直流伺服电动机

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1、第第 2 2 章章直流伺服电动机直流伺服电动机中国矿大信电学院中国矿大信电学院2.1 2.6 2.7 2.4 2.3 2.2 第第2 2章章 直流伺服电动机直流伺服电动机2.8 2.5 本章要求：本章要求：第第2 2章章 直流伺服电动机直流伺服电动机2.1 2.1 直流伺服电动机的工作原理和结构直流伺服电动机的工作原理和结构一、一、直流伺服电动机的结构直流伺服电动机的结构NS+-n直流电机直流电机定子定子转子转子空空气气隙隙定定子子铁铁心心励励磁磁绕绕组组机机壳壳端端盖盖电电刷刷电电枢枢绕绕组组电电枢枢铁铁心心换换向向器器转转轴轴控制电机控制电机SZ系系列列直直流流伺伺服服电电动动机机控制电机

2、控制电机GZ系系列列直直流流伺伺服服电电动动机机小小惯惯量量直直流流伺伺服服电电动动机机控制电机控制电机二、二、直流伺服电动机的工作原理直流伺服电动机的工作原理 导体ab,cd中通入图中所示方向的电流，根据电磁力定律，可以判断载流导体ab,cd 在磁场中受力方向，形成逆时针方向电磁力矩，线圈逆时针旋转。NS+-nabcdABFF控制电机控制电机 当线圈转动当线圈转动180180o o,导体导体cdcd处于处于N N极下，电流由极下，电流由c c到到d d，S S极下极下导体导体电流电流由由b b到到a a，导体受力仍然是，导体受力仍然是逆时针方向。逆时针方向。电枢连续旋转，导体电枢连续旋转，导

3、体ab、cd中电流的方向不断变化，中电流的方向不断变化，交替在交替在N极和极和S极下受电磁力极下受电磁力作用，从而使得电动机按一作用，从而使得电动机按一定的方向连续旋转。定的方向连续旋转。换向器，换向器，使电刷通过换向片只与处于使电刷通过换向片只与处于一定极性下的导体相连接，一定极性下的导体相连接，从而使导体中的电流方向发从而使导体中的电流方向发生变化。生变化。原理动画原理动画NS+-nabcdABFF2.2 2.2 直流伺服电动机的控制方法直流伺服电动机的控制方法一、基础知识复习一、基础知识复习1 直流电动机的启动直流电动机的启动 电动机从静止状态过渡到稳速的过程叫电动机从静止状态过渡到稳速

4、的过程叫启动启动过程过程。电机的启动性能有以下几点要求：。电机的启动性能有以下几点要求：1）启动时电磁转矩要大，以利于克服启动启动时电磁转矩要大，以利于克服启动时的阻转矩。时的阻转矩。2）启动时电枢电流要尽可能的小。启动时电枢电流要尽可能的小。3）电动机有较小的转动惯量和在加速过程中电动机有较小的转动惯量和在加速过程中保持足够大的电磁转矩，以利于缩短启动时间。保持足够大的电磁转矩，以利于缩短启动时间。直流电动机采用电枢回路串电阻或降压启动。直流电动机采用电枢回路串电阻或降压启动。电动机生产机械TnTL控制电机控制电机2 直流电动机的调速直流电动机的调速可知直流电动机调速可以有：可知直流电动机调

5、速可以有：（1）改变电枢电源电压；改变电枢电源电压；（2）在电枢回路中串调节电阻；在电枢回路中串调节电阻；（3）改变磁通，即改变励磁回路的改变磁通，即改变励磁回路的调节电阻调节电阻Rf以改变励磁电流。以改变励磁电流。2meaemeaCCRTCUn 由由控制电机控制电机0nTn0TN自然特性自然特性 改变电动机的电改变电动机的电压、磁通、电枢回路压、磁通、电枢回路总电阻均时，对应的总电阻均时，对应的机械特性为：机械特性为：2meaemeaCCRTCUn 控制电机控制电机3 改变直流电动机转向的方法改变直流电动机转向的方法 改变电动机的转向改变电动机的转向,就必须改变电磁转矩就必须改变电磁转矩的方

