精越伺服：直流力矩電動(dòng)機(jī)的選型

　　在我國直流力矩電動(dòng)機(jī)從20世紀(jì)60年代開始研制，70年代得到迅速發(fā)展，現(xiàn)已廣泛用于國防現(xiàn)代化和工業(yè)自動(dòng)化等部門。其應(yīng)用有：慣性導(dǎo)航的穩(wěn)定平臺(tái)，單軸和多軸天線，望遠(yuǎn)鏡的驅(qū)動(dòng)，星機(jī)跟蹤系統(tǒng)的光學(xué)裝置驅(qū)動(dòng)，航空照相機(jī)驅(qū)動(dòng)，磁帶驅(qū)動(dòng)裝置，存儲(chǔ)器磁鼓的驅(qū)動(dòng)，潛艇潛望鏡的驅(qū)動(dòng)，陪螺測試臺(tái)的驅(qū)動(dòng)，空間裝置中太陽能電池的方同驅(qū)動(dòng)，拉絲機(jī)的恒張力驅(qū)動(dòng)，數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)，精密焊接驅(qū)動(dòng)裝置，X-Y記錄儀的驅(qū)動(dòng)，連續(xù)織品傳送，儀表驅(qū)動(dòng)等。直流力矩電動(dòng)機(jī)特別適用于要求系統(tǒng)所占的空間尺寸質(zhì)量輕、輸入功率小、動(dòng)態(tài)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(diào)速范圍和低速無爬行的伺服系統(tǒng)。
 

　　直流力矩電動(dòng)機(jī)現(xiàn)在在我國已形成了符合我國國情的產(chǎn)品系列。我國不僅具備鑄造永磁合金的產(chǎn)品的能力，而且正在健全鐵氧體及稀土永磁的產(chǎn)品系列，推出了電機(jī)外徑從φ36～φ320mm的數(shù)十種規(guī)格的商品化產(chǎn)品.可供選用?？梢愿鶕?jù)需要的技術(shù)指標(biāo)并按照產(chǎn)品樣本提供的數(shù)據(jù)選用適合的產(chǎn)
 

　　品。對(duì)于有特殊要求的產(chǎn)品，也可經(jīng)雙方協(xié)商，由廠方研制供貨。
 

　　(一)選型要素
 

　　直流力矩電動(dòng)機(jī)的選用總的考慮是根據(jù)系統(tǒng)裝置的結(jié)構(gòu)、空間位置大小，選用適合的電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)型式、安裝方式的產(chǎn)品；根據(jù)系統(tǒng)裝置的使用環(huán)境條件及特殊要求，選擇能適應(yīng)在此條件下可靠使用的產(chǎn)品；根據(jù)系統(tǒng)裝置的技術(shù)參數(shù)要求，選擇能滿足此要求的電動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)的產(chǎn)品。在實(shí)際
 

　　使用選型中著重考慮的是直流力矩電動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)，因?yàn)樗鼘?duì)保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。直流力矩電動(dòng)機(jī)受永磁材料去磁限制的輸入電流時(shí)，所獲得的有效轉(zhuǎn)矩，單位為N·m。
 

　　(2)峰值堵轉(zhuǎn)電壓。電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩時(shí)加于電樞兩端的電壓，單位為v。
 

　　(3)峰值堵轉(zhuǎn)電流。電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩時(shí)的電樞電流，單位為A。
 

　　(4)峰值堵轉(zhuǎn)控制功率。電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩時(shí)的控制功率，單位為w。
 

　　5)連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)在連續(xù)堵轉(zhuǎn)時(shí)，其穩(wěn)定溫升不超過允許值所能輸出的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，單位為N·m。
 

　　(6)連續(xù)堵轉(zhuǎn)電壓。電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩時(shí)加于電樞兩端的電壓，單位為v。
 

　　(7)連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流。電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩時(shí)的電樞電流，單位為A。
 

　　(8)連續(xù)堵轉(zhuǎn)控制功率。電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩時(shí)的控制功率，單位為w。
 

