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文档简介

1、直流伺服电机直流伺服电动机及驱动控制技术直流伺服电动机及驱动控制技术3.1 概述概述3.2 永磁直流伺服电机结构及工作原理永磁直流伺服电机结构及工作原理 3.3 直流伺服电动机的动态特性直流伺服电动机的动态特性3.4 特种直流伺服电动机特种直流伺服电动机3.5 直线直流电动机直线直流电动机3.6永磁直流伺服电机功率放大器永磁直流伺服电机功率放大器直流伺服电机2. 伺服电动机的一般规律伺服电动机的一般规律 普通直流伺服电动机直流伺服电动机直流伺服电动机 低惯量直流伺服电动机 直流力矩电动机 两相感应伺服电动机交流伺服电动机交流伺服电动机 三相感应伺服电动机 无刷永磁伺服电动机直线伺服电动机直线伺

2、服电动机 电机为直线运动1. 伺服电动机的概念伺服电动机的概念伺服电动机又称为执行电动机,其功能是把输入的电压信号变换成可控的转轴的角位移或角速度输出。直流伺服电机一般规律一般规律u伺服电机的定子和转子由永磁体或铁芯线圈构成。伺服电机的定子和转子由永磁体或铁芯线圈构成。u永磁体产生磁场,而铁芯线圈通电后也会产生磁场。永磁体产生磁场,而铁芯线圈通电后也会产生磁场。u定子磁场和转子磁场相互作用产生力矩,使电机带定子磁场和转子磁场相互作用产生力矩,使电机带动负载运动,从而通过磁的形式将电能转换为机械动负载运动,从而通过磁的形式将电能转换为机械能。能。直流伺服电机一般规律一般规律u永磁体或铁芯线圈产生

3、磁场的根源是存在着磁通势。永磁体或铁芯线圈产生磁场的根源是存在着磁通势。u永磁体的磁通势是常量,大小由体积和材料导磁性能决永磁体的磁通势是常量,大小由体积和材料导磁性能决定,方向是由定,方向是由N极指向极指向S极。极。u而铁芯线圈产生的磁通势遵循如下的关系式:而铁芯线圈产生的磁通势遵循如下的关系式: Fm=IW安匝安匝 式中式中Fm磁通势,或简称磁势;磁通势,或简称磁势; I线圈中流过的电流;线圈中流过的电流; W线圈匝数,或绕组匝数。线圈匝数,或绕组匝数。u在同样铁芯下,线圈匝数越多,通过线圈的电流越大,在同样铁芯下,线圈匝数越多,通过线圈的电流越大,产生的磁通势越大。磁势的方向与线圈中的电

4、流成右螺旋产生的磁通势越大。磁势的方向与线圈中的电流成右螺旋关系。关系。u磁势是即有大小又有方向的量,可用矢量表示。磁势是即有大小又有方向的量,可用矢量表示。直流伺服电机电机理论指出:电机产生的转矩为电机理论指出:电机产生的转矩为式中式中 Fr , Fs转、定子磁势的幅值;转、定子磁势的幅值; r-s 转、定子磁势之间的夹角。转、定子磁势之间的夹角。要想增大力矩,必须增大定、转子磁势。要想增大力矩,必须增大定、转子磁势。当定子磁势与转子磁势相互垂直时,产生的转矩最大。当定子磁势与转子磁势相互垂直时,产生的转矩最大。电机统一理论是所有电机工作的基础。电机统一理论是所有电机工作的基础。一般规律一般

5、规律sin()TFr FsrsTFrFs 直流伺服电机一般规律一般规律电机的基本运动方程电机的基本运动方程式中式中 T电机转矩电机转矩, 单位为单位为Nm; Tf负载转矩,单位为负载转矩,单位为Nm; J电机转子及负载的转动惯量,单位为电机转子及负载的转动惯量,单位为Kgm2; 电机位置,单位为电机位置,单位为radu电机的基本运动方程指出电机转矩、转速之间的关系。电机的基本运动方程指出电机转矩、转速之间的关系。u在负载一定条件下,只有改变电机转矩才能改变电机转速。在负载一定条件下,只有改变电机转矩才能改变电机转速。 当电机转矩大于负载转矩时,电机产生加速运动;当电机转矩大于负载转矩时,电机产

6、生加速运动; 当电机转矩小于负载转矩时,电机产生减速运动;当电机转矩小于负载转矩时,电机产生减速运动; 当电机转矩等于负载转矩时,电机恒速运动。当电机转矩等于负载转矩时,电机恒速运动。u电机及负载转动惯量是影响速度变化的另一主要因素电机及负载转动惯量是影响速度变化的另一主要因素fdTJTd t直流伺服电机u负载的加速度要求和转动惯量对选择伺服电机是很重要的。负载的加速度要求和转动惯量对选择伺服电机是很重要的。u如果要求负载以高加速度运动或负载的转动惯量较大,即如果要求负载以高加速度运动或负载的转动惯量较大,即使负载转矩很小,也可能需要大转矩的电机;使负载转矩很小,也可能需要大转矩的电机;u反之

7、,如果负载要求的加速度很小或负载的转动惯量较小,反之,如果负载要求的加速度很小或负载的转动惯量较小,即使负载转矩很大,也可能小转矩的电机就能满足要求。即使负载转矩很大,也可能小转矩的电机就能满足要求。fdTJTd t一般规律一般规律电机的基本运动方程电机的基本运动方程直流伺服电机一般规律一般规律伺服电机的四象限运行伺服电机的四象限运行 u伺服系统常要求伺服电机即能正向运动,又能反伺服系统常要求伺服电机即能正向运动,又能反向运动;即能加速运动又能减速运动。这就向运动;即能加速运动又能减速运动。这就要求要求电机力矩的大小及方向都能改变。电机力矩的大小及方向都能改变。fdTJTd t直流伺服电机u电

