精越伺服：直流力矩電動機的選型

　　在我國直流力矩電動機從20世紀60年代開始研制，70年代得到迅速發展，現已廣泛用于國防現代化和工業自動化等部門。其應用有：慣性導航的穩定平臺，單軸和多軸天線，望遠鏡的驅動，星機跟蹤系統的光學裝置驅動，航空照相機驅動，磁帶驅動裝置，存儲器磁鼓的驅動，潛艇潛望鏡的驅動，陪螺測試臺的驅動，空間裝置中太陽能電池的方同驅動，拉絲機的恒張力驅動，數控機床驅動，精密焊接驅動裝置，X-Y記錄儀的驅動，連續織品傳送，儀表驅動等。直流力矩電動機特別適用于要求系統所占的空間尺寸質量輕、輸入功率小、動態性能要求高的場合。還特別適用于具有很高的位置精度、速度精度、較寬的調速范圍和低速無爬行的伺服系統。
 

　　直流力矩電動機現在在我國已形成了符合我國國情的產品系列。我國不僅具備鑄造永磁合金的產品的能力，而且正在健全鐵氧體及稀土永磁的產品系列，推出了電機外徑從φ36～φ320mm的數十種規格的商品化產品.可供選用。可以根據需要的技術指標并按照產品樣本提供的數據選用適合的產
 

　　品。對于有特殊要求的產品，也可經雙方協商，由廠方研制供貨。
 

　　(一)選型要素
 

　　直流力矩電動機的選用總的考慮是根據系統裝置的結構、空間位置大小，選用適合的電動機的結構型式、安裝方式的產品；根據系統裝置的使用環境條件及特殊要求，選擇能適應在此條件下可靠使用的產品；根據系統裝置的技術參數要求，選擇能滿足此要求的電動機的技術參數的產品。在實際
 

　　使用選型中著重考慮的是直流力矩電動機的技術參數，因為它對保證系統穩定運行起著重要的影響作用，也就成了選型的重要選用要素。
 

　　(1)峰值堵轉轉矩。直流力矩電動機受永磁材料去磁限制的輸入電流時，所獲得的有效轉矩，單位為N·m。
 

　　(2)峰值堵轉電壓。電動機產生峰值堵轉轉矩時加于電樞兩端的電壓，單位為v。
 

　　(3)峰值堵轉電流。電動機產生峰值堵轉轉矩時的電樞電流，單位為A。
 

　　(4)峰值堵轉控制功率。電動機產生峰值堵轉轉矩時的控制功率，單位為w。
 

　　5)連續堵轉轉矩。電動機在連續堵轉時，其穩定溫升不超過允許值所能輸出的堵轉轉矩，單位為N·m。
 

　　(6)連續堵轉電壓。電動機產生連續堵轉轉矩時加于電樞兩端的電壓，單位為v。
 

　　(7)連續堵轉電流。電動機產生連續堵轉轉矩時的電樞電流，單位為A。
 

　　(8)連續堵轉控制功率。電動機產生連續堵轉轉矩時的控制功率，單位為w。
 

　　(9)轉矩波動系數。轉子在1周范圍內，電動機輸出轉矩的值與最小值之差對其值與最小值之和之比，用百分比表示。在產品標準中規定轉矩波動系數：對36～70機座號產品不超過10%90～160機座號產品不超過7%，200～320機座號產品不超過5%。國外的*水平已高達1.1%。直流力矩電動機輸出轉矩波動是在一恒定輸入電流下.由于多種原因所造成的力矩靈敏度的變化。通常用波動中各個諧波分量的頻率和振幅來表示其特征。
 

　　轉矩波動的大小是表征力矩電動機性能優劣的一個重要指標，也是力矩電動機能否用于直接驅動系統保證低速穩定運行的重要因素之一。造成轉矩波動的因素很多，諸如電磁參數的匹配，結構設計、使用材料的選擇，加工精度的等級等等，這在電動機設計時已采取了許多措施。工業上也正日益重視降低這些影響波動的因素，以求進一步提高直接驅動系統的性能水平。
 

