控制电机 第章 直流伺服电动机.pptVIP

第3章 直流伺服电动机 3.1 直流电动机的工作原理 直流电动机的基本结构和直流测速发电机相同， 所不同的是电动机的输入为电压信号， 输出为转速信号。 下面分析直流电动机的工作原理。 为简明起见，仍采用具有4个槽的两极电机模型, 如图2-3。在A、B两电刷间加直流电压时，电流便从B刷流入，A刷流出。N极下导体中的电流流出纸面， 用⊙表示；S极下导体中的电流流入纸面， 用 表示， 见图 3 - 1。 根据电磁学基本知识可知，载流导体在磁场中要受到电磁力的作用。如果导体在磁场中的长度为l, 其中流过的电流为i，导体所在处的磁通密度为B， 那末导体受到的电磁力的值为 F=Bli (3- 1) 式中， F的单位为牛顿(N)； B的单位为韦伯/米2(Wb/m2); l的单位为米(m); i的单位为安培(A)； 力F的方向用左手定则来确定。 据此，作出图3-1中N、S极下各根导体所受电磁力的方向，如图中箭头所示。电磁力对转轴形成顺时针方向的转矩，驱动转子而使其旋转。由于每个磁极下元件中电流方向不变， 故此转矩方向恒定， 称为直流电动机的电磁转矩。如果电机轴上带有负载，它便输出机械能，可见直流电动机是一种将电能转换成机械能的电气装置。 可见直流电机是可逆的，它根据不同的外界条件而处于不同的运行状态。当外力作用使其旋转，输入机械能时，电机处于发电机状态，输出电能；当在电刷两端施加电压输入电能时，电机处于电动机状态，带动负载旋转输出机械能。事实上， 发电机、电动机中所发生的物理现象在本质上是一致的。 3.2 电磁转矩和转矩平衡方程式 3.2.1 电磁转矩 式(3 - 1)写出了磁极下一根载流导体所受到的电磁力。 此力作用在电枢外圆的切线方向， 产生的转矩为 式中，l为导体在磁场中的长度，取电枢铁心长度；Bx为导体所在处的气隙磁通密度；ia为导体的电流；D为电枢直径。 假设空气隙中平均磁通密度为Bp，电枢绕组总的导体数为N，则电机转子所受到的总转矩为 经过推导，当Φ不变时， 电磁转矩可写成 T=CTΦIa 式中，KT=CTΦ, 称为转矩系数， ，对已制成的电机而言，它是一个常数。若每极磁通Φ的单位为Wb，电枢电流Ia的单位为A时，则电磁转矩T的单位为N·m。 CT与Ce有如下关系： 3.2.2 电动机转矩平衡方程式 当电动机带着负载匀速旋转时，其输出转矩必定与负载转矩相等，但电动机的输出转矩是否就是电磁转矩呢? 不是的。因为电机本身的机械摩擦(例如轴承的摩擦、电刷和换向器的摩擦等)和电枢铁心中的涡流、磁滞损耗都要引起阻转矩，此阻转矩用T0表示。 这样，电动机的输出转矩T2便等于电磁转矩T减去电机本身的阻转矩T0。所以，当电机克服负载阻转矩TL匀速旋转时， 则有 T2=T-T0=TL (3 - 5) 式(3 - 5)表明， 当电机稳态运行时， 其输出转矩的大小由负载阻转矩决定。 或者说， 当输出转矩等于负载阻转矩时， 电机达到匀速旋转的稳定状态。 式(3 - 5)称为电动机的稳态转矩平衡方程式。 把电机本身的阻转矩和负载的阻转矩合在一起叫做总阻转矩Ts， 即 Ts=T0+TL 则转矩平衡方程式可写成 T=Ts (3-6) 它表示在稳态运行时， 电动机的电磁转矩和电动机轴上的总阻转矩相互平衡。 实际上， 电动机经常运行在转速变化的情况下， 例如启动、 停转或反转等， 因此必须讨论转速改变时的转矩平衡关系。 当电机的转速改变时， 由于电机及负载具有转动惯量， 将产生惯性转矩Tj, 其中，J是负载和电动机转动部分的转动惯量; Ω是电动机的角速度； 是电动机的角加速度。这时，电动机轴上的转矩平衡方程式为 3.2.3 发电机的电磁转矩 图3-2是直流电机作为发电机运行的示意图。假定在外转矩T1的作用下，电机按顺时针方向旋转，此时电枢导体感应电势e的方向如图所示( 或⊙)。当电刷两端接上负载后，导体中便有电流ia流过