第二章直流伺服電機演示文稿當前1頁，總共46頁。優選第二章直流伺服電機當前2頁，總共46頁。第一節

直流伺服電動機

“伺服”一詞源于希臘語“奴隸”的意思

。人們想把“伺服機構”當個得心應手的馴服工具，服從控制信號的要求而動作。在訊號來到之前，轉子靜止不動；訊號來到之后，轉子立即轉動；當訊號消失，轉子能即時自行停轉。

伺服電動機概述電壓信號伺服電動機角位移（轉向）角速度（轉速）又稱為控制信號或控制電壓又稱為執行電動機，在自動控制系統中作為執行元件。伺服電動機直流伺服電動機交流伺服電動機按使用的電源性質不同常用在功率稍大的系統中，其輸出功率約為1～600W，少數可達數千瓦。輸出功率約為0.1～100W，其中最常用的在30W以下。

盤形電樞直流電動機空心杯電樞直流電動機無槽電樞直流電動機

無刷直流伺服電動機

各種結構:低慣量的伺服電動機?直流力矩電動機

當前3頁，總共46頁。

伺服電動機概述自動控制系統對伺服電動機的基本要求:

1、寬廣的調速范圍；2、機械特性和調節特性均為線性；3、無“自轉”現象；4、快速響應。5、其它要求。即電機的機電時間常數要小。相應地伺服電動機要有較大的堵轉矩和較小的轉動慣量。這樣，電機的轉速才能隨著控制電壓的改變而迅速變化。

即要求伺服電動機的轉速隨著控制電壓的改變能在寬廣的范圍內連續調節

伺服電動機的機械特性是指控制電壓一定時，轉速隨轉矩的變化關系，調節特性是指電機轉矩一定時，轉速隨控制電壓的變化關系。線性的機械特性和調節特性有利于提高自動控制系統的動態精度。

即要求伺服電動機在控制電壓降為零時能立即自行停轉。

如希望伺服電動機的控制功率要小，這樣可使放大器的尺寸相應減少，在航空上使用的伺服電動機還要求其重量輕、體積小等。

當前4頁，總共46頁。第一節

直流伺服電動機

一、工作原理

圖2-1直流電動機工作原理圖

載流導體在磁場中受到電磁力。若導體在磁場中的長度為l，其中流過的電流為i，導體所在處的磁密為B，則導體所受到的電磁力為

電磁力的方向由左手定則確定。

圖中所有載流導體均受到反時針方向的轉矩，從而使電動機旋轉。當前5頁，總共46頁。第一節

直流伺服電動機

一、工作原理

圖2-1直流電動機工作原理圖

直流電機是可逆的，它根據不同的外界條件而處于不同的運行狀態。當迫使它旋轉，輸入機械能時，它便輸出電能，處于發電機狀態，此時稱為發電機；當在電刷兩端施加電壓輸入電能時，它便旋轉起來輸出機械能，處于電動機狀態。

由于定磁極下元件的電流方向是不變的，所以轉矩是方向恒定的轉矩，稱為直流電動機的電磁轉矩。若電機軸上帶有負載，它便輸出機械功。當前6頁，總共46頁。第一節

直流伺服電動機

二、分類

直流伺服電動機有傳統式結構和低慣量型兩大類。

(一)傳統式直流伺服電動機

定子

傳統式直流伺服電動機的結構型式是由定子、轉子兩大部分所組成。它又可再分為永磁式和電磁式兩種。轉子定子：永磁式直流伺服電動機是在定子上裝有永久磁鋼做成的磁極；電磁式直流伺服電動機的定子通常由硅鋼片沖制疊壓而成，磁極和磁輒整體相連，在磁極鐵芯上套有激磁繞組。轉子：兩種電機的轉子鐵芯由硅鋼片沖制疊壓而成，在轉子沖片的外圓周上開有均布的齒槽，槽中放置電樞繞組并經換向器、電刷引出。當前7頁，總共46頁。定子主磁極和鐵心當前8頁，總共46頁。電樞繞組和電樞鐵心當前9頁，總共46頁。電樞繞組和電樞鐵心當前10頁，總共46頁。第一節

直流伺服電動機

(二)當前11頁，總共46頁。第一節

直流伺服電動機

當前12頁，總共46頁。第一節

直流伺服電動機

當前13頁，總共46頁。第一節

直流伺服電動機

當前14頁，總共46頁。三、調速方式

第一節

直流伺服電動機

對于它激式直流電動機，當激磁電壓恒定，而負載轉矩一定時，升高電樞電壓，電機的轉速隨之增高，反之，減小電樞電壓，電機的轉速就降低，若電樞電壓為零，電機停轉。當電樞電壓極性改變后，電機的旋轉方向也隨之改變。因此把電樞電壓作為控制信號，就可實現對電動機轉速的控制。這種控制方式稱為電樞控制式，電樞繞組稱為控制繞組。

