第03章-直流伺服電動(dòng)機(jī)

第3章直流伺服電動(dòng)機(jī)3.5直流伺服電動(dòng)機(jī)及其控制方法3.6直流伺服電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性3.7直流伺服電動(dòng)機(jī)在過(guò)渡過(guò)程中的工作狀態(tài)3.8直流伺服電動(dòng)機(jī)的過(guò)渡過(guò)程3.9直流力矩電動(dòng)機(jī)3.10低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)思考題與習(xí)題

2345直流電機(jī)：輸入能源形式為直流電源的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)直流電能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行系統(tǒng)控制信號(hào)命令，是執(zhí)行元件。應(yīng)用：高精度位置伺服系統(tǒng)；大轉(zhuǎn)矩設(shè)備，如軋鋼機(jī)、起重機(jī)械等；高精度速度控制系統(tǒng)；航天器及其它只有直流電源的場(chǎng)合。67優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速范圍寬，且易于平滑調(diào)節(jié)；過(guò)載、起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大；易于控制，控制裝置可靠性高；調(diào)速時(shí)的能量損耗較小。缺點(diǎn)：費(fèi)工費(fèi)料，造價(jià)貴，運(yùn)行時(shí)換向器需要經(jīng)常維修，壽命較短（350～400h）。3.1直流電動(dòng)機(jī)的工作原理

如圖所示：

從以上分析可見(jiàn)，在直流電動(dòng)機(jī)中，加在線圈上的電流是交變的，但產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向卻是恒定的，所以在這里，經(jīng)過(guò)換向器作用將直流逆變成了交流電，是一個(gè)逆變過(guò)程。三、電機(jī)的可逆原理：一臺(tái)直流電機(jī)原則上既可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，只是外界條件不同而已。

如果用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電樞恒速旋轉(zhuǎn)，就可以從電刷端引出直流電動(dòng)勢(shì)而作為直流電源對(duì)負(fù)載供電；如果在電刷端外加直流電壓，則電動(dòng)機(jī)就可以帶動(dòng)軸上的機(jī)械負(fù)載旋轉(zhuǎn)，從而把電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。這種同一臺(tái)電機(jī)能作電動(dòng)機(jī)或作發(fā)電機(jī)運(yùn)行的原理，在電機(jī)理論中稱為可逆原理。113.2電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩平衡方程式1）先求一個(gè)導(dǎo)體的平均電磁力：2）平均電磁力乘以電樞的半徑，即得到一根導(dǎo)體所受的平均轉(zhuǎn)矩：3）電機(jī)總的電磁轉(zhuǎn)矩則為：式中：是一個(gè)常數(shù)，稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，是電樞總電流，可知，電磁轉(zhuǎn)矩的大小正比于每極磁通和電樞電流。轉(zhuǎn)矩常數(shù)與電動(dòng)勢(shì)常數(shù)之間的關(guān)系，或三、直流電機(jī)的電磁功率：圖3.2.1直流電動(dòng)機(jī)摜例四、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡方程式

1.電動(dòng)機(jī)克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)：2.直流電動(dòng)機(jī)總阻轉(zhuǎn)矩：

3.轉(zhuǎn)矩平衡方程式：很明顯，當(dāng)時(shí)，即驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)加速運(yùn)行；很明顯，當(dāng)時(shí)，即驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩小于制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)減速運(yùn)行；很明顯，當(dāng)時(shí)，即驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩等制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)勻速運(yùn)行或靜止；實(shí)際上，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速經(jīng)常在發(fā)生變化，所以，此時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩平衡方程式為：3.3直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)和電壓平衡方程式3.3.1電樞繞組中的反電動(dòng)勢(shì)：可見(jiàn)，感應(yīng)電勢(shì)的方向與電流的方向相反，有阻止電流流入電樞繞組的作用，因此是一種反電動(dòng)勢(shì)。3.3.2直流電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程式：參考正方向如下圖示。1、電動(dòng)勢(shì)平衡方程式：

Ua=Ea+IaRa

在電動(dòng)機(jī)中，顯然端電壓必須大于反電動(dòng)勢(shì)，由此得到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：圖19-10直流電動(dòng)機(jī)摜例當(dāng)電樞電壓和磁通不變時(shí)，有以下關(guān)系推導(dǎo)：3.4直流電動(dòng)機(jī)的使用3.4.1直流電動(dòng)機(jī)的額定值：1．額定容量PN

：（功率）（kW）2．額定電壓UN

：（V）；3．額定電流IN

：（A）;4．額定轉(zhuǎn)速nN

：（r／min）；5．額定勵(lì)磁電流If

：（A）注意：額定容量，對(duì)直流發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，是指電刷端輸出的電功率，對(duì)直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，是指軸上輸出的機(jī)械功率。所以，直流發(fā)電機(jī)的額定容量為：而直流電動(dòng)機(jī)的額定功率為：6.額定轉(zhuǎn)矩T2n:考慮到銘牌上的是轉(zhuǎn)速值，所以：3.4.2直流電機(jī)的起動(dòng)一、直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)：起動(dòng)：電機(jī)接上電源從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)到達(dá)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，這就是電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程。起動(dòng)要求：1、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要足夠大，