8、机的这种力矩一速度关系可以电机的这种力矩一速度关系可以4象限形式象限形式表示出来表示出来u电机在做正向或反向的加速或匀速运动时,输出力矩和速电机在做正向或反向的加速或匀速运动时,输出力矩和速度的方向一致,电机产生驱动转矩度的方向一致,电机产生驱动转矩“推推”动电机旋转,这动电机旋转,这种状态称为种状态称为电动状态电动状态;u当电机做正向或反向的减速运动时,力输出矩和速度的方当电机做正向或反向的减速运动时,力输出矩和速度的方向相反,电机产生制动转矩;向相反,电机产生制动转矩;“拉拉”动电机停止,这种状动电机停止,这种状态称为态称为制动状态制动状态。一般规律一般规律伺服电机的四象限运行伺服电机的四

9、象限运行 直流伺服电机 典型电梯典型电梯u四象限运行能力是伺服电机与一般电机区别的一四象限运行能力是伺服电机与一般电机区别的一个重要标志。个重要标志。u它要求电机能提供方向及大小均可控制的转矩和它要求电机能提供方向及大小均可控制的转矩和转速。转速。一般规律一般规律伺服电机的四象限运行伺服电机的四象限运行 直流伺服电机u 力矩和速度的可控性力矩和速度的可控性u 快速响应能力快速响应能力u 宽调速范围宽调速范围u 较高的过载能力较高的过载能力u 具有频繁起、制动具有频繁起、制动的能力3. 控制系统对伺服电动机的基本要求控制系统对伺服电动机的基本要求直流伺服电机3.2 永磁直流伺服电机结构及工作原理

10、 1、永磁直流伺服电机的结构、永磁直流伺服电机的结构2、永磁直流伺服电机的工作原理、永磁直流伺服电机的工作原理直流伺服电机3.2.1 永磁直流伺服电机的结构永磁直流伺服电机的结构u由定子磁极、转子电枢和换向机构组成;由定子磁极、转子电枢和换向机构组成;u定子磁极一般为瓦状永磁体,可为两极或多极结构;定子磁极一般为瓦状永磁体,可为两极或多极结构;u转子的结构有多种形式,最常见的是在有槽铁心内铺设绕转子的结构有多种形式,最常见的是在有槽铁心内铺设绕组的结构。铁芯由冲压成的硅钢片一类材料迭压而成;组的结构。铁芯由冲压成的硅钢片一类材料迭压而成;u换向机构由换向环和电刷构成。绕组导线连接到换向片上,换

11、向机构由换向环和电刷构成。绕组导线连接到换向片上,电流通过电刷及换向片引入到绕组中。电流通过电刷及换向片引入到绕组中。 直流伺服电机3.2.2 永磁直流伺服电机的工作原理永磁直流伺服电机的工作原理u 转矩的方向将使转子逆时针旋转。当转子旋转以后,夹角的变化将使转转矩的方向将使转子逆时针旋转。当转子旋转以后,夹角的变化将使转矩的大小及方向都发生变化,这将使电机转子来回摆动。矩的大小及方向都发生变化,这将使电机转子来回摆动。u 要想维持电机单方向稳定转动,必须维持要想维持电机单方向稳定转动,必须维持dFr的方向不变;使的方向不变;使 保保持不变。持不变。u 而且如果能使而且如果能使 u 即即定子磁

12、势和转子磁势相互垂直,则能得到最大转矩定子磁势和转子磁势相互垂直,则能得到最大转矩。 sin()dTdFr Fsrssr2sr直流伺服电机u电枢有多个线圈,每个线圈电枢有多个线圈,每个线圈产生的磁势矢量相加得到合产生的磁势矢量相加得到合成磁势。成磁势。u这仅使电机力矩更大一些,这仅使电机力矩更大一些,合成磁势的方向依然随转子合成磁势的方向依然随转子旋转而改变。力矩的大小及旋转而改变。力矩的大小及方向改变的问题依然存在。方向改变的问题依然存在。u假如我们在转子旋转时,能假如我们在转子旋转时,能通过电流换向,始终保证电通过电流换向,始终保证电枢几何中性面以上的全部绕枢几何中性面以上的全部绕组端子为

13、电流流进,下面的组端子为电流流进,下面的绕组端子为电流流出,就能绕组端子为电流流出,就能保证转子合成磁势的方向不保证转子合成磁势的方向不变,且与定子磁势垂直。变,且与定子磁势垂直。u这个工作是由换向机构完成这个工作是由换向机构完成的。的。 3.2.2 永磁直流伺服电机的工作原理永磁直流伺服电机的工作原理直流伺服电机 u由于换向环和电刷的作用,当电枢旋转时,每一个经过电由于换向环和电刷的作用,当电枢旋转时,每一个经过电刷的绕组,其电流的方向都被自动改变,转子的合成磁势刷的绕组,其电流的方向都被自动改变,转子的合成磁势维持方向不变。这保证了在转子旋转时定子磁势和转子磁维持方向不变。这保证了在转子旋

14、转时定子磁势和转子磁势总是相互垂直。势总是相互垂直。3.2.2 永磁直流伺服电机的工作原理永磁直流伺服电机的工作原理直流伺服电机力矩的波动力矩的波动u由于换向片的数目是有限的,由于换向片的数目是有限的,转子磁势的方向会有微小的转子磁势的方向会有微小的变化。这将导致力矩的波动。变化。这将导致力矩的波动。u当电机高速旋转时,由于电机转子和负载惯量的平滑作用,当电机高速旋转时,由于电机转子和负载惯量的平滑作用,这个影响可以忽略。这个影响可以忽略。u但当电机工作在低速状态时,可能会产生问题。但当电机工作在低速状态时,可能会产生问题。u可增加绕组、换向片或定子的极对数解决这个问题。可增加绕组、换向片或定

