控制电机第2章(冯)

第2章直流伺服电动机伺服电动机又称执行电动机，它能把接受的电压信号转换为电动机转轴上的机械角位移或角速度的变化，具有服从控制信号的要求而动作的功能：在信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号消失，转子即停转。由于这种“伺服”的性能因此命名。

按伺服电动机的控制电压来分，伺服电动机可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机的输出功率可达数百瓦，主要用于功率较大的控制系统。交流伺服电动机的输出功率较小，一般为几十瓦，主要用于功率较小的控制系统。自动控制系统对伺服电动机的基本要求是：

(1)宽广的调速范围，机械特性和调节特性均为线性。

(2)快速响应性能好，即机电时间常数要小，在控制信号变化时，能迅速地从一种状态过渡到另一种状态。

(3)灵敏度要高，即在很小的控制电压信号作用下，伺服电动机就能起动运转。

(4)无自转现象。所谓自转现象就是转动中的伺服电动机在控制电压为零时继续转动的现象；无自转现象就是控制电压降到零时，伺服电动机自行停转。2.1直流电动机的基本工作原理2.1直流电动机的基本工作原理通电导体在磁场中会受到电磁力的作用U→i→F、F’→n受力方向：左手定则（电动机左手定则）

载流导体在磁场中的安倍力磁场对场中的载流导体施加的力称为安倍力

df=i·dl×B

在均匀磁场中，若iB，导体长l，则

f=B·l·if的方向用左手定则确定。2.1

基本工作原理

直流电动机中换向器的作用

当导体元件边从一个极下转到另一个极下时，因电刷位置不变，从而改变元件边的电流方向，使直流电源通过静止的电刷与随电枢转动的换向器的滑动接触，把外部的直流电源转换成电枢中的交流电保证同一磁极下导体流过电流其方向不变，从而产生固定方向的电枢转矩2.2

主要结构2.2

主要结构2.2

主要结构换向器2.2

主要结构2.2

主要结构2.2.B磁路欧姆定律电路欧姆定律磁路欧姆定律E+-IR1R2FΦRmRmδEFIΦRRm2.3符号与励磁方式直流电动机符号：2.3符号与励磁方式直流电动机按励磁方式（即获得磁通Φ的方式）可分为M他励式M并励式M串励式M复励式永磁式M2.4

直流电机的电枢绕组电枢绕组是直流电机的核心部分，在电机的机电能量转换过程中起着重要的作用。电枢绕组是由多个形状相同的绕组元件以一定的规律连接起来的，Ny代表元件的匝数。一个元件不论匝数多少，线圈只有两根引出端，首端和尾端。2.4

直流电机的电枢绕组各元件通过换向片彼此连接，一个元件的首端和另一个元件尾端接在同一个换向片上。可见元件数S等于换向片数K。S=K2.4

直流电机的电枢绕组2.2

主要结构2.4

单叠绕组1.节距（1）第一节距y1：元件两条边的距离，以槽数计，总是整数。（2）合成节距y和换向器节距yk：通常用换向片数来表示。单叠绕组y=yk=1。（3）第二节距y2：

y2=y1-y2.

单叠绕组的展开图1.数据计算：y＝yk＝1y1=τ=Z/2p=4计算数据y和y1画绕组展开图安放电刷和磁极极距τ：在电枢铁心表面上，一个极所占的距离。用槽数表示。实例：P＝2，Z＝S＝K＝16y=yk=1y2=y1-y=32.

单叠绕组的展开图

电刷\磁钢与绕组的相互关系:

被电刷短路的绕组元件边所处的位置----被短路元件中的感应电动势为最小.方法:1、画出绕组；

2、确定磁钢的位置；

3、确定电刷的位置。3.

单叠绕组元件连接次序56789101112131415161234123456789101112131415161

整个绕组是一个闭合绕组上层元件边下层元件边y1yy24.

