直流伺服电动机第2章.ppt

控制电机控制电机 假定定子绕组为假定定子绕组为3相，转子为相，转子为2对极，对极，3个霍个霍尔传感器间隔尔传感器间隔 60度分布，由度分布，由6只晶体管组成的桥只晶体管组成的桥式电路给电机供电，分析其换相过程。式电路给电机供电，分析其换相过程。给出二二导通给出二二导通方式无刷直流电机方式无刷直流电机正、反转时位置传正、反转时位置传感器与功率开关导感器与功率开关导通的逻辑关系。通的逻辑关系。课堂习题第第 2 2 章章直流伺服电动机直流伺服电动机中中 国国 矿矿 大大 信信 电电 学学 院院2.1 直流伺服电动机工作原理直流伺服电动机工作原理2.6 直流力矩电动机直流力矩电动机2.7 低惯量直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机 2.4 直流伺服电动机过渡过程中的工作状态直流伺服电动机过渡过程中的工作状态2.3 直流伺服电动机的特性直流伺服电动机的特性2.2 直流伺服电动机的控制方法直流伺服电动机的控制方法第第2 2章章 直流伺服电动机直流伺服电动机2.8 直流伺服电动机的应用举例直流伺服电动机的应用举例 2.5 直流伺服电动机的过渡过程直流伺服电动机的过渡过程掌握直流伺服电动机工作原理掌握直流伺服电动机工作原理了解直流伺服电动机的过渡过程了解直流伺服电动机的过渡过程会分析直流伺服电动机的简单应用会分析直流伺服电动机的简单应用 掌握直流伺服电动机过渡过程中的工作状态掌握直流伺服电动机过渡过程中的工作状态掌握直流伺服电动机的特性掌握直流伺服电动机的特性掌握直流伺服电动机的控制方法掌握直流伺服电动机的控制方法本章要求：本章要求：第第2 2章章 直流伺服电动机直流伺服电动机2.1 2.1 直流伺服电动机的工作原理和结构直流伺服电动机的工作原理和结构一、一、直流伺服电动机的结构直流伺服电动机的结构NS+-n直流电机直流电机定子定子转子转子空空气气隙隙定定子子铁铁心心励励磁磁绕绕组组机机壳壳端端盖盖电电刷刷电电枢枢绕绕组组电电枢枢铁铁心心换换向向器器转转轴轴控制电机控制电机直直流流电电机机定定子子结结构构控制电机控制电机直直流流电电机机转转子子结结构构控制电机控制电机SZ系系列列直直流流伺伺服服电电动动机机控制电机控制电机GZ系系列列直直流流伺伺服服电电动动机机小小惯惯量量直直流流伺伺服服电电动动机机控制电机控制电机GZY系列永系列永磁直流伺服磁直流伺服电动机之一电动机之一GZY系列永系列永磁直流伺服磁直流伺服电动机之二电动机之二控制电机控制电机二、二、直流伺服电动机的工作原理直流伺服电动机的工作原理 导体ab,cd中通入图中所示方向的电流，根据电磁力定律，可以判断载流导体ab,cd 在磁场中受力方向，形成逆时针方向电磁力矩，线圈逆时针旋转。NS+-nabcdABFF控制电机控制电机 当线圈转动当线圈转动180180o o,导体导体cdcd处于处于N N极下，电流由极下，电流由c c到到d d，S S极下极下导体导体电流电流由由b b到到a a，导体受力仍然是逆导体受力仍然是逆时针方向。时针方向。电枢连续旋转，导体电枢连续旋转，导体ab、cd中电流的方向不断变化，中电流的方向不断变化，交替在交替在N极和极和S极下受电磁力极下受电磁力作用，从而使得电动机按一作用，从而使得电动机按一定的方向连续旋转。定的方向连续旋转。换向器，换向器，使电刷通过换向片只与处于使电刷通过换向片只与处于一定极性下的导体相连接，一定极性下的导体相连接，从而使导体中的电流方向发从而使导体中的电流方向发生变化。生变化。