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，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，並能快速反應，在自動控制系統中，用作執行元件，且具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉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，當信號電壓為零時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。

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　　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於具有特殊的轉子結構。根據其結構的不同，直流伺服電動機有以下的幾種類型。

　　（1）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構。即電磁式或永磁式定子，轉子由帶槽的鐵心和嵌放於槽中的電樞繞組構成。但相對而言，電樞的長度與直徑比較大，即它屬細而長型轉子。大中容量的直流伺服電動機一般都是這種結構，產品容量從幾瓦到幾百瓦甚至數千瓦。同時也由於這種轉子結構，使它具有較強的負載能力，較大的堵轉轉矩，因此它特別實用於大負載的伺服系統。但由於轉子結構複雜、體積較大，使得該電動機的機械慣性（時間常數）較大，低速時運行平穩性較差，控制死區較大。

　　（2）盤形電樞直流伺服電動機

　　這種電動機定子為永磁式。它的轉子為一圓盤結構（即長度直徑比小於1），電樞有線繞式（線繞盤式）和印刷電路式（印刷盤式）之分。該電動機結構簡單、體積小、轉子重量輕，因此，轉子的機械慣性小（通常機種的機械時間常數小於30眥），但堵轉轉矩小。線繞盤式電動機容量可達數千瓦，印刷盤式的容量小一些。

　　（3）空心杯電樞直流伺服電動機

　　該電動機轉子以一空心杯構體為骨架，其杯壁上放置（或印製）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，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別是它的轉子鐵心不開槽，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，較大的堵轉轉矩，電動機容量可以做的較大，低速平穩性好。

　　（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速經過減速機構減速輸出。因此，這種電動機的最大特點是可以輸出極低的速度（可低達零點幾轉每分）且低速時運行非常平穩。它特別適用於低速大力矩系統。

　　（6）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的情況下直接拖動負載實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爬行現象，又具有很高的穩速精度。因此，特別適用於那些常用於較低速度且又有相當負載能力要求的場合。直流力矩電動機在結構上和普通電樞直流伺服電動機相同。它的定子主磁極數較多（通常6。8極），它通常做成扁平結構，電樞長度與直徑之比一般僅為0.2左右（即外表呈現圓盤狀）。它有內裝式和分裝式兩種結構。內裝式與一般電動機一樣由生產廠裝配成一整體。分裝式將定子、轉子和刷子三大部分分離出廠，使用時現場裝配，轉子直接套在負載軸上，機殼可根據需要自行選配。

　　

　　直流伺服電動機的特性分析

　　直流伺服電動機採用電樞電壓控制時的電樞等效電路如圖1所示。

　　

　　當電動機處於穩態運行時，迴路中的電流Ia保持不變，則電樞迴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之間存在如下關係：

　　Ea=CeΦω （6-2）

　　式中，Ce是電動勢常數，僅與電動機結構有關；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，僅與電動機結構有關。

　　將式（6-4）代入式（6-3）並整理，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，轉子慣量忽略不計）和電機啟動（ω＝0）時的電機特性：

　　（1）當Tm＝0時，有

　　

　　（2）當ω＝0時，有

　　

　　式中，Td稱為啟動瞬時轉矩，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機的機械特性曲線和調節特性曲線如圖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，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矩。

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

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

　　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，實際上電動機的驅動電路、電動機內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 ）驅動電路對機械特性的影響

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

　　Ea=Uc-Ia（Ra+Ri） （6-10）

　　於是在考慮了驅動電路的影響後，直流伺服電動機的機械特性表達式變成

　　

　　由於驅動電路內阻Ri的存在而使機械特性曲線變陡了，圖1給出了驅動電路內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，則當負載轉矩變化時，相應的轉速變化較小，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，當負載轉矩變化時，相應的轉速變化就較大，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用來說，其機械特性越硬越好。由圖1可知，由於功放電路內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，因而在設計直流伺服電動機功放電路時，應設法減小其內阻。

　　（2） 直流伺服電動機內部的摩擦對調節特性的影響

　　由圖1可知，直流伺服電動機在理想空載時（即Tm1=0），其調節特性曲線從原點開始。但實際上直流伺服電動機內部存在摩擦（如轉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，直流伺服電動機角速度與電樞電壓成線性關係。但在實際伺服系統中，經常會遇到負載隨轉速變動的情況，如粘性摩擦阻力是隨轉速增加而增加的，數控工具機切削加工過程中的切削力也是隨進給速度變化而變化的。這時由於負載的變動將導致調節特性的非線性，如圖2所示。可見，由於負載變動的影響，當電樞電壓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格外注意。