转矩方向不变。10FFU+–NS电刷换向片IIEE由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。11直流发电机用右手定则判感应电动势Ea的方向U+–NSEEIa电枢绕组电阻RanCEe感应电动势aaRIEU输出电压12三.电枢电动势及电压平衡关系电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用E表示）。1、电枢中的感应电动势FFU+–NS电刷换向片IIEE13根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反，其大小为：nCEeCe：与电机结构有关的常数n：电动机转速：磁通单位：（韦伯），n（转/每分），E（伏）FFU+–NS电刷换向片IIEE142.电枢绕组中电压的平衡关系因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。aaRIEUU：外加电压Ra:绕组电阻MRaIaE+–+–U以上两公式反映的概念：(1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想改变E，只能改变或n。(2)若忽略绕组中的电阻Ra，则，可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反比，通过改变可调速。ΦnCEUenCEe15四.电磁转矩ateΦICTCt：与线圈的结构有关的常数（与线圈大小，磁极的对数等有关）：线圈所处位置的磁通Ia：电枢绕组中的电流1、电磁转矩单位：（韦伯），Ia（安培），T（牛顿米）由转矩公式可知：(1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。(2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者改变磁通的方向。162、转矩平衡关系电磁转矩Te为驱动转矩，在电机运行时，必须和外加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即0TTTLeTL：负载转矩T0：空载转矩转矩平衡过程：当负载转矩（TL）发生变化时，通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩自动调整，以实现新的平衡。17例：设外加电枢电压U一定，Te=TL+T0(平衡)，这时，若TL突然增加，则调整过程为：与原平衡点相比，新的平衡点：Ia、P入TLnEIaTe最后达到新的平衡点。ateΦICTaaRIEU18根据直流电动机转速公式:)60/(apNCeΦeCRIUnaaa式中：n—转速（r/min）；Ua—电枢电压（V）；Ia—电枢电流（A）；Ra—电枢回路总电阻（）；—励磁磁通（Wb）；Ce—由电机结构决定的电动势常数。1.2.1控制方式aaaaRIEUnCEe19调节电动机转速的三种方法：调节电枢供电电压Ua改变电枢回路电阻Ra减弱励磁磁通20三种调速方法的性能与比较：1.改变电阻Ra只能有级调速；2.减弱磁通能够平滑调速，但调速范围不大，可在基速以上作小范围的弱磁升速。3.调节电压Ua调速能在较大的范围内无级平滑调速。21直流伺服电动机的控制方式：把控制信号作为电枢电压Ua来控制电动机的转速，叫电枢控制。把控制信号加在励磁绕组上，通过控制磁通来控制电动机的转速，叫磁场控制。221.电枢控制励磁磁通保持不变，改变电枢绕组的控制电压。当电动机的负载转矩不变时，升高电枢电压，电机的转速就升高；反之转速就降低。电枢电压等于零时，电机不转。电枢电压改变极性时，电机反转。图1-1电枢控制原理图1.2.1控制方式ΦeCRIUnaaa23电枢绕组电压保持不变，改变励磁回路的电压。若电动机的负载转矩不变，当升高励磁电压时，励磁电流增加，主磁通增加，电机转速就降低；反之，转速升高。改变励磁电压的极性，电机转向随之改变。尽管磁场控制也可达到控制转速大小和旋转方向的目的，但励磁电流和主磁通之间是非线性关系，且随着励磁电压的减小其机械特性变软，调节特性也是非线性的，故少用。2．磁场控制ΦeCRIUnaaaateΦICTaaRIEUTe=TL+T024机械特性是指电枢电压等于常数时，转速与电磁转矩之间的函数关系，即。把代入式得,为理想空载转速；,为直线的斜率。伺服电动机的运行特性包括机械特性和调节特性。)(,aeTfncUateICTeaaaCRIUne02teaeeakTnCCRTCUnea0CUn2teaCCRk1.2.2运行特性1.