直流伺服電機(jī)

1、直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)直流伺服電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)3.1 概述概述3.2 永磁直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理永磁直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 3.3 直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性3.4 特種直流伺服電動(dòng)機(jī)特種直流伺服電動(dòng)機(jī)3.5 直線直流電動(dòng)機(jī)直線直流電動(dòng)機(jī)3.6永磁直流伺服電機(jī)功率放大器永磁直流伺服電機(jī)功率放大器直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)2. 伺服電動(dòng)機(jī)的一般規(guī)律伺服電動(dòng)機(jī)的一般規(guī)律 普通直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī) 低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī) 直流力矩電動(dòng)機(jī) 兩相感應(yīng)伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī) 三相感應(yīng)伺服電動(dòng)機(jī) 無刷永磁伺服電

2、動(dòng)機(jī)直線伺服電動(dòng)機(jī)直線伺服電動(dòng)機(jī) 電機(jī)為直線運(yùn)動(dòng)1. 伺服電動(dòng)機(jī)的概念伺服電動(dòng)機(jī)的概念伺服電動(dòng)機(jī)又稱為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，其功能是把輸入的電壓信號(hào)變換成可控的轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出。直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)一般規(guī)律一般規(guī)律u伺服電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子由永磁體或鐵芯線圈構(gòu)成。伺服電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子由永磁體或鐵芯線圈構(gòu)成。u永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)，而鐵芯線圈通電后也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)，而鐵芯線圈通電后也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。u定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生力矩，使電機(jī)帶定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生力矩，使電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)，從而通過磁的形式將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)，從而通過磁的形式將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。能。直流伺服電機(jī)直

3、流伺服電機(jī)一般規(guī)律一般規(guī)律u永磁體或鐵芯線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的根源是存在著磁通勢(shì)。永磁體或鐵芯線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的根源是存在著磁通勢(shì)。u永磁體的磁通勢(shì)是常量，大小由體積和材料導(dǎo)磁性能決永磁體的磁通勢(shì)是常量，大小由體積和材料導(dǎo)磁性能決定，方向是由定，方向是由N極指向極指向S極。極。u而鐵芯線圈產(chǎn)生的磁通勢(shì)遵循如下的關(guān)系式：而鐵芯線圈產(chǎn)生的磁通勢(shì)遵循如下的關(guān)系式： Fm=IW安匝安匝 式中式中Fm磁通勢(shì)，或簡(jiǎn)稱磁勢(shì)；磁通勢(shì)，或簡(jiǎn)稱磁勢(shì)； I線圈中流過的電流；線圈中流過的電流； W線圈匝數(shù)，或繞組匝數(shù)。線圈匝數(shù)，或繞組匝數(shù)。u在同樣鐵芯下，線圈匝數(shù)越多，通過線圈的電流越大，在同樣鐵芯下，線圈匝數(shù)越多，通過線圈的電

4、流越大，產(chǎn)生的磁通勢(shì)越大。磁勢(shì)的方向與線圈中的電流成右螺旋產(chǎn)生的磁通勢(shì)越大。磁勢(shì)的方向與線圈中的電流成右螺旋關(guān)系。關(guān)系。u磁勢(shì)是即有大小又有方向的量，可用矢量表示。磁勢(shì)是即有大小又有方向的量，可用矢量表示。直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)電機(jī)理論指出：電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為電機(jī)理論指出：電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為式中式中 Fr , Fs轉(zhuǎn)、定子磁勢(shì)的幅值；轉(zhuǎn)、定子磁勢(shì)的幅值； r-s 轉(zhuǎn)、定子磁勢(shì)之間的夾角。轉(zhuǎn)、定子磁勢(shì)之間的夾角。要想增大力矩，必須增大定、轉(zhuǎn)子磁勢(shì)。要想增大力矩，必須增大定、轉(zhuǎn)子磁勢(shì)。當(dāng)定子磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)相互垂直時(shí)，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大。當(dāng)定子磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)相互垂直時(shí)，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大。電機(jī)統(tǒng)一理論是所有電

5、機(jī)工作的基礎(chǔ)。電機(jī)統(tǒng)一理論是所有電機(jī)工作的基礎(chǔ)。一般規(guī)律一般規(guī)律sin()TFr FsrsTFrFs 直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)一般規(guī)律一般規(guī)律電機(jī)的基本運(yùn)動(dòng)方程電機(jī)的基本運(yùn)動(dòng)方程式中式中 T電機(jī)轉(zhuǎn)矩電機(jī)轉(zhuǎn)矩, 單位為單位為Nm； Tf負(fù)載轉(zhuǎn)矩，單位為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，單位為Nm； J電機(jī)轉(zhuǎn)子及負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位為電機(jī)轉(zhuǎn)子及負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位為Kgm2； 電機(jī)位置，單位為電機(jī)位置，單位為radu電機(jī)的基本運(yùn)動(dòng)方程指出電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。電機(jī)的基本運(yùn)動(dòng)方程指出電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。u在負(fù)載一定條件下，只有改變電機(jī)轉(zhuǎn)矩才能改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。在負(fù)載一定條件下，只有改變電機(jī)轉(zhuǎn)矩才能改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。 當(dāng)電

6、機(jī)轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)； 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生減速運(yùn)動(dòng)；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生減速運(yùn)動(dòng)； 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)恒速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)恒速運(yùn)動(dòng)。u電機(jī)及負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是影響速度變化的另一主要因素電機(jī)及負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是影響速度變化的另一主要因素fdTJTd t直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)u負(fù)載的加速度要求和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)選擇伺服電機(jī)是很重要的。負(fù)載的加速度要求和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)選擇伺服電機(jī)是很重要的。u如果要求負(fù)載以高加速度運(yùn)動(dòng)或負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，即如果要求負(fù)載以高加速度運(yùn)動(dòng)或負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，即使

7、負(fù)載轉(zhuǎn)矩很小，也可能需要大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)；使負(fù)載轉(zhuǎn)矩很小，也可能需要大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)；u反之，如果負(fù)載要求的加速度很小或負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，反之，如果負(fù)載要求的加速度很小或負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，即使負(fù)載轉(zhuǎn)矩很大，也可能小轉(zhuǎn)矩的電機(jī)就能滿足要求。即使負(fù)載轉(zhuǎn)矩很大，也可能小轉(zhuǎn)矩的電機(jī)就能滿足要求。fdTJTd t一般規(guī)律一般規(guī)律電機(jī)的基本運(yùn)動(dòng)方程電機(jī)的基本運(yùn)動(dòng)方程直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)一般規(guī)律一般規(guī)律伺服電機(jī)的四象限運(yùn)行伺服電機(jī)的四象限運(yùn)行 u伺服系統(tǒng)常要求伺服電機(jī)即能正向運(yùn)動(dòng)，又能反伺服系統(tǒng)常要求伺服電機(jī)即能正向運(yùn)動(dòng)，又能反向運(yùn)動(dòng)；即能加速運(yùn)動(dòng)又能減速運(yùn)動(dòng)。這就要求向運(yùn)動(dòng)；即能加速運(yùn)動(dòng)又能減速運(yùn)動(dòng)。這就

