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直流伺服电机详细解析


常用的伺服电动机有两大类,以交流电源工作的称为交流伺服电动机,以直流电源工作的称为直流伺服电动机。本文仅对直流伺服电机进行详细解析。

伺服电动机的功能是把输入的电压信号转换为轴上的角位移或角速度输出,也就是说,伺服电动机是指其转速和转向随输入电压信号的大小和方向而改变的控制电动机。伺服电动机能带一定大小的负载,在自动控制系统中作执行元件,所以又称为执行电动机。

自动控制系统对伺服电动机的性能要求可概况为以下几点。

(1)无自转现象。在控制信号来到之前,伺服电动机转子静止不动;控制信号来到之后,转子迅速转动;控制信号消失时,伺服电动机转子应立即停止转动。控制信号为零时电动机继续转动的现象称为“自转”现象,消除自转是自控系统正常工作的必要条件。

(2)空载始动电压低。电动机空载时,转子不论在任何位置,从静止状态开始启动至连续运转的 小控制电压称为始动电压。始动电压越小,电动机的灵敏度越高。

(3)机械特性和调节特性的线性度好,能在宽广的范围内平滑稳定地调速。

(4)快速响应性好。即机电时间常数小,因而伺服电动机都要求转动惯量小。

1.直流伺服电动机分类和结构

直流伺服电动机是自动控制系统中具有特殊用途的直流电动机,其结构和一般直流电动机无本质差异,也由定子与转子两部分组成。

定子的作用是建立恒定磁场,定子磁极上装有励磁绕组。在直流伺服系统中,常用的是电磁式和永磁式直流伺服电动机。目前,电磁式的励磁方式为他励方式,电枢和励磁绕组由两个独立电源供电。

空心杯电枢永磁式直流伺服电动机它由一个外定子和一个内定子,空心杯电枢在内、外定子间的气隙中旋转。外定子用软磁性材料做铁芯,铁芯上装有集中绕组(用磁铁制成两个半圆形磁极或在环形磁钢上充磁生成N、S极)。内定子由圆柱形软磁材料制成,它作为磁路的一部分,可减小磁阻。电枢是一个用非磁性材料(如塑料)制成的空心杯状圆筒,直接安装在电动机轴上。在空心杯沿圆周轴向排成空心杯状并用环氧树脂固化成型的绕组。电源通过电刷和转向器加到电枢绕组上。一般直流伺服电动机电枢铁芯长度与直径比普通直流电动机大,目的再于减小其飞轮矩,提高响应速度。

近年来,随着技术的发展,产生了新品种的直流伺服电动机,如无刷直流伺服电动机。

2.直流伺服电动机工作原理

直流伺服电动机的工作原理也和普通小型直流电动机相同。对他励式直流伺服电动机,如果励磁绕组通以励磁电流,建立恒定磁场,当电枢绕组通过电流时,就会产生电磁转矩使转子旋转,而励磁绕组或电枢绕组中的一个断电时,电动机立即停转。改变励磁电流的大小和方向,就能改变电动机的转速和转向,以满足伺服电动机的控制要求。当负载转矩一定时,保持电枢电源电压不变,通过改变励磁电流来控制电动机的转速称为磁场控制;保持励磁电流不变,通过改变电源电压来控制电动机当转速称为电枢控制。由于后者的特性和精度都比较理想,所以,直流伺服电动机一般采用电枢控制,亦即利用电枢电压作为控制信号电压,而磁场控制方式只用于小功率电动机。

直流伺服电动机的基本工作原理与一般直流电动机相同。励磁绕组接入恒定电压,接受控制信号的电枢绕组接受控制电压信号时,电枢绕组中流过电流,其产生的磁通与励磁绕组产生的磁通互相作用,产生电磁转矩,使电枢旋转。改变控制电压信号的大小,即可改变电动机的转速,达到调速的目的。

伺服直流伺服电动机使用时应注意如下事项:

①电磁式电枢控制的直流伺服电动机在使用时,要先接通励磁电源,然后再加电枢电压。运行中应尽量避免励磁绕组断电,以免引起电枢电流过大和造成电动机的超速。

②选用不同形式的电枢控制电源时,注意其容量应留有适当的余量。

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