直流伺服电动机

直流伺服电动机

第二章

直流伺服电动机

直流伺服电动机是 自动控制系统中具有特殊用途的直流电动机，又称执行电

机，它能够把输入的电压信号变 换成轴上的角位移和角速度等机械信号。直流伺服

电动机的工作原理、基本结构及内部电 磁关系与一般用途的直流电动机相同。

第一节

直流电动机

一、直流电动机的基本工作原理

直 流电动机的基本结构与直流发电机相同。电动机输入电压信号，输出转速信

号。

二、电磁转矩和转矩平衡方程

pN1

、电磁转矩

T,,I,C,IemaTa2,a

对于一个已经制造好的电机，它的电磁转矩正比于 每极磁通和电枢电流。

TI,ema

2

、稳态转矩平衡方程

= TT

，

T,Tem20L

称为电动机稳态转矩平衡方程。

3

、动态转矩平衡方程

当电机的转速发生改变时，由于电机及负载具有转动惯量，将产 生惯性

转矩

jdtJ

——负载和电动机转动部分的转动惯量

;

d,TTTJ

此时，电动机轴上的动态转矩平衡方程为

,,,emLjdt

三、

电动势平衡方程

直流电动机电动势平衡方程

U,E

，

IRaaa Ia

U,EU,C,naeI,,

电枢电流的表达式

aE U I U afRRfaa

电动机的机械特性

RUa

图

2-2

直流电动机的电枢回路

n,,T,n,,T em0em2C

Φ

CC

Φ

ee T

四、直流电动机的起动和调速

UI,I,1(

起动

:

起动电流大

: staIaRa

< br>IUUEffaR

由于不大，所以起动电流可能达到额定电流的十几倍。为了限< /p>

a

R

制起 动电流，一般采用在电枢回路中串联起动电阻的方法。一般把

st

Rst

起动电流限制在额定电流的

1.5~2

倍以内，保证有足够的起动转矩。

图

2-3

电枢回路串联起动电阻

对于自动控制系统中使用的直流电动机，功率只有几

百瓦，由于电

< br>

枢电阻比较大，其起动电流不超过额定电流的

5~6< /p>

倍，加上其转动惯量较小，

转速上升快，起动时间短，所以可以直 接起动，而且起动电流大，起动转矩也大，

这正是控制系统所希望的。

< br>

为了获得较大的起动转矩，励磁磁通应为最大，因此电机起动时，励磁回路的

调节电阻必须短接，并在励磁绕组两端加上额定励磁电压。

UIR,aa2(

调速

: n,C

Φ

e

U

调速的方法有三种

:(1)

改变电源电压调速

;

(2)

在电枢回路串联电阻调速

; RS

(3)

调节励磁回路电阻

(

改变磁通

)

调速。

R

Φ

cf

下面分析转矩、电流和转速 等物理量的稳态值在调速前后的变化。

1)

电枢回路串联电阻调速

RS

电枢回路串联的电阻越大，转速越低。

电枢回路串联电阻调速

:

损耗较大，效率较低。当轻载时， 电枢电流较小，串

联电阻后，转速变化不大。但是，这种调速方法设备比较简单。

2)

降低电源电压调速

电源电压越低，转速越低。

这种调速方法，可以实现平滑无级调速，但需要附加调压设备。

3)

改变励磁回路电阻调速

RCf

励磁回路串联的电阻越大，转速越高。

RCf

(1)

容易控制

:

励磁电流 只有电枢额定电流的百分之几，所以调节电阻的容量

小，铜耗也小，而且容易控制

;

(2)

调速的快速性较差

:

励磁回路电感比电枢回路大，电气时间常数较大。

(3)

转速只能升高

:

励磁回路串联电阻只能使励磁电流减小。

(4)< /p>

改变磁通

(

弱磁

)

调速时，必须降低负载转矩

:

由于， 若电机拖动恒转矩负

载，

T,C,IemTa

重新稳定后，因磁通减弱，所以电流增大，将超过原来的额定值，这是不允许

的 ，因此，

I,a

在要求调速范围大的场合，几种调速方法总 是同时兼用。当电源电压可调时，

利用降压降低转速，利用增加励磁回路电阻增大转速。 当电源电压恒定时，则利用

增加电枢回路电阻降低转速，利用增加励磁回路电阻增大转速 。

需要注意的是，对电动机的励磁绕组，若起动前就断开， 则电动机由于起动转

矩小而不能起动。如果

< br>R,,

在运行过程中断开，则相当于励磁回路串联的电阻，电机转速大大超过额< /p>

定转速，电机发出尖

Cf

锐的噪声，出现“飞车”事故。

第二节

直流伺服电动机的控制方法和运行特性

伺服电动机分直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。

< /p>

伺服电机的最大特点是可控性。伺服系统一般有三种基本控制方式

:

位置控

制、速度控制和力矩控制。

直流伺服电动机通常应用于功率较大的自控系统中，输出功率一般为

1~600W

，

也有的达数

kW< /p>

，其电压分为

:6

、

9

、

12

、

24

、

27

、

48

、

110

、

220V

。

一、直流伺服电动机的分类

直流伺 服电动机的控制电源为直流电压，分普通直流伺服电动机、盘形电枢直

流伺服电机、空心 杯直流伺服电机和无槽直流伺服电机等。

普通直流伺服电动 机有永磁式和电磁式两种基本结构类型。电磁式又分为他

励、并励、串励和复励四种，永 磁式可看作是他励式。

二、直流伺服电动机的控制方法

直流伺服电动机工作原理与一般的直流电动机相同。

控制方式有改变电枢电压的电枢控制和改变磁通的磁场控制两种。

电枢控制具有机械特性和控制特性线性度好，而且特性曲线为一组平行线，空