15、子的极对数解决这个问题。3.2.2 永磁直流伺服电机的工作原理永磁直流伺服电机的工作原理直流伺服电机3.3 永磁直流伺服电机工作特性永磁直流伺服电机工作特性1、数学模型、数学模型2、静态特性、静态特性3、动态特性、动态特性直流伺服电机力矩和电流的关系:力矩和电流的关系:式中式中 Fs, Fr 定、转子磁势的幅值;定、转子磁势的幅值; s , r 定、转子磁势之间的夹角。定、转子磁势之间的夹角。因为因为 Fs =常量,常量,Fr =IW,所以当线圈匝数,所以当线圈匝数W保持一定时,保持一定时, T=Kt I u 即力矩完全由电流控制,力矩大小及方向由电枢电流大小及极性决即力矩完全由电流控制,力矩

16、大小及方向由电枢电流大小及极性决定。定。u 力矩系数力矩系数 Kt与电枢绕组匝数及定子磁极的磁通势有关,其单位为与电枢绕组匝数及定子磁极的磁通势有关,其单位为Nm/A。sin()srTFs Fr直流伺服电机fdTJTdt 电机基本运动方程:电机基本运动方程:直流伺服电机反电势和转速的关系反电势和转速的关系u电枢旋转时切割定子磁极的磁力线,根据电磁感电枢旋转时切割定子磁极的磁力线,根据电磁感应定律,这将在电枢绕组中产生感应电势应定律,这将在电枢绕组中产生感应电势e,其值,其值为为 : u即即感应电势正比于电机转速感应电势正比于电机转速, 系数系数Ke与电枢绕组匝与电枢绕组匝数及定子磁极磁势有关,

17、其单位为数及定子磁极磁势有关,其单位为伏伏/弧度弧度/秒秒u感应电势出现在电刷两端,与电刷上所加的电枢感应电势出现在电刷两端,与电刷上所加的电枢电压方向相反,因此常称做电压方向相反,因此常称做反电势反电势。eeK直流伺服电机 电压平衡方程式电压平衡方程式 电枢的等效电路电枢的等效电路根据基尔霍夫电压定律根据基尔霍夫电压定律电枢回路电压方程式电枢回路电压方程式为:为:式中式中 Ua、ia电枢电压、电枢电流;电枢电压、电枢电流; L、R电枢等效电感、等效电阻;电枢等效电感、等效电阻; e反电势。反电势。eRidtdiLUaaa直流伺服电机u由电枢回路电压方程式可见,真正产生力矩的电压等于加由电枢回

18、路电压方程式可见,真正产生力矩的电压等于加到绕组上的电压减去反电势,电机的反电势常数在设计时到绕组上的电压减去反电势,电机的反电势常数在设计时这样考虑:当电机工作在额定转速时,这样考虑:当电机工作在额定转速时,Ua-e的值必须能产的值必须能产生足够的电流,以使电机能产生额定力矩。生足够的电流,以使电机能产生额定力矩。eRidtdiLUaaa直流伺服电机3.3.2 永磁直流伺服电机的工作特性永磁直流伺服电机的工作特性静态特性静态特性aaaft adiuLi RedtdTJTdtTK ieKe0;0adidLJdtdtuafeteRTKK K静态特性:静态特性:电机的动态加速过程已经结束,进入恒速

19、恒力矩电机的动态加速过程已经结束,进入恒速恒力矩输出状态时的特性输出状态时的特性 直流伺服电机图 1-2 直流伺服电动机的机械特性机械特性为一直线0ennkTuafeteRTKK K1. 机械特性机械特性机械特性是指电枢电压等于常数时,转速与负载转矩之间机械特性是指电枢电压等于常数时,转速与负载转矩之间的函数关系。的函数关系。3.3.2 永磁直流伺服电机的工作特性永磁直流伺服电机的工作特性静态特性静态特性直流伺服电机(1)n0、Tk、k的物理意义的物理意义理想空载转速理想空载转速n0:n0是负载转矩=0时的转速。 堵转转矩堵转转矩Tk:Tk是转速n=0时的电磁转矩。 机械特性的斜率机械特性的斜

20、率k :斜率k前面的负号表示直线是下倾的。斜率k的大小直接表示了电动机电磁转矩变化所引起的转速变化程度。斜率k大,转矩变化时转速变化大,机械特性软。反之,斜率k小,机械特性就硬。3.3.2 永磁直流伺服电机的工作特性永磁直流伺服电机的工作特性静态特性静态特性直流伺服电机(2)电枢电压对机械特性的影响)电枢电压对机械特性的影响n0和和Tk都与电枢电压成正比,而斜率都与电枢电压成正比,而斜率k则与电枢电压无关。则与电枢电压无关。对应于不同的电枢电压可以得到一组相互平行的机械特性曲线。对应于不同的电枢电压可以得到一组相互平行的机械特性曲线。 图 1-3 不同控制电压时的机械特性0ennkTuafet

21、eRTKK K3.3.2 永磁直流伺服电机的工作特性永磁直流伺服电机的工作特性静态特性静态特性直流伺服电机2. 调节(控制)特性调节(控制)特性调节特性是指负载转矩不变时,电机转速与电枢电压之间的函数调节特性是指负载转矩不变时,电机转速与电枢电压之间的函数关系,即:关系,即:1ankUA1kA为特性曲线的斜率;为由负载阻转矩决定的常数。uafeteRTKK K控制特性为一上翘的直线。 始动电压 特性斜率a0U1k3.3.2 永磁直流伺服电机的工作特性永磁直流伺服电机的工作特性静态特性静态特性直流伺服电机(1) Ua0和和k1的物理意义的物理意义斜率斜率k1: 是由电机本身参数决定的常数,与负载

