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三、直流伺服電動(dòng)機(jī)及其速度控制

以直流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件的伺服系統(tǒng)即為直流伺服系統(tǒng)。直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速性能，尤其是他勵(lì)(永磁)直流伺服電動(dòng)機(jī)，其機(jī)械特性比較硬，即負(fù)載增加時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的降幅很小。

(一)直流伺服電動(dòng)機(jī)

1.直流主軸電動(dòng)機(jī)。直流主軸電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與普通直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)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(bǔ)償繞組，其作用是為了抵消轉(zhuǎn)子反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)對(duì)氣隙主磁通的影響，改善電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能。(2)換向磁極的作用是為了改善電動(dòng)機(jī)的換向性能。(3)直流主軸電動(dòng)機(jī)都采用軸向強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻或熱管冷卻，以改善冷卻效果，避免電動(dòng)機(jī)熱量傳到主軸。(4)電動(dòng)機(jī)尾部還同軸安裝有測(cè)速發(fā)電機(jī)作為速度反饋元件。

圖5-19　直流主軸電動(dòng)機(jī)特性曲線

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

2.進(jìn)給直流伺服電動(dòng)機(jī)。在數(shù)控機(jī)床的直流進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，多采用永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件。

(1)永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)機(jī)本體和檢測(cè)部件組成。電動(dòng)機(jī)本體主要由機(jī)殼、定子磁極和轉(zhuǎn)子三部分組成。

永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的定子磁極是一個(gè)永磁體。不需要?jiǎng)?lì)磁功率。在同樣的輸出功率時(shí)體積和重量較小。

反饋用的檢測(cè)部件同軸安裝在電動(dòng)機(jī)的尾部(非軸伸出端)。

(2)永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子分為小慣量型和普通型兩類。

ⅰ)小慣量型轉(zhuǎn)子又可分無(wú)槽轉(zhuǎn)子、空心杯形轉(zhuǎn)子和印刷繞組轉(zhuǎn)子。三種小慣量型轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)的共同特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子慣量小，適合于快速響應(yīng)的伺服系統(tǒng)。但其過(guò)載能力低，當(dāng)用于數(shù)控機(jī)床等進(jìn)給伺服系統(tǒng)中時(shí)，由于轉(zhuǎn)子慣量與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)匹配較差，電動(dòng)機(jī)與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)不能直接相連，必須采取一些措施。

ⅱ)普通型轉(zhuǎn)子永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：

①低速時(shí)輸出的轉(zhuǎn)矩大，慣量比較大，能與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)直接相連，省去齒輪等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而有利于減小機(jī)械振動(dòng)和噪聲，以及齒隙誤差。

②轉(zhuǎn)子的熱容量大，電動(dòng)機(jī)的過(guò)載性能好，一般能加倍過(guò)載幾十分鐘。

③調(diào)速范圍寬，當(dāng)與高性能速度控制單元組成速度控制系統(tǒng)時(shí)，調(diào)速范圍可達(dá)1:1000以上。

④轉(zhuǎn)子慣量比較大，為了滿足快速響應(yīng)的要求，需要加大電源容量。

⑤轉(zhuǎn)子溫升高(電動(dòng)機(jī)允許溫升可達(dá)1500 C～1800 C)可通過(guò)轉(zhuǎn)軸傳到機(jī)械上去，這會(huì)影響精密機(jī)械的精度。

3.工作曲線：

(1)伺服電動(dòng)機(jī)的工作區(qū)域被溫度極限線、轉(zhuǎn)速極限線、換向極限線、轉(zhuǎn)矩極限線以及瞬時(shí)換向極限線劃分成三個(gè)區(qū)域：

Ⅰ 區(qū)為連續(xù)工作區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的任意組合都可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作。

Ⅱ 區(qū)為斷續(xù)工作區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)電動(dòng)機(jī)只能按允許的工作時(shí)間和斷電時(shí)間間歇工作。

Ⅲ 區(qū)為加速和減速區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)電動(dòng)機(jī)只能作加速或減速，工作極短的時(shí)間。

(2)選擇進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)時(shí)，一定要滿足以下條件：

機(jī)床空載運(yùn)行時(shí)，應(yīng)在特性曲線的連續(xù)工作區(qū);

加減速過(guò)程應(yīng)在加減速區(qū);

頻繁起動(dòng)、制動(dòng)以及周期變化的負(fù)載，必須檢查一個(gè)周期內(nèi)轉(zhuǎn)矩的均方根值，并應(yīng)小于電動(dòng)機(jī)的連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩;

最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩、加載周期以及過(guò)載時(shí)間都應(yīng)在特性曲線允許的范圍以內(nèi)。

(二)直流伺服電動(dòng)機(jī)的速度控制方法

1.直流主軸電動(dòng)機(jī)的速度控制方法

他勵(lì)式直流主軸電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為T=CΦIa

其中，勵(lì)磁磁通Φ和轉(zhuǎn)子回路電流Ia是相互獨(dú)立的，可以分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而得到良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制特性。

直流主軸電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)為雙域調(diào)速系統(tǒng)，由轉(zhuǎn)子繞組控制回路和磁場(chǎng)控制回路兩部分組成。

在轉(zhuǎn)子繞組控制回路中，通過(guò)改變轉(zhuǎn)子繞組電壓(即外加電壓)調(diào)速，適于基本速度以下的恒轉(zhuǎn)矩范圍。

在磁場(chǎng)控制回路中，通過(guò)改變勵(lì)磁電流If (即改變磁通φ)調(diào)速，為恒功率調(diào)速，適于基本速度以上的恒功率范圍。

2.永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的速度控制。用于數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中的永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)多采用改變外加電壓的調(diào)速方法。這是因?yàn)檫@種調(diào)速方法具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性、機(jī)械特性好、經(jīng)濟(jì)性能好等特點(diǎn)。

常采用的調(diào)速系統(tǒng)有兩種，即晶閘管調(diào)速系統(tǒng)和晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)。

【例題16•單選題】與普通型轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)相比，小慣量型轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)( )。

A.能與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)直接相連

B.過(guò)載能力不高

C.轉(zhuǎn)子熱容量大

D.通過(guò)加大電源容量可以得到好的快速響應(yīng)特性

答案：B

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