直流伺服电动机
直流伺服电动机
第二章直流伺服电动机
直流伺服电动机是自动控制系统中具有特殊用途的直流电动机，又称执行电机，它能够把输入的电压信号变换成轴上的角位移和角速度等机械信号。直流伺服电动机的工作原理、基本结构及内部电磁关系与一般用途的直流电动机相同。
第一节直流电动机
一、直流电动机的基本工作原理
直流电动机的基本结构与直流发电机相同。电动机输入电压信号，输出转速信号。
二、电磁转矩和转矩平衡方程
pN1、电磁转矩 T,,I,C,IemaTa2,a
对于一个已经制造好的电机，它的电磁转矩正比于每极磁通和电枢电流。
TI,ema
2、稳态转矩平衡方程 = TT，T,Tem20L
称为电动机稳态转矩平衡方程。
3、动态转矩平衡方程
,dT,J当电机的转速发生改变时，由于电机及负载具有转动惯量，将产生惯性转矩 jdtJ——负载和电动机转动部分的转动惯量;
d,TTTJ 此时，电动机轴上的动态转矩平衡方程为 ,,,emLjdt
三、电动势平衡方程
直流电动机电动势平衡方程 U,E，IRaaa Ia
U,EU,C,naeI,,电枢电流的表达式 aE U I U afRRfaa
电动机的机械特性
RUa图2-2 直流电动机的电枢回路 n,,T,n,,T em0em2CΦCCΦeeT
四、直流电动机的起动和调速
UI,I,1(起动:起动电流大: staIaRa
IUUEffaR由于不大，所以起动电流可能达到额定电流的十几倍。为了限a
R制起动电流，一般采用在电枢回路中串联起动电阻的方法。一般把st
Rst起动电流限制在额定电流的1.5~2倍以内，保证有足够的起动转矩。图
2-3电枢回路串联起动电阻对于自动控制系统中使用的直流电动机，功率只有几百瓦，由于电
枢电阻比较大，其起动电流不超过额定电流的5~6倍，加上其转动惯量较小，转速上升快，起动时间短，所以可以直接起动，而且起动电流大，起动转矩也大，这正是控制系统所希望的。
为了获得较大的起动转矩，励磁磁通应为最大，因此电机起动时，励磁回路的调节电阻必须短接，并在励磁绕组两端加上额定励磁电压。
UIR,aa2(调速: n,CΦe
U调速的方法有三种:(1)改变电源电压调速;
(2)在电枢回路串联电阻调速; RS
(3)调节励磁回路电阻(改变磁通)调速。 RΦcf
下面分析转矩、电流和转速等物理量的稳态值在调速前后的变化。
1)电枢回路串联电阻调速 RS
电枢回路串联的电阻越大，转速越低。
电枢回路串联电阻调速:损耗较大，效率较低。当轻载时，电枢电流较小，串联电阻后，转速变化不大。但是，这种调速方法设备比较简单。
2)降低电源电压调速
电源电压越低，转速越低。
这种调速方法，可以实现平滑无级调速，但需要附加调压设备。
3)改变励磁回路电阻调速 RCf
励磁回路串联的电阻越大，转速越高。 RCf
(1)容易控制:励磁电流只有电枢额定电流的百分之几，所以调节电阻的容量小，铜耗也小，而且容易控制;
(2)调速的快速性较差:励磁回路电感比电枢回路大，电气时间常数较大。
(3)转速只能升高:励磁回路串联电阻只能使励磁电流减小。
(4)改变磁通(弱磁)调速时，必须降低负载转矩:由于，若电机拖动恒转矩负载，T,C,IemTa
重新稳定后，因磁通减弱，所以电流增大，将超过原来的额定值，这是不允许的，因此， I,a
在要求调速范围大的场合，几种调速方法总是同时兼用。当电源电压可调时，利用降压降低转速，利用增加励磁回路电阻增大转速。当电源电压恒定时，则利用增加电枢回路电阻降低转速，利用增加励磁回路电阻增大转速。
需要注意的是，对电动机的励磁绕组，若起动前就断开，则电动机由于起动转矩小而不能起动。如果
R,,在运行过程中断开，则相当于励磁回路串联的电阻，电机转速大大超过额定转速，电机发出尖Cf
锐的噪声，出现“飞车”事故。
第二节直流伺服电动机的控制方法和运行特性
伺服电动机分直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。
伺服电机的最大特点是可控性。伺服系统一般有三种基本控制方式:位置控制、速度控制和力矩控制。
直流伺服电动机通常应用于功率较大的自控系统中，输出功率一般为1~600W，也有的达数kW，其电压分为:6、9、12、24、27、48、110、220V。
一、直流伺服电动机的分类
直流伺服电动机的控制电源为直流电压，分普通直流伺服电动机、盘形电枢直流伺服电机、空心杯直流伺服电机和无槽直流伺服电机等。
普通直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种基本结构类型。电磁式又分为他励、并励、串励和复励四种，永磁式可看作是他励式。
二、直流伺服电动机的控制方法
直流伺服电动机工作原理与一般的直流电动机相同。
控制方式有改变电枢电压的电枢控制和改变磁通的磁场控制两种。
电枢控制具有机械特性和控制特性线性度好，而且特性曲线为一组平行线，空载损耗较小，控制回路电感小，响应迅速等优点，所以自动控制系统中多采用电枢控制。磁场控制只用于小功率电机。
下面只叙述电枢控制。
U把电枢电压作为控制信号，实现电动机的转速控制，这就是电枢控制方法。电枢控制的物理过程:
U当不变时，增大，由于电机有惯性，转速不变化，暂时不变化，增大，使增加，T，T和ΦEIT20aaem由于阻转矩不变，则>，升高，随着增大，和减小，直到=时为T，TTT，TEITTT，Tn20em20aaemem20止，此时电机转速变为。 n2 UU电压降低时，转速下降的过程相同。当电压极性改变时，电枢电流及电磁转矩的方向改ITnaem变，电动机的转向改变。
三、直流伺服电动机的运行特性
1、机械特性
U在电枢电压不变的情况下，直流伺服电动机的转速随转矩的变化关系，称为电动机的n,f(T)em
RUa机械特性: n,,T,n,,Tem0em2CΦCCΦeeT
Un,0时的电磁转矩称为堵转转矩，、大小与电源电压成正比。
T,TnTT,CΦdTemd0dRa
机械特性的线性度越好，系统的动态误差就越小。硬特性转矩的变化对转速的影响比软特性为好，易于控制，这正是自动控制所需的。
U,U,U123U在不同电压下，机械特性为一组平行线。和都与成正比，但nT0d U特性曲线的斜率与无关。 U1U2电枢回路电阻R越小，机械特性越硬，R越大，机械特性越软。 Uaa3 Tem2、调节特性(控制特性)
电机的转速与电枢电压的关系称为电动机的调节特性或n,f(U)图2-9 不同控制电压时直流伺服
电动机的机械特性控制特性。
n1) 负载为常数时的调节特性
在励磁不变、负载转矩恒定时，由机械特性表达式可知
RUan,,T em2CΦCCΦeeTU
U 0T,T，T又 em20图2-10 直流伺服电动机的调节特性
TT当负载转矩n,f(U)一定(且认为恒定)时，电动机的调节特性的关系曲线是一直线，斜率02
TR1eman,0UU,,,k为。当时， 0CΦCΦTe
TReman,0 ，，。，，电动机处于从静止到转动的临界状态，
U,U,U,UT,TT,T00emLemLCΦT
UTR0Lan,0，。电压称为电动机的死区，或称为始动电压，，所以
T,CΦUU,UU,emT000RCΦaT
始动电压与电动机的阻转矩、负载转矩有关。
始动电压不同，但调节特性的斜率不变，对应不同负载转矩，可得到一组nTTTL1L2L3相互平行的调节特性曲线。
TL与始动电压相对应的电枢电流 I,a0CΦ TT,T,TL1L2L3
电枢电压小于始动电压时，电机不能起动;当电源电压超过始动电压时，U UUU电机开始旋转。当负载转矩为恒值时，无论电动机的转速有多大，总是不I 020103a0
图2-11 直流伺服电动机的调变，此时电动势方程节特性曲线组 U,E，IR,E，U,CΦn，U aa0aa0e0
当时，转速随电压线性变化。控制特性的线性度越好，系统的动态误差越小。U,U0
2)可变负载时的调节特性
在自控系统中，电动机的负载多数情况下是不随转速改变的，但是也有可变负载。例如，当负载转矩是由空气摩擦造成的阻转矩时，则转矩随转速增加而增大，并且转速越高，转矩增加得越快，转矩随转速
-12所示。变化的大致情况如图2
在变负载的情况下，调节特性不再是一条直线。这是因为在不同转速时，由于阻转矩不同，相应TL
UU的也不同。当改变时，不再保持为常数，因此的变化不再与的变化成正比。随着转速增IIREaaaa
加，负载转矩增量越来越大，增量也越来越IRaanTL 大，E增量却越来越小，E,n，所以随着控制 aa
U信号的增加，转速增量越来越小，这样和的关n
系如图2-13所示，不再是一条直线。当然曲线
nU的具体形状还与负载特性的n,f(T)n,f(U)L 图2-12 空气阻转矩与转速的图2-13 可变负载时的调节特形状有关，但是总的趋势是一致的。关系性实际工作中，常常用实验的方法直接测出电动机的调节特性，此时电动机与负载配合，并由放大器提