2、起動(dòng)電流不要太大。注意：因?yàn)樵谄饎?dòng)時(shí)，n=0,反電動(dòng)勢(shì)Ea=0所以，起動(dòng)電流為：

而電樞電阻是一個(gè)很小的數(shù)值，故起動(dòng)電流很大，將達(dá)到額定電流的10-20倍。這樣大的起動(dòng)電流將產(chǎn)生很大的電動(dòng)力，損壞電機(jī)繞組，同時(shí)引起電機(jī)換向困難。因此，除了很小容量的電動(dòng)機(jī)可采用直接加電壓起動(dòng)的方法外，一般零點(diǎn)幾千瓦的直流電動(dòng)機(jī)都不能采用這種方法。

1、直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法：

1）電樞回路串電阻起動(dòng)：

隨著轉(zhuǎn)速的升高，反電動(dòng)勢(shì)增大，起動(dòng)電流減小，同時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也在減小，所以為了在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中保持一定的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，加速電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程，采用將起動(dòng)電阻逐級(jí)切除。2）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)降低電樞電壓起動(dòng)：

因無(wú)外串電樞電阻,這種方法在起動(dòng)過(guò)程中不會(huì)有大量的能量消耗。串勵(lì)與復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法基本上與并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)一樣，采用串電阻的方法以減小起動(dòng)電流。3、直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速：由機(jī)械特性方程：可知，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)有3種方法可以調(diào)速：（1）降低電樞電壓；（2）減小勵(lì)磁電流，即減小磁通；（3）電樞回路串入調(diào)節(jié)電阻。1）降低電樞電壓調(diào)速：

因?yàn)殡姍C(jī)在正常工作時(shí)，電樞電壓不能超過(guò)額定電壓，所以，采用向下調(diào)速。很顯然，在這里，只改變了，所以我們將得到一系列平行與固有特性的曲線。如圖19.28

所示。

優(yōu)點(diǎn)：改變電樞電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法具有較好的調(diào)速性能。由于調(diào)電壓后，機(jī)械特性的“硬度”不變，因此有較好的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，調(diào)速范圍較大，同時(shí)便于控制，可以做到無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，損耗較小。在實(shí)際工程當(dāng)中，常常采用這種方法。

采用這種方法的限制是：

轉(zhuǎn)速只能由額定電壓對(duì)應(yīng)的速度向低調(diào)。此外，應(yīng)用這種方法時(shí)，電樞回路需要一個(gè)專門的可調(diào)壓電源，過(guò)去用直流發(fā)電機(jī)-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，目前一般均采用可控硅調(diào)壓設(shè)備—直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2）弱磁調(diào)速：

這種調(diào)速方法的特點(diǎn)是由于勵(lì)磁回路的電流很小，只有額定電流的（1～3）%，不僅能量損失很小，且電阻可以做成連續(xù)調(diào)節(jié)的，便于控制。其限制是轉(zhuǎn)速只能由額定磁通時(shí)對(duì)應(yīng)的速度向高調(diào)，而電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速要受到電機(jī)本身的機(jī)械強(qiáng)度及換向的限制。弱磁調(diào)速3）電樞回路串電阻調(diào)速：

根據(jù)可見(jiàn),電樞回路串聯(lián)電阻越大，機(jī)械特性的斜率越大，因此在負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，即為常數(shù)，增大電阻，可以降低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單。

缺點(diǎn)：只能降速，低轉(zhuǎn)速時(shí)變化率較大，電樞電流較大，不易連續(xù)調(diào)速，有損耗。

直流電動(dòng)機(jī)上述三種調(diào)速方法中，改變電樞電壓和電樞回路串電阻調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，而弱磁調(diào)速屬于恒功率調(diào)速。3.4.4改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向的方法：

電機(jī)轉(zhuǎn)向改變是電機(jī)工作的基本要求，可以通過(guò)以下兩個(gè)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：1.改變勵(lì)磁繞組的連接方式，即改變磁通的方向2.改變電樞繞組的連接方式，即改變電樞電流的方向3.4.5使用中必須注意的問(wèn)題：1.啟動(dòng)時(shí)要使勵(lì)磁磁通最大，2.切勿使勵(lì)磁回路斷路3.5直流伺服電動(dòng)機(jī)及其控制方法

3.5.1直流伺服電動(dòng)機(jī)的分類直流伺服電動(dòng)機(jī)與直流測(cè)速發(fā)電機(jī)一樣，有永磁式和電磁式兩種基本結(jié)構(gòu)類型。電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式不同又分為他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)四種；永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)也可看作是一種他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)。

3.5.2控制方法根據(jù)分析，當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL不變，勵(lì)磁磁通Φ不變時(shí)，升高電樞電壓Ua，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就升高，反之，降低電樞電壓Ua,轉(zhuǎn)速就下降。在Ua=0時(shí)，電機(jī)則不轉(zhuǎn)。當(dāng)電樞電壓的極性改變時(shí)，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。因此，可以把電樞電壓作為控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。

電樞電壓Ua控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的物理過(guò)程如下：開始時(shí)，電動(dòng)機(jī)所加的電樞電壓為Ua1，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為n1，產(chǎn)生的反電勢(shì)為Ea1

，電樞中的電流為Ia1

，根據(jù)電壓平衡方程式，則

Ua1=Ea1+Ia1Ra=CeΦn1+Ia1Ra(3-19)

