DC伺服电机基本类型分类及DC伺服电机特性分析

伺服电机可以精确控制速度和位置，并将电压信号转换成扭矩和转速来驱动被控对象。伺服电机转子速度由输入信号控制，并能快速响应。在自动控制系统中，它作为执行机构，具有机电时间常数小、线性度高、启动电压低等特点。它可以将接收到的电信号转换成电机轴上的角位移或角速度并输出。它分为两类：DC伺服电机和交流伺服电机。它的主要特点是信号电压为零时，没有旋转现象，转速随着扭矩的增加而匀速下降。

　　直流伺服电动机的基本类型

DC伺服电机有两种，电磁的和永磁的，但大多数都是永磁的。其良好的控制性能主要得益于其特殊的转子结构。根据不同的结构，有几种类型的DC伺服电机。

　　（1）普通电枢直流伺服电动机

该伺服电机的结构与动力DC电机基本相同。即电磁或永磁定子，转子由开槽铁芯和嵌入槽中的电枢绕组组成。但是电枢的长度和直径都比较大，也就是转子又细又长。大中型DC伺服电机一般都是这种结构，产品容量从几瓦到几百瓦甚至几千瓦不等。同时，由于这种转子结构，它具有很强的负载能力和很大的堵转扭矩，因此对于大负载的伺服系统特别实用。但由于转子结构复杂、体积大，电机的机械惯性(时间常数)大，低速运行稳定性差，控制死区大。

　　（2）盘形电枢直流伺服电动机

这台电机的定子是永磁体。其转子为圆盘结构(即长径比小于1)，电枢分为线绕式(线绕式)和印刷电路式(印刷电路式)。电机结构简单，体积小，转子重量轻，所以转子的机械惯性小(通常模型的机械时间常数小于30)，但堵转力矩小。绕盘式电机容量可达几千瓦，而印刷盘式电机容量较小。

　　（3）空心杯电枢直流伺服电动机

电机转子以空心杯状结构为骨架，电枢绕组放置(或印刷)在杯壁上。电枢绕组可以是绕线绕组或印刷绕组。定子是永磁型的。这种伺服电机以其最小的机械惯性、高控制灵敏度、几乎没有控制死区而闻名，并且其体积可以做得非常小，重量轻。但是堵转力矩小，目前还不能做得很大，所以是微型伺服电机。

　　（4）无槽电枢直流伺服电动机

无槽电枢DC伺服电机与普通电枢DC伺服电机的唯一区别是其转子铁芯没有开槽，电枢绕组用固定胶粘在电枢表面。这种伺服电机负载能力大，堵转力矩大，电机容量大，低速稳定性好。

　　（5）直流伺服齿轮减速电动机

该伺服电机是一台微型DC电机和一套高精度齿轮减速器。DC伺服电机的输出速度由减速机构减速。所以这种电机最大的特点是可以输出极低的速度(低至每分钟十分之几转)，低速运转非常平稳。特别适合低速大扭矩系统。

　　（6）直流力矩电动机

DC力矩电机是一种低速大力矩的伺服电机。它可以直接拖动负载，实现低速大扭矩稳定运行，无需中间减速机构，甚至可以锁定旋转工作，无爬行现象，稳速精度高。所以特别适合那些经常低速使用，负载能力要求相当大的场合。DC力矩电机的结构与普通电枢DC伺服电机相同。它的定子有大量的主磁极(通常是6个。8极)，一般做成水平组织，电枢长径比一般只有0.2左右(即外观为圆盘状)。它有两种结构：内置型和分体封装型。内置电机由制造商像通用电机一样组装成一个整体。定子、转子和电刷与工厂分开，使用时在现场组装。转子直接套在负载轴上，外壳可根据需要选择。

　　直流伺服电动机的特性分析

电枢电压控制的DC伺服电机电枢等效电路如图1所示。

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　　当电动机处于稳态运行时，回路中的电流Ia保持不变，则电枢回路中的电压平衡方程式为