U供信号电压。在实验中测出电动机的转速n随放大器输入电压变化的曲线，就是带有放大器的直流伺服电动机的调节特性曲线。
3)直流伺服电动机低转速运转时的不稳定性
从直流伺服电动机的理想调节特性来看，只要控制电压足够大(大于始动电压)时，电机就可以在很低的转速下运行，但实际上，当电动机工作在几转每分钟到几十转每分钟的范围内时，其转速就不均匀，出现时快、时慢、甚至暂停一下的现象，这种现象称为直流伺服电动机低速运转的不稳定性，产生的原因:
(1)低速时，反电动势平均值不大，因而齿槽效应等原因造成的电动势脉动的影响将增大，导致电磁转矩波动比较明显。
(2)低速时，控制电压值很小，电刷和换向器之间的接触电压的不稳定性的影响增大，导致电磁转矩不稳定性增大。
(3)低速时，电刷和换向器之间的摩擦转矩的不稳定性，造成电机本身阻转矩的不稳定，导致输出转矩不稳定。
直流伺服电动机低速运转的不稳定性将在控制系统中造成误差，必须在控制线路中采取措施使其转速均匀;或选用低速稳定性好的直流力矩电动机或低惯量直流电动机。
3、直流伺服电动机在过渡过程中的工作状态
设一台电动机以旋转，、、及的方向如图所示，数值为正，反之为负。这时，EInUna1a1111
，。 U,E，IRU,E1a1a1a1a1
1)、发电机工作状态
I Ia2a1如果要求电动机的转速下降到，则控制系统n2 T Temem U U2
1EEa1a1加到电动机的控制电压要立即下降到。由于电机U n2 n11 本身和负载具有转动惯量，转速不能马上下降，反
电动势仍为，由于电压已发生变化，电枢电流图2-15 直流电机的发电机状态E图2-14 直流电机各量的正方向 a1
也随之变化。如果忽略电枢绕组的电感，则电压方程为 U,E，IR2a1a2a
如果此时，则为负值，电磁转矩方向改变，与转速方向相反，为制动性质，电机处于发U,EI2a1a2
电机状态。
由于电磁转矩作用，电机转速迅速下降，电动势下降，当小于时，电机又回到电动机状态，直EUa12
到转速下降到时，电机重新稳定。 n2 Ia32)、反接制动工作状态 Tem
Ea1 U如果需要电动机反转，则控制系统给电机施加一个反向的信号电压U。
33 n1由于电机本身和负载具有转动惯量，转速不能马上反向，电动势仍为E，a1
图2-16 直流电机的反接制动状态电压UEITU与同方向，电枢电流和电磁转矩也随着电压反向，a1em3a33
这时电动机进入电枢电压反接制动状态:特点是(1)电枢电流大;(2)电磁 Ia T 转矩为制动性质，而且很大;(3)电机既吸收电能，又吸收机械能，并全部em E变成电机的损耗，其中主要是电枢铜损耗。 an 3)能耗制动状态
如果需要电机停转，控制系统施给电机的信号电压就马上降为零，并将
U,0电枢两端短接，这时电机也是处于发电机状态，只是，电压方程为图2-17 直流电机的能耗制动状态 0,E，IR，。此时的电磁转矩为制动性质，电机转速逐渐下降，直到aaa
n,0。
这种运行方式是利用电动机原来积蓄的动能来发电，产生电磁转矩进行制动，所以称为能耗制动。四、直流伺服电动机的两个参数
U1、空载始动电压 0
在空载和励磁一定的情况下，使转子在任意位置开始连续转动所需的最小控制电压称为空载始动电压
。空载始动电压一般为额定电压的2%~12%，小机座号、低电压的电机空载始动电压较大，空载始UU00
动电压小的伺服电动机的灵敏度高。 U0
2、时间常数 ,j
电机在空载和额定的励磁电压下，加上阶跃的额定控制电压时，电动机转速从0开始到空载转速的
JΩn2J,0063.2%所需的时间(推导过程见其它参考书): ,,,jT60Tdd
J——转动惯量，负载通过传动比折合到电动机轴上的转动惯量和电动机本身的转动惯量; JJ0L
2,n0,,——空载旋转角速度，。一般小于0.03秒，电机的时间常数小，可提高系统的快速性。 ,,0j060
机电时间常数表示了电机过渡过程时间的长短，反映了电机转速追随信号变化的快慢程度，是伺服电动机一项重要的动态性能指标。
第三节直流力矩电动机
在某些自动控制系统中，被控对象的运动速度相对来说是比较低的。希望有低转速、大转矩的电动机。
直流力矩电动机就是为这种低转速、大转矩负载的需要而设计制造的电动机，它能在长期堵转或低速运行时产生足够大的电磁转矩，而且不需要经过齿轮减速而直接作用于负载。它具有反应快、转矩和转速波动小、能在低转速下稳定运行、机械特性和调节特性好的优点。
r/min目前直流力矩电动转矩可达几千牛米，空载转速可低到10左右。
一、直流力矩电动机的结构特点
直流力矩电动机的工作原理与普通直流伺服电动机相同，结构
和外形尺寸的比例不同。一般直流伺服电动机为了减小转动惯量，
大部分做成细长圆柱形，而直流力矩电动机为了能在相同的体积和
电枢电压下产生比较大的转矩和低的转速，一般做成圆盘形，电枢
长度和直径之比一般为0.2左右;从结构合理性考虑，采用永磁多
极。为了减少转矩和转速的波动，选取较多的槽数、换向片数和串
联导体数。总体结构有分装式和内装式两种。分装式结构包括定子、
转子和刷架三大部件，机壳和转轴由用户根据安装方式自行选配。
内装式与一般电机相同，机壳和轴由制造厂装配好。定子1是一个图2-18 用软磁材料做成的带槽的环，在槽中嵌放永久磁钢作为主磁场源，
主磁场源在气隙中形成了分布较好的磁场。转子铁心2由导磁冲片叠压而成，槽中放有电枢绕组3;槽楔4由铜板做成，兼作换向片，槽楔两端伸出槽外，一端作为电枢绕组接线用，另一端作为换向片，将转子上的所有部件用高温环氧树脂灌封成整体;电刷5装在
电刷架6上。
二、直流力矩电动机的转矩大、转速低的原理
力矩式电动机之所以做成圆盘形状，是为了在相同
的体积和控制电压下产生较大的转矩和较低的转速。下
面以两极电机为例进行分析。
1(电枢形状对转矩的影响
图 2-19 电枢体积不变的条件下，不同直径的电枢
形状
由电磁转矩的表达式得到对应图2-19(a)所示的电枢形状时的电磁转矩的表达式
Da T,NBliemaaavaa2
——图2-19(a)所示电枢的绕组的总导体数; Na
——图2-19(a)所示一个磁极下平均磁密; Bav
——图2-19(a)所示导体在磁场中的长度，即电枢铁心轴向长度; la
——图2-19(a)所示电枢的直径。 Da
电枢体积的大小，在一定程度上反映整个电机的体积。在电枢体积不变和电枢电流不变的情况下比较不同直径时的转矩。
把直径扩大一倍，而保持体积不变，如图2-19(b)所示，则，。铁心截面积D,2Dl,l/4baba增大到4倍，槽面积及电枢总导体数近似增加到4倍，即，此时的电磁转矩N,4Nba
D2DbaT,NBli,4NB(l/4)i,2T 即在体积、气隙平均磁密和导体中电流相同的embbavbaaavaaema22
情况下，如果把电枢直径增大1 倍，电磁转矩也增大1倍。电磁转矩大致与直径成正比。 2(电枢形状对空载转速的影响
Dn,eBlvBlD,,，则一个极下一根导体的平均电动势若电枢直径为avavav60 Dn,N/2EBlN,一对电刷所串联的导体数为，则刷间电动势: aav120
U1201n理想空载时，电机转速为，，则 nU,E,00a,BlNDav
NlU已知当电枢体积和导体直径不变条件下，乘积近似不变。当和气隙平均磁密B相同时，n与av0电枢铁心直径近似成反比，即电枢直径越大，n越低。 0 U在电压和B相同时，增大电动机的直径、减少轴向长度，就有利于增加电动机的转矩T和降低avem空载转速n。 0
三、直流力矩电动机的性能特点
1(力矩波动小、低速下能稳定运行。
力矩波动是力矩电动机的重要性能指标之一，这是因为电动机通常处在低速状态或长期堵转，力矩波动将导致运行不平稳或不稳定。力矩波动的程度用力矩波动系数来表示，是指转子处于不同位置时，堵转力矩的峰值与平均值之差相对平均值的百分数。力矩波动的主要原因是
1)绕组元件数、换向器片数有限使反电动势波动;2)电枢铁心存在齿槽引起磁场脉动;3)换向器表面不平使电刷与换向器之间的滑动摩擦力矩有所变化等。
抵制力矩波动的措施主要有:结构上采用扁平式电枢，增多电枢槽数、元件数和换向片数;适当加大电机的气隙，采用磁性槽楔、斜槽等。
2(机械特性和调节特性的线性度
电动机的机械特性和调节特性是在励磁磁通不变的条件下得出的。实际上，由于电枢反应的去磁作用，励磁磁通是变化的，而且去磁程度与电枢电流或负载转矩有关，电枢反应导致机械特性和调节特性的非线性。为了提高特性的线性度，在设计直流力矩电动机时，把磁路设计成高度饱和，并采取增大气隙等方法，削弱电枢反应的影响。
3(响应迅速、动态特性好
虽然直流力矩电动机电枢直径大，转动惯量大，但由于它的堵转转矩很大，空载转速很低，由
JΩ0可知，机电时间常数很小，动态性能好。 ,,jTd
