伺服系统课件作者钱平第4章节直流电动机调速控制系统.ppt

直流电动机调速控制系统 内容提要 直流电动机概述 直流电动机的单闭环调速系统 双闭环直流电动机调速系统 直流脉宽调速控制系统 转速、电流双闭环调速系统的工程设计法 伺服控制系统的计算机辅助设计 直流电动机概述 直流电动机的基本结构 直流电动机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便地在宽范围内实现无级调速，故多采用在对电动机的调速性能要求较高的生产设备中。 直流电动机的结构如图4-1所示，主要包括三大部分： (1) 定子 定子磁极磁场由定子的磁极产生。根据产生磁场的方式，可分为永磁式和他激式。永磁式磁极由永磁材料制成，他激式磁极由冲压硅钢片叠压而成，外绕线圈，通以直流电流便产生恒定磁场。 (2) 转子 又叫电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。 (3) 电刷与换向片 为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀地连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。 永磁直流伺服电动机及工作原理 在伺服系统中使用的直流伺服电动机，按转速的高低可分为两类：高速直流伺服电动机和低速大扭矩宽调速电动机。目前在数控机床进给驱动中采用的直流电动机主要是70年代研制成功的大惯量宽调速直流伺服电动机。这种电动机分为电励磁和永久磁铁励磁两种，但占主导地位的是永久磁铁励磁式(永磁式)电动机。图4-2是其基本原理的示意图。 电动机转矩平衡方程式 Te=KmIa (4-1) Te=Cm Ia (4-2) Tr=Te-T0=TL (4-3) Te-TL=Jdω/dt (4-4) 在实际工程计算中，经常用转速n代替角速度ω，用飞轮惯量(也称飞轮转矩) DG2代替转动惯量J。ω与n的关系，DG2与J的关系为 ω=2πn /60 J =mρ2 = DG2/4g 式中 m－系统转动部分的质量(Kg)；G －系统转动部分的重力(N)；ρ－为系统转动部分的转动惯性半径(m)；D －为系统转动部分的转动惯性直径(m)；G－为重力加速度。 将上面两式代入式(4-4) 中，可得 Te-TL= DG2/375 (4-5) 式中 GD2－转动部分的飞轮矩(N·m)； 我们称（Te-TL）为动转矩，动转矩等于零时，系统处于恒转速运行的稳态；动转矩大于零时，系统处于加速运行的过渡过程中；动转矩小于零时，系统处于减速运行的过渡过程中。 电动机的电压平衡方程式 E =Keφn (4-6) E =Cen (4-7) 电动机各个电量的方向，如图4-4所示。 图4-4直流电动机中各电量的参考方向 外加电压为U时有 U= E -Ia Ra (4-8) 上式就是直流电动机的电压平衡方程式。它表明了外加电压与反电动势及电枢内阻压降的平衡关系。或者说，外加电压一部分用来抵消反电动势，一部分消耗在电枢电阻上。 电动机转速与转矩的关系 如果把E =Cen代入式(4-8) ，便可得出电枢电流I的表达式 Ia=(U- Cen )/Ra （4-9） 由上式可见，直流电动机和一般的直流电路不一样，它的电流不仅取决于外加电压和自身电阻，并且还取决于与转速成正比的反电动势(当φ为常数) 。将式(4-1) 代入(4-9) 式，可得 n=U/Ce-R Te/ Ce Cm (4-10) 其中Cm=Kmφ，式（4-10）称为电动机的机械特性，它描述了电动机的转速与转矩之间的关系。 图4-5是机械特性曲线族。在这一曲线族中，不同的电枢电压对应于不同的曲线，各曲线是彼此平行的。n0( U/Ce)称为“理想空载转速” ，而⊿n(R Te/ Ce Cm) 称为转速降落。 直流电动机的单闭环调速系统 调速的定义 直流电动机的调速方法 调速指标 单闭环直流调速系统 调速的定义 所谓调速，是指在某一负载下，通过改变电动机或电源参数，来改变机械特性曲线，从而使