机械特性25图1-2直流伺服电动机的机械特性机械特性为一直线e02teaeeakTnCCRTCUn1.2.2运行特性n0--理想空载转速TK--堵转转矩--直线斜率TnkΔΔ26（1）n0、Te、k的物理意义理想空载转速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。1.2.2运行特性e02teaeeakTnCCRTCUn27（1）n0、Te、k的物理意义堵转转矩Tk：Tk是转速n=0时的电磁转矩。1.2.2运行特性28（1）n0、Te、k的物理意义机械特性的斜率k：斜率k前面的负号表示直线是下倾的。斜率k的大小直接表示了电动机电磁转矩变化所引起的转速变化程度。斜率k大，转矩变化时转速变化大，机械特性软。反之，斜率k小，机械特性就硬。1.2.2运行特性e02teaeeakTnCCRTCUn29n0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一组相互平行的机械特性曲线。图1-3不同控制电压时的机械特性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。（2）电枢电压对机械特性的影响e02teaeeakTnCCRTCUn30调节特性是指负载转矩不变时，电机转速与电枢电压之间的函数关系，即由得)(0aLseUfncTTTT时，2teaeeaCCRTCUnAUkCCRTCUna12teaseae11Ck2teasCCRTA为特性曲线的斜率；为由负载阻转矩决定的常数。2.调节特性31图1-4直流伺服电动机的调节特性调节特性为一上翘的直线。AUkCCRTCUna12teaseaUa0–始动电压K1–特性斜率32始动电压Ua0：Ua0是电动机处在待动而又未动临界状态时的控制电压。由，当n=0时，便可求得由于，即负载转矩越大，始动电压越高。而且控制电压从0到Ua0一段范围内，电机不转动，故把此区域称为电动机的死区。2teaseaCCRTCUnstaa0aTCRUUsa0TU（1）Ua0和k1的物理意义33斜率k1：是由电机本身参数决定的常数，与负载无关。e11Ck（1）Ua0和k1的物理意义34总阻转矩Ts变化时，，斜率k1保持不变。因此对应于不同的总阻转矩，可以得到一组相互平行的调节特性。图1-5不同负载时的调节特性sa0TUs3s2s1TTT、、（2）总阻转矩对调节特性的影响35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。3．直流伺服电动机低速运转的不稳定性36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：使转速平稳。直流力矩电动机:低速稳定性好。37动态特性是指在电枢控制条件下，在电枢绕组上加阶跃电压时，电机转速n和电枢电流ia随时间变化的规律。产生过渡过程的原因是电机中存在机械惯性和电磁惯性。1.3直流伺服电动机的动态特性1.3.1过渡过程中的电机方程电压平衡方程式转矩平衡方程式aaaaaaddUeRitiLtJTtTsdd)(nCeeaat)(iCtT其中38由于在小功率的随动系统中，选择电动机时总是使电动机的额定转矩远大于轴上的总阻转矩。为了推导方便，可以先假定，这样。0sTtJtTdd)(由和可得602nat)(iCtTdtd602dd)(tttanCJtCJCtTi把ia和代入，两边乘以得nCeeaaaaaaaddUeRitiLe1Cdd602dd6020emmea2tea222teanCUntnCCJRtnCCJL390m22emddddnntntn2team602CCJR令为机电时间常数；aaeRL为电气时间常数；ea0CUn为理想空载转速，则上式可化为0emn、、是转速的二阶微分方程，对已制成的电机而言,都是常数。4041421.3.2转速随时间的变化规律0m22emddddnntntn对于二阶常系数非齐次常微分方程进行拉氏变换得pnpnppnpnp0m2em)()()(特征方程为01m2emppmee2141121，p其两个根为转速表达式为tptpeAeAnn21210430t0n0dtdn由初始条件，时，转速，加速度，故有0,02211021pApAnAA,,0211202121npppAnpppAtptpeennn21mememe00/411/411/412)(/41/12meaaatptpeeRUi由此解得转速随时间的变化规律为用同样的分析方法，可找出过渡过程中电枢电流随时间的变化规律1.3.2转速随时间的变化规律tptpeAeAnn2121044⑴当时，由，和两根都为负实数。由和可知，电枢电感较小、电枢电阻较大、转动惯量较大时是这种情况。1.3.3过渡过程曲线me4mee2.141121，p1p2p2team602CCJRaaeR