直流伺服電機

摘 要：本文闡述了直流伺服電機的工作原理，并對其基本結構、種類和控制方式做了介紹，說明了直流伺服電機的實用性。

關鍵詞：直流伺服電機；工作原理；結構；控制方式；應用

中圖分類號：TM383.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 24-0000-01

伺服電機又稱執行電機，在自動控制系統中作為執行元件。它可以將輸入的電信號轉變為轉軸的角位移或角速度輸出，通過改變控制電信號的大小和極性，可改變電動機的轉速大小和轉向。伺服電機分為直流伺服電機和交流伺服電機兩大類。直流伺服電機的控制電源為直流電壓，根據其功能可分為：普通型直流伺服電機、盤形電樞直流伺服電機、空心杯直流伺服電機和無槽直流伺服電機等幾種。

一、直流伺服電機的結構與工作原理

（一）普通型直流伺服電機

普通型直流伺服電機的結構與他勵直流電機的結構相同，由定子和轉子兩大部分組成。根據勵磁方式又可分為電磁式和永磁式兩種，電磁式伺服電機的定子磁極上裝有勵磁繞組，勵磁繞組接勵磁控制電壓產生磁通；永磁式伺服電機的磁極是永磁鐵，其磁通是不可控的。與普通直流電機相同，直流伺服電機的轉子一般由硅鋼片疊壓而成，轉子外圓有槽，槽內裝有電樞繞組，繞組通過換向器和電刷與外邊電樞控制電路相連接。為提高控制精度和響應速度，伺服電機的電樞鐵心長度與直徑之比比普通直流電機要大，氣隙也較小。

當定子中的勵磁磁通和轉子中的電流相互作用時，就會產生電磁轉矩驅動電樞轉動，恰當地控制轉子中電樞電流的方向和大小，就可以控制伺服電機的轉動方向和轉動速度。電樞電流為零時，伺服電機則停止不動。普通的電磁式和永磁式直流伺服電機性能接近，其慣性較其他類型伺服電機大。

（二）盤形電樞直流伺服電機

盤形電樞直流伺服電機定子由永久磁鐵和前后鐵軛共同組成，磁鐵可以在圓盤電樞的一側，也可在其兩側。盤形伺服電機的轉子電樞由線圈沿轉軸的徑向圓周排列，并用環氧樹脂澆注成圓盤形。盤形繞組中通過的電流是徑向電流，而磁通是軸向的，徑向電流與軸向磁通相互作用產生電磁轉矩，使伺服電機旋轉。

（三）空心杯電樞直流伺服電機

空心杯電樞直流伺服電機有兩個定子，一個由軟磁材料構成的內定子和一個由永磁材料構成的外定子，外定子產生磁通，內定子主要起導磁作用。空心杯伺服電機的轉子，由單個成型線圈沿軸向排列成空心杯形，并用環氧樹脂澆注成型。空心杯電樞直接裝在轉軸上，在內外定子間的氣隙中旋轉。

（四）無槽直流伺服電機

無槽直流伺服電機與普通伺服電機的區別是無槽直流伺服電機的轉子鐵心上不開元件槽，電樞繞組元件直接放置在鐵心的外表面，然后用環氧樹脂澆注成型。

后三種伺服電機與普通伺服電機相比，轉動慣量小，電樞等效電感小，因此其動態特性好，適用于快速系統。

二、直流伺服電機的控制方式

當直流伺服電機勵磁繞組和電樞繞組都通過電流時，直流電動機轉動起來，當其中的一個繞組斷電時，電動機立即停轉，故輸入的控制信號，既可加到勵磁繞組上，也可加到電樞繞組上。若把控制信號加到電樞繞組上，通過改變控制信號的大小和極性來控制轉子轉速的大小和方向，這種方式稱為電樞控制；若把控制信號加到勵磁繞組上進行控制，這種方式稱磁場控制。由于磁場控制有嚴重的缺點（調節特性在某一范圍不是單值函數，每個轉速對應兩個控制信號），使用的場合很少。一般直流伺服電機多采用電樞控制方式。

直流伺服電動機進行電樞控制時，電樞繞組即為控制繞組，控制電壓直接加到電樞繞組上進行控制。而勵磁方式則有兩種：一種用勵磁繞組通過直流電流進行勵磁，稱為電磁式直流伺服電動機；另一種使用永久磁鐵作磁極，省去勵磁繞組，稱為永磁式直流伺服電動機。

三、直流伺服電機的調節特性

調節特性是指在負載轉矩恒定時，電機的轉速與控制電壓的關系。在電磁轉矩為常數時，磁通為常數，轉速與控制電壓為線性關系，轉矩不同時，調節特性是一組平行的直線。當轉矩不變時，控制電壓升高，直流伺服電動機的轉速增加，且呈正比例關系；反之，控制電壓減小，直流伺服電動機的轉速減小，直至電動機停止轉動。從上述分析可知，電樞控制時的直流伺服電動機的調節特性都是線性的，而且不存在“自轉”現象（控制信號消失后，電機仍不停止轉動的現象叫“自轉”現象），在自動控制系統中是一種很好的執行元件。

四、直流伺服電機的應用

直流伺服電機在自動控制系統中作為執行元件，即在輸入控制電壓后，伺服電機能按照控制電壓信號的要求驅動工作機械，伺服電機通常作為隨動系統，遙控和遙測系統主傳動元件。由直流伺服電機組成的伺服系統，通常采用速度控制和位置控制兩種控制方式。

在此系統中，直流測速發電機將電動機的轉速信號轉換成電壓信號與速度給定量比較，其差值經過放大器放大后向伺服電機供電，從而控制電動機的轉速。

直流伺服電機在工業上的應用還很多，如發電廠鍋爐閥門的控制、變壓器有載凋壓定位等。

參考文獻：

[1]楊宗豹.電機及拖動基礎[M].北京：冶金工業出版社，2003.

[2]許曉峰.電機及拖動基礎[M].北京：高等教育出版社，2000.