第一章-直流伺服电机

第1章直流伺服电动机1.1概述1.2直流伺服电动机的控制方式和运行特性1.3直流伺服电动机的动态特性1.4特种直流伺服电动机1.5直线直流电动机1伺服电动机概述伺服电动机又称为执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件。它将输入的电压信号变换成转轴的角位移或角速度而输出。输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。改变控制电压可以变更伺服电动机的转速反转向。伺服电动机按其使用的电源性质不同，可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。交流伺服电动机通常采用笼型转子两相伺服电动机和空心杯转子两相伺服电动机，所以常把交流伺服电动机称为两相伺服电动机。直流伺服电动机—能用在功率稍大的系统中。其输出功率约为1~600w，但也有的可达数下瓦；两相伺服电动机输出功率约为0.1~100w，其中最常用的是在30W以下。1伺服电动机概述近年来，由于伺服电动机的应用范围日益扩展、要求不断提高、促使它有了很大发展，出现了许多新型结构。又因系统对电动机快速响应的要求越来越高，使各种低惯量的伺服电动机相继出现，如盘形电枢直流电动机、空心杯电抠直流电动机和电枢绕组直接绕在铁心上的无槽电枢直流电动机等。随着电子技术的发展，又出现了采用电子器件换向的新型直流伺服电动机，它取消了传统直流电动机上的电刷和换向器，故称为无刷直流伺服电动机。此外，为了适应高精度低速伺服系统的需要，研制出直流力矩电动机，它取消了减速机构而直接驱动负载。自动控制系统对伺服电动机的基本要求宽广的调速范围。伺服电动机的转速随着控制电压的改变能在宽广的范围内连续调节。机械特性和调节特性均为线性。伺服电动机的机械特性是指控制电压一定时，转速随转矩的变化关系；调节特性是指电动机转矩一定时，转速随控制电压的变化关系。线性的机械特性和调节特性有利于提高自动控制系统的动态精度。无“自转”现象。伺服电动机在控制电压为零时能立自行停转。快速响应。电动机的机电时间常数要小，相应地伺服电动机要有较大的培转转矩和较小的转动惯量。这样，电动机的转速便能随着控制电压的改变而迅速变化。2.伺服电动机的分类普通直流伺服电动机直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机直流力矩电动机两相感应伺服电动机交流伺服电动机三相感应伺服电动机无刷永磁伺服电动机直线伺服电动机1.伺服电动机的概念伺服电动机又称为执行电动机，其功能是把输入的电压信号变换成转轴的角位移或角速度输出。1.1概述宽广的调速范围机械特性和调节特性均为线性无“自转”现象快速响应。此外，还要求伺服电动机的控制功率小、重量轻、体积小等。3.控制系统对伺服电动机的基本要求1.1概述1.2.1控制方式由可知，改变电枢电压和改变励磁磁通都可以改变电动机的转速。1.2直流伺服电动机的控制方式和运行特性eaaaCRIUn1.电枢控制励磁磁通保持不变，改变电枢绕组的控制电压。当电动机的负载转矩不变时，升高电枢电压，电机的转速就升高；反之转速就降低。电枢电压等于零时，电机不转。电枢电压改变极性时，电机反转。图1-1电枢控制原理图2．磁场控制电枢绕组电压保持不变，改变励磁回路的电压。若电动机的负载转矩不变，当升高励磁电压时，励磁电流增加，主磁通增加，电机转速就降低；反之，转速升高。改变励磁电压的极性，电机转向随之改变。尽管磁场控制也可达到控制转速大小和旋转方向的目的，但励磁电流和主磁通之间是非线性关系，且随着励磁电压的减小其机械特性变软，调节特性也是非线性的，故少用。1.2.1控制方式1.机械特性机械特性是指电枢电压等于常数时，转速与电磁转矩之间的函数关系，即。