1、第一章 伺服电动机 直流伺服电动机 直流力矩电动机 无刷直流电动机 永磁同步电动机 伺服电动机 1.1 简介 伺服电动机又称 执行 电机，在自动控制系统中作为执行 元件。 功能：电压信号 转轴的角位移或角速度 分类：直流伺服电机 -功率较大，几百瓦，也可达 数千 瓦 。 交流 伺服电机 -感应电机，永磁同步电机。 自动控制系统对伺服电动机的基本要求： 宽广的调速范围 机械特性和调节特性为线性 无“自转”现象 -控制电压为零时能立即自行停转 快速响应 伺服电动机 1.2 直流伺服电动机 (DC Servo Motor) 结构与分类 传统型直流伺服电动机 其结构与普通直流电动机基本相同，它可以再分
2、为电磁式和永磁式两种； 定子铁心冲片 电枢冲片 低惯量型直流伺服电动机 A. 盘形电枢直流伺服电动机： 伺服电动机 定子有永久磁铁； 气隙位于圆盘两边； 圆盘上有印刷绕组或绕线式绕组； 绕组的径向段为有效部分，电流沿径向流过圆盘； 电枢绕组有效部分的裸导体表面兼作换向器。 伺服电动机 A. 盘形电枢直流伺服电动机： SNNNNSSS12341绕组 伺服电动机 B. 空心杯电枢永磁式直流伺服电动机 1-内定子， 2-外定子， 3-空心杯电枢， 4-电刷， 5-换向器 453 21外定子为磁钢，内定子为软磁材料，或反之； 非磁性空心杯电枢上可为印刷绕组，也可为绕线式绕组； 空心杯直接装在电机轴上，
3、在内、外定子间的气隙中旋转 国产型号： SYK 伺服电动机 C. 无槽电枢直流伺服电动机 NS电枢铁心上无槽，电枢绕组直接排列在铁心表面，再用环氧树脂将它与电枢铁心固化为一个整体； 定子磁极为电磁或永磁式； 国产型号： SWC。 伺服电动机 控制方式 由直流电机原理知道： 2teeaeaCCTRCUn直流伺服电动机有两种基本控制方式： 1. 电枢控制 改变电枢电压来控制转速，适用于电励磁和永磁励磁直流伺服电动机。 2. 磁极控制 调节磁通来控制转速，仅适用于电励磁直流伺服电动机。但因停转时电枢电流大，磁极绕组匝数多、电感大，时间常数大等缺点，很少采用。 本课程只介绍直流伺服电动机的电枢控制。
4、伺服电动机 acac RIEU 不考虑电机磁路饱和，并忽略负载时电枢反应的影响，则励磁磁通正比于励磁电压，即： fUC cIcUnfU nKnCnapNEeea 60cTctce IKICIapNT 2eTeaec TKKRKUn 伺服电动机 机械特性 控制电压恒定时，电机转速随转矩的变化关系 eeTeaec kTnTKKRKUn 0ecKUn 0理想空载转速： 堵转转矩： caTd URKT 机械特性斜率： eTak KKRTnk 0t a n0Tn321 cccUUU Uc1Uc2Uc3伺服电动机 调节特性 负载转矩恒定时，转速随控制电压变化 调节特性与横坐标的交点，就表示在某一电磁转矩时
5、电动机的始动电压。从原点到始动电压点的一段范围，称为在某一电磁转矩值时伺服电动机的失灵区 ，也称 死区 。 lTeaec TKKRKUn 0nU cT=0T=T1T=T2伺服电动机 动态方程式 acaacc edtdiLRiu 电压方程 运动方程 dtdJTTLecTcte iKiCtT )(TeeeaKKCnCe260TteeKCapNapNCK260260260MaLaRaEcIcULTJ伺服电动机 设： 0LTdtdJiKcT TTaTac KdtdKJLdtdKJRu22TcTaaaTaKudtdKJRdtdRLKJR 2222022 cmem uKdtddtd2Tam KJRaae
6、RL机电时间常数 电气时间常数 当已知各常数，就可解该方程，获得角速度变化规律 伺服电动机 传递函数 对上述方程式进行拉氏变换，用 s表示拉氏算子， 则可得下列象函数方程： )()()()()()()( sEsIsLRsEsIsLRsIsU acaaacaacc aaacc sLRsEsUsI )()()()()()()( ssJsTsTsT Le )()( sIKsT cTe )()()( sKsKsE Tea 每个方程都可以用一个 方块图表示。 伺服电动机 )()( sEsU ac )(sIcaa sLR 1)(sTe)(sTL)(sT)(sTJs1 )(s )(seK)(sEaTK)(s
