直流伺服电机调速技术47页PPT

单闭环有静差调速系统
系统的组成及原理 系统的静特性及静态结构图 系统的反馈控制规律 单闭环调速系统的动态特性
由上可知，为满足调速系统的性能指标，在开环系统的基础上，引 入转速负反馈构成单闭环有静差调速系统。
在电动机轴上安装一台测速发电机TG，引出与转速成正比的电压信 号Ufn，以此作为反馈信号与给定电压信号Un比较，所得差值电压 ⊿Un，经放大器产生控制电压Uct，用以控制电动机转速，从而构成 了转速负反馈调速系统，其控制原理图如图4-12所示。
所谓调速，是指在某一负载下，通过改变电 动机或电源参数，来改变机械特性曲线，从而使 电动机转速发生变化或保持不变。即调速包含两 方面，其一、在一定范围内“变速”，如图4-6 所示，当电动机负载不变时，转速可由na变到 nb或nc。其二保持“稳速”，在某一速度下运 行的生产机械受到外界干扰（如负载增加），为 了保证电动机工作速度不受干扰的影响而下降， 需要进行调速，使速度接近或等于原来的转速， 如图4-6中nd即为负载由T1增加至T2后的速度， 与na基本一致。
直流电动机概述
直流电动机的基本结构
直流电动机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便地在宽范 围内实现无级调速，故多采用在对电动机的调速性能要求较高的生 产设备中。
直流电动机的结构如图4-1所示，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，
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。 (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。

构造
图1-11 印制绕组直流伺服电动机 l-后轭铁(端盖)；2-永久磁钢；3-电刷；4-印制绕组；5-机壳；6-前轭铁(端盖)
转子呈薄片圆盘状，厚度一般为(1.5~2) mm，转子的绝缘基片是环氧玻璃 布胶板。胶合在基片两侧的铜箔用印刷电路制成双面电枢绕组，电枢导体还 兼作换向片。定子由永久磁钢和前后盘状轭铁组成，轭铁兼作前后端盖。组 成多极的磁钢胶合在轭铁一侧，在电机中形成轴向的平面气隙。
3.1.1概述
3. 控制系统对伺服电动机的根本要求
宽广的调速范围 机械特性和调节特性均为线性 无“自转〞现象 快速响应。
此外，还要求伺服电动机的控制功率小、重量轻、 体积小等。
3.1.2直流伺服电动机的控制方式和运行特性
控制方式
由
nUa IaRa
Ce
可知，改变电枢电压和改变励磁磁通都可以改变电动机的
构造 杯形电枢绕组是用导线绕在
绕线模上，然后用环氧树脂 定形做成的。杯形转子内外 两侧有内外定子构成磁路。 由于转子内外侧都需要有足 够的气隙，所以气隙大，磁 阻大，磁动势利用率低。
图1-10 杯形转子直流伺服电动机 l-内磁轭；2-电枢绕组；3-永久磁钢；
4-机壳(磁轭)；5-电刷；6-换向器
1.4.2 低惯量直流伺服电动机
1.4.1 直流力矩电动机
为什么做成圆盘状？
由 E a 6 p a 0 n N 6 a ( p 0 ) n 和 N T e 2 p a I a N 2 I a a ( p ) 可 N 知
在电枢电动势Ea Ua
、每极磁通
和导体电流ia
Ia 2a
一样的条件
下，增加导体数N和极对数p，能使转速n降低，电磁转矩Te增大。
由 nC U e a CT eC sR t ，a 2当n=0时，便可求得 Ua Ua0CRt a Ts