6、向。根据左手定则可知的方向。根据左手定则可知,改变电磁转矩的改变电磁转矩的方向有两种方法方向有两种方法:1）改变磁通的方向；改变磁通的方向；2）改变电流的方向。改变电流的方向。注意注意:磁通和电流的方向磁通和电流的方向只能改变其中的一个。只能改变其中的一个。Tem=CT Ia电动机生产机械TnTL控制电机控制电机4 使用中必须注意的问题使用中必须注意的问题1）启动时要使励磁磁通最大；）启动时要使励磁磁通最大；2）切勿使励磁回路断开。）切勿使励磁回路断开。K正正K正正K反反K反反+-K正正K正正K反反K反反+-控制电机控制电机二、直流伺服电动机的控制方法二、直流伺服电动机的控制方法 直流伺服电动

7、机实际为一台他励式直直流伺服电动机实际为一台他励式直流电动机，其励磁绕组由外施恒压的直流流电动机，其励磁绕组由外施恒压的直流电源励磁或为永磁磁极。电源励磁或为永磁磁极。对直流伺服电动机的对直流伺服电动机的控制控制主要是主要是指对指对电动机转速大小、方向的控制电动机转速大小、方向的控制，即对电动，即对电动机工作状态的控制；机工作状态的控制；通常将电枢电压作为通常将电枢电压作为控制信号控制信号，实现对电动机转速的控制。，实现对电动机转速的控制。电动机生产机械TnTL控制电机控制电机2meaemeaCCRTCUn 直流伺服电动机稳定运行时的转速为：直流伺服电动机稳定运行时的转速为：稳态时（稳态时（T

8、em=Tl），），当负载转矩当负载转矩 Tl 和磁和磁通通 一定时，调节电枢两端所加电压一定时，调节电枢两端所加电压 Ua，电动机的转速发生变化，从而改变电动机电动机的转速发生变化，从而改变电动机的工作状态。的工作状态。分析电动机转速变分析电动机转速变化的物理过程？化的物理过程？nTTLUNU1AC2.3 2.3 直流伺服电动机的特性分析直流伺服电动机的特性分析一、直流伺服电动机的机械特性（变压）一、直流伺服电动机的机械特性（变压）1.反映转速和负载阻转矩（或电磁转矩）之反映转速和负载阻转矩（或电磁转矩）之间的变化规律。表征这个规律的曲线称为电动机间的变化规律。表征这个规律的曲线称为电动机的机

9、械特性。的机械特性。Uj控制电机控制电机UjUaIaEan1TemnTemUa1Ua2Ua3Ua1 Ua2 Ua3n01n02n03Td1Td2Td32.机械特性：机械特性：em02meaemeakTnCCRTCUn 其中其中 ea0CUn 为理想空载转速为理想空载转速2meaCCRk K 为机械特性直线的斜率为机械特性直线的斜率控制电机控制电机令令 n=0，得：，得：maadCRUT Td 为特性的横轴截距为特性的横轴截距,即启动力矩即启动力矩Ua1Ua2Ua3Ua1 Ua2 Ua3n01n02n03Td1Td2Td3nTemn0和和Td都和电枢电压都和电枢电压Ua成正比。而斜率成正比。而斜

10、率k和电枢和电枢电压电压Ua无关。所以对应不同的电枢电压无关。所以对应不同的电枢电压Ua可以可以得到一组相互平行的机械特性，电枢电压得到一组相互平行的机械特性，电枢电压Ua越越大，曲线的位置越高。大，曲线的位置越高。ea0CUn em02meaemeakTnCCRTCUn 2meaCCRk 控制电机控制电机3.放大器对电动机机械特性的影响放大器对电动机机械特性的影响直流伺服电动机的电枢电压是由系统的功直流伺服电动机的电枢电压是由系统的功率放大器供给的，放大器是有内阻的，它率放大器供给的，放大器是有内阻的，它使得电动机机械特性变软。使得电动机机械特性变软。nTemRi2Ri1Ri1 Ri2 n0

11、em2meiaeaTCCRRCUn 放大器的内阻越大，放大器的内阻越大，机械特性的斜率越大，机械特性的斜率越大，特性越软。特性越软。控制电机控制电机二、直流伺服电动机的调节特性二、直流伺服电动机的调节特性 1 电动机在一定的负载下，稳定转速随控电动机在一定的负载下，稳定转速随控制电压的变化关系称为电动机的调节特性。制电压的变化关系称为电动机的调节特性。2 负载为常数时的调节特性负载为常数时的调节特性)TTT(CCRTkUCCRTCUn0lem2meaema2meaemea Tem、一定时，一定时，n=f(Ua)是一条直线。是一条直线。控制电机控制电机nUaUa01Ua02Ua03TL1TL2T