對于電磁式直流伺服電動機，采用電樞控制時，其激磁繞組由外加恒壓的直流電源激磁；而永磁式直流伺服電動機則由永磁磁極激磁。當前15頁，總共46頁。第一節

直流伺服電動機

當前16頁，總共46頁。四、靜態工作特性

靜態工作特性主要討論直流伺服電機的機械特性和調節特性，有時也稱為運行特性。電樞控制時直流伺服電動機的工作原理如圖所示。

1、電機的磁路為不飽和，即不考慮電機中磁化曲線非線性的影響。2、略去帶載時電樞反應磁勢的影響。為便于分析，作如下假設：第一節

直流伺服電動機

當前17頁，總共46頁。四、靜態工作特性

第一節

直流伺服電動機

電動機電樞回路的總電阻(包括電刷的接觸電阻)Ki:轉矩常數，表示單位電樞電流所產生的轉矩，N·m/A。Ke:電勢常數，表示單位轉速時所產生的電勢，V/rpm。當前18頁，總共46頁。四、靜態工作特性

第一節

直流伺服電動機

(一)機械特性

機械特性指控制電壓Ua恒定時，電機的轉速n隨轉矩Tg變化的關系。理想空載轉速堵轉矩

機械特性硬度

隨著控制電壓增大，電機的機械特性曲線平行地向轉速和轉矩增加的方向移動，但是它的斜率保持不變，所以電樞控制時直流伺服電動機的機械特性是一組平行的直線。當前19頁，總共46頁。四、靜態工作特性

第一節

直流伺服電動機

(二)調節特性

調節特性是指轉矩恒定時，電機的轉速隨控制電壓變化的關系，即Tg=常數時，n=f(Ua)

。在一定負載轉矩時電動機的啟動電壓。失靈區：調節特性曲線的橫坐標從零到啟動電壓的這一范圍稱為在一定負載轉矩時伺服電動機的失靈區。顯然，失靈區的大小是與負載轉矩成正比的。失靈區當前20頁，總共46頁。五、動態特性第一節

直流伺服電動機

電樞控制時直流伺服電動機的動態特性，是指在電動機的電樞上外加階躍電壓時，電機轉速的增長過程，即或。

為滿足自動控制系統快速響應的要求，直流伺服電動機的機電過渡過程越短越好，即電動機的轉速變化能夠迅速跟上控制信號的改變。

若電動機的電樞在外加電壓前是停轉狀態，當電樞外加階躍電壓后，由于電樞繞組有電感，電樞電流不能突然增長，有一個電氣過渡過程；相應的電磁轉矩有一定的轉動慣量，由零增加穩定轉速又需要一定的時間，因而有一個機械過渡過程。電氣的和機械的過渡過程交疊在一起，形成了電機的機電過渡過程。當前21頁，總共46頁。五、動態特性第一節

直流伺服電動機

(一)直流伺服電動機的基本方程式

當前22頁，總共46頁。五、動態特性第一節

直流伺服電動機

(一)直流伺服電動機的基本方程式

對基本方程組取拉普拉斯變換：

當前23頁，總共46頁。(二)直流電動機的傳遞函數

五、動態特性第一節

直流伺服電動機

圖2-8的方塊圖表示一個雙端輸入系統，它以角速度ω或角位移為輸出量，或同時以它們二者為輸出量。

當前24頁，總共46頁。(二)直流電動機的傳遞函數

五、動態特性第一節

直流伺服電動機

當前25頁，總共46頁。(二)直流電動機的傳遞函數

五、動態特性第一節

直流伺服電動機

當前26頁，總共46頁。(二)直流電動機的傳遞函數

五、動態特性第一節

直流伺服電動機

當前27頁，總共46頁。六、直流電動機的功率損耗第一節

直流伺服電動機

總的輸入電功率為電樞電壓回路和電樞電流瞬時值的乘積:

功率表達式

當前28頁，總共46頁。

直流電動機作為能量轉換裝置時，其效率為輸出機械功率與總輸入平均功率的比值:

六、直流電動機的功率損耗第一節

直流伺服電動機

當前29頁，總共46頁。六、直流電動機的功率損耗第一節

直流伺服電動機

機械轉換效率可用輸出機械功率與產生的總機械功率的比值求得:當前30頁，總共46頁。七、其他型式直流伺服電動機

第一節

直流伺服電動機

(一)無刷直流伺服電動機

直流電動機具有良好的機械特性和調節特性，堵轉轉矩又大，因而被廣泛應用于驅動裝置及伺服系統中。但是，一般直流電動機都有換向器和電刷，其間形成滑動的機械接觸容易產生火花，并引起無線電干擾，過大的火花甚至影響電機的正常運行。此外，因存在電刷和換向器的滑動接觸，又使維護麻煩，且影響到電機工作的可靠性，所以人們早就開始尋求直流電動機的無接觸式換向。

早在1934年就出現過采用電子管線路代替機械滑動接觸的無換向器直流電動機，但由于當時電子器件的技術水平和制造成本的限制，這種電動機并沒有得到發展。當前31頁，總共46頁。

