直流伺服电动机

直流伺服电动机2主要内容直流电机及其基本结构直流电机工作原理及电枢反应直流电机的基本关系式直流电动机的静态特性直流电动机的动态特性直流电动机的选择常用的其他类型直流电动机简介31、直流电机及其基本结构41、直流电机及其基本结构51、直流电机及其基本结构6直流电机：输入能源形式为直流电源的旋转电机，实现直流电能与机械能的相互转换。在自动控制系统中用作执行系统控制信号命令，是执行元件。应用：高精度位置伺服系统；大转矩设备，如轧钢机、起重机械等；高精度速度控制系统；航天器及其它只有直流电源的场合。1、直流电机及其基本结构71、直流电机及其基本结构8优点：

调速范围宽，且易于平滑调节；过载、起动、制动转矩大；易于控制，控制装置可靠性高；调速时的能量损耗较小。缺点：

费工费料，造价贵，运行时换向器需要经常维修，寿命较短（350～400h）。1、直流电机及其基本结构91、直流电机及其基本结构10按运动状态：

1)定子：固接在机壳上，为静止部分，由定子铁芯与励磁绕组或永磁体、电刷装置所构成； 2)转子：为旋转部分，由电枢铁心、电枢绕组、换向器、输出轴等组成。按功能：磁极、电枢绕组、换向器和电刷三部分。磁极在定子上，电枢绕组在转子上；换向器在转子上，电刷在定子上。结构1、直流电机及其基本结构111.1定子主磁极和铁心1)功能：产生磁场。2)按照主磁极励磁方式，

又分为：永磁式和电磁式。3)电磁式直流电机：主磁极为电磁铁形式，用直流电产生磁场，应用功率大的场合，中、大型直流电机。

1、直流电机及其基本结构极身极尖极弧(曲面)121.2电枢绕组和电枢铁心1、直流电机及其基本结构电枢位于转子上，是电机主磁路的一部分，由电枢铁心和电枢铁心构成。

电枢铁心：用来嵌放电枢绕组，为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动势，从而实现机、电能量转换的关键性部件。131.2电枢绕组和电枢铁心1、直流电机及其基本结构141.2电枢绕组和电枢铁心1、直流电机及其基本结构电机的负载电流，发电机的电势和电动机的转矩都要依靠电枢绕组产生，是电机的中枢和枢纽。151.2电枢绕组和电枢铁心1、直流电机及其基本结构换向器多线圈电枢简化图实际电枢(多线圈)161.3换向器和电刷装置换向器在转子上，电刷在定子上。功能将电刷上的直流变为绕组内部的交流。普通永磁直流电动机为了换向，将电枢绕组放在转子上，永磁磁极放在定子上。无刷电机与此相反，电枢绕组放在定子上，磁极放在转子上。这样可使转动部分结构简单，并可明显减小转动惯量。1、直流电机及其基本结构17永磁式电机:由永磁体产生恒定磁场。优点：体积小，重量轻，结构紧凑。缺点：磁场弱。应用：微型和小型电机。1、直流电机及其基本结构181.4图形符号1、直流电机及其基本结构他励直流电机：励磁电流由其它直流电源单独供给。区别自励直流电机：励磁电流由电机自身供给。192、直流电机工作原理直流电动机的励磁方式直流电机可分为：1)电磁式；2)永磁式电磁式又可分为：1)他励直流电机；2)自励直流电机202、直流电机工作原理

