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三、直流伺服電動機及其速度控制

以直流伺服電動機作為驅動元件的伺服系統即為直流伺服系統。直流伺服電動機具有良好的調速性能，尤其是他勵(永磁)直流伺服電動機，其機械特性比較硬，即負載增加時，電動機轉速的降幅很小。

(一)直流伺服電動機

1.直流主軸電動機。直流主軸電動機的結構與普通直流電動機的結構基本相同。

定子也有主磁極和換向磁極，采用矽鋼片疊成。(1)在主磁極上繞有補償繞組，其作用是為了抵消轉子反應磁動勢對氣隙主磁通的影響，改善電動機的調速性能。(2)換向磁極的作用是為了改善電動機的換向性能。(3)直流主軸電動機都采用軸向強迫通風冷卻或熱管冷卻，以改善冷卻效果，避免電動機熱量傳到主軸。(4)電動機尾部還同軸安裝有測速發電機作為速度反饋元件。

圖5-19　直流主軸電動機特性曲線

在基本速度nj以下為恒轉矩范圍，在基本速度nj以上為恒功率范圍。通常恒轉矩速度范圍與恒功率速度范圍之比為1:2。

2.進給直流伺服電動機。在數控機床的直流進給伺服驅動系統中，多采用永磁直流伺服電動機作為驅動元件。

(1)永磁直流伺服電動機由電動機本體和檢測部件組成。電動機本體主要由機殼、定子磁極和轉子三部分組成。

永磁直流伺服電動機的定子磁極是一個永磁體。不需要勵磁功率。在同樣的輸出功率時體積和重量較小。

反饋用的檢測部件同軸安裝在電動機的尾部(非軸伸出端)。

(2)永磁直流伺服電動機的轉子分為小慣量型和普通型兩類。

ⅰ)小慣量型轉子又可分無槽轉子、空心杯形轉子和印刷繞組轉子。三種小慣量型轉子直流伺服電動機的共同特點是轉子慣量小，適合于快速響應的伺服系統。但其過載能力低，當用于數控機床等進給伺服系統中時，由于轉子慣量與機械傳動系統匹配較差，電動機與機械傳動系統不能直接相連，必須采取一些措施。

ⅱ)普通型轉子永磁直流伺服電動機的特點：

①低速時輸出的轉矩大，慣量比較大，能與機械傳動系統直接相連，省去齒輪等傳動機構，從而有利于減小機械振動和噪聲，以及齒隙誤差。

②轉子的熱容量大，電動機的過載性能好，一般能加倍過載幾十分鐘。

③調速范圍寬，當與高性能速度控制單元組成速度控制系統時，調速范圍可達1:1000以上。

④轉子慣量比較大，為了滿足快速響應的要求，需要加大電源容量。

⑤轉子溫升高(電動機允許溫升可達1500 C～1800 C)可通過轉軸傳到機械上去，這會影響精密機械的精度。

3.工作曲線：

(1)伺服電動機的工作區域被溫度極限線、轉速極限線、換向極限線、轉矩極限線以及瞬時換向極限線劃分成三個區域：

Ⅰ 區為連續工作區，在該區域內轉矩和轉速的任意組合都可以長時間連續工作。

Ⅱ 區為斷續工作區，在該區域內電動機只能按允許的工作時間和斷電時間間歇工作。

Ⅲ 區為加速和減速區，在該區域內電動機只能作加速或減速，工作極短的時間。

(2)選擇進給伺服電動機時，一定要滿足以下條件：

機床空載運行時，應在特性曲線的連續工作區;

加減速過程應在加減速區;

頻繁起動、制動以及周期變化的負載，必須檢查一個周期內轉矩的均方根值，并應小于電動機的連續額定轉矩;

最大負載轉矩、加載周期以及過載時間都應在特性曲線允許的范圍以內。

(二)直流伺服電動機的速度控制方法

1.直流主軸電動機的速度控制方法

他勵式直流主軸電動機的電磁轉矩為T=CΦIa

其中，勵磁磁通Φ和轉子回路電流Ia是相互獨立的，可以分別進行調節，從而得到良好的靜態和動態轉矩控制特性。

直流主軸電動機的調速系統為雙域調速系統，由轉子繞組控制回路和磁場控制回路兩部分組成。

在轉子繞組控制回路中，通過改變轉子繞組電壓(即外加電壓)調速，適于基本速度以下的恒轉矩范圍。

在磁場控制回路中，通過改變勵磁電流If (即改變磁通φ)調速，為恒功率調速，適于基本速度以上的恒功率范圍。

2.永磁直流伺服電動機的速度控制。用于數控機床進給伺服系統中的永磁直流伺服電動機多采用改變外加電壓的調速方法。這是因為這種調速方法具有恒轉矩調速特性、機械特性好、經濟性能好等特點。

常采用的調速系統有兩種，即晶閘管調速系統和晶體管脈寬調制調速系統。

【例題16•單選題】與普通型轉子直流伺服電動機相比，小慣量型轉子直流伺服電動機( )。

A.能與機械傳動系統直接相連

B.過載能力不高

C.轉子熱容量大

D.通過加大電源容量可以得到好的快速響應特性

答案：B

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（責任編輯：中大編輯）

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