直流伺服电机讲义

直流伺服电机讲义

2009 年 7 月 28 日

(( 仅供内部学习参考仅供内部学习参考 ))

直流伺服电机的特点 1

直流伺服电机的特点：体积小、重量轻、转速高、机械特性好、响应快速、驱动及控制简单。

直流伺服电机的结构：和一般直流电机结构相同，只是它的容积和体积都较小、是一种微型永磁式直流电机。

直流伺服电机的功能：将电控制信号转换为机械信号，实现位置或转速的控制。

直流伺服电机的特点 2

与交流伺服电机比较，直流伺服电机有以下性能特点：

• 低速平稳；适宜 10,000RPM 以下应用。• 容易控制；• 成本较低。• 电机碳刷寿命和换向电火花局限性。• 功率较小（工业用一般为几瓦 ~ 几百瓦）

直流电机的基本原理 1

右手定则

当导体在磁场中运动而切割磁力线时，该导体中产生感应电动势 e:

e = B ×L× v

B ：磁场的磁通密度；

L ：导体长度；

v ：导体与磁场相对速度。

e 、 B 、 v 之间的方向关系可用右手定则确定。

此为直流发电机原理。


左手定则

当载流导体位于磁场中，导体上受到的电磁力 F:

F = B ×L× i

B ：磁场的磁通密度；

L ：导体长度；

i ：导体中的电流。

F 、 B 、 i 之间的方向关系可用左手定则确定。

此为直流电动机原理。


电机的可逆性原理：任何电机既可以作为发电机运行，也可以电动机运行，发电机和电动机只是一台电机的两种不同运行方式。


电机的实际结构远比上图复杂。为了得到足够大的、均匀的扭矩：在电枢上安装了多个绕组，磁极也往往不止一对。

直流电机主磁路 4 极直流电机磁通密度的分布图

电角度

机械角度


F = B ×L× i T = KT × i

e = B ×L× v e = Ke × n

0

T1

T

T2 T3 T4 T5 T6

许多线圈组成电枢绕组，使电机输出力矩脉动降低。

力矩常数

反电势常数

永磁直流电机的反电动势常数 KE 和转矩常数 KT

1 、永磁直流电机的反电动势常数 KE

只要电机在转动，必然会有线圈切割磁力线，所以会有反电动势产生。对于具体的某型号直流电机，其转动速度越快，则产生的反电动势电压越高。也即反电动势电压与电机转速成正比。反电动势常数 KE 就是用来表示这种比例关系的。 KE =E/N （式中 E 为反电动势 :V ， N 为电机转速 :KRPM ）。例：用对拖的方法带动某电机以 3000RPM 的速度旋转，测得该电机的正负极之间的电压为 30V ，则其 KE 计算方法如下：

KE =E/N=30V/3KRPM=10V/KRPM

2 、永磁直流电机的转矩常数 KT

对于具体的某型号直流电机，通过电机绕组电流越大，则电机轴产生的转矩越大。也即电机的转矩与电机绕组电流成正比。转矩常数 KT 就用来表示电机的转矩与通过电机绕组电流之比。 KT = T / I （式中 T 为转矩 :NM ， I 为电流 :A ）

例：测得某电机轴的输出转矩为 0.35NM ，测得此时的绕组电流为非 5A ，则其 KT 计算方法如下：

KT = T / I =0.35/5=0.07NM/A


永磁直流电机的反电动势常数 KE 和转矩常数 KT 的关系：当以角速度 (1/s) 单位进行计算时：

Ke= w *P*φ/π=Kt 上式中： w— 每极总计算导体数 B— 计算直径柱面上的磁感应强度 P— 极对数 φ— 每极磁通……………… φ=LτB



直流电机的损耗•机械损耗 pm ：轴 vs 轴承摩擦 / 电刷 vs 换向器摩擦 / 通风损耗等。这些损耗主要与转速有关，转速变化不大时，基本为常量。

•铁心损耗 pFe: 电枢铁心中磁场交变，会产生涡流损耗和磁滞损耗。铁耗近似与磁密的平方及转速的 1.2~1.5 次方成正比。

•负载损耗：电枢回路电阻损耗 pa=Ia2Ra; 电刷接触压降损耗

Pb=2ΔUsIa （可变损耗）

•杂散损耗 pΔ: 齿槽引起磁场脉动引起的铁耗，一些机械部件切割磁通产生的铁耗等 pΔ=(0.5~1)%P2 。

直流电机的效率 η=P2/P1 式中： P2 轴的输出功率； P1. 电机的输入电功率。

永磁直流电机机械特性 1

对电机物理模型做以下基本假设：• 电枢磁场不影响励磁磁场大小，即忽略电枢反应的去磁或助磁作用；• 电刷与换向器之间的接触电阻压降用等效电阻取代；• 电机磁路不饱和，电枢电感为常数；• 不考虑换向过程对电路的影响。

