机电系统是复杂的配置,可有效结合电气和机械元件以实现预期结果。许多此类系统的核心是直流电机,这是一种将电能转换为机械运动的设备,可实现从简单的风扇到复杂的机器人机构的各种应用。
直流电机的一个关键部件是电枢,电枢是位于磁场内的旋转电路。当电流通过电枢时,它会因与磁场的相互作用而受到力,从而产生扭矩。该扭矩启动转子的旋转,从而将电能转换为机械运动。电枢中感应的电压与其速度成正比,这种现象称为反电动势 (EMF)。
为了分析直流电机的行为,我们将电气原理应用于电枢电路。通过采用回路方程并通过拉普拉斯方法对其进行变换,我们可以阐明电枢电流 (i_a)、施加的电枢电压 (V_a) 和反电动势 (E_b) 之间的关系。该方程式如下:
其中 R_a 表示电枢电阻,E_b 表示反电动势。
在 s 域中,电机产生的扭矩 (T) 与电枢电流成正比,描述为:
此处,k_t 是扭矩常数。该扭矩也可以用转子的惯性 (J) 来表示:
通过用电机轴的角位置 (θ) 来表示扭矩并简化它,可以得出传递函数。假设电枢电感与电枢电阻相比可以忽略不计,则直流电机的简化传递函数变为:
此传递函数提供了对电机动态响应的全面理解,将电输入与机械输出联系起来,并促进机电系统的设计和控制。
来自章节 21:
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