直流伺服电动机：特点及应用场景

1.直流（DC）伺服电动机的基本结构

直流伺服电动机具有良好的起动、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。

直流伺服电动机的结构（见图5-10）主要包括三大部分：

1）定子。定子磁极磁场由定子的磁极产生。根据产生磁场的方式，直流伺服电动机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。

图5-10 直流伺服电动机

2）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。

3）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。

2.直流伺服电动机的分类

在伺服系统中使用的直流伺服电动机，按转速的高低可分为两类：高速直流伺服电动机和低速大转矩宽调速电动机。

（1）高速直流伺服电动机 高速直流伺服电动机又可分为普通直流伺服电动机和高性能直流伺服电动机。变通高速他励式直流伺服电动机的应用历史最长。众所周知，这种电动机的转矩—惯量比是很小的，已不能适应现代伺服控制技术的要求。在20世纪60年代中期出现的永磁式直流伺服电动机，由于有尺寸小、重量轻、效率高、出力大、结构简单、无需励磁等一系列优点而被越来越重视。然而，普通伺服电动机在低速性能和动态指标上还不能令人满意，成为进一步提高伺服系统精度和快速性的主要障碍。因此，在20世纪60年代末出现了两种高性能的小惯量高速直流伺服电动机。下面介绍这两种电动机的主要特点。

1）小惯量无槽电枢直流伺服电动机。无槽电枢直流伺服电动机又称表面绕组电枢直流伺服电动机。这种电动机与普通电动机在结构上不同之处在于电枢的铁心表面无槽，电枢绕组直接用环氧树脂粘接在光滑的铁心表面上（故称为表面绕组），并用玻璃丝带加固，使电枢绕组与铁心成为一个坚实的整体。由于转子采用无槽结构，电枢绕组均匀分布在铁心表面上，大大缩小了电枢直径，减小了转子的转动惯量。

由于定子与转子铁心之间填满了电枢绕组，使气隙主磁通磁阻增大；另一方面也使气隙漏磁通磁阻加大，漏磁通减弱，从而使换向电动势减小，换向性能改善，过载能力可以大大加强。

由于转子无齿槽，因而改善了低速下因齿槽效应而产生的转速脉动。又由于转子与换向器直径减小，摩擦转子也大为减小，这些都为改善低速平稳性、扩大调速范围创造了有利条件。

综上所述，小惯量无槽电枢直流伺服电动机具有以下优点：

①转子转动惯量小，是普通电动机的1/10，电磁时间常数小，反应快。

②转矩—惯量比大，且过载能力强，最大转矩可比额定转矩大10倍。

③低速性能好，转矩波动小，线性度好，摩擦小，调速范围可达数千比一。

但是，作为伺服系统的执行元件，高速小惯量电动机还存在一些缺点，例如：

①由于其转速高，作为伺服系统的执行电动机仍需减速器，齿轮间隙给系统带来的种种不利因素依然存在。特别对于舰载、机载、车载陀螺稳定伺服系统，过大的减速比使电动机的有效出力降低（转子自身加速i²J所消耗的功率加大）。

②由于气隙大，安匝数多，效率低，另外，由于惯量小，热容量也较小，过载时间不能太长。为了解决良好散热，多用强迫风冷，因而体积、重量、噪声都较大。

③由于电动机本身转动惯量小，负载转动惯量可能要占系统总惯量中较大成分。当所驱动负载的尺寸与重量改变时，负载转动惯量可能发生变化，从而影响系统的动态性能。这个问题称为惯量匹配问题。

无槽电枢直流伺服电动机是一种大功率直流伺服电动机，主要用于需要快速动作，功率较大的伺服系统中，如雷达天线的驱动、自行火炮、导弹发射架驱动、计算机外围设备以及数控机床等方面都有应用实例。

2）空心杯电枢直流伺服电动机。无槽电枢直流伺服电动机由于存在电枢铁心，故在实现快速动作的电子设备中，还嫌它的转动惯量太大。空心杯电枢直流伺服电动机则是一种转动惯量更小的直流伺服电动机，人们称之为“超低惯量伺服电动机”。

空心杯电枢直流伺服电动机的性能特点是：

①低转动惯量。由于转子无铁心，且壁薄而细长，其转动惯量很小，起动时间常数小，可达1ms以下。转矩—转动惯量比很大，角加速度可达10⁶rad/s²。

②灵敏度高，快速性能好，速度调节方便，其始动电压在100mV以下，可完成每秒钟250个起—停循环。

③损耗小，效率高。因转子中无磁滞和涡流造成的铁耗，故其效率可达80%或更高。

④由于绕组在气隙中均匀分布，不存在齿槽效应，转矩波动小，低速运转平稳，噪声很小。

⑤绕组的散热条件好，其电流密度可达到30A/mm²。

⑥转子无铁心，电枢电感很小，因此换向性能很好，几乎不产生火花，大大提高了使用寿命。

空心杯电枢直流伺服电动机在国外已系列化生产，输出功率从零点几瓦到几千瓦，多用于高精度的伺服系统及测量装置等设备中，如电视摄像机、各种录音机、X-Y函数记录仪、数控机床等机电一体化设备中。目前，国产空心杯电枢直流伺服电动机可为仪表伺服系统配套。

