直流伺服电机特性及应用综述

1、控制电机论文直流伺服电机的原理及应用学生姓名 : 222任课教师： 22学生学号： 22专 业：电气工程及其自动化2014 年 5 月直流伺服电机的原理及应用-22222222引言在上个世纪，工人师傅们花去了大量的时间和精力来手动来 完成很多事情，比如线瓶灌装、系统温度控制等。即使在早期工 业时期，因为电机的不稳定性，好多工作还是人工完成。自从出 现了伺服系统，才改变了这种现状。伺服电机的出现，明显的提 高了产量，同时降低了生产成本。伺服电动机又称执行电动机， 在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电 动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两 大类，其主要特点是

2、，当信号电压为零时无自转现象，转速随着 转矩的增加而匀速下降。本文就伺服电机的特性，性能，具体应 用及其国内外发展状况等方面做简要描述。在编写过程中，本人主要依照这几年来所学电机方面的知识， 并参考了大量与本设计有关的资料文献由于各种类型的伺服电动 机原理大致相同或相似，本人主要以应用较为广泛的直流伺服电 动机作为研究对象 . 主要研究直流伺服电机的结构、工作原理、主 要特性以及应用。尽管已经作了很大的努力，但由于水平实在有限，经验不足， 难免存在一些错误和不妥之处，望老师批评指正。一、伺服电机的工作原理伺服电机因其启动转矩大、运行范围广、无自转现象、快速响 应等特性被广泛用于数字控制机床中。

3、外观如图 1-1 、1-2 。图 1-1 伺服电机外观 图 1-2 伺服电机外观伺服电机（ servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运 转的发动机，是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟 随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服主要 靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到 1 个脉冲， 就会旋转 1 个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机 本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会 发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应， 或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机， 同时又收了多少脉冲回来，这样，

4、就能够很精确的控制电机的转 动，从而实现精确的定位，可以达到 0.001mm。直流伺服电机分为 有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调 速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产 生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通 工业和民用场合。伺服电机 ,可使控制速度 ,位置精度非常准确。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动 控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、 始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位 移或角速度输出。控制电路图如图 1-3 。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的 U/V/W三

5、相电 形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码 器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调 整转子转动的角度。 伺服电机的精度决定于编码器的精度 （线数）分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号 电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。下面 将对直流伺服电机着重介绍。直流伺服电机，指使用直流电源得伺服电动机，实质上就是 一台他励式直流电动机。它包括定子、转子铁芯、电机转轴、伺 服电机绕组换向器、伺服电机绕组、测速电机绕组、测速电机换 向器, 所述的转子铁芯由矽钢冲片叠压固定在电机转轴上构成。直 流电机分为传统型和低惯量型两大类。图 1-4

6、直流电机工作原理图 1-5 直流电机工作原理直流伺服电机是梯形波， 而交流伺服要好一些， 因为是正弦波 控制，转矩脉动小。但直流伺服比较简单、便宜。此外，直流电 机一般用在功率稍大的场合，其输出功率一般为 1 600w,但有时 也可以用在数千瓦的系统。近几年， 随着电子技术的高速发展， 伺服电机也有了很大的发 展，出现各种新型结构的伺服电机，比如：图 1-6 盘型电枢伺服电机结构示意图图 1-7 电磁式直流伺服电机的定子冲片二、伺服电机的主要特性直流伺服电机调速性能好。 所谓“调速性能”， 是指电动机在 一定负载的条件下，根据需要，人为地改变电动机的转速。直流 电动机可以在重负载条件下，实现均

7、匀、平滑的无级调速，而且 调速范围较宽。起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节。 因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大 型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都用直流电动机拖 动。2.1 直流伺服电机的控制方式他励式直流电动机，当励磁电压 U 恒定，又负载转矩一定时， 升高电枢电压 Ua，电机的转速随之增高；反之，电机的转速就降 低；若电枢电压为 0，则电机停转。当电枢电压的极性改变后，电 机的旋转方向随之改变。因此，把电枢电压作为控制信号就可以 实现对电动机的转速控制，这种控制方式成为电枢控制。2.2 运行特性直流伺服电机电枢控制工作原理图如图 2-1 所示：图 2-

8、1 直流伺服电机电枢控制工作原理图为了分析简便，先做如下假设：电机的磁路为不饱和，其电刷 又位于集合中性线。这样，直流电动机点数回路的电压平衡方程 式应为U a Ea IaRa（1-1）其中 Ra 为电枢回路的总电阻当磁通 恒定时，则有电动机的电磁转矩为联立以上三式得Ea Ct n KenRaKeKtKeTem1-2)1-3)(1-4)由上述转速公式可以得到直流伺服电机的机械特性和调节特 性。机械特性，在输入的电枢电压 Ua 保持不变时，电机的转速 n 随电磁转矩 M变化而变化的规律，称直流电机的机械特性。直流 电机的机械特性曲线如图 2-2 ：K值大表示电磁转矩的变化引起电机转速的变化大，这