　　(9)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)。轉(zhuǎn)子在1周范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的值與最小值之差對(duì)其值與最小值之和之比，用百分比表示。在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)：對(duì)36～70機(jī)座號(hào)產(chǎn)品不超過10%90～160機(jī)座號(hào)產(chǎn)品不超過7%，200～320機(jī)座號(hào)產(chǎn)品不超過5%。國外的*水平已高達(dá)1.1%。直流力矩電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)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(dòng)中各個(gè)諧波分量的頻率和振幅來表示其特征。
 

　　轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的大小是表征力矩電動(dòng)機(jī)性能優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)，也是力矩電動(dòng)機(jī)能否用于直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)保證低速穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一。造成轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的因素很多，諸如電磁參數(shù)的匹配，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使用材料的選擇，加工精度的等級(jí)等等，這在電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)已采取了許多措施。工業(yè)上也正日益重視降低這些影響波動(dòng)的因素，以求進(jìn)一步提高直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能水平。
 

　　(10)空載轉(zhuǎn)速。直流力矩電動(dòng)機(jī)在空載時(shí)加以峰值堵轉(zhuǎn)電壓所達(dá)到的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。同時(shí)，正、反轉(zhuǎn)速差應(yīng)不大于空載轉(zhuǎn)速規(guī)定值的5%，單位為r/min. 正確選擇空載轉(zhuǎn)速n0很有必要，從電動(dòng)機(jī)的特性和伺服系統(tǒng)的實(shí)用需要來看，希望電動(dòng)機(jī)的空載轉(zhuǎn)速n0越小越好。因?yàn)閚0下降可使用電動(dòng)機(jī)時(shí)間常數(shù)減小和單位功率產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩增加 ，也可使電電源的功率減小，質(zhì)量減輕。但是空載轉(zhuǎn)速n0的下降勢必引起電動(dòng)機(jī)總尺寸和質(zhì)量的增加.或在L×D(長度×直徑)乘積一定時(shí)可能產(chǎn)生槽內(nèi)放不下繞組的問題。反之，空載轉(zhuǎn)速n0提高，不僅引起電動(dòng)機(jī)特性變壞，而且還可能出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)發(fā)熱。所以必須從運(yùn)用這種電動(dòng)機(jī)所組成的控制系統(tǒng)的性能、整體質(zhì)量、體積以及經(jīng)濟(jì)性全盤考慮-權(quán)衡利弊，正確選擇電動(dòng)機(jī)的空載轉(zhuǎn)速n0
 

　　(11)提高電動(dòng)機(jī)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。直流力矩電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性正比于輸入電流.而與速度及角位置無關(guān)。這在電動(dòng)機(jī)的電磁和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)即予以考慮 同時(shí)對(duì)時(shí)間常數(shù)的降低、共振頻率的提高、阻尼系數(shù)的減小等問題也是在電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)關(guān)注的目標(biāo)，以使電動(dòng)機(jī)在直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中產(chǎn)生的理論加速度和提高系統(tǒng)的運(yùn)仃精度。
 

　　對(duì)于轉(zhuǎn)矩電流特性的線性度，我國的標(biāo)準(zhǔn)電是按電動(dòng)機(jī)直徑的大小而分組規(guī)定。外徑在÷36～~70mm、+90～~160mm和和φ200~320mm范圍的電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)矩一電流特性線性度分別為7%、5%和3%。產(chǎn)品的指標(biāo)可達(dá)1%。
 