　　Ea=Ua-IaRa? （6-1）

　　式中，Ea是电枢反电动势； Ua是电枢电压；Ia是电枢电流；Ra是电枢电阻。

　　转子在磁场中以角速度ω切割磁力线时，电枢反电动势Ea与角速度ω之间存在如下关系：

　　Ea=CeΦω （6-2）

　　式中，Ce是电动势常数，仅与电动机结构有关；Φ是定子磁场中每极的气隙磁通量。

　　由式（6-1）、式（6-2）得

　　Ua-IaRa=CeΦω（6-3）

　　此外，电枢电流切割磁场磁力线所产生的电磁转矩Tm可由下式表达：

　　Tm=CmΦIa

　　则 Tm=CmΦIn

　　式中，Cm是转矩常数，仅与电动机结构有关。

　　将式（6-4）代入式（6-3）并整理，可得到直流伺服电动机运行特性的一般表达式

　　由此可以得出空载（ Tm＝0，转子惯量忽略不计）和电机启动（ω＝0）时的电机特性：

　　（1）当Tm＝0时，有

　　（2）当ω＝0时，有

　　式中，Td称为启动瞬时转矩，其值也与电枢电压成正比。?

　　如果把角速度ω看作是电磁转矩Tm的函数，即ω=f（Tm），则可得到直流伺服电动机的机械特性表达式为

　　如果把角速度ω看作是电枢电压Ua的函数，即ω=f（Ua），则可得到直流伺服电动机的调节特性表达式

　　根据式（6-8）和式（6-9），给定不同的Ua值和Tm值，可分别绘出直流伺服电动机的机械特性曲线和调节特性曲线如图2、图3所示。

　　由图2可见，直流伺服电动机的机械特性是一组斜率相同的直线簇。每条机械特性和一种电枢电压相对应，与ω轴的交点是该电枢电压下的理想空载角速度，与Tm轴的交点则是该电枢电压下的启动转矩。

　　由图3可见，直流伺服电动机的调节特性也是一组斜率相同的直线簇。每条调节特性和一种电磁转矩相对应，与Ua轴的交点是启动时的电枢电压。?

　　从图中还可看出，调节特性的斜率为正，说明在一定的负载下，电动机转速随电枢电压的增加而增加；而机械特性的斜率为负，说明在电枢电压不变时，电动机转速随负载转矩增加而降低。

　　影响直流伺服电动机特性的因素

　　对直流伺服电动机特性的分析是在理想条件下进行的，实际上电动机的驱动电路、电动机内部的摩擦及负载的变动等因素都对直流伺服电动机的特性有着不容忽略的影响。

　　（ 1 ）驱动电路对机械特性的影响

　　直流伺服电动机是由驱动电路供电的，假设驱动电路的内阻是Ri，加在电枢绕组两端的控制电压是Uc，则可画出如图1所示的电枢等效回路。在这个电枢等效回路中，电压平衡方程式为

　　Ea=Uc-Ia（Ra+Ri） （6-10）

　　于是在考虑了驱动电路的影响后，直流伺服电动机的机械特性表达式变成

　　由于驱动电路内阻Ri的存在而使机械特性曲线变陡了，图1给出了驱动电路内阻影响下的机械特性。

　　如果直流伺服电动机的机械特性较平缓，则当负载转矩变化时，相应的转速变化较小，这时称直流伺服电动机的机械特性较硬。反之，如果机械特性较陡，当负载转矩变化时，相应的转速变化就较大，则称其机械特性较软。显然，机械特性越硬，电动机的负载能力越强；机械特性越软，负载能力越低。毫无疑问，对直流伺服电动机应用来说，其机械特性越硬越好。由图1可知，由于功放电路内阻的存在而使电动机的机械特性变软了，这种影响是不利的，因而在设计直流伺服电动机功放电路时，应设法减小其内阻。

　　（2） 直流伺服电动机内部的摩擦对调节特性的影响

　　由图1可知，直流伺服电动机在理想空载时（即Tm1=0），其调节特性曲线从原点开始。但实际上直流伺服电动机内部存在摩擦（如转子与轴承间的摩擦等），直流伺服电动机在启动时需要克服一定的摩擦转矩，因此启动时电枢电压不可能为零。这个不为零的电压称为启动电压，用Ub表示，如图2所示。

　　（3） 负载变化对调节特性的影响

　　由式（6-5）知，在负载转矩TL不变的条件下，直流伺服电动机角速度与电枢电压成线性关系。但在实际伺服系统中，经常会遇到负载随转速变动的情况，如粘性摩擦阻力是随转速增加而增加的，数控机床切削加工过程中的切削力也是随进给速度变化而变化的。这时由于负载的变动将导致调节特性的非线性，如图2所示。可见，由于负载变动的影响，当电枢电压Ua增加时，直流伺服电动机角速度ω的变化率越来越小，这一点在变负载控制时应格外注意。