2.4　直流伺服电动机的机械特性和调节特性

2.4.1　直流伺服电动机的机械特性

直流伺服电动机的机械特性是指当电枢电压Ua=常值、气隙每极磁通量Φ=常值时，电动机的转速n和电磁转矩Te之间的关系曲线，即n=f（Te）。在直流伺服电动机的诸多特性中，机械特性是最重要的特性。它是选用直流伺服电动机的依据。

直流伺服电动机的机械特性方程与直流电动机的机械特性方程基本相同，即

式中，Ua为电枢电压；Ra为电枢回路总电阻；n为转速；Φ为每极磁通；Ce为电动势常数；CT为转矩常数；Te为电磁转矩。）称为直流伺服电机的理想空载转速；）称为直流电动机机械特性的斜率。

因为直流伺服电动机的机械特性方程为一直线方程，所以其机械特性为一条直线，如图2-13所示。显然，只要找到直线上的两个点，便可绘制出该机械特性的直线。

从图2-13中可以看出，直流伺服电动机的机械特性是线性的。该机械特性曲线上有两个特殊点，现分述如下：

（1）理想空载点（0，n0）

由直流伺服电动机的机械特性曲线和机械特性方程可知，n0是机械特性曲线与纵轴的交点，即电磁转矩Te=0时的转速，即

在实际的电动机中，当电动机轴上不带负载时，因为它本身有空载损耗所引起的空载阻转矩。因此，即使空载（即负载转矩TL=0）时，电动机的电磁转矩也不为零，只有在理想条件下，即电动机本身没有空载损耗时，才可能有Te=0，所以对应于Te=0时的转速n0称为理想空载转速。

（2）堵转点（Tk，0）

由直流伺服电动机的机械特性曲线和机械特性方程可知，Tk是机械特性曲线与横轴的交点，即电动机的转速n=0时的电磁转矩，即

Tk是电动机处在堵转状态时所产生的电磁转矩。

称为直流电动机机械特性的斜率。k前面的负号表示直线是下倾的。k的大小可用Δn/ΔT表示，如图2-13所示。因此k的大小表示电动机电磁转矩变化所引起的转速变化程度。斜率k大，则对应于同样的转矩变化，转速变化大，这时电动机的机械特性软。反之斜率k小，则对应于同样的转矩变化，转速变化小，这时电动机的机械特性硬。

以上讨论的是在电枢电压为常值时，直流伺服电动机的机械特性。改变电枢电压Ua，电动机的机械特性就发生变化。由机械特性方程可知，电动机的理想空载转速n0随电枢电压Ua成正比变化，但是，机械特性的斜率k与电枢电压Ua无关，k即保持不变。所以，对应于不同的电枢电压，可以得到一组相互平行的机械特性曲线，如图2-14所示。随着电枢电压的降低，机械特性曲线平行地向原点移动，但机械特性曲线的斜率不变，即机械特性的硬度不变。这是电枢控制的优点之一。

2.4.2　直流伺服电动机的调节特性

直流伺服电动机的调节特性是指负载转矩TL恒定时，电动机的转速随控制电压变化的关系，即n=f（Ua）。

当负载转矩TL保持不变时，电动机轴上的总阻转矩Ts=TL+T0（式中T0为电动机的空载转矩）也不变，因此电动机稳态运行时，其电磁转矩Te=Ts为常数。

由机械特性方程可得电动机的转速n与控制电压Ua的关系为

对应的直流伺服电动机的调节特性如图2-15所示，它们也是一组平行的直线。直线的斜率为），它与负载的大小无关，仅由直流伺服电动机的参数决定。

由图2-15可知，这些调节特性曲线与横轴的交点，就表示在一定负载转矩时电动机的始动电压。若负载转矩一定时，电动机的控制电压大于相对应的始动电压，它便能转动起来并达到某一转速；反之，控制电压小于相对应的始动电压，则电动机的最大电磁转矩仍小于负载转矩，电动机就不能启动。所以，调节特性曲线的横坐标从零到始动电压的这一范围称为在一定负载转矩时伺服电动机的失灵区。显然，失灵区的大小是与负载转矩成正比的。

由以上分析可知，电枢控制时直流伺服电动机的机械特性和调节特性都是一组平行的直线。这是直流伺服电动机很可贵的特点，也是交流伺服电动机所不及的。但是上述的结论是在假设电动机的磁路为不饱和及忽略电枢反应的前提下才得到的，实际的直流伺服电动机的特性曲线只是一组接近直线的曲线。