直流伺服電動(dòng)機的基本類(lèi)型分類(lèi)與直流伺服電動(dòng)機的特性分析

　　伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動(dòng)控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動(dòng)控制系統中，用作執行元件，且具有機電時(shí)間常數小、線(xiàn)性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號轉換成電動(dòng)機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機兩大類(lèi)，其主要特點(diǎn)是，當信號電壓為零時(shí)無(wú)自轉現象，轉速隨著(zhù)轉矩的增加而勻速下降。

　　直流伺服電動(dòng)機的基本類(lèi)型

　　直流伺服電動(dòng)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子結構。根據其結構的不同，直流伺服電動(dòng)機有以下的幾種類(lèi)型。

　?。?）普通電樞直流伺服電動(dòng)機

　　這種伺服電動(dòng)機具有與動(dòng)力直流電動(dòng)機基本相同的結構。即電磁式或永磁式定子，轉子由帶槽的鐵心和嵌放于槽中的電樞繞組構成。但相對而言，電樞的長(cháng)度與直徑比較大，即它屬細而長(cháng)型轉子。大中容量的直流伺服電動(dòng)機一般都是這種結構，產(chǎn)品容量從幾瓦到幾百瓦甚至數千瓦。同時(shí)也由于這種轉子結構，使它具有較強的負載能力，較大的堵轉轉矩，因此它特別實(shí)用于大負載的伺服系統。但由于轉子結構復雜、體積較大，使得該電動(dòng)機的機械慣性（時(shí)間常數）較大，低速時(shí)運行平穩性較差，控制死區較大。

　?。?）盤(pán)形電樞直流伺服電動(dòng)機

　　這種電動(dòng)機定子為永磁式。它的轉子為一圓盤(pán)結構（即長(cháng)度直徑比小于1），電樞有線(xiàn)繞式（線(xiàn)繞盤(pán)式）和印刷電路式（印刷盤(pán)式）之分。該電動(dòng)機結構簡(jiǎn)單、體積小、轉子重量輕，因此，轉子的機械慣性?。ㄍǔC種的機械時(shí)間常數小于30眥），但堵轉轉矩小。線(xiàn)繞盤(pán)式電動(dòng)機容量可達數千瓦，印刷盤(pán)式的容量小一些。

　?。?）空心杯電樞直流伺服電動(dòng)機

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

　?。?）無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機

　　無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機與普通電樞直流伺服電動(dòng)機的唯一區別是它的轉子鐵心不開(kāi)槽，電樞繞組用固定膠粘貼在電樞表面。這種伺服電動(dòng)機具有較大的負載能力，較大的堵轉轉矩，電動(dòng)機容量可以做的較大，低速平穩性好。

　?。?）直流伺服齒輪減速電動(dòng)機

　　這種伺服電動(dòng)機是將微型直流電動(dòng)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(dòng)機的輸出轉速經(jīng)過(guò)減速機構減速輸出。因此，這種電動(dòng)機的最大特點(diǎn)是可以輸出極低的速度（可低達零點(diǎn)幾轉每分）且低速時(shí)運行非常平穩。它特別適用于低速大力矩系統。

　?。?）直流力矩電動(dòng)機

　　直流力矩電動(dòng)機是一種低速大力矩伺服電動(dòng)機。它能在不需要中間減速機構的情況下直接拖動(dòng)負載實(shí)現低速大力矩的平穩運行，甚至可以工作在堵轉情況下且無(wú)爬行現象，又具有很高的穩速精度。因此，特別適用于那些常用于較低速度且又有相當負載能力要求的場(chǎng)合。直流力矩電動(dòng)機在結構上和普通電樞直流伺服電動(dòng)機相同。它的定子主磁極數較多（通常6。8極），它通常做成扁平結構，電樞長(cháng)度與直徑之比一般僅為0.2左右（即外表呈現圓盤(pán)狀）。它有內裝式和分裝式兩種結構。內裝式與一般電動(dòng)機一樣由生產(chǎn)廠(chǎng)裝配成一整體。分裝式將定子、轉子和刷子三大部分分離出廠(chǎng)，使用時(shí)現場(chǎng)裝配，轉子直接套在負載軸上，機殼可根據需要自行選配。

　　直流伺服電動(dòng)機的特性分析

　　直流伺服電動(dòng)機采用電樞電壓控制時(shí)的電樞等效電路如圖1所示。

　　當電動(dòng)機處于穩態(tài)運行時(shí)，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(dòng)勢； Ua是電樞電壓；Ia是電樞電流；Ra是電樞電阻。

　　轉子在磁場(chǎng)中以角速度ω切割磁力線(xiàn)時(shí)，電樞反電動(dòng)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(dòng)勢常數，僅與電動(dòng)機結構有關(guān)；Φ是定子磁場(chǎng)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(chǎng)磁力線(xiàn)所產(chǎn)生的電磁轉矩Tm可由下式表達：

　　Tm=CmΦIa

　　則 Tm=CmΦIn

　　式中，Cm是轉矩常數，僅與電動(dòng)機結構有關(guān)。

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

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

　?。?）當Tm＝0時(shí)，有

　?。?）當ω＝0時(shí)，有

　　式中，Td稱(chēng)為啟動(dòng)瞬時(shí)轉矩，其值也與電樞電壓成正比。?