這時(shí)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩T=CTΦIa1

。由于電動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)態(tài)，電磁轉(zhuǎn)矩T和電動(dòng)機(jī)軸上的總阻矩Ts相平衡，即T1=Ts。為了清晰起見(jiàn)，可把這個(gè)過(guò)程用下列符號(hào)表示：當(dāng)Ts、Φ不變時(shí)，Ua↑(由于n來(lái)不及變，Ea暫不變)Ia↑→T↑(由于Ts不變)n↑→Ea↑→Ia↓→T↓(當(dāng)T=Ts時(shí)達(dá)到穩(wěn)定)n2用相同的方法可以分析電樞電壓Ua降低時(shí)，轉(zhuǎn)速n的下降過(guò)程。

了解電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨電樞電壓變化的物理過(guò)程，有助于分析和理解伺服電動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)中工作時(shí)的特性，但這僅僅是定性的分析。要作出定量的分析，必須找出電樞的電壓Ua、轉(zhuǎn)速n以及電磁轉(zhuǎn)矩T三者之間的定量關(guān)系，現(xiàn)推導(dǎo)如下：由式(3-3)得到把它代入式(3-9),并考慮到Ea=CeΦn，則得移項(xiàng)后，得到(3-20)

式中，T為電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與軸上的阻轉(zhuǎn)矩相平衡，即T=Ts。所以穩(wěn)態(tài)時(shí)，上式可以寫成(3-21)

當(dāng)電動(dòng)機(jī)在一定負(fù)載下，并保持勵(lì)磁電壓不變時(shí)(即Φ不變)，上式右面各個(gè)量中，除了電樞電壓Ua外，其余都是常數(shù)。因此，式(3-21)表示了電動(dòng)機(jī)在一定負(fù)載下，轉(zhuǎn)速n和電樞電壓Ua的關(guān)系。3.6直流伺服電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性

3.6.1機(jī)械特性以天線控制系統(tǒng)中的直流電動(dòng)機(jī)為例來(lái)說(shuō)明什么是電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。設(shè)開始時(shí)天線在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下跟蹤飛機(jī)勻速旋轉(zhuǎn)，如圖3-10所示。

這時(shí)，電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)是：放大器加在電樞上的電壓為Ua，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為T,轉(zhuǎn)速為n，勵(lì)磁電壓Uf固定不變。如果刮起一陣大風(fēng)，使天線受到的阻力增大，電動(dòng)機(jī)軸上受到的阻轉(zhuǎn)矩也增大。為了使天線能繼續(xù)跟蹤飛機(jī)，希望電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n保持不變。但實(shí)際上，電動(dòng)機(jī)在阻轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，如果電樞電壓保持不變，其轉(zhuǎn)速必然下降，這樣天線就會(huì)丟失目標(biāo)。

為此就要求通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用使電樞電壓升高，以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使它回到原來(lái)的轉(zhuǎn)速n。顯然，要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的速度控制，就要了解電動(dòng)機(jī)在電樞電壓Ua不變時(shí)，轉(zhuǎn)速隨負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩(或電磁轉(zhuǎn)矩)變化的規(guī)律。表征這個(gè)規(guī)律的曲線稱為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。由式(3-20)可知，在電樞電壓Ua一定的情況下，由于勵(lì)磁電壓Uj固定不變，磁通Φ=常數(shù)，所以式(3-20)的右邊除了電磁轉(zhuǎn)矩T以外都是常數(shù)。因此轉(zhuǎn)速n是電磁轉(zhuǎn)矩T的線性函數(shù)，這樣式(3-20)可表示為一個(gè)直線方程:(3-22)

由機(jī)械特性表示式(3-22)可知,n0是電磁轉(zhuǎn)矩T=0時(shí)的轉(zhuǎn)速。前面已經(jīng)指出，電動(dòng)機(jī)本身具有空載損耗所引起的阻轉(zhuǎn)矩T0，因此即使空載(即負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=0)時(shí)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也不為零，只有在理想條件下，即電機(jī)本身沒(méi)有空載損耗時(shí)才可能有T=0，所以對(duì)應(yīng)T=0時(shí)的轉(zhuǎn)速n0

稱為理想空載轉(zhuǎn)速。

Td是轉(zhuǎn)速n=0時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩。它是在電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩，所以稱為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。

機(jī)械特性的斜率k可表示為Δn/ΔT(ΔT是轉(zhuǎn)矩增量，Δn是與ΔT對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速增量)，如圖3-11所示。因此k值表示電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩變化所引起的轉(zhuǎn)速變化程度。k大即Δn/ΔT大，則對(duì)應(yīng)同樣的轉(zhuǎn)矩變化，轉(zhuǎn)速變化大，電機(jī)的機(jī)械特性軟；反之，斜率k小，機(jī)械特性就硬。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，希望電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性硬一些。

以上討論的是在某一電樞電壓Ua時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。在不同的電樞電壓下，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性將有所改變。從理想空載轉(zhuǎn)速n0和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Td的表示式可以看出，n0和Td都和電樞電壓Ua成正比。而斜率k和電樞電壓Ua無(wú)關(guān)。所以對(duì)應(yīng)不同的電樞電壓Ua可以得到一組相互平行的機(jī)械特性，如圖3-12所示。電樞電壓Ua越大，曲線的位置越高。圖3-1２不同控制電壓時(shí)直流伺服電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性

從式(3-22)可以看出，電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的斜率k與電樞電阻Ra成正比。電樞電阻Ra大，斜率k也大，機(jī)械特性就軟；電樞電阻小，斜率k也小，機(jī)械特性就硬。因此總希望電樞電阻Ra數(shù)值小，這樣機(jī)械特性就硬。