电磁力定律

方向：左手定则

直流电动机利用电磁力定律产生力和转矩21电磁感应定律

方向：右手定则

直流发电机利用电磁感应定律产生电势2、直流电机工作原理22直流发电机模型直流电动机模型2、直流电机工作原理232、直流电机工作原理直流电动机的简单运动情况242、直流电机工作原理253、直流电机磁场、电枢反应与换向263、直流电机磁场、电枢反应与换向273、直流电机磁场、电枢反应与换向一对极磁感应强度和电动势两对极电机的机械角和电角关系284、直流电机的分类直流电动机励磁式直流电动机他励直流电动机并励直流电动机串励直流电动机复励直流电动机永磁式直流电动机有槽电枢永磁式直流电动机无槽电枢永磁式直流电动机杯型电枢永磁式直流电动机印刷绕组永磁式直流电动机盘式电枢永磁式直流电动机混合式直流电动机(励磁和永磁合成)无刷直流电动机直流力矩电动机直流电动机发电机组294、直流电机的特性与控制方法直流电机的基本关系式直流电机的静态特性直流电机的动态特性304.1直流电机的基本关系式一根导体在一个极距范围内切割气隙磁密的平均感应电动势：1、电枢电势气隙合成磁场的平均磁密：电枢直径：电枢线速度：314.1直流电机的基本关系式一条支路有N/2a根导体，电枢电动势应为：1、电枢电势电机电势常数：得：324.1直流电机的基本关系式2、电磁转矩任一导体所受的平均电磁力：作用在导体上的平均电磁力矩：电机的电磁转矩：任一导体中的电流：转矩常数：得：334.1直流电机的基本关系式对一台电机，电势常数与转矩常数之间有一定的关系：得：2、电磁转矩344.1直流电机的基本关系式2、电磁转矩直流电动机的转矩直流发电机的转矩354.1直流电机的基本关系式他励直流电机的机-电示意图(a)发电机(b)电动机3、转矩平衡方程式364.1直流电机的基本关系式3、转矩平衡方程式电动机发电机

静态：电动机发电机

动态：374.1直流电机的基本关系式4、电压平衡方程式电动机发电机

静态：电动机发电机

动态：384.1直流电机的基本关系式直流电机四大关系式小结电动机发电机4.2直流电动机的静态特性静态：当控制电压和负载转矩均不变的情况下，电动机的电流和转速达到恒定值时的稳定工作状态，亦称稳态。控制电压、电磁转矩和转速是表示相应静态的基本参量。静态特性：静态时各变量间的关系。常用静态特性机械特性：转速与转矩的关系调节特性：转速与控制量（如电压）的关系

39404.2直流电动机的静态特性静态时的电枢等效电路图静态时的电枢电流414.2直流电动机的静态特性424.2直流电动机的静态特性1、电枢控制时的机械特性电枢控制时的机械特性4.2直流电动机的静态特性1、电枢控制时的机械特性理想空载转速实际空载转速

堵转转矩(起动转矩)、堵转电流43444.2直流电动机的静态特性1、电枢控制时的机械特性斜率和硬度负斜率的物理意义是电机的转速将随着负载转矩的增大(或减小)而降低(或升高)。斜率的倒数称作硬度，硬度大表明电动机的转速受负载转矩变化的影响小。特性变硬454.2直流电动机的静态特性机械特性族电动机的工作点1、电枢控制时的机械特性电压突变电流未突变464.2直流电动机的静态特性2、电枢控制时的调节(或控制)特性

负载转矩不变时，

直流电机稳态转速随控制电压的改变而变化，也称控制特性。得474.2直流电动机的静态特性机械特性调节特性由机械特性求调节特性2、电枢控制时的调节(或控制)特性484.2直流电动机的静态特性2、电枢控制时的调节(或控制)特性当转速n=0时启动电压(死区电压、始动电压)—主要由摩擦产生对应不同的负载转矩，启动电压也将不同。且负载转矩越大，启动电压越大。494.2直流电动机的静态特性2、电枢控制时的调节(或控制)特性可变负载的控制特性求取空气阻转矩的速度曲线504.2直流电动机的静态特性3、直流电动机的工作状态直流电机本身有两种状态：发电机：电流的实际方向与电势相同。