7、Ic )(sTe)(sUc )()( sEsU ac )(sEa方块图 伺服电动机 设 TL=0，则可简化为： )(sUc)()( sEsU ac aa sLR 1TK)(sTe)(sTL )(sTJs1 )(s)(sEaeK结构图 ()()()()( ) 1 ( )TaaTeaaKR s L Js TKKc a a T eR s L JssKTsU s R s L Js K K 11 22122 ss KssmemKJRKJLKTaTaTJssLRKaaT)( )()( sEsU ac )(sUceK)(s)(sEa 12 ss Kmem)(s)(sUc传递函数： 伺服电动机 通常， ，所以
8、近似有： me ()()( ) 1cmsKTsU s s 时间常数 设电枢外施阶跃电压 Uc，其象函数为： sUsU cc )( mmcmcmcssUKssUKsKsUs 11)1(1)()(伺服电动机 利用拉氏反变换公式： tessL 1)(1可得电机角速度随时间变化的规律为： mmttc eeUKt 11)( 0 t00 . 6 3 2 m4 m0632.0, mt 0985.0,4 mt机械时间常数定义： 当电动机空载时电枢外施阶跃电压，其角速度从 0上升到稳定角速度的 63.2%时所需要的时间。 伺服电动机 2602 TeaeTam CCJRKKJR 机械时间常数与转动惯量成正比； 与
9、电机的每极气隙磁通 的平方成反比，为了减小电机机械时间常数，应增加每极气隙磁通； 与电枢电阻 Ra的大小成正比，为减小时间常数，应尽可能减小电枢电阻，当伺服电动机用于自动控制系统，并由放大器供给控制电压时，应计入放大器的内阻 Ri， Ra+Ri； 直流伺服电动机的机械时间常数一般 30ms，低惯量直流伺服电机的时间常数 10ms。 伺服电动机 机械时间常数也可写为： stTRUKUeTam TJKJKKJRacec0 T0 stT0可见，机械特性曲线越平坦 (即机械特性越硬 )，则 m越小。 伺服电动机 1.3 直流力矩电动机 (Torque Motor) 性能特点： 低速、大转矩，转矩波动小
10、，特性的直线性好，在堵转条件下能长期工作。 原理： 与一般直流伺服电动机相同。 结构特点： 与一般直流伺电动机不同，呈扁平形，以获得较大的转矩。 电枢长度与直径之比一般为 0.2左右。 伺服电动机 为什么 在电枢体积相同、电枢电流和电流密度相同以及磁密相同条件下，能产生较大转矩？ SNNNNNNNNSSSSSSS6134521-定子； 2-转子； 3-电刷； 4-电枢绕组； 5-槽楔兼换向器片；6-铜环 伺服电动机 221DD 21 VV 22122212144 lDlDlD 21 4ll 2l2D1l1DSSNN伺服电动机 电枢导体所占截面积： 44211211 dNKKDS fe 4422
11、2222 dNKKDS fe fe KKdDN 211 fe KKdDN 222 4122121 DDNN Ke 电枢截面利用系数，即槽面积占电枢截面的比例系数； Kf 槽满率。 伺服电动机 当电枢电流相同，电流密度相同时，导线直径相同 ddd 21电机电磁转矩表示式： 12 2 ee TT 2 1111DINBlTe 2 2222DINBlTe 212141421212121 DDNNllTTee空载转速与电枢形状的关系 120DnlNBEa DNlBUnna 11200伺服电动机 一、问题的提出 直流电动机虽然具有优良的调速和起动特性，但由于存在电刷和换向器，需要经常性维护，并且会产生火花
12、和电磁干扰，限制了它的应用范围。 近年发展起来的无刷直流电动机就是为了克服换向器和电刷的滑动接触而发展起来的新型直流电动机。 二、无刷直流电动机的工作原理 第四节 无刷直流电动机 有刷直流电动机工作原理 磁极静止，电枢旋转 f=IBla，这个力形成电磁转矩 根据左手定则，线圈在这个转矩作用下将按逆时针方向旋转 当载流导体转过 180度后，借助电刷 -换向片改变导体中电流方向 第四节 无刷直流电动机 无刷直流电动机原理 电枢静止，磁极旋转，且磁极为永久磁铁。电枢绕组中电流的换向是借助于转子位置传感器和电子开关线路来实现的，所以，无刷直流电动机一般都是由 电动机 、 位置传感器 和 电子开关线路 三部分组成。 无刷直流电动机原理图 第四节 无刷直流电动机 永磁无刷直流电动机的原理框图 直流电源 电子开关 电动机位置传感器输 出第四节 无刷直流电动机 控 制 电 路aibici转 子 位 置 传 感 器永 磁电 机1V 1D 5V3V4V 6V 2V4D 6D 2D3D 5D1H 2H3HABC XYZU
