第1章直流伺服电

1、第1章 直流伺服电动机1.1 直流伺服电动机1.2 无刷直流电动机1.3 直流力矩电动机1.1 直流伺服电动机 1.结构与分类 2.原理 3.应用 直流伺服电动机是以直流电源驱动的电动执行器件。 直流电动机分类 1）传统型：与普通直流电动机基本相似。根据励磁方式可以分为：永磁式和电磁式 2）低惯量型直流伺服电动机 常见三种：盘型，空心杯型，无槽电枢型直流电机及其基本结构直流电机及其基本结构直流电机及其基本结构直流电机及其基本结构盘式电枢直流伺服电动机结构特点： 转子为绕线式绕组或印制绕组，用环氧树脂浇制成圆盘形；定子由永磁体和前后软磁铁组成，极数较多，一般为6、8、10极。铁心盘形电枢磁钢绕线

2、转子盘形电枢电动机盘式电枢直流伺服电动机运行性能特点：电枢绕组全部在气隙中，散热好，绕组电流密度高于普通电机10倍以上，启动转矩大；由于没有齿槽效应，力矩波动小，低速运行稳定，调速范围宽且平滑；换向性能好，电枢由非磁性材料做成，换向元件电感小，换向火花小；电枢转动惯量小，速度快。应用领域：主要用在低速和启动、反转频繁，要求薄 形安装尺寸的系统中，如雷达天线、机器人以及数控机床等。无槽电枢直流伺服电动机结构特点： 转子无齿槽。电枢绕组直接均匀排列在光滑的铁心表面，用环氧树脂固化并与铁心黏结成一个整体。 定子励磁采用高性能的永磁体。无槽电枢直流伺服电动机运行性能特点： 可减小电枢外径，形状细长不受

3、嵌线限制，机电时间常数小，反应快； 过载能力强，最大转矩比额定转矩大10倍； 低速性能好，转矩波动小，线性度好。缺点：定、转子间气隙较大，约为普通电动机的10倍。应用领域：主要用在快速动作、功率较大的伺服系统中，如雷达天线、自行火炮、导弹发射架以及数控机床等。空心杯电枢直流伺服电动机结构特点： 无槽电动机由于存在电枢铁心，而盘形电动机的转子直径又较大，在实现快速动作时，转动惯量不能满足要求，空心杯电动机是综合上述两种电动机而发展起来的高性能电动机； 定子分为外定子和内定子，外磁式电动机的外定子是永磁体，内定子为软磁材料，以减小磁路磁阻，仅作为主磁路的一部分； 转子上的电枢绕组可采用印制绕组，也

4、可先绕成单个成形绕组，然后将它们沿圆周的轴向排列成空心杯形，用环氧树脂固化。空心杯电枢直流伺服电动机运行性能特点： 电枢转动惯量小，启动时间常数小，可达1ms以下； 灵敏度高，机电时间常数小，快速性好； 转子无磁滞和涡流损耗，效率高，可达80%或更高； 电枢无齿槽效应，磁阻均匀，力矩波动小，低速运行平稳，噪音很小； 转子无铁心，换向元件电感小，几乎不产生火花，换向性能好，寿命长。应用领域：主要用于高精度伺服系统及测量装置中，如电视摄像机、磁带机、X-Y函数记录仪，数控机床等机电一体化设备。2.运行原理 1）控制方式 励磁控制和电枢电压控制 励磁控制：这种调速方法的特点是由于励磁这种调速方法的特

5、点是由于励磁回路的电流很小，只有额定电流的（回路的电流很小，只有额定电流的（1 13 3）% %，不仅，不仅能量损失很小，且电阻可以做成连能量损失很小，且电阻可以做成连续调节的，便于控制续调节的，便于控制。其限制是转速只能。其限制是转速只能由额定磁通时对应的由额定磁通时对应的速度向高调速度向高调，而电动，而电动机机最高转速最高转速要受到电机本身的机械强度及要受到电机本身的机械强度及换向的限制。换向的限制。电枢电压控制优点：优点：改变电枢电压调节转速的方法改变电枢电压调节转速的方法具有较好的调速性能具有较好的调速性能。由于调电压后，。由于调电压后，机械特性的机械特性的“硬度硬度”不变，因此有较不

