引言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展,自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛,而在自動控制系統(tǒng)中,需要將特殊的控制電機用作執(zhí)行元件或信號元件來傳遞變換自動控制系統(tǒng)中的信號。直流伺服電動機是一種特殊用途的直流電動機,也叫做執(zhí)行電動機,雖然基本結(jié)構(gòu)與普通的直流電動機無異,但能夠把外界輸入的電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部機械上的角位移或者角速度,因此廣泛應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)中。

1直流伺服電動機的控制方式

由直流伺服電動機的工作原理可知,直流伺服電動機在電壓信號和磁場的共同作用下才能工作[1],因此,可以從磁場的角度和信號控制的角度將其分類。

直流伺服電動機在磁場角度的分類有兩種:永磁式直流伺服電動機和電磁式直流伺服電動機,前者通過永久磁鐵來提供磁場,后者通過包裹的磁繞組作用產(chǎn)生電磁鐵從而形成磁場。

由于轉(zhuǎn)子上的電樞繞組和定子上的勵磁繞組都可由電壓信號來控制,因此,在控制方式上可將直流伺服電動機做成由電樞控制的直流伺服電動機和由磁場控制的直流伺服電動機。由電樞控制的直流伺服電動機,能夠通過改變輸入的電壓信號Ua來影響電樞繞組上電流的產(chǎn)生,配合定子產(chǎn)生的磁場即可產(chǎn)生力矩旋轉(zhuǎn)。由磁場控制的直流伺服電動機,通過改變電壓信號Uf來控制勵磁繞組中的磁場產(chǎn)生,使得接通電流的導體能夠隨信號的產(chǎn)生而旋轉(zhuǎn)。

在電樞控制中,特性曲線是一組平行線,控制特性的線性度高:但在磁場控制中,由于磁通和電流的關(guān)系o=f(I)是非線性的,且空載損耗要比電樞控制的空載損耗大,只適用于小功率電機的運行。因此,在自動控制系統(tǒng)中采用電樞控制的直流伺服電動機較多,很少采用磁場控制的直流伺服電動機。

2直流伺服電動機的運行

直流伺服電動機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括定子、轉(zhuǎn)子、電刷和換向器等。以電樞控制的直流伺服電動機為例,假設(shè)在轉(zhuǎn)子中,導體上輸入的電壓信號Ua使導體上產(chǎn)生了電流Ia,由于電磁感應(yīng)原理,導體在定子產(chǎn)生的磁場中受到了力的作用,產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩T和轉(zhuǎn)速n,電動機轉(zhuǎn)動:反之,當輸入的電壓信號Ua=0時,轉(zhuǎn)子中的導體中未產(chǎn)生電流Ia,因此在定子磁場的作用下沒有產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩T和轉(zhuǎn)速n,電動機無法轉(zhuǎn)動。

直流伺服電動機旋轉(zhuǎn)的運行流程圖如圖1所示。

因此,在電壓信號的作用下,直流伺服電動機在輸出一定轉(zhuǎn)矩的同時,其轉(zhuǎn)速也能準確地達到輸入信號所指定的數(shù)值。

3直流伺服電動機的突出特性(以電樞控制為例)

假設(shè)電樞繞組上的控制電壓為Ua,勵磁電壓Uf為常數(shù)不變,在理想情況下,忽略電樞反應(yīng)的情況,可以得到電樞控制的直流伺服電動機機械特性的表達式為:

式中,Ce為電動勢常數(shù):CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù):小為每級磁通:n0為理想空載轉(zhuǎn)速:8為特性斜率,等于小2。

在控制電壓Ua不同的情況下,機械特性曲線是一組向下傾斜的平行線,當Ua的大小恒定時,轉(zhuǎn)矩T越大,轉(zhuǎn)速n越低,在理想情況下呈正比關(guān)系,如圖2所示。

在轉(zhuǎn)矩T不同的情況下,調(diào)節(jié)特性曲線同樣為一組平行線,轉(zhuǎn)速n同樣也與控制電壓Ua呈正比關(guān)系,控制電壓Ua越大,轉(zhuǎn)速n也越大,如圖3所示。

由電樞電動勢公式Ua=Ce小n0可以得到代入到機械特性公式中可得:

通過該公式,結(jié)合機械特性曲線和調(diào)節(jié)特性曲線可得,當啟動轉(zhuǎn)矩T=0時,Ua>0時n也大于0。當啟動轉(zhuǎn)矩T=T1>0時,若Ua=U1,此時恰好,使得轉(zhuǎn)速n恰好等于0,繼續(xù)增大Ua大于U1時轉(zhuǎn)速n>0,電機轉(zhuǎn)動。當啟動轉(zhuǎn)矩T=T2>T1時,若Ua<U2,電機將無法轉(zhuǎn)動,若Ua=U2,此時恰好,使得電機到達啟動的臨界點,當Ua持續(xù)增大,轉(zhuǎn)速n大于0,電機開始旋轉(zhuǎn)。

由此可見,當T=0時,只要Ua>0,則n>0,當T=T1或T=T2時,只有當Ua>Ua1或Ua>Ua2時才有n>0,因此,我們把T=T'時能使的啟動電壓Ua'稱為始動電壓,而在0~Ua'的電壓區(qū)間內(nèi)稱為失靈區(qū)。因此,在結(jié)合機械特性和調(diào)節(jié)特性分析后可以得出,在保證輸出轉(zhuǎn)矩不變的情況下,要提高直流伺服電動機的伺服性,就需要減小空載轉(zhuǎn)矩,從而使啟動電壓降低。

4結(jié)語

本文通過對直流伺服電動機的簡單介紹,說明了伺服電動機能夠受電壓信號控制,通過結(jié)合機械特性和調(diào)節(jié)特性的研究,解釋了直流伺服電動機的始動電壓和失靈區(qū)。為了在自動控制系統(tǒng)中提高直流伺服電動機的伺服可靠性,需要降低直流伺服電動機的啟動電壓,因此要減小直流伺服電動機的空載轉(zhuǎn)矩。