4(峰值堵转转矩和峰值堵转电流
电枢磁场对主磁场的去磁作用随电枢电流的增加而增加，故峰值堵转电流是受磁钢去磁限制的最大电枢电流，与其相应的堵转转矩称为峰值堵转转矩，它是力矩电动机最大的堵转转矩。
需要注意的是，由于电机定子上装有永久磁钢，所以在拆装电机时，务必使定子处于短路状态。即取出转子之前，先用短路环封住定子，再取出转子，否则，永久磁钢将失磁。如果使用中发生电枢电流超过峰值堵转电流，使电机失磁，并导致堵转转矩改变时，则必须重新充磁。
第四节低惯量直流伺服电动机
直流伺服电动机的起动转矩大，调速范围宽，机械特性和调节特性线性度好，控制方便，因此应用广泛。但是，由于直流伺服电动机转子带铁心，铁心有齿有槽，因此电动机性能上有缺陷，如转动惯量大，机电时间常数大，灵敏度差;转矩波动较大，低速运转时不平稳;换向火花带来无线电干扰，并影响电机的寿命，使电动机使用上受到一定的限制。目前，国内外已在普通直流伺服电动机的基础上发展了低惯量直流伺服电动机。主要形式有空心杯直流伺服电动机、盘形电枢直流
伺服电动机和无槽直流伺服电动机
一、杯形电枢直流伺服电动机
杯形直流伺服电动机的结构如图2-20所示，定子有内定子和外定
子，外定子装有永久磁钢，内定子起磁轭作用，由软磁材料做成。空
心杯转子由成型的单个线圈沿转子圆柱面排列成杯形，或直接用绕线
机绕成导线杯，再用环氧树脂固化定型，也可采用印制绕组。空心杯
电枢直接安装在电机轴上，在内、外定子之间的气隙中旋转。由于转
图2-20 空心杯永磁直流伺服电动机子内外侧需有足够的气隙，所以磁路的磁阻大，磁动势利用率低。通
常需采用高性能永磁材料作磁极。
杯形直流伺服电动机的性能特点是:
1)低惯量。这是由于转子无铁心，薄壁细长，惯量极低，因此有超低惯量电动机之称。
230A/mm2)灵敏度高。由于转子绕组散热条件好，绕组的电流密度可达，并且永久磁钢体积大，能够提高气隙的磁通密度，增大转矩，加之转动惯量小，所以转矩/惯量比很大，电机的机电时间常数很小(可达小于1ms)，灵敏度高，快速性好。其始动电压在100mV以下，可完成每秒250个起——停循环。
3)损耗小，效率高。这是由于转子中无磁滞和涡流造成的铁损耗，效率可达80%。
4)力矩波动小，低速运行平稳。这是由于绕组在气隙中均匀分布，不存在齿槽效应，转矩传递均匀。
5)换向性能好，寿命长。由于杯形转子无铁心，换向元件电感小，在换向时几乎不产生火花，换向性能好，大大提高电机的寿命，并且减少对无线电的干扰。
但是杯形直流伺服电动机的制造成本较高，大多用于高精度自动控制系统及测量装置等设备中，如电视摄像机、X—Y函数记录仪、机床控制系统等。
二、盘形电枢直流伺服电动机
盘形电枢的特点是电枢直径远大于长度。定子由永久磁铁和前后铁轭共同组成，磁铁可以在圆盘的一侧，也可在两侧。盘形伺服电动机的转子电枢由线圈沿转轴径向排列，再用环氧树脂固化成圆盘型。定、转子间的气隙为轴向平面气隙，磁通沿轴向通过气隙。圆盘中
电枢绕组是印制绕组或是绕线式绕组，后者功率比前者大。图
2-21所示是印制绕组盘形电枢直流伺服电动机的结构简图。
它不需要换向器，是利用靠近转轴的电枢端部兼作换向器，但
是表面需镀一层耐磨材料，延长使用寿命。
图2-21
圆盘绕组中通过的电流是径向电流，而磁通是轴向的，二者相互作用产生电磁转矩，使电机旋转。
盘形电枢直流伺服电动机的特点是:
1)结构简单，制造成本低。
2)起动转矩大。这是由于电枢绕组全部在气隙中，散热良好，绕组电流密度比一般普通的直流伺服电动机高10倍以上，容许的起动电流和起动转矩大。
3)力矩波动小，低速时运行稳定，调速范围广而平滑，能在1:20速比范围内平稳运行。这主要是由于电机没有齿槽效应以及电枢元件数、换向片数多的缘故。
4)换向性能好。电枢由非磁性材料制成，换向元件电感小，换向火花小。
5)电枢转动惯量小，反应快，机电常数一般在10~15ms，属于中等低惯量伺服电动机。
盘形电枢直流伺服电动机适用于低速和起动、反转频繁，要求薄形安装尺寸的系统中。输出功率几瓦到几千瓦，功率较大的主要用于数控机床、工业机器人、雷达天线驱动和其它伺服系统。
三、无槽电枢直流伺服电动机
无槽电枢直流伺服电动机与普通直流伺服电动机的区别是电枢表面光滑，不开槽，电枢绕组元件直接放置在铁心的外表面，用环氧树脂浇注成型与铁心粘在一起，其气隙尺寸较大，
比普通的直流电动机大10倍以上，定子励磁采用高性能的永久磁钢。
由于无槽电枢直流伺服电动机在磁路上不存在齿部磁通密度饱和的问题，
因此可以提高气隙磁通密度，减小电枢的外径。这种电机的气隙磁密可达1T 以上，比普通直流伺服电动机大1.5倍左右，电枢的长度与外径之比在5 倍以上。所以无槽电枢直流伺服电动机具有转动惯量小、起动转矩大、反应快、起动灵敏度高、转速平稳、低速运行均匀、换向性能良好等优点。目前电机的输10kW出功率在几十瓦到以内，机电时间常数为5~10ms。主要用于要求快速图2-22 无槽直流伺服电动机结构动作、功率较大的系统，例如数控机床和雷达天线驱动等。
第五节直流伺服电动机的性能指标及选择使用
一、直流伺服电动机的性能指标
目前我国生产的直流伺服电动机的型号主分有SY和SZ系列。SY是永磁式直流伺服电动机系列，SZ是电磁式直流伺服电动机系列。
例:36SZ01型直流伺服电动机，其中:36——表示机座外径尺寸为;SZ——产品代号，S表,36mm
示伺服电动机，Z表示直流电磁式;01——电气性能数据。
直流伺服电动机的额定值与一般直流电动机的额定相似，有以下额定值
PUI(A)n(r/min)1(额定功率(W)、2(额定电压(V)、3(额定电流、4(额定转矩、5。额定转速、NNNN
PPNNT,,9.55,P,UI,6(额定效率等。和 NNNNNN,nNN
额定值表明了电动机的主要性能和使用条件，是选用和使用电动机的依据。
二、直流伺服电动机的选择和使用
直流伺服电动机在自动控制系统中作为执行元件，即在输入控制电压后，电动机能按照控制电压信号的要求驱动工作机械，伺服电动机通常作为随动系统，遥控和遥测系统主传动元件。
由伺服电动机组成的伺服系统，通常采用两种控制方式，一是速度控制方式，二是位置控制方式。速度控制原理框图如图2-23所示。
在此系统中，速度的给定量和反馈量都是以
电压信号形式出现。当电动机的转速低于所要求
的转速时，由测速发电机发出的电压信号与速度
给定量的比较，使放大器电压升高向伺服电动机
供电，电动机立即加速，反之若电动机的转速高
2-23
于所要求的转速时，测速发电机发出电压与速度给定量比较，放大器电压降低向电动机供电，使电动机减速。只有在电动机的转速等于所需的转速时，测速发电机所发出的电压信号与速度给定量相平衡，反映出了电动机稳定运行时的电压，使电动机严格运行在给定的转速上。
直流伺服电动机在工业上应用实例很多，例如发电厂阀门的控制，变压器有载调压定位等等。
选择直流伺服电动机时，不仅仅是指对电动机本身性能的选择，还根据自动控制系统中是否选用直流伺服电动机，以及系统所采用的电源、功率和系统对电机的要求来选择。如控制系统要求线性的机械特性和调节特性，控制功率又大，则可选用直流伺服电动机。对随动系统要求伺服电动机的机电时间常数要小;短时工作的伺服系统则要求伺服电动机以较小的体积和重量能给出较大的堵转力矩和功率，对长期工作的伺服系统要求伺服电动机的寿命要长。
直流伺服电动机的品种和规格很多，为便于选用，特将部分国产品种的伺服电动机名称、性能特点和应用范围介绍如下:
1(电磁式直流伺服电动机
性能特点:电动机的磁场是由直流电励磁，需要直流电源，磁通不随时间变化，但是受温度的影响。
应用范围:可用于作中、大功率直流伺服系统的执行元件，适用于要求快速响应的伺服系统。
电磁式直流伺服电动机若采用电枢控制方法时，要特别注意在使用时首先要接通励磁电源，然后才能加电枢电压，避免长时间电枢电流过大而烧坏电动机。这是因为在起动瞬间电枢反电动势为零，如果先加
U电枢电压，而后接通励磁电源，这时会出现电枢电流等于，此时伺服电动机的电压全部降落I,U/Ra
在电枢电阻上，电枢电流很大，极易烧坏电动机。在电动机起动和运行过程中，绝对要避免励磁绕组Ra
断线以免电枢电流过大和造成“飞车”事故。
2(永磁式直流伺服电动机
自动控制元件及线路课后答案