Ⅰ
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500
瞬时换向 极限线
Ⅲ
换向极限线
转速极限 线
1000 1500 n/(r/min)
§5.4 直流伺服电动机及速度控制
二、直流伺服电动机的速度控制 常采用两种速度调节系统： 晶闸管调速系统
晶体管脉宽调制调速系统。 1. 晶闸管调速系统
利用晶闸管的单向导电可控性，输出可控制的电压；利用 可控硅整流器提供直流电源；通过改变晶闸管触发角，改变外 加电压，从而达到调速的目的。
12000 10000
瞬时换向 极限线
8000
Ⅲ
6000 Ⅱ
4000 温度极限线 换向极限线
2000
Ⅰ
转速极限 线0Biblioteka 500第8页/共24页
1000 1500 n/(r/min)
§5.4 直流伺服电动机及速度控制
Ⅰ区域为连续工作区, 在该区域中，转矩和转速的任意组合都可
长期连续工作。
Ⅱ区域为断续工作区，在该区域内，电动机只能根据负载周期曲
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§5.4 直流伺服电动机及速度控制
3. 永磁直流伺服电机的工作特性
对于永磁直流伺服电动机，由于其伺服系统的要求，已经不能
简单地用电压、电流、转数等参数描述其性能，而需要用一些特
性曲线对其性能做全面描述。
① 转矩—速度特性曲线 T/(N∙cm)
转矩极限线
从图中可以得出，伺 服电动机的工作区域被 温度极限线、转速极限 线、换向极限线、转矩 极限线以及瞬时换向极 限线划分成三个区域。
均电压大于零，电动机正转。 ➢ 当t1＜T/2时，加在A、B两端的平
均电压小于零，电动机反转。 ➢ 当t1＝T/2时，加在A、B两端的平

直流电机调速的分类
直流电机调速可以分为线性调速和PWM调速两种方式。线性调速是通过改变电 机的输入电压或电流来实现调速的，而PWM调速则是通过改变电机输入电压的 占空比来实现调速的。
PWM调速具有更高的调速精度和更小的电机发热量，因此在许多应用中得到了 广泛的应用。
02
直流电机调速的方法
改变电枢电压调速
总结词
通过改变电枢两端的电压，可以调节直流电机的转速。
详细描述
当电枢两端电压增加时，电机转速相应增加；反之，当电压减小时，电机转速 相应降低。这种方法调速范围广，但需要可调直流电源，控制电路相对复杂。
改变励磁电流调速
总结词
通过改变励磁绕组的电流，可以调节 直流电机的磁场强度，进而调节电机 转速。
详细描述
02
直流电机调速是一种常见的电机 调速方式，具有调速范围广、调 速线性度好、动态响应快等优点 。
直流电机调速的原理
直流电机调速的原理基于直流电机的电磁转矩与电枢电流成 正比的特性。通过改变电枢电流的大小，可以改变电机的输 出转矩，从而调节电机的转速。
另外，直流电机还具有电枢反电动势，它与电枢电流的大小 成正比。改变电机的输入电压或电流，可以改变电机的输入 功率，进一步调节电机的转速。
控制复杂度较高
直流电机调速系统的控制算法相对复 杂，需要专业的技术人员进行维护和 调试。
05
直流电机调速的发展趋势
高性能直流电机调速系统的研究
总结词
随着工业自动化水平的提高，对直流电机调 速系统的性能要求也越来越高，高性能直流 电机调速系统的研究成为重要的发展趋势。
详细描述
为了满足高精度、高动态响应的调速需求， 研究者们不断探索新的控制算法和优化策略 ，以提高直流电机调速系统的调节精度、稳 定性和动态响应能力。

