《直流伺服電機》課件

直流伺服電機直流伺服電機是一種用于控制位置、速度和扭矩的電機。它通常用于工業(yè)自動化和機器人領(lǐng)域。課程大綱緒論介紹直流伺服電機的定義、特點、應(yīng)用領(lǐng)域等基本概念。直流伺服電機結(jié)構(gòu)深入探討直流伺服電機的結(jié)構(gòu)組成，包括轉(zhuǎn)子、定子、勵磁系統(tǒng)和傳感器等部分。直流伺服電機的工作原理解釋直流伺服電機的工作原理，包括電動勢方程、轉(zhuǎn)矩方程和傳動特性等關(guān)鍵要素。直流伺服電機的驅(qū)動控制介紹直流伺服電機的驅(qū)動控制技術(shù)，涵蓋開環(huán)控制、閉環(huán)控制和脈寬調(diào)制等重要內(nèi)容。緒論本課程將深入探討直流伺服電機的工作原理、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用領(lǐng)域以及驅(qū)動控制技術(shù)，為學(xué)生提供全面的知識體系。1.1直流伺服電機的定義電機直流伺服電機是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為機械能的電氣設(shè)備。控制它可接受控制信號并輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和位置等控制量。精度伺服系統(tǒng)用于精確控制運動，在工業(yè)自動化、機器人等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。1.2直流伺服電機的特點11.高精度直流伺服電機具有高精度，可實現(xiàn)精確的控制，廣泛應(yīng)用于精密加工和自動化設(shè)備。22.高響應(yīng)速度直流伺服電機能快速響應(yīng)控制指令，適用于需要快速響應(yīng)的場合，例如機器人和數(shù)控機床。33.高效率直流伺服電機具有較高的效率，可有效地將電能轉(zhuǎn)化為機械能，節(jié)約能源。44.易于控制直流伺服電機的控制系統(tǒng)相對簡單，易于設(shè)計和實現(xiàn)，便于控制和調(diào)節(jié)。1.3直流伺服電機的應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)自動化直流伺服電機廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域，如數(shù)控機床、機器人、自動化生產(chǎn)線等。它們提供精確的控制和高速響應(yīng)，使自動化設(shè)備能夠更高效地完成任務(wù)。航空航天直流伺服電機還應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，例如飛機的襟翼和方向舵控制、衛(wèi)星的姿態(tài)控制等。它們在苛刻的環(huán)境中提供可靠性和高性能。醫(yī)療設(shè)備直流伺服電機在醫(yī)療設(shè)備中也有著重要的應(yīng)用，如手術(shù)機器人、醫(yī)療影像設(shè)備等。它們提供精確的運動控制，確保醫(yī)療設(shè)備的安全性和可靠性。2.直流伺服電機的結(jié)構(gòu)直流伺服電機由轉(zhuǎn)子、定子、勵磁系統(tǒng)、傳感器等組成。轉(zhuǎn)子是電機旋轉(zhuǎn)的部分，定子是固定不動的部分。勵磁系統(tǒng)用于產(chǎn)生磁場，傳感器用于檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度。2.1轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子是直流伺服電機的心臟，它包含一個磁性軸承，用于支撐旋轉(zhuǎn)軸，并防止電機過熱。繞組設(shè)計轉(zhuǎn)子上繞有線圈，稱為轉(zhuǎn)子繞組，當(dāng)電流通過繞組時，它會產(chǎn)生一個磁場，與定子磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。葉片設(shè)計轉(zhuǎn)子的葉片形狀和尺寸取決于電機的應(yīng)用，它們的設(shè)計旨在優(yōu)化氣流，提高電機效率，并減少噪聲。2.2定子定子繞組定子繞組是由導(dǎo)線繞制而成，用來產(chǎn)生磁場。磁極定子繞組產(chǎn)生磁場，形成磁極，與轉(zhuǎn)子磁極相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。定子鐵芯定子鐵芯由疊壓的硅鋼片構(gòu)成，用來引導(dǎo)磁場，減小磁阻。2.3勵磁系統(tǒng)勵磁方式直流伺服電機常用的勵磁方式有兩種：獨立勵磁和并勵。獨立勵磁系統(tǒng)使用獨立電源為電樞提供勵磁電流，并勵系統(tǒng)將勵磁繞組與電樞串聯(lián)。勵磁繞組勵磁繞組由絕緣銅線繞制，并固定在定子上。勵磁繞組的匝數(shù)和電流決定了磁場的強度，從而影響電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。勵磁電流勵磁電流由勵磁電源提供，通過調(diào)節(jié)勵磁電流可以控制磁場強度。勵磁電流可以通過電阻、電感等元件進行調(diào)節(jié)，以滿足不同負載的需求。2.4傳感器位置傳感器用于精確測量電機轉(zhuǎn)軸位置，提供反饋信號，實現(xiàn)閉環(huán)控制。速度傳感器用于檢測電機轉(zhuǎn)速，用于速度控制和閉環(huán)系統(tǒng)。