22、无关。是由电机本身参数决定的常数,与负载无关。始动电压始动电压Ua0: Ua0是电动机处在待动而又未动临界状态时的控制电压。是电动机处在待动而又未动临界状态时的控制电压。当当n=0时,便可求得。负载转矩越大,始动电压越高。而且控制电压时,便可求得。负载转矩越大,始动电压越高。而且控制电压从从0到到Ua0一段范围内,电机不转动,故把此区域称为电动机的一段范围内,电机不转动,故把此区域称为电动机的死区死区。1k1ankUAuafeteRTKK K3.3.2 永磁直流伺服电机的工作特性永磁直流伺服电机的工作特性静态特性静态特性直流伺服电机(2)负载转矩对调节特性的影响)负载转矩对调节特性的影响负载转

23、矩变化时,斜率k1保持不变。因此对应于不同的负载转矩,可以得到一组相互平行的调节特性。3直流伺服电动机低速运转的不稳定性直流伺服电动机低速运转的不稳定性当电动机转速很低时,转速就不均匀,出现时快、时慢,甚至暂时停一下的现象,这种现象称为直流伺服电动机低速运转的不稳定性。(1)低速运转的不稳定的原因)低速运转的不稳定的原因电枢齿槽的影响电枢齿槽的影响 低速时,反电动势的平均值很小,因而电枢齿槽效应等引起电动势脉动的影响增大,导致电磁转矩波动比较明显。3.3.1 永磁直流伺服电机的工作特性永磁直流伺服电机的工作特性静态特性静态特性直流伺服电机 电刷接触压降的影响电刷接触压降的影响 低速时,控制电压

24、很低,电刷和换向器之间的接触压降开始不稳定,影响电枢上有效电压的大小,从而导致输出转矩不稳定。 电刷和换向器之间摩擦的影响电刷和换向器之间摩擦的影响 低速时,电刷和换向器之间的摩擦转矩不稳定,造成电机本身的阻转矩不稳定。(2)解决的措施)解决的措施 稳速控制电路 直流力矩电动机3.3.2 永磁直流伺服电机的工作特性永磁直流伺服电机的工作特性静态特性静态特性直流伺服电机 u由调节特性可见,同样负载条件下,转速和电压成线性关由调节特性可见,同样负载条件下,转速和电压成线性关系,系,转速的高低及方向完全由电枢电压的幅值和极性决定转速的高低及方向完全由电枢电压的幅值和极性决定u由机械特性可见,同样电枢

25、电压下,由机械特性可见,同样电枢电压下,负载变大时,电机转负载变大时,电机转速将降低速将降低,这个特性可由速度回路加以改善。,这个特性可由速度回路加以改善。uafeteRTKK K调节特性调节特性 机械特性机械特性3.3.2 永磁直流伺服电机的工作特性永磁直流伺服电机的工作特性静态特性静态特性直流伺服电机3.3直流伺服电动机的动态特性直流伺服电动机的动态特性3.3.1过渡过程中的电机方程过渡过程中的电机方程3.3.2直流伺服电动机的动态特性直流伺服电动机的动态特性直流伺服电机动态特性是指在电枢控制条件下,在电枢绕组上加阶跃电压动态特性是指在电枢控制条件下,在电枢绕组上加阶跃电压时,电机转速时,

26、电机转速n和电枢电流和电枢电流ia随时间变化的规律。产生过渡过随时间变化的规律。产生过渡过程的原因是电机中存在程的原因是电机中存在机械惯性机械惯性和和电磁惯性电磁惯性。 3.3直流伺服电动机的动态特性直流伺服电动机的动态特性3.3.1过渡过程中的电机方程过渡过程中的电机方程电压平衡方程式 转矩平衡方程式力矩和电流关系反电势和转速的关系aaaft adiuLi RedtdTJTdtTK ieKe直流伺服电机3.3直流伺服电动机的动态特性直流伺服电动机的动态特性微分方程求解方法 直流伺服电机 一、拉普拉斯变换的定义dtetfsFst 0)()(:)(tf时域函数,原函数,t 0 时等于0。:)(s

27、Ff(t)的拉普拉斯变换,复频域函数s = + j 复频率u 拉氏变换拉氏变换即拉普拉斯变换。为简化计算而建立的实变即拉普拉斯变换。为简化计算而建立的实变量函数和复变量函数间的一种函数变换。拉普拉斯变量函数和复变量函数间的一种函数变换。拉普拉斯变换的这种运算步骤对于求解线性微分方程尤为有效,换的这种运算步骤对于求解线性微分方程尤为有效,它可把微分方程化为容易求解的代数方程来处理,从它可把微分方程化为容易求解的代数方程来处理,从而使计算简化。而使计算简化。3.3直流伺服电动机的动态特性直流伺服电动机的动态特性直流伺服电机 L变换重要定理变换重要定理(2)微分定理(5)位移定理(1)线性性质(3)

28、积分定理(4)延迟定理(6)初值定理(7)终值定理 (s)Fb(s)Fa(t)fb(t)faL2121 0fsFstfL 0111-fssFsdttfL )()(0sFetfLs )()(AsFtfeLtA )(lim)(lim0sFstfst )(lim)(lim0sFstfst 3.3直流伺服电动机的动态特性直流伺服电动机的动态特性直流伺服电机传递函数的定义在零初始条件下(输入量施加于系统之前,系统处于稳定的工作状态,即t 10 Te,则:则: 直流伺服电机的动态特性可由一个比例环节和两个惯性环直流伺服电机的动态特性可由一个比例环节和两个惯性环节的乘积表示节的乘积表示。1( )( )(1)

