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1、控制电机,第 2 章 直流伺服电动机,中国矿大信电学院,2.1 直流伺服电动机工作原理,2.6 直流力矩电动机,2.7 低惯量直流伺服电动机,2.4 直流伺服电动机过渡过程中的工作状态,2.3 直流伺服电动机的特性,2.2 直流伺服电动机的控制方法,第2章 直流伺服电动机,2.8 直流伺服电动机的应用举例,2.5 直流伺服电动机的过渡过程,掌握直流伺服电动机工作原理,了解直流伺服电动机的过渡过程,会分析直流伺服电动机的简单应用,掌握直流伺服电动机过渡过程中的工作状态,掌握直流伺服电动机的特性,掌握直流伺服电动机的控制方法,本章要求：,第2章 直流伺服电动机,2.1 直流伺服电动机的工作原理和结
2、构,一、直流伺服电动机的结构,SZ系列直流伺服电动机,GZ系列直流伺服电动机,小惯量直流伺服电动机,二、直流伺服电动机的工作原理,导体ab,cd中通入图中所示方向的电流，根据电磁力定律，可以判断载流导体ab,cd 在磁场中受力方向，形成逆时针方向电磁力矩，线圈逆时针旋转。,当线圈转动180o ,导体cd处于N极下，电流由c到d，S极下导体电流由b到a ，导体受力仍然是逆时针方向。,电枢连续旋转，导体ab、cd中电流的方向不断变化，交替在N极和S极下受电磁力作用，从而使得电动机按一定的方向连续旋转。换向器，使电刷通过换向片只与处于一定极性下的导体相连接，从而使导体中的电流方向发生变化。,原理动画
3、,N,S,+,-,n,a,b,c,d,A,B,F,F,2.2 直流伺服电动机的控制方法,一、基础知识复习,1 直流电动机的启动,电动机从静止状态过渡到稳速的过程叫启动过程。电机的启动性能有以下几点要求：,1）启动时电磁转矩要大，以利于克服启动时的阻转矩。,2）启动时电枢电流要尽可能的小。,3）电动机有较小的转动惯量和在加速过程中保持足够大的电磁转矩，以利于缩短启动时间。,直流电动机采用电枢回路串电阻或降压启动。,2 直流电动机的调速,可知直流电动机调速可以有：,由,改变电动机的电压、磁通、电枢回路总电阻均时，对应的机械特性为：,3 改变直流电动机转向的方法,改变电动机的转向,就必须改变电磁转矩
4、的方向。根据左手定则可知,改变电磁转矩的方向有两种方法:,1）改变磁通的方向；,2）改变电流的方向。,注意:磁通和电流的方向只能改变其中的一个。,Tem=CTIa,4 使用中必须注意的问题,1）启动时要使励磁磁通最大；,2）切勿使励磁回路断开。,二、直流伺服电动机的控制方法,直流伺服电动机实际为一台他励式直流电动机，其励磁绕组由外施恒压的直流电源励磁或为永磁磁极。,对直流伺服电动机的控制主要是指对电动机转速大小、方向的控制，即对电动机工作状态的控制；通常将电枢电压作为控制信号，实现对电动机转速的控制。,直流伺服电动机稳定运行时的转速为：,稳态时（Tem = Tl ），当负载转矩 Tl 和磁通
5、一定时，调节电枢两端所加电压 Ua ，电动机的转速发生变化，从而改变电动机的工作状态。,分析电动机转速变化的物理过程？,2.3 直流伺服电动机的特性分析,一、直流伺服电动机的机械特性（变压）,1. 反映转速和负载阻转矩（或电磁转矩）之间的变化规律。表征这个规律的曲线称为电动机的机械特性。,2. 机械特性：,其中,为理想空载转速,K 为机械特性直线的斜率,令 n = 0 ，得：,Td 为特性的横轴截距,即启动力矩,n0和Td都和电枢电压Ua成正比。而斜率k和电枢电压Ua无关。所以对应不同的电枢电压Ua可以得到一组相互平行的机械特性，电枢电压Ua越大，曲线的位置越高。,3. 放大器对电动机机械特性
6、的影响,直流伺服电动机的电枢电压是由系统的功率放大器供给的，放大器是有内阻的，它使得电动机机械特性变软。,放大器的内阻越大，机械特性的斜率越大，特性越软。,二、直流伺服电动机的调节特性,1 电动机在一定的负载下，稳定转速随控制电压的变化关系称为电动机的调节特性。,2 负载为常数时的调节特性,Tem 、 一定时，n = f (Ua ) 是一条直线。,当 n=0 时，,当Ua Ua0 时，n 始终为零。 Ua0为最小启动电压,TL 不同， Ua0不同，但直线斜率不变。,3 变负载时的调节特性,在变负载的情况下,调节特性不再是一条直线了。因为不同转速时,负载转矩不同,相应的电枢电流也不同。,4 直流
7、伺服电动机低速运转的不稳定性,从直流伺服电动机理想的调节特性来看，只要控制电压足够小，电机便可以在很低的转速下运行。,但是，当电动机工作在几转到几十转每分时,其速度就不均匀,会出现一周内时快、时慢，甚至暂停的现象，这种现象称为直流伺服电动机的低速不稳定性。,2）低速时，控制电压数值小，电刷和换向器之间的接触压降不稳定性的影响将增大，故导致电磁转矩不稳定性增大。,3）低速时，电刷和换向器间的摩擦不 稳定性，造成电机本身阻转矩 T0 的不稳定性，因而导致输出转矩的不稳定性。,1）低速时，反电势平均值不大，因而齿槽效应等原因造成的电势脉动的影响将变大，导致电磁转矩波动较明显。,转速波动的原因是：,2