（2）低速大转矩宽调速电动机 低速大转矩宽调速电动机是在过去军用低速转矩电动机经验的基础上发展起来的一种新型电动机。相对于前面的小惯量电动机而言（国外文献中也有称它为大惯量电动机）。大转矩宽调速电动机具有下列特点：

1）高的转矩—转动惯量比，从而提供了极高的加速度和快速响应。

2）高的热容量，使电动机在自然冷却全封闭的条件下，仍能长时间过载。

3）电动机所具有的高转矩和低速特性使得它与机床丝杠很容易直接耦合。这样不仅解决了齿轮减速器的间隙给系统带来的种种不利影响，而且从负载端看，电动机惯量折算到负载端的系数为1，而不是像高速电动机传动比为i时折算关系为i²倍，所以总系统的转矩—惯量比值不一定降低，系统仍有较高的动态性能。

4）由于精心选择电刷的材料，且电刷的接触面积大，使得电动机在大的加速度和过载情况下，仍能有良好的换向。

5）电动机采用耐高温的H级绝缘材料，且具有足够的机械强度，以保证有长的寿命和高的可靠性。

6）采用能承受重载荷的轴和轴承，使得电动机在加、减速和低速大转矩时能承受最大峰值转矩。

7）电动机内装有高精度和高可靠性的反馈元件——脉冲编码器或多极放置变压器和低纹波测速发电机。

总之，大转矩宽调速电动机具有许多优点，近年来，在高精度数控机床和工业机器人伺服系统中获得了愈来愈广泛的应用。尤其是北京机床研究所按日本富士通发那科（FANUC）公司的许可证制造的FANUC-BESK系列直流伺服电动机应用最广泛。

3.永磁直流伺服电动机

目前在数控机床进给驱动中采用的直流电动机主要是20世纪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，本节将主要介绍这种电动机。

（1）永磁直流伺服电动机基本结构 图5-11所示为永磁式宽调速直流伺服电动机的基本结构。

图5-11 永磁式宽调速直流伺服电动机的基本结构

该电动机又称直流力矩电动机或大惯量宽调速电动机，其定子磁极是个永久磁体。这种磁体一般用铝镍钴合金、铁氧体、稀土钴等材料，它们的矫顽力很高，故可以产生极大的峰值转矩；而且在较高的磁通密度下保持性能稳定（即不出现退磁）。这种电动机电枢的铁心上槽数较多，采用斜槽，即铁心叠片扭转一个齿距，且在一个槽内分布有几个虚槽以减少转矩波动。由于这种电动机的调速范围宽，所谓大惯量电动机是在维持一般直流电极转动惯量的前提下，用尽量提高转矩的方法改善其动态特性。它既具有一般直流电动机便于调速、力学性能较好的优点，又具有小惯量直流电动机的快速响应性能。

（2）永磁直流伺服电动机特点

1）高性能的铁氧体具有大的矫顽力和足够的厚度，能承受高的峰值电流以满足快的加减速的要求。

2）大惯量的结构使在长期过载工作时具有大的热容量。

3）低速高转矩和大惯量结构可以与机床进给丝杠直接连接。

4）一般没有换向极和补偿绕组，通过仔细选择电刷材料和磁场的结构，使得在较大的加速度状态下有良好的换向性能。

5）绝缘等级高，从而保证电动机在反复过载的情况下仍有较长的寿命。

6）在电动机轴上装有精密的测速发电机、旋转变压器或脉冲编码器，从而可以得到精密的速度和位置检测信号，以反馈到速度控制单元和位置控制单元。

宽调速直流伺服电动机虽然具有上述特点，但是，对它进行控制不如步进电动机简单，快速响应性能也不如小惯量电动机，宽调速直流伺服电动机转子由于采用良好的绝缘，耐温可达150～200℃。转子温度高，热量通过转轴传到丝杆，若不采取措施，丝杆热变形将影响传动精度，此外，电动机电刷易磨损，维修，保养也存在一定的问题。

（3）永磁直流伺服电动机工作原理 图5-12是其工作原理的示意图。

由于电刷和换向器的作用，使得转子绕组中的任何一根导体，只要一转过中性线，由定子S极下的范围进入了定子N极下的范围，那么这根导体上的电流一定要反向；反之由定子N极下的范围进入定子S极下的范围时，导体上的电流也要发生反向。因此转子的总磁势正交。转子磁场与定子磁场相互作用产生了电动机的电磁转矩，从而使电动机转动。