自动控制元件部分课后题答案 第一章直流伺服电动机 1-1直流伺服电动机的电磁转矩和控制电流由什么决定？ 答：a ：由T em =C m ΦI a 知电磁转矩由每极磁通量和绕组电流大小决定。b ：由T em =T 0+T 2=CmΦIa 控制电流由负载转矩(T 2)和空载转矩(T 0)大小决 定。 1-2当直流伺服电动机的负载转矩恒定不变时，控制电压升高将使稳态的电磁转矩、控制电流、转速发生怎样的变化？为什么？ 答：a ：电磁转矩T em =T 0+T 2可见电磁转矩也不变。由T em =C m ΦI a 知控制电流I a 也不变b ：KeKt RaTem Ke Ua n -=知T em 不变可见U a 转速升高理想空载转速变大导致转速n 升高。 1-3已知一台直流电动机，其电枢额定电压Ua=110V ，额定运行时电枢电流Ia=0.4A ，转速n=3600rpm ，它的电枢电阻Ra=50欧姆，负载阻转矩To=15mN.m 。试问该电动机额定负载转矩是多少？ 答：Ea=Ua-IaRa=110-0.4×50=90V Ea=CeΦn,Ce=0.105Cm CmΦ=0.2383600 0.10590n 105.0=?=?Ea T em =T 0+T 2=CmΦIa→T 2=CmΦIa-T 0=0.40.238=0.0952-15×10-3=80.2mN.m 1-6当直流伺服电动机电枢电压、励磁电压不变时，如将负载转矩减少，试问此时电动机的电枢电流、电磁转矩、转速将怎样变化？并说明由原来的状态到新的稳态的物理过程。 答：磁转矩T em =T 0+T 2可见T 2↓电磁转矩也↓。由T em =C m ΦI a 知控制电流I a ↓Ea=Ua-IaRa 可见I a ↓知Ea↑，由Ea=CeΦn 知Ea↑知n↑ 第二章直流测速发电机 2-4某直流测速发电机，其电枢电压U=50V ，负载电阻R L =3000Ω，电枢电阻Ra=180Ω，转速n=3000rpm ，求该转速下的空载输出电压Uo 和输出电流Ia 。Ea =Ua IaRa Ia=300050=0.0167A Ea=50Ea =50+3000 50×180=53空载Uo =Ea =53第三章步进电动机 3-8某五相反应式步进电动机转子有48个齿，试分析其有哪几种运行方式及对应的步距角，并画出它们的矩角特性曲线族。 答:5相单5拍A→B→C→D→E→A Θb ==?=48 5360NZr 360 1.5°T emA =-T jmax sin(Θe )T emB =-T jmax sin(Θe -52π)T emC =-T jmax sin(Θe -5 4π)
直流伺服电机实验报告
实验六 直流伺服电机实验 一、实验设备及仪器 被测电机铭牌参数： P N =185W ，U N =220V ，I N =1.1A ， 使用设备规格(编号)： 1．MEL 系列电机系统教学实验台主控制屏（MEL-I 、MEL-IIA 、B ）； 2．电机导轨及测功机、转速转矩测量（MEL-13）； 3．直流并励电动机M03（作直流伺服电机）； 4．220V 直流可调稳压电源（位于实验台主控制屏的下部）； 5．三相可调电阻900Ω（MEL-03）； 6．三相可调电阻90Ω（MEL-04）； 7．直流电压、毫安、安培表（MEL-06）； 二、实验目的 1．通过实验测出直流伺服电动机的参数r a 、e κ、T κ。 2．掌握直流伺服电动机的机械特性和调节特性的测量方法。 三、实验项目 1．用伏安法测出直流伺服电动机的电枢绕组电阻r a 。
2．保持U f=U fN=220V，分别测取U a =220V及U a＝110V的机械特性n=f(T)。3．保持U f=U fN=220V，分别测取T2＝0.8N.m及T2＝0的调节特性n=f(Ua)。4．测直流伺服电动机的机电时间常数。 四、实验说明及操作步骤 1．用伏安法测电枢的直流电阻Ra
表中Ra=（R a1+R a2+R a3）/3; R aref=Ra*a ref θ θ + + 235 235 （3）计算基准工作温度时的电枢电阻 由实验测得电枢绕组电阻值，此值为实际冷态电阻值，冷态温度为室温。按下式换算到基准工作温度时的电枢绕组电阻值： R aref=Ra a ref θ θ + + 235 235
永磁交流伺服电机原理
永磁交流伺服电机原理 近年来由于无刷式伺服（马达）电机(brushless servo motor)制造与控制技术的急速发展，再加上大规模集成电路与半导体功率组件的进步，使其商品化产品日益增多，在高性能伺服应用场合如计算机控制数值工具机、工业机器人等，均已逐渐取代了传统式的有电刷的直流伺服电机(dc servo motor)。无刷式伺服电动机主要可分为两大类(表1) (1)无刷式直流伺服电机(brushless dc servo motor)，一般亦称的为永磁式同步电机(PM synchronous motor) 或永磁式交流伺服电机(PM ac servo motor)，(2)感应式交流伺服电机(induction ac servo motor)。 无刷式直流伺服电机采用内装式的霍尔效应(Hall-effect)传感器组件来检测转子的绝对位置以决定 功率组件的触发时序，其效用有如将直流伺服电机的机械式电刷换相(mechanical commutation)改为电子式换相(electronic commutation)，因而去除了直流伺服电动机因电刷所带来的限制。目前一般永磁式交流伺服电机的回接组件多采用解角器(resolver) 或光电解编码马器(photo encoder)，前者可量测转子绝对位置，后者则祇能测得转子旋转的相对位置，电子换相则设计于驱动器内。 表1伺服电机的分类 永磁式直流伺服电动机如图1(a)所示，其永久磁铁在外，而会发热的电枢线圈(armature winding)在内，因此散热较为困难，降低了功率体积比，在应用于直接驱动(direct-drive)系统时，会因热传导而造成传动轴(如导螺杆)的热变形。但对交流伺服电机而言，不论是永磁式或感应式，其造成旋转磁场的电枢线圈，如图1(b)所示，均置于电机的外层，因而散热较佳，有较高的功率体积比，且可适用于直接驱动系统。 交流电机依其扭矩产生方式可分为两大类(1)同步交流电机(synchronous ac motor)与(2)感应交 流电机(induction ac motor)，同步交流电机因其转子可由外界电源或由本身磁铁而造成的磁场与定子的旋转磁场交互作用而达到同步转速，但是感应交流电机的转子则因定子与转子间的变压器效应(transformer effect)而产生转子感应磁场，为了维持此感应磁场以产生旋转扭矩，转子与定子的旋转磁场间必须有一相对运动—滑差(slip)，因此感应电机的转速无法达到同步转速。
直流伺服电动机实验报告1
淄博职业技术学院控制电机实验报告XX学院___年级 XX班姓名________学号_________同组人__________ 实验日期________年_____月____日温度________ 湿度________ 实验一直流伺服电动机电枢电阻的测量 一、实验目的 1、通过实验测出直流伺服电动机的参数ra、Ke、KT。 2、掌握直流伺服电动机的机械特性 二、实验项目 1、测直流伺服电动机的电枢电阻。 三、实验方法 1、实验设备： 2、用伏安法测直流伺服电动机电枢的直流电阻 （1）用伏安法测直流伺服电动机电枢的直流电阻
按图1接线，电阻选用2.2K 100W 的变阻器。电流表的量程选用2A ，电源选用直流电机专用电源上的电枢电源。 图.1 测电枢绕组直流电阻接线图 (2) 经检查无误后接通电枢电源，并调至220V ，合上开关S ，调节R 使电枢电流达到0.2A ，迅速测取电机电枢两端电压U 和电流I ，再将电机轴分别旋转三分之一周和三分之二周。同样测取U 、I ，记录于表1-1中，取三次的平均值作为实际冷态电阻。 (3) 计算基准工作温度时的电枢电阻 由实验直接测得电枢绕组电阻值，此值为实际冷态电阻值，冷态温度为室温，按下式换算到基准工作温度时的电枢绕组电阻值。 a ref a aref R R θθ++=235235
式中： Raref ——换算到基准工作温度时电枢绕组电阻，（Ω） Ra ——电枢绕组的实际冷态电阻，（Ω） θref——基准工作温度，对于E 级绝缘为75℃ θa——实际冷态时电枢绕组温度，（℃） 四、实验报告 1、由实验数据求得电机参数：R aref 、K e 、K T R aref ——直流伺服电动机的电枢电阻 ——电势常数 ——转矩常数 五、实验心得 通过本次试验加深了对直流伺服电动机的理解， 六、思考题 1、若直流伺服电动机正（反）转速有差别，试分析其原因？ （1）“零飘”，零点不是绝对零点，要调节零飘点，接近于0位置，正反转就基本一致了 （2）因为可控硅制造工艺和参数问题，实际上反转跟正传的电流环并不一致 e T aN e K K n U K π 300 = =
伺服电动机基本知识讲解