8、.4 直流伺服电动机的工作状态,在一般情况下，系统中的直流伺服电动机大部分时间是处于电动机工作状态。但是当控制信号或负载发生变化时，电动机则从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态。在这过渡过程中，电动机的工作状态就可能发生变化（调速、制动）。,下面以天线控制系统为例，说明直流伺服电动机在过渡过程中的几种工作状态。,电动机以转速n1驱动天线跟踪飞机，此时电机的电枢电压为Ua1 ，反电势为Ea1，电枢电流为Ia1，转速为n1。,电动运行时，各物理量的正方向规定如图所示。,如果飞机的飞行速度突然下降到n2 ，为了跟踪飞机，电动机的转速迅速下降到n2 ，因而控制系统加到电动机电枢两端的电压需立即降为Ua2
9、 ，电动机从电动状态变成了发电制动状态，直到电动机达到新的稳定状态。,转速变化的物理过程？,降压调速物理过程：,这种运行方式是利用电动机原来积蓄的动能来发电，以产生电磁转矩进行制动的，所以叫能耗制动。,如果上述的天线控制系统，在完成战斗任务之后，需要停转时，控制系统将加在电枢两端的电压降为零，并将电枢两端短路，此时电机工作在发电机短路状态，电磁转矩为制动转矩，电机转速将下降。因为Ua2=0，故电机稳定转速为0。,试分析物理过程。,B,能耗制动物理过程分析：,控制电机实验调整: 调到对应周次的晚上做.,2.5 直流伺服电动机的过渡过程,为了分析控制系统的动态特性，了解电机的转速、转矩、电流、功率
10、等物理量在过渡过程中随时间变化的规律，以及过渡过程时间和电机参数的关系。,产生过渡过程的原因，主要是电机中存在两种惯性：机械惯性和电磁惯性。,研究过渡过程的方法：将过渡过程中的物理规律用微分方程表示出来，然后根据初始条件求解方程，找出各物理量与时间的函数关系。,利用电压方程、转矩方程和动力学方程，可以推导出电机物理的微分方程。并求出变化规律（函数）。,对已制成的电机而言，j 机电时间常数、d 电磁时间常数、n0 都是常数，根据直流电动机在动态下的方程建立转速对时间、电枢电流对时间的微分方程，并求解得：,其中 p1 和 p2 是微分方程的两个根。,电机的过渡过程曲线：,2.6 直流力矩电动机,4
11、）具有峰值堵转转矩和峰值堵转电流,直流力矩电动机性能特点:,在其它条件相同时,如增大电动机直径,减小其轴向长度,就有利于增加电动机的转矩和降低空载转速。这就是电动机做成圆盘状的原因,1）力矩波动小,低速下能稳定运行。,2）机械特性和调节特性的线性度好。,3）响应迅速,动态性好。,2.7 低惯量直流伺服电动机,由于普通直流伺服电动机的低速不稳定等缺点，使其在应用上受到一定限制。,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：杯形电枢直流伺服电动机、盘形电枢直流伺服电动机和无槽电枢直流伺服电动机。,1）低惯量。由于转子无铁心，且薄壁细长，惯量极低，有超低惯量电动机
12、之称。,1. 杯形电枢直流伺服电动机的性能特点是：,2）灵敏度高。,3）损耗小，效率高。,4）力矩波动小，低速运转平稳，噪声很小。,5）换向性能好，寿命长。,2. 盘形电枢直流伺服电动机性能特点是:,1) 电机结构简单,制造成本低。,2) 启动转矩大。,3) 换向性能好。,1）低惯量。由于转子无铁心，且薄壁细长，惯量极低，有超低惯量电动机之称。,1. 杯形电枢直流伺服电动机的性能特点是：,它具有转动惯量低、启动转矩大、反应快、启动 灵敏度高、转速平稳、低速运行均匀、换向性能 好等优点。其输出功率为几十瓦到10KW，机电常 数为510ms。主要用于要求快速动作、功率较大的系统如数控机床和雷达天线
13、驱动等方面。,3.无槽电枢直流伺服电动机,5) 电枢转动惯量小,反应快, 机电时间常数一般为1015ms,属于中等低惯量伺服电动机。,4) 力矩波动很小,低速运行稳定性调速范围广而且平滑,能在1:20的低速比范围内可靠平稳运行。,In-line Bottle Filling A application is shown in Fig. 1. In this application multiple filling heads line up with bottles as they move along a continuous line. Each of the filling heads