8、要求電機(jī)力矩的大小及方向都能改變。電機(jī)力矩的大小及方向都能改變。fdTJTd t直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)u電機(jī)的這種力矩一速度關(guān)系可以電機(jī)的這種力矩一速度關(guān)系可以4象限形式表示出來象限形式表示出來u電機(jī)在做正向或反向的加速或勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，輸出力矩和速電機(jī)在做正向或反向的加速或勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，輸出力矩和速度的方向一致，電機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩度的方向一致，電機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩“推推”動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，這動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，這種狀態(tài)稱為電動(dòng)狀態(tài)；種狀態(tài)稱為電動(dòng)狀態(tài)；u當(dāng)電機(jī)做正向或反向的減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，力輸出矩和速度的方當(dāng)電機(jī)做正向或反向的減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，力輸出矩和速度的方向相反，電機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；向相反，電機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；“拉拉”動(dòng)電

9、機(jī)停止，這種狀動(dòng)電機(jī)停止，這種狀態(tài)稱為制動(dòng)狀態(tài)。態(tài)稱為制動(dòng)狀態(tài)。一般規(guī)律一般規(guī)律伺服電機(jī)的四象限運(yùn)行伺服電機(jī)的四象限運(yùn)行 直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī) 典型電梯典型電梯u四象限運(yùn)行能力是伺服電機(jī)與一般電機(jī)區(qū)別的一四象限運(yùn)行能力是伺服電機(jī)與一般電機(jī)區(qū)別的一個(gè)重要標(biāo)志。個(gè)重要標(biāo)志。u它要求電機(jī)能提供方向及大小均可控制的轉(zhuǎn)矩和它要求電機(jī)能提供方向及大小均可控制的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速。一般規(guī)律一般規(guī)律伺服電機(jī)的四象限運(yùn)行伺服電機(jī)的四象限運(yùn)行 直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)u 力矩和速度的可控性力矩和速度的可控性u(píng) 快速響應(yīng)能力快速響應(yīng)能力u 寬調(diào)速范圍寬調(diào)速范圍u 較高的過載能力較高的過載能力u 具有頻繁起、制動(dòng)具

10、有頻繁起、制動(dòng)的能力3. 控制系統(tǒng)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的基本要求控制系統(tǒng)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的基本要求直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)3.2 永磁直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 1、永磁直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)、永磁直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)2、永磁直流伺服電機(jī)的工作原理、永磁直流伺服電機(jī)的工作原理直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)3.2.1 永磁直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)永磁直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)u由定子磁極、轉(zhuǎn)子電樞和換向機(jī)構(gòu)組成；由定子磁極、轉(zhuǎn)子電樞和換向機(jī)構(gòu)組成；u定子磁極一般為瓦狀永磁體，可為兩極或多極結(jié)構(gòu)；定子磁極一般為瓦狀永磁體，可為兩極或多極結(jié)構(gòu)；u轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)有多種形式，最常見的是在有槽鐵心內(nèi)鋪設(shè)繞轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)有多種形式，最常見的是在有槽鐵心

11、內(nèi)鋪設(shè)繞組的結(jié)構(gòu)。鐵芯由沖壓成的硅鋼片一類材料迭壓而成；組的結(jié)構(gòu)。鐵芯由沖壓成的硅鋼片一類材料迭壓而成；u換向機(jī)構(gòu)由換向環(huán)和電刷構(gòu)成。繞組導(dǎo)線連接到換向片上，換向機(jī)構(gòu)由換向環(huán)和電刷構(gòu)成。繞組導(dǎo)線連接到換向片上，電流通過電刷及換向片引入到繞組中。電流通過電刷及換向片引入到繞組中。 直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)3.2.2 永磁直流伺服電機(jī)的工作原理永磁直流伺服電機(jī)的工作原理u 轉(zhuǎn)矩的方向?qū)⑹罐D(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)以后，夾角的變化將使轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的方向?qū)⑹罐D(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)以后，夾角的變化將使轉(zhuǎn)矩的大小及方向都發(fā)生變化，這將使電機(jī)轉(zhuǎn)子來回?cái)[動(dòng)。矩的大小及方向都發(fā)生變化，這將使電機(jī)轉(zhuǎn)子來回?cái)[動(dòng)。u

12、要想維持電機(jī)單方向穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)，必須維持要想維持電機(jī)單方向穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)，必須維持dFr的方向不變；使的方向不變；使 保保持不變。持不變。u 而且如果能使而且如果能使 u 即定子磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)相互垂直，則能得到最大轉(zhuǎn)矩。即定子磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)相互垂直，則能得到最大轉(zhuǎn)矩。 sin()dTdFr Fsrssr2sr直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)u電樞有多個(gè)線圈，每個(gè)線圈電樞有多個(gè)線圈，每個(gè)線圈產(chǎn)生的磁勢(shì)矢量相加得到合產(chǎn)生的磁勢(shì)矢量相加得到合成磁勢(shì)。成磁勢(shì)。u這僅使電機(jī)力矩更大一些，這僅使電機(jī)力矩更大一些，合成磁勢(shì)的方向依然隨轉(zhuǎn)子合成磁勢(shì)的方向依然隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而改變。力矩的大小及旋轉(zhuǎn)而改變。力矩的大小及方向改變的問題依

13、然存在。方向改變的問題依然存在。u假如我們?cè)谵D(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，能假如我們?cè)谵D(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，能通過電流換向，始終保證電通過電流換向，始終保證電樞幾何中性面以上的全部繞樞幾何中性面以上的全部繞組端子為電流流進(jìn)，下面的組端子為電流流進(jìn)，下面的繞組端子為電流流出，就能繞組端子為電流流出，就能保證轉(zhuǎn)子合成磁勢(shì)的方向不保證轉(zhuǎn)子合成磁勢(shì)的方向不變，且與定子磁勢(shì)垂直。變，且與定子磁勢(shì)垂直。u這個(gè)工作是由換向機(jī)構(gòu)完成這個(gè)工作是由換向機(jī)構(gòu)完成的。的。 3.2.2 永磁直流伺服電機(jī)的工作原理永磁直流伺服電機(jī)的工作原理直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī) u由于換向環(huán)和電刷的作用，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，每一個(gè)經(jīng)過電由于換向環(huán)和電刷的作用，當(dāng)電樞旋

14、轉(zhuǎn)時(shí)，每一個(gè)經(jīng)過電刷的繞組，其電流的方向都被自動(dòng)改變，轉(zhuǎn)子的合成磁勢(shì)刷的繞組，其電流的方向都被自動(dòng)改變，轉(zhuǎn)子的合成磁勢(shì)維持方向不變。這保證了在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)定子磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁維持方向不變。這保證了在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)定子磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)總是相互垂直。勢(shì)總是相互垂直。3.2.2 永磁直流伺服電機(jī)的工作原理永磁直流伺服電機(jī)的工作原理直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)力矩的波動(dòng)力矩的波動(dòng)u由于換向片的數(shù)目是有限的，轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的方向會(huì)有微小的由于換向片的數(shù)目是有限的，轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的方向會(huì)有微小的變化。這將導(dǎo)致力矩的波動(dòng)。變化。這將導(dǎo)致力矩的波動(dòng)。u當(dāng)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)子和負(fù)載慣量的平滑作用，當(dāng)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)子和負(fù)