伺服电动机又叫执行电动机，或叫控制电动机。在自动控制系统中，伺服电动机是一个执行元件，它的作用是把信号（控制电压或相位）变换成机械位移，也就是把接收到的电信号变为电机的一定转速或角位移。其容量一般在0.1-100W,常用的是30W以下。伺服电动机有直流和交流之分。 一、交流伺服电动机 交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似，如图1所示。其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子，如图2所示。空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。
图1 交流伺服电动机原理图 图2 空心杯形转子伺服电动机结构 交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的
转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。 交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点： 1、起动转矩大 由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率S0＞1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。 图3 伺服电动机的转矩特性 2、运行范围较宽 如图3所示，较差率S在0到1的范围内伺服电动机都能稳定运转。 3、无自转现象
直流伺服电机实验报告
直流电机的特性测试 一、实验要求 在实验台上测试直流电机机械特性、工作特性、调速特性（空载）和动态特性，其中测试机械特性时分别测试电压、电流、转速和扭矩四个参数，根据测试结果拟合转速—转矩特性（机械特性），并以X 轴为电流，拟合电流—电压特性、电流—转速特性、电流—转矩特性，绘制电机输入功率、输出功率和效率曲线，即绘制电机综合特性曲线。然后在空载情况下测试电机的调速特性，即最低稳定转速和额定电压下的最高转速，即调速特性；最后测试不同负载和不同转速阶跃下电机的动态特性。 二、实验原理 1、直流电机的机械特性 直流电机在稳态运行下，有下列方程式： 电枢电动势 e E C n =Φ （1-1） 电磁转矩 e m T C I =Φ （1-2） 电压平衡方程 U E I R =+ （1-3） 联立求解上述方程式，可以得到以下方程： 2e e e m U R n T C C C = -ΦΦ （1-4） 式中 R ——电枢回路总电阻 Φ——励磁磁通 e C ——电动势常数 m C ——转矩常数 U ——电枢电压 e T ——电磁转矩 n ——电机转速
在式（1-4）中，当输入电枢电压U 保持不变时，电机的转速n 随电磁转矩e T 变化而变化的规律，称为直流电机的机械特性。 2、直流电机的工作特性 因为直流电机的励磁恒定，由式（1-2）知，电枢电流正比于电磁转矩。另外，将式（1-2）代入式（1-4）后得到以下方程： e e U R n I C C = -ΦΦ （1-5） 由上式知，当输入电枢电压一定时，转速是随电枢电流的变化而线性变化的。 3、直流电机的调速特性 直流电机的调速方法有三种：调节电枢电压、调节励磁磁通和改变电枢附加 电阻。 本实验采取调节电枢电压的方法来实现直流电机的调速。当电磁转矩一定 时，电机的稳态转速会随电枢电压的变化而线性变化，如式（1-4）中所示。 4、直流电机的动态特性 直流电机的启动存在一个过渡过程，在此过程中，电机的转速、电流及转矩 等物理量随时间变化的规律，叫做直流电机的动态特性。本实验主要测量的是转速随时间的变化规律，如下式所示： s m dn n n T dt =- （1-6） 其中，s n ——稳态转速 m T ——机械时间常数 本实验中，要求测试在不同负载和不同输入电枢电压（阶跃信号）下电机的 动态特性。 5、传感器类型 本实验中，测量电机转速使用的是角位移传感器中的光电编码器；测量电磁 转矩使用的是扭矩传感器。
伺服电机知识汇总(直流-交流伺服电机)
伺服电机知识汇总（直流/交流伺服电机） 伺服电机servomotor “伺服”一词源于希腊语“奴隶”的意思。“伺服电机”可以理解为绝对服从控制信号指挥的电机：在控制信号发出之前，转子静止不动;当控制信号发出时，转子立即转动;当控制信号消失时，转子能即时停转。 伺服电机是自动控制装置中被用作执行元件的微特电机，其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度。 伺服电机分为交流伺服和直流伺服两大类 交流伺服电机的基本构造与交流感应电动机(异步电机)相似。在定子上有两个相空间位移90°电角度的励磁绕组Wf和控制绕组WcoWf，接恒定交流电压，利用施加到Wc上的交流电压或相位的变化，达到控制电机运行的目的。交流伺服电机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格(要求分别小于10%～15%和小于15%～25%)等特点。 直流伺服电机基本构造与一般直流电动机相似。电机转速n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j，式中E 为电枢反电动势，K为常数，j为每极磁通，Ua、Ia为电枢电压和电枢电流，Ra为电枢电阻，改变Ua或改变φ，均可控制直流伺服电动机的转速，但一般采用控制电枢电压的方法，在永磁式直流伺服电动机中，励磁绕组被永久磁铁所取代，磁通φ恒定。直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。 直流伺服电机的优点和缺点 优点：速度控制精确，转矩速度特性很硬，控制原理简单，使用方便，价格便宜。 缺点：电刷换向，速度限制，附加阻力，产生磨损微粒(无尘易爆环境不宜) 交流伺服电机的优点和缺点 优点：速度控制特性良好，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡，90%以上的高效率，发热少，高速控制，高精确度位置控制(取决于编码器精度)，额定运行区域内，可
第一章工业机器人概论
第一章概论 提起机器人，我们都不陌生，脱口就能说出一大串机器人的名字：铁臂阿童木、霹雳五号、奥特曼、终结者等，这些都是小说或影视作品中的主人翁。可以说大多数人都是从影视作品中了解机器人的，影视作品中的机器人，功能都很强大，看起来很神奇，正是由于这些影视作品的影响，人们对机器人给予了非常高的希望，但现实中的机器人并不像人，与其说是机器人，还不如说是一台机器。但是只有想到了，才能做到，那些神奇的机器人正是我们共同奋斗的目标。我们只有了解了现实的机器人，才能创造出未来更好的机器人。 机器人技术是一门高新技术，作为21世纪的人才，面临高新技术和自动化技术的冲击，面临国际市场经济和技术迅猛发展的激烈竞争，机器人技术是迎接未来挑战的有力武器和理想助手，机器人使人类从繁琐、恶劣的作业环境中解脱出来，而从事更加雄伟的事业，开创未来世界。 对年青朋友来说，不管你以后搞不搞机器人技术，也不管你涉不涉足机器人产业，都有必要了解一些机器人知识，因为未来的机器人将对你的生活和工作产生巨大的影响。 [作业1] 机器人发展概况综述。 第一节工业机器人的概念 关于工业机器人，目前世界各国尚无统一定义，分类方法也不尽相同。 ①美国： 工业机器人是一种可重复编辑的多功能操作装置，它可以通过改变动作程序来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件和工具。 ②日本： 1）工业机器人是整机能够回转，有抓取（或吸住）物体的手抓和能够进行伸缩、弯曲、升降（仰俯），回转及其复合动作的臂部，带有记忆 部件，可部分地代替人进行自动操作的具有通用性的机械。 2）具有人体上肢（臂、手）动作功能，可进行多种动作的装置，或者具有感觉功能，可自主进行多种动作的装置。 日本定义的工业机器人的范围是较广的，他们将工业机器人分为六类： 人控机械手 固定程序控制机器人 可变程序控制机器人 示教再现机器人 数值控制机器人 ③我国对“机械手”和“工业机器人”的定义：
直流伺服电动机
