直流伺服電動機的基本類型分類與直流伺服電動機的特性分析

　　伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

　　直流伺服電動機的基本類型

　　直流伺服電動機也有電磁式和永磁式兩種，但多為永磁式。它的良好控制性能主要是由于具有特殊的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同，直流伺服電動機有以下的幾種類型。

　?。?）普通電樞直流伺服電動機

　　這種伺服電動機具有與動力直流電動機基本相同的結(jié)構(gòu)。即電磁式或永磁式定子，轉(zhuǎn)子由帶槽的鐵心和嵌放于槽中的電樞繞組構(gòu)成。但相對而言，電樞的長度與直徑比較大，即它屬細而長型轉(zhuǎn)子。大中容量的直流伺服電動機一般都是這種結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品容量從幾瓦到幾百瓦甚至數(shù)千瓦。同時也由于這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，使它具有較強的負載能力，較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，因此它特別實用于大負載的伺服系統(tǒng)。但由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大，使得該電動機的機械慣性（時間常數(shù)）較大，低速時運行平穩(wěn)性較差，控制死區(qū)較大。

　?。?）盤形電樞直流伺服電動機

　　這種電動機定子為永磁式。它的轉(zhuǎn)子為一圓盤結(jié)構(gòu)（即長度直徑比小于1），電樞有線繞式（線繞盤式）和印刷電路式（印刷盤式）之分。該電動機結(jié)構(gòu)簡單、體積小、轉(zhuǎn)子重量輕，因此，轉(zhuǎn)子的機械慣性?。ㄍǔC種的機械時間常數(shù)小于30眥），但堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩小。線繞盤式電動機容量可達數(shù)千瓦，印刷盤式的容量小一些。

　?。?）空心杯電樞直流伺服電動機

　　該電動機轉(zhuǎn)子以一空心杯構(gòu)體為骨架，其杯壁上放置（或印制）電樞繞組。其電樞繞組可以是繞線式繞組也可以是印刷式繞組。定子為永磁式。這種伺服電動機以機械慣性極小著稱，控制靈敏度高，幾乎無控制死區(qū)，其體積可做得非常小且重量輕。但堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩較小，目前它的容量還不能做得很大，是一種微型伺服電動機。

　　（4）無槽電樞直流伺服電動機

　　無槽電樞直流伺服電動機與普通電樞直流伺服電動機的唯一區(qū)別是它的轉(zhuǎn)子鐵心不開槽，電樞繞組用固定膠粘貼在電樞表面。這種伺服電動機具有較大的負載能力，較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，電動機容量可以做的較大，低速平穩(wěn)性好。

　　（5）直流伺服齒輪減速電動機

　　這種伺服電動機是將微型直流電動機和一套高精度齒輪減速裝置組裝成一整體。直流伺服電動機的輸出轉(zhuǎn)速經(jīng)過減速機構(gòu)減速輸出。因此，這種電動機的最大特點是可以輸出極低的速度（可低達零點幾轉(zhuǎn)每分）且低速時運行非常平穩(wěn)。它特別適用于低速大力矩系統(tǒng)。

　?。?）直流力矩電動機

　　直流力矩電動機是一種低速大力矩伺服電動機。它能在不需要中間減速機構(gòu)的情況下直接拖動負載實現(xiàn)低速大力矩的平穩(wěn)運行，甚至可以工作在堵轉(zhuǎn)情況下且無爬行現(xiàn)象，又具有很高的穩(wěn)速精度。因此，特別適用于那些常用于較低速度且又有相當(dāng)負載能力要求的場合。直流力矩電動機在結(jié)構(gòu)上和普通電樞直流伺服電動機相同。它的定子主磁極數(shù)較多（通常6。8極），它通常做成扁平結(jié)構(gòu)，電樞長度與直徑之比一般僅為0.2左右（即外表呈現(xiàn)圓盤狀）。它有內(nèi)裝式和分裝式兩種結(jié)構(gòu)。內(nèi)裝式與一般電動機一樣由生產(chǎn)廠裝配成一整體。分裝式將定子、轉(zhuǎn)子和刷子三大部分分離出廠，使用時現(xiàn)場裝配，轉(zhuǎn)子直接套在負載軸上，機殼可根據(jù)需要自行選配。

　　直流伺服電動機的特性分析

　　直流伺服電動機采用電樞電壓控制時的電樞等效電路如圖1所示。

　　當(dāng)電動機處于穩(wěn)態(tài)運行時，回路中的電流Ia保持不變，則電樞回路中的電壓平衡方程式為

　　Ea=Ua-IaRa? （6-1）

　　式中，Ea是電樞反電動勢； Ua是電樞電壓；Ia是電樞電流；Ra是電樞電阻。

　　轉(zhuǎn)子在磁場中以角速度ω切割磁力線時，電樞反電動勢Ea與角速度ω之間存在如下關(guān)系：

　　Ea=CeΦω （6-2）

　　式中，Ce是電動勢常數(shù)，僅與電動機結(jié)構(gòu)有關(guān)；Φ是定子磁場中每極的氣隙磁通量。

　　由式（6-1）、式（6-2）得

　　Ua-IaRa=CeΦω（6-3）

　　此外，電樞電流切割磁場磁力線所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩Tm可由下式表達：

　　Tm=CmΦIa

　　則 Tm=CmΦIn

　　式中，Cm是轉(zhuǎn)矩常數(shù)，僅與電動機結(jié)構(gòu)有關(guān)。

　　將式（6-4）代入式（6-3）并整理，可得到直流伺服電動機運行特性的一般表達式

　　由此可以得出空載（ Tm＝0，轉(zhuǎn)子慣量忽略不計）和電機啟動（ω＝0）時的電機特性：

　　（1）當(dāng)Tm＝0時，有

　?。?）當(dāng)ω＝0時，有

　　式中，Td稱為啟動瞬時轉(zhuǎn)矩，其值也與電樞電壓成正比。?