15、載慣量的平滑作用，這個(gè)影響可以忽略。這個(gè)影響可以忽略。u但當(dāng)電機(jī)工作在低速狀態(tài)時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生問題。但當(dāng)電機(jī)工作在低速狀態(tài)時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生問題。u可增加繞組、換向片或定子的極對(duì)數(shù)解決這個(gè)問題?？稍黾永@組、換向片或定子的極對(duì)數(shù)解決這個(gè)問題。3.2.2 永磁直流伺服電機(jī)的工作原理永磁直流伺服電機(jī)的工作原理直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)3.3 永磁直流伺服電機(jī)工作特性永磁直流伺服電機(jī)工作特性1、數(shù)學(xué)模型、數(shù)學(xué)模型2、靜態(tài)特性、靜態(tài)特性3、動(dòng)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)力矩和電流的關(guān)系：力矩和電流的關(guān)系：式中式中 Fs, Fr 定、轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的幅值；定、轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的幅值； s ， r 定、轉(zhuǎn)子磁勢(shì)之間的

16、夾角。定、轉(zhuǎn)子磁勢(shì)之間的夾角。因?yàn)橐驗(yàn)?Fs =常量，常量，F(xiàn)r =IW，所以當(dāng)線圈匝數(shù)，所以當(dāng)線圈匝數(shù)W保持一定時(shí)，保持一定時(shí)， T=Kt I u 即力矩完全由電流控制，力矩大小及方向由電樞電流大小及極性決即力矩完全由電流控制，力矩大小及方向由電樞電流大小及極性決定。定。u 力矩系數(shù)力矩系數(shù) Kt與電樞繞組匝數(shù)及定子磁極的磁通勢(shì)有關(guān)，其單位為與電樞繞組匝數(shù)及定子磁極的磁通勢(shì)有關(guān)，其單位為Nm/A。sin()srTFs Fr直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)fdTJTdt 電機(jī)基本運(yùn)動(dòng)方程：電機(jī)基本運(yùn)動(dòng)方程：直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)反電勢(shì)和轉(zhuǎn)速的關(guān)系反電勢(shì)和轉(zhuǎn)速的關(guān)系u電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)切割定子磁極的磁力線，根

17、據(jù)電磁感電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)切割定子磁極的磁力線，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，這將在電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)應(yīng)定律，這將在電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)e，其值，其值為為 ： u即感應(yīng)電勢(shì)正比于電機(jī)轉(zhuǎn)速即感應(yīng)電勢(shì)正比于電機(jī)轉(zhuǎn)速, 系數(shù)系數(shù)Ke與電樞繞組匝與電樞繞組匝數(shù)及定子磁極磁勢(shì)有關(guān)，其單位為數(shù)及定子磁極磁勢(shì)有關(guān)，其單位為伏伏/弧度弧度/秒秒u感應(yīng)電勢(shì)出現(xiàn)在電刷兩端，與電刷上所加的電樞感應(yīng)電勢(shì)出現(xiàn)在電刷兩端，與電刷上所加的電樞電壓方向相反，因此常稱做反電勢(shì)。電壓方向相反，因此常稱做反電勢(shì)。eeK直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī) 電壓平衡方程式電壓平衡方程式 電樞的等效電路電樞的等效電路根據(jù)基爾霍夫電壓定律根據(jù)基爾霍夫電壓定律電樞

18、回路電壓方程式為：電樞回路電壓方程式為：式中式中 Ua、ia電樞電壓、電樞電流；電樞電壓、電樞電流； L、R電樞等效電感、等效電阻；電樞等效電感、等效電阻； e反電勢(shì)。反電勢(shì)。eRidtdiLUaaa直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)u由電樞回路電壓方程式可見，真正產(chǎn)生力矩的電壓等于加由電樞回路電壓方程式可見，真正產(chǎn)生力矩的電壓等于加到繞組上的電壓減去反電勢(shì)，電機(jī)的反電勢(shì)常數(shù)在設(shè)計(jì)時(shí)到繞組上的電壓減去反電勢(shì)，電機(jī)的反電勢(shì)常數(shù)在設(shè)計(jì)時(shí)這樣考慮：當(dāng)電機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，這樣考慮：當(dāng)電機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，Ua-e的值必須能產(chǎn)的值必須能產(chǎn)生足夠的電流，以使電機(jī)能產(chǎn)生額定力矩。生足夠的電流，以使電機(jī)能產(chǎn)生額定力矩

19、。eRidtdiLUaaa直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)3.3.2 永磁直流伺服電機(jī)的工作特性永磁直流伺服電機(jī)的工作特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性aaaft adiuLi RedtdTJTdtTK ieKe0;0adidLJdtdtuafeteRTKK K靜態(tài)特性：電機(jī)的動(dòng)態(tài)加速過程已經(jīng)結(jié)束，進(jìn)入恒速恒力矩靜態(tài)特性：電機(jī)的動(dòng)態(tài)加速過程已經(jīng)結(jié)束，進(jìn)入恒速恒力矩輸出狀態(tài)時(shí)的特性輸出狀態(tài)時(shí)的特性 直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)圖 1-2 直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性機(jī)械特性為一直線0ennkTuafeteRTKK K1. 機(jī)械特性機(jī)械特性機(jī)械特性是指電樞電壓等于常數(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)速與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間機(jī)械特性是指電樞電壓等于常數(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)速與

20、負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的函數(shù)關(guān)系。的函數(shù)關(guān)系。3.3.2 永磁直流伺服電機(jī)的工作特性永磁直流伺服電機(jī)的工作特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)（1）n0、Tk、k的物理意義的物理意義理想空載轉(zhuǎn)速理想空載轉(zhuǎn)速n0：n0是負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0時(shí)的轉(zhuǎn)速。堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Tk：Tk是轉(zhuǎn)速n=0時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩。 機(jī)械特性的斜率機(jī)械特性的斜率k ：斜率k前面的負(fù)號(hào)表示直線是下傾的。斜率k的大小直接表示了電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩變化所引起的轉(zhuǎn)速變化程度。斜率k大，轉(zhuǎn)矩變化時(shí)轉(zhuǎn)速變化大，機(jī)械特性軟。反之，斜率k小，機(jī)械特性就硬。3.3.2 永磁直流伺服電機(jī)的工作特性永磁直流伺服電機(jī)的工作特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)

21、（2）電樞電壓對(duì)機(jī)械特性的影響）電樞電壓對(duì)機(jī)械特性的影響n0和和Tk都與電樞電壓成正比，而斜率都與電樞電壓成正比，而斜率k則與電樞電壓無關(guān)。則與電樞電壓無關(guān)。對(duì)應(yīng)于不同的電樞電壓可以得到一組相互平行的機(jī)械特性曲線。對(duì)應(yīng)于不同的電樞電壓可以得到一組相互平行的機(jī)械特性曲線。 圖 1-3 不同控制電壓時(shí)的機(jī)械特性0ennkTuafeteRTKK K3.3.2 永磁直流伺服電機(jī)的工作特性永磁直流伺服電機(jī)的工作特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)2. 調(diào)節(jié)（控制）特性調(diào)節(jié)（控制）特性調(diào)節(jié)特性是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電樞電壓之間的函數(shù)關(guān)調(diào)節(jié)特性是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電樞電壓之間的函數(shù)