第二章 直流伺服电动机
3.4 直流电动机的使用
3.4.1 直流电动机的启动
启动要求：
①启动时电磁转矩要大，以利于克服启动时阻转矩，包括总
阻转矩
Ts
和惯性转矩J
dΩ dt
。
②启动时电枢电流不要太大，一般把启动电流限制在允许电 流值的 1.5～2 倍以内。
③要求电动机有较小的转动惯量和加速过程中保持足够大的 电磁转矩，以利于缩短启动时间。
第二章 直流伺服电动机
1) 负载为常数时的调节特性
电动机的负载转矩主要是动摩擦转矩TL加上电机本 身的阻转矩T0， 所以电动机的总阻转矩Ts=TL+T0。 在 转速比较低的条件下， 总阻转矩Ts是一个常数。
由式： n Ua TsRa
Ce CeCT 2
表征调节特性两个量
①始动电压——Ua0，是电动机处于待动而未动这种临界状 态时的控制电压。
作为控制信号， 实现电动机的转速控制。
第二章 直流伺服电动机
电枢电压Ua,转速n 以及电磁转矩T 的关系：
Ua
移项后，得到
Cen
TRa
CT
n
Ua Ce
TRa CeCT 2
在稳态时，电动机的电磁转矩与轴上的阻转矩相平衡， 即
T=Ts。所以稳态时，上式可以写成
n
Ua
Ce
Ts Ra
CeCT 2
第二章 直流伺服电动机
第二章 直流伺服电动机
第 3章 直流伺服电动机
3.1 直流电动机 3.2 电磁转矩和转矩平衡方程式 3.4 直流电动机的使用 3.5 直流伺服电动机及其控制方法 3.6 直流伺服电动机的稳态特性 3.9 直流力矩电动机 习题
第二章 直流伺服电动机

电流反馈
功放
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G
M
§6.4 直流伺服电机 （五） 直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统
① 主回路：
大功率晶体管开关放大器； ② 控制回路：功率整流器。
速度调节器；
电流调节器；
固定频率振荡器及三角波发生器；
脉宽调制器和基极驱动电路。
区别：
与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节
2） 脉宽调制器
同向加法放大器电路图 U S r –速度指令转化过
来的直流电压
U△
R1
U Sr
R1
R2
+ +12V
-
R3
USC
U △- 三角波
USC- 脉宽调制器的输
出（ U S r +U △ ）
调制波形图
U △+U S r
U△
+U S r
o
o
t
-12V U △+U S r
t
o
-U S r
t
U SC
电机转速与理想空载转速的差
（6.7）
ω（n） △ω
ωO
O
TL TS T
图6.7 直流电机的机械特性
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§6.4 直流伺服电机 （二）一般直流电机的工作特性
2. 动态特性 直流电机的动态力矩平衡方程式为
TM TL J d
dt
式中
TM ─电机电磁转矩； TL ─ 折算到电机轴上的负载转矩； ω ─ 电机转子角速度； J ─ 电机转子上总转动惯量；
（6.1）
KT —转矩常数； Φ—磁场磁通；Ia —电枢电流；TM —电磁
转矩。电枢回路的电压平衡方程式为:

l 交叉连接（两个独立的交流电源分别供电）
2、无环流可逆线路四象限运行。
22
四象限的状态
• Ⅰ 电机正转，电动运行， VF整流， • Ⅱ电机正转回馈发电制动运行， • VR逆变 • Ⅲ电机反转，电动运行 • VR整流 • Ⅳ电机反转回馈发电制动运行 • VF逆变
23
补充1 晶体管-电动机直流脉宽调速系统 （大功率晶体管）
第一节 概述
一、根据直流电机转速公式
n U I aRa
C e
可知有降电源电压，串电枢回路电阻，
削弱励磁调速三种方式。
P
➢调压调速 恒转矩调速 T 9.55 N
➢弱磁调速 恒功率调速 N
n N
1
1、几种常见的直流传动控制系统
➢ 晶闸管-电动机直流传动控制系统 ➢ 晶体管-电动机直流脉宽调速系统 ➢ 微型计算机控制的直流传动系统 其中晶闸管直流传动使用最为广泛
调速范围很宽）。
5. 适用于中、小容量的调速系统（受最大电压、电流
限制）。
26
补充2： 微型计算机控制的直流传动系统
27
特点：
1. 系统的硬件结构简单（单片机）； 2. 系统的（不同的）控制规律由（容易更改的）软件
实现（配备少量的接口电路）； 3. 运算速度快； 4. 可靠性高； 5. 成本低； 6. 具有保护、诊断和自检功能； 7. 能实现数模混合控制或全数字量控制；
24
25
与晶闸管直流调速系统比较：
1. 主电路所需的功率元件少。
2. 控制线路简单。
3. 频带宽（动态响应速度和稳速精度等性能指标较好）。
如：晶体管脉宽调制（PWM）放大器的开关频率为1kHz~3kHz； 晶闸管三相全控整流桥的开关频率为300Hz。