溫度傳感器監(jiān)測電機工作溫度，防止過熱，確保安全運行。扭矩傳感器測量電機輸出扭矩，監(jiān)控負載情況，提高效率。3.直流伺服電機的工作原理直流伺服電機通過電磁感應(yīng)原理工作，將電能轉(zhuǎn)換為機械能。電機內(nèi)部的磁場與電流相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。3.1電動勢方程電動勢E=kωk電機的電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)ω電機轉(zhuǎn)子角速度電動勢方程描述了直流伺服電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與電機轉(zhuǎn)子角速度的關(guān)系。感應(yīng)電動勢的大小與電機的電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)和轉(zhuǎn)子角速度成正比。3.2轉(zhuǎn)矩方程直流伺服電機的轉(zhuǎn)矩是由定子磁場和轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生的。轉(zhuǎn)矩方程描述了轉(zhuǎn)矩與電流、磁場強度和電機結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。TT電機轉(zhuǎn)矩（牛米）KK電機轉(zhuǎn)矩常數(shù)II轉(zhuǎn)子電流（安培）ΦΦ磁場強度（韋伯）3.3傳動特性直流伺服電機的傳動特性是指電機速度和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。一般來說，速度越高，轉(zhuǎn)矩越低。4.直流伺服電機的驅(qū)動控制直流伺服電機的驅(qū)動控制是實現(xiàn)電機精準運動的關(guān)鍵，通過控制電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，滿足各種應(yīng)用場景的需求。4.1開環(huán)控制11.結(jié)構(gòu)簡單開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，便于實現(xiàn)。22.響應(yīng)速度快無需反饋環(huán)節(jié)，控制指令直接作用于電機，響應(yīng)速度快。33.穩(wěn)定性差不受負載變化影響，難以實現(xiàn)精確控制。44.應(yīng)用范圍窄僅適用于對精度要求不高的場合，例如簡單的電機啟動和停止。4.2閉環(huán)控制反饋信號閉環(huán)控制系統(tǒng)使用傳感器反饋電機速度和位置信息，例如編碼器或霍爾傳感器。誤差信號控制器比較期望值與實際值之間的差異，生成一個誤差信號。控制算法控制器使用控制算法調(diào)整電機驅(qū)動信號，以減小誤差并實現(xiàn)精確控制。4.3脈寬調(diào)制脈沖寬度調(diào)制通過改變脈沖寬度來控制直流伺服電機轉(zhuǎn)速。占空比占空比代表脈沖寬度在整個周期中的比例。PWM信號由一系列脈沖組成的信號，用于控制直流伺服電機的轉(zhuǎn)速。直流伺服電機的性能指標直流伺服電機的性能指標決定其應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用場景。常見的指標包括響應(yīng)速度、轉(zhuǎn)矩恒定性和機械效率等。5.1響應(yīng)速度指標含義上升時間電機從靜止狀態(tài)加速到額定速度所需的時間穩(wěn)定時間電機達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間超調(diào)量電機超過目標速度的百分比5.2轉(zhuǎn)矩恒定性轉(zhuǎn)矩恒定性是指直流伺服電機在運行過程中，輸出轉(zhuǎn)矩保持穩(wěn)定的能力。轉(zhuǎn)矩恒定性越好，電機運行越平穩(wěn)，控制精度越高。5.3機械效率機械效率反映直流伺服電機將電能轉(zhuǎn)換為機械能的效率。電機損耗主要包括銅損、鐵損和機械損耗。85%效率大多數(shù)直流伺服電機的效率在85%以上。10%銅損電流通過電樞繞組產(chǎn)生的熱量損失。5%鐵損定子鐵芯中的磁滯損耗和渦流損耗。5%機械損包括軸承摩擦、風(fēng)阻等。直流伺服電機的應(yīng)用實例直流伺服電機廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、機器人、數(shù)控機床等領(lǐng)域。這些應(yīng)用需要電機提供精確的運動控制，以滿足各種任務(wù)的需求。6.1機械手臂直流伺服電機廣泛應(yīng)用于機械手臂。機械手臂通過直流伺服電機的精準控制，實現(xiàn)精確運動和抓取物體。直流伺服電機為機械手臂提供必要的動力，并通過反饋系統(tǒng)實現(xiàn)精確的控制，確保運動的穩(wěn)定性和可靠性。數(shù)控機床直流伺服電機在數(shù)控機床中扮演著重要角色，用于控制刀具的移動和進給。它們提供精確的定位和高速響應(yīng)，確保數(shù)控機床能夠高精度、高效率地加工各種復(fù)雜零件。6.3機器人機器人廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，例如焊接、噴涂、搬運等。直流伺服電機為機器人提供精準的運動控制，確保機器人動作的穩(wěn)定性和精確性。典型產(chǎn)品及其參數(shù)