第二章直流伺服电动机 直流伺服电动机是自动控制系统中具有特殊用途的直流电动机，又称执行电机，它能够把输入的电压 信号变换成轴上的角位移和角速度等机械信号。直流伺服电动机的工作原理、基本结构及内部电磁关系与 一般用途的直流电动机相同。 第一节直流电动机 一、 直流电动机的基本工作原理 直流电动机的基本结构与直流发电机相同。电动机输入电压信号，输出转速信号。 二、 电磁转矩和转矩平衡方程 pN 1、电磁转矩 T em I a = C T 尬I a 2na 对于一个已经制造好的电机，它的电磁转矩 T em 正比于每极磁通 叮」和电枢电流l a 。 称为电动机稳态转矩平衡方程。 3、动态转矩平衡方程 当电机的转速发生改变时，由于电机及负载具有转动惯量，将产生惯性转矩 J 负载和电动机转动部分的转动惯量; 电动势平衡方程 2、稳态转矩平衡方程 T em = T 2 T 0 = T L 此时，电动机轴上的动态转矩平衡方程为 ,d'J 二 J ---- dt 直流电动机电动势平衡方程 U =E a l a R a 电枢电流的表达式 U -E a R a U _C e ：」n R 电动机的机械特性 R a n 2 T em 二 n 0 C e ①CeG ①2 -'T em 四、直流电动机的起动和调速 1 ?起动：起动电流大： 1st =l a _ U -R a 由于R a 不大，所以起动电流可能达到额定电流的十几倍。为了限 制起动电流，一般采用在电枢回路中串联起动电阻 R st 的方法。一般把 起动电流限制在额定电流的 1.5~2倍以内，保证有足够的起动转矩。 对于自动控制系统中使用的直流电动机，功率只有几百瓦，由于电 枢电阻比较大，其起动电流不超过额定电流的 5~6倍，加上其转动惯量较小，转速上升快，起动时间短, 所以可以直接起动，而且起动电流大，起动转矩也大，这正是控制系统所希望的。 U f U 图2-2直流电动机的电枢回路
直流伺服电动机知识
（一）结构 直流伺服电动机结构和原理与普通直流电动机的结构和原理没有根本区别。 按照励磁方式的不同，直流伺服电动机分为永磁式直流伺服电动机和电磁式直流伺服电动机。永磁式直流伺服电动机的磁极由永久磁铁制成，不需要励磁绕组和励磁电源。电磁式直流伺服电动机一般采用他励结构，磁极由励磁绕组构成，通过单独的励磁电源供电。 按照转子结构的不同，直流伺服电动机分为空心杯形转子直流伺服电动机和无槽电枢直流伺服电动机。空心杯形转子直流伺服电动机由于其力能指标较低，现在已很少采用。无槽电枢直流伺服电动机的转子是直径较小的细长型圆柱铁芯，通过耐热树脂将电枢绕组固定在铁芯上，具有散热好、力能指标高、快速性好的特点。 （二）控制方式 直流电动机的控制方式有两种：一种称为电枢控制，在电动机的励磁绕组上加上恒压励磁，将控制电压作用于电枢绕组来进行控制；一种称为磁场控制，在电动机的电枢绕组上施加恒压，将控制电压作用于励磁绕组来进行控制。 由于电枢控制的特性好，电枢控制中回路电感小，响应快，在自动控制系统中多采用电枢控制。 1．电枢控制方式下的工作原理与特性 在电枢控制方式下，作用于电枢的控制电压为Uc，励磁电压Uf保持不变，如图4－1所示。 图4－1 电枢控制的直流伺服电动机原理图 直流伺服电动机的机械特性表达式为： （4—1） 式中，Ce为电势常数；CT为转矩常数；Ra为电枢回路电阻。 由于直流伺服电动机的磁路一般不饱和，我们可以不考虑电枢反应，认为主磁通
Φ大小不变。 伺服电动机的机械特性，指控制电压一定时转速随转矩变化的关系。当作用于电枢回路的控制电压Uc不变时，转矩T增大时转速n降低，转矩的增加与电动机的转速降成正比，转矩T与转速n之间成线性关系，不同控制电压作用下的机械特性如图4－2a所示。 a) b) 图4－2 直流伺服电动机的特性 a)机械特性；b)调节特性 伺服电动机的调节特性是指在一定的负载转矩下，电动机稳态转速随控制电压变化的关系。当电动机的转矩T不变时，控制电压的增加与转速的增加成正比，转速n与控制电压Uc也成线性关系。不同转矩时的调节特性如图4—2b所示。由图可知，当转速n＝0时，不同转矩T所需要的控制电压Uc也是不同的，只有当电枢电压大于这个电压值，电动机才会转动，调节特性与横轴的交点所对应的电压值称始动电压。负载转矩TL不同时，始动电压也不同，TL越大，始动电压越高，死区越大。负载越大，死区越大，伺服电机不灵敏，所以不可带太大负载。直流伺服电动机的机械特性和调节特性的线性度好，调整范围大，起动转矩大，效率高。缺点是电枢电流较大；电刷和换向器维护工作量大；接触电阻不稳定；电刷与换向器之间的火花有可能对控制系统产生干扰。
宽调速永磁直流伺服电动机的发展概况及主要特点
分析设计 宽调速永磁直流伺服电动机的发展概况及主要特点 周海清 (新余高等专科学校 江西336525) D evelop i ng Survey and M a i n Character istics of Per manen t M agnetW ide Speed Range DC Servo M otors Z hou H a ig ing (X inyu Co llege fo r P rofessi onal T rain ing of H igher L earn ing,J iangx i336525) 【摘 要】 简要介绍了宽调速永磁直流伺服电动机的结构特点、主要性能、用途和开发情况。 【关键词】 永磁 宽调速 电机 性能 【Abstract】 T h is paper b riefly in troduces structu ral featu res,m ain p roperties,functi on and develop ing conditi on of perm anen t m agnet w ide speed range DC servo mo to rs. 【Keywords】 perm anen t m agnet w ide speed range electric mo to r p roperty 1发展概况 近年来,世界各国的机械制造业都处在数量化、数控化、自动和半自动化的高潮,微电子技术的应用,尤其是微型计算机的普及,给机械数控化带来很大的发展。作为高精度伺服元件的宽调速电机被广泛应用在数控机床、机器人、雷达跟踪、冶金机械、纺织机械等各个领域。据美国有关部门报道,美国市场对永磁直流电机的需求量以每年21%的速度猛增,导致这一增长趋势的原因首先是自动化设备的飞速发展和电子计算机外围设备不断扩大,其次是军事电子设备的激增和电子电动玩具应用的日益广泛。英、日、德等国均有大量的全系列该电机出售,并且有与其相配套的控制器供应。 在我国,早在70年代就开始这方面的研制工作。现在,全国有近十家厂设计宽调速永磁直流伺服电动机,基本上形成了系列产品(额定转矩从0.5-75N m,最高电压<160V,最高转速1000-2000r m in)。电机可同轴装配高灵敏度直流发电机或脉冲编码器,已广泛用于各种自动化控制系统中,特别为我国数控机床以及机床行业产品更新、旧机床技术改造提供了可靠的执行元件,它对提高工效,提高加工质量和精度,大幅度降低废品率和成本起很大作用。目前,我国有几百万台普通机床,数控率在0.5%以下,一旦采用微电机技术进行改造,效益是相当可观的。 2电机结构特点 2.1采用铁氧体永磁材料作磁源 永磁材料性能是决定电机电气和机械特性的关键因素。常用的永磁材料有铁氧体、铝镍钴、钐钴和钕铁硼等,根据它们的性能价格(见下表)关系选择磁性材料。 目前,我国民用产品中多采用铁氧体作磁源,它具有如下一些特点: (1)原材料丰富,成本低廉,因而可以提高电机的经济指标。 (2)矫顽力高,不容易去磁,能承受大的冲击电流,提高电机快速性。矫顽力高也可以减少电机 名称B r(T)H C(A m)(B H)m ax(kJ m3)居里点(℃)单位价格(元 kg) 铁氧体0.3-0.41.75×105-2.23×10523.87-31.8345020 铝镍钴51.2-1.34.77×104-5.57×10447.75-55.70724200 钐 钴≥0.8≥5.57×105119.37-198.94724950 钕铁硼≥1.07≥6.36×105>198.94321450 本文1998年11月10日收到 82微特电机 1999年第2期
PLC第一章习题答案
第一章 习题答案 8. 由ωe a a a a a a K I R E I R U +=+=，当a U 不变，↑?↓a I ω，使电机过热，损坏绝缘，减少电机寿命。若ω下降，长期运行，电流不能超过额定值，应使电枢电压下降。 9. 电机卡死时有a a a a R I U E ==?=,00ω。只要电流不超过额定值，就可以加电枢电压，但时间不宜过长，因此时电机电扇不动，散热差，温升较高。不能加额定电压，因为此时反电势为零，电枢电流远远高于额定值，引起电机过热，甚至烧毁绕组绝缘，使电机损坏。 10.电枢电压和激磁电压同时改变极性，相当于电枢电流和磁场同时改变方向，定、转子之间的转矩方向不变，电机转向不变。 11.当激磁回路突然断路时，磁通t e k k ,.及Φ迅速下降，考虑极端情况， a t em t e I K T K K ====Φ由,0,0知此时电动机无电磁转矩，电机—发电 机组应停转，由111111R I E R I U =+=知电流将很大，时间稍长会使温升过高而烧毁电机。此时应切断电动机电枢电源或使电动机电枢绕组电压为零，即通过电阻闭合。 12.若直流电机的磁通Φ突然减小接近于零，可产生两种情况： 1）若电机阻转矩很小，电机剩磁所产生的电磁转矩足以克服阻转矩转动，由磁场控制时的调节特性曲线可知，电机可能达到很高的转速，产生所谓飞车现象，而使装置损坏。 2．）若电机剩磁所产生的电磁转矩不足以克服阻转矩，不能使电机转动，此时电机停转，a a a a a I I R U E 导致,,0,==过大，时间稍长，电机就会发热导致损坏。所以直流电机必须在磁场正常时才能加上电枢电压。 综上所述，为了避免磁通很低时接通电枢电压，电磁式直流电动机起动时应先接通激磁绕组，然后再接电枢电压。停机时，应先断开电枢电压，然后再切断激磁绕组。 13. ω ω必有增加不变时，, , em a e t em a a a a a T U K K T R E I R U +=+=下降，即，随着电磁转矩增加，转速下降，机械特性是下倾的。