图5-12 直流电动机的工作原理

1）电动机转矩平衡方程式。一般，电磁转矩T按下式计算：

T=C_MΦI （5-5）

式中 C_M——转矩常数；

Φ——电动机的主磁通；

I——电动机的电枢电流。

对于永磁式直流伺服电动机，C_M和Φ都是常数，所以上式又可写成：

T=K_MI （5-6）

式中，K_M=C_MΦ。

我们知道，当电动机带负载匀速旋转时，它的输出转矩必与负载转矩相等。但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）和电枢铁心中的涡流、磁滞损耗都要引起阻转矩，此阻转矩用T_o表示。这样，电动机的输出转矩T_r就等于电磁转矩T减去电动机本身的阻转矩T_o，所以当电动机克服负载转矩T_L匀速旋转时，即(www.xing528.com)

T_r=T-T_o=T_L （5-7）

上式就是电磁转矩平衡方程式。

如果把电动机本身的阻转矩和负载转矩合在一起叫做总阻转矩T_s，即

T_s=T_o+T_L （5-8）

转矩平衡方程式可写成

T=T_s （5-9）

它表示在稳态运行时，电动机的电磁转矩和电动机轴上的总阻转矩相互平衡。

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。当电动机的转速改变时，转动部分的转动惯量，将产生惯性转矩TJ

式中　J——负载和电动机转动部分的转动惯量；

ω——电动机的角速度。

电动机轴上的转矩平衡方程式为

由上式可知，当电磁转矩T大于总阻转矩T_s时，表示电动机在加速；当电磁转矩T小于T_s时，表示电动机在减速。有关电动机速度变化的动态过程，详见后述。

2）电动机的电压平衡方程式。如上所述，根据直流电动机的负载情况和转矩平衡方程式，可以确定电动机电磁转矩的大小，但这时还不能确定电动机的转速。

要确定电动机的转速仅仅利用转矩平衡方程式是不够的，还需要进一步从电动机内部的电磁规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。反电动势E的计算公式是

E=C_eΦn （5-12）

式中 C_e——电动势常数；

Φ——每极总磁通；

n——电动机转速。

对于永磁式直流电动机，C_e和Φ都是常数，上式可写成

E=K_en（5-13）

电动机各电量的参考方向如图5-13所示。

图5-13 直流电动机各电量的参考方向

外加电压为U时有

U=E+IR_a（5-14）

式中 R_a——电枢电阻。

上式就是直流电动机的电压平衡方程式。它说明：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。

3）电动机转速与转矩的关系。如果把E=C_eΦn代入式（5-14），便可得出电枢电流I的表达式：

由式（5-15）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Φ为常数），这点务必注意。

将式（5-5）代入（5-15）式，并经整理可得

式（5-16）称为电动机的机械特性，它描述了电动机的转速与转矩之间的关系。

图5-14是机械特性曲线族。在这一曲线族中，不同的电枢电压对应于不同的曲线，各曲线是彼此平行的。称为“理想空载转速”，而称为转速降落。

4.对直流伺服电动机的要求及选用

（1）对直流伺服电动机的要求 伺服控制系统中使用的直流电动机和一般动力用的直流电动机在原理上是完全相同的，但由于各自的功能和作用不同，因此它们的工作状态和工作性能差别很大。在伺服系统中，电动机的转速和工作状态要根据指令信号而改变，因此使用有伺服系统中的直流电动机叫做直流伺服电动机。根据伺服电动机在系统中的作用和特点，系统对它的性能提出下列要求：

1）尽可能高的响应频率，亦即尽可能减小转子的转动惯量，增大转矩—惯量比。

2）良好的低速平稳性。

3）尽可能宽的调速范围。

4）机械特性的硬度ΔT/Δn的数值尽可能大。

图5-14 机械特性曲线族

5）换向器和电刷间的接触火花尽可能小，以减小伺服噪声。

6）过载能力强。

（2）直流伺服电动机的选用 根据负载条件选择电动机。首先计算出加在电动机轴上的负载转矩及负载转动惯量。负载转矩按下式计算：

M_L=∑M_R+M_MC+M_a

式中 ∑M_R——克服各种摩擦转矩的总和；

M_MC——机械加工切削力的转矩；

M_a——机械部分加速度转矩。

负载转动惯量（圆柱直线运动物体，齿轮传动）按下式计算：

J_L=i²_G（J_C+J_SP+J_T+W）+J_G

式中 i²_G——齿轮传动比；

J_C——联轴节转动惯量；

J_SP——丝杠转动惯量；

J_T+W——工作台与工件折算到丝杠轴上的转动惯量；

J_G——齿轮减速器的转动惯量。

具体要求如下：

1）电动机的输出功率应满足机床最大功率的要求。

2）电动机的额定转矩应满足各种情况下的机床负载转矩的要求，一般不超过额定转矩。

3）最高转速应满足各种条件下机床快速移动要求。

4）电动机转子转动惯量应与负载转动惯量相匹配，为

式中　J_M——电动机转子转动惯量；

J_L——运动部件折合到电动机轴上的负载转动惯量。