Tm Td CRma Ua
(6-6)
第6章 伺服控制系统
（2）当ω＝0时，
Tm Td CRma Ua
(6-7)
式中，Td称为启动瞬时转矩，其值也与电枢电压成
正比。
如 果 把 角 速 度 ω 看 作 是 电 磁 转 矩 Tm的 函 数 ， 即 ω=f(Tm)，则可得到直流伺服电动机的机械特性表达式
0
由图6-5可见，直流伺服电动机的机械特性是一组斜 率相同的直线簇。每条机械特性和一种电枢电压相对应， 与ω轴的交点是该电枢电压下的理想空载角速度，与Tm 轴的交点则是该电枢电压下的启动转矩。
由图6-6可见，直流伺服电动机的调节特性也是一组 斜率相同的直线簇。每条调节特性和一种电磁转矩相对 应，与Ua轴的交点是启动时的电枢电压。
1）驱动电路对机械特性的影响;
直流伺服电动机是由驱动电路供电的，假设驱动 电路的内阻是Ri，加在电枢绕组两端的控制电压是Uc， 则可画出如图6-7所示的电枢等效回路。在这个电枢等 效回路中，
Ea=Uc-Ia (Ra+Ri)
(6-10)
第6章 伺服控制系统 于是在考虑了驱动电路的影响后，直流伺服电动
第6章 伺服控制系统
第6章 伺服控制系统
第6章 伺服控制系统
第6章 伺服控制系统
电磁式
执
液压式
行
元
件
气压式
电动机 电磁铁 及其它
油缸
液压马 达 气缸 气压马 达
交 流 (A C )伺 服 电 动 机 直 流 (D C )伺 服 电 动 机
步进电 机 其它电 机 双金属 片
形状记 忆合金
其它
与材料 有关
图6-2 执行元件的种类
压电元 件
第6章 伺服控制系统
(1)电磁式执行元件能将电能转化成电磁力，并用电 磁力驱动执行机构运动，如交流电机、直流电机、力矩 电机、步进电机等。
(2)液压式执行元件先将电能变化成液体压力，并用 电磁阀控制压力油的流向，从而使液压执行元件驱动执 行机构运动。
(3)气压式执行元件与液压式执行元件的原理相同， 只是介质由液体改为气体。
伺服控制系统
第6章 伺服控制系统
6.1
6.1.1 机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，
但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般 包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较 环节等五部分。图6-1给出了伺服系统组成原理框图。
第6章 伺服控制系统
第6章 伺服控制系统
第6章 伺服控制系统
第6章 伺服控制系统
6.2.2 1. 直流伺服电动机按励磁方式可分为电磁式和永磁
式两种。 2. 直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向
片组成,如图6-3所示。
第6章 伺服控制系统
N
电刷 n A
换
向B
片
S
磁极 电枢 导体
磁极
图6-3 直流伺服电动机基本结构
第6章 伺服控制系统
3. 直流伺服电动机采用电枢电压控制时的电枢等效 电路如图6-4所示。
第6章 伺服控制系统
I
a
Ra
L a
Ua
M Ea
Tm
图6-4 电枢等效电路
第6章 伺服控制系统
当电动机处于稳态运行时，回路中的电流Ia保持不 变，
Ea=Ua-IaRa (6-1) 式中，Ea是电枢反电动势； Ua是电枢电压；Ia是电 枢电流；Ra是电枢电阻。 转子在磁场中以角速度ω切割磁力线时，电枢反电 动势Ea与角速度ω
T d
T d
Tm
图6-8 驱动电路内阻对机械特性的影响
第6章 伺服控制系统
如果直流伺服电动机的机械特性较平缓，则当负载 转矩变化时，相应的转速变化较小，这时称直流伺服电 动机的机械特性较硬。反之，如果机械特性较陡，当负 载转矩变化时，相应的转速变化就较大，则称其机械特 性较软。显然，机械特性越硬，电动机的负载能力越强； 机械特性越软，负载能力越低。毫无疑问，对直流伺服 电动机应用来说，其机械特性越硬越好。由图6-8可知， 由于功放电路内阻的存在而使电动机的机械特性变软了， 这种影响是不利的，因而在设计直流伺服电动机功放电 路时，应设法减小其内阻。
0 CReaCmRi2 Tm
(6-11)
将式(6-11)与式(6-8)比较可以发现，由于驱动电路
内阻Ri的存在而使机械特性曲线变陡了，图6-8给出了 驱动电路内阻影响下的机械特性。
第6章 伺服控制系统
La Uc
Ri
Ia Ra
Ea
M
图6-7 含驱动电路的电枢等效回路
第6章 伺服控制系统
O
Ra Ra＋Ri
从图中还可看出，调节特性的斜率为正，说明在一 定的负载下，电动机转速随电枢电压的增加而增加；而 机械特性的斜率为负，说明在电枢电压不变时，电动机 转速随负载转矩增加而降低。
第6章 伺服控制系统
4.
上述对直流伺服电动机特性的分析是在理想条件 下进行的，实际上电动机的驱动电路、电动机内部的 摩擦及负载的变动等因素都对直流伺服电动机的特性 有着不容忽略的影响。
如图6-5、图6-6所示。
第6章 伺服控制系统O来自U a1U a2 U a3
Td3 Td2 Td1 Tm
图6-5 直流伺服电动机的机械特性
第6章 伺服控制系统
T m1 ＝ 0
T m2
T m3
U a1 ＝ 0 U a2 U a3
U a
图6-6 直流伺服电动机的调节特性
第6章 伺服控制系统
(6-4)
式中，Cm是转矩常数，仅与电动机结构有关。
第6章 伺服控制系统
将式（6-4）代入式（6-3）并整理，可得到直流伺 服电动机运行特性的一般表达式
CUea CeCRm a2Tm (6-5)
由此可以得出空载（ Tm＝0，转子惯量忽略不计） 和电机启动（ω＝0）时的电机特性:
（1）当Tm＝0时，有
Ra CeCm
Tm
式中,ω0是常数， 0
Ua
C e
(6-8)
第6章 伺服控制系统
如果把角速度ω看作是电枢电压Ua的函数，即ω=f(Ua)， 则可得到直流伺服电动机的调节特性表达式
Ua
Ce
k
Tm
式中,k是常数，k
Ra
CeCm 2
(6-9) 。
根据式(6-8)和式(6-9)，给定不同的Ua值和Tm值，可 分别绘出直流伺服电动机的机械特性曲线和调节特性曲线
Ea=CeΦω (6-2) 式中，Ce是电动势常数，仅与电动机结构有关；Φ 是定子磁场中每极的气隙磁通量。
第6章 伺服控制系统
由式（6-1）、式（6-2）
Ua-IaRa=CeΦω
（6-3）
此外，电枢电流切割磁场磁力线所产生的电磁转矩Tm可 由下式表达:
Tm=CmΦIa
则 Tm=CmΦIn
In
Tm
C m