永磁式直流伺服电机项目实施方案
第一章项目基本情况 一、项目概况 （一）项目名称 永磁式直流伺服电机项目 （二）项目选址 xxx高新区 场址选择应提供足够的场地用以满足项目产品生产工艺流程及辅助生产设施的建设需要；场址应具备良好的生产基础条件而且生产要素供应充裕，确保能源供应有可靠的保障。 （三）项目用地规模 项目总用地面积53826.90平方米（折合约80.70亩）。 （四）项目用地控制指标 该工程规划建筑系数73.62%，建筑容积率1.03，建设区域绿化覆盖率7.52%，固定资产投资强度171.25万元/亩。 （五）土建工程指标 项目净用地面积53826.90平方米，建筑物基底占地面积39627.36平方米，总建筑面积55441.71平方米，其中：规划建设主体工程34494.58平方米，项目规划绿化面积4170.79平方米。
（六）设备选型方案 项目计划购置设备共计176台（套），设备购置费4137.23万元。 （七）节能分析 1、项目年用电量979402.54千瓦时，折合120.37吨标准煤。 2、项目年总用水量27473.36立方米，折合2.35吨标准煤。 3、“永磁式直流伺服电机项目投资建设项目”，年用电量979402.54 千瓦时，年总用水量27473.36立方米，项目年综合总耗能量（当量值）122.72吨标准煤/年。达产年综合节能量36.66吨标准煤/年，项目总节能 率21.43%，能源利用效果良好。 （八）环境保护 项目符合xxx高新区发展规划，符合xxx高新区产业结构调整规划和 国家的产业发展政策；对产生的各类污染物都采取了切实可行的治理措施，严格控制在国家规定的排放标准内，项目建设不会对区域生态环境产生明 显的影响。 （九）项目总投资及资金构成 项目预计总投资20157.88万元，其中：固定资产投资13819.88万元，占项目总投资的68.56%；流动资金6338.00万元，占项目总投资的31.44%。 （十）资金筹措 该项目现阶段投资均由企业自筹。 （十一）项目预期经济效益规划目标
伺服电动机知识介绍
伺服电动机 伺服电动机又称为执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件。它将输入的电压信号转变为转轴的角位移或角速度输出，改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的转速与转向，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。 根据使用电源的不同，伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机输出功率较大，功率范围为1～600瓦，有的甚至可达上千瓦；而交流伺服电动机输出功率较小，功率范围一般为0.1～100瓦。 6.1.1 直流伺服电动机 直流伺服电动机实际上就是他励直流电动机，其结构和原理与普通的他励直流电动机相同，只不过直流伺服电动机输出功率较小而已。 当直流伺服电动机励磁绕组和电枢绕组都通过电流时，直流电动机转动起来，当其中的一个绕组断电时，电动机立即停转，故输入的控制信号，既可加到励磁绕组上，也可加到电枢绕组上：若把控制信号加到电枢绕组上，通过改变控制信号的大小和极性来控制转子转速的大小和方向，这种方式叫电枢控制；若把控制信号加到励磁绕组上进行控制，这种方式叫磁场控制。磁场控制有严重的缺点（调节持性在某一范围不是单值函数，每个转速对应两个控制信号），使用的场合很少。 直流伺服电动机进行电枢控制时，电枢绕组即为控制绕组，控制电压直接加到电枢绕组上进行控制。而励磁方式则有两种：一种用励磁绕组通过直流电流进行励磁，称为电磁式直流伺 图7.1 直流伺服电动机电枢控制线路图 服电动机；另一种使用永久磁铁作磁极，省去励磁绕组，称为永磁式直流伺服电动机。 直流伺服电动机进行电枢控制的线路如图7.1所示，励磁绕组接到电压恒定为的直流 电源上，产生励磁电流，从而产生励磁磁通，电枢绕组接控制电压，那么直流伺服电动机电枢回路的电压平衡方式为 若不计电枢反应的影响，电机的每极气隙磁通将保持不变，则 电动机的电磁转矩公式为
直流伺服电动机
直流伺服电动机 第二章直流伺服电动机 直流伺服电动机是自动控制系统中具有特殊用途的直流电动机，又称执行电机，它能够把输入的电压信号变换成轴上的角位移和角速度等机械信号。直流伺服电动机的工作原理、基本结构及内部电磁关系与一般用途的直流电动机相同。 第一节直流电动机 一、直流电动机的基本工作原理 直流电动机的基本结构与直流发电机相同。电动机输入电压信号，输出转速信号。 二、电磁转矩和转矩平衡方程 pN1、电磁转矩 T,,I,C,IemaTa2,a 对于一个已经制造好的电机，它的电磁转矩正比于每极磁通和电枢电流。 TI,ema 2、稳态转矩平衡方程 = TT，T,Tem20L 称为电动机稳态转矩平衡方程。 3、动态转矩平衡方程 ,dT,J当电机的转速发生改变时，由于电机及负载具有转动惯量，将产生惯性转矩 jdtJ——负载和电动机转动部分的转动惯量; d,TTTJ 此时，电动机轴上的动态转矩平衡方程为 ,,,emLjdt 三、电动势平衡方程 直流电动机电动势平衡方程 U,E，IRaaa Ia
U,EU,C,naeI,,电枢电流的表达式 aE U I U afRRfaa 电动机的机械特性 RUa图2-2 直流电动机的电枢回路 n,,T,n,,T em0em2CΦCCΦeeT 四、直流电动机的起动和调速 UI,I,1(起动:起动电流大: staIaRa IUUEffaR由于不大，所以起动电流可能达到额定电流的十几倍。为了限a R制起动电流，一般采用在电枢回路中串联起动电阻的方法。一般把st Rst起动电流限制在额定电流的1.5~2倍以内，保证有足够的起动转矩。图 2-3电枢回路串联起动电阻对于自动控制系统中使用的直流电动机，功率只有几百瓦，由于电 枢电阻比较大，其起动电流不超过额定电流的5~6倍，加上其转动惯量较小，转速上升快，起动时间短，所以可以直接起动，而且起动电流大，起动转矩也大，这正是控制系统所希望的。 为了获得较大的起动转矩，励磁磁通应为最大，因此电机起动时，励磁回路的调节电阻必须短接，并在励磁绕组两端加上额定励磁电压。 UIR,aa2(调速: n,CΦe U调速的方法有三种:(1)改变电源电压调速;
步进电机 直流伺服电机 交流伺服电机的优缺点
交流伺服电机 优点 ⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。 ⑵定子绕组散热比较方便。 ⑶惯量小，易于提高系统的快速性。 ⑷适应于高速大力矩工作状态。 直流伺服电机 直流伺服电机特指直流有刷伺服电机——电机成本高结构复杂，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），会产生电磁干扰，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。 直流伺服电机不包括直流无刷伺服电机——电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定，电机功率有局限做不大。容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护不存在碳刷损耗的情况，效率很高，运行温度低噪音小，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。 用途： 1、各类数字控制系统中的执行机构驱动。 2、需要精确控制恒定转速或需要精确控制转速变化曲线的动力驱动。 按电机惯量大小可分为： 1、小惯量直流电机——印刷电路板的自动钻孔机 2、中惯量直流电机（宽调速直流电机）——数控机床的进给系统 3、大惯量直流电机——数控机床的主轴电机 4、特种形式的低惯量直流电机 步进电机 优点
