宽调速直流伺服电机

《电气工程名词》第一版。 2100433B

1998年，经全国科学技术名词审定委员会审定发布。

普通的调速系统在高速段工作时稳速精度较高，低速运行时的稳速精度指标严重恶化，而宽调速控制能使低速运行时的稳速精度达到要求。宽调速控制主要应用于机床特别是数控机床进给系统，以及天线伺服系统、仪表随动系统、转台随动系统等需要在宽转速范围下工作的控制系统中，如机床进给系统，其调速范围为3000~30000。宽调速控制的实现主要是依靠适应宽调速运行要求的宽调速电动机及其相应的控制系统。

第二次世界大战期间，机床的进给系统主要采用液压伺服机构作为驱动元件组成液压伺服系统。20世纪60年代初，日本安川公司制成了小惯量电机代替液压伺服机构，发展为电伺服系统。从70年代初开始，英国、美国、日本、法国、联邦德国等国家，都先后研制和生产了宽调速直流伺服电动机，并广泛应用于机床。日本富士通公司于1973年引进了美国盖梯斯公司专利，并发展了自己的宽调速电动机。

中国从1975年开始也研制成多种规格的宽调速电动机，并开发了新一代的宽调速直流伺服系统。宽调速直流伺服电动机宽调速系统的重要设备是电动机，应选用高性能宽调速直流伺服电动机。这类电动机具有下列特点:转矩波动系数小，低速时可输出大转矩，电气时间常数小。(见伺服电动机)

(1)转矩波动系数小。调速系统低速运行时，电动机的电磁转矩波动影响稳速精度。产生转矩波动的原因有两个：一是电动机齿槽引起的气隙磁导随转子位置不同而发生变化，从而使电动机转矩波动系数不为恒值，导致输出转矩随转子转动发生周期性波动；二是在换向宽度内换向绕组中电流与气隙磁场作用产生附加转矩。普通直流电动机转矩波动值与额定转矩的比值为。.2~。.3，而宽调速直流伺服电动机的电枢槽数和换向片数都多，上述比值小于0.03，有利于低速运行平稳。

(2)低速时可输出大转矩。对机床进给系统来说，低速工作需承担切削时的负载转矩大;而高速工作为空程运行，负载转矩小。为减小电动机额定功率，在低速时使电动机过载运行，满足短时重切削的要求，其峰值转矩可为额定转矩6~10倍，具有较大的过载能力。宽调速直流伺服电动机选用矫顽力高、磁性能稳定的铁氧体，铝镍钻等永磁材料作磁极，并进行适当的磁路设计，使得在出现峰值电流时，不易去磁，且电枢的直径大、电枢转动惯t大、热容t大；选用耐高温的绝缘材料，电热时间常数大，而具有较大的过载能力。因此，该电动机低速时能翰出大转动，又有足够的转动惯量比，不会损失最大理论加速度值，保证了系统的快速响应能力。该电动机由于低速时翰出转矩大，可以直接驱动负载轴，省去了齿轮传动机构，使机械结构简单可靠;消除了齿轮噪声和振动，提高了传动效率，降低了成本，消除了齿晾误差，避免了齿隙振荡，提高了系统放大倍数;由于没有齿轮轴弹性变形的影响，提高了辆合刚度，使系统的毯速精度得到提高;电动机的电枢直径大，电枢转动惯t大，可以与负载惯量较好地匹配，伺服系统容易调整，运行德定。

(3)电气时间常数小。电气时间常数T.~L./R.。式中R.为电枢电阻；L.为电枢电感。由于L，与极对数的平方成反比，电气时间常数T.也与极对数的平方成反比。小功率宽调速电机通常设计为6极或8极，大功率宽调速电机可设计为10~14极，因而电气时间常数很小，有利于系统快速响应。技术措施为适应宽调速的要求，宽调速控制系统采取的措施主要有速度自适应调节器，采用电流限流型速度调节系统，动力润滑，增加位里外环。

(4)速度自适应调节器.低速运行时，由于旋转体质t不均匀、机械振动、电机电磁转矩波动等系统内部扰动及负载扰动，会引起转速降落，使在某一段时间内转速为零，产生姗动.对于具有电流环和速度环的三阶系统，可采用速度自适应调节器，使速度调节器的比例系数增大，积分时间减小，减小由上述扰动引起的转速波动、动态速降以及出现停转后的恢复时间。

(5)电流限流型速度调节系统。在系统的起动、制动期间内电枢电流超过限流值，电流环起作用，相当于双环系统；在稳态运行时，电流在限流值之内，电流环不起作用，为速度单环系统，其抗扰性能好、响应快，有利于宽调速控制。

(6)动力润滑.低速运行时，负载轴的摩擦转矩与电动机轴转速为非线性函数关系，转速为零时的静摩擦转矩大于转动时的动康擦转矩，由静摩擦转矩过渡到正常转动时的动摩擦转矩，正是低转速区域所对应的奉攘转矩非线性变化区域。当系统的转速输人量低于某一较小值时，由于摩裸转矩的变化，使系统运行不平稳。动力润滑是变静摩擦为动摩擦，克服低速运行不平稳的有效方法。如采用晶体管脉宽调制放大器对电动机供电，当电动机转速低于某一较低转速时，电枢电流为交变电流，电动机处于高颇徽振状态，使负载轴总是处于动摩擦转矩状态下运行，改善了低速运行特性。

(7)位置外环。在速度环具有良好性能的基础上，增加位!外环可进一步提高调速范围。理论上最低转速值可接近于零。位工外环有数字式及鉴相式两种，指令脉冲的频率决定于转速值，而且脉冲当t越小，电动机运行越平稳。