29、(1)eaKsusTmSTeS2211( )( )( )1( )( )11eeamemetetKKsG sJLJRusG s H sT T ST sssK KK KteJRTmK KRLTe TmTe 直流伺服电机u惯性环节特点:输出量不能立即跟随输入量的变化,存在惯性环节特点:输出量不能立即跟随输入量的变化,存在时间延迟,延迟时间的长短可以用时间常数时间延迟,延迟时间的长短可以用时间常数T衡量。衡量。u由于存在着机电时间常数,电机的转速不能突变;由于存在着机电时间常数,电机的转速不能突变; u由于存在着电气时间常数,电机的电流不能突变;由于存在着电气时间常数,电机的电流不能突变; 3.3直流

30、伺服电动机的动态特性直流伺服电动机的动态特性u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毫秒十几毫秒到几十毫秒之间。之间。直流伺服电机小结 T=Kt I 力矩完全由电流控制。力矩完全由电流控制。 由调节特性和机械特性可见由调节特性和机械特性可见转速由电枢电压控制,转速由电枢电压控制,但受负载大小影响。但受负载大小影响。 电机中存在着电气时间常数和机电时间常数,受电机中存在着电气时间常数和机电时间常数,受其影响,电枢中电机转速不能突变其影响,电枢中电机转速不能突变。直流伺服电机3.4 特种直流伺服电动机特种直流伺服电动机3.4.1 直流力矩电动机直

31、流力矩电动机3.4.2 低惯量直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机直流伺服电机l 结构结构3.4 特种直流伺服电动机特种直流伺服电动机3.4.1 直流力矩电动机直流力矩电动机直流力矩电动机就是为满足低转速大转矩负载的需要而设计制造的电机。直流力矩电动机一般做成圆盘状,电枢长度和直径之比一般为0.2左右;永磁多极式;槽数、换向片数和串联导体数多。图1-9 直流力矩电动机结构示意图 1-定子;2-电枢铁心;3-电枢绕组;4-槽楔;5-电刷;6-刷架直流伺服电机为什么做成圆盘状?为什么做成圆盘状?aaUE aIi2aaaD在电枢电动势 、每极磁通 和导体电流 相同的条件下,增加导体数N和极对数p,能使

32、转速n降低,电磁转矩Te增大。增加电枢直径,可以使电枢槽面积变大,以便把更多的导体放入槽内。同时电枢直径 的增加,使电机定子内径变大,可以放置更多的磁极。l 特点特点可知和由 )(22 )(60 60aeapNaIIapNTnpNanapNEa电机转速低、转矩大,能够长期在堵转或低速状态下运行;反应速度快、转矩和转速波动小;机械特性和调节特性线性度好。3.4.1 直流力矩电动机直流力矩电动机直流伺服电机3.4.2 低惯量直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机1空心杯形转子直流伺服电动机空心杯形转子直流伺服电动机杯形转子直流伺服电动机又称动圈式直流伺服电动机。l 结构结构杯形电枢绕组是用导线绕在绕线

33、模上,然后用环氧树脂定形做成的。杯形转子内外两侧有内外定子构成磁路。转子无铁心。图1-10 杯形转子直流伺服电动机l-内磁轭;2-电枢绕组;3-永久磁钢;4-机壳(磁轭);5-电刷;6-换向器直流伺服电机u低惯量;灵敏度高,时间常数很小,力矩波动小,低速转动平稳,噪音很小;换向性能好,寿命长。l 特点特点u杯形转子直流伺服电动机已系列化生产,输出功率从零点几瓦至几kW,多用于高精度自动控制系统及测量装置等设备中。3.4.2 低惯量直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机直流伺服电机2印制绕组(盘式)直流伺服电动机印制绕组(盘式)直流伺服电动机l 结构结构 u转子呈薄片圆盘状,厚度一般为(1.52)

34、mm,转子的绝缘基片是环氧玻璃布胶板。胶合在基片两侧的铜箔用印刷电路制成双面电枢绕组,电枢导体还兼作换向片。定子由永久磁钢和前后盘状轭铁组成,轭铁兼作前后端盖。组成多极的磁钢胶合在轭铁一侧,在电机中形成轴向的平面气隙。 u绕组导体兼作换向器,电刷直接在导体上滑动。图1-11 印制绕组直流伺服电动机l-后轭铁(端盖);2-永久磁钢;3-电刷;4-印制绕组;5-机壳;6-前轭铁(端盖) 3.4.2 低惯量直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机直流伺服电机l 性能特点性能特点电机结构简单,制造成本低;力矩波动很小,低速运行稳定;由于无铁心,换向性能好;电枢转动惯量小,反应快。3无槽电枢直流伺服电动机无槽

35、电枢直流伺服电动机电枢铁心是光滑、无槽的圆柱体。电枢绕组敷设在光滑电枢铁心表面,用环氧树脂固化成型并与铁心粘结在一起。气隙尺寸比普通的直流伺服电动机大10倍以上。l 结构结构l 特点特点 由于不存在齿饱和限制,可提高磁通密度和转矩,可减小电枢外径,形状细长。转动惯量低;冷却效果好,启动电流大,启动转矩大;反应快;低速运行均匀;换向性能良好。目前电机的输出功率在几十瓦10kW。 3.4.2 低惯量直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机直流伺服电机3.5 直线直流电动机直线直流电动机 永磁式直线直流电动机永磁式直线直流电动机2. 电磁式直线直流电动机电磁式直线直流电动机 直流伺服电机3.5 直线直流电