當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中使用時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電樞電壓Ua是由系統(tǒng)中的放大器供給的。放大器是有內(nèi)阻的，因此，對(duì)于電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，放大器可以等效成一個(gè)電壓源Ei和其內(nèi)阻Ri的串聯(lián)。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)電樞回路如圖3-13所示，電樞回路的電壓平衡方程式可寫成

Ei=IaRi+Ua=Ea+Ia(Ra+Ri)上式表示，放大器的內(nèi)阻Ri所起的作用和電動(dòng)機(jī)電樞內(nèi)阻Ra相同。因此放大器內(nèi)阻的加入必定使電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變軟。這時(shí)機(jī)械特性的斜率應(yīng)該是電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速為

這樣，便可以作出放大器內(nèi)阻Ri不同值的機(jī)械特性，如圖3-14所示。可見(jiàn)，放大器內(nèi)阻越大，機(jī)械特性越軟。因此總希望降低放大器的內(nèi)阻，以改善電動(dòng)機(jī)的特性。

圖3-14放大器的內(nèi)阻對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的影響

3.6.2調(diào)節(jié)特性在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，為了控制伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，就需要知道電動(dòng)機(jī)在帶了負(fù)載以后，轉(zhuǎn)速隨控制信號(hào)變化的情況。也就是要知道，電動(dòng)機(jī)在帶了負(fù)載以后，加多大的控制信號(hào)，電動(dòng)機(jī)能轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)；加上某一大小的控制信號(hào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為多少。電動(dòng)機(jī)在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速隨控制電壓變化的關(guān)系稱為電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性。

1.負(fù)載為常數(shù)時(shí)的調(diào)節(jié)特性直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)天線旋轉(zhuǎn)時(shí)。在不刮風(fēng)或風(fēng)力很小時(shí)，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩主要是動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩TL加上電機(jī)本身的空載轉(zhuǎn)矩T0，所以電動(dòng)機(jī)的總阻轉(zhuǎn)矩Ts=TL+T0。在轉(zhuǎn)速比較低的條件下，可以認(rèn)為動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，是不變的。因此，總阻轉(zhuǎn)矩Ts是一個(gè)常數(shù)。由式(3-21)：可知，當(dāng)總阻轉(zhuǎn)矩Ts為常數(shù)時(shí)，n=f(Ua)是一個(gè)線性函數(shù)，是一個(gè)直線方程，直線的斜率為1/(CeΦ)。當(dāng)n=0時(shí)，因此，電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性如圖3-16所示。圖3-16直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性

U<Ua0時(shí)，轉(zhuǎn)速為0，電壓小時(shí)，電流小，電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，所以電機(jī)不動(dòng)。當(dāng)U增大到使電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩相同時(shí)，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入到啟動(dòng)臨界狀態(tài)。這個(gè)電壓叫始動(dòng)電壓。整個(gè)區(qū)間稱為死區(qū)。始動(dòng)電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩成正比，負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，始動(dòng)電壓越大，死區(qū)越大，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不同，始動(dòng)電壓不同，但斜率不變。圖3-15直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性曲線組表征電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)特性的兩個(gè)量：Uao——始動(dòng)電壓。Uao

∝Tsk=1/CeΦ——調(diào)節(jié)特性的斜率，與負(fù)載無(wú)關(guān)，僅由電機(jī)本身的參數(shù)決定。

2.可變負(fù)載時(shí)的調(diào)節(jié)特性在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載多數(shù)情況下是不變的，但有時(shí)也遇到可變負(fù)載。例如當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩是由空氣摩擦造成的阻轉(zhuǎn)矩時(shí)，則轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速增加而增加，并且轉(zhuǎn)速越高，轉(zhuǎn)矩增加得越快。轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的大致情況如圖3-18所示。圖3-18空氣阻轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

在變負(fù)載的情況下，調(diào)節(jié)特性不再是一條直線了。這是因?yàn)椋诓煌D(zhuǎn)速時(shí)，由于阻轉(zhuǎn)矩Ts不同，相應(yīng)的電樞電流Ia=Ts/(CTΦ)也不同。從電壓平衡方程式可以看出，當(dāng)電樞電壓Ua改變時(shí)，電樞內(nèi)阻上的電壓降IaRa不再保持為常數(shù)，因此反電勢(shì)Ea的變化不再與電樞電壓Ua的變化成正比。

由于隨著轉(zhuǎn)速的增加，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增量愈來(lái)愈大，電阻壓降IaRa的增量也越來(lái)越大，因而Ea的增量越來(lái)越小，而Ea∝n,所以隨著控制信號(hào)的增加，轉(zhuǎn)速n的增量越來(lái)越小，這樣Ua和n的關(guān)系便如圖3-19所示圖3-19可變負(fù)載時(shí)的調(diào)節(jié)特性

實(shí)際工作中，常常用實(shí)驗(yàn)的方法直接測(cè)出電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性。此時(shí)電機(jī)和負(fù)載耦合，并由放大器提供信號(hào)電壓。在實(shí)驗(yàn)中測(cè)出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n隨放大器輸入電壓U1變化的曲線，因此所得到的是帶有放大器的直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性曲線。

3.直流伺服電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性從直流伺服電動(dòng)機(jī)理想的調(diào)節(jié)特性來(lái)看，只要控制電壓Ua足夠小，電機(jī)便可以在很低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。但是實(shí)際上，當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在幾轉(zhuǎn)每分到幾十轉(zhuǎn)每分的范圍內(nèi)時(shí)，其轉(zhuǎn)速就不均勻，就會(huì)出現(xiàn)一周內(nèi)時(shí)快、時(shí)慢，甚至?xí)和Ｒ幌碌默F(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為直流伺服電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性。

