直流伺服電動(dòng)機(jī)的基本類型分類與直流伺服電動(dòng)機(jī)的特性分析

　　伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)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(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

　　直流伺服電動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同，直流伺服電動(dòng)機(jī)有以下的幾種類型。

　　（1）普通電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)

　　這種伺服電動(dòng)機(jī)具有與動(dòng)力直流電動(dòng)機(jī)基本相同的結(jié)構(gòu)。即電磁式或永磁式定子，轉(zhuǎn)子由帶槽的鐵心和嵌放于槽中的電樞繞組構(gòu)成。但相對(duì)而言，電樞的長(zhǎng)度與直徑比較大，即它屬細(xì)而長(zhǎng)型轉(zhuǎn)子。大中容量的直流伺服電動(dòng)機(jī)一般都是這種結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品容量從幾瓦到幾百瓦甚至數(shù)千瓦。同時(shí)也由于這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，使它具有較強(qiáng)的負(fù)載能力，較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，因此它特別實(shí)用于大負(fù)載的伺服系統(tǒng)。但由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大，使得該電動(dòng)機(jī)的機(jī)械慣性（時(shí)間常數(shù)）較大，低速時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)性較差，控制死區(qū)較大。

　?。?）盤形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)

　　這種電動(dòng)機(jī)定子為永磁式。它的轉(zhuǎn)子為一圓盤結(jié)構(gòu)（即長(zhǎng)度直徑比小于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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、轉(zhuǎn)子重量輕，因此，轉(zhuǎn)子的機(jī)械慣性?。ㄍǔC(jī)種的機(jī)械時(shí)間常數(shù)小于30眥），但堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩小。線繞盤式電動(dòng)機(jī)容量可達(dá)數(shù)千瓦，印刷盤式的容量小一些。

　　（3）空心杯電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)

　　該電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子以一空心杯構(gòu)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(jī)以機(jī)械慣性極小著稱，控制靈敏度高，幾乎無(wú)控制死區(qū)，其體積可做得非常小且重量輕。但堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)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(jī)。

　?。?）無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)

　　無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)與普通電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)的唯一區(qū)別是它的轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)具有較大的負(fù)載能力，較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)容量可以做的較大，低速平穩(wěn)性好。

　　（5）直流伺服齒輪減速電動(dòng)機(jī)

　　這種伺服電動(dòng)機(jī)是將微型直流電動(dòng)機(jī)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(jī)的輸出轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)減速輸出。因此，這種電動(dòng)機(jī)的最大特點(diǎn)是可以輸出極低的速度（可低達(dá)零點(diǎn)幾轉(zhuǎn)每分）且低速時(shí)運(yùn)行非常平穩(wěn)。它特別適用于低速大力矩系統(tǒng)。

　?。?）直流力矩電動(dòng)機(jī)

　　直流力矩電動(dòng)機(jī)是一種低速大力矩伺服電動(dòng)機(jī)。它能在不需要中間減速機(jī)構(gòu)的情況下直接拖動(dòng)負(fù)載實(shí)現(xiàn)低速大力矩的平穩(wěn)運(yùn)行，甚至可以工作在堵轉(zhuǎn)情況下且無(wú)爬行現(xiàn)象，又具有很高的穩(wěn)速精度。因此，特別適用于那些常用于較低速度且又有相當(dāng)負(fù)載能力要求的場(chǎng)合。直流力矩電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上和普通電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)相同。它的定子主磁極數(shù)較多（通常6。8極），它通常做成扁平結(jié)構(gòu)，電樞長(zhǎng)度與直徑之比一般僅為0.2左右（即外表呈現(xiàn)圓盤狀）。它有內(nèi)裝式和分裝式兩種結(jié)構(gòu)。內(nèi)裝式與一般電動(dòng)機(jī)一樣由生產(chǎn)廠裝配成一整體。分裝式將定子、轉(zhuǎn)子和刷子三大部分分離出廠，使用時(shí)現(xiàn)場(chǎng)裝配，轉(zhuǎn)子直接套在負(fù)載軸上，機(jī)殼可根據(jù)需要自行選配。

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

　　當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)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(shì)； Ua是電樞電壓；Ia是電樞電流；Ra是電樞電阻。