36、动机直线直流电动机直线直流电动机把直流电压转换为直线位移或速度。按励磁方式可分为永磁式永磁式和电磁式电磁式两大类。1. 永磁式直线直流电动机永磁式直线直流电动机永磁式直线直流电动机,按照它的结构可分为动圈型动圈型和动铁型动铁型两种。l 动圈型的结构与原理动圈型的结构与原理 图1-12 动圈型直线永磁直流电动机原理结构图1-移动线圈;2-永久磁钢;3-软铁永久磁钢在气隙中产生磁场,当可移动线圈中通入直流电流时,便产生电磁力alNIBF 方向可由左手定则确定,改变直流电流的大小和方向,可改变电磁力的大小和方向。 直流伺服电机l 动圈型直线直流电机的典型实用结构动圈型直线直流电机的典型实用结构如图为

37、平面矩形磁钢的直线电动机,它结构简单,但线圈端部没有得到利用;漏磁通大,即磁钢未得到充分利用。 图1-13矩形磁钢动圈型直线永磁直流电动机1-矩形磁钢;2-软铁;3-移动线圈如图为环形磁钢的直线电动机,其结构主要是圆筒形的,导体的有效长度能得到充分利用。图1-14环形磁钢动圈型直线永磁直流电动机 1-环形磁钢;2-圆筒形导磁体;3-移动线圈3.5 直线直流电动机直线直流电动机直流伺服电机l 动铁型永磁直线直流电动机动铁型永磁直线直流电动机 动铁型永磁直线直流电动机的结构是在个软铁框架上套有线圈,该线圈的长度要包括整个行程。 这种结构形式的线圈流过电流时,不工作的部分要白白消耗能量。为了降低电能

38、的消耗,可将绕组的外表面进行加工使导体裸露出来,通过安装在磁极上的电刷把电流引入线圈中。当磁钢移动时,电刷跟着滑动,只让线圈的工作部分通电,电动机的运行效率可以提高。 由于电刷存在磨损,故可靠性和寿命降低。另外,它的电枢较长,电枢线圈用铜量较大。优点是电动机行程可做得很长。3.5 直线直流电动机直线直流电动机2. 电磁式直线直流电动机电磁式直线直流电动机 电磁式直线直流电动机也有动圈型动圈型和动铁型动铁型两种。电磁式的成本要比永磁式低,但多了一项励磁损耗。 直流伺服电机3.6永磁直流伺服电机功率放大器永磁直流伺服电机功率放大器 功率放大器的输入是较小的信号功率,输出是以电枢电压和电流表示的较高

39、的功率。 功率放大是在控制信号作用下,将电源功率的一部分转换到输出功率。功率放大器自身也消耗部分功率。直流伺服电机对功率放大器的基本要求 功率放大的效率要高,即驱动器本身消耗的功率要小。 能在可控条件下实现电机的四象限运行: 能输出幅值及极性均可改变的电压实现电机速度 大小及方向的控制。 能输出幅值及极性均可改变的电流实现电机力矩 大小及方向的控制。 线性功率放大器和线性功率放大器和PWM桥式功率放大器是最常见桥式功率放大器是最常见的两种功率放大器。的两种功率放大器。 3.6永磁直流伺服电机功率放大器永磁直流伺服电机功率放大器直流伺服电机T1、T2是一对互补晶体管。是一对互补晶体管。双电源供电

40、。双电源供电。当当Ub为正时,为正时,T1导通,导通,T2截止,加到电机电枢绕组上的电压为正,截止,加到电机电枢绕组上的电压为正, 电流电流ia产生正向力矩使电机正向旋转。产生正向力矩使电机正向旋转。当当Ub为负电压时,为负电压时,T1截止,截止,T2导通,加到电枢绕组上的电压为负。导通,加到电枢绕组上的电压为负。电流电流ia产生反向力矩使电机反向旋转产生反向力矩使电机反向旋转电机在正向运行过程中需要减速时,可降低电机在正向运行过程中需要减速时,可降低Ub电压值,这时由于电电压值,这时由于电机转速不能突变,初始瞬时机转速不能突变,初始瞬时Ua维持原电压,并出现维持原电压,并出现Ua Ub的情况

41、,的情况,这使这使T1截止,截止,T2导通,产生反向电枢电流使电机工作在制动状态,导通,产生反向电枢电流使电机工作在制动状态,电机开始减速,电机开始减速,Ua逐渐下降,直到再次出现逐渐下降,直到再次出现T2截止,截止,T1导通的状态。导通的状态。线性功率放大器线性功率放大器 3.6永磁直流伺服电机功率放大器永磁直流伺服电机功率放大器直流伺服电机线性功率放大器线性功率放大器 线性功率放大可使电机在四象限下工作。线性功率放大可使电机在四象限下工作。 但因调速时两只晶体管工作在放大状态,管压降总是存在但因调速时两只晶体管工作在放大状态,管压降总是存在的,电源功率有相当一部分变成了晶体管发出的热量,效

42、的,电源功率有相当一部分变成了晶体管发出的热量,效率较低。率较低。 晶体管是电流放大器件,驱动电路较复杂。晶体管是电流放大器件,驱动电路较复杂。 需要双电源供电。需要双电源供电。3.6永磁直流伺服电机功率放大器永磁直流伺服电机功率放大器直流伺服电机PWM功率放大器功率放大器 PWM : Pulse-Width Modulation 脉宽调制脉宽调制 脉宽调制电路脉宽调制电路 H桥桥PWM功放电路功放电路 驱动电路驱动电路 泵升电压限制电路泵升电压限制电路3.6永磁直流伺服电机功率放大器永磁直流伺服电机功率放大器直流伺服电机脉宽调制电路脉宽调制电路 实现电压控制信号到实现电压控制信号到脉宽调制脉