(1)低速時(shí)，反電勢(shì)平均值不大，因而齒槽效應(yīng)等原因造成的電勢(shì)脈動(dòng)的影響將增大，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比較明顯。

(2)低速時(shí)，控制電壓數(shù)值很小，電刷和換向器之間的接觸壓降不穩(wěn)定性的影響將增大，故導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定性增加。

(3)低速時(shí)，電刷和換向器之間的摩擦轉(zhuǎn)矩的不穩(wěn)定性，造成電機(jī)本身阻轉(zhuǎn)矩T0的不穩(wěn)定，因而導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：

直流伺服電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性將在控制系統(tǒng)中造成誤差。當(dāng)系統(tǒng)要求電動(dòng)機(jī)在這樣低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，就必須在系統(tǒng)的控制線路中采取措施，使其轉(zhuǎn)速平衡；或者選用低速穩(wěn)定性好的直流力矩電動(dòng)機(jī)或低慣量直流電動(dòng)機(jī)。3.7直流伺服電動(dòng)機(jī)在過(guò)渡過(guò)程中的工作狀態(tài)

3.7.1發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)（回饋制動(dòng)）設(shè)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)以轉(zhuǎn)速n1驅(qū)動(dòng)天線跟蹤飛機(jī)，這時(shí)它的電樞電壓為Ua1

，反電勢(shì)為Ea1

，電樞電流為Ia1，轉(zhuǎn)速為n1。為了便于在以后的分析中辨別上述各量的方向，規(guī)定：各個(gè)量的實(shí)際方向如果與圖3-20表示的方向一致時(shí)，數(shù)值為正；反之，數(shù)值為負(fù)。

由于現(xiàn)在主要研究電機(jī)的工作狀態(tài)，可先不考慮放大器的內(nèi)阻，這時(shí)電樞回路的電壓平衡方程式為

Ua1=Ea1+Ia1Ra

式中,Ua1>Ea1

。

如果飛機(jī)的航速突然下降，為了使天線繼續(xù)跟蹤飛機(jī)，就要求驅(qū)動(dòng)天線的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速下降到n2，因而控制系統(tǒng)加到電機(jī)電樞兩端的電壓需立即降為Ua2

，但是由于電機(jī)本身和負(fù)載均具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)速不能馬上下降。反電勢(shì)仍為Ea1

，此時(shí)電樞電壓已經(jīng)變化，所以電樞電流就隨之變化。如果忽略電樞繞組的電感，則電壓平衡方程式應(yīng)為

Ua2=Ea1+Ia2Ra(3-24)

如果這時(shí)電樞電壓Ua2<Ea1

，那末由式(3-24)可知，為了使電壓平衡，Ia2

應(yīng)為負(fù)值，這表示Ia2

的方向與圖3-20中所示Ia1

的方向相反。并且電磁轉(zhuǎn)矩的方向也隨Ia方向改變而改變。

這時(shí)，電勢(shì)Ea1和電樞電流Ia2

方向一致，而電磁轉(zhuǎn)矩T的方向和轉(zhuǎn)速n1相反，變成了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可見(jiàn)此時(shí)電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。由于電磁轉(zhuǎn)矩的制動(dòng)作用，使電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降，因而電勢(shì)Ea下降。當(dāng)它下降到小于Ua2

時(shí)，電機(jī)又回到電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，直到轉(zhuǎn)速下降到n2時(shí)，電動(dòng)機(jī)便達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。

3.7.2反接制動(dòng)工作狀態(tài)設(shè)電機(jī)帶動(dòng)天線跟蹤飛機(jī)自西向東旋轉(zhuǎn)，如果在戰(zhàn)斗中這架飛機(jī)已經(jīng)被擊落，需要跟蹤另一架反方向飛行的敵機(jī)，那末就要求驅(qū)動(dòng)天線的電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。為此，控制系統(tǒng)便輸給電機(jī)一個(gè)反方向的信號(hào)電壓Ua3

。但是由于電機(jī)本身及其負(fù)載有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，所以電機(jī)還暫時(shí)維持原來(lái)的轉(zhuǎn)速n1。此時(shí)，電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)Ea1

不變，但是電樞電壓已經(jīng)反向，變成與Ea1

同方向。因而電樞電流Ia3

和電磁轉(zhuǎn)矩T也隨著反向，如圖3-23所示圖3-2３直流電機(jī)的反接制動(dòng)狀態(tài)

在這種情況下，電機(jī)既不處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，又不處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，它的工作特點(diǎn)是：

(1)由于Ua3

和Ea1

同方向加于電樞回路，所以電樞電流Ia3

很大。

(2)電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而且很大，因而使電機(jī)迅速制動(dòng)。

(3)電機(jī)既吸收電能，又吸收機(jī)械能(轉(zhuǎn)速降低，動(dòng)能減少)，并全部變成電機(jī)的損耗，其中主要是電樞銅耗。

因?yàn)槭怯秒姌须妷悍唇拥姆椒▉?lái)制動(dòng)的，所以電機(jī)的這種工作狀態(tài)叫作反接制動(dòng)狀態(tài)。在反接制動(dòng)時(shí)，電樞電流要比電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)大得多。例如S—221直流電動(dòng)機(jī)，在額定電壓110V、額定電流0.26A運(yùn)行時(shí)，如將其電樞電壓突然反向(仍為110V)，則瞬時(shí)電流可大于2A。因此，在設(shè)計(jì)放大器時(shí)，必須考慮電機(jī)在反接制動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)的電流最大值。