12、L3TL1 TL2 TL3)TTT(CCRTkUCCRTCUn0lem2meaema2meaemea 当当 n=0 时，时，maem0aaCRTUU 当当Ua Ua0 时，时，n 始终为零。始终为零。Ua0为为最小启动电压最小启动电压 TL 不同，不同，Ua0不同，但直线斜率不同，但直线斜率不变。不变。控制电机控制电机 3 变负载时的调节特性变负载时的调节特性 在变负载的情况下在变负载的情况下,调节特性不再是一调节特性不再是一条直线了。因为不同转速时条直线了。因为不同转速时,负载转矩不同负载转矩不同,相应的电枢电流也不同。相应的电枢电流也不同。nTl0负载转矩与负载转矩与转速的关系转速的关系（

13、变负载）（变负载）nUa变负载变负载时的调时的调节特性节特性控制电机控制电机4 直流伺服电动机低速运转的不稳定性直流伺服电动机低速运转的不稳定性从直流伺服电动机理想的调节特性来看，只要控制从直流伺服电动机理想的调节特性来看，只要控制电压足够小，电机便可以在很低的转速下运行。电压足够小，电机便可以在很低的转速下运行。但是，当电动机工作在几转到几十转每分时但是，当电动机工作在几转到几十转每分时,其其速度就不均匀速度就不均匀,会出现一周内时快、时慢，甚至会出现一周内时快、时慢，甚至暂停的现象，这种现象称为直流伺服电动机的暂停的现象，这种现象称为直流伺服电动机的低速不稳定性低速不稳定性。nUaUa00

14、控制电机控制电机 2）低速时，控制电压数值小，电刷和换向低速时，控制电压数值小，电刷和换向器之间的接触压降不稳定性的影响将增大，故导器之间的接触压降不稳定性的影响将增大，故导致电磁转矩不稳定性增大。致电磁转矩不稳定性增大。3）低速时，电刷和换向器间的摩擦低速时，电刷和换向器间的摩擦不不 稳定性，造成电机本身阻转矩稳定性，造成电机本身阻转矩 T0 的不稳的不稳定性，因而导致输出转矩的不稳定性。定性，因而导致输出转矩的不稳定性。1）低速时，反电势平均值不大，因而齿槽低速时，反电势平均值不大，因而齿槽效应等原因造成的电势脉动的影响将变大，导致效应等原因造成的电势脉动的影响将变大，导致电磁转矩波动较明

15、显。电磁转矩波动较明显。转速波动的原因是：转速波动的原因是：2.4 2.4 直流伺服电动机的工作状态直流伺服电动机的工作状态 在一般情况下，系统中的直流伺服电在一般情况下，系统中的直流伺服电动机大部分时间是处于电动机工作状态。动机大部分时间是处于电动机工作状态。但是当控制信号或负载发生变化时，电动但是当控制信号或负载发生变化时，电动机则从一个稳定状态过渡到另一个稳定状机则从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态。在这过渡过程中，电动机的工作状态态。在这过渡过程中，电动机的工作状态就可能发生变化（就可能发生变化（调速、制动调速、制动）。）。下面以天线控制系统为例，说明直流伺服下面以天线控制系统为例，说

16、明直流伺服电动机在过渡过程中的几种工作状态。电动机在过渡过程中的几种工作状态。控制电机控制电机 电动机以转速电动机以转速n1驱动天线跟踪飞机，此驱动天线跟踪飞机，此时电机的电枢电压为时电机的电枢电压为Ua1，反电势为，反电势为Ea1，电，电枢电流为枢电流为Ia1，转速为，转速为n1。UjUa1Ia1Ea1n1Tem控制电机控制电机UjUa1Ia1Ea1n1Tem 电动运行时，各物理量的正电动运行时，各物理量的正方向规定如图所示。方向规定如图所示。如果飞机的飞行速度突然下如果飞机的飞行速度突然下降到降到n2，为了跟踪飞机，电动机，为了跟踪飞机，电动机的转速迅速下降到的转速迅速下降到n2，因而控制

17、，因而控制系统加到电动机电枢两端的电压系统加到电动机电枢两端的电压需立即降为需立即降为Ua2，电动机从电动状，电动机从电动状态变成了发电制动状态，直到电态变成了发电制动状态，直到电动机达到新的稳定状态。动机达到新的稳定状态。Ea1nTemUjUa2Ia2转速变化的物理过程？转速变化的物理过程？控制电机控制电机Ea1nTemUjUa2Ia2降压调速物理过程：降压调速物理过程：BnTTLU1U2AC0控制电机控制电机 这种运行方式是利用电动机原来这种运行方式是利用电动机原来积蓄的动能来发电，以产生电磁转矩积蓄的动能来发电，以产生电磁转矩进行制动的，所以叫能耗制动。进行制动的，所以叫能耗制动。如果上