单叠绕组的并联支路图1)每个极下的元件组成一条支路,并联支路对数a等于极对数p:a=p2)正负电刷间元件产生的转矩最大，被电刷短路的元件里感应的电动势最小。2.5

电磁转矩与转矩平衡方程电磁关系2.5.1

电磁转矩一根导体所受的平均电磁力一根导体所受的平均电磁转矩总电磁转矩（Z：总导体数）2.5.2

电磁转矩电枢总电磁转矩Ct为转矩常数2.5.2

转矩平衡方程

EanTLTIaIfUf电动机惯例U稳定时升速减速2.6

电枢电动势与电压平衡方程2.6.1电枢电动势直流电机正、负电刷之间感应的电动势，也是电枢绕组每个支路里的感应电动势。一根导体的平均电动势2.6

电枢电动势与电压平衡方程当电刷放在磁场几何中线上（没有被短路绕组），电枢电动势z—总导体数,Ce—电势常数比较得：Ct=9.55Ce2.6

电枢电动势与电压平衡方程2.6.2电压平衡方程2.6

电枢电动势与电压平衡方程2.6.3过渡过程2.7他励直流伺服电动机的稳定性方法：看某一工作点（转速）的上下区间的转速变化趋势：是离开（发散）该工作点还是接近（收敛）该工作点？能---------收敛---------稳定不能------发散---------不稳定

收敛/稳定发散/不稳定2.8

直流伺服电动机的使用2.8.1额定值正常使用的允许值2.8

直流伺服电动机的使用2.8.2直流伺服电动机的起动对起动性能的要求:(1)起动时,电磁转矩要大(足够大)(2)起动时,电枢电流不能太大(减少对电网的冲击)

一般，起动电流控制在1.5~2倍的2.8

直流伺服电动机的使用启动方法（1）电枢电路串起动电阻，逐级切除（2）用调压电源注：自动控制系统中使用的功率为几百瓦，可直接起动2.8

直流伺服电动机的使用EanTLTIaIfUfUR2.8.3机械特性n=f(T)为理想空载转速为机械特性的斜率2.8

直流伺服电动机的使用当U=UN，Φ=ΦN

，R=0，固有机械特性0nTn0nNIN特点：1）当T=0时，n0=UN/CeΦN为理想空载转速，此时，Ia=0，E=UN

；2）n=f(T)为下斜直线，T↑，n↓；2.8

直流伺服电动机的使用特点：3）Ra小，斜率

很小，硬特性；（大的特性称为软特性）4）∆nN=n0-nN=TN额定转速差。nN约0.95n0，∆nN约0.05n0；5）n=0，电机启动，Ia=UN/Ra=IS，TS=CtΦNIS，很大，约20倍的额定值。会烧坏换向器。6）T>TS，n<0。在第Ⅳ象限。7）T<0，n>n0。在第Ⅱ象限，发电机状态。2.8

直流伺服电动机的使用2.8.4直流伺服电动机的调速方法1.改变电枢电压ΦN，Ra不变，改变U。nn0T0UNn01-n0U1U=0U=-UN特点：1）T一定时，Δn不变，斜率不变，各条特性互相平行；2）n0与U成正比。2.8

直流伺服电动机的使用调速的物理过程分析e点----电机进入发电状态2.8

直流伺服电动机的使用例：某直流电动机，如电源电压降一半，负载不变，求：转速降到原来的几分之几？解：2.8

直流伺服电动机的使用2.电枢回路串电阻UN，ΦN不变，电枢回路串R。n0Tn0RaR1<R2Ra+R1Ra+R2固有人为特点：n0不变，Rad增大，⊿n增大，特性变软。若T为常数，⊿n（Ra+R）2.8

直流伺服电动机的使用调速的物理过程分析注：该方法的实质还是改变加于电枢的电压来改变电枢电流，实现对电机的调速2.8

直流伺服电动机的使用例：某直流电动机，如负载不变，设：求：解：2.8

直流伺服电动机的使用3.减小气隙磁通量UN，Ra不变，减小Φn0T0ΦNΦ1n1Φ1<ΦNn特点：n0将增高，Δn也要变大，机械特性变软。2.8

直流伺服电动机的使用调速的物理过程分析2.8

直流伺服电动机的使用例：某直流电动机，如减少10%，负负载不变，求：？解：2.8

直流伺服电动机的使用小结：2.8

直流伺服电动机的使用注意：运行中励磁回路切勿开路如励磁回路开路，很小2.8

直流伺服电动机的使用2.8.5

改变直流电动机旋转方向方法：励磁磁场方向/电枢电流方向

二者改变其一或2.9

直流伺服电动机的静态特性2.9.1

机械特性n=f(T)参考方向第一象限第二象限第三象限第四象限2.9

直流伺服电动机的静态特性****①⑥AE0

能耗制动2.9

直流伺服电动机的静态特性讨论：*①②ACC“AC---C”发电状态制动2.9

直流伺服电动机的静态特性**