3.8直流伺服電動(dòng)機(jī)的過(guò)渡過(guò)程

為了分析控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，不僅需要知道電機(jī)在過(guò)渡過(guò)程中的工作狀態(tài)，而且還要進(jìn)一步了解電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流、功率等物理量在過(guò)渡過(guò)程中隨時(shí)間變化的規(guī)律，以及過(guò)渡過(guò)程時(shí)間和電機(jī)參數(shù)的關(guān)系。

產(chǎn)生過(guò)渡過(guò)程的原因，主要是電機(jī)中存在兩種慣性：機(jī)械慣性和電磁慣性。當(dāng)電樞電壓突然改變時(shí)，由于電機(jī)和負(fù)載有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)速不能突變，需要有一個(gè)漸變的過(guò)程，才能達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，因此轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是造成機(jī)械過(guò)渡過(guò)程的主要因素。另外，由于電樞繞組具有電感，電樞電流也不能突變，也需要有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，所以電感是造成電磁過(guò)渡過(guò)程的主要因素。

電磁過(guò)渡過(guò)程和機(jī)械過(guò)渡過(guò)程是相互影響的，這兩種過(guò)渡過(guò)程交織在一起形成了電機(jī)總的過(guò)渡過(guò)程。但是一般來(lái)說(shuō)，電磁過(guò)渡過(guò)程所需的時(shí)間要比機(jī)械過(guò)渡過(guò)程短得多。因此在許多場(chǎng)合，只考慮機(jī)械過(guò)渡過(guò)程，而忽略電磁過(guò)渡過(guò)程。研究電機(jī)過(guò)渡過(guò)程的方法，是將過(guò)渡過(guò)程中的物理規(guī)律用微分方程表示出來(lái)，然后根據(jù)初始條件求解方程，找出各物理量與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系

3.8.1伺服電動(dòng)機(jī)過(guò)渡過(guò)程的分析首先我們利用直流電動(dòng)機(jī)在動(dòng)態(tài)下的四個(gè)關(guān)系式建立轉(zhuǎn)速對(duì)時(shí)間的微分方程。在過(guò)渡過(guò)程中，直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電勢(shì)的表達(dá)式為

T=CTΦIaEa=CeΦn

式中，Φ為常數(shù)；T、Ea、

Ia、n均為瞬時(shí)值，是時(shí)間的函數(shù)。

因電樞繞組具有電感，在過(guò)渡過(guò)程中電樞電流在變化，所以在電樞回路中將產(chǎn)生電抗壓降，其中La為電刷兩端的電感。因此，動(dòng)態(tài)電壓平衡方程式應(yīng)寫成(3-25)

在過(guò)渡過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩除了要克服軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩外，還要克服軸上的慣性轉(zhuǎn)矩，因此，轉(zhuǎn)矩平衡方程式應(yīng)寫成式中，Ts為負(fù)載轉(zhuǎn)矩和電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩之和；J為電機(jī)本身及負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為電機(jī)的角速度。

機(jī)電時(shí)間常數(shù)τj定義：電機(jī)在空載情況下加額定勵(lì)磁電壓時(shí)，加上階躍的額定控制電壓，轉(zhuǎn)速?gòu)牧闵嚼硐肟蛰d轉(zhuǎn)速的63.2%時(shí)所需的時(shí)間。由于機(jī)電時(shí)間常數(shù)表示了電機(jī)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間的長(zhǎng)短，反映了電機(jī)轉(zhuǎn)速追隨信號(hào)變化的快慢程度，所以是伺服電動(dòng)機(jī)一項(xiàng)重要的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。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之間。快速低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)通常在10ms以下，其中空心杯電樞永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)可小到2～3ms。3.9直流力矩電動(dòng)機(jī)

3.9.1概述在某些自動(dòng)控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較低的。例如某一種防空雷達(dá)天線的最高旋轉(zhuǎn)速度為90°/s，這相當(dāng)于轉(zhuǎn)速15r/min。一般直流伺服電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1500r/min或3000r/min，甚至6000r/min，這時(shí)就需要用齒輪減速后再去拖動(dòng)天線旋轉(zhuǎn)。

但是齒輪之間的間隙對(duì)提高自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)很有害，它會(huì)引起系統(tǒng)在小范圍內(nèi)的振蕩和降低系統(tǒng)的剛度。因此，我們希望有一種低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)來(lái)直接帶動(dòng)被控對(duì)象。

直流力矩電動(dòng)機(jī)就是為滿足類似上述這種低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩負(fù)載的需要而設(shè)計(jì)制造的電動(dòng)機(jī)。它能夠在長(zhǎng)期堵轉(zhuǎn)或低速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)矩，而且不需經(jīng)過(guò)齒輪減速而直接帶動(dòng)負(fù)載。它具有反應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動(dòng)小、能在很低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行、機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性線性度好等優(yōu)點(diǎn)。特別適用于位置伺服系統(tǒng)和低速伺服系統(tǒng)中作執(zhí)行元件，也適用于需要轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)矩反饋和一定張力的場(chǎng)合(例如在紙帶的傳動(dòng)中)。