　　(12)射頻干擾。當(dāng)直流力矩電動(dòng)機(jī)的電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組元件從一條支路經(jīng)電刷底下進(jìn)入另一條支路時(shí)，該元件中的電流從一方向變換為另一方向，在這個(gè)換向過程中，會(huì)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢。在一定條件下，自感電動(dòng)勢在電刷下會(huì)產(chǎn)生電火花引起干擾。雖然通過精心設(shè)計(jì)·直流力矩電動(dòng)機(jī)電刷的干擾可減小到****限度，并且經(jīng)?？梢院雎圆挥?jì)。但是，火花瞬變過程可能偶爾進(jìn)入敏感的控制線路和其他電路，而產(chǎn)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(dòng)機(jī)應(yīng)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(dòng)機(jī)之間導(dǎo)線傳播；②干擾源導(dǎo)線與附近的導(dǎo)線之間的電容耦合；③導(dǎo)線之間的電感耦臺(tái)傳播到附近的測速發(fā)電機(jī)導(dǎo)線上。因?yàn)闇y速發(fā)電機(jī)導(dǎo)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(tǒng)工作。
 

　　的方法是使電樞導(dǎo)線與測速發(fā)電機(jī)導(dǎo)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(fā)電機(jī)導(dǎo)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(dǎo)線也可以采用屏蔽的接地電纜。
 

　　在消除電刷=F擾時(shí)，最重要的是系統(tǒng)接地必須是連續(xù)的，即前置放大器、放大器和電纜端部都應(yīng)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(gè)電容器。這個(gè)電容器跨接在輸入引線之間。
 

　　(二)使用注意事項(xiàng)
 

　　(1)峰值轉(zhuǎn)矩是指直流力矩電動(dòng)機(jī)受磁鋼去磁條件限制的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。在短時(shí)間內(nèi)電動(dòng)機(jī)電流允許超過連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流·但不能超過峰值電流，否則磁鋼會(huì)去磁，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩下降。一旦磁鋼磁，電動(dòng)機(jī)需要重新充磁后才能正常使用。
 

　　(2)轉(zhuǎn)子從定子中取出時(shí)，定子要用磁短路環(huán)保磁，否則會(huì)引起磁鋼
 

　　退磁
 

　　(3)直流力矩電動(dòng)機(jī)也可以作測速發(fā)電機(jī)使用，但要選用適當(dāng)?shù)碾娝?。，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(dòng)
 

　　(三)常用伺服系統(tǒng)
 

　　直流力矩電動(dòng)機(jī)可應(yīng)用于開環(huán)和閉環(huán)兩種伺服系統(tǒng)，但主要用于閉環(huán)伺服系統(tǒng)。
 

　　開環(huán)伺服系統(tǒng)是系統(tǒng)無反饋、檢測等環(huán)節(jié)，直流力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，由給定電樞電壓進(jìn)行控制的系統(tǒng)。這種用法稱之為開環(huán)運(yùn)行，如圖
 

　　3—2一9所示。
 

　　這時(shí)，電動(dòng)機(jī)雖然受給定電壓控制運(yùn)行.但由于無檢測裝置，運(yùn)行情況不得而知。這種運(yùn)行情況受電動(dòng)機(jī)本身的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和負(fù)載的外來干擾轉(zhuǎn)矩影響較大，以致談不上性能精度，而且轉(zhuǎn)速也只有在每分鐘幾十轉(zhuǎn)以上才能比較平滑地運(yùn)行，幾乎沒有可能正常運(yùn)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(jī)構(gòu)而采用。有時(shí)在某些場合有意識(shí)地利用轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)有較軟的機(jī)械特性這一點(diǎn)而采用開環(huán)運(yùn)行，見囤3-2-10。在某些薄帶或長條的產(chǎn)品傳送中，例如：經(jīng)過拉制以后的維尼綸絲的卷繞、造紙機(jī)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒，按照所需負(fù)載轉(zhuǎn)矩及運(yùn)行速度給電動(dòng)機(jī)施加一適當(dāng)?shù)碾妷翰⒏接须娫催^載保護(hù)裝置。當(dāng)運(yùn)行速度超過正常速度時(shí)，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小，力矩電動(dòng)機(jī)加速運(yùn)轉(zhuǎn)，直到與傳送速度同步叉恢復(fù)正常運(yùn)行。當(dāng)某些原因造成傳送速度減慢或停止時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電流隨著負(fù)載加大而增加.在張力加大到接近薄帶斷裂負(fù)載時(shí).則過載保護(hù)起作用。
 

　　直流力矩電動(dòng)機(jī)主要用于由位置、速度檢測反饋、比較、放大等環(huán)節(jié)組成的閉環(huán)控制的位置和速度伺服系統(tǒng)，以滿足位置、速度精度等項(xiàng)指標(biāo)要求。典型的應(yīng)用框圖見圖3-2-11.
 

