1、第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 直流伺服电机的应用直流伺服电机的应用随动系统随动系统遥控和遥测系统遥控和遥测系统运动控制系统运动控制系统自动化自动化军事技术领域军事技术领域第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 直流伺服电机直流伺服电机自动控制系统对其基本要求：自动控制系统对其基本要求：1）可控性好，控制信号消失即停止运转；）可控性好，控制信号消失即停止运转；2）运行性能好，机械和调节特性均为线性；）运行性能好，机械和调节特性均为线性；3）调速范围广；）调速范围广；4）快速响应性强；）快速响应性强；5）体积小、重量轻、控制功率小）体积小、重量轻、控制功率小第第3 3章章 直
2、流伺服电动机直流伺服电动机 直流电动机工作原理图 3.1 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 A、B两电刷间加直流电压使导体中两电刷间加直流电压使导体中流入电流流入电流(N(S)极下电流方向始终不变极下电流方向始终不变)通电导体受到的电磁力的值为通电导体受到的电磁力的值为F=Bli电磁力对转轴形成顺时针方向的恒电磁力对转轴形成顺时针方向的恒定转矩（定转矩（电磁转矩电磁转矩），），驱动转子而使驱动转子而使其旋转。其旋转。电能电能机械能机械能第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.2 电磁转矩和转矩平衡方程式电磁转矩和转矩平衡方程式 3.2.1 电磁转矩 111222nnniixa
3、paiiiDDDTtFB liNB li2222aaIpDpNNlIDlaa TaTaCIK I一根导体产生的力矩ixaFB li取平均磁通密度pBl2Dp2aaIia60602602TepNCCa转矩系数第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.2.2 电动机转矩平衡方程式 2LdTTJdt电机稳态运行20LTTTT电机转速变化输出转矩阻转矩负载转矩0ddt0ddt电机加速电机减速0sLTTT总阻转矩第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.3 直流电动机的反电势和电压平衡方程式直流电动机的反电势和电压平衡方程式 3.3.1 电枢绕组中的反电势电枢绕组中的反电势电枢导体通电便
4、产生电磁力矩电枢导体通电便产生电磁力矩由左手定则可确定电磁力由左手定则可确定电磁力F的方向，亦的方向，亦即电机旋转方向即电机旋转方向由右手定则可确定导体切割磁力线产由右手定则可确定导体切割磁力线产生的感应电势生的感应电势eaeECn第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.3.2 电动机的电压平衡方程式aaaeUI RnC供电电压稳定aaaaUEI RTLTIanTLTIan供电电压波动aaaaadIUEI RLdt供电电压稳定时第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 电枢回路串联电阻启动aeaaUCnIRaaaUIR0n 为何？启动电流过大！启动电流过大！TaTCI随转速上升，
5、需逐级切除串联电阻！随转速上升，需逐级切除串联电阻！3.4.2 直流电动机的启动方法大功率直接启动小功率3.4 直流电动机的使用直流电动机的使用 第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.4.3 电动机的调速方法 eaaaCRIUn改变电机端电压Ua在电枢回路中串联调节电阻Rtj改变励磁调节电阻RfjUa-nUa-nRtj-nRtj-nRfj-nRfj-n只能使励磁电流减小，只能使励磁电流减小，所以只能将转速调高所以只能将转速调高第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.4.4 改变电动机转向的方法 改变磁通的方向改变电枢电流的方向改变磁通和电枢电流的方向第第3 3章章 直流伺
6、服电动机直流伺服电动机 3.4.5 使用中必须注意的问题 1.启动时要使励磁磁通最大（为获得最大的启动转矩）2.切勿使励磁回路断开启动电路正确接法启动电路错误接法带负载空载将产生很大的堵转电流将产生飞车事故第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.5 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.5.1 直流伺服电动机的分类 永磁式电磁式直流伺服电动机他励励磁方式并励励磁方式串励励磁方式复励励磁方式 3.5.1 直流伺服电动机的结构 直流测速发电机的结构相同 第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.6 直流伺服电动机的稳态特性直流伺服电动机的稳态特性 3.6.1 机械特性机械特性 表征电
7、动机在电枢电压表征电动机在电枢电压Ua不变时，不变时，转速随负载阻转矩转速随负载阻转矩(或电磁转矩或电磁转矩)变化规律的曲线称为电动机的变化规律的曲线称为电动机的机械特性机械特性。aaasaeeTeeTUTRUT RnCC CCC C()aUconstnf T第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 kTnCCTRCUnTeaea02理想空载转速机械特性软硬程度堵转转矩Ua越大，曲线位置越高机械特性曲线第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 控制系统中放大器内阻的影响放大器等效电路aaaaUEI RiaaaiEEIRR2aeTTRkC C 放大器内阻的加入使机械特性变软！第第3 3章
8、章 直流伺服电动机直流伺服电动机 输出转矩的机械特性用输出转矩表示的机械特性 如何得出机械特性曲线()aUconstnf T2()aUconstnf T 直接测出一组n、T2数据，做曲线 测出电枢电流/电压、转速，经过计算后间接测出曲线电磁转矩不可测量第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.6.2 调节特性 电动机在一定的负载转矩下，稳态转速随控制电压变化的关系称为电动机的调节特性。aaasaeeTeeTUTRUT RnCC CCC C var()saTconst oriablenf U！第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 1、负载为常数时调节特性曲线2TeaseaCCRT
9、CUnTs不变时，n与Ua为线性关系！始动电压第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 1、可变负载时调节特性曲线空气阻转矩与转速的关系 可变负载时调节特性 nTL增量IaRa增量Ea增量n增量TaTCIaeECn电压平衡方程式第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 常常用实验的方法直接测出电动机的调节特性。此时电机和负载耦合，并由放大器提供信号电压。在实验中测出电动机的转速n随放大器输入电压U1变化的曲线，因此所得到的是带有放大器的直流电动机的调节特性曲线。如何得出调节特性曲线第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.7 直流伺服电动机在过渡过程中直流伺服电动机在过渡过程中
