直流伺服电动机

  直流伺服电动机第二章  直流伺服电动机 直流伺服电动机是自动控制系统中具有特殊用途的直流电动机，又称执行电机，它能够把输入的电压信号变换成轴上的角位移和角速度等机械信号。直流伺服电动机的工作原理、基本结构及内部电磁关系与一般用途的直流电动机相同。 第一节  直流电动机 一、直流电动机的基本工作原理 直流电动机的基本结构与直流发电机相同。电动机输入电压信号，输出转速信号。            二、电磁转矩和转矩平衡方程 1、电磁转矩            对于一个已经制造好的电机，它的电磁转矩 正比于每极磁通 和...

  第二章  直流伺服电动机 直流伺服电动机是自动控制系统中具有特殊用途的直流电动机，又称执行电机，它能够把输入的电压信号变换成轴上的角位移和角速度等机械信号。直流伺服电动机的工作原理、基本结构及内部电磁关系与一般用途的直流电动机相同。 第一节  直流电动机 一、直流电动机的基本工作原理 直流电动机的基本结构与直流发电机相同。电动机输入电压信号，输出转速信号。            二、电磁转矩和转矩平衡方程 1、电磁转矩            对于一个已经制造好的电机，它的电磁转矩 正比于每极磁通 和电枢电流 。 2、稳态转矩平衡方程        =             称为电动机稳态转矩平衡方程。 3、动态转矩平衡方程 当电机的转速发生改变时，由于电机及负载具有转动惯量，将产生惯性转矩  ——负载和电动机转动部分的转动惯量； 此时，电动机轴上的动态转矩平衡方程为                三、 电动势平衡方程 直流电动机电动势平衡方程                    电枢电流的

  达式            电动机的机械特性        四、直流电动机的起动和调速 1．起动：起动电流大：                 由于 不大，所以起动电流可能达到额定电流的十几倍。为了限制起动电流，一般都会采用在电枢回路中串联起动电阻 的方法。一般把起动电流限制在额定电流的1.5~2倍以内，保证有足够的起动转矩。 对于自动控制系统中使用的直流电动机，功率只有几百瓦，由于电枢电阻比较大，其起动电流不超过额定电流的5~6倍，加上其转动惯量较小，转速上升快，起动时间短，所以能直接起动，而且起动电流大，起动转矩也大，这正是控制管理系统所希望的。 为了获得较大的起动转矩，励磁磁通应为最大，因此电机起动时，励磁回路的调节电阻必须短接，并在励磁绕组两端加上额定励磁电压。 2．调速：            调速的方法有三种：（1）改变电源电压 调速； （2）在电枢回路串联电阻 调速； （3）调节励磁回路电阻 （改变磁通 ）调速。 下面分析转矩、电流和转速等物理量的稳态值在调速前后的变化。 1）电枢回路串联电阻 调速 电枢回路串联的电阻越大，转速越低。 