直流伺服电动机的原理与控制方法

1.伺服电动机的用途与特点

伺服电动机又称为执行电动机。在自动控制系统中作为执行元件，把输入的电压信号变换成转轴的角位移或角速度输出。输入的电压信号又称为控制信号或控制电压，改变控制电压可以变更伺服电动机的转速及转向。

伺服电动机按其使用的电源性质不同，可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。因自动控制系统对电动机快速响应的要求越来越高，使各种低惯量的伺服电动机相继出现。

伺服电动机的种类虽多，用途也很广泛，但自动控制系统对它们的基本要求可归结为以下几点：

1）宽广的调速范围：即要求伺服电动机的转速随着控制电压的改变能在宽广的范围内连续调节。

2）机械特性和调节特性均为线性：伺服电动机的机械特性是指控制电压一定时，转速随转矩的变化关系；调节特性是指电动机转矩一定时，转速随控制电压的变化关系。线性的机械特性和调节特性有利于提高自动控制系统的动态精度。

3）无“自转”现象：即要求伺服电动机在控制电压降为零时能立即自行停转。

4）快速响应：即电动机的机电时间常数要小，相应地伺服电动机要有较大的堵转转矩和较小的转动惯量。这样，电动机的转速才能随着控制电压的改变而迅速变化。

此外，还有一些其他的要求，如希望伺服电动机的重量轻、体积小、控制功率小等。

2.直流伺服电动机的类型

直流伺服电动机有传统式结构和低惯量型两大类。

传统式直流伺服电动机的结构型式和普通直流电动机基本相同，也是由定子、转子两大部分组成。体积和容量都很小，无换向极、转子细长，便于控制。

传统式直流伺服电动机按励磁方式可分为永磁式和电磁式两种。永磁式直流伺服电动机是在定子上装置永久磁铁做成的磁极；电磁式直流伺服电动机的定子通常由硅钢片冲制叠压而成，磁极和磁轭整体相连。电枢绕组和励磁绕组分别由两个独立电源供电，属于他励式。

常用的低惯量直流伺服电动机有以下几种：

1）盘形电枢直流伺服电动机；

2）空心杯形电枢永磁式直流伺服电动机；(www.xing528.com)

3）无槽电枢直流伺服电动机。

3.盘形电枢直流伺服电动机

盘形电枢直流伺服电动机如图6-1所示。它的定子由永久磁铁和前后磁轭组成，磁铁可在圆盘的一侧放置，也可以在两侧同时放置，电动机的气隙就位于圆盘的两边，圆盘上有电枢绕组，可分为印制绕组和绕线式绕组两种形式。

图6-1 盘形电枢直流伺服电动机结构图

4.空心杯形电枢永磁式直流伺服电动机

空心杯形电枢永磁式直流伺服电动机如图6-2所示。它有一个外定子和一个内定子，通常外定子是由两个半圆形（瓦片形）的永久磁铁所组成；而内定子则为圆柱形的软磁材料做成，仅作为磁路的一部分，以减小磁路的磁阻。也可采用与此相反的形式，内定子为永磁体，而外定子采用软磁材料。

空心杯形电枢上的电枢绕组可采用印制绕组，也可以先绕成单个成型线圈，然后将它们沿圆周的轴向方向排列成空心杯形，再用环氧树脂热固化成型。空心杯电枢直接装在转轴上，在内、外定子间的气隙中旋转。电枢绕组接到换向器上，由电刷引出。

5.无槽电枢直流伺服电动机

无槽电枢直流伺服电动机如图6-3所示。它的电枢铁心上并不开槽，电枢绕组直接排列在铁心表面，再用环氧树脂把它与电枢铁心粘成一个整体。其定子磁极可以用永久磁铁做成，也可采用电磁式结构。

图6-2 空心杯形电枢永磁式直流伺服电动机结构示意图

图6-3 无槽电枢直流伺服电动机结构示意图

无槽电枢直流伺服电动机的转动惯量和电枢绕组电感比较大，因而其动态性能不如盘形电枢直流伺服电动机和空心杯电枢永磁式直流伺服电动机。