直流伺服电动机的工作原理与控制方式

直流伺服电动机是将输入的直流电信号转换成机械角位移或角速度信号的装置。直流伺服电动机具有良好的启动、制动和调速性能，可以在较宽的范围内实现平滑无级调速，因而适用于调速性能要求较高的场合。

1.直流伺服电动机的结构

直流伺服电动机是一种微型的直流电动机，也是由定子和转子两部分组成的。定子的磁极按励磁方式分为永磁式和电磁式两种。以永久磁铁作为磁极（省去了励磁绕组）的直流伺服电动机称为永磁式直流伺服电动机；在定子的励磁绕组上用直流电流进行励磁的直流伺服电动机，为电磁式直流伺服电动机。空心杯电枢永磁式直流伺服电动机的剖面图如图5-12所示。

图5-12　空心杯电枢永磁式直流伺服电动机剖面图

1－换向器；2－电刷；3－空心杯电枢；4－外定子；5－内定子

由于伺服电动机电枢电流很小，换向并不困难，因此不装设换向磁极。为了减少惯性，其转子做成细长形状。此外，定子和转子间气隙较小。永磁式直流伺服电动机定子磁极由永久磁铁或磁钢制成；电磁式直流伺服电动机的定子由硅钢片冲制叠压而成。磁极和磁轭整体相连，电枢绕组和磁极绕组由两个独立电源供电，它实质上就是一台他励直流电动机，目前国产SZ系列都属于此类。

2.直流伺服电动机工作原理

直流伺服电动机工作原理与一般直流电动机相同。当励磁绕组和电枢绕组中都通有电流并产生磁通时，他们相互作用而产生电磁转矩，驱动电枢转动，使直流伺服电动机带动负载工作。若两个绕组中任何一个电流为零，直流伺服电动机马上停转。作为执行元件，直流伺服电动机把输入的控制信号转换为轴上的角位移或角速度输出。该电动机的转向及转速随控制电压的改变而改变。

直流伺服电动机的控制有电枢控制和磁极控制两种方式。电枢控制式是将电枢电压作为控制信号来控制电动机的转速的，如图5-13（a）所示。电枢绕组作为控制绕组接控制电压，励磁绕组接到直流电源上，产生磁通。当控制电压不为零时，电动机旋转；当控制电压为零时，电动机停止转动。磁极控制是将励磁电压作为控制信号来控制电动机转速，如图5-13（b）所示。此时，电枢绕组起到励磁作用，接到励磁电源上，励磁绕组则作为控制绕组接到控制电压上。

图5-13　直流伺服电动机的控制原理(www.xing528.com)

由于励磁绕组进行励磁时，所耗的功率较小，且电枢电路电感小，响应迅速，所以一般直流伺服电动机多采用电枢控制。

3.直流伺服电动机的型号及选用原则

直流伺服电动机的铭牌参数，类似于其他直流电动机。以SZ系列直流伺服电动机为例，其型号说明为

直流伺服电动机分为有刷电动机和无刷电动机。有刷电动机成本低、结构简单、启动转矩大、调速范围宽，但是需要维护（换碳刷），它适用于成本低廉、对控制精度要求不高的场合；无刷电动机体积小、响应快、转动平滑、力矩稳定，但是控制方法比较复杂，它适用于控制精度要求高、需要实现智能化控制的场合。

电机的选择要注意电机额定电压、额定转矩、确定转速及机座号等参数以确定其型号。对于特殊用途电机还要注明使用条件和特殊要求等。

4.直流伺服电动机应用举例

直流伺服电动机在机床工作台精确定位系统中作为执行元件，由偏差电压ΔU控制，用于驱动机床工作台。运算控制电路将位置指令转换为电压信号作为系统的输入信号电压U1。输入信号电压U1和位置检测装置的输出电压Uf相比较后，偏差电压ΔU通过直流放大器去控制伺服电动机的运转，从而控制机床工作台的移动。工作台经多次自动的前、后移动，最终精确地停留在指定位置上。该系统原理如图5-14所示。

图5-14　机床工作台精确定位系统原理图