　　(10)空載轉速。直流力矩電動機在空載時加以峰值堵轉電壓所達到的穩定轉速。同時，正、反轉速差應不大于空載轉速規定值的5%，單位為r/min. 正確選擇空載轉速n0很有必要，從電動機的特性和伺服系統的實用需要來看，希望電動機的空載轉速n0越小越好。因為n0下降可使用電動機時間常數減小和單位功率產生的轉矩增加 ，也可使電電源的功率減小，質量減輕。但是空載轉速n0的下降勢必引起電動機總尺寸和質量的增加.或在L×D(長度×直徑)乘積一定時可能產生槽內放不下繞組的問題。反之，空載轉速n0提高，不僅引起電動機特性變壞，而且還可能出現電動機發熱。所以必須從運用這種電動機所組成的控制系統的性能、整體質量、體積以及經濟性全盤考慮-權衡利弊，正確選擇電動機的空載轉速n0
 

　　(11)提高電動機靜態和動態指標。直流力矩電動機的轉矩特性正比于輸入電流.而與速度及角位置無關。這在電動機的電磁和結構設計時即予以考慮 同時對時間常數的降低、共振頻率的提高、阻尼系數的減小等問題也是在電動機設計時已經關注的目標，以使電動機在直接驅動系統中產生的理論加速度和提高系統的運仃精度。
 

　　對于轉矩電流特性的線性度，我國的標準電是按電動機直徑的大小而分組規定。外徑在÷36～~70mm、+90～~160mm和和φ200~320mm范圍的電動機，其轉矩一電流特性線性度分別為7%、5%和3%。產品的指標可達1%。
 

　　(12)射頻干擾。當直流力矩電動機的電樞旋轉時，電樞繞組元件從一條支路經電刷底下進入另一條支路時，該元件中的電流從一方向變換為另一方向，在這個換向過程中，會產生自感電動勢。在一定條件下，自感電動勢在電刷下會產生電火花引起干擾。雖然通過精心設計·直流力矩電動機電刷的干擾可減小到****限度，并且經常可以忽略不計。但是，火花瞬變過程可能偶爾進入敏感的控制線路和其他電路，而產生不良后果。
 

　　要防止這種干擾，就要消除射頻干擾的傳播途徑。在直流力矩電動機應用中，射頻干擾傳播特別重要的方式是：①沿功率放大器與電動機之間導線傳播；②干擾源導線與附近的導線之間的電容耦合；③導線之間的電感耦臺傳播到附近的測速發電機導線上。因為測速發電機導線末端接至前置放大器的輸入端，所以僅有幾微伏的電壓就足以干擾系統工作。
 

　　的方法是使電樞導線與測速發電機導線分開。如果這種方法不能充分地減弱干擾，或者不能分開電纜，則建議測速發電機導線采用屏蔽扭絞二線電纜，并使其連接前置放大器的末端良好接地。在某些情況下，電樞導線也可以采用屏蔽的接地電纜。
 

　　在消除電刷=F擾時，最重要的是系統接地必須是連續的，即前置放大器、放大器和電纜端部都應共同接地。在某些情況下，需將匯流條分開接地。還有一種簡單的方法也可以減弱電刷的干擾，即在電刷架上裝一個電容器。這個電容器跨接在輸入引線之間。
 

　　(二)使用注意事項
 

　　(1)峰值轉矩是指直流力矩電動機受磁鋼去磁條件限制的堵轉轉矩。在短時間內電動機電流允許超過連續堵轉電流·但不能超過峰值電流，否則磁鋼會去磁，使電動機的轉矩下降。一旦磁鋼磁，電動機需要重新充磁后才能正常使用。
 

