直流伺服電機特性及應(yīng)用

1、控制電機論文直流伺服電機的原理及應(yīng)用 學(xué)生姓名: 222 任課教師：22 學(xué)生學(xué)號：22 專 業(yè)：電氣工程及其自動化 2014 年 5月直流伺服電機的原理及應(yīng)用 -22222222 引言在上個世紀(jì)，工人師傅們花去了大量的時間和精力來手動來完成很多事情，比如線瓶灌裝、系統(tǒng)溫度控制等。即使在早期工業(yè)時期，因為電機的不穩(wěn)定性，好多工作還是人工完成。自從出現(xiàn)了伺服系統(tǒng)，才改變了這種現(xiàn)狀。伺服電機的出現(xiàn)，明顯的提高了產(chǎn)量，同時降低了生產(chǎn)成本。伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當(dāng)信號

2、電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。本文就伺服電機的特性，性能，具體應(yīng)用及其國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r等方面做簡要描述。在編寫過程中，本人主要依照這幾年來所學(xué)電機方面的知識，并參考了大量與本設(shè)計有關(guān)的資料文獻由于各種類型的伺服電動機原理大致相同或相似，本人主要以應(yīng)用較為廣泛的直流伺服電動機作為研究對象.主要研究直流伺服電機的結(jié)構(gòu)、工作原理、主要特性以及應(yīng)用。盡管已經(jīng)作了很大的努力，但由于水平實在有限，經(jīng)驗不足，難免存在一些錯誤和不妥之處，望老師批評指正。一、伺服電機的工作原理 伺服電機因其啟動轉(zhuǎn)矩大、運行范圍廣、無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象、快速響應(yīng)等特性被廣泛用于數(shù)字控制機床中。外觀如圖1-1、1-2。

3、圖1-1 伺服電機外觀圖1-2伺服電機外觀伺服電機（servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實現(xiàn)位移，因為，伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的定位，可以達到0.0

4、01mm。直流伺服電機分為有刷和無刷電機。有刷電機成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護不方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。伺服電機,可使控制速度,位置精度非常準(zhǔn)確。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。控制電路圖如圖1-3。圖1-3 伺服系統(tǒng)電路圖伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信

5、號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。下面將對直流伺服電機著重介紹。直流伺服電機，指使用直流電源得伺服電動機，實質(zhì)上就是一臺他勵式直流電動機。它包括定子、轉(zhuǎn)子鐵芯、電機轉(zhuǎn)軸、伺服電機繞組換向器、伺服電機繞組、測速電機繞組、測速電機換向器,所述的轉(zhuǎn)子鐵芯由矽鋼沖片疊壓固定在電機轉(zhuǎn)軸上構(gòu)成。直流電機分為傳統(tǒng)型和低慣量型兩大類。 圖1-4 直流電機工作原理圖1-5 直流電機工作原理直流伺服電機是梯形波，而交流伺服要好一些，因為是

6、正弦波控制，轉(zhuǎn)矩脈動小。但直流伺服比較簡單、便宜。此外，直流電機一般用在功率稍大的場合，其輸出功率一般為1600w,但有時也可以用在數(shù)千瓦的系統(tǒng)。近幾年，隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，伺服電機也有了很大的發(fā)展，出現(xiàn)各種新型結(jié)構(gòu)的伺服電機，比如：圖1-6 盤型電樞伺服電機結(jié)構(gòu)示意圖 圖1-7 電磁式直流伺服電機的定子沖片 二、伺服電機的主要特性直流伺服電機調(diào)速性能好。所謂“調(diào)速性能”，是指電動機在一定負載的條件下，根據(jù)需要，人為地改變電動機的轉(zhuǎn)速。直流電動機可以在重負載條件下，實現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速，而且調(diào)速范圍較寬。起動力矩大。可以均勻而經(jīng)濟地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。因此，凡是在重負載下起動或要求均勻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)

7、速的機械，例如大型可逆軋鋼機、卷揚機、電力機車、電車等，都用直流電動機拖動。2.1 直流伺服電機的控制方式他勵式直流電動機，當(dāng)勵磁電壓U恒定，又負載轉(zhuǎn)矩一定時，升高電樞電壓Ua，電機的轉(zhuǎn)速隨之增高；反之，電機的轉(zhuǎn)速就降低；若電樞電壓為0，則電機停轉(zhuǎn)。當(dāng)電樞電壓的極性改變后，電機的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變。因此，把電樞電壓作為控制信號就可以實現(xiàn)對電動機的轉(zhuǎn)速控制，這種控制方式成為電樞控制。2.2運行特性直流伺服電機電樞控制工作原理圖如圖2-1所示：圖2-1直流伺服電機電樞控制工作原理圖為了分析簡便，先做如下假設(shè)：電機的磁路為不飽和，其電刷又位于集合中性線。這樣，直流電動機點數(shù)回路的電壓平衡方程式應(yīng)為 （

8、1-1） 其中為電樞回路的總電阻。 當(dāng)磁通恒定時，則有 （1-2）電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為 （1-3）聯(lián)立以上三式得 （1-4）由上述轉(zhuǎn)速公式可以得到直流伺服電機的機械特性和調(diào)節(jié)特性。 機械特性，在輸入的電樞電壓Ua保持不變時，電機的轉(zhuǎn)速n隨電磁轉(zhuǎn)矩M變化而變化的規(guī)律，稱直流電機的機械特性。直流電機的機械特性曲線如圖2-2： 圖2-2 機械特性曲線K值大表示電磁轉(zhuǎn)矩的變化引起電機轉(zhuǎn)速的變化大，這種情況稱直流電機的機械特性軟；反之，斜率K值小，電機的機械特性硬。在直流伺服系統(tǒng)中，總是希望電機的機械特性硬一些，這樣，當(dāng)帶動的負載變化時，引起的電機轉(zhuǎn)速變化小，有利于提高直流電機的速度穩(wěn)定性和工件的加工精度