　　如果把角速度ω看作是電磁轉(zhuǎn)矩Tm的函數(shù)，即ω=f（Tm），則可得到直流伺服電動機的機械特性表達式為

　　如果把角速度ω看作是電樞電壓Ua的函數(shù)，即ω=f（Ua），則可得到直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性表達式

　　根據(jù)式（6-8）和式（6-9），給定不同的Ua值和Tm值，可分別繪出直流伺服電動機的機械特性曲線和調(diào)節(jié)特性曲線如圖2、圖3所示。

　　由圖2可見，直流伺服電動機的機械特性是一組斜率相同的直線簇。每條機械特性和一種電樞電壓相對應(yīng)，與ω軸的交點是該電樞電壓下的理想空載角速度，與Tm軸的交點則是該電樞電壓下的啟動轉(zhuǎn)矩。

　　由圖3可見，直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性也是一組斜率相同的直線簇。每條調(diào)節(jié)特性和一種電磁轉(zhuǎn)矩相對應(yīng)，與Ua軸的交點是啟動時的電樞電壓。?

　　從圖中還可看出，調(diào)節(jié)特性的斜率為正，說明在一定的負載下，電動機轉(zhuǎn)速隨電樞電壓的增加而增加；而機械特性的斜率為負，說明在電樞電壓不變時，電動機轉(zhuǎn)速隨負載轉(zhuǎn)矩增加而降低。

　　影響直流伺服電動機特性的因素

　　對直流伺服電動機特性的分析是在理想條件下進行的，實際上電動機的驅(qū)動電路、電動機內(nèi)部的摩擦及負載的變動等因素都對直流伺服電動機的特性有著不容忽略的影響。

　　（ 1 ）驅(qū)動電路對機械特性的影響

　　直流伺服電動機是由驅(qū)動電路供電的，假設(shè)驅(qū)動電路的內(nèi)阻是Ri，加在電樞繞組兩端的控制電壓是Uc，則可畫出如圖1所示的電樞等效回路。在這個電樞等效回路中，電壓平衡方程式為

　　Ea=Uc-Ia（Ra+Ri） （6-10）

　　于是在考慮了驅(qū)動電路的影響后，直流伺服電動機的機械特性表達式變成

　　由于驅(qū)動電路內(nèi)阻Ri的存在而使機械特性曲線變陡了，圖1給出了驅(qū)動電路內(nèi)阻影響下的機械特性。

　　如果直流伺服電動機的機械特性較平緩，則當(dāng)負載轉(zhuǎn)矩變化時，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化較小，這時稱直流伺服電動機的機械特性較硬。反之，如果機械特性較陡，當(dāng)負載轉(zhuǎn)矩變化時，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化就較大，則稱其機械特性較軟。顯然，機械特性越硬，電動機的負載能力越強；機械特性越軟，負載能力越低。毫無疑問，對直流伺服電動機應(yīng)用來說，其機械特性越硬越好。由圖1可知，由于功放電路內(nèi)阻的存在而使電動機的機械特性變軟了，這種影響是不利的，因而在設(shè)計直流伺服電動機功放電路時，應(yīng)設(shè)法減小其內(nèi)阻。

　　（2） 直流伺服電動機內(nèi)部的摩擦對調(diào)節(jié)特性的影響

　　由圖1可知，直流伺服電動機在理想空載時（即Tm1=0），其調(diào)節(jié)特性曲線從原點開始。但實際上直流伺服電動機內(nèi)部存在摩擦（如轉(zhuǎn)子與軸承間的摩擦等），直流伺服電動機在啟動時需要克服一定的摩擦轉(zhuǎn)矩，因此啟動時電樞電壓不可能為零。這個不為零的電壓稱為啟動電壓，用Ub表示，如圖2所示。

　　（3） 負載變化對調(diào)節(jié)特性的影響

　　由式（6-5）知，在負載轉(zhuǎn)矩TL不變的條件下，直流伺服電動機角速度與電樞電壓成線性關(guān)系。但在實際伺服系統(tǒng)中，經(jīng)常會遇到負載隨轉(zhuǎn)速變動的情況，如粘性摩擦阻力是隨轉(zhuǎn)速增加而增加的，數(shù)控機床切削加工過程中的切削力也是隨進給速度變化而變化的。這時由于負載的變動將導(dǎo)致調(diào)節(jié)特性的非線性，如圖2所示?？梢?，由于負載變動的影響，當(dāng)電樞電壓Ua增加時，直流伺服電動機角速度ω的變化率越來越小，這一點在變負載控制時應(yīng)格外注意。