3.9.2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)直流力矩電動(dòng)機(jī)的工作原理和普通的直流伺服電動(dòng)機(jī)相同，只是在結(jié)構(gòu)和外形尺寸的比例上有所不同。一般直流伺服電動(dòng)機(jī)為了減少其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，大部分做成細(xì)長(zhǎng)圓柱形。而直流力矩電動(dòng)機(jī)為了能在相同的體積和電樞電壓下產(chǎn)生比較大的轉(zhuǎn)矩和低的轉(zhuǎn)速，一般做成圓盤狀，電樞長(zhǎng)度和直徑之比一般為0.2左右；一般做成永磁多極的。為了減少轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，選取較多的槽數(shù)、換向片數(shù)和串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)。

圖3-28是直流力矩電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中定子1是一個(gè)用軟磁材料做成的帶槽的環(huán)，在槽中鑲?cè)胗谰么配撟鳛橹鞔艌?chǎng)源，這樣在氣隙中形成了分布較好的磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子鐵心2由導(dǎo)磁沖片疊壓而成，槽中放有電樞繞組3；槽楔4由銅板做成，并兼作換向片，槽楔兩端伸出槽外，一端作為電樞繞組接線用，另一端作為換向片，并將轉(zhuǎn)子上的所有部件用高溫環(huán)氧樹脂灌封成整體；電刷5裝在電刷架6上。

3.9.3為什么直流力矩電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速低

力矩電動(dòng)機(jī)之所以做成圓盤狀，是為了能在相同的體積和控制電壓下產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩和較低的轉(zhuǎn)速。下面以圖3-29所示的簡(jiǎn)單模型，粗略地說(shuō)明外形尺寸變化對(duì)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的影響。

1.電樞形狀對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響由3.2節(jié)給出的電磁轉(zhuǎn)矩公式(3-2),得到圖3-29(a)時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩為(3-38)式中，Na為圖3-29(a)中電樞繞組的總導(dǎo)體數(shù)；Bp為一個(gè)磁極下氣隙磁通密度的平均值；la為圖3-29(a)中導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度，即電樞鐵心軸向長(zhǎng)度；ia為電樞導(dǎo)體中的電流；Da為圖3-29(a)中電樞的直徑。圖3-29電樞體積不變的條件下，不同直徑時(shí)的電樞形狀如果把圖中電樞的直徑增大1倍，而保持體積不變，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的形狀則如圖3-29(b)所示，即該圖中電樞直徑Db=2Da,電樞長(zhǎng)度lb=la/4。

假定兩種情況下電樞導(dǎo)體的電流一樣，那末兩種情況下導(dǎo)體的直徑也一樣，但圖(b)中電樞鐵心截面積增大到圖(a)的4倍，所以槽面積及電樞總導(dǎo)體數(shù)Nb也近似增加到圖(a)的4倍，即Nb=4Na。這樣一來(lái)，乘積Nblb=4Na·la/4=Nala。也就是說(shuō)，在電樞鐵心體積相同，導(dǎo)體直徑不變的條件下，改變其鐵心直徑，導(dǎo)體數(shù)N和導(dǎo)體有效長(zhǎng)度l的乘積仍不變。據(jù)此，我們可以得到圖(b)時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩為2.電樞形狀對(duì)空栽轉(zhuǎn)速的影響已知一個(gè)極下一根導(dǎo)體的平均電勢(shì)式中，Bp為一個(gè)極下氣隙的平均磁通密度；l為導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度；v為導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的線速度，或電樞圓周速度；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；D為電樞鐵心直徑。如果電樞總導(dǎo)體數(shù)為N，若一對(duì)電刷之間的并聯(lián)支路數(shù)為2，則一對(duì)電刷所串聯(lián)的導(dǎo)體數(shù)為N/2，這樣，刷間電勢(shì)為(3-39)在理想空載時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為n0，電樞電壓Ua和反電勢(shì)Ea相等。因此,由式(3-39)可得

已知當(dāng)電樞體積和導(dǎo)體直徑不變的條件下，Nl的乘積近似不變。所以，當(dāng)電樞電壓和氣隙平均磁通密度相同時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速n0和電樞鐵心直徑近似成反比。即電樞直徑越大，電動(dòng)機(jī)理想空載轉(zhuǎn)速就越低。從以上分析可知，在其他條件相同時(shí)，如增大電動(dòng)機(jī)直徑，減少其軸向長(zhǎng)度，就有利于增加電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和降低空載轉(zhuǎn)速。這就是力矩電動(dòng)機(jī)做成圓盤狀的原因。

3.9.4直流力矩電動(dòng)機(jī)性能特點(diǎn)

1.力矩波動(dòng)小，低速下能穩(wěn)定運(yùn)行

力矩電動(dòng)機(jī)重要性能指標(biāo)之一是力矩波動(dòng)，這是因?yàn)樗ǔ＿\(yùn)行在低速狀態(tài)或長(zhǎng)期堵轉(zhuǎn)，力矩波動(dòng)將導(dǎo)致運(yùn)行不平穩(wěn)或不穩(wěn)定。力矩波動(dòng)系數(shù)是指轉(zhuǎn)子處于不同位置時(shí)，堵轉(zhuǎn)力矩的峰值與平均值之差相對(duì)平均值的百分?jǐn)?shù)。力矩波動(dòng)的主要原因是由于繞組元件數(shù)、換向器片數(shù)有限使反電勢(shì)產(chǎn)生波動(dòng)，電樞鐵心存在齒槽引起磁場(chǎng)脈動(dòng)，以及換向器表面不平使電刷與換向器之間的滑動(dòng)摩擦力矩有所變化等。