9、种情况 称直流电机的机械特性软；反之，斜率 K 值小，电机的机械特性 硬。在直流伺服系统中，总是希望电机的机械特性硬一些，这样， 当带动的负载变化时，引起的电机转速变化小，有利于提高直流 电机的速度稳定性和工件的加工精度。 功耗增大。图 2-2 机械特性曲线调节特性，直流电机在一定的电磁转矩 M（或负载转矩）下电 机的稳态转速 n 随电枢的控制电压 Ua变化而变化的规律，被称为 直流电机的调节特性。直流电机的调节特性曲线如图 2-3 ：图 2-2 调节特性曲线斜率 K反映了电机转速 n 随控制电压 Ua的变化而变化快慢的 关系，其值大小与负载大小无关，仅取决于电机本身的结构和技 术参数。动态特

10、性， 从原来的稳定状态到新的稳定状态， 存在一个过渡 过程，这就是直流电机的动态特性决定时间常数的主要因素有：惯性 J 的影响、电枢回路电阻 Ra的影响、机械特性硬度的影响。三、直流伺服电机的应用如图 3-1 所示 ，在本应用系统中，多个灌装头线与瓶因为他 们沿着不断线。每个灌装头必须匹配了一个瓶子，瓶子轨道，而 它正朝着。产品是作为配移动的喷嘴与瓶。在本应用 10 个喷嘴安 装在一辆马车是驱动滚珠丝杠机制。在滚珠丝杠机制也称为丝杠。 当电动机转动轴滚珠丝杠，马车将沿着横向的长度滚珠丝杠轴。 因为伺服电机快速响应这一特性，因此这一运动将是顺利的，使 每一个喷嘴可避免 pense 产品的瓶子没有

11、油污。伺服驱动系统采用了定位驱动器控制器的软件，能够准确的 确定位置和速度信息，因而位置和速度被跟踪的输送线移动瓶。 主编码器跟踪瓶因为他们沿着输送线。一种螺旋式进料系统也使 用之前的地步瓶进入加油站。螺旋导致具体数额的空间之间的规 定，每瓶在进入加油站。该瓶可装紧紧他们的做法螺旋，但他们 通过螺旋其空间是完全相同，使脖子的瓶子将符合生育间隔的灌 装喷嘴。探测器还结合配药制度，以确保没有任何产品是免除从 喷管一瓶，如果丢失或出现大空格之间瓶。伺服驱动系统比较的立场瓶从主编码器的反馈信号， 表明的立 场，填补运输安装的滚珠丝杆。伺服驱动器放大器将增加或减少 的速度滚珠丝杠机制，使喷嘴将匹配的速度

12、瓶到底。四、个人总结通过学习这门课程，我学到了很多的东西，同时，我也发现 了自己有很多不足的地方，之前看似简单、看似毫无知识点的地 方，其实隐藏了很多的奥秘。除了书上的东西没有学透之外，我 们还要多多关注科技发展，由于课本的不及时性，有好多东西都 是我们接触不到的。所以我们还是要加强学习，不但要学习书上 知识，还要尽可能的学一些科技前沿的知识，如果有可能的话， 还可以关注一下国际科技上的比较新的成果。以前不知道，看过 才知道自己是多么鄙陋。随着数控技术的迅速发展，伺服系统的作用与要求越显突出， 伺服电动机的应用也越来越为广泛。因为工业发展迅速，直流伺 服电机已经不能满足我们的需求，针对直流电动

13、机的缺陷，如果 将其里外作相应的调整处理，即把电驱绕组装在定子、转子为永 磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置，就构成了永磁无刷 电动机，同时随着矢量控制方法的实用化，使交流伺服系统具有 良好的伺服特性，其宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及 四象限运行等良好的技术性能，使其动、静态特性已完全可与直 流伺服系统相媲美。同时可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调 速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。交流伺服系统由于控制 原理的先进性，成本低、免维护，并且控制特性正在全面超越直 流伺服系统，其势必将在绝大多数应用领域代替传统的直流伺服 电机。通过这篇论文，我已经能够大概的理清了伺服电机的内部结 构、用途、分类、工作原理以及应用范围等等。以后我会加强学 习，争取能够学的更精更强。参考文献：1 方爱平 . 基于单片机的步进电机控制系统的设计与实现D. 杭州：浙江工业大学， 2008.2 任彦硕 , 赵一丁 , 张家生 . 自动控制系统 M. 北京：北京邮电大学出版社 2006.3 阎石 .数字电子技术基础 M. 北京：高等教育出版社， 1998.4 华成英 , 童诗白 . 模拟电子技术基础 M. 北京：高等教育出版社， 2006.