原理动画原理动画NS+-nabcdABFF2.2 2.2 直流伺服电动机的控制方法直流伺服电动机的控制方法一、基础知识复习一、基础知识复习1 直流电动机的启动直流电动机的启动 电动机从静止状态过渡到稳速的过程叫电动机从静止状态过渡到稳速的过程叫启动启动过程过程。电机的启动性能有以下几点要求：。电机的启动性能有以下几点要求：1）启动时电磁转矩要大，以利于克服启动启动时电磁转矩要大，以利于克服启动时的阻转矩。时的阻转矩。2）启动时电枢电流要尽可能的小。启动时电枢电流要尽可能的小。3）电动机有较小的转动惯量和在加速过程中电动机有较小的转动惯量和在加速过程中保持足够大的电磁转矩，以利于缩短启动时间。保持足够大的电磁转矩，以利于缩短启动时间。直流电动机通常采用电枢回路串电阻启动。直流电动机通常采用电枢回路串电阻启动。控制电机控制电机2 直流电动机的调速直流电动机的调速可知直流电动机调速可以有：可知直流电动机调速可以有：（1）改变电枢电源电压；改变电枢电源电压；（2）在电枢回路中串调节电阻；在电枢回路中串调节电阻；（3）改变磁通，即改变励磁回路的调节电改变磁通，即改变励磁回路的调节电阻阻Rf以改变励磁电流。以改变励磁电流。由由控制电机控制电机3 改变直流电动机转向的方法改变直流电动机转向的方法4 使用中必须注意的问题使用中必须注意的问题 改变电动机的转向改变电动机的转向,就必须改变电磁转矩就必须改变电磁转矩的方向。根据左手定则可知的方向。根据左手定则可知,改变电磁转矩的改变电磁转矩的方向有两种方法方向有两种方法:1）改变磁通的方向；改变磁通的方向；2）改变电流的方向。改变电流的方向。注意注意:磁通和电流的方向只能改变其中的一个。磁通和电流的方向只能改变其中的一个。1）启动时要使励磁磁通最大；）启动时要使励磁磁通最大；2）切勿使励磁回路断开。）切勿使励磁回路断开。控制电机控制电机二、直流伺服电动机的控制方法二、直流伺服电动机的控制方法 直流伺服电动机实际为一台他励式直直流伺服电动机实际为一台他励式直流电动机，其励磁绕组由外施恒压的直流流电动机，其励磁绕组由外施恒压的直流电源励磁或为永磁磁极。电源励磁或为永磁磁极。对直流伺服电动机的对直流伺服电动机的控制控制主要是主要是指对指对电动机转速大小、方向的控制电动机转速大小、方向的控制，即对电动，即对电动机工作状态的控制；机工作状态的控制；通常将电枢电压作为通常将电枢电压作为控制信号控制信号，实现对电动机转速的控制。，实现对电动机转速的控制。控制电机控制电机直流伺服电动机稳定运行时的转速为：直流伺服电动机稳定运行时的转速为：稳态时，稳态时，Tem=Tl，当负载转矩当负载转矩 Tl 和和磁通磁通 一定的情况下，调节电枢两端所加一定的情况下，调节电枢两端所加电压电压 Ua，电动机的转速发生变化，从而改电动机的转速发生变化，从而改变电动机的工作状态。变电动机的工作状态。分析分析 Ua 增加和增加和 Ua 减小电动机转速减小电动机转速变化的物理过程。变化的物理过程。思考：思考：2.3 2.3 直流伺服电动机的特性分析直流伺服电动机的特性分析一、直流伺服电动机的机械特性一、直流伺服电动机的机械特性 1.反映转速和负载阻转矩（或电磁转矩）之反映转速和负载阻转矩（或电磁转矩）之间的变化规律。表征这个规律的曲线称为电动机间的变化规律。表征这个规律的曲线称为电动机的机械特性。的机械特性。Uj控制电机控制电机UjUa1Ia2Ea1n1TemnTemUa1Ua2Ua3Ua1 Ua2 Ua3n01n02n03Td1Td2Td32.