18、述的天线控制系统，如果上述的天线控制系统，在完成战斗任务之后，需要停在完成战斗任务之后，需要停转时，控制系统将加在电枢两转时，控制系统将加在电枢两端的电压降为零，并将电枢两端的电压降为零，并将电枢两端短路，此时电机工作在发电端短路，此时电机工作在发电机短路状态，电磁转矩为制动机短路状态，电磁转矩为制动转矩，电机转速将下降。因为转矩，电机转速将下降。因为Ua2=0，故电机稳定转速为，故电机稳定转速为0。试分析物试分析物理过程。理过程。EanTemUjIa控制电机控制电机nTTLABEanTemUjIa能耗制动物理过程分析：能耗制动物理过程分析：控制电机控制电机控制电机实验调整:调到对应周次的晚上

19、做.2.5 2.5 直流伺服电动机的过渡过程直流伺服电动机的过渡过程 为了分析控制系统的动态特性，了解电机的为了分析控制系统的动态特性，了解电机的转速、转矩、电流、功率等物理量在过渡过程中转速、转矩、电流、功率等物理量在过渡过程中随时间变化的规律，以及过渡过程时间和电机参随时间变化的规律，以及过渡过程时间和电机参数的关系。数的关系。产生过渡过程的原因产生过渡过程的原因，主要是电机中存，主要是电机中存在两种惯性：在两种惯性：机械惯性和电磁惯性机械惯性和电磁惯性。研究过渡过程的方法研究过渡过程的方法：将过渡过程中的物：将过渡过程中的物理规律用理规律用微分方程微分方程表示出来，然后根据初始条表示出来

20、，然后根据初始条件求解方程，找出各物理量与时间的函数关系。件求解方程，找出各物理量与时间的函数关系。控制电机控制电机UjUa1Ia1Ea1n1Tem 利用电压方程、转矩方程和动力学方利用电压方程、转矩方程和动力学方程，可以推导出电机物理的程，可以推导出电机物理的微分方程微分方程。并。并求出变化规律（函数）。求出变化规律（函数）。控制电机控制电机 对已制成的电机而言，对已制成的电机而言，j 机电时间常数、机电时间常数、d 电磁时间常数、电磁时间常数、n0 都是常数，根据直流电动机在都是常数，根据直流电动机在动态下的方程建立转速对时间、电枢电流对时间动态下的方程建立转速对时间、电枢电流对时间的微分

21、方程，并求解得：的微分方程，并求解得：e)411(e)411(412nnntpjdtpjdjd0021 其中其中 p1 和和 p2 是是微分方程的两个根。微分方程的两个根。)ee(41R/UItptpjdaaa12 aad2meajRL,CC60JR2 控制电机控制电机电机的过渡过程曲线：电机的过渡过程曲线：4 d j Ia(t)n(t)n0IanotIann0otIa(t)n(t)4 d j 2.6 2.6 直流力矩电动机直流力矩电动机4）具有峰值堵转转矩和峰值具有峰值堵转转矩和峰值堵转电流堵转电流直流力矩电动机性能特点直流力矩电动机性能特点:在其它条件相同时在其它条件相同时,如增大电动机直

22、径如增大电动机直径,减减小其轴向长度小其轴向长度,就有利于增加电动机的转就有利于增加电动机的转矩和降低空载转速。这就是电动机做成矩和降低空载转速。这就是电动机做成圆盘状圆盘状的原因的原因1）力矩波动小力矩波动小,低速下能稳定运行。低速下能稳定运行。2）机械特性和调节特性的线性度好。机械特性和调节特性的线性度好。3）响应迅速响应迅速,动态性好。动态性好。2.7 2.7 低惯量直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机 由于普通直流伺服电动机的低速不稳定等缺由于普通直流伺服电动机的低速不稳定等缺点，使其在应用上受到一定限制。点，使其在应用上受到一定限制。目前国内外已在普通直流伺服电动机的基目前国内外已在普