把代入式得，为理想空载转速；，为直线的斜率。伺服电动机的运行特性包括机械特性和调节特性。)(,aeTfncUateICTeaaaCRIUne02teaeeakTnCCRTCUnea0CUn2teaCCRk1.2.2运行特性图1-2直流伺服电动机的机械特性机械特性为一直线e02teaeeakTnCCRTCUn1.2.2运行特性n0-理想空载转速Tk-堵转转矩-直线斜率TnkΔΔ（1）n0、Tk、k的物理意义理想空载转速n0：n0是电磁转矩Te=0时的转速，由于电机空载时Te=T0，电机的空载转速低于理想空载转速。堵转转矩Tk：Tk是转速n=0时的电磁转矩。机械特性的斜率k：斜率k前面的负号表示直线是下倾的。斜率k的大小直接表示了电动机电磁转矩变化所引起的转速变化程度。斜率k大，转矩变化时转速变化大，机械特性软。反之，斜率k小，机械特性就硬。1.2.2运行特性（2）电枢电压对机械特性的影响n0和Tk都与电枢电压成正比，而斜率k则与电枢电压无关。对应于不同的电枢电压可以得到一组相互平行的机械特性曲线。图1-3不同控制电压时的机械特性直流伺服电动机由放大器供电时，放大器可以等效为一个电动势源与其内阻串联。内阻使直流伺服电动机的机械特性变软。1.2.2运行特性2.调节特性调节特性是指负载转矩不变时，电机转速与电枢电压之间的函数关系，即。由得)(0aLseUfncTTTT时，2teaeeaCCRTCUnAUkCCRTCUna12teaseae11Ck2teasCCRTA为特性曲线的斜率；为由负载阻转矩决定的常数。1.2.2运行特性图1-4直流伺服电动机的调节特性调节特性为一上翘的直线。AUkCCRTCUna12teasea1.2.2运行特性Ua0–始动电压K1–特性斜率（1）Ua0和k1的物理意义始动电压Ua0：Ua0是电动机处在待动而又未动临界状态时的控制电压。斜率k1：是由电机本身参数决定的常数，与负载无关。由，当n=0时，便可求得由于，即负载转矩越大，始动电压越高。而且控制电压从0到Ua0一段范围内，电机不转动，故把此区域称为电动机的死区。2teaseaCCRTCUnstaa0aTCRUUe11Cksa0TU1.2.2运行特性（2）总阻转矩对调节特性的影响总阻转矩Ts变化时，，斜率k1保持不变。因此对应于不同的总阻转矩，可以得到一组相互平行的调节特性。3．直流伺服电动机低速运转的不稳定性当电动机转速很低时，转速就不均匀，出现时快、时慢，甚至暂时停一下的现象，这种现象称为直流伺服电动机低速运转的不稳定性。图1-5不同负载时的调节特性sa0TUs3s2s1TTT、、（1）低速运转的不稳定的原因电枢齿槽的影响低速时，反电动势的平均值很小，因而电枢齿槽效应等引起电动势脉动的影响增大，导致电磁转矩波动比较明显。1.2.2运行特性电刷接触压降的影响低速时，控制电压很低，电刷和换向器之间的接触压降开始不稳定，影响电枢上有效电压的大小，从而导致输出转矩不稳定。电刷和换向器之间摩擦的影响低速时，电刷和换向器之间的摩擦转矩不稳定，造成电机本身的阻转矩T0不稳定，因而导致总阻转矩不稳定。（2）解决的措施稳速控制电路直流力矩电动机1.2.2运行特性动态特性是指在电枢控制条件下，在电枢绕组上加阶跃电压时，电机转速n和电枢电流ia随时间变化的规律。产生过渡过程的原因是电机中存在机械惯性和电磁惯性。1.3直流伺服电动机的动态特性1.3.1过渡过程中的电机方程电压平衡方程式转矩平衡方程式aaaaaaddUeRitiLtJTtTsdd)(nCeeaat)(iCtT其中由于在小功率的随动系统中，选择电动机时总是使电动机的额定转矩远大于轴上的总阻转矩。为了推导方便，可以先假定，这样。