电动机：电流的实际方向与电势相反。电机和外加电源结合，工作状态可分为4

种：电动机工作状态发电机工作状态能耗制动状态反接制动状态514.2直流电动机的静态特性+(1)电动机状态外加电压：大于电枢感应电势，方向相反电流：小于堵转电流，与电势反向电磁转矩：方向与转速相同，是拖动性质的能量关系：电能转化为机械能转速：低于理想空载转速机械特性：-+-n放大器及电源内阻524.2直流电动机的静态特性发电机状态当电枢电压突然下降，或电机轴上出现了与转动方向相同的外力矩，使转速高于空载转速外加电压：小于感应电势，方向相反电流：与感应电势方向相同电磁转矩：与转速

相反，是制动转矩能量关系：机械能转化为电能转速：高于理想空载转速机械特性：+-+-n534.2直流电动机的静态特性(3)能耗制动状态

外加电压：零

电流：（负）与电势同向

电磁转矩：（负）与转速

相反，

制动转矩能量关系：机械能转化为电能和热能机械特性：+-n544.2直流电动机的静态特性(4)反接制动状态外加电压：与感应电势同向电流：与外电压、感应电势同向,大于堵转电流。电磁转矩：大于堵转转矩,与转速反向，加快减速过程。能量关系：电源和电机输出电能，电阻消耗全部电能。+-+-n电流：4.2直流电动机的静态特性应用举例负载转矩Tc不变，发电机状态，加快减速。停转能耗制动反接制动制动转矩加快减速过程。564.3直流电动机的动态特性直流电动机的动态特性：一般是指当改变控制电压时，电动机从原稳态到新稳态的变化过程，也就是它的状态参量：速度、感应电动势、电流和电磁转矩等随时间而变化的规律。574.3直流电动机的动态特性1、直流电动机的动态框图584.3直流电动机的动态特性1、直流电动机的动态框图594.3直流电动机的动态特性1、直流电动机的动态框图604.3直流电动机的动态特性1、直流电动机的动态框图614.3直流电动机的动态特性机电时间常数电磁时间常数令干扰力矩，则直流电动机的传递函数1、直流电动机的动态框图624.3直流电动机的动态特性若干扰力矩,则1、直流电动机的动态框图直流电动机的传递函数为634.3直流电动机的动态特性2、直流电动机的时域分析得代入电压平衡方程，消去中间量，得644.3直流电动机的动态特性2、直流电动机的时域分析规化为如下标准形式式中电磁时间常数机械时间常数转速常数机械特性斜率654.3直流电动机的动态特性2、直流电动机的时域分析令干扰力矩，则方程特征方程特征方程的根664.3直流电动机的动态特性2、直流电动机的时域分析在的情况下，转速的解为初始条件其中为理想空载转速674.3直流电动机的动态特性2、直流电动机的时域分析将求导，可得将代入上式，得684.3直流电动机的动态特性2、直流电动机的时域分析初始条件控制电流的时间函数694.3直流电动机的动态特性2、直流电动机的时域分析过渡过程结束后，直流电动机进入新的平衡状态新稳态参量表达式当时当时704.3直流电动机的动态特性2、直流电动机的时域分析理想空载条件下时的过渡过程714.3直流电动机的动态特性2、直流电动机的时域分析理想空载条件下时的过渡过程724.3直流电动机的动态特性2、直流电动机的时域分析一般情况下，，因此直流伺服电机的过渡过程不会产生振荡。若，这是由于电枢电感很小，即认为。即外加控制电压时，电枢电流可以突变。734.3直流电动机的动态特性2、直流电动机的时域分析理想空载且时的过渡过程744.3直流电动机的动态特性2、直流电动机的时域分析机械时间常数：电动机在空载并加有额定激励电压的情况下，如果加上阶跃的额定控制电压，转速从0上升到理想空载转速的63.2%所需的时间。

