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三、直流伺服电动机及其速度控制

以直流伺服电动机作为驱动元件的伺服系统即为直流伺服系统。直流伺服电动机具有良好的调速性能，尤其是他励(永磁)直流伺服电动机，其机械特性比较硬，即负载增加时，电动机转速的降幅很小。

(一)直流伺服电动机

1.直流主轴电动机。直流主轴电动机的结构与普通直流电动机的结构基本相同。

定子也有主磁极和换向磁极，采用矽钢片叠成。(1)在主磁极上绕有补偿绕组，其作用是为了抵消转子反应磁动势对气隙主磁通的影响，改善电动机的调速性能。(2)换向磁极的作用是为了改善电动机的换向性能。(3)直流主轴电动机都采用轴向强迫通风冷却或热管冷却，以改善冷却效果，避免电动机热量传到主轴。(4)电动机尾部还同轴安装有测速发电机作为速度反馈元件。

图5-19　直流主轴电动机特性曲线

在基本速度nj以下为恒转矩范围，在基本速度nj以上为恒功率范围。通常恒转矩速度范围与恒功率速度范围之比为1:2。

2.进给直流伺服电动机。在数控机床的直流进给伺服驱动系统中，多采用永磁直流伺服电动机作为驱动元件。

(1)永磁直流伺服电动机由电动机本体和检测部件组成。电动机本体主要由机壳、定子磁极和转子三部分组成。

永磁直流伺服电动机的定子磁极是一个永磁体。不需要励磁功率。在同样的输出功率时体积和重量较小。

反馈用的检测部件同轴安装在电动机的尾部(非轴伸出端)。

(2)永磁直流伺服电动机的转子分为小惯量型和普通型两类。

ⅰ)小惯量型转子又可分无槽转子、空心杯形转子和印刷绕组转子。三种小惯量型转子直流伺服电动机的共同特点是转子惯量小，适合于快速响应的伺服系统。但其过载能力低，当用于数控机床等进给伺服系统中时，由于转子惯量与机械传动系统匹配较差，电动机与机械传动系统不能直接相连，必须采取一些措施。

ⅱ)普通型转子永磁直流伺服电动机的特点：

①低速时输出的转矩大，惯量比较大，能与机械传动系统直接相连，省去齿轮等传动机构，从而有利于减小机械振动和噪声，以及齿隙误差。

②转子的热容量大，电动机的过载性能好，一般能加倍过载几十分钟。

③调速范围宽，当与高性能速度控制单元组成速度控制系统时，调速范围可达1:1000以上。

④转子惯量比较大，为了满足快速响应的要求，需要加大电源容量。

⑤转子温升高(电动机允许温升可达1500 C～1800 C)可通过转轴传到机械上去，这会影响精密机械的精度。

3.工作曲线：

(1)伺服电动机的工作区域被温度极限线、转速极限线、换向极限线、转矩极限线以及瞬时换向极限线划分成三个区域：

Ⅰ 区为连续工作区，在该区域内转矩和转速的任意组合都可以长时间连续工作。

Ⅱ 区为断续工作区，在该区域内电动机只能按允许的工作时间和断电时间间歇工作。

Ⅲ 区为加速和减速区，在该区域内电动机只能作加速或减速，工作极短的时间。

(2)选择进给伺服电动机时，一定要满足以下条件：

机床空载运行时，应在特性曲线的连续工作区;

加减速过程应在加减速区;

频繁起动、制动以及周期变化的负载，必须检查一个周期内转矩的均方根值，并应小于电动机的连续额定转矩;

最大负载转矩、加载周期以及过载时间都应在特性曲线允许的范围以内。

(二)直流伺服电动机的速度控制方法

1.直流主轴电动机的速度控制方法

他励式直流主轴电动机的电磁转矩为T=CΦIa

其中，励磁磁通Φ和转子回路电流Ia是相互独立的，可以分别进行调节，从而得到良好的静态和动态转矩控制特性。

直流主轴电动机的调速系统为双域调速系统，由转子绕组控制回路和磁场控制回路两部分组成。

在转子绕组控制回路中，通过改变转子绕组电压(即外加电压)调速，适于基本速度以下的恒转矩范围。

在磁场控制回路中，通过改变励磁电流If (即改变磁通φ)调速，为恒功率调速，适于基本速度以上的恒功率范围。

2.永磁直流伺服电动机的速度控制。用于数控机床进给伺服系统中的永磁直流伺服电动机多采用改变外加电压的调速方法。这是因为这种调速方法具有恒转矩调速特性、机械特性好、经济性能好等特点。

常采用的调速系统有两种，即晶闸管调速系统和晶体管脉宽调制调速系统。

【例题16•单选题】与普通型转子直流伺服电动机相比，小惯量型转子直流伺服电动机( )。

A.能与机械传动系统直接相连

B.过载能力不高

C.转子热容量大

D.通过加大电源容量可以得到好的快速响应特性

答案：B

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