直流伺服电动机的工作原理和应用

1.基本结构与工作原理

一般的直流伺服电动机的结构与普通小型直流电动机相同，按照励磁方式的不同，可分为电磁式和永磁式。电磁式直流伺服电动机的磁场由励磁电流通过励磁绕组产生，一般多用他励式励磁。永磁式直流伺服电动机的磁场由永磁铁产生，无需励磁绕组和励磁电流。

图7-1　电枢控制方式的直流伺服电动机

直流伺服电动机的控制方式有两种：电枢控制和磁场控制。所谓电枢控制，即磁场绕组加恒定励磁电压，电枢绕组加控制电压，当负载转矩恒定时，电枢的控制电压升高，电动机的转速就升高；反之，减小电枢控制电压，电动机的转速就降低；改变控制电压的极性，电动机就反转；控制电压为零，电动机就停转。电枢控制方式的直流伺服电动机如图7-1所示。

电动机也可采用磁场控制，即磁场绕组加控制电压，而电枢绕组加恒定电压控制方式，改变励磁电压的大小和方向，就能改变电动机的转速与转向。可见，电磁式直流伺服电动机有电枢控制和磁场控制两种控制转速的方式，而对永磁式直流伺服电动机来讲，则只有电枢控制一种方式。

电枢控制的主要优点为，没有控制信号时，电枢电流等于零，电枢中没有损耗，只有不大的励磁损耗。磁场控制的性能较差，其优点是控制功率小，仅用于小功率电动机中。自动控制系统中多采用电枢控制方式，因此本节只分析电枢控制方式的直流伺服电动机。

为了提高快速响应能力，必须减少转动惯量，所以直流伺服电动机的电枢通常做成盘形或空心杯形，使其具有转子轻、转动惯量小的特点。

电枢控制方式的直流伺服电动机的工作原理与普通的直流电动机相似。当励磁绕组接在电压恒定的励磁电源上时，就会有励磁电流If流过，并在气隙中产生主磁通Φ；当有控制电压Uc作用在电枢绕组上时，就有电枢电流Ic流过，电枢电流Ic与磁通Φ相互作用，产生电磁转矩Tem带动负载运行。当控制信号消失时，Uc=0，Ic=0，Tem=0，电动机自行停转，不会出现自转现象。

2.控制特性

（1）机械特性。机械特性是指励磁电压Uf恒定，电枢的控制电压UK为一个定值时，电动机的转速和电磁转矩Tem之间的关系，即Uf为常数时的n=f（Tem），如图7-2（a）所示。

已知直流电动机的机械特性为

式中：U、R、Ce、CT分别表示电枢电压、电枢回路的电阻、电动势常数和转矩常数。

在电枢控制方式的直流伺服电动机中，控制电压Uc加在电枢绕组上，即U=Uc，代入式（7-1），得到直流伺服电动机的机械特性表达式为

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式中：n0=为理想空载转速；为斜率。

图7-2　直流伺服电动机的运行特性

（a）机械特性；（b）调节特性

对上式应考虑两种特殊情况：当转矩为零时，电动机的转速仅与电枢电压有关，此时的转速为直流伺服电动机的理想空载转速，理想空载转速与电枢电压成正比，即

当转速为零时，电动机的转矩仅与电枢电压有关，此时的转矩称为堵转转矩。堵转转矩与电枢电压成正比，即

当控制电压Uc一定时，随着转矩Tem的增加，转速n成正比的下降，机械特性为向下倾斜的直线，所以直流伺服电动机机械特性的线性度很好。当Uc不同时，其斜率β不变，机械特性为一组平行线，随着Uc的降低，机械特性平行地向下移动。

（2）调节特性。调节特性是指电磁转矩恒定时，电动机的转速随控制电压的变化关系，即Tem为常数时的n=f（UK）。调节特性也称为控制特性。如图7-2（b）所示。

在式（7-2）中，令Uc为常数，Tem为变量，n=f（Tem）是机械特性；若令Tem为常数，Uc为变量，n=f（Uc）是调节特性，如图7-2（b）所示，也是直线，所以调节特性的线性度也很好。

当转速为零时，对应不同的电磁转矩可得到不同的起动电压Uc。当电枢电压小于起动电压时，伺服电动机将不能起动。在式（7-2）中令n=0能方便地计算出起动电压Uc0为

一般把调节特性图上横坐标从零到起动电压这一范围称为失灵区。在失灵区以内，即使电枢有外加电压，电动机也转不起来。显而易见，失灵区的大小与负载转矩成正比，负载转矩越大，失灵区也越大。

直流伺服电动机的优点是起动转矩大、机械特性和调节特性的线性度好、调速范围大。其缺点是电刷和换向器之间的火花会产生无线电干扰信号，维修比较困难。