第章执行机构与驱动单元直流伺服电机.pptxVIP

1.2 直流伺服电机及驱动单元 1.2.1 直流伺服电机的分类及特点 直流伺服电机有永磁式和电磁式两种基本类型。电磁式直流伺服电机按励磁方式的不同又分为他励、并励、串励和复励四种。 直流伺服电机具有以下特点： （1）良好的控制特性：调速方便、范围宽，线性度好，低速性能好。 （2）起动转矩大。 （3）响应快速，即电机的时间常数较小。 1.2.2 直流伺服电机的工作原理 直流电通过电刷和换向片通入导体（电枢），电磁力对转轴构成力矩。 力距： 电磁力： B—磁通密度； l —导体在磁场中的长度； I —导体中流过的电流； D—电枢直径。 电枢 磁极 换向器 电刷 导体ab, cd中通入图中所示方向的电流，根据电磁力定律，可以判断载流导体ab,cd 在磁场中受力方向，形成逆时针方向电磁力矩，线圈逆时针旋转。 当线圈转动180°, 导体cd处于N极下，电流由d到c，S极下导体电流由b到a ，导体受力仍然是逆时针方向。 虽然两段导体中的电流方向发生了变化，但各磁极对应的导体电流方向不变，即转矩不变，从而使其按一定方向连续旋转。 1.2.3 直流伺服电机的特性 1. 稳态关系式 电磁转矩： CT —转矩常数，由电机结构决定； Φ —每极总磁通；Ia —电枢电流。 电枢反电势： Ce —电动势常数，由电机结构决定；n —电枢转速。 转矩平衡： TS—总阻转矩； T0—电机阻转矩； TL —负载转矩。 电压平衡： Ua—电机端电压； Ra—电枢内阻。 2. 机械特性 机械特性是指控制电压信号一定时，转速与电磁转矩之间的关系。即n = f（T），可由前面稳态关系式导出。 n0为理想空载转速，Td为堵转转矩 斜率越小，转速受负载阻转矩变化的影响越小，机械特性越硬;反之，则越软。 电枢电压升高，机械特性曲线向右平移。 控制电路电阻会引起电枢回路总电阻增大，使斜率变大，从而使机械特性变软。 3. 调节特性 (1) 定义 调节特性是指在负载一定的情况下（即总阻转矩一定时），稳态转速随控制电压变化的关系，即n = f（Ua）。 始动电压（由n = 0 → n 0） 负载变化时，调节特性的斜率不变； 负载越大，调节特性曲线越向右移。 始动电压（n = 0 → n0 ） (2)实际调节特性 实际情况下，摩擦力矩和空气阻力矩均随转速升高而增加，即总阻力矩不能保持不变，从而使调节特性在其高速段出现下弯。 空气阻转矩与转速的关系 TL n Ua0 Ua n 4. 动态特性 (1)动态过渡过程产生原因 机械惯性——转动惯量的存在，使转速不能突变，需要经过一个渐变的过程才能达到新的稳态。 电磁惯性——电枢绕组的电感使电枢电流不能突变，也需要经过一个渐变过程，才能达到新的平衡。 调整过程： 重新满足稳态四大关系式时，达到新的稳态，动态过程结束。 (2)动态关系式 J — 转子的总转动惯量；La—电枢回路电感； Ω—转子转动的角速度（Ω =2πn/60）； 其它变量与稳态关系式相同。 在式 则 中， 得： 再由 将上式以及 带入电压平衡式中，则有 Ua为阶跃输入时: 机电时间常数 电气时间常数 设: 则: 过渡过程曲线 4  d   j 4  d   j 1.2.4 直流伺服电机的控制方法 1.直流电机的启动方式 电机从静止状态过渡到稳速的过程称作启动过程。电机的启动性能有以下几点要求： （1）启动时电磁转矩要大，以利于克服启动时的总 阻转矩。 （2）启动时电枢电流要尽可能的小。 （3）电动机有较小的转动惯量和在加速过程中保持 足够大的电磁转矩，以利于缩短启动时间。 直流电机常采用电枢回路串电阻或降压启动方式启动。 2. 直流伺服电机的励磁方式 他励：用另一路电源给励磁绕组供电。 永磁式直流伺服电机可 看作是一种他励式直流 电机。 并励：励磁绕组与电枢绕组并联供电。 串励：励磁绕组与电枢绕组串联供电。 复励：并励和串励方式的综合。 他励 并励 串励 复励 不同励磁方式时的机械特性 串励特性较软，并励或他励特性较硬，而复励具有两者的复合特性。实际应用中可视负载的特性来选择相应的励磁方式。 3. 直流伺服电机的调速 （1）改变电枢电压Ua； （2）电枢回路串入调节电阻Rtj； （3）改变磁通，即改变励磁回路的调节电阻Rfj，以改变励磁电流，进而改变励磁磁通。 4. 直流伺服电机的停转 电机转子和负载具有的惯性，停转时被摩擦和空气阻力矩等慢慢消耗，通常需采取一定的措施来缩短停止转动的时间。 反接制动：在停转前，按照使电机反向转动的方式进行控制，使电