　　這是一個(gè)誤差控制系統(tǒng)。當(dāng)作為位置伺服系統(tǒng)時(shí)，由手柄或其他機(jī)械傳動(dòng)帶動(dòng)輸入位置轉(zhuǎn)換器給定一所需的角位置，并將其轉(zhuǎn)換成給定電信訊號(hào)-EQ1,經(jīng)前置放大及電壓放大推動(dòng)功率放大級(jí)，以便得到所需功率的電流。
 

　　功率放大級(jí)的輸出加至力矩電動(dòng)機(jī)使其帶動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)，裝于同軸的輸出位置轉(zhuǎn)換器檢測出負(fù)載轉(zhuǎn)角并轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)角相應(yīng)的電訊號(hào)，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(xù)控制電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)負(fù)載和輸出位置轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)隨著負(fù)載角位置的增大，輸出位置轉(zhuǎn)換器所轉(zhuǎn)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(xù)到負(fù)載轉(zhuǎn)到與給定角位置相同(即Eε=EQ1-EQ2=0)時(shí)則才結(jié)束。此后，若給定值再改變一個(gè)角度.則系統(tǒng)又經(jīng)過一系列的控制過程，使負(fù)載跟隨著轉(zhuǎn)動(dòng)到新的角度。這種負(fù)載迅速隨著給定角位置變化而跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)的系統(tǒng)通常稱為位置伺服系統(tǒng)。
 

　　這個(gè)控制過程是在瞬間完成的。從廣義上講，這個(gè)瞬時(shí)變化的時(shí)間即所謂系統(tǒng)過渡過程時(shí)間或時(shí)間常數(shù)，它與轉(zhuǎn)矩/慣量比即理論加速度等直接有關(guān)。如果過渡過程慢，而給定位置隨機(jī)變化速度很快時(shí)(如雷達(dá)的某些跟蹤情況)，則系統(tǒng)因跟不上而存在一個(gè)隨機(jī)跟蹤誤差，即反映出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不好。圖3 2 11中幾個(gè)校正環(huán)節(jié)都是為了提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)而設(shè)置的。
 

　　速度伺服系統(tǒng)是使輸出軸按給定參考電壓，建立某一速度下的旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)的指標(biāo)由輸出速度精度來確定。速度伺服系統(tǒng)由力矩電動(dòng)機(jī)、伺服放大器前置放大器、功率放大器)參考電壓或指令信號(hào)源和直流測速發(fā)電機(jī)組成，如圖3-3—12所示。圖中，直流測速發(fā)電機(jī)提供一個(gè)與輸出軸速度成比的反饋信號(hào)，參考電壓與測速機(jī)輸出信號(hào)之差為誤差信號(hào)，誤差信號(hào)經(jīng)放大后激勵(lì)力矩電動(dòng)機(jī)以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。
 

　　從上述的使用情況可知，為了達(dá)到應(yīng)有的性能指標(biāo)，直流力矩電動(dòng)機(jī)和高靈敏度直流測速發(fā)電機(jī)在與負(fù)載聯(lián)接時(shí)一般要求盡可能不適用聯(lián)軸節(jié)而將全部結(jié)構(gòu)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(lián)接問隙和彈性變形等因素對(duì)靜、動(dòng)態(tài)指標(biāo)的影啊。電機(jī)定子的安裝需采用接觸面積較大的非導(dǎo)磁金屬.并使其同定于熱容量較大的整機(jī)內(nèi)，以減少捅磁的影響和降低電機(jī)溫升。而定、轉(zhuǎn)子安裝的不同軸度一般要求在0.02mm左右。