永磁直流电机机械特性 2

VI

eR

由： T = KT × I

其中： I = (V – E) / R

E = Ke × n

T 0 kn

TKeK

R

Ke

Vn

T

得：n

0

n0

T

永磁直流电机机械特性曲线

n0’

n0”

V1

V

V2

Tmax

电压 V>V1>V2

永磁直流电机动态特性 1

LTTdt

dC

dt

dJ

2

2

eViRdt

diL

电机转子有质量、轴承有摩擦，所以电机转矩平衡方程为：

电机转矩： T = KT × i

电枢电压方程：

dt

dKee

感应电动势方程：

永磁直流电机动态特性 2

22 2

))(()(

)(

nn

T

T

ss

K

KeKCJsRLs

K

sV

s

LJ

LCKK Ten

RCKK

RL

JCJ

L

Te

2

1

LS+R

1

JS+C

Ke

θ.

-

e

i

-KT

T

TL

V

传递函数：

固有频率：阻尼比：

电磁时间常数：

机电时间常数：

R

Le

C

JM

永磁直流电机重要计算公式的理解和应用

1 、 T = KT × I

2 、 I = (V – E) / R3 、 E = Ke × n4 、

5 、 PO=T × n

6 、 PI=V× I

7 、 η=PO / PI ×100%

eViRdt

diL

位置和速度传感器

1 、光电编码器2 、旋转变压器3 、测速发电机4 、光栅

直流伺服电机术语 1

直流伺服电机术语 2

KT[

第 13项电感 L ： [mH]

例题 :

设一台直流电动机原来的运行情况为 :电动机端电压U=110V,E=90V,R=20Ω,I=1A,N=3000RPM. 如电源电压降低一半 ,而负载转矩不变 ,转速将降低到原来的百分之几 ?

解 :

雷赛直流伺服电机样本雷赛直流伺服电机样本序号参数符

号DCM502

07DCM50207-

03DCM50207-

06DCM502

02DCM5020

5

1 额定电压 (V) E 30.3 30.3 24 24 24

2 额定转矩 (NM) TN 0.35 0.35 0.35 0.15 0.25

3 额定转速（ RPM) NN 2900 2900 2500 3500 3400

4 额定电流 (A) IN 4.8 4.5 5.5 3.8 5.5

5 空载转速（ RPM ） N0 3600 3600 3000 4600 4300

6 空载电流① （ A ） I0 0.45 0.3 0.5 0.45 0.5

7 反电势常数① (V/KRPM) KE 8.42 8.72 7.33 5.0 5.4

8 转矩常数① (NM/A) KT 0.08 0.083 0.07 0.048 0.052

9 直流电阻① （ Ω） R 0.9 0.99 0.81 2.52 0.8

10

绕组电感（ mH ） L 1.32 1.15 0.9 1.5 0.82

11

转子惯量 (KG*mm2) JM 750 680 700 200 450

12

电机重量 (KG) WM 1.43 1.46 1.5 0.63 1.05

　　　　　　　　

电机型号： DCM5027-1000 ( 0809)R=1.2;Ke= 8.43;Kt=0.0805

U(V) I(A) M(Mn) n(rpm) Pa(W) Pi(W) η （ % ）

36 0.25 0 3886 0 9 0

36 1.69 0.1 374439.2041884

860.84

64.43817962

36 2.88 0.2 354774.2827225

1103.68 71.6461444

36 3.8 0.3 3398106.743455

5136.8

78.02884174

36 4.35 0.35 3302121.015706

8156.6

77.27695198

36 4.97 0.4 3195133.821989

5178.92

74.79431563

36 6.09 0.5 3024158.324607

3219.24 72.2152013

36 7.17 0.6 2866180.062827

2258.12

69.75934729

36 8.24 0.7 2710198.638743

5296.64

66.96289895

特性曲线特性曲线

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0 105101520253035404550556065707580859095100

1系列2系列3系列

多谢各位！

下一讲：“直流伺服电机驱动与控制介绍” 待续

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