电枢回路串联电阻调速：损耗较大，效率较低。当轻载时，电枢电流较小，串联电阻后，转速变化不大。但是，这种调速方法设备最简单。 2）降低电源电压调速 电源电压越低，转速越低。 这种调速方法，能轻松实现平滑无级调速，但需要附加调压设备。 3）改变励磁回路电阻 调速 励磁回路串联的电阻 越大，转速越高。 （1）容易控制：励磁电流只有电枢额定电流的百分之几，所以调节电阻的容量小，铜耗也小，而且容易控制； （2）调速的快速性较差：励磁回路电感比电枢回路大，电气时间常数较大。 （3）转速只能升高：励磁回路串联电阻只能使励磁电流减小。 （4）改变磁通（弱磁）调速时，必须降低负载转矩：由于 ，若电机拖动恒转矩负载，重新稳定后，因磁通 减弱，所以电流 增大，将超过原来的额定值，这是不允许的，因此， 在要求调速范围大的场合，几种调速方法总是同时兼用。当电源电压可调时，利用降压降低转速，利用增加励磁回路电阻增大转速。当电源电压恒定时，则利用增加电枢回路电阻降低转速，利用增加励磁回路电阻增大转速。 必须要格外注意的是，对电动机的励磁绕组，若起动前就断开，则电动机由于起动转矩小而不能起动。如果在运行过程中断开，则相当于励磁回路串联的电阻 ，电机转速大大超过额定转速，电机发出尖锐的噪声，出现“飞车”事故。 第二节 直流伺服电动机的操控方法和运行特性 伺服电动机分直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。 伺服电机的最大特点是可控性。伺服系统一般有三种基本控制方式：位置控制、速度控制和力矩控制。 直流伺服电动机通常应用于功率较大的自控系统中，输出功率一般为1~600W，也有的达数kW，其电压分为：6、9、12、24、27、48、110、220V。 一、直流伺服电动机的分类 直流伺服电动机的控制电源为直流电压，分普通直流伺服电动机、盘形电枢直流伺服电机、空心杯直流伺服电机和无槽直流伺服电机等。 普通直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种基本结构类型。电磁式又分为他励、并励、串励和复励四种，永磁式可看作是他励式。 二、直流伺服电动机的操控方法 直流伺服电动机工作原理与一般的直流电动机相同。 控制方式有改变电枢电压的电枢控制和改变磁通的磁场控制两种。 电枢控制具有机械特性和控制特性线性度好，而且特性曲线为一组平行线，空载损耗较小，控制回路电感小，响应迅速等优点，所以自动控制系统中多采用电枢控制。磁场控制只用于小功率电机。 下面只叙述电枢控制。 把电枢电压 作为控制信号，实现电动机的转速控制，这就是电枢操控方法。电枢控制的物理过程：当 不变时，增大 ，由于电机有惯性，转速不变化， 暂时不变化， 增大，使 增加，由于阻转矩 不变，则