机械特性：机械特性：其中其中为为理想空载转速理想空载转速K 为机械特性直线的斜率为机械特性直线的斜率控制电机控制电机令令 n=0，得：得：Td 为特性的横轴截距为特性的横轴截距,即启动力矩即启动力矩Ua1Ua2Ua3Ua1 Ua2 Ua3n01n02n03Td1Td2Td3nTem 从从n0和和Td的表达式可以看出，的表达式可以看出，n0和和Td都和电枢电压都和电枢电压Ua成正比。而斜率成正比。而斜率k和电枢和电枢电压电压Ua无关。所以对应不同的电枢电压无关。所以对应不同的电枢电压Ua可以得到一组相互平行的机械特性，电枢可以得到一组相互平行的机械特性，电枢电压电压Ua越大，曲线的位置越高。越大，曲线的位置越高。控制电机控制电机3.放大器对电动机机械特性的影响放大器对电动机机械特性的影响 直流伺服电动机的电枢电压是由系统直流伺服电动机的电枢电压是由系统的放大器供给的，放大器是有内阻的，它的放大器供给的，放大器是有内阻的，它使得电动机机械特性变软。使得电动机机械特性变软。nTemRi2Ri1Ri1 Ri2 n0 放大器的内阻越放大器的内阻越大，机械特性的斜率大，机械特性的斜率越大，特性越软。越大，特性越软。控制电机控制电机二、直流伺服电动机的调节特性二、直流伺服电动机的调节特性 1 电动机在一定的负载下，稳定转速随控电动机在一定的负载下，稳定转速随控制电压的变化关系称为电动机的调节特性。制电压的变化关系称为电动机的调节特性。2 负载为常数时的调节特性负载为常数时的调节特性Tem、一定时，一定时，n=f(Ua)是一条直线。是一条直线。控制电机控制电机nUaUa01Ua02Ua03Ts1Ts2Ts3Ts3 Ts2 Ts3当当 n=0 时，时，当当Ua Ua0 时，时，n 始终为零。始终为零。Ua0为最小启动电压为最小启动电压 Ts 不同，不同，Ua0不不同，但直线斜率不同，但直线斜率不变。变。控制电机控制电机 3 变负载时的调节特性变负载时的调节特性 在变负载的情况下在变负载的情况下,调节特性不再是一调节特性不再是一条直线了。因为不同转速时条直线了。因为不同转速时,负载转矩不同负载转矩不同,相应的电枢电流也不同。相应的电枢电流也不同。nTl0负载转矩与负载转矩与转速的关系转速的关系（变负载）（变负载）0nUa变负载变负载时的调时的调节特性节特性控制电机控制电机4 直流伺服电动机低速运转的不稳定性直流伺服电动机低速运转的不稳定性 从直流伺服电动机理想的调节特性来从直流伺服电动机理想的调节特性来看，只要控制电压足够小，电机便可以在看，只要控制电压足够小，电机便可以在很低的转速下运行。很低的转速下运行。但是实际上，当电动机工作在几转到但是实际上，当电动机工作在几转到几十转每分时几十转每分时,其速度就不均匀其速度就不均匀,会出现一会出现一周内时快、时慢，甚至暂停的现象，这种周内时快、时慢，甚至暂停的现象，这种现象称为直流伺服电动机的低速不稳定性。现象称为直流伺服电动机的低速不稳定性。控制电机控制电机 2）低速时，控制电压数值小，电刷和换向低速时，控制电压数值小，电刷和换向器之间的接触压降不稳定性的影响将增大，故导器之间的接触压降不稳定性的影响将增大，故导致电磁转矩不稳定性增大。致电磁转矩不稳定性增大。3）低速时，电刷和换向器间的摩擦不低速时，电刷和换向器间的摩擦不 稳定稳定性，造成电机本身阻转矩性，造成电机本身阻转矩 T0 的不稳定性，因而的不稳定性，因而导致输出转矩的不稳定性。导致输出转矩的不稳定性。1）低速时，反电势平均值不大，因而齿槽低速时，反电势平均值不大，因而齿槽效应等原因造成的电势脉动的影响将变大，导致效应等原因造成的电势脉动的影响将变大，导致电磁转矩波动较明显。电磁转矩波动较明显。转速波动的原因是：转速波动的原因是：2.4 2.4 直流伺服电动机的工作状态直流伺服电动机的工作状态 在一般情况下，系统中的直流伺服电在一般情况下，系统中的直流伺服电动机大部分时间是处于电动机工作状态。