22、關(guān)系，即：系，即：1ankUA1kA為特性曲線的斜率；為由負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩決定的常數(shù)。uafeteRTKK K控制特性為一上翹的直線。 始動(dòng)電壓 特性斜率a0U1k3.3.2 永磁直流伺服電機(jī)的工作特性永磁直流伺服電機(jī)的工作特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)（1） Ua0和和k1的物理意義的物理意義斜率斜率k1： 是由電機(jī)本身參數(shù)決定的常數(shù)，與負(fù)載無關(guān)。是由電機(jī)本身參數(shù)決定的常數(shù)，與負(fù)載無關(guān)。始動(dòng)電壓始動(dòng)電壓Ua0： Ua0是電動(dòng)機(jī)處在待動(dòng)而又未動(dòng)臨界狀態(tài)時(shí)的控制電壓。是電動(dòng)機(jī)處在待動(dòng)而又未動(dòng)臨界狀態(tài)時(shí)的控制電壓。當(dāng)當(dāng)n=0時(shí)，便可求得。負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，始動(dòng)電壓越高。而且控制電壓時(shí)，便可求得

23、。負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，始動(dòng)電壓越高。而且控制電壓從從0到到Ua0一段范圍內(nèi)，電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，故把此區(qū)域稱為電動(dòng)機(jī)的死區(qū)。一段范圍內(nèi)，電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，故把此區(qū)域稱為電動(dòng)機(jī)的死區(qū)。1k1ankUAuafeteRTKK K3.3.2 永磁直流伺服電機(jī)的工作特性永磁直流伺服電機(jī)的工作特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)（2）負(fù)載轉(zhuǎn)矩對(duì)調(diào)節(jié)特性的影響）負(fù)載轉(zhuǎn)矩對(duì)調(diào)節(jié)特性的影響負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，斜率k1保持不變。因此對(duì)應(yīng)于不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，可以得到一組相互平行的調(diào)節(jié)特性。3直流伺服電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性直流伺服電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速很低時(shí)，轉(zhuǎn)速就不均勻，出現(xiàn)時(shí)快、時(shí)慢，甚至?xí)簳r(shí)停一下的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象

24、稱為直流伺服電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性。（1）低速運(yùn)轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定的原因）低速運(yùn)轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定的原因電樞齒槽的影響電樞齒槽的影響 低速時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)的平均值很小，因而電樞齒槽效應(yīng)等引起電動(dòng)勢(shì)脈動(dòng)的影響增大，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比較明顯。3.3.1 永磁直流伺服電機(jī)的工作特性永磁直流伺服電機(jī)的工作特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)電刷接觸壓降的影響電刷接觸壓降的影響 低速時(shí)，控制電壓很低，電刷和換向器之間的接觸壓降開始不穩(wěn)定，影響電樞上有效電壓的大小，從而導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定。電刷和換向器之間摩擦的影響電刷和換向器之間摩擦的影響 低速時(shí)，電刷和換向器之間的摩擦轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，造成電機(jī)本身的阻轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定。（2

25、）解決的措施）解決的措施 穩(wěn)速控制電路 直流力矩電動(dòng)機(jī)3.3.2 永磁直流伺服電機(jī)的工作特性永磁直流伺服電機(jī)的工作特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī) u由調(diào)節(jié)特性可見，同樣負(fù)載條件下，轉(zhuǎn)速和電壓成線性關(guān)由調(diào)節(jié)特性可見，同樣負(fù)載條件下，轉(zhuǎn)速和電壓成線性關(guān)系，轉(zhuǎn)速的高低及方向完全由電樞電壓的幅值和極性決定系，轉(zhuǎn)速的高低及方向完全由電樞電壓的幅值和極性決定u由機(jī)械特性可見，同樣電樞電壓下，負(fù)載變大時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)由機(jī)械特性可見，同樣電樞電壓下，負(fù)載變大時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速將降低，這個(gè)特性可由速度回路加以改善。速將降低，這個(gè)特性可由速度回路加以改善。uafeteRTKK K調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性 機(jī)械特性機(jī)械特

26、性3.3.2 永磁直流伺服電機(jī)的工作特性永磁直流伺服電機(jī)的工作特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)3.3直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性3.3.1過渡過程中的電機(jī)方程過渡過程中的電機(jī)方程3.3.2直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)動(dòng)態(tài)特性是指在電樞控制條件下，在電樞繞組上加階躍電壓動(dòng)態(tài)特性是指在電樞控制條件下，在電樞繞組上加階躍電壓時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速n和電樞電流和電樞電流ia隨時(shí)間變化的規(guī)律。產(chǎn)生過渡過隨時(shí)間變化的規(guī)律。產(chǎn)生過渡過程的原因是電機(jī)中存在機(jī)械慣性和電磁慣性。程的原因是電機(jī)中存在機(jī)械慣性和電磁慣性。 3.3直流伺服電

27、動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性3.3.1過渡過程中的電機(jī)方程過渡過程中的電機(jī)方程電壓平衡方程式 轉(zhuǎn)矩平衡方程式力矩和電流關(guān)系反電勢(shì)和轉(zhuǎn)速的關(guān)系aaaft adiuLi RedtdTJTdtTK ieKe直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)3.3直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性微分方程求解方法 直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī) 一、拉普拉斯變換的定義dtetfsFst 0)()(:)(tf時(shí)域函數(shù)，原函數(shù)，t 0 時(shí)等于0。:)(sFf(t)的拉普拉斯變換，復(fù)頻域函數(shù)s = + j 復(fù)頻率u 拉氏變換即拉普拉斯變換。為簡(jiǎn)化計(jì)算而建立的實(shí)變拉氏變換即拉普拉斯變換。為簡(jiǎn)化計(jì)算而建立的實(shí)變量函數(shù)和

28、復(fù)變量函數(shù)間的一種函數(shù)變換。拉普拉斯變量函數(shù)和復(fù)變量函數(shù)間的一種函數(shù)變換。拉普拉斯變換的這種運(yùn)算步驟對(duì)于求解線性微分方程尤為有效，換的這種運(yùn)算步驟對(duì)于求解線性微分方程尤為有效，它可把微分方程化為容易求解的代數(shù)方程來處理，從它可把微分方程化為容易求解的代數(shù)方程來處理，從而使計(jì)算簡(jiǎn)化。而使計(jì)算簡(jiǎn)化。3.3直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī) L變換重要定理變換重要定理（2）微分定理（5）位移定理（1）線性性質(zhì)（3）積分定理（4）延遲定理（6）初值定理（7）終值定理 (s)Fb(s)Fa(t)fb(t)faL2121 0fsFstfL 0111-fssFsdttf

29、L )()(0sFetfLs )()(AsFtfeLtA )(lim)(lim0sFstfst )(lim)(lim0sFstfst 3.3直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)傳遞函數(shù)的定義在零初始條件下(輸入量施加于系統(tǒng)之前，系統(tǒng)處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，即t 10 Te,則：則： 直流伺服電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性可由一個(gè)比例環(huán)節(jié)和兩個(gè)慣性環(huán)直流伺服電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性可由一個(gè)比例環(huán)節(jié)和兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)的乘積表示節(jié)的乘積表示。1( )( )(1)(1)eaKsusTmSTeS2211( )( )( )1( )( )11eeamemetetKKsG sJLJRusG s H sT T