6、变，因此有较好的转速稳定性，好的转速稳定性，调速范围较大调速范围较大，同，同时便于控制，可以做到时便于控制，可以做到无级平滑调速，无级平滑调速，损耗较小损耗较小。在实际工程当中，常常采。在实际工程当中，常常采用这种方法。用这种方法。采用这种方法的限制是：采用这种方法的限制是： 转速只能由额定电压对应的速度向低调。此外，转速只能由额定电压对应的速度向低调。此外，应用这种方法时，应用这种方法时，电枢回路需要一个专门的可调电枢回路需要一个专门的可调压电源压电源，过去用直流发电机，过去用直流发电机- -直流电动机系统实现，直流电动机系统实现，由于电力电子技术的发展，目前一般均采用可控由于电力电子技术的

7、发展，目前一般均采用可控硅调压设备硅调压设备直流电动机系统来实现。直流电动机系统来实现。2)静态特性 所谓静态特性是指电机在稳定运行状态下，转速与电枢电压（励磁恒定），转速与电磁转矩之间的关系。 前者可称为调节特性 后者可称为机械特性静态特性有刷直流电机模型有刷直流电机模型aaa静态特性 1. 电动势平衡方程式：电动势平衡方程式： Ua=Ea+IaRa 2. 反向电动势：反向电动势： Ea = Cen = Ken 3. 电磁转矩：电磁转矩： Tem = CmIa = KmIa4.由由1，2，3联立求解：联立求解：ememaeaeaaaTKKRKUCRIUn机械特性emememaeakTnTKK

8、RKUn0电压突变电流未突变调节特性0TKUTKKRKUneaememaea3)动态特性 产生过渡过程的原因，产生过渡过程的原因， 主要是电机中存在两主要是电机中存在两种惯性：种惯性： 机械惯性和电磁惯性。机械惯性和电磁惯性。 当电枢电压突然改变时，当电枢电压突然改变时， 由于电机和负载有转由于电机和负载有转动惯量，动惯量， 转速不能突变转速不能突变， 需要有一个渐变的过程，需要有一个渐变的过程， 才能达到新的稳态，才能达到新的稳态， 因此转动惯量是造成机械过因此转动惯量是造成机械过渡过程的主要因素。渡过程的主要因素。 另外，另外， 由于电枢绕组具有电感，由于电枢绕组具有电感， 电枢电流也不能

9、电枢电流也不能突变突变， 也需要有一个过渡过程，也需要有一个过渡过程， 所以电感是造成所以电感是造成电磁过渡过程的主要因素。电磁过渡过程的主要因素。动态方程 （1） 因电枢绕组具有电感，因电枢绕组具有电感， 在过渡过程中电在过渡过程中电枢电流在变化，枢电流在变化， 所以在电枢回路中将产生电抗压所以在电枢回路中将产生电抗压降降 ， 其中其中La为电刷两端的电感。为电刷两端的电感。 因此，因此， 动态电压平衡方程式应写成动态电压平衡方程式应写成dtdiLaa一般来说，一般来说， 电磁过渡过程所需的时间要比机械过渡过程短得多。电磁过渡过程所需的时间要比机械过渡过程短得多。 因此在许多场合，因此在许多

10、场合， 只考虑机械过渡过程，只考虑机械过渡过程， 而忽略电磁过渡过程。而忽略电磁过渡过程。aaaaaaUeRidtdiL动态方程 （2）反向电动势方程： ea = Cen （3）电磁转矩方程： Tem = J （4）由（1）（2）（3）可得dtdeaTeaTeaCUndtdnCCJRdtndCCJL2222602602动态方程 令令 02,602nCURLCCJReaaaeTeam则上式写成则上式写成 022nndtdndtndmem直流电动机在直流电动机在me时的过渡过程时的过渡过程m1.1.3直流伺服电动机的应用 （1）PWM调制原理 实现电压控制信号到脉宽调制信号的转换。 占空比:(t2

