伺服电机及其控制方法培训教程
伺服电机及其控制方法
第1讲 直流有刷电机原理
陈晓鹏
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• 本讲提纲
直流伺服电动机原理
• 什么是直流伺服电机 • 直流伺服电机的结构及工作原理 • 直流伺服的电机分类 • 直流伺服电机的特性
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• 什么是直流电机 是将机械能转换为直流电能或将直流电能 转换为机械能的一种装置。 把机械能转换为电能的直流电机称为直流 发电机(dc generators)，把电能转换为机 械能的直流电机称为直流电动机(dc motor)。
电枢绕组允许通过的电流（A）。
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额定转速ne：指电机在额定电压、额定电流和额
定功率情况下运行的电机转速（r/min）。
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速度控制原理
直流电机的输出电磁转 矩表达式：
T f av D 2 N B av li a D 2 N

l 2 a 2
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。
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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，有利于提高直流电 机的速度稳定性和工件的加工精 度。 功耗增大。
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直流伺服电机的基本特性： 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。
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Ua变化而变化的规律， 被称为直流电机的调节特性。
l
I a 2 p
N
pN 2 a
I a CT I a
CT
pN 2 a
称为转矩常数，与电机结构有关的参数
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控制直流伺服电机电磁转矩和速度的方法： （1）改变电枢电压 U a 即改变电枢电流 I （2）改变励磁电流 I f 即改变磁通
a
线性好，控制方便，相应速度快，输出转矩大
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速度控制技术指标
（1）调速范围D—电机在额定负载下
D n max n min
（2）静差度S—电机由理想空载增加到额定负载 时转速降落 n e 与理想转速 n 0 之比 n0 ne ne s n0 n0 （3）调速的平滑性Q—两个相近转速之比 Q Q越接近于1，平滑性越好
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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Ua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Ua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。
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
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主要参数
额定功率Pe：指轴上输出的机械功率，它等于额
定电压、额定电流及额定效率的乘积，即PN= UNINhN。
额定电压Ue：电机长期安全运行时所能承受的电
压（V）。
额定电流Ie：指电机按规定的工作方式运行时，
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直流电动机的结构
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（1）定子：定子磁极磁场由定子的磁极产生。根据 产生磁场的方式，直流伺服电机可分为永磁式和 电磁式。永磁式磁极由永磁材料制成，电激式磁 极由冲压硅钢片叠压而成，外绕线圈通以直流电 流便产生恒定磁场。 （2）转子：又称为电枢，由硅钢片叠压而成，表面 嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场作用下产 生带动负载旋转的电磁转矩。 （3）电刷和换向片：为使所产生的电磁转矩保持 恒定方向，转子能沿固定方向均匀的连续旋转， 电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相 接。
分类：
直流伺服电机的种类
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
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主要技术参数：
额定功率Pe 额定电压Ue 额定电流Ie 额定转速ne 额定转矩MIe 调速范围D
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换向器和电刷的作用
在直流电动机中，换向器和电刷的共同作用： （1）将刷间的直流电逆变成线圈中的交流电； （2）把外面不转的电路与转动的电路联接。
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直流电机的机构
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• பைடு நூலகம்流电机分类
• 永磁式 • 电磁式
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直流电机空载是指电机对外无功率
输出、不带负载空转的一种状态。
直流电机空载时，励磁绕组内有励
磁电流，电动机电枢电流很小可忽 略
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直流伺服电机的机构
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• 直流电机的特点
调速性能好。所谓“调速性能”，是指电动 机在一定负载的条件下，根据需要，人为地 改变电动机的转速。直流电动机可以在重负 载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而 且调速范围较宽。 起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调 节。因此，凡是在重负载下起动或要求均匀 调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷 扬机、电力机车、电车等，都用直流电动机 拖动。
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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。
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决定时间常数的主要因素有：惯性J的影响、电枢回路电阻Ra的影响、机械 特性硬度的影响。
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