30、 ST sssK KK KteJRTmK KRLTe TmTe 直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)u慣性環(huán)節(jié)特點(diǎn)：輸出量不能立即跟隨輸入量的變化，存在慣性環(huán)節(jié)特點(diǎn)：輸出量不能立即跟隨輸入量的變化，存在時(shí)間延遲，延遲時(shí)間的長(zhǎng)短可以用時(shí)間常數(shù)時(shí)間延遲，延遲時(shí)間的長(zhǎng)短可以用時(shí)間常數(shù)T衡量。衡量。u由于存在著機(jī)電時(shí)間常數(shù)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速不能突變；由于存在著機(jī)電時(shí)間常數(shù)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速不能突變； u由于存在著電氣時(shí)間常數(shù)，電機(jī)的電流不能突變；由于存在著電氣時(shí)間常數(shù)，電機(jī)的電流不能突變； 3.3直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性u(píng)一般直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)大約在十幾毫秒到幾十毫秒一般直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)電

31、時(shí)間常數(shù)大約在十幾毫秒到幾十毫秒之間。之間。直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)小結(jié) T=Kt I 力矩完全由電流控制。力矩完全由電流控制。 由調(diào)節(jié)特性和機(jī)械特性可見轉(zhuǎn)速由電樞電壓控制，由調(diào)節(jié)特性和機(jī)械特性可見轉(zhuǎn)速由電樞電壓控制，但受負(fù)載大小影響。但受負(fù)載大小影響。 電機(jī)中存在著電氣時(shí)間常數(shù)和機(jī)電時(shí)間常數(shù)，受電機(jī)中存在著電氣時(shí)間常數(shù)和機(jī)電時(shí)間常數(shù)，受其影響，電樞中電機(jī)轉(zhuǎn)速不能突變其影響，電樞中電機(jī)轉(zhuǎn)速不能突變。直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)3.4 特種直流伺服電動(dòng)機(jī)特種直流伺服電動(dòng)機(jī)3.4.1 直流力矩電動(dòng)機(jī)直流力矩電動(dòng)機(jī)3.4.2 低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)l 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)3

32、.4 特種直流伺服電動(dòng)機(jī)特種直流伺服電動(dòng)機(jī)3.4.1 直流力矩電動(dòng)機(jī)直流力矩電動(dòng)機(jī)直流力矩電動(dòng)機(jī)就是為滿足低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩負(fù)載的需要而設(shè)計(jì)制造的電機(jī)。直流力矩電動(dòng)機(jī)一般做成圓盤狀，電樞長(zhǎng)度和直徑之比一般為0.2左右；永磁多極式；槽數(shù)、換向片數(shù)和串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)多。圖1-9 直流力矩電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 1-定子；2-電樞鐵心；3-電樞繞組；4-槽楔；5-電刷；6-刷架直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)為什么做成圓盤狀？為什么做成圓盤狀？aaUE aIi2aaaD在電樞電動(dòng)勢(shì) 、每極磁通 和導(dǎo)體電流 相同的條件下，增加導(dǎo)體數(shù)N和極對(duì)數(shù)p，能使轉(zhuǎn)速n降低，電磁轉(zhuǎn)矩Te增大。增加電樞直徑，可以使電樞槽面積變大，以便把更多的

33、導(dǎo)體放入槽內(nèi)。同時(shí)電樞直徑 的增加，使電機(jī)定子內(nèi)徑變大，可以放置更多的磁極。l 特點(diǎn)特點(diǎn)可知和由 )(22 )(60 60aeapNaIIapNTnpNanapNEa電機(jī)轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩大，能夠長(zhǎng)期在堵轉(zhuǎn)或低速狀態(tài)下運(yùn)行；反應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動(dòng)?。粰C(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性線性度好。3.4.1 直流力矩電動(dòng)機(jī)直流力矩電動(dòng)機(jī)直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)3.4.2 低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)1空心杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)空心杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)又稱動(dòng)圈式直流伺服電動(dòng)機(jī)。l 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)杯形電樞繞組是用導(dǎo)線繞在繞線模上，然后用環(huán)氧樹脂定形做成的。杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)外兩側(cè)有內(nèi)外定子構(gòu)成磁路

34、。轉(zhuǎn)子無鐵心。圖1-10 杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)l-內(nèi)磁軛；2-電樞繞組；3-永久磁鋼；4-機(jī)殼(磁軛)；5-電刷；6-換向器直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)u低慣量；靈敏度高，時(shí)間常數(shù)很小，力矩波動(dòng)小，低速轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，噪音很?。粨Q向性能好，壽命長(zhǎng)。l 特點(diǎn)特點(diǎn)u杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)已系列化生產(chǎn)，輸出功率從零點(diǎn)幾瓦至幾kW，多用于高精度自動(dòng)控制系統(tǒng)及測(cè)量裝置等設(shè)備中。3.4.2 低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)2印制繞組（盤式）直流伺服電動(dòng)機(jī)印制繞組（盤式）直流伺服電動(dòng)機(jī)l 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) u轉(zhuǎn)子呈薄片圓盤狀，厚度一般為(1.52) mm，轉(zhuǎn)子的絕緣基片是環(huán)氧玻璃布膠板。膠合

35、在基片兩側(cè)的銅箔用印刷電路制成雙面電樞繞組，電樞導(dǎo)體還兼作換向片。定子由永久磁鋼和前后盤狀軛鐵組成，軛鐵兼作前后端蓋。組成多極的磁鋼膠合在軛鐵一側(cè)，在電機(jī)中形成軸向的平面氣隙。 u繞組導(dǎo)體兼作換向器，電刷直接在導(dǎo)體上滑動(dòng)。圖1-11 印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)l-后軛鐵(端蓋)；2-永久磁鋼；3-電刷；4-印制繞組；5-機(jī)殼；6-前軛鐵(端蓋) 3.4.2 低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)l 性能特點(diǎn)性能特點(diǎn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低；力矩波動(dòng)很小，低速運(yùn)行穩(wěn)定；由于無鐵心，換向性能好；電樞轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，反應(yīng)快。3無槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)無槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)電樞鐵心是光

36、滑、無槽的圓柱體。電樞繞組敷設(shè)在光滑電樞鐵心表面，用環(huán)氧樹脂固化成型并與鐵心粘結(jié)在一起。氣隙尺寸比普通的直流伺服電動(dòng)機(jī)大10倍以上。l 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)l 特點(diǎn)特點(diǎn) 由于不存在齒飽和限制，可提高磁通密度和轉(zhuǎn)矩，可減小電樞外徑，形狀細(xì)長(zhǎng)。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低；冷卻效果好，啟動(dòng)電流大，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大；反應(yīng)快；低速運(yùn)行均勻；換向性能良好。目前電機(jī)的輸出功率在幾十瓦10kW。 3.4.2 低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)3.5 直線直流電動(dòng)機(jī)直線直流電動(dòng)機(jī)1.永磁式直線直流電動(dòng)機(jī)永磁式直線直流電動(dòng)機(jī)2. 電磁式直線直流電動(dòng)機(jī)電磁式直線直流電動(dòng)機(jī) 直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)3.5 直線直流電動(dòng)機(jī)

