浅谈如何提高直流伺服电动机的伺服性

引言

随着科学技术的发展,自动控制系统的应用越来越广泛,而在自动控制系统中,需要将特殊的控制电机用作执行元件或信号元件来传递变换自动控制系统中的信号。直流伺服电动机是一种特殊用途的直流电动机,也叫做执行电动机,虽然基本结构与普通的直流电动机无异,但能够把外界输入的电压信号转变为内部机械上的角位移或者角速度,因此广泛应用于自动控制系统中。

1直流伺服电动机的控制方式

由直流伺服电动机的工作原理可知,直流伺服电动机在电压信号和磁场的共同作用下才能工作[1],因此,可以从磁场的角度和信号控制的角度将其分类。

直流伺服电动机在磁场角度的分类有两种:永磁式直流伺服电动机和电磁式直流伺服电动机,前者通过永久磁铁来提供磁场,后者通过包裹的磁绕组作用产生电磁铁从而形成磁场。

由于转子上的电枢绕组和定子上的励磁绕组都可由电压信号来控制,因此,在控制方式上可将直流伺服电动机做成由电枢控制的直流伺服电动机和由磁场控制的直流伺服电动机。由电枢控制的直流伺服电动机,能够通过改变输入的电压信号Ua来影响电枢绕组上电流的产生,配合定子产生的磁场即可产生力矩旋转。由磁场控制的直流伺服电动机,通过改变电压信号Uf来控制励磁绕组中的磁场产生,使得接通电流的导体能够随信号的产生而旋转。

在电枢控制中,特性曲线是一组平行线,控制特性的线性度高:但在磁场控制中,由于磁通和电流的关系o=f(I)是非线性的,且空载损耗要比电枢控制的空载损耗大,只适用于小功率电机的运行。因此,在自动控制系统中采用电枢控制的直流伺服电动机较多,很少采用磁场控制的直流伺服电动机。

2直流伺服电动机的运行

直流伺服电动机的内部结构包括定子、转子、电刷和换向器等。以电枢控制的直流伺服电动机为例,假设在转子中,导体上输入的电压信号Ua使导体上产生了电流Ia,由于电磁感应原理,导体在定子产生的磁场中受到了力的作用,产生了转矩T和转速n,电动机转动:反之,当输入的电压信号Ua=0时,转子中的导体中未产生电流Ia,因此在定子磁场的作用下没有产生转矩T和转速n,电动机无法转动。

直流伺服电动机旋转的运行流程图如图1所示。

因此,在电压信号的作用下,直流伺服电动机在输出一定转矩的同时,其转速也能准确地达到输入信号所指定的数值。

3直流伺服电动机的突出特性(以电枢控制为例)

假设电枢绕组上的控制电压为Ua,励磁电压Uf为常数不变,在理想情况下,忽略电枢反应的情况,可以得到电枢控制的直流伺服电动机机械特性的表达式为:

式中,Ce为电动势常数:CT为转矩常数:小为每级磁通:n0为理想空载转速:8为特性斜率,等于小2。

在控制电压Ua不同的情况下,机械特性曲线是一组向下倾斜的平行线,当Ua的大小恒定时,转矩T越大,转速n越低,在理想情况下呈正比关系,如图2所示。

在转矩T不同的情况下,调节特性曲线同样为一组平行线,转速n同样也与控制电压Ua呈正比关系,控制电压Ua越大,转速n也越大,如图3所示。

由电枢电动势公式Ua=Ce小n0可以得到代入到机械特性公式中可得:

通过该公式,结合机械特性曲线和调节特性曲线可得,当启动转矩T=0时,Ua>0时n也大于0。当启动转矩T=T1>0时,若Ua=U1,此时恰好,使得转速n恰好等于0,继续增大Ua大于U1时转速n>0,电机转动。当启动转矩T=T2>T1时,若Ua<U2,电机将无法转动,若Ua=U2,此时恰好,使得电机到达启动的临界点,当Ua持续增大,转速n大于0,电机开始旋转。

由此可见,当T=0时,只要Ua>0,则n>0,当T=T1或T=T2时,只有当Ua>Ua1或Ua>Ua2时才有n>0,因此,我们把T=T'时能使的启动电压Ua'称为始动电压,而在0~Ua'的电压区间内称为失灵区。因此,在结合机械特性和调节特性分析后可以得出,在保证输出转矩不变的情况下,要提高直流伺服电动机的伺服性,就需要减小空载转矩,从而使启动电压降低。

4结语

本文通过对直流伺服电动机的简单介绍,说明了伺服电动机能够受电压信号控制,通过结合机械特性和调节特性的研究,解释了直流伺服电动机的始动电压和失灵区。为了在自动控制系统中提高直流伺服电动机的伺服可靠性,需要降低直流伺服电动机的启动电压,因此要减小直流伺服电动机的空载转矩。