精越伺服：直流力矩电动机的选型

在我国直流力矩电动机从20世纪60年代开始研制，70年代得到迅速发展，现已广泛用于国防现代化和工业自动化等部门。其应用有：惯性导航的稳定平台，单轴和多轴天线，望远镜的驱动，星机跟踪系统的光学装置驱动，航空照相机驱动，磁带驱动装置，存储器磁鼓的驱动，潜艇潜望镜的驱动，陪螺测试台的驱动，空间装置中太阳能电池的方同驱动，拉丝机的恒张力驱动，数控机床驱动，精密焊接驱动装置，X-Y记录仪的驱动，连续织品传送，仪表驱动等。直流力矩电动机特别适用于要求系统所占的空间尺寸质量轻、输入功率小、动态性能要求高的场合。还特别适用于具有很高的位置精度、速度精度、较宽的调速范围和低速无爬行的伺服系统。
直流力矩电动机现在在我国已形成了符合我国国情的产品系列。我国不仅具备铸造永磁合金的产品的能力，而且正在健全铁氧体及稀土永磁的产品系列，推出了电机外径从φ36～φ320mm的数十种规格的商品化产品．可供选用。可以根据需要的技术指标并按照产品样本提供的数据选用适合的产
品。对于有特殊要求的产品，也可经双方协商，由厂方研制供货。
(一)选型要素
直流力矩电动机的选用总的考虑是根据系统装置的结构、空间位置大小，选用适合的电动机的结构型式、安装方式的产品；根据系统装置的使用环境条件及特殊要求，选择能适应在此条件下可靠使用的产品；根据系统装置的技术参数要求，选择能满足此要求的电动机的技术参数的产品。在实际
使用选型中着重考虑的是直流力矩电动机的技术参数，因为它对保证系统稳定运行起着重要的影响作用，也就成了选型的重要选用要素。
(1)峰值堵转转矩。直流力矩电动机受永磁材料去磁限制的最大输入电流时，所获得的有效转矩，单位为N·m。
(2)峰值堵转电压。电动机产生峰值堵转转矩时加于电枢两端的电压，单位为v。
(3)峰值堵转电流。电动机产生峰值堵转转矩时的电枢电流，单位为A。
(4)峰值堵转控制功率。电动机产生峰值堵转转矩时的控制功率，单位为w。