37、直線直流電動(dòng)機(jī)直線直流電動(dòng)機(jī)把直流電壓轉(zhuǎn)換為直線位移或速度。按勵(lì)磁方式可分為永磁式永磁式和電磁式電磁式兩大類。1. 永磁式直線直流電動(dòng)機(jī)永磁式直線直流電動(dòng)機(jī)永磁式直線直流電動(dòng)機(jī)，按照它的結(jié)構(gòu)可分為動(dòng)圈型動(dòng)圈型和動(dòng)鐵型動(dòng)鐵型兩種。l 動(dòng)圈型的結(jié)構(gòu)與原理動(dòng)圈型的結(jié)構(gòu)與原理 圖1-12 動(dòng)圈型直線永磁直流電動(dòng)機(jī)原理結(jié)構(gòu)圖1-移動(dòng)線圈；2-永久磁鋼；3-軟鐵永久磁鋼在氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)可移動(dòng)線圈中通入直流電流時(shí)，便產(chǎn)生電磁力alNIBF 方向可由左手定則確定，改變直流電流的大小和方向，可改變電磁力的大小和方向。 直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)l 動(dòng)圈型直線直流電機(jī)的典型實(shí)用結(jié)構(gòu)動(dòng)圈型直線直流電機(jī)的典型實(shí)用結(jié)

38、構(gòu)如圖為平面矩形磁鋼的直線電動(dòng)機(jī)，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但線圈端部沒有得到利用；漏磁通大，即磁鋼未得到充分利用。 圖1-13矩形磁鋼動(dòng)圈型直線永磁直流電動(dòng)機(jī)1-矩形磁鋼；2-軟鐵；3-移動(dòng)線圈如圖為環(huán)形磁鋼的直線電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)主要是圓筒形的，導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度能得到充分利用。圖1-14環(huán)形磁鋼動(dòng)圈型直線永磁直流電動(dòng)機(jī) 1-環(huán)形磁鋼；2-圓筒形導(dǎo)磁體；3-移動(dòng)線圈3.5 直線直流電動(dòng)機(jī)直線直流電動(dòng)機(jī)直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)l 動(dòng)鐵型永磁直線直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)鐵型永磁直線直流電動(dòng)機(jī) 動(dòng)鐵型永磁直線直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)是在個(gè)軟鐵框架上套有線圈，該線圈的長(zhǎng)度要包括整個(gè)行程。 這種結(jié)構(gòu)形式的線圈流過電流時(shí)，不工作的部分要白白消

39、耗能量。為了降低電能的消耗，可將繞組的外表面進(jìn)行加工使導(dǎo)體裸露出來，通過安裝在磁極上的電刷把電流引入線圈中。當(dāng)磁鋼移動(dòng)時(shí)，電刷跟著滑動(dòng)，只讓線圈的工作部分通電，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率可以提高。 由于電刷存在磨損，故可靠性和壽命降低。另外，它的電樞較長(zhǎng)，電樞線圈用銅量較大。優(yōu)點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)行程可做得很長(zhǎng)。3.5 直線直流電動(dòng)機(jī)直線直流電動(dòng)機(jī)2. 電磁式直線直流電動(dòng)機(jī)電磁式直線直流電動(dòng)機(jī) 電磁式直線直流電動(dòng)機(jī)也有動(dòng)圈型動(dòng)圈型和動(dòng)鐵型動(dòng)鐵型兩種。電磁式的成本要比永磁式低，但多了一項(xiàng)勵(lì)磁損耗。 直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)3.6永磁直流伺服電機(jī)功率放大器永磁直流伺服電機(jī)功率放大器 功率放大器的輸入是較小的信號(hào)功率，

40、輸出是以電樞電壓和電流表示的較高的功率。 功率放大是在控制信號(hào)作用下，將電源功率的一部分轉(zhuǎn)換到輸出功率。功率放大器自身也消耗部分功率。直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)對(duì)功率放大器的基本要求 功率放大的效率要高，即驅(qū)動(dòng)器本身消耗的功率要小。 能在可控條件下實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行： 能輸出幅值及極性均可改變的電壓實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度 大小及方向的控制。 能輸出幅值及極性均可改變的電流實(shí)現(xiàn)電機(jī)力矩 大小及方向的控制。 線性功率放大器和線性功率放大器和PWM橋式功率放大器是最常見橋式功率放大器是最常見的兩種功率放大器。的兩種功率放大器。 3.6永磁直流伺服電機(jī)功率放大器永磁直流伺服電機(jī)功率放大器直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)

41、T1、T2是一對(duì)互補(bǔ)晶體管。是一對(duì)互補(bǔ)晶體管。雙電源供電。雙電源供電。當(dāng)當(dāng)Ub為正時(shí)，為正時(shí)，T1導(dǎo)通，導(dǎo)通，T2截止，加到電機(jī)電樞繞組上的電壓為正，截止，加到電機(jī)電樞繞組上的電壓為正， 電流電流ia產(chǎn)生正向力矩使電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)。產(chǎn)生正向力矩使電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)當(dāng)Ub為負(fù)電壓時(shí)，為負(fù)電壓時(shí)，T1截止，截止，T2導(dǎo)通，加到電樞繞組上的電壓為負(fù)。導(dǎo)通，加到電樞繞組上的電壓為負(fù)。電流電流ia產(chǎn)生反向力矩使電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生反向力矩使電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)電機(jī)在正向運(yùn)行過程中需要減速時(shí)，可降低電機(jī)在正向運(yùn)行過程中需要減速時(shí)，可降低Ub電壓值，這時(shí)由于電電壓值，這時(shí)由于電機(jī)轉(zhuǎn)速不能突變，初始瞬時(shí)機(jī)轉(zhuǎn)速不能突變，初始瞬時(shí)

42、Ua維持原電壓，并出現(xiàn)維持原電壓，并出現(xiàn)Ua Ub的情況，的情況，這使這使T1截止，截止，T2導(dǎo)通，產(chǎn)生反向電樞電流使電機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)通，產(chǎn)生反向電樞電流使電機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)開始減速，電機(jī)開始減速，Ua逐漸下降，直到再次出現(xiàn)逐漸下降，直到再次出現(xiàn)T2截止，截止，T1導(dǎo)通的狀態(tài)。導(dǎo)通的狀態(tài)。線性功率放大器線性功率放大器 3.6永磁直流伺服電機(jī)功率放大器永磁直流伺服電機(jī)功率放大器直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)線性功率放大器線性功率放大器 線性功率放大可使電機(jī)在四象限下工作。線性功率放大可使電機(jī)在四象限下工作。 但因調(diào)速時(shí)兩只晶體管工作在放大狀態(tài)，管壓降總是存在但因調(diào)速時(shí)兩只晶體管工作在放大狀