43、宽调制信号的转换。信号的转换。 占空比占空比:(t2t1)/(Tt1) 脉宽调制信号的脉宽调制信号的占空比由控制占空比由控制信号信号Uc的幅值决定。的幅值决定。3.6永磁直流伺服电机功率放大器永磁直流伺服电机功率放大器直流伺服电机 三角波发生器输出一固定频率的三角波电压信三角波发生器输出一固定频率的三角波电压信号号Ut,并与控制信号,并与控制信号Uc在比较器在比较器IC5中相比较。中相比较。 当当UcUt时,其输出为正,当时,其输出为正,当UcUt时,其输时,其输出为负,这样在其输出端产生一等幅的方波脉出为负,这样在其输出端产生一等幅的方波脉冲序列信号冲序列信号Upwm,信号的占空比由控制信号

44、,信号的占空比由控制信号Uc的幅值决定。的幅值决定。 这个信号经二极管这个信号经二极管D0的箍位作用削去负半周,的箍位作用削去负半周,然后一路经然后一路经IC6反相后输出到功率反相后输出到功率MOSFET T1、T4的栅极驱动电路,另一路直接输出到的栅极驱动电路,另一路直接输出到T2、T3的栅极驱动电路。的栅极驱动电路。3.6永磁直流伺服电机功率放大器永磁直流伺服电机功率放大器直流伺服电机功率晶体管和功率MOSFET MOSFET :Metal-oxide semiconductor field effect transistor 金属氧化物半导体场效应晶体管金属氧化物半导体场效应晶体管 功率

45、晶体管是电流控制器件,驱动较复杂。且由于存在功率晶体管是电流控制器件,驱动较复杂。且由于存在结电容,工作频率不能太高。结电容,工作频率不能太高。 功率功率MOSFET是电压控制器件,驱动较简单。且极间电是电压控制器件,驱动较简单。且极间电容较小,能工作在较高频率下。容较小,能工作在较高频率下。功率功率MOSFET功率晶体管功率晶体管3.6永磁直流伺服电机功率放大器永磁直流伺服电机功率放大器直流伺服电机H桥双极性桥双极性PWM功放电路功放电路diULdt tUs第一象限运行直流伺服电机第一象限运行(正向电动): 在 0 t t1期间, Ug1 、 Ug4为正, T1 、 T4导通, Ug2 、

46、Ug3为零,T2 、 T3截止,电流 ia 沿回路1流通,电动机M两端电压UAB = +Us ; 在t1 t T期间, Ug1 、 Ug4为零, T1 、 T4截止,电流减小, 因L(dia/dt)0,且绝对值很大,所以UAB0时, 电机正转; 当 0时, 电机反转; 当 = 0时, 电机停止1ass21tUUUT()3.6永磁直流伺服电机功率放大器永磁直流伺服电机功率放大器直流伺服电机Us第二象限运行U, iUaeia+Ustt1T0-UsO直流伺服电机第二象限运行(正向制动):如电机工作在第一象限时突然发出减速指令,则电机进入第二象限运行。此时, Ug1 、 Ug4的占空比减小,使得加到电

47、枢两端的平均电压减小。由于电机转速不能突变,造成eUa的情况,从而使电流反向流动,产生制动力矩。如减速发生在t1 t T期间, T3 、 T2导通, 电源输出能量,电流 ia 沿回路3流通,电流值反向增加;如减速发生在 0 t t1期间, T3 、 T2截止,电流绝对值减小,由于电枢电感作用,电流维持原方向。在自感电动势的作用下,UB下降,UA上升,二极管D4、 D1 导通续流,电流 ia 沿回路4流通。此时也只有D4、 D1 最容易让原方向电流流过。T1T4虽然是正向栅极偏压,但UDS0,故T1T4不通。可以看出,如果没有蓄流二极管,则T2,T3将被击穿。直流伺服电机第三象限运行(反向电动)

48、: 在 0 t t1 期间,Ug2 、 Ug3 为正, T2 、 T3导通, Ug1 、 Ug4为负,使T1 、 T4保持截止,电流 ia 沿回路3流通,电动机M两端电压UAB = Us ; 在t1 t T 期间,Ug2 、 Ug3为零,T2 、 T3截止, D1 、 D4 续流,并钳位使 T1 、 T4截止,电流 ia沿回路4流通,电动机M两端电压UAB = +Us ;直流伺服电机双极性PWM功放电路特点 因为加在电枢上的电压极性在一个周期内因为加在电枢上的电压极性在一个周期内是正负相反的,所以称为双极性是正负相反的,所以称为双极性PWM功放。功放。 因功放管工作在开关方式,放大器效率高。因

49、功放管工作在开关方式,放大器效率高。 能实现伺服电机四象限运行。能实现伺服电机四象限运行。 可在单电源下工作。可在单电源下工作。 对周边电路有较强的电磁干扰对周边电路有较强的电磁干扰. 谐波成分会引起电机发热谐波成分会引起电机发热3.6永磁直流伺服电机功率放大器永磁直流伺服电机功率放大器直流伺服电机u 在桥式电路中常将上桥臂的功率管称为在桥式电路中常将上桥臂的功率管称为“高端高端”,下桥臂的功率管,下桥臂的功率管称为称为“低端低端”。u 高端器件的源极在高电压和地之间浮动,而低端器件的源极总是接高端器件的源极在高电压和地之间浮动,而低端器件的源极总是接地的。地的。u 当当T1导通而导通而T2截

50、止时,截止时,T1的源极为高电压,这意味着的源极为高电压,这意味着T1的栅极必的栅极必须比这个高电压还高才能维持导通。因此须比这个高电压还高才能维持导通。因此T1的栅极电压必须也是个的栅极电压必须也是个浮动电压。浮动电压。直流伺服电机再生制动问题再生制动问题 当电机运行在二、四象限即制动状态时当电机运行在二、四象限即制动状态时Ua e。这说明。这说明电机将电机运动的机械能转换为电能,并将它送回电源。电机将电机运动的机械能转换为电能,并将它送回电源。 由于整流二极管的单向性,这个电流不能回馈到电网,由于整流二极管的单向性,这个电流不能回馈到电网,只能向滤波电容只能向滤波电容C充电。电容对电流的积