結(jié)構(gòu)上采用扁平式電樞，可增多電樞槽數(shù)、元件數(shù)和換向器片數(shù)；適當(dāng)加大電機(jī)的氣隙，采用磁性槽楔、斜槽等措施，都可使力矩波動(dòng)減小。

2.機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度在3.6節(jié)中所述的直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性是在勵(lì)磁磁通不變的條件下得出的。事實(shí)上，與直流發(fā)電機(jī)一樣，電動(dòng)機(jī)中同樣也存在著電樞反應(yīng)的去磁作用，而且它的去磁程度與電樞電流或負(fù)載轉(zhuǎn)矩有關(guān)，它導(dǎo)致機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的非線性。為了提高特性的線性度，在設(shè)計(jì)直流力矩電動(dòng)機(jī)時(shí)，把磁路設(shè)計(jì)成高度飽和，并采取增大空氣隙等方法，使電樞反應(yīng)的影響顯著減小。

3.響應(yīng)迅速，動(dòng)態(tài)特性好

由3.8節(jié)可知，由公式

，雖然直流力矩電動(dòng)機(jī)電樞直徑大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，但由于它的堵轉(zhuǎn)力矩很大，空載轉(zhuǎn)速很低，力矩電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)還是比較小的，動(dòng)態(tài)性能好。

4.峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和峰值堵轉(zhuǎn)電流因?yàn)殡姌写艌?chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)的去磁作用隨電樞電流的增加而增加，故而峰值堵轉(zhuǎn)電流是受磁鋼去磁限制的最大電樞電流。與其相對(duì)應(yīng)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩稱為峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，它是力矩電機(jī)最大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。需要指出，由于電機(jī)定子上裝有永久磁鋼，所以在拆裝電機(jī)時(shí)，務(wù)必使定子磁路處于短路狀態(tài)。即取出轉(zhuǎn)子之前，應(yīng)先用短路環(huán)封住定子，再取出轉(zhuǎn)子，否則,永久磁鋼將失磁。如果使用中發(fā)生電樞電流超過(guò)峰值堵轉(zhuǎn)電流，使電機(jī)去磁，并導(dǎo)致堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩不足時(shí)，則必須重新充磁。3.10低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)

1.杯形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)杯形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3-30所示?？招谋D(zhuǎn)子可以由事先成型的單個(gè)線圈，沿圓柱面排列成杯形，或直接用繞線機(jī)繞成導(dǎo)線杯，再用環(huán)氧樹脂熱固化定型。也可采用印制繞組。它有內(nèi)、外定子。外定子裝有永久磁鋼，內(nèi)定子起磁軛作用，由軟磁材料做成。圖3-30杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)

空心杯電樞直接安裝在電機(jī)軸上，它在內(nèi)、外定子之間的氣隙中旋轉(zhuǎn)。由于轉(zhuǎn)子內(nèi)、外側(cè)都需要有足夠的氣隙，所以磁阻大，磁勢(shì)利用率低。通常需采用高性能永磁材料作磁極。

這種電機(jī)的性能特點(diǎn)是：

(1)低慣量。由于轉(zhuǎn)子無(wú)鐵心，且薄壁細(xì)長(zhǎng)，慣量極低，有超低慣量電動(dòng)機(jī)之稱。

(2)靈敏度高。因轉(zhuǎn)子繞組散熱條件好，繞組的電流密度可取到30A/mm2，并且永久磁鋼體積大，可提高氣隙的磁通密度，所以力矩大。加上慣量又小，因而轉(zhuǎn)矩/慣量比很大，機(jī)電時(shí)間常數(shù)很小(最小的在1ms以下)，靈敏度高，快速性好。其始動(dòng)電壓在100mV以下，可完成每秒鐘250個(gè)起—停循環(huán)。

(3)損耗小，效率高。因轉(zhuǎn)子中無(wú)磁滯和渦流造成的鐵耗，所以效率可達(dá)80%或更高。

(4)力矩波動(dòng)小，低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音很小。由于繞組在氣隙中均勻分布，不存在齒槽效應(yīng)，因此力矩傳遞均勻，波動(dòng)小，故運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪音小，低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

(5)換向性能好，壽命長(zhǎng)。與直流發(fā)電機(jī)一樣，直流電動(dòng)機(jī)的換向元件中也存在著自感電勢(shì)eL和電樞反應(yīng)電勢(shì)ea，它們也同樣在換向元件中產(chǎn)生附加電流ik。

這種形式的直流伺服電動(dòng)機(jī)的制造成本較高。它大多用于高精度的自動(dòng)控制系統(tǒng)及測(cè)量裝置等設(shè)備中，如電視攝像機(jī)、錄音機(jī)、X-Y函數(shù)記錄儀、機(jī)床控制系統(tǒng)等方面。這種電機(jī)的用途日趨廣泛，是今后直流伺服電動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向之一。

2.盤形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)盤形電樞的特點(diǎn)是電樞的直徑遠(yuǎn)大于長(zhǎng)度，電樞有效導(dǎo)體沿徑向排列，定轉(zhuǎn)子間的氣隙為軸向平面氣隙，主磁通沿軸向通過(guò)氣隙。圓盤中電樞繞組可以是印制繞組或繞線式繞組，后者功率比前者大。圖3-31印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)

盤形電樞直流