43、態(tài)，管壓降總是存在的，電源功率有相當(dāng)一部分變成了晶體管發(fā)出的熱量，效的，電源功率有相當(dāng)一部分變成了晶體管發(fā)出的熱量，效率較低。率較低。 晶體管是電流放大器件，驅(qū)動(dòng)電路較復(fù)雜。晶體管是電流放大器件，驅(qū)動(dòng)電路較復(fù)雜。 需要雙電源供電。需要雙電源供電。3.6永磁直流伺服電機(jī)功率放大器永磁直流伺服電機(jī)功率放大器直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)PWM功率放大器功率放大器 PWM : Pulse-Width Modulation 脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制 脈寬調(diào)制電路脈寬調(diào)制電路 H橋橋PWM功放電路功放電路 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路 泵升電壓限制電路泵升電壓限制電路3.6永磁直流伺服電機(jī)功率放大器永磁直流伺服電機(jī)功率放大器直流

44、伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)脈寬調(diào)制電路脈寬調(diào)制電路 實(shí)現(xiàn)電壓控制信號(hào)到脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)電壓控制信號(hào)到脈寬調(diào)制信號(hào)的轉(zhuǎn)換。信號(hào)的轉(zhuǎn)換。 占空比占空比:(t2t1)/(Tt1) 脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比由控制脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比由控制信號(hào)信號(hào)Uc的幅值決定。的幅值決定。3.6永磁直流伺服電機(jī)功率放大器永磁直流伺服電機(jī)功率放大器直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī) 三角波發(fā)生器輸出一固定頻率的三角波電壓信三角波發(fā)生器輸出一固定頻率的三角波電壓信號(hào)號(hào)Ut，并與控制信號(hào)，并與控制信號(hào)Uc在比較器在比較器IC5中相比較。中相比較。 當(dāng)當(dāng)UcUt時(shí)，其輸出為正，當(dāng)時(shí)，其輸出為正，當(dāng)UcUt時(shí)，其輸時(shí)，其輸出為負(fù)，這樣在其輸出端產(chǎn)生一

45、等幅的方波脈出為負(fù)，這樣在其輸出端產(chǎn)生一等幅的方波脈沖序列信號(hào)沖序列信號(hào)Upwm，信號(hào)的占空比由控制信號(hào)，信號(hào)的占空比由控制信號(hào)Uc的幅值決定。的幅值決定。 這個(gè)信號(hào)經(jīng)二極管這個(gè)信號(hào)經(jīng)二極管D0的箍位作用削去負(fù)半周，的箍位作用削去負(fù)半周，然后一路經(jīng)然后一路經(jīng)IC6反相后輸出到功率反相后輸出到功率MOSFET T1、T4的柵極驅(qū)動(dòng)電路，另一路直接輸出到的柵極驅(qū)動(dòng)電路，另一路直接輸出到T2、T3的柵極驅(qū)動(dòng)電路。的柵極驅(qū)動(dòng)電路。3.6永磁直流伺服電機(jī)功率放大器永磁直流伺服電機(jī)功率放大器直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)功率晶體管和功率MOSFET MOSFET :Metal-oxide semiconduct

46、or field effect transistor 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 功率晶體管是電流控制器件，驅(qū)動(dòng)較復(fù)雜。且由于存在功率晶體管是電流控制器件，驅(qū)動(dòng)較復(fù)雜。且由于存在結(jié)電容，工作頻率不能太高。結(jié)電容，工作頻率不能太高。 功率功率MOSFET是電壓控制器件，驅(qū)動(dòng)較簡(jiǎn)單。且極間電是電壓控制器件，驅(qū)動(dòng)較簡(jiǎn)單。且極間電容較小，能工作在較高頻率下。容較小，能工作在較高頻率下。功率功率MOSFET功率晶體管功率晶體管3.6永磁直流伺服電機(jī)功率放大器永磁直流伺服電機(jī)功率放大器直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)H橋雙極性橋雙極性PWM功放電路功放電路diULdt tUs第一象限

47、運(yùn)行直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)第一象限運(yùn)行（正向電動(dòng)）： 在 0 t t1期間， Ug1 、 Ug4為正， T1 、 T4導(dǎo)通， Ug2 、 Ug3為零，T2 、 T3截止，電流 ia 沿回路1流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB = +Us ； 在t1 t T期間， Ug1 、 Ug4為零， T1 、 T4截止，電流減小， 因L(dia/dt)0，且絕對(duì)值很大，所以UAB0時(shí)， 電機(jī)正轉(zhuǎn)； 當(dāng) 0時(shí)， 電機(jī)反轉(zhuǎn)； 當(dāng) = 0時(shí)， 電機(jī)停止1ass21tUUUT（）3.6永磁直流伺服電機(jī)功率放大器永磁直流伺服電機(jī)功率放大器直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)Us第二象限運(yùn)行U, iUaeia+Ustt1T0-UsO

48、直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)第二象限運(yùn)行（正向制動(dòng)）：如電機(jī)工作在第一象限時(shí)突然發(fā)出減速指令，則電機(jī)進(jìn)入第二象限運(yùn)行。此時(shí)， Ug1 、 Ug4的占空比減小，使得加到電樞兩端的平均電壓減小。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速不能突變，造成eUa的情況，從而使電流反向流動(dòng)，產(chǎn)生制動(dòng)力矩。如減速發(fā)生在t1 t T期間， T3 、 T2導(dǎo)通， 電源輸出能量，電流 ia 沿回路3流通，電流值反向增加；如減速發(fā)生在 0 t t1期間， T3 、 T2截止，電流絕對(duì)值減小，由于電樞電感作用，電流維持原方向。在自感電動(dòng)勢(shì)的作用下，UB下降，UA上升，二極管D4、 D1 導(dǎo)通續(xù)流，電流 ia 沿回路4流通。此時(shí)也只有D4、 D1 最容

49、易讓原方向電流流過。T1T4雖然是正向柵極偏壓，但UDS0,故T1T4不通?？梢钥闯?，如果沒有蓄流二極管，則T2,T3將被擊穿。直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)第三象限運(yùn)行（反向電動(dòng)）： 在 0 t t1 期間，Ug2 、 Ug3 為正， T2 、 T3導(dǎo)通， Ug1 、 Ug4為負(fù)，使T1 、 T4保持截止，電流 ia 沿回路3流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB = Us ； 在t1 t T 期間，Ug2 、 Ug3為零，T2 、 T3截止， D1 、 D4 續(xù)流，并鉗位使 T1 、 T4截止，電流 ia沿回路4流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB = +Us ；直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)雙極性PWM功放電路特點(diǎn)

50、因?yàn)榧釉陔姌猩系碾妷簶O性在一個(gè)周期內(nèi)因?yàn)榧釉陔姌猩系碾妷簶O性在一個(gè)周期內(nèi)是正負(fù)相反的，所以稱為雙極性是正負(fù)相反的，所以稱為雙極性PWM功放。功放。 因功放管工作在開關(guān)方式，放大器效率高。因功放管工作在開關(guān)方式，放大器效率高。 能實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)四象限運(yùn)行。能實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)四象限運(yùn)行。 可在單電源下工作?？稍趩坞娫聪鹿ぷ?。 對(duì)周邊電路有較強(qiáng)的電磁干擾對(duì)周邊電路有較強(qiáng)的電磁干擾. 諧波成分會(huì)引起電機(jī)發(fā)熱諧波成分會(huì)引起電機(jī)發(fā)熱3.6永磁直流伺服電機(jī)功率放大器永磁直流伺服電機(jī)功率放大器直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)u 在橋式電路中常將上橋臂的功率管稱為在橋式電路中常將上橋臂的功率管稱為“高端高端”，下橋臂的功率管