　　轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中以角速度ω切割磁力線時(shí)，電樞反電動(dòng)勢(shì)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(shì)常數(shù)，僅與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)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)磁力線所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩Tm可由下式表達(dá)：

　　Tm=CmΦIa

　　則 Tm=CmΦIn

　　式中，Cm是轉(zhuǎn)矩常數(shù)，僅與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)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(jī)運(yùn)行特性的一般表達(dá)式

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

　?。?）當(dāng)Tm＝0時(shí)，有

　?。?）當(dāng)ω＝0時(shí)，有

　　式中，Td稱為啟動(dòng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩Tm的函數(shù)，即ω=f（Tm），則可得到直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式為

　　如果把角速度ω看作是電樞電壓Ua的函數(shù)，即ω=f（Ua），則可得到直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性表達(dá)式

　　根據(jù)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(jī)的機(jī)械特性曲線和調(diào)節(jié)特性曲線如圖2、圖3所示。

　　由圖2可見，直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是一組斜率相同的直線簇。每條機(jī)械特性和一種電樞電壓相對(duì)應(yīng)，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(zhuǎn)矩。

　　由圖3可見，直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性也是一組斜率相同的直線簇。每條調(diào)節(jié)特性和一種電磁轉(zhuǎn)矩相對(duì)應(yīng)，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(diào)節(jié)特性的斜率為正，說(shuō)明在一定的負(fù)載下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨電樞電壓的增加而增加；而機(jī)械特性的斜率為負(fù)，說(shuō)明在電樞電壓不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加而降低。

　　對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)特性的分析是在理想條件下進(jìn)行的，實(shí)際上電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路、電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的摩擦及負(fù)載的變動(dòng)等因素都對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)的特性有著不容忽略的影響。

　?。?1 ）驅(qū)動(dòng)電路對(duì)機(jī)械特性的影響

　　直流伺服電動(dòng)機(jī)是由驅(qū)動(dòng)電路供電的，假設(shè)驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)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(qū)動(dòng)電路的影響后，直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式變成

　　由于驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Ri的存在而使機(jī)械特性曲線變陡了，圖1給出了驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻影響下的機(jī)械特性。

　　如果直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性較平緩，則當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化較小，這時(shí)稱直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性較硬。反之，如果機(jī)械特性較陡，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化就較大，則稱其機(jī)械特性較軟。顯然，機(jī)械特性越硬，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力越強(qiáng)；機(jī)械特性越軟，負(fù)載能力越低。毫無(wú)疑問(wèn)，對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，其機(jī)械特性越硬越好。由圖1可知，由于功放電路內(nèi)阻的存在而使電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變軟了，這種影響是不利的，因而在設(shè)計(jì)直流伺服電動(dòng)機(jī)功放電路時(shí)，應(yīng)設(shè)法減小其內(nèi)阻。

　　（2） 直流伺服電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的摩擦對(duì)調(diào)節(jié)特性的影響

　　由圖1可知，直流伺服電動(dòng)機(jī)在理想空載時(shí)（即Tm1=0），其調(diào)節(jié)特性曲線從原點(diǎn)開始。但實(shí)際上直流伺服電動(dòng)機(jī)內(nèi)部存在摩擦（如轉(zhuǎn)子與軸承間的摩擦等），直流伺服電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)需要克服一定的摩擦轉(zhuǎn)矩，因此啟動(dòng)時(shí)電樞電壓不可能為零。這個(gè)不為零的電壓稱為啟動(dòng)電壓，用Ub表示，如圖2所示。

　　（3） 負(fù)載變化對(duì)調(diào)節(jié)特性的影響

　　由式（6-5）知，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL不變的條件下，直流伺服電動(dòng)機(jī)角速度與電樞電壓成線性關(guān)系。但在實(shí)際伺服系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)遇到負(fù)載隨轉(zhuǎn)速變動(dòng)的情況，如粘性摩擦阻力是隨轉(zhuǎn)速增加而增加的，數(shù)控機(jī)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(fù)載的變動(dòng)將導(dǎo)致調(diào)節(jié)特性的非線性，如圖2所示?？梢?，由于負(fù)載變動(dòng)的影響，當(dāng)電樞電壓Ua增加時(shí)，直流伺服電動(dòng)機(jī)角速度ω的變化率越來(lái)越小，這一點(diǎn)在變負(fù)載控制時(shí)應(yīng)格外注意。