　　如果把角速度ω看作是電磁轉矩Tm的函數，即ω=f（Tm），則可得到直流伺服電動(dòng)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，即ω=f（Ua），則可得到直流伺服電動(dòng)機的調節特性表達式

　　根據式（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(dòng)機的機械特性曲線(xiàn)和調節特性曲線(xiàn)如圖2、圖3所示。

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

　　由圖3可見(jiàn)，直流伺服電動(dòng)機的調節特性也是一組斜率相同的直線(xiàn)簇。每條調節特性和一種電磁轉矩相對應，與Ua軸的交點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)的電樞電壓。?

　　從圖中還可看出，調節特性的斜率為正，說(shuō)明在一定的負載下，電動(dòng)機轉速隨電樞電壓的增加而增加；而機械特性的斜率為負，說(shuō)明在電樞電壓不變時(shí)，電動(dòng)機轉速隨負載轉矩增加而降低。

　　影響直流伺服電動(dòng)機特性的因素

　　對直流伺服電動(dòng)機特性的分析是在理想條件下進(jìn)行的，實(shí)際上電動(dòng)機的驅動(dòng)電路、電動(dòng)機內部的摩擦及負載的變動(dòng)等因素都對直流伺服電動(dòng)機的特性有著(zhù)不容忽略的影響。

　?。?1 ）驅動(dòng)電路對機械特性的影響

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

　　Ea=Uc-Ia（Ra+Ri） （6-10）

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

　　由于驅動(dòng)電路內阻Ri的存在而使機械特性曲線(xiàn)變陡了，圖1給出了驅動(dòng)電路內阻影響下的機械特性。

　　如果直流伺服電動(dòng)機的機械特性較平緩，則當負載轉矩變化時(shí)，相應的轉速變化較小，這時(shí)稱(chēng)直流伺服電動(dòng)機的機械特性較硬。反之，如果機械特性較陡，當負載轉矩變化時(shí)，相應的轉速變化就較大，則稱(chēng)其機械特性較軟。顯然，機械特性越硬，電動(dòng)機的負載能力越強；機械特性越軟，負載能力越低。毫無(wú)疑問(wèn)，對直流伺服電動(dòng)機應用來(lái)說(shuō)，其機械特性越硬越好。由圖1可知，由于功放電路內阻的存在而使電動(dòng)機的機械特性變軟了，這種影響是不利的，因而在設計直流伺服電動(dòng)機功放電路時(shí)，應設法減小其內阻。

　?。?） 直流伺服電動(dòng)機內部的摩擦對調節特性的影響

　　由圖1可知，直流伺服電動(dòng)機在理想空載時(shí)（即Tm1=0），其調節特性曲線(xiàn)從原點(diǎn)開(kāi)始。但實(shí)際上直流伺服電動(dòng)機內部存在摩擦（如轉子與軸承間的摩擦等），直流伺服電動(dòng)機在啟動(dòng)時(shí)需要克服一定的摩擦轉矩，因此啟動(dòng)時(shí)電樞電壓不可能為零。這個(gè)不為零的電壓稱(chēng)為啟動(dòng)電壓，用Ub表示，如圖2所示。

　?。?） 負載變化對調節特性的影響

　　由式（6-5）知，在負載轉矩TL不變的條件下，直流伺服電動(dòng)機角速度與電樞電壓成線(xiàn)性關(guān)系。但在實(shí)際伺服系統中，經(jīng)常會(huì )遇到負載隨轉速變動(dòng)的情況，如粘性摩擦阻力是隨轉速增加而增加的，數控機床切削加工過(guò)程中的切削力也是隨進(jìn)給速度變化而變化的。這時(shí)由于負載的變動(dòng)將導致調節特性的非線(xiàn)性，如圖2所示?？梢?jiàn)，由于負載變動(dòng)的影響，當電樞電壓Ua增加時(shí)，直流伺服電動(dòng)機角速度ω的變化率越來(lái)越小，這一點(diǎn)在變負載控制時(shí)應格外注意。