10、的工作状态的工作状态 电动机从一个稳定状态向另一个稳定状态过渡过程中的工作状态。发电机工作状态反接制动工作状态动能制动工作状态第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.7.1 发电机工作状态电动机状态发电机状态111aaaaUEI R212aaaaUEI R11aaUE21aaUE第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.7.2 反接制动工作状态电动机状态反接制动状态111aaaaUEI R313aaaaUEI R11aaUEUa3方向同于Ea131aaII第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.7.3 动能制动工作状态电动机状态动能制动状态111aaaaUEI R1
11、0aaaEI R11aaUE40aU第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.8 直流伺服电动机的过渡过程直流伺服电动机的过渡过程 为了分析控制系统的动态特性，为了分析控制系统的动态特性，不仅需要知道电不仅需要知道电机在过渡过程中的工作状态，机在过渡过程中的工作状态，而且还要进一步了解而且还要进一步了解电电机的转速、机的转速、转矩、转矩、电流、电流、功率等物理量在过渡过程功率等物理量在过渡过程中随时间变化的规律中随时间变化的规律，以及以及过渡过程时间和电机参数过渡过程时间和电机参数的关系的关系。第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 产生过渡过程的原因产生过渡过程的原因两种惯性机
12、械惯性电磁惯性转动惯量电枢电感转速不能突变电流不能突变时间短得多第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.8.1 伺服电动机过渡过程的分析伺服电动机过渡过程的分析aaaaaaUERIdtdIL动态电压平衡方程式sdTTJdt动态转矩平衡方程式dTJdt260aTJdnICdt0sT 260nTCaeECn202jdjd ndnnndtdt adaLR260ajeTJRC C代入求解120044111142 1p tp tddjjdjnnnee微分方程初始条件000,0ttdnndt机电时间常数电磁时间常数第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 1200112p tp tnnnee
13、过渡过程中转速n、电枢电流Ia随时间变化的规律:21()p tp taaaUIeeR1,2112dp 41dj第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 在 4dj时的过渡过程 在jd时的过渡过程 非周期过渡过程周期振荡过渡过程机电时间常数定义第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 机电时间常数的单位 0260jdnJT单位kgm2单位rmin单位Nm机电时间常数单位s一般直流伺服电动机的机电时间常数大约在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十十几毫秒到几十毫秒毫秒之间。之间。快速低惯量直流伺服电动机的机电时间常数通快速低惯量直流伺服电动机的机电时间常数通常在常在10 m
14、s以下，以下，空心杯电枢永磁直流伺服电动机的机电时空心杯电枢永磁直流伺服电动机的机电时间常数可小到间常数可小到23 ms ms。第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.9 直流力矩电动机直流力矩电动机 产生的原因：某些自动控制系统要求被控对象的运动速度非常低，普通伺服电机的转速很高，需要齿轮减速，而齿轮间隙会造成振荡。应用：雷达天线、位置伺服系统、低速伺服系统优势：转速低、转矩大第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 工作原理和基本结构工作原理和基本结构工作原理和普通伺服电机相同第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 提高转矩的原因提高转矩的原因2aapa a aDTB
15、N l i222abp ab baDTB i N lT2baRR4ball4baNN第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 降低转速的原因降低转速的原因0260aaaapap aND nUEseB la2baRR4ball理想空载理想空载02260babbpbp bNDnUEseB la第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 3.10 低惯量直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机 产生的原因：普通伺服电机转动惯量大、低速运转不够平稳、换向火花对无线电造成干扰，在某些控制系统中应用受到限制应用：高精度的自动控制系统及测量装置、数控机床、雷达天线等优势：转动惯量低第第3 3章章 直流伺服电
16、动机直流伺服电动机 杯形电枢直流伺服电机杯形电枢直流伺服电机用于高精度的自动控制系统及测量装置等设备中。如电视摄像机、录音机、X-Y函数记录仪、机床控制系统等第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 盘形电枢直流伺服电机盘形电枢直流伺服电机用于数控机床、工业机器人、雷达天线驱动和其他伺服系统第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 无槽电枢直流伺服电机无槽电枢直流伺服电机用于要求快速动作、功率较大的系统，例如数控机床和雷达天线驱动等电枢铁心为光滑、无槽的圆柱体。电枢的制造是将敷设在光滑电枢铁心表面的绕组，用环氧树脂固化成型并与铁心粘结在一起。其气隙尺寸较大，定子励磁一般采用高磁能的永久磁钢。第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 直流伺服电机的控制方法直流伺服电机的控制方法1、调节转子电压TaTCIaaaaUEI RaeECnaaasaeeTeeTUTRUT RnCC CCC C当Ts、不变时，n与Ua成线性关系！sTT稳态时第第3 3章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 直流伺服电机的控制方法直流伺服电机的控制方法2、PWM数字调速技术数字控制器脉宽调制功率放大M转速测量*nnUPWMuPWMUfn谢谢！