11、t1)/(Tt1) 脉宽调制信号的占空比由控制信号Uc的幅值决定。应用go应用 （2）单极性可逆调速系统应用 （3）双极性可逆调速系统应用 2.直流伺服电动机的微处理器控制（自学）1.2 无刷直流电动机P23 直流电动机的优点: 机械特性和调节特性的线性度好，堵转转矩大，控制方法简单。 缺点缺点:是有换向器和电刷。 交流伺服电动机的优点:是没有换向器和电刷，维护方便，无火花，无电磁干扰，能在恶劣的环境下可靠工作。 缺点:是机械特性和调节特性具有非线性，转矩小，效率低。 因此，人们很早就开始探索直流电动机的无刷化，以使它同时具有直、交流电动机的优点。随着电力电子技术的发展，无刷直流电动机已经得以

12、实现。 1.2.1 无刷直流电动机的结构与组成1.电动机 普通永磁直流电动机的电枢在转子上，永磁磁极在定子上。 无刷直流电动机与此相反，它的电枢在定子上，永磁磁极在转子上，与同步电动机相似。1.电动机 定定子子 永永磁磁转转子子 传传感感器器定定子子 传传感感器器转转子子 (a) 结构示意图结构示意图 (b) 定转子实际结构定转子实际结构 1.电动机永磁转子结构型式永磁转子结构型式 凸极式凸极式 内嵌式内嵌式2.转子位置检测器 （1）电磁式 （2）光电式 （3）磁敏式 （4）无传感器（1）电磁式电磁式传感器具有较高的强度，可经受较大的振动冲击，故多用于航空航天领域。电磁式位置传感器输出信号较大

13、，一般不需要经过放大便可直接驱动开关管，但因输出电压是交流，必须先整流。传感器过于笨重复杂，因而大大限制了其在普通条件下的应用。（2）光电式v光电式位置传感器产生的光电式位置传感器产生的电信号一般都较弱电信号一般都较弱，v 需要经过放大需要经过放大才能去控制功率晶体管。才能去控制功率晶体管。v 但它但它输出的是直流电信号输出的是直流电信号， 不必再进行整流，不必再进行整流， 这是它的这是它的一个优点一个优点（3）磁敏式（3）磁敏式（3）磁敏式3.电子换向电路 US A B C D b) b) 四相半桥主电路四相半桥主电路 US A B C a) a) 三相半桥主电路三相半桥主电路1) 非桥式（

14、半桥式）非桥式（半桥式）半控型半控型3.电子换向电路2) 桥式桥式全控型全控型c) c) 星形联结三相桥式主电路星形联结三相桥式主电路 US VD1 VD4 VT1 VT4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 A B C 3.电子换向电路d) 三角形联结三相桥式主电路三角形联结三相桥式主电路 2) 桥式桥式全控型全控型 US VD1 VD4 VT1 VT4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 A B C 1.2.2 无刷直流电机的控制方法无刷直流电动机原理图（三相无刷直流电动机原理图（三相 光电式位置传感器）光电式位置传感器）1. 三相非

15、桥式（半桥式）三相非桥式（半桥式）半控型半控型附：电角度和机械角度附：电角度和机械角度 机械角度是指电机转子的旋转角度,由m表示； 电角度是指磁场的旋转角度，由e表示。 当转子为一对极时，m=e； 当转子为n对极时，e=nm。2. 工作原理1）旋转磁场的产生）旋转磁场的产生 假定电机定子为3相6极，星型连接。转子为一对极。 电流方向不同时，产生的磁场方向不同。 若绕组的绕线方向一致，当电流从A相绕组流进，从C相绕组流出时，电流在两个绕组中产生的磁动势方向是不同的。6步通电顺序步通电顺序 三相绕组通电遵循如下规则(22导通120模式)： 每步三个绕组中一个绕组流入电流，一个绕组流出电流，一个绕组不导通； 通电顺序如下： 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-6步通电顺序步通电顺序 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C- 每步磁场旋转60度，每6步旋转磁场旋转一周； 每步仅一个绕组被换相。6步通电顺序步通电顺序 随着磁场的旋转，吸引转子磁极随之旋转。 磁场顺时针旋转，电机顺时针旋转：123456 磁场逆时针旋