第1章直流伺服电
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1、第1章 直流伺服电动机1.1 直流伺服电动机1.2 无刷直流电动机1.3 直流力矩电动机1.1 直流伺服电动机 1.结构与分类 2.原理 3.应用 直流伺服电动机是以直流电源驱动的电动执行器件。 直流电动机分类 1）传统型：与普通直流电动机基本相似。根据励磁方式可以分为：永磁式和电磁式 2）低惯量型直流伺服电动机 常见三种：盘型，空心杯型，无槽电枢型直流电机及其基本结构直流电机及其基本结构直流电机及其基本结构直流电机及其基本结构盘式电枢直流伺服电动机结构特点： 转子为绕线式绕组或印制绕组，用环氧树脂浇制成圆盘形；定子由永磁体和前后软磁铁组成，极数较多，一般为6、8、10极。铁心盘形电枢磁钢绕线
2、转子盘形电枢电动机盘式电枢直流伺服电动机运行性能特点：电枢绕组全部在气隙中，散热好，绕组电流密度高于普通电机10倍以上，启动转矩大；由于没有齿槽效应，力矩波动小，低速运行稳定，调速范围宽且平滑；换向性能好，电枢由非磁性材料做成，换向元件电感小，换向火花小；电枢转动惯量小，速度快。应用领域：主要用在低速和启动、反转频繁，要求薄 形安装尺寸的系统中，如雷达天线、机器人以及数控机床等。无槽电枢直流伺服电动机结构特点： 转子无齿槽。电枢绕组直接均匀排列在光滑的铁心表面，用环氧树脂固化并与铁心黏结成一个整体。 定子励磁采用高性能的永磁体。无槽电枢直流伺服电动机运行性能特点： 可减小电枢外径，形状细长不受
3、嵌线限制，机电时间常数小，反应快； 过载能力强，最大转矩比额定转矩大10倍； 低速性能好，转矩波动小，线性度好。缺点：定、转子间气隙较大，约为普通电动机的10倍。应用领域：主要用在快速动作、功率较大的伺服系统中，如雷达天线、自行火炮、导弹发射架以及数控机床等。空心杯电枢直流伺服电动机结构特点： 无槽电动机由于存在电枢铁心，而盘形电动机的转子直径又较大，在实现快速动作时，转动惯量不能满足要求，空心杯电动机是综合上述两种电动机而发展起来的高性能电动机； 定子分为外定子和内定子，外磁式电动机的外定子是永磁体，内定子为软磁材料，以减小磁路磁阻，仅作为主磁路的一部分； 转子上的电枢绕组可采用印制绕组，也
4、可先绕成单个成形绕组，然后将它们沿圆周的轴向排列成空心杯形，用环氧树脂固化。空心杯电枢直流伺服电动机运行性能特点： 电枢转动惯量小，启动时间常数小，可达1ms以下； 灵敏度高，机电时间常数小，快速性好； 转子无磁滞和涡流损耗，效率高，可达80%或更高； 电枢无齿槽效应，磁阻均匀，力矩波动小，低速运行平稳，噪音很小； 转子无铁心，换向元件电感小，几乎不产生火花，换向性能好，寿命长。应用领域：主要用于高精度伺服系统及测量装置中，如电视摄像机、磁带机、X-Y函数记录仪，数控机床等机电一体化设备。2.运行原理 1）控制方式 励磁控制和电枢电压控制 励磁控制：这种调速方法的特点是由于励磁这种调速方法的特
5、点是由于励磁回路的电流很小，只有额定电流的（回路的电流很小，只有额定电流的（1 13 3）% %，不仅，不仅能量损失很小，且电阻可以做成连能量损失很小，且电阻可以做成连续调节的，便于控制续调节的，便于控制。其限制是转速只能。其限制是转速只能由额定磁通时对应的由额定磁通时对应的速度向高调速度向高调，而电动，而电动机机最高转速最高转速要受到电机本身的机械强度及要受到电机本身的机械强度及换向的限制。换向的限制。电枢电压控制优点：优点：改变电枢电压调节转速的方法改变电枢电压调节转速的方法具有较好的调速性能具有较好的调速性能。由于调电压后，。由于调电压后，机械特性的机械特性的“硬度硬度”不变，因此有较不
6、变，因此有较好的转速稳定性，好的转速稳定性，调速范围较大调速范围较大，同，同时便于控制，可以做到时便于控制，可以做到无级平滑调速，无级平滑调速，损耗较小损耗较小。在实际工程当中，常常采。在实际工程当中，常常采用这种方法。用这种方法。采用这种方法的限制是：采用这种方法的限制是： 转速只能由额定电压对应的速度向低调。此外，转速只能由额定电压对应的速度向低调。此外，应用这种方法时，应用这种方法时，电枢回路需要一个专门的可调电枢回路需要一个专门的可调压电源压电源，过去用直流发电机，过去用直流发电机- -直流电动机系统实现，直流电动机系统实现，由于电力电子技术的发展，目前一般均采用可控由于电力电子技术的
7、发展，目前一般均采用可控硅调压设备硅调压设备直流电动机系统来实现。直流电动机系统来实现。2)静态特性 所谓静态特性是指电机在稳定运行状态下，转速与电枢电压（励磁恒定），转速与电磁转矩之间的关系。 前者可称为调节特性 后者可称为机械特性静态特性有刷直流电机模型有刷直流电机模型aaa静态特性 1. 电动势平衡方程式：电动势平衡方程式： Ua=Ea+IaRa 2. 反向电动势：反向电动势： Ea = Cen = Ken 3. 电磁转矩：电磁转矩： Tem = CmIa = KmIa4.由由1，2，3联立求解：联立求解：ememaeaeaaaTKKRKUCRIUn机械特性emememaeakTnTKK
8、RKUn0电压突变电流未突变调节特性0TKUTKKRKUneaememaea3)动态特性 产生过渡过程的原因，产生过渡过程的原因， 主要是电机中存在两主要是电机中存在两种惯性：种惯性： 机械惯性和电磁惯性。机械惯性和电磁惯性。 当电枢电压突然改变时，当电枢电压突然改变时， 由于电机和负载有转由于电机和负载有转动惯量，动惯量， 转速不能突变转速不能突变， 需要有一个渐变的过程，需要有一个渐变的过程， 才能达到新的稳态，才能达到新的稳态， 因此转动惯量是造成机械过因此转动惯量是造成机械过渡过程的主要因素。渡过程的主要因素。 另外，另外， 由于电枢绕组具有电感，由于电枢绕组具有电感， 电枢电流也不能