9、。 功耗增大。調(diào)節(jié)特性，直流電機在一定的電磁轉(zhuǎn)矩M（或負載轉(zhuǎn)矩）下電機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n隨電樞的控制電壓Ua變化而變化的規(guī)律，被稱為直流電機的調(diào)節(jié)特性。直流電機的調(diào)節(jié)特性曲線如圖2-3： 圖2-2 調(diào)節(jié)特性曲線斜率K反映了電機轉(zhuǎn)速n隨控制電壓Ua的變化而變化快慢的關(guān)系，其值大小與負載大小無關(guān)，僅取決于電機本身的結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)。動態(tài)特性，從原來的穩(wěn)定狀態(tài)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，存在一個過渡過程，這就是直流電機的動態(tài)特性決定時間常數(shù)的主要因素有：慣性J的影響、電樞回路電阻Ra的影響、機械特性硬度的影響。三、直流伺服電機的應(yīng)用如圖3-1所示 ，在本應(yīng)用系統(tǒng)中，多個灌裝頭線與瓶因為他們沿著不斷線。每個灌裝頭必須匹配

10、了一個瓶子，瓶子軌道，而它正朝著。產(chǎn)品是作為配移動的噴嘴與瓶。在本應(yīng)用10個噴嘴安裝在一輛馬車是驅(qū)動滾珠絲杠機制。在滾珠絲杠機制也稱為絲杠。當(dāng)電動機轉(zhuǎn)動軸滾珠絲杠，馬車將沿著橫向的長度滾珠絲杠軸。因為伺服電機快速響應(yīng)這一特性，因此這一運動將是順利的，使每一個噴嘴可避免pense產(chǎn)品的瓶子沒有油污。 伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用了定位驅(qū)動器控制器的軟件，能夠準(zhǔn)確的確定位置和速度信息，因而位置和速度被跟蹤的輸送線移動瓶。主編碼器跟蹤瓶因為他們沿著輸送線。一種螺旋式進料系統(tǒng)也使用之前的地步瓶進入加油站。螺旋導(dǎo)致具體數(shù)額的空間之間的規(guī)定，每瓶在進入加油站。該瓶可裝緊緊他們的做法螺旋，但他們通過螺旋其空間是完全相同

11、，使脖子的瓶子將符合生育間隔的灌裝噴嘴。探測器還結(jié)合配藥制度，以確保沒有任何產(chǎn)品是免除從噴管一瓶，如果丟失或出現(xiàn)大空格之間瓶。 伺服驅(qū)動系統(tǒng)比較的立場瓶從主編碼器的反饋信號，表明的立場，填補運輸安裝的滾珠絲桿。伺服驅(qū)動器放大器將增加或減少的速度滾珠絲杠機制，使噴嘴將匹配的速度瓶到底。3-1伺服控制線瓶灌裝的應(yīng)用四、個人總結(jié)通過學(xué)習(xí)這門課程，我學(xué)到了很多的東西，同時，我也發(fā)現(xiàn)了自己有很多不足的地方，之前看似簡單、看似毫無知識點的地方，其實隱藏了很多的奧秘。除了書上的東西沒有學(xué)透之外，我們還要多多關(guān)注科技發(fā)展，由于課本的不及時性，有好多東西都是我們接觸不到的。所以我們還是要加強學(xué)習(xí)，不但要學(xué)習(xí)書上

12、知識，還要盡可能的學(xué)一些科技前沿的知識，如果有可能的話，還可以關(guān)注一下國際科技上的比較新的成果。以前不知道，看過才知道自己是多么鄙陋。隨著數(shù)控技術(shù)的迅速發(fā)展，伺服系統(tǒng)的作用與要求越顯突出，伺服電動機的應(yīng)用也越來越為廣泛。因為工業(yè)發(fā)展迅速，直流伺服電機已經(jīng)不能滿足我們的需求，針對直流電動機的缺陷，如果將其里外作相應(yīng)的調(diào)整處理，即把電驅(qū)繞組裝在定子、轉(zhuǎn)子為永磁部分，由轉(zhuǎn)子軸上的編碼器測出磁極位置，就構(gòu)成了永磁無刷電動機，同時隨著矢量控制方法的實用化，使交流伺服系統(tǒng)具有良好的伺服特性，其寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動態(tài)響應(yīng)及四象限運行等良好的技術(shù)性能，使其動、靜態(tài)特性已完全可與直流伺服系統(tǒng)相媲美。同

13、時可實現(xiàn)弱磁高速控制，拓寬了系統(tǒng)的調(diào)速范圍，適應(yīng)了高性能伺服驅(qū)動的要求。交流伺服系統(tǒng)由于控制原理的先進性，成本低、免維護，并且控制特性正在全面超越直流伺服系統(tǒng)，其勢必將在絕大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流伺服電機。通過這篇論文，我已經(jīng)能夠大概的理清了伺服電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、用途、分類、工作原理以及應(yīng)用范圍等等。以后我會加強學(xué)習(xí)，爭取能夠?qū)W的更精更強。參考文獻：1 方愛平.基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)D.杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2008.2 任彥碩,趙一丁,張家生.自動控制系統(tǒng)M.北京：北京郵電大學(xué)出版社2006.3 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，1998.4 華成英,童詩白.模擬電子技術(shù)基