5)连续堵转转矩。电动机在连续堵转时，其稳定温升不超过允许值所能输出的最大堵转转矩，单位为N·m。
(6)连续堵转电压。电动机产生连续堵转转矩时加于电枢两端的电压，单位为v。
(7)连续堵转电流。电动机产生连续堵转转矩时的电枢电流，单位为A。
(8)连续堵转控制功率。电动机产生连续堵转转矩时的控制功率，单位为w。
(9)转矩波动系数。转子在1周范围内，电动机输出转矩的最大值与最小值之差对其最大值与最小值之和之比，用百分比表示。在产品标准中规定转矩波动系数：对36～70机座号产品不超过10％90～160机座号产品不超过7％，200～320机座号产品不超过5％。国外的先进水平已高达1.1％。直流力矩电动机输出转矩波动是在一恒定输入电流下．由于多种原因所造成的力矩灵敏度的变化。通常用波动中各个谐波分量的频率和振幅来表示其特征。
转矩波动的大小是表征力矩电动机性能优劣的一个重要指标，也是力矩电动机能否用于直接驱动系统保证低速稳定运行的重要因素之一。造成转矩波动的因素很多，诸如电磁参数的匹配，结构设计、使用材料的选择，加工精度的等级等等，这在电动机设计时已采取了许多措施。工业上也正日益重视降低这些影响波动的因素，以求进一步提高直接驱动系统的性能水平。
(10)最大空载转速。直流力矩电动机在空载时加以峰值堵转电压所达到的稳定转速。同时，正、反转速差应不大于最大空载转速规定值的5％，单位为r／min. 正确选择空载转速n0很有必要，从电动机的特性和伺服系统的实用需要来看，希望电动机的空载转速n0越小越好。因为n0下降可使用电动机时间常数减小和单位功率产生的转矩增加 ，也可使电电源的功率减小，质量减轻。但是空载转速n0的下降势必引起电动机总尺寸和质量的增加．或在L×D(长度×直径)乘积一定时可能产生槽内放不下绕组的问题。反之，空载转速n0提高，不仅引起电动机特性变坏，而且还可能出现电动机发热。所以必须从运用这种电动机所组成的控制系统的性能、整体质量、体积以及经济性全盘考虑-权衡利弊，正确选择电动机的空载转速n0
(11)提高电动机静态和动态指标。直流力矩电动机的转矩特性正比于输入电流．而与速度及角位置无关。这在电动机的电磁和结构设计时即予以考虑 同时对时间常数的降低、共振频率的提高、阻尼系数的减小等问题也是在电动机设计时已经关注的目标，以使电动机在直接驱动系统中产生最大的理论加速度和提高系统的运仃精度。
对于转矩电流特性的线性度，我国的标准电是按电动机直径的大小而分组规定。外径在÷36～~70mm、+90～~160mm和和φ200~320mm范围的电动机，其转矩一电流特性线性度分别为7％、5％和3％。国外先进产品的指标可达1％。
(12)射频干扰。当直流力矩电动机的电枢旋转时，电枢绕组元件从一条支路经电刷底下进入另一条支路时，该元件中的电流从一方向变换为另一方向，在这个换向过程中，会产生自感电动势。在一定条件下，自感电动势在电刷下会产生电火花引起干扰。虽然通过精心设计·直流力矩电动机电刷的干扰可减小到****限度，并且经常可以忽略不计。但是，火花瞬变过程可能偶尔进入敏感的控制线路和其他电路，而产生不良后果。
要防止这种干扰，就要消除射频干扰的传播途径。在直流力矩电动机应用中，射频干扰传播特别重要的方式是：①沿功率放大器与电动机之间导线传播；②干扰源导线与附近的导线之间的电容耦合；③导线之间的电感耦台传播到附近的测速发电机导线上。因为测速发电机导线末端接至前置放大器的输入端，所以仅有几微伏的电压就足以干扰系统工作。
最简单的方法是使电枢导线与测速发电机导线分开。如果这种方法不能充分地减弱干扰，或者不能分开电缆，则建议测速发电机导线采用屏蔽扭绞二线电缆，并使其连接前置放大器的末端良好接地。在某些情况下，电枢导线也可以采用屏蔽的接地电缆。
在消除电刷=F扰时，最重要的是系统接地必须是连续的，即前置放大器、放大器和电缆端部都应共同接地。在某些情况下，需将汇流条分开接地。还有一种简单的方法也可以减弱电刷的干扰，即在电刷架上装一个电容器。这个电容器跨接在输入引线之间。
(二)使用注意事项
(1)峰值转矩是指直流力矩电动机受磁钢去磁条件限制的最大堵转转矩。在短时间内电动机电流允许超过连续堵转电流·但不能超过峰值电流，否则磁钢会去磁，使电动机的转矩下降。一旦磁钢磁，电动机需要重新充磁后才能正常使用。
(2)转子从定子中取出时，定子要用磁短路环保磁，否则会引起磁钢
退磁
(3)直流力矩电动机也可以作测速发电机使用，但要选用适当的电刷。，以减少由于电刷和换向器接触电阻的变化而引起输出电压的波动

(三)常用伺服系统
直流力矩电动机可应用于开环和闭环两种伺服系统，但主要用于闭环伺服系统。
开环伺服系统是系统无反馈、检测等环节，直流力矩电动机直接驱动负载，由给定电枢电压进行控制的系统。这种用法称之为开环运行，如图
3—2一9所示。