23、通直流伺服电动机的基础上发展了低惯量直流伺服电动机。主要形式础上发展了低惯量直流伺服电动机。主要形式有：有：杯形电枢杯形电枢直流伺服电动机、直流伺服电动机、盘形电枢盘形电枢直流直流伺服电动机和伺服电动机和无槽电枢无槽电枢直流伺服电动机。直流伺服电动机。1）低惯量。由于转子无铁心，且薄壁细低惯量。由于转子无铁心，且薄壁细长，惯量极低，有超低惯量电动机之称。长，惯量极低，有超低惯量电动机之称。1.杯形电枢直流伺服电动机的性能特点是：杯形电枢直流伺服电动机的性能特点是：控制电机控制电机2）灵敏度高。灵敏度高。3）损耗小，效率高。损耗小，效率高。4）力矩波动小，低速运转平稳，噪声很小。力矩波动小，低速

24、运转平稳，噪声很小。5）换向性能好，寿命长。换向性能好，寿命长。2.盘形电枢直流伺服电动机性能特点是盘形电枢直流伺服电动机性能特点是:1)电机结构简单电机结构简单,制造成本低。制造成本低。2)启动转矩大。启动转矩大。3)换向性能好。换向性能好。1）低惯量。由于转子无铁心，且薄壁细长，低惯量。由于转子无铁心，且薄壁细长，惯量极低，有超低惯量电动机之称。惯量极低，有超低惯量电动机之称。1.杯形电枢直流伺服电动机的性能特点是：杯形电枢直流伺服电动机的性能特点是：控制电机控制电机 它具有转动惯量低、启动转矩大、反应它具有转动惯量低、启动转矩大、反应快、启动快、启动 灵敏度高、转速平稳、低速运行均灵敏度

25、高、转速平稳、低速运行均匀、换向性能匀、换向性能 好等优点。其输出功率为几十好等优点。其输出功率为几十瓦到瓦到10KW10KW，机电常，机电常 数为数为510ms。主要用于。主要用于要求快速动作、功率较大的系统如数控机床要求快速动作、功率较大的系统如数控机床和雷达天线驱动等方面。和雷达天线驱动等方面。3.无槽电枢直流伺服电动机无槽电枢直流伺服电动机 5)电枢转动惯量小电枢转动惯量小,反应快反应快,机电时间常数一机电时间常数一般为般为1015ms,属于中等低惯量伺服电动机。属于中等低惯量伺服电动机。4)力矩波动很小力矩波动很小,低速运行稳定性调速范围广而低速运行稳定性调速范围广而且平滑且平滑,能

26、在能在1:20的低速比范围内可靠平稳运行。的低速比范围内可靠平稳运行。In-line Bottle Filling A application is shown in Fig.1.In this application multiple filling heads line up with bottles as they move along a continuous line.Each of the filling heads must match up with a bottle and track the bottle while it is moving.Product is disp

27、ensed as the nozzles move with the bottles.In this application 10 nozzles are mounted on a carriage that is driven by a ball-screw mechanism.The ball-screw mechanism is also called a lead screw.When the motor turns the shaft of the ball screw,the carriage will move horizontally along the length of t

28、he ball-screw shaft.This movement will be smooth so that each of the nozzles can dispense product into the bottles with little spillage.2.8 2.8 直流伺服电动机的应用举列直流伺服电动机的应用举列控制电机控制电机 The servo drive system utilizes a positioning drive controller with software that allows the position and velocity to be tr

29、acked as the conveyor line moves the bottles.A master encoder tracks the bottles as they move along the conveyor line.An auger feed system is also used just prior to the point where the bottles enter the filling station.The auger causes a specific amount of space to be set between each bottle as it

30、enters the filling station.The bottles may be packed tightly as they approach the auger,but as they pass through the auger their space is set exactly so that the necks of the bottles will match the spacing of the filling nozzles.A detector is also in conjunction with the dispensing system to ensure

31、that no product is dispensed from a nozzle if a bottle is missing or large spaces appear between bottles.FIGURE 1 Application of a beverage-filling station controlled by a servomotor.(Courtesy oil Electro-Craft,A Rockwell Automation Business.)Servo motorProduct flowMaster encoderBottle filling machi

32、neBottle sensorFiller head sensorFiller nozzleLead screwController 控制电机控制电机 The servo drive system compares the position of the bottles from the master encoder to the feedback signal that indicates the position of the filling carriage that is mounted to the ball screw.The servo drive amplifier will increase or decrease the speed of the ball-screw mechanism so that the nozzles will match the speed of the bottles exactly.作业作业：3-9；10；11；12；13