1、电机旋转的角度正比于脉冲数； 2、电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）； 3、由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性； 4、优秀的起停和反转响应； 5、由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命； 6、电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本； 7、仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转； 8、由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。 缺陷 1、如果控制不当容易产生共振； 2、难以运转到较高的转速； 3、难以获得较大的转矩； 4、在体积重量方面没有优势，能源利用率低； 5、超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。 综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。
伺服电机基本知识范文
伺服电机 中文名称：伺服电机 英文名称：servo motor 定义：转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压所属学科：航空科技(一级学科) ；航空机电系统(二级学科) 伺服电机在伺服系统中控制机械元件运转的发动机.是一种补助马达间接变速装置。伺服电机,可使控制速度,位置精度非常准确。将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象 一：伺服电机工作原理 1.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，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。无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。 2.交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。 3.伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，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）。 4．什么是伺服电机？有几种类型？工作特点是什么？ 答：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，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， 5．交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别？ 答：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。
交流伺服电动机与直流伺服电动机的比较
电气伺服技术在机电一体化产品中的应用最为广泛，其主要原因是由于伺服电动机控制方便、灵活，容易获取驱动能源，没有公害污染，维护也比较容易。特别是随着电子技术和软件技术的发展，为电气伺服技术的发展提供了广阔的前景。在电气伺服系统中，按驱动装置的执行元件电动机类型来分，大致说来，通常分为直流(Dc)伺服系统和交流(Ac)伺服系统两大类。下面就以Dc伺服电动机和Ac伺服电动机为比较对象，来粗略地说明这两类伺服系统的优缺点。 从技术上看，在20世纪60年代末、70年代初，Dc伺服电动机就已经实用化了，在各类机电一体化产品中，大量使用着各种结构的Dc伺服电动机。在20世纪70年代末期，随着微处理器技术、电动机控制技术、大功率高性能半导体器件、电动机永磁材料的发展和成本的降低，Ac伺服电动机及其控制装置所组成的Ac伺服系统开始应用。由于Ac伺服系统具有明显的优越性，目前已成为工厂自动化(FA)的基础技术之一，并将逐步取代Dc伺服系统。 在Ac伺服系统中，按电动机种类又分为同步型和异步型(感应)Ac伺服系统两种。两种类型的Ac伺服电动机与Dc伺服电动机的主要性能比较见表l-1。 Dc伺服电动机在轴端安装高性能的速度和位置检测器，并用脉冲宽度调制(PwM)大功率电力电子器件(IGBT)的放大器驱动，可以使Dc伺服系统具有优良的控制性能，所以在20世纪70年代曾获得了广泛应用。但由于Dc伺服电动机．存在机械换向器，需要较多的维护，运行火花使应用环境受到了某些限制，转子容易发热，影响与
其相连接的丝杠精度，高速运行和大容量设计都受到机械换向器的限制。这些缺点和限制都是由变流机构一机械换向器所造成的。所以，革除机械换向器而保留Dc伺服电动机的优良控制性能，是人们长期以来一直在追求的目标。 Ac伺服电动机本身结构简单，坚固耐用，体积小，质量轻，没有机械换向，无需多少维护。由于电力电子器件组成的逆变器及微电子器件对逆变器的控制灵活性．为取代机械换向器提供了条件，才有可能使得包括Ac伺服电动机、逆变器及其控制回路等组成的整体装置——Ac伺服系统，达到Dc伺服电动机及Dc伺服系统的控制性能，克服了Dc伺服电动机的缺点，发挥了Ac伺服电动机的长处。 Ac伺服电动机通常有笼型异步(感应)伺服电动机和永磁同步型伺服电动机两类，由电子器件与其结合，分别构成异步型Ac伺服系统和同步型Ac伺服系统。 异步型Ac伺服系统的控制方法是采用矢量变换控制。所谓矢量变换控制就是模仿Dc伺服电动机的控制，把异步伺服电动机的定子电流分成两个电流分量进行分别独立控制，一个电流分量与转子磁通方向一致，该电流分量称为定子电流的励磁分量；另一个电流分量与转子磁通垂直，该分量称为定子电流的转矩分量。由于实现矢量变换计算复杂，电动机低速特性不良，容易发热。因此，在功率为千瓦、转速下限为几分钟一转的进给伺服驱动中，大多数情况下，都采用同步型伺服电动机。 作为伺服驱动用的同步电动机，在转子上装有永磁材料，产生恒定磁场。在伺服电动机轴的非负载侧安装速度检测器和位置检测器。位置检测器的一个用途就是用以检测永磁体的磁极位置。由磁极位置信号控制同步伺服电动机电枢电流的相位以实现转子磁场方向与电枢电流矢量的磁场在空间上正交，在其他条件一定时所产生的电磁转矩最大。由于可以连续测量出磁场位置，因此，就可以对电枢电流的相位进行精细的控制。对定子电流幅值和相位进行控制，达到了对定子电流瞬间值进行细微控制的要求。应该进一步指出，电动机的转子磁通系由转子上的永磁体产生且保持恒定，所控制的定子电流与磁场正交，完全是用来产生转矩的。这一点和Dc伺服电动机是一样的，电磁转矩和定子电流具有线性关系。如果转子磁通和定子电流矢量间不是正交的话，则可能导致气隙的有效磁场增加或减少，电动机的运行状态将发生变化。
直流伺服电机的基本特性
直流伺服电机的基本特性 网络 2010-08-01 01:50:12 网络 1、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 K值大表示电磁转矩的变化引起电机转速的变化大，这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，有利于提高重流电机的速度稳定性和工件的加工精度。功耗增大。 2、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U a 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 斜率K反映了电机转速n随控制电压U a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。 3、动态特性 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R a的影响、机械特性硬度的影响。
直流伺服电机的种类和主要技术参数 1、按转动部分惯性大小来分： ?小惯量直流电机——印刷电路板的自动钻孔机 ?中惯量直流电机（宽调速直流电机）——数控机床的进给系统 ?大惯量直流电机——数控机床的主轴电机 ?特种形式的低惯量直流电机 2、主要技术参数：额定功率P e ?额定电压U e ?额定电流I e ?额定转速n e ?额定转矩M I e ?调速比D 直流伺服电机的选择，是根据被驱动机械的负载转矩、运动规律和控制要求来确定。 直流伺服电机结构和速度控制原理