近年來出現的無刷電動機，是用晶體管開關電路和位置傳感器來代替電刷和換向器。這使無刷直流電動機既具有直流電動機的機械特性和調節特性，又具有交流電動機的維護方便、運行可靠等優點。但目前的無刷直流電動機成本還較高，總的體積亦較大。這些缺點將隨著科學技術的不斷發展，新材料、新元件、新技術和新工藝的出現而被逐步克服。目前我國生產的這種型式電動機的型號為SW。七、其他型式直流伺服電動機

第一節

直流伺服電動機

(一)無刷直流伺服電動機

直到晶體管和大功率可控硅元件被廣泛采用后，無換向器直流電動機才真正實現，相應地各種微型無刷直流電動機也得到了發展。當前32頁，總共46頁。1、無刷直流電動機的結構

七、其他型式直流伺服電動機

第一節

直流伺服電動機

(一)無刷直流伺服電動機

無刷直流電動機通常是由電動機、轉子位置傳感器和晶體管開關電路三部分組成。

當前33頁，總共46頁。

無刷直流電動機在結構上是一臺反裝式的普通直流電動機。它的電樞放置在定子上，永磁磁極位于轉子上。它的電樞繞組為一多相繞組，可接成星形或三角形(封閉形)。各相繞組分別與晶體管開關電路中的功率開關元件相連接，如圖2－11所示。

1、無刷直流電動機的結構七、其他型式直流伺服電動機

第一節

直流伺服電動機

(一)無刷直流伺服電動機

當前34頁，總共46頁。2、無刷直流電動機的工作原理七、其他型式直流伺服電動機

第一節

直流伺服電動機

(一)無刷直流伺服電動機

三個光電管PT1、PT2和PT3安裝位置相差120°，通過安裝在電機軸上的旋轉擋板，按順序使它們受光。當前35頁，總共46頁。3、定子繞組的通電狀態七、其他型式直流伺服電動機

第一節

直流伺服電動機

(一)無刷直流伺服電動機

當轉子轉過2π電角度時定子繞組共有三個通電狀態，每一狀態僅有一相導通，而其它兩相截止，其持續時間應為轉子轉過電角度所對應的時間。

當前36頁，總共46頁。(二)直流力矩電動機

七、其他型式直流伺服電動機

第一節

直流伺服電動機

力矩電動機是一種由伺服電動機和驅動電動機結合起來發展而成的特殊電機。它不經過齒輪等減速機構而直接驅動負載，并由輸入的控制電壓信號直接調節負載的轉速。在位置控制方式的伺服系統中，它可以工作在堵轉狀態，在速度控制方式的伺服系統中，又可以工作在低速狀態，且輸出較大的轉矩。所以力矩電動機是一種直接驅動負載的執行元件。當前37頁，總共46頁。(二)直流力矩電動機

七、其他型式直流伺服電動機

第一節

直流伺服電動機

性能特點：低速、大轉矩，轉矩波動小，特性的直線性好，在堵轉條件下能長期工作。原理：與一般直流伺服電動機相同。結構特點：與一般直流伺電動機不同，呈扁平形，以獲得較大的轉矩。電樞長度與直徑之比一般為0.2左右。當前38頁，總共46頁。(二)直流力矩電動機

七、其他型式直流伺服電動機

第一節

直流伺服電動機

1-定子；2-轉子；3-電刷；4-電樞繞組；5-槽楔兼換向器片；6-銅環當前39頁，總共46頁。八、直流伺服電動機的應用和選擇第一節

直流伺服電動機

(一)按輸出量分類的控制系統

直流伺服電動機所控制的系統按輸出量可以劃為位置、速度及力矩(或力)三種控制系統，該輸出量往往按輸入的要求而變化。

當前40頁，總共46頁。八、直流伺服電動機的應用和選擇第一節

直流伺服電動機

(二)應用直流伺服電動機的基本要求

直流伺服電動機控制的系統是由各種元器件或組件等組成的。要正確地設計一個最佳系統，不僅涉及系統的理論，還關系到合理正確的設計，應在滿足性能要求下達到最佳的經濟指標。最佳系統主要是從系統運動速度變化和負載耦合兩個方面加以考慮。對系統中作驅動用直流電動機來說，主要是運行可靠，即發熱和換向火花等問題。對任何一種系統，均有如下要求：如環境溫度和濕度變化范圍；環境的條件如工廠、試驗室、室外、室內等，所用電源；體積和重量；壽命、成本及價格等。當前41頁，總共46頁。八、直流伺服電動機的應用和選擇第一節

直流伺服電動機

(二)應用直流伺服電動機的基本要求

系統的負載是主要環節，電動機類別的選定和性能的要求取決于此。所有負載可歸為慣性、摩擦及粘滯阻尼三種特征參數。在分析電動機時，均要將負載端的特征參數換算到電動機輸出軸端上。

精度是這類系統的一項重要指標，可用輸出量和設定量之間偏差來表示。按要求分為短時和長期的兩種。短時精度在系統設計時就可以確定。直流電動機的速度—轉矩特性和動態帶寬以及其它因素對精度有較大影響，在選擇元器件和確定指標時必須加以注意。長