当时间经过了时，转速已达到0.95，可认为过渡过程基本结束，所以称为过渡过程时间。伺服电动机过渡过程的快速性主要取决于机械时间常数。755直流电动机的选择电机的铭牌数据直流电动机的型号电机参数的选择765直流电动机的选择1、直流电动机的铭牌数据根据国家标准，直流电机的额定数据主要有：额定电压额定电流额定容量(功率)额定转速额定转矩775直流电动机的选择1、直流电动机的铭牌数据电动机轴上输出的额定转矩在额定运行状态下，电机能可靠地运行，并具有良好的性能；实际运行中，电机不能总是运行在额定状态。长期过载因过热而损坏电机；长期欠载，运行效率低，浪费能量。在选择电机时，应根据负载的要求，尽量让电机工作在额定状态。785直流电动机的选择2、直流电动机的型号各类控制电机的产品型号具有下列组成形式：795直流电动机的选择2、直流电动机的型号直流电动机的型号举例：产品代号：S：伺服电动机Z：直流电磁式Y：直流永磁式SZ：电磁式直流伺服电动机SY：永磁式直流伺服电动机规格代号：01～49：短铁心产品51～99：长铁心产品51～99：特长铁心产品补充代号：励磁方式、安装形式、特殊环境代号等。励磁方式(字母表示)，C为串励式；F为复励式，默认为他励式或并励式安装形式(字母表示)：A1为底脚安装、A3为法兰安装、A5为外圆安装。51～99：特长铁心产品805直流电动机的选择电机的特殊环境代号：815直流电动机的选择部分型号直流伺服电动机技术数据举例SZ系列直流伺服电动机技术数据1)

SZ系列微型直流伺服电动机广泛应用于各种机械设备及自动控制等系统中，用作执行元件，也可用作驱动元件。2)

具有体积小，重量轻，力能指标高等特点。3)

按激磁方式分为他激（并激）、串激、复激三种。

825直流电动机的选择S系列直流伺服电动机技术数据1)

S系列直流伺服电机广泛应用于自动控制装置中作执行元件，亦可作小功率驱动元件。2)具有调速范围宽、启动转距大等优点；3)该电机的激磁方式有它励，并励及串励。部分型号直流伺服电动机技术数据举例835直流电动机的选择SY系列直流永磁式伺服电动机技术数据磁场由永磁体产生，无励磁绕组部分型号直流伺服电动机技术数据举例845直流电动机的选择电动机运行曲线连续工作转矩最高转速时的转矩最高运行电压峰值转矩连续工作区短时工作区瞬时加减速区855直流电动机的选择3、电机参数的选择—功率与转矩初选功率

K为经验系数，对大、中功率系统为1.2～1.5，对小功率系统为2～2.5最大转矩最大输出功率负载加速度负载转矩折算到电机轴上的输出转矩折算到电机轴上的总转动惯量折算到电机轴上的加速度折算到电机轴上的最大角速度865直流电动机的选择对断续周期性工作的负载速度曲线转矩曲线电动机的额定转矩应大于，最大转矩应大于3、电机参数的选择—功率与转矩则等效转矩为：875直流电动机的选择3、电机参数的选择—电流和电压最大电流最大电枢电压电阻压降电枢感应电势885直流电动机的选择直流伺服电动机与负载连接直接驱动负载间接(经减速装置)驱动负载4、电动机与负载的惯量匹配895直流电动机的选择4、电动机与负载的惯量匹配由电动机的最大输出转矩令可得使最大输出转矩最小时的最佳减速比一般情况下906常用的其他类型直流电动机简介

