直流伺服电动机调速原理与方法

图5-12 他励式直流伺服电动机工作原理图

a）工作原理 b）等效电路

直流电动机是由磁极（定子）、电枢（转子）和电刷与换向片三部分组成。以他励式直流伺服电动机为例，研究直流电动机的机械特性。直流电动机的工作原理是建立在电磁定律的基础上，即电流切割磁力线，产生电磁转矩，如图5-12所示。电磁电枢回路的电压平衡方程式为：

U_a=E_a+I_aR_a (5-2)

式中 R_a为电动机电枢回路的总电阻；U_a为电动机电枢的端电压；I_a为电动机电枢的电流；E_a为电枢绕组的感应电动势。当励磁磁通Φ恒定时，电枢绕组的感应电动势与转速成正比，则

E_a=C_EΦn （5-3）

式中 C_E为电动势常数，表示单位转速时所产生的电动势；n为电动机转速。

电动机的电磁转矩为

T_m=C_TΦΙ_a （5-4）

式中 T_m为电动机电磁转矩；C_T为转矩常数，表示单位电流所产生的转矩。

将式（5-2）、（5-3）和（5-4）联立求解，即可得出他励式直流伺服电动机的转速公式(www.xing528.com)

其中

式中 n₀为电动机理想空载转速。

直流电动机的转速与转矩的关系称机械特性，机械特性是电动机的静态特性，是稳定运行时带动负载的性能，此时，电磁转矩与外负载相等。当电动机带动负载时，电动机转速与理想转速产生转速差Δn，它反映了电动机机械特性的硬度，Δn越小，表明机械特性越硬。

由直流伺服电动机的转速公式（5-5）可知，直流电动机的基本调速方式有三种，即调节电阻R_a、调节电枢电压U_a和调节磁通Φ的值。但电枢电阻调速不经济，而且调速范围有限，很少采用。在调节电枢电压时，若保持电枢电流I_a不变，则磁场磁通Φ保持不变，由式（5-4）可知，电动机电磁转矩T_m保持不变，为恒定值，因此称调压调速为恒转矩调速。调磁调速时，通常保持电枢电压U_a为额定电压，由于励磁回路的电流不能超过额定值，因此励磁电流总是向减小的趋势调整，使磁通下降，称为弱磁调速，此时转矩T_m也下降，则转速上升。调速过程中，电枢电压U_a不变，若保持电枢电流I_a也不变，则输出功率维持不变，故调磁调速又称为恒功率调速。

直流电动机在调节电枢电压和调节磁通调速方式的机械特性曲线如图5-13所示。图中，n_N为额定转矩T_N时的额定转速，Δn_N为额定转速差。由图5-13a可见，当调节电枢电压时，直流电动机的机械特性为一组平行线，即机械特性曲线的斜率不变，而只改变电动机的理想转速，保持了原有较硬的机械特性，所以数控机床伺服进给动系统的调速采用调节电枢电压调速方式。由图5-13b可见，调磁调速不但改变了电动机的理想转速，而且使直流电动机机械特性变软，所以调磁调速主要用于机床主轴电动机调速。

图5-13 直流电动机的机械特性

a）改变电枢电压时的机械特性 b）改变磁通时的机械特性

Δn的大小与电动机的调速范围密切相关。如果Δn值比较大，不可能实现宽范围的调速。而永磁式直流伺服电动机的机械特性的Δn值比较小，满足于这一要求，因此，进给系统常采用永磁式直流电动机。