14、must match up with a bottle and track the bottle while it is moving. Product is dispensed as the nozzles move with the bottles. In this application 10 nozzles are mounted on a carriage that is driven by a ball-screw mechanism. The ball-screw mechanism is also called a lead screw. When the motor turn
15、s the shaft of the ball screw, the carriage will move horizontally along the length of the ball-screw shaft. This movement will be smooth so that each of the nozzles can dispense product into the bottles with little spillage.,2.8 直流伺服电动机的应用举列,The servo drive system utilizes a positioning drive contr
16、oller with software that allows the position and velocity to be tracked as the conveyor line moves the bottles. A master encoder tracks the bottles as they move along the conveyor line. An auger feed system is also used just prior to the point where the bottles enter the filling station. The auger c
17、auses a specific amount of space to be set between each bottle as it enters the filling station. The bottles may be packed tightly as they approach the auger, but as they pass through the auger their space is set exactly so that the necks of the bottles will match the spacing of the filling nozzles.
18、 A detector is also in conjunction with the dispensing system to ensure that no product is dispensed from a nozzle if a bottle is missing or large spaces appear between bottles.,FIGURE 1 Application of a beverage-filling station controlled by a servomotor. (Courtesy oil Electro-Craft, A Rockwell Aut
19、omation Business.),Servo motor,Product flow,Master encoder,Bottle filling machine,Bottle sensor,Filler head sensor,Filler nozzle,Lead screw,Controller,The servo drive system compares the position of the bottles from the master encoder to the feedback signal that indicates the position of the filling carriage that is mounted to the ball screw. The servo drive amplifier will increase or decrease the speed of the ball-screw mechanism so that the nozzles will match the speed of the bottles exactly.,作业 ：3-9；10；11；12；13,