51、分效应使电源充电。电容对电流的积分效应使电源电压升高。电压升高。 这种因能量回馈升高的电压称为这种因能量回馈升高的电压称为“泵升电压泵升电压”。泵升电。泵升电压过高可能会损坏并联在电源母线上所有器件,如功率压过高可能会损坏并联在电源母线上所有器件,如功率管、续流二极管和电容器等。管、续流二极管和电容器等。CMSu1D3D2D4D3T4T1T2T4gu3gu2gu1guuAB1243直流伺服电机有两种情况使电机运动在制动状态有两种情况使电机运动在制动状态1)电机处于减速状态时:电机处于减速状态时:电机的速度下降是电枢电压减小的结果。但是当电压突然变小时,电机的惯量使其速度不能突变,也即反电势e不

52、能突变。这将出现Uae的情形,使电流反向流动从而产生制动转矩。2)电机具有垂直性负载且负载向下运动时电机具有垂直性负载且负载向下运动时:这时伺服电机必须产生与运动方向相反的制动转矩平衡重物下落产生的重力矩。 在制动状态下,电机旋转过程中产生的动能和重物下落时产生的势能转换为电能以电流的形式回馈到供电电源。这种制动方式常称为再生制动再生制动。直流伺服电机附:泵升电压数值可借助于能量守恒定律近似估算附:泵升电压数值可借助于能量守恒定律近似估算 已知:已知: 滤波电容中储存的电能为滤波电容中储存的电能为 焦耳焦耳 电机旋转的动能为电机旋转的动能为 焦耳焦耳 重物下落的势能为重物下落的势能为 焦耳焦耳

53、 若用下标若用下标“1”和和“2”分别表示能量回馈前、后各量的值。分别表示能量回馈前、后各量的值。则由能量守恒定律,有则由能量守恒定律,有 即即 212cEcu212JEJmEmgh111222cJmCJmEEEEEE222211122211112222cujmghcuJmgh3.6永磁直流伺服电机功率放大器永磁直流伺服电机功率放大器直流伺服电机 解此式,可得能量回馈后电容上的电压为 在上面的计算中 C滤波电容的数值 单位为F; J负载及电机转子的转动惯量 单位为kgm2; m负载的质量 单位为Kg; 电机角速度 单位为rad/s; h重物负载的高度 单位为m; g重力加速度常数 单位9.81

54、m/s2; u电容上电压 单位V。 上面的计算中忽略了电机中消耗的电能及一些摩擦产生的热能,这些损耗相对来说比较小。2221221122()()mg hhJuuCc3.6永磁直流伺服电机功率放大器永磁直流伺服电机功率放大器直流伺服电机 例例4-1一直流伺服电机采用一直流伺服电机采用PWM桥式功放电路驱动,功放桥式功放电路驱动,功放电路中滤波电容电路中滤波电容C=5000 ,电容上的电压在能量回馈前,电容上的电压在能量回馈前为为100V,电机及其负载的转动惯量,电机及其负载的转动惯量 。负载做。负载做非垂直性运动,求当电机转速从非垂直性运动,求当电机转速从3000rpm降至零速时,降至零速时,C

55、上的电压升高至多少?上的电压升高至多少? 解:解:3000rpm=3000 rad/s =314 rad/s 本例中,若电机及其负载的转动惯量增加一倍,即本例中,若电机及其负载的转动惯量增加一倍,即,则可则可以算出以算出u2=298V,可见转动惯量对泵升电压的影响是较大,可见转动惯量对泵升电压的影响是较大的。的。322 10JKgmF3222221162 10(0)100314222 5000 10JuuVC2603.6永磁直流伺服电机功率放大器永磁直流伺服电机功率放大器直流伺服电机泵升电压限制电路泵升电压限制电路 泵升电压通过电阻泵升电压通过电阻RL泄放掉。泄放掉。 3.6永磁直流伺服电机功

56、率放大器永磁直流伺服电机功率放大器直流伺服电机 图中,比较器的反相输入端为一门坎电压图中,比较器的反相输入端为一门坎电压Uth。同相输入端。同相输入端的电压的电压Us1由由R1,R2对电容电压的分压得到。对电容电压的分压得到。 根据要限定的泵升电压设定根据要限定的泵升电压设定Uth的值。当泵升电压在安全范的值。当泵升电压在安全范围之内时,围之内时, 比较器输出负电压,功率管比较器输出负电压,功率管T处于截止状态;处于截止状态; 当泵升电压达到限定值时,比较器输出正电压使功率管导当泵升电压达到限定值时,比较器输出正电压使功率管导通,泵升电压通过电阻通,泵升电压通过电阻RL泄放掉。泄放掉。 在泄放

57、的瞬间,电阻在泄放的瞬间,电阻RL所耗散的功率是比较大的。在例所耗散的功率是比较大的。在例4-1中,如果减速过程中电机及其负载的功能全部转换为中,如果减速过程中电机及其负载的功能全部转换为RL中中耗散的热能,且减速时间为耗散的热能,且减速时间为50ms。则电阻的瞬间耗散功率。则电阻的瞬间耗散功率可达可达 从上式可以看出,减速时间越短,电阻瞬间消耗功率越大。从上式可以看出,减速时间越短,电阻瞬间消耗功率越大。2321112 10314221972()0.05JddJEPWtt 3.6永磁直流伺服电机功率放大器永磁直流伺服电机功率放大器直流伺服电机5. 电流回路和速度回路 功率放大器可以从较小的电压信号控制较大的电枢电压和电功率放大器可以从较

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