Детальный анализ серводвигателя постоянного тока

Существует два типа широко используемых серводвигателей: те, которые работают от переменного тока, называются серводвигателями переменного тока, а те, которые работают от постоянного тока, называются серводвигателями постоянного тока. В этой статье представлен только подробный анализ серводвигателей постоянного тока.

Функция серводвигателя заключается в преобразовании сигнала входного напряжения в выходное угловое смещение или угловую скорость на валу. Другими словами, серводвигатель — это управляющий двигатель, скорость и направление которого изменяются в зависимости от размера и направления сигнала входного напряжения. Серводвигатели могут нести определенную нагрузку и выполнять роль исполнительных механизмов в системах автоматического управления, поэтому их еще называют исполнительными двигателями.

 

Требования к производительности серводвигателей в системах автоматического управления можно резюмировать следующим образом.

 

(1) Отсутствие явления самовращения. До поступления управляющего сигнала ротор серводвигателя остается неподвижным; После поступления управляющего сигнала ротор быстро вращается; При исчезновении управляющего сигнала ротор серводвигателя должен немедленно прекратить вращение. Явление продолжения вращения двигателя при нулевом управляющем сигнале называется «самовращением», а устранение самовращения является необходимым условием нормальной работы системы самоконтроля.

(2) Низкое пусковое напряжение холостого хода. При ненагруженном двигателе небольшое управляющее напряжение от стационарного состояния до непрерывной работы ротора независимо от его положения называется пусковым напряжением. Чем меньше пусковое напряжение, тем выше чувствительность двигателя.

(3) Линейность механических и регуляторных характеристик хорошая, можно плавно и стабильно регулировать скорость в широком диапазоне.

(4) Быстрый и отзывчивый. Электромеханическая постоянная времени мала, поэтому серводвигателям требуется небольшой момент инерции.

 

1. Классификация и структура серводвигателей постоянного тока.

 

Серводвигатель постоянного тока — это двигатель постоянного тока специального назначения в системах автоматического управления. Его конструкция принципиально не отличается от обычных двигателей постоянного тока, и он также состоит из двух частей: статора и ротора.

 

Функция статора — создание постоянного магнитного поля, а полюса статора снабжены обмотками возбуждения. В сервосистемах постоянного тока обычно используются электромагнитные серводвигатели постоянного тока и двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. В настоящее время метод электромагнитного возбуждения представляет собой отдельный метод возбуждения, при этом якорь и обмотка возбуждения питаются от двух независимых источников питания.

 

Серводвигатель постоянного тока с постоянным магнитом якоря с полой чашкой состоит из внешнего статора и внутреннего статора, а якорь с полой чашкой вращается в воздушном зазоре между внутренним и внешним статорами. Внешний статор изготовлен из магнитомягкого материала, как и железный сердечник, который оснащен сосредоточенной обмоткой (два полукруглых магнитных полюса изготовлены из магнитов или намагничены на круглой магнитной стали для создания полюсов N и S). Внутренний статор изготовлен из цилиндрического магнитомягкого материала, который служит частью магнитной цепи и позволяет снизить магнитное сопротивление. Якорь представляет собой полый чашеобразный цилиндр из немагнитных материалов (например, пластика), установленный непосредственно на валу двигателя. Обмотка, образованная расположением полых чашек вдоль окружной оси и отверждением их эпоксидной смолой. Питание подается на обмотку якоря через щетки и диверторы. Длина и диаметр сердечника якоря типичного серводвигателя постоянного тока больше, чем у обычного двигателя постоянного тока, с целью уменьшения крутящего момента маховика и улучшения скорости реакции.

 

В последние годы с развитием технологий появились новые разновидности серводвигателей постоянного тока, такие как бесщеточные серводвигатели постоянного тока.

 

2. Принцип работы серводвигателя постоянного тока

 

Принцип работы серводвигателей постоянного тока такой же, как и у обычных небольших двигателей постоянного тока. Для серводвигателя постоянного тока с отдельным возбуждением, если к обмотке возбуждения подается ток возбуждения для создания постоянного магнитного поля, электромагнитный крутящий момент будет генерироваться, когда обмотка якоря проходит через ток, заставляя ротор вращаться. При потере питания одной из обмотки возбуждения или обмотки якоря двигатель немедленно перестает вращаться. Изменяя величину и направление тока возбуждения, можно изменить скорость и направление двигателя в соответствии с требованиями управления серводвигателем. Когда момент нагрузки постоянен, поддержание постоянного напряжения питания якоря и управление скоростью двигателя путем изменения тока возбуждения называется управлением магнитным полем; Поддержание постоянного тока возбуждения и управление скоростью двигателя путем изменения напряжения питания называется управлением якоря. Благодаря идеальным характеристикам и точности последнего, серводвигатели постоянного тока обычно используют управление якорем, которое использует напряжение якоря в качестве напряжения управляющего сигнала, тогда как управление магнитным полем используется только для двигателей малой мощности.

 

Основной принцип работы серводвигателя постоянного тока такой же, как и у обычного двигателя постоянного тока. Когда обмотка возбуждения подключена к постоянному напряжению, обмотка якоря, принимающая сигнал управления, получает сигнал управляющего напряжения. Когда ток течет через обмотку якоря, генерируемый ею магнитный поток взаимодействует с магнитным потоком, генерируемым обмоткой возбуждения, создавая электромагнитный крутящий момент, заставляя якорь вращаться. Изменяя размер сигнала управляющего напряжения, можно изменить скорость двигателя для достижения цели регулирования скорости.

 

При использовании серводвигателей постоянного тока необходимо принять следующие меры предосторожности:

 

① При использовании серводвигателя постоянного тока с электромагнитным управлением якоря сначала следует подключить питание возбуждения, а затем подать напряжение якоря. Во время работы желательно избегать отключения питания обмотки возбуждения, чтобы предотвратить чрезмерный ток якоря и превышение скорости двигателя.

② При выборе различных форм источников питания управления якорем важно оставить соответствующий запас по их мощности.