动机大部分时间是处于电动机工作状态。但是当控制信号或负载发生变化时，电动但是当控制信号或负载发生变化时，电动机则从一个稳定状态过渡到另一个稳定状机则从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态。在这过渡过程中，电动机的工作状态态。在这过渡过程中，电动机的工作状态就可能发生变化。就可能发生变化。下面以天线控制系统为例，说明直流下面以天线控制系统为例，说明直流伺服电动机在过渡过程中的几种工作状态。伺服电动机在过渡过程中的几种工作状态。控制电机控制电机Uj 电动机以转速电动机以转速n1驱动天线跟踪飞机，此驱动天线跟踪飞机，此时电机的电枢电压为时电机的电枢电压为Ua1，反电势为反电势为Ea1，电电枢电流为枢电流为Ia1，转速为转速为n1。各。各物理量的正方向物理量的正方向规定如图所示。规定如图所示。控制电机控制电机UjUa1Ia1Ea1n1Tem 电动运行时，各物理量的正电动运行时，各物理量的正方向规定如图所示。方向规定如图所示。如果飞机的飞行速度突然下如果飞机的飞行速度突然下降，为了使天线继续跟踪飞机，降，为了使天线继续跟踪飞机，就要求驱动天线的电动机的转速就要求驱动天线的电动机的转速迅速下降到迅速下降到n2，因而控制系统加因而控制系统加到电动机电枢两端的电压需立即到电动机电枢两端的电压需立即降为降为Ua2，电动机从电动状态变成电动机从电动状态变成了发电制动状态，直到电动机达了发电制动状态，直到电动机达到新的稳定状态。到新的稳定状态。Ea1nTemUjUa2Ia2转速变化的物理过程。转速变化的物理过程。思考：思考：控制电机控制电机 这种运行方式是利用电动机原来积蓄的动这种运行方式是利用电动机原来积蓄的动能来发电，以产生电磁转矩进行制动的，所以能来发电，以产生电磁转矩进行制动的，所以叫能耗制动。叫能耗制动。如果上述的天线控制系统，如果上述的天线控制系统，在完成战斗任务之后，需要停在完成战斗任务之后，需要停转时，控制系统将加在电枢两转时，控制系统将加在电枢两端的电压降为零，并将电枢两端的电压降为零，并将电枢两端短路，此时电机工作在发电端短路，此时电机工作在发电机短路状态，电磁转矩为制动机短路状态，电磁转矩为制动转矩，电机转速将下降。因为转矩，电机转速将下降。因为Ua2=0，故电机稳定转速为故电机稳定转速为0。试自己分试自己分析物理过程。析物理过程。EanTemUjIa2.52.5 直流伺服电动机的过渡过程直流伺服电动机的过渡过程 为了分析控制系统的动态特性，不仅需要知为了分析控制系统的动态特性，不仅需要知道电机在过渡过程中的工作状态，而且还要进一道电机在过渡过程中的工作状态，而且还要进一步了解电机的转速、转矩、电流、功率等物理量步了解电机的转速、转矩、电流、功率等物理量在过渡过程中随时间变化的规律，以及过渡过程在过渡过程中随时间变化的规律，以及过渡过程时间和电机参数的关系。时间和电机参数的关系。产生过渡过程的原因产生过渡过程的原因，主要是电机中存在两，主要是电机中存在两种惯性：种惯性：机械惯性和电磁惯性机械惯性和电磁惯性。研究过渡过程的方法研究过渡过程的方法：将过渡过程中的物理：将过渡过程中的物理规律用微分方程表示出来，然后根据初始条件求规律用微分方程表示出来，然后根据初始条件求解方程，找出各物理量与时间的函数关系。解方程，找出各物理量与时间的函数关系。