  ， 升高， 随着增大， 和 减小，直到 = 时为止，此时电机转速变为 。 电压 降低时，转速 下降的过程相同。当电压 极性改变时，电枢电流 及电磁转矩 的方向发生改变，电动机的转向改变。 三、直流伺服电动机的运行特性 1、机械特性 在电枢电压 不变的情况下，直流伺服电动机的转速随转矩的变化关系 ，称为电动机的机械特性：      时的电磁转矩 称为堵转转矩 ， 、 大小与电源电压成正比。 机械特性的线性度越好，系统的动态误差就越小。硬特性转矩的变化对转速的影响比软特性为好，易于控制，这正是自动控制所需的。 在不同电压下，机械特性为一组平行线。 和 都与 成正比，但特性曲线的斜率与 无关。 电枢回路电阻 越小，机械特性越硬， 越大，机械特性越软。 2、调节特性（控制特性） 电机的转速与电枢电压的关系 称为电动机的调节特性或控制特性。 1） 负载为常数时的调节特性 在励磁不变、负载转矩恒定时，由机械特性表达式可知 又          当负载转矩 一定（且认为 恒定）时，电动机的调节特性 的关系曲线是一直线，斜率为 。当 时，          ， ， 。 ， ，电动机处于从静止到转动的临界状态， ， 。电压 称为电动机的死区，或称为始动电压， ，所以 始动电压与电动机的阻转矩、负载转矩有关。 始动电压不同，但调节特性的斜率不变，对应不同负载转矩，可得到一组相互平行的调节特性曲线。 与始动电压相对应的电枢电流         电枢电压小于始动电压时，电机不能起动；当电源电压超过始动电压时，电机开始旋转。当负载转矩为恒值时，无论电动机的转速有多大， 总是不变，此时电动势方程          当 时，转速随电压线性变化。控制特性的线性度越好，系统的动态误差越小。 2）可变负载时的调节特性 在自控系统中，电动机的负载多数情况下是不随转速改变的，但是也有可变负载。例如，当负载转矩是由空气摩擦造成的阻转矩时，则转矩随转速增加而增大，并且转速越高，转矩增加得越快，转矩随转速变化的大致情况如图2-12所示。 在变负载的情况下，调节特性不再是一条直线。这是因为在不同转速时，由于阻转矩 不同，相应的 也不同。当 改变时， 不再保持为常数，因此 的变化不再与 的变化成正比。随着转速增加，负载转矩增量慢慢的变大， 增量也慢慢变得大， 增量却越来越小， ，所以随着控制信号的增加，转速增量越来越小，这样 和 的关系如图2-13所示，不再是一条直线。当然曲线 的具体形状还与负载特性 的形状有关，但是总的趋势是一致的。 实际在做的工作中，常常用实验的方法直接测出电动机的调节特性，此时电动机与负载配合，并由放大器提供信号电压。在实验中测出电动机的转速 随放大器输入电压 变化的曲线，就是带有放大器的直流伺服电动机的调节特性曲线)直流伺服电动机低转速运转时的不稳定性 从直流伺服电动机的理想调节特性来看，只要控制电压足够大（大于始动电压）时，电机就可以在很低的转速下运行，但实际上，当电动机工作在几转每分钟到几十转每分钟的范围内时，其转速就不均匀，出现时快、时慢、甚至暂停一下的现象，此现状称为直流伺服电动机低速运转的不稳定性，产生的原因： （1）低速时，反电动势平均值不大，因而齿槽效应等问题导致的电动势脉动的影响将增大，导致电磁转矩波动显而易见。 （2）低速时，控制电压值很小，电刷和换向器之间的接触电压的不稳定性的影响增大，导致电磁转矩不稳定性增大。 （3）低速时，电刷和换向器之间的摩擦转矩的不稳定性，造成电机本身阻转矩的不稳定，导致输出转矩不稳定。 直流伺服电动机低速运转的不稳定性将在控制管理系统中造成误差，必须在控制线路中采取一定的措施使其转速均匀；或选用低速稳定性好的直流力矩电动机或低惯量直流电动机。 3、直流伺服电动机在过渡过程中的工作状态 设一台电动机以 旋转， 、 、 及 的方向如图所示，数值为正，反之为负。这时， ， 。 1）、发电机工作状态 如果要求电动机的转速下降到 ，则控制管理系统加到电动机的控制电压要立即下降到 。由于电机本身和负载具有转动惯量，转速不能马上下降，反电动势仍为 ，由于电压已发生明显的变化，电枢电流也随之变化。如果忽略电枢绕组的电感，则电压方程为 如果此时 ，则 为负值，电磁转矩方向发生改变，与转速方向相反，为制动性质，电机处于发电机状态。 由于电磁转矩作用，电机转速迅速下降，电动势 下降，当小于 时，电机又回到电动机状态，直到转速下降到 时，电机重新稳定。 2）、反接制动工作状态 若需要电动机反转，则控制管理系统给电机施加一个反向的信号电压 。由于电机本身和负载具有转动惯量，转速不能马上反向，电动势仍为 ，电压 与 同方向，电枢电流 和电磁转矩 也随着电压 反向，这时电动机进入电枢电压反接制动状态：特点是（1）电枢电流大；（2）电磁转矩为制动性质，而且很大；（3）电机既吸收电能，又吸收机械能，并全部变成电机的损耗，其中主要是电枢铜损耗。 3）能耗制动状态 若需要电机停转，控制管理系统施给电机的信号电压就马上降为零，并将电枢两端短接，这时电机也是处于发电机状态，只是 ，电压方程为 ，。此时的电磁转矩为制动性质，电机转速逐渐下降，直到 。 这种运行方式是利用电动机原来积蓄的动能来发电，产生电磁转矩进行制动，所以称为能耗制动。

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