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71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
直流电动机的调速及优点
56、死去何所道，托体同山阿。 57、春秋多佳日，登高赋新诗。 58、种豆南山下，草盛豆苗稀。晨兴 理荒秽 ，带月 荷锄归 。道狭 草木长 ，夕露 沾我衣 。衣沾 不足惜 ，但使 愿无违 。 59、相见无杂言，但道桑麻长。 60、迢迢新秋夕，亭亭月将圆。
谢谢你的阅读

Ra Ra + R
电 阻 增 大
T
7
三、直流电动机调速方法的特点
直流电动机三种调速方法的特点： 不同的需要，采用不同的调速方式 1.调电枢电压，适合应用在0~基速以下范围内调速。不能达
到电动机的最高转速。 2.在电枢全电压状态，激磁电压，适合应用在基速以上，
弱磁升速。 不能得到电动机的较低转速。 3.在全磁场状态，调电枢电压，电枢全电压之后，弱磁升速。
改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简 称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。变化 时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但 所需电源容量小。 3.电枢回路串电阻调速
电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。 但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎 没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。
• 电枢中串入电阻,使 n 、 n0不变， 即电机的特性曲线变陡(斜率变大)，
在相同力矩下,n。特性曲线如图。
• 电枢回路串电阻调速需在电枢中串入 专用电阻，电阻增大则转速下降，因
n0
n
此 n 只能下调。
• 特点：(1) 设备简单，操作方便。
(2)机械特性软，稳定性差。
(3)能量损耗大，只用于小型直流 机。
4
1.调节电枢供电电压U
5
2.改变电动机主磁通
保持电枢电压U不变，改变励磁电流If (调Rf)以
改变磁通 。
采用减少励磁电流(减弱磁通)的方法调速, 即
Rf If n 改变时的机械特性如图
改变磁通调速的方法： 减小磁通，n只能上调。
nnn000''' n

总结与展望
1
总结
直流伺服电机是先进的运动控制技术，应用广泛。
2
展望
随着科技的发展，直流伺服电机将变得更小巧、更高效。
《直流伺服电机》PPT课 件
让我们一起探索直流伺服电机的基本原理、工作原理、应用领域和优势，以 及组成和结构、控制方式、常见问题和解决方法。
直流伺服电机的基本原理
1 电磁感应
通过电磁感应原理，将电能转化为机械能。
2 磁场控制
利用磁场的控制来调节转速和位置。
3 反馈系统
使用反馈系统实时监测运动状态，保持稳定性和精确性。
直流伺服电机的工作原理
1
输入信号
控制器接收输入信号，指定所需的转速和位置。
2
驱动电路
驱动电路根据输入信号控制电机转动。
3
传感器反馈
传感器实时监测电机运动状态，并将反馈信号发送给控制器。
应用领域和优势
工业自动化
广泛应用于机械臂、自动化生产线等领域，提高生产效率。
机器人技术
为机器人提供高精度、高速度的运动控制，实现复杂任务。
位置控制
根据输入信号，控制电机达 到指定的位置。
速度控制
根据输入信号，控制电机达 到指定的转速。
扭矩控制
根据输入信号，控制电机输 出指定的扭矩。
直流伺服电机的常见问题和解决方法
1 震动和噪音
通过减震措施和减少机械密封度来解决问题。
2 过热
增加散热设备和改善工作环境，提高电机散热效果。
3 寿命短
定期保养和更换磨损部件，延长电机的使用寿命。
航空航天
用于飞机操纵系统、卫星定位等关键应用，确保安全和可靠性。
直流伺服电机的组成和结构
主要组成