控制电机控制电机 对对已已制成的电机而言，制成的电机而言，j 机电时间常数、机电时间常数、d 电磁时间常数、电磁时间常数、n0 都是常数，根据直流电动机在都是常数，根据直流电动机在动态下的方程建立转速对时间、电枢电流对时间动态下的方程建立转速对时间、电枢电流对时间的微分方程，并求解得：的微分方程，并求解得：其中其中 p1 和和 p2 是是微分方程的两个根。微分方程的两个根。控制电机控制电机电机的过渡过程曲线：电机的过渡过程曲线：4 d j Ia(t)n(t)n0IanotIann0otIa(t)n(t)4 d j 2.6 2.6 直流力矩电动机直流力矩电动机4）峰值堵转转矩和峰值堵转电流峰值堵转转矩和峰值堵转电流直流力矩电动机性能特点直流力矩电动机性能特点:因此在其它条件相同时因此在其它条件相同时,如增大电动如增大电动机直径机直径,减小其轴向长度减小其轴向长度,就有利于增加就有利于增加电动机的转矩和降低空载转速。这就是电动机的转矩和降低空载转速。这就是电动机做成电动机做成圆盘状圆盘状的原因的原因1）力矩波动小力矩波动小,低速下能稳定运行。低速下能稳定运行。2）机械特性和调节特性的线性度。机械特性和调节特性的线性度。3）响应迅速响应迅速,动态性好。动态性好。2.7 2.7 低惯量直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机 直流伺服电动机有许多优点，但也存在直流伺服电动机有许多优点，但也存在不足之处，使其在应用上受到一定限制。不足之处，使其在应用上受到一定限制。目前国内外已在普通直流伺服电动机的基目前国内外已在普通直流伺服电动机的基础上发展了低惯量直流伺服电动机。主要形式础上发展了低惯量直流伺服电动机。主要形式有：杯形电枢直流伺服电动机、盘形电枢直流有：杯形电枢直流伺服电动机、盘形电枢直流伺服电动机和无槽电枢直流伺服电动机。伺服电动机和无槽电枢直流伺服电动机。1）低惯量。由于转子无铁心，且薄壁细低惯量。由于转子无铁心，且薄壁细长，惯量极低，有超低惯量电动机之称。长，惯量极低，有超低惯量电动机之称。1.杯形电枢直流伺服电动机的性能特点是：杯形电枢直流伺服电动机的性能特点是：控制电机控制电机2）灵敏度高。灵敏度高。3）损耗小，效率高。损耗小，效率高。4）力矩波动小，低速运转平稳，噪声很小。力矩波动小，低速运转平稳，噪声很小。5）换向性能好，寿命长。换向性能好，寿命长。2.盘形电枢直流伺服电动机性能特点是盘形电枢直流伺服电动机性能特点是:1)电机结构简单电机结构简单,制造成本低。制造成本低。2)启动转矩大。启动转矩大。3)换向性能好。换向性能好。1）低惯量。由于转子无铁心，且薄壁细低惯量。由于转子无铁心，且薄壁细长，惯量极低，有超低惯量电动机之称。长，惯量极低，有超低惯量电动机之称。1.杯形电枢直流伺服电动机的性能特点是：杯形电枢直流伺服电动机的性能特点是：控制电机控制电机 它具有转动惯量低、启动转矩大、反应它具有转动惯量低、启动转矩大、反应快、启动快、启动 灵敏度高、转速平稳、低速运行均灵敏度高、转速平稳、低速运行均匀、换向性能匀、换向性能 好等优点。其输出功率为几十好等优点。其输出功率为几十瓦到瓦到10KW10KW，机电常机电常 数为数为510ms。主要用于主要用于要求快速动作、功率较大的系统如数控机床要求快速动作、功率较大的系统如数控机床和雷达天线驱动等方面。和雷达天线驱动等方面。3.无槽电枢直流伺服电动机无槽电枢直流伺服电动机 5)电枢转动惯量小电枢转动惯量小,反应快反应快,机电时间常机电时间常 数一数一般为般为1015ms,属于中等低惯量伺服电动机。属于中等低惯量伺服电动机。4)力矩波动很小力矩波动很小,低速运行稳定性调速范围广低速运行稳定性调速范围广而且平滑而且平滑,能在能在1:20的速比范围内可靠平稳运行。的速比范围内可靠平稳运行。