伺服系统 第2版 教学课件 作者 钱平 第4章 直流电动机调速控制系统.ppt

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1、直流电动机调速控制系统伺服系统第4章编写人：葛翔上海应用技术学院内容提要第一节直流电动机概述第二节直流电动机的单闭环调速系统第三节双闭环直流电动机调速系统第四节直流脉宽调速控制系统第五节转速、电流双闭环调速系统的工程设计法第六节伺服控制系统的计算机辅助设计第4章第一节直流电动机概述第一节直流电动机概述一、直流伺服电动机的基本结构直流伺服电动机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便地在宽范围内实现平滑无级调速，故多采用在对伺服电动机的调速性能要求较高的生产设备中。如图4-1所示，直流伺服电动机的结构主要包括三大部分：第一节直流电动机概述(一)定子定

2、子磁极磁场由定子的磁极产生。根据产生磁场的方式，可分为永磁式和他激式。永磁式磁极由永磁材料制成，他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。(二)转子又叫电枢，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。第一节直流电动机概述(三)电刷与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地连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。第一节直流电动机概述图4-1直流电动机第一节直流电动机概述二、永磁直流伺服电动机及工作原理在伺服系统中使用的直流伺服电动机，按

3、转速的高低可分为两类：高速直流伺服电动机和低速大扭矩宽调速电动机。目前在数控机床进给驱动中采用的直流电动机主要是70年代研制成功的大惯量宽调速直流伺服电动机。这种电动机分为电励磁和永久磁铁励磁两种，但占主导地位的是永久磁铁励磁式(永磁式)电动机。图4-2是其基本原理的示意图。第一节直流电动机概述图4-2直流伺服电动机工作原理示意图第一节直流电动机概述(一)电动机转矩平衡方程式一般，电磁转矩Te按下式计算：Te=KmΦIa(4-1)对于永磁直流伺服电动机，C和都是常数，所以上式又可写成：Te=CmIa(4-2)当电动机带着负载匀速旋转时，它的输出转矩

4、必与负载转矩相等。但是，电动机本身具有机械摩擦(例如轴承的摩擦，电刷和换向器的摩擦等)和电枢铁芯中的涡流、磁滞损耗都要引起阻转矩，此阻转矩用T表示。第一节直流电动机概述这样，电动机的输出转矩T就等于电磁转矩T减去电动机本身的阻转矩T，所以当电动机克服负载转矩T匀速旋转时，即有：Tr=Te-T0=TL(4-3)上式就是电磁转矩平衡方程式。第一节直流电动机概述在实际中，有些电动机经常运行在转速变化的情况下，例如起动、停转或反转，因此也必须考虑转速改变时的转矩平衡关系。电动机带动工作机械的机电伺服系统如图4-3所示。电动机提供电磁转矩Te，带动负载转动，

5、负载反抗运动力，负载对运动力的反抗作用表现为负载转矩TL(不考虑T0)，根据动力学得电动机轴上的运动(转矩)平衡方程式为:Te-TL=J(4-4)第一节直流电动机概述在实际工程计算中，经常用转速n代替角速度ω，n=60ω/2π；用一个假想飞轮的惯量(也称飞轮转矩)GD2代替转动惯量J。GD2和J两者的关系为：J==将这些变换都代入式(4-1-6)中，可得:Te-TL=第一节直流电动机概述(二)电动机的电压平衡方程式根据直流电动机的负载情况和转矩平衡方程式，可以确定电动机的电磁转矩的大小，但这时还不能确定电动机的转速。还需要进一步从电动机内部的电磁规

6、律以及电动机与外部的联系去寻找。电流通过电枢绕组产生电磁力及电磁转矩，这仅仅是电磁现象的一个方面；另一方面，当电枢在电磁转矩的作用下一旦转动后，电枢导体还要切割磁力线，产生感应电动势。根据法拉第电磁感应定律可知：感应电动势的方向与电流方向相反，它有阻止电流流入电枢绕组的作用，因此电动机的感应电动势是一种反电动势。第一节直流电动机概述反电动势E的计算公式是：E=KΦn对于永磁式直流电动机，Ke和Φ都是常数，上式可写成：E=Cen电动机各个电量的方向，如图4-4所示。第一节直流电动机概述外加电压为U时有：U=E+IRa式中，Ra—电枢电阻。上式就是直流

7、电动机的电压平衡方程式。它表明了外加电压与反电动势及电枢内阻压降平衡。或者说，外加电压一部分用来抵消反电动势，一部分消耗在电枢电阻上。第一节直流电动机概述图4-4直流电动机各个电量的方向第一节直流电动机概述(三)电动机转速与转矩的关系如果把E=Cen代入式(4-8)，便可得出电枢电流Ia的表达式：Ia=由上式可见，直流电动机和一般的直流电路不一样，它的电流不仅取决于外加电压和自身电阻，并且还取决于与转速成正比的反电动势(当为常数)。将式(4-1)代入(4-9)式，可得：n=-Te(4-10)第一节直流电动机概述式(4-10)称为电动机的机械特性，

8、它描述了电动机的转速与转矩之间的关系。图4-5是机械特性曲线族。在这一曲线族中，不同的电枢电压