这时，电动机虽然受给定电压控制运行．但由于无检测装置，运行情况不得而知。这种运行情况受电动机本身的转矩波动和负载的外来干扰转矩影响较大，以致谈不上性能精度，而且转速也只有在每分钟几十转以上才能比较平滑地运行，几乎没有可能正常运行于IR／min以下，这种情况只有在某些要求不高的场合，为了去掉减速机构而采用。有时在某些场合有意识地利用转矩电动机有较软的机械特性这一点而采用开环运行，见囤3-2-10。在某些薄带或长条的产品传送中，例如：经过拉制以后的维尼纶丝的卷绕、造纸机的纸张卷绕、印染织物的传送等，在工艺流程的末端采用力矩电动机驱动滚筒，按照所需负载转矩及运行速度给电动机施加一适当的电压并附有电源过载保护装置。当运行速度超过正常速度时，由于负载转矩减小，力矩电动机加速运转，直到与传送速度同步叉恢复正常运行。当某些原因造成传送速度减慢或停止时，电动机的电流随着负载加大而增加．在张力加大到接近薄带断裂负载时．则过载保护起作用。

直流力矩电动机主要用于由位置、速度检测反馈、比较、放大等环节组成的闭环控制的位置和速度伺服系统，以满足位置、速度精度等项指标要求。典型的应用框图见图3-2-11.
这是一个误差控制系统。当作为位置伺服系统时，由手柄或其他机械传动带动输入位置转换器给定一所需的角位置，并将其转换成给定电信讯号-EQ1,经前置放大及电压放大推动功率放大级，以便得到所需功率的电流。

功率放大级的输出加至力矩电动机使其带动负载旋转，装于同轴的输出位置转换器检测出负载转角并转换成与转角相应的电讯号，反馈回去与给定值比较，得到位置瀑差电压Eε=EQ1-EQ2再将此误差电压Eε放大，继续控制电动机带动负载和输出位置转换器转动。此时随着负载角位置的增大，输出位置转换器所转换出的电压EQ2成比例的增高，使误差电压逐渐减小。此控制过程一直持续到负载转到与给定角位置相同(即Eε=EQ1-EQ2=0)时则才结束。此后，若给定值再改变一个角度．则系统又经过一系列的控制过程，使负载跟随着转动到新的角度。这种负载迅速随着给定角位置变化而跟随转动的系统通常称为位置伺服系统。

这个控制过程是在瞬间完成的。从广义上讲，这个瞬时变化的时间即所谓系统过渡过程时间或时间常数，它与转矩／惯量比即理论加速度等直接有关。如果过渡过程慢，而给定位置随机变化速度很快时(如雷达的某些跟踪情况)，则系统因跟不上而存在一个随机跟踪误差，即反映出系统的动态性能不好。图3 2 11中几个校正环节都是为了提高系统动态性能指标而设置的。

速度伺服系统是使输出轴按给定参考电压，建立某一速度下的旋转，系统的指标由输出速度精度来确定。速度伺服系统由力矩电动机、伺服放大器前置放大器、功率放大器)参考电压或指令信号源和直流测速发电机组成，如图3-3—12所示。图中，直流测速发电机提供一个与输出轴速度成比的反馈信号，参考电压与测速机输出信号之差为误差信号，误差信号经放大后激励力矩电动机以驱动负载。

从上述的使用情况可知，为了达到应有的性能指标，直流力矩电动机和高灵敏度直流测速发电机在与负载联接时一般要求尽可能不适用联轴节而将全部结构件装于同一刚性轴上，轴径在可能条件下以较粗为好，以提高耦合剐度消除联接问隙和弹性变形等因素对静、动态指标的影啊。电机定子的安装需采用接触面积较大的非导磁金属．并使其同定于热容量较大的整机内，以减少捅磁的影响和降低电机温升。而定、转子安装的不同轴度一般要求在0.02mm左右。