淺談如何提高直流伺服電動(dòng)機(jī)的伺服性

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛,而在自動(dòng)控制系統(tǒng)中,需要將特殊的控制電機(jī)用作執(zhí)行元件或信號(hào)元件來傳遞變換自動(dòng)控制系統(tǒng)中的信號(hào)。直流伺服電動(dòng)機(jī)是一種特殊用途的直流電動(dòng)機(jī),也叫做執(zhí)行電動(dòng)機(jī),雖然基本結(jié)構(gòu)與普通的直流電動(dòng)機(jī)無異,但能夠把外界輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部機(jī)械上的角位移或者角速度,因此廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中。

1直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方式

由直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理可知,直流伺服電動(dòng)機(jī)在電壓信號(hào)和磁場(chǎng)的共同作用下才能工作[1],因此,可以從磁場(chǎng)的角度和信號(hào)控制的角度將其分類。

直流伺服電動(dòng)機(jī)在磁場(chǎng)角度的分類有兩種:永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)和電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī),前者通過永久磁鐵來提供磁場(chǎng),后者通過包裹的磁繞組作用產(chǎn)生電磁鐵從而形成磁場(chǎng)。

由于轉(zhuǎn)子上的電樞繞組和定子上的勵(lì)磁繞組都可由電壓信號(hào)來控制,因此,在控制方式上可將直流伺服電動(dòng)機(jī)做成由電樞控制的直流伺服電動(dòng)機(jī)和由磁場(chǎng)控制的直流伺服電動(dòng)機(jī)。由電樞控制的直流伺服電動(dòng)機(jī),能夠通過改變輸入的電壓信號(hào)Ua來影響電樞繞組上電流的產(chǎn)生,配合定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)即可產(chǎn)生力矩旋轉(zhuǎn)。由磁場(chǎng)控制的直流伺服電動(dòng)機(jī),通過改變電壓信號(hào)Uf來控制勵(lì)磁繞組中的磁場(chǎng)產(chǎn)生,使得接通電流的導(dǎo)體能夠隨信號(hào)的產(chǎn)生而旋轉(zhuǎn)。

在電樞控制中,特性曲線是一組平行線,控制特性的線性度高:但在磁場(chǎng)控制中,由于磁通和電流的關(guān)系o=f(I)是非線性的,且空載損耗要比電樞控制的空載損耗大,只適用于小功率電機(jī)的運(yùn)行。因此,在自動(dòng)控制系統(tǒng)中采用電樞控制的直流伺服電動(dòng)機(jī)較多,很少采用磁場(chǎng)控制的直流伺服電動(dòng)機(jī)。

2直流伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行

直流伺服電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括定子、轉(zhuǎn)子、電刷和換向器等。以電樞控制的直流伺服電動(dòng)機(jī)為例,假設(shè)在轉(zhuǎn)子中,導(dǎo)體上輸入的電壓信號(hào)Ua使導(dǎo)體上產(chǎn)生了電流Ia,由于電磁感應(yīng)原理,導(dǎo)體在定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)中受到了力的作用,產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩T和轉(zhuǎn)速n,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng):反之,當(dāng)輸入的電壓信號(hào)Ua=0時(shí),轉(zhuǎn)子中的導(dǎo)體中未產(chǎn)生電流Ia,因此在定子磁場(chǎng)的作用下沒有產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩T和轉(zhuǎn)速n,電動(dòng)機(jī)無法轉(zhuǎn)動(dòng)。

直流伺服電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的運(yùn)行流程圖如圖1所示。

因此,在電壓信號(hào)的作用下,直流伺服電動(dòng)機(jī)在輸出一定轉(zhuǎn)矩的同時(shí),其轉(zhuǎn)速也能準(zhǔn)確地達(dá)到輸入信號(hào)所指定的數(shù)值。

3直流伺服電動(dòng)機(jī)的突出特性(以電樞控制為例)

假設(shè)電樞繞組上的控制電壓為Ua,勵(lì)磁電壓Uf為常數(shù)不變,在理想情況下,忽略電樞反應(yīng)的情況,可以得到電樞控制的直流伺服電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的表達(dá)式為:

式中,Ce為電動(dòng)勢(shì)常數(shù):CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù):小為每級(jí)磁通:n0為理想空載轉(zhuǎn)速:8為特性斜率,等于小2。

在控制電壓Ua不同的情況下,機(jī)械特性曲線是一組向下傾斜的平行線,當(dāng)Ua的大小恒定時(shí),轉(zhuǎn)矩T越大,轉(zhuǎn)速n越低,在理想情況下呈正比關(guān)系,如圖2所示。

在轉(zhuǎn)矩T不同的情況下,調(diào)節(jié)特性曲線同樣為一組平行線,轉(zhuǎn)速n同樣也與控制電壓Ua呈正比關(guān)系,控制電壓Ua越大,轉(zhuǎn)速n也越大,如圖3所示。

由電樞電動(dòng)勢(shì)公式Ua=Ce小n0可以得到代入到機(jī)械特性公式中可得:

通過該公式,結(jié)合機(jī)械特性曲線和調(diào)節(jié)特性曲線可得,當(dāng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩T=0時(shí),Ua>0時(shí)n也大于0。當(dāng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩T=T1>0時(shí),若Ua=U1,此時(shí)恰好,使得轉(zhuǎn)速n恰好等于0,繼續(xù)增大Ua大于U1時(shí)轉(zhuǎn)速n>0,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩T=T2>T1時(shí),若Ua<U2,電機(jī)將無法轉(zhuǎn)動(dòng),若Ua=U2,此時(shí)恰好,使得電機(jī)到達(dá)啟動(dòng)的臨界點(diǎn),當(dāng)Ua持續(xù)增大,轉(zhuǎn)速n大于0,電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)。

由此可見,當(dāng)T=0時(shí),只要Ua>0,則n>0,當(dāng)T=T1或T=T2時(shí),只有當(dāng)Ua>Ua1或Ua>Ua2時(shí)才有n>0,因此,我們把T=T'時(shí)能使的啟動(dòng)電壓Ua'稱為始動(dòng)電壓,而在0~Ua'的電壓區(qū)間內(nèi)稱為失靈區(qū)。因此,在結(jié)合機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性分析后可以得出,在保證輸出轉(zhuǎn)矩不變的情況下,要提高直流伺服電動(dòng)機(jī)的伺服性,就需要減小空載轉(zhuǎn)矩,從而使啟動(dòng)電壓降低。

4結(jié)語

本文通過對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單介紹,說明了伺服電動(dòng)機(jī)能夠受電壓信號(hào)控制,通過結(jié)合機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的研究,解釋了直流伺服電動(dòng)機(jī)的始動(dòng)電壓和失靈區(qū)。為了在自動(dòng)控制系統(tǒng)中提高直流伺服電動(dòng)機(jī)的伺服可靠性,需要降低直流伺服電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電壓,因此要減小直流伺服電動(dòng)機(jī)的空載轉(zhuǎn)矩。