51、，下橋臂的功率管稱為稱為“低端低端”。u 高端器件的源極在高電壓和地之間浮動(dòng)，而低端器件的源極總是接高端器件的源極在高電壓和地之間浮動(dòng)，而低端器件的源極總是接地的。地的。u 當(dāng)當(dāng)T1導(dǎo)通而導(dǎo)通而T2截止時(shí)，截止時(shí)，T1的源極為高電壓，這意味著的源極為高電壓，這意味著T1的柵極必的柵極必須比這個(gè)高電壓還高才能維持導(dǎo)通。因此須比這個(gè)高電壓還高才能維持導(dǎo)通。因此T1的柵極電壓必須也是個(gè)的柵極電壓必須也是個(gè)浮動(dòng)電壓。浮動(dòng)電壓。直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)再生制動(dòng)問題再生制動(dòng)問題 當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在二、四象限即制動(dòng)狀態(tài)時(shí)當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在二、四象限即制動(dòng)狀態(tài)時(shí)Ua e。這說明。這說明電機(jī)將電機(jī)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，并

52、將它送回電源。電機(jī)將電機(jī)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，并將它送回電源。 由于整流二極管的單向性，這個(gè)電流不能回饋到電網(wǎng)，由于整流二極管的單向性，這個(gè)電流不能回饋到電網(wǎng)，只能向?yàn)V波電容只能向?yàn)V波電容C充電。電容對(duì)電流的積分效應(yīng)使電源充電。電容對(duì)電流的積分效應(yīng)使電源電壓升高。電壓升高。 這種因能量回饋升高的電壓稱為這種因能量回饋升高的電壓稱為“泵升電壓泵升電壓”。泵升電。泵升電壓過高可能會(huì)損壞并聯(lián)在電源母線上所有器件，如功率壓過高可能會(huì)損壞并聯(lián)在電源母線上所有器件，如功率管、續(xù)流二極管和電容器等。管、續(xù)流二極管和電容器等。CMSu1D3D2D4D3T4T1T2T4gu3gu2gu1guuAB1243直流

53、伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)有兩種情況使電機(jī)運(yùn)動(dòng)在制動(dòng)狀態(tài)有兩種情況使電機(jī)運(yùn)動(dòng)在制動(dòng)狀態(tài)1）電機(jī)處于減速狀態(tài)時(shí)：電機(jī)處于減速狀態(tài)時(shí)：電機(jī)的速度下降是電樞電壓減小的結(jié)果。但是當(dāng)電壓突然變小時(shí)，電機(jī)的慣量使其速度不能突變，也即反電勢(shì)e不能突變。這將出現(xiàn)Uae的情形，使電流反向流動(dòng)從而產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。2）電機(jī)具有垂直性負(fù)載且負(fù)載向下運(yùn)動(dòng)時(shí)：電機(jī)具有垂直性負(fù)載且負(fù)載向下運(yùn)動(dòng)時(shí)：這時(shí)伺服電機(jī)必須產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)方向相反的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩平衡重物下落產(chǎn)生的重力矩。 在制動(dòng)狀態(tài)下，電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的動(dòng)能和重物下落時(shí)產(chǎn)生的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能以電流的形式回饋到供電電源。這種制動(dòng)方式常稱為再生制動(dòng)再生制動(dòng)。直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)附：泵升

54、電壓數(shù)值可借助于能量守恒定律近似估算附：泵升電壓數(shù)值可借助于能量守恒定律近似估算 已知：已知： 濾波電容中儲(chǔ)存的電能為濾波電容中儲(chǔ)存的電能為 焦耳焦耳 電機(jī)旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能為電機(jī)旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能為 焦耳焦耳 重物下落的勢(shì)能為重物下落的勢(shì)能為 焦耳焦耳 若用下標(biāo)若用下標(biāo)“1”和和“2”分別表示能量回饋前、后各量的值。分別表示能量回饋前、后各量的值。則由能量守恒定律，有則由能量守恒定律，有 即即 212cEcu212JEJmEmgh111222cJmCJmEEEEEE222211122211112222cujmghcuJmgh3.6永磁直流伺服電機(jī)功率放大器永磁直流伺服電機(jī)功率放大器直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)

55、解此式，可得能量回饋后電容上的電壓為 在上面的計(jì)算中 C濾波電容的數(shù)值 單位為F； J負(fù)載及電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 單位為kgm2； m負(fù)載的質(zhì)量 單位為Kg； 電機(jī)角速度 單位為rad/s； h重物負(fù)載的高度 單位為m; g重力加速度常數(shù) 單位9.81m/s2; u電容上電壓 單位V。 上面的計(jì)算中忽略了電機(jī)中消耗的電能及一些摩擦產(chǎn)生的熱能，這些損耗相對(duì)來說比較小。2221221122()()mg hhJuuCc3.6永磁直流伺服電機(jī)功率放大器永磁直流伺服電機(jī)功率放大器直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī) 例例4-1一直流伺服電機(jī)采用一直流伺服電機(jī)采用PWM橋式功放電路驅(qū)動(dòng)，功放橋式功放電路驅(qū)動(dòng)，功放電路中

56、濾波電容電路中濾波電容C=5000 ，電容上的電壓在能量回饋前，電容上的電壓在能量回饋前為為100V，電機(jī)及其負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電機(jī)及其負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 。負(fù)載做。負(fù)載做非垂直性運(yùn)動(dòng)，求當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速從非垂直性運(yùn)動(dòng)，求當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速從3000rpm降至零速時(shí)，降至零速時(shí)，C上的電壓升高至多少？上的電壓升高至多少？ 解：解：3000rpm=3000 rad/s =314 rad/s 本例中，若電機(jī)及其負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加一倍，即本例中，若電機(jī)及其負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加一倍，即,則可則可以算出以算出u2=298V，可見轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)泵升電壓的影響是較大，可見轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)泵升電壓的影響是較大的。的。322 10JKgmF3

57、222221162 10(0)100314222 5000 10JuuVC2603.6永磁直流伺服電機(jī)功率放大器永磁直流伺服電機(jī)功率放大器直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)泵升電壓限制電路泵升電壓限制電路 泵升電壓通過電阻泵升電壓通過電阻RL泄放掉。泄放掉。 3.6永磁直流伺服電機(jī)功率放大器永磁直流伺服電機(jī)功率放大器直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī) 圖中，比較器的反相輸入端為一門坎電壓圖中，比較器的反相輸入端為一門坎電壓Uth。同相輸入端。同相輸入端的電壓的電壓Us1由由R1，R2對(duì)電容電壓的分壓得到。對(duì)電容電壓的分壓得到。 根據(jù)要限定的泵升電壓設(shè)定根據(jù)要限定的泵升電壓設(shè)定Uth的值。當(dāng)泵升電壓在安全范的值。當(dāng)泵升電壓在安全范圍之內(nèi)時(shí)，圍之內(nèi)時(shí)，