由和可得0sTtJtTdd)(602nat)(iCtTdtd602dd)(tttanCJtCJCtTinCeeaaaaaaaddUeRitiLe1Cdd602dd6020emmea2tea222teanCUntnCCJRtnCCJL把ia和代入，两边乘以得1.3.1过渡过程中的电机方程2team602CCJRaaeRLea0CUn0m22emddddnntntn0emn、、令为机电时间常数；为电气时间常数；为理想空载转速，则上式可化为是转速的二阶微分方程，对已制成的电机而言,都是常数。1.3.1过渡过程中的电机方程1.3.2转速随时间的变化规律0m22emddddnntntn对于二阶常系数非齐次常微分方程进行拉氏变换得pnpnppnpnp0m2em)()()(特征方程为01m2emppmee2141121，p其两个根为转速表达式为tptpeAeAnn212100t0n0dtdn由初始条件，时，转速，加速度，故有0,02211021pApAnAA,,0211202121npppAnpppAtptpeennn21mememe00/411/411/412)(/41/12meaaatptpeeRUi由此解得转速随时间的变化规律为用同样的分析方法，可找出过渡过程中电枢电流随时间的变化规律1.3.2转速随时间的变化规律tptpeAeAnn21210⑴当时，由，和两根都为负实数。由和可知，电枢电感较小、电枢电阻较大、转动惯量较大时是这种情况。1.3.3过渡过程曲线me4mee2.141121，p1p2p2team602CCJRaaeRLaLaRJ在过渡过程中，转速和电流随时间的变化是非周期的。me4ain、图1-6在时,的过渡过程由和可知，电枢电感较大、电枢电阻较小、转动惯量较小时，就会出现这种振荡现象。图1-7在时,的过渡过程me4mee2.141121，p1p2p2team602CCJRaaeRLaLaRJ(2)当时，由，和两根是共轭复数。在过渡过程中，转速和电流随时间的变化是周期性的。me4ain、1.3.3过渡过程曲线⑶当时（多数情况满足这一条件），很小可以忽略不计。此时转速n为按指数上升的曲线，为按指数下降的曲线。me4e0m22emddddnntntn0mddnntn)1(m/0tennm/aaateRUiai可简化为一阶微分方程其解为同样可得于是式图1-8在时,的过渡过程me4ain、1.3.3过渡过程曲线把代入，得实用上，被定义为转速从零升到空载转速的63.2%所需的时间。把代入，可得mmt)1(m/0tenn0632.0nnm3t)1(m/0tenn095.0nnm3⑷关于机电时间常数机电时间常数定义：电机在空载状态下，励磁绕组加额定励磁电压，电枢加阶跃额定控制电压时，转速从零升到理想空载转速的63.2%所需的时间。可认为过渡过程基本结束，所以为过渡过程所需时间。1.3.3过渡过程曲线1.3.4机电时间常数与电机参数的关系m2team602CCJRkJTnJICCIJR602602602K0aK2teaKam机电时间常数与机械特性的斜率k是正比关系，即机械特性的斜率越小，特性越硬，机电时间常数越小，过渡过程越短；反之就越长。一般直流伺服电动机的机电时间常数大约在十几毫秒到几十毫秒之间。机电时间常数与旋转部分的转动惯量J、电枢回路的电阻成正比。aR机电时间常数还可以表示为1.3.3过渡过程曲线结构1.4特种直流伺服电动机1.4.1直流力矩电动机直流力矩电动机就是为满足低转速大转矩负载的需要而设计制造的电机。直流力矩电动机一般做成圆盘状，电枢长度和直径之比一般为0.2左右；永磁多极式；槽数、换向片数和串联导体数多。图1-9直流力矩电动机结构示意图1-定子；2-电枢铁心；3-电枢绕组；4-槽楔；5-电刷；6-刷架为什么做成圆盘状？aaUEaIi2aaaD在电枢电动势、每极磁通和导体电流相同的条件下，增加导体数N和极对数p，能使转速n降低，电磁转矩Te增大。增加