　　(2)轉子從定子中取出時，定子要用磁短路環保磁，否則會引起磁鋼
 

　　退磁
 

　　(3)直流力矩電動機也可以作測速發電機使用，但要選用適當的電刷。，以減少由于電刷和換向器接觸電阻的變化而引起輸出電壓的波動
 

　　(三)常用伺服系統
 

　　直流力矩電動機可應用于開環和閉環兩種伺服系統，但主要用于閉環伺服系統。
 

　　開環伺服系統是系統無反饋、檢測等環節，直流力矩電動機直接驅動負載，由給定電樞電壓進行控制的系統。這種用法稱之為開環運行，如圖
 

　　3—2一9所示。
 

　　這時，電動機雖然受給定電壓控制運行.但由于無檢測裝置，運行情況不得而知。這種運行情況受電動機本身的轉矩波動和負載的外來干擾轉矩影響較大，以致談不上性能精度，而且轉速也只有在每分鐘幾十轉以上才能比較平滑地運行，幾乎沒有可能正常運行于IR/min以下，這種情況只有在某些要求不高的場合，為了去掉減速機構而采用。有時在某些場合有意識地利用轉矩電動機有較軟的機械特性這一點而采用開環運行，見囤3-2-10。在某些薄帶或長條的產品傳送中，例如：經過拉制以后的維尼綸絲的卷繞、造紙機的紙張卷繞、印染織物的傳送等，在工藝流程的末端采用力矩電動機驅動滾筒，按照所需負載轉矩及運行速度給電動機施加一適當的電壓并附有電源過載保護裝置。當運行速度超過正常速度時，由于負載轉矩減小，力矩電動機加速運轉，直到與傳送速度同步叉恢復正常運行。當某些原因造成傳送速度減慢或停止時，電動機的電流隨著負載加大而增加.在張力加大到接近薄帶斷裂負載時.則過載保護起作用。
 

　　直流力矩電動機主要用于由位置、速度檢測反饋、比較、放大等環節組成的閉環控制的位置和速度伺服系統，以滿足位置、速度精度等項指標要求。典型的應用框圖見圖3-2-11.
 

　　這是一個誤差控制系統。當作為位置伺服系統時，由手柄或其他機械傳動帶動輸入位置轉換器給定一所需的角位置，并將其轉換成給定電信訊號-EQ1,經前置放大及電壓放大推動功率放大級，以便得到所需功率的電流。
 

　　功率放大級的輸出加至力矩電動機使其帶動負載旋轉，裝于同軸的輸出位置轉換器檢測出負載轉角并轉換成與轉角相應的電訊號，反饋回去與給定值比較，得到位置瀑差電壓Eε=EQ1-EQ2再將此誤差電壓Eε放大，繼續控制電動機帶動負載和輸出位置轉換器轉動。此時隨著負載角位置的增大，輸出位置轉換器所轉換出的電壓EQ2成比例的增高，使誤差電壓逐漸減小。此控制過程一直持續到負載轉到與給定角位置相同(即Eε=EQ1-EQ2=0)時則才結束。此后，若給定值再改變一個角度.則系統又經過一系列的控制過程，使負載跟隨著轉動到新的角度。這種負載迅速隨著給定角位置變化而跟隨轉動的系統通常稱為位置伺服系統。
 

　　這個控制過程是在瞬間完成的。從廣義上講，這個瞬時變化的時間即所謂系統過渡過程時間或時間常數，它與轉矩/慣量比即理論加速度等直接有關。如果過渡過程慢，而給定位置隨機變化速度很快時(如雷達的某些跟蹤情況)，則系統因跟不上而存在一個隨機跟蹤誤差，即反映出系統的動態性能不好。圖3 2 11中幾個校正環節都是為了提高系統動態性能指標而設置的。
 

　　速度伺服系統是使輸出軸按給定參考電壓，建立某一速度下的旋轉，系統的指標由輸出速度精度來確定。速度伺服系統由力矩電動機、伺服放大器前置放大器、功率放大器)參考電壓或指令信號源和直流測速發電機組成，如圖3-3—12所示。圖中，直流測速發電機提供一個與輸出軸速度成比的反饋信號，參考電壓與測速機輸出信號之差為誤差信號，誤差信號經放大后激勵力矩電動機以驅動負載。
 

　　從上述的使用情況可知，為了達到應有的性能指標，直流力矩電動機和高靈敏度直流測速發電機在與負載聯接時一般要求盡可能不適用聯軸節而將全部結構件裝于同一剛性軸上，軸徑在可能條件下以較粗為好，以提高耦合剮度消除聯接問隙和彈性變形等因素對靜、動態指標的影啊。電機定子的安裝需采用接觸面積較大的非導磁金屬.并使其同定于熱容量較大的整機內，以減少捅磁的影響和降低電機溫升。而定、轉子安裝的不同軸度一般要求在0.02mm左右。