低惯量型直流伺服电动机宽调速直流伺服电动机

直流力矩电动机有限转角直流力矩电动机916常用的其他类型直流电动机简介为了满足控制系统要求，直流伺服电动机在结构和性能上做了一些改进，具有如下特点：采用细长的电枢以便降低转动惯量，其惯量大约是普通直流电动机的1/3～1/2；具有优良的换向性能，在大的峰值电流冲击下仍能确保良好的换向条件，因此具有大的瞬时电流和瞬时转矩；机械强度高，能承受住巨大的加速度造成的冲击力作用；电刷一般都安装在几何中性面上，以确保正、反转特性对称控制特性。1低惯量型直流伺服电动机926常用的其他类型直流电动机简介1低惯量型直流伺服电动机结构特点：转子铁心更细长或转动部分无铁心、铁心无齿槽、电枢绕组与铁磁物质分离。运行性能特点：转子惯量小，机电时间常数小，动态响应速度快；绕组电感小，换向性能好，瞬时电流和瞬时转矩大，电气噪声小；力矩波动小，运转平稳。应用领域：高精度快速自动控制系统，频繁启动或正反转、惯量很小的系统以及快速测量与记录装置。936常用的其他类型直流电动机简介低惯量型直流伺服电动机无槽电枢直流伺服电动机盘式电枢直流伺服电动机空心杯电枢直流伺服电动机946常用的其他类型直流电动机简介1低惯量型直流伺服电动机——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。956常用的其他类型直流电动机简介1低惯量型直流伺服电动机——无槽电枢直流伺服电动机运行性能特点：可减小电枢外径，形状细长不受嵌线限制，转子惯量小具，机电时间常数小，反应快；转矩惯量比大，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。966常用的其他类型直流电动机简介1低惯量型直流伺服电动机——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，级数较多，一般为6、8、10极。磁钢盘形电枢铁心绕线转子盘形电枢电动机976常用的其他类型直流电动机简介1低惯量型直流伺服电动机——盘式电枢直流伺服电动机运行性能特点：电枢绕且全部在气隙中，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。986常用的其他类型直流电动机简介1低惯量型直流伺服电动机——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。996常用的其他类型直流电动机简介1低惯量型直流伺服电动机——空心杯电枢直流伺服电动机1006常用的其他类型直流电动机简介1低惯量型直流伺服电动机——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。1016常用的其他类型直流电动机简介2宽调速直流伺服电动机又称大惯量电机，是在小惯量电机和力矩电机的基础上发展起来的电机。采用大惯量的目的是为了便于直接与机床大惯量负载匹配。宽调速直流伺服电动机的内部多装有高精度低纹波的测速发电机，能获得优良的低速运行特性和动态性能。1026常用的其他类型直流电动机简介2宽调速直流伺服电动机电机磁路结构侧磁极主磁极软钢极靴转子1036常用的其他类型直流电动机简介2宽调速直流伺服电动机运行性能特点：转矩大，调速范围宽(可达10000：1)，低速性能好，可以和机床进给丝杠等负载直接连续；转子惯量大，电机的惯量可比负载的折算惯量大得多，易于和机床匹配，且使负载的影响小；电机的热容量大，热时间常数可达120分钟左右，耐热性能好，通常可在3倍额定转矩的条件下工作几十分钟；永磁铁氧化的矫顽磁力高，去磁临界电流大，瞬时过载可达10～15倍，从而可以提高动态响应速度。1046常用的其他类型直流电动机简介3直流力矩电动机直流力矩电动机是为了满足低转速、大转矩负载的要求而设计的一种执行元件，可在堵转下长期工作。1056常用的其他类型直流电动机简介3直流力矩电动机力矩-惯量比的折算随着减速比的增加，角加速度迅速下降在一个给定负载的情况下，电机折算到负载轴上的力矩-惯量比越大，则空域获得的理论加速度就越大。1066常用的其他类型直流电动机简介3直流力矩电动机直流力矩电动机直接驱动系统的优点：采用直流力矩电机的直接驱动系统，动态响应快，频率响应可达50Hz，比间接驱动提高了一个数量级；消除了齿隙死区和弹性变形引起的误差，系统的放大倍数可以做得很高而又保持系统的稳定，速度和位置的精度高，伺服刚度高；由于消除了齿隙死区，没有减速器而使总的摩擦力矩减小，特性的线性度好；由于没有减速器，所以