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直流电机及调速系统课件 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望n n 从图中可以看出，接入直流电源以后，电刷A为正极性，电刷B为负极性。电流从正电刷A经线圈ab、cd，到负电刷B流出。根据电磁力定律，在载流导体与磁力线垂直的条件下，线圈每一个有效边将受到一电磁力的作用。电磁力的方向可用左手定则判断，伸开左手，掌心向着N极，4指指向电流的方向，与4指垂直的拇指方向就是电磁力的方向。在图示瞬间，导线ab与dc中所受的电磁力为逆时针方向，在这个电磁力的作用下，转子将逆时针旋转即图中S的方向。直流电机工作原理直流电机工作原理 n 随着转子的转动，线圈边位置互换，这时要使转子连续转动则应使线圈边中的电流方向也加以改变要进行换向。由于换向器与静止电刷的相互配合作用，线圈不论转到何处，B刷h始终与运动到N极下的线圈边相接触，而电极A始终与运动到S极下的线圈边相接触这就保证了电流总是经电刷经N极下导体流入，再沿S极导体经电刷B流出。因而电磁力和电磁转矩的方向始终保持不变，使电机沿逆时针方向连续转动。n 直流电机工作原理直流电机工作原理电磁式直流电机的种类电磁式直流电机的种类电磁式直流电机的种类电磁式直流电机的种类永磁式直流伺服电机结构永磁式直流伺服电机结构n直流伺服电机构成n直流伺服电机的电源特点n直流伺服电机的类型直流电机的基本方程直流电机的基本方程_1静态方程静态方程n静态方程是指电机稳态下的机械平衡方程，电压平衡方程。Ia直流电机的基本方程直流电机的基本方程_1动态方程动态方程n n过渡状态过渡状态 停止停止/启动、加速、启动、加速、减速、加载、减载减速、加载、减载I直流电机的基本方程直流电机的基本方程_1动态方程动态方程n n过渡状态过渡状态 停止停止/启动、加速、启动、加速、减速、加载、减载减速、加载、减载I(t)直流电机的基本方程直流电机的基本方程_2电流电流直流电机的调速原理直流电机的调速原理电压调速电压调速直流电机的速度控制原理直流电机的速度控制原理_1机械特性方程的推导机械特性方程的推导Ia直流电机的基本特性直流电机的基本特性_1理想转速理想转速转速降转速降Ian nK K值的大小反映了什么？值的大小反映了什么？n nKM KM 也被称为转速降也被称为转速降n n，其物理意义是负栽对转速的影响其物理意义是负栽对转速的影响机械特性曲线直流伺服电机的基本特性直流伺服电机的基本特性_2启动电压启动电压启动电压的物理意义？启动特性曲线电机调速基本概念电机调速基本概念恒功率调速nMnP电机调速基本概念电机调速基本概念恒转矩调速nMnP电机调速基本概念电机调速基本概念调速范围调速范围额定转速额定转速在额定电压，额定负载条件下在额定电压，额定负载条件下（电机铭牌上所给出的数据）（电机铭牌上所给出的数据）电机调速基本概念电机调速基本概念调速范围调速范围静差度静差度额定转速额定转速在额定电压，额定负载条件下在额定电压，额定负载条件下（电机铭牌上所给出的数据）（电机铭牌上所给出的数据）电机调速基本概念电机调速基本概念调速范围调速范围静差度静差度由静差度许可值由静差度许可值求调速范围求调速范围额定转速额定转速在额定电压，额定负载条件下在额定电压，额定负载条件下（电机铭牌上所给出的数据）（电机铭牌上所给出的数据）直流电机的基本特性直流电机的基本特性_1理想转速理想转速转速降转速降IaIan普通直流电机的铭牌数据n额定工作转速n额定工作转矩n额定工作电压n额定工作电流n电机线圈直流内阻电机调速基本概念电机调速基本概念n n直流电机调速的基本概直流电机调速的基本概念：念：n n什么是恒转距调速？什么是恒转距调速？n n什么是恒功率调速？什么是恒功率调速？n n什么是动态平衡方程？什么是动态平衡方程？什么是静态平衡方程？什么是静态平衡方程？n n这两类方程的应用场合。这两类方程的应用场合。理想转速理想转速转速降转速降Ia直流电机的控制方法直流电机的控制方法单片机单片机工业工业PC可编程控制器可编程控制器n n机机床床在在加加工工过过程程中中、需需要要按按不不同同的的加加工工要要求求，调调整整主主轴轴的的转转速速、进进给给速速度度。为为保保证证工工件件表表面面质质量量和和精精度度求求调调速速系系统统调调速速稳稳定定能能迅迅速速消消除除扰扰动动(主主要要是是负负载载和和电电枢枢电电压压波波动动)而而引引起起的的转转速速波波动动。要要求求系系统统具具有有足足够够的的动动态态稳稳定定性性和和快快速速性性，使使起起动动、制制动动、调调速速过程平稳迅速。过程平稳迅速。电机调速系统的作用电机调速系统的作用直流电机调速系统直流电机调速系统n开环调速系统电机调速系统的基本结构电机调速系统的基本结构_1控制驱动电机机械速度控制直流电机调速系统直流电机调速系统n速度负反馈闭环调速系统（半闭环）电机调速系统的基本结构电机调速系统的基本结构_2控制驱动电机机械测量速度控制直流伺服电机控制系统直流伺服电机控制系统n速度负反馈闭环调速系统的结构n n右图为一数控右图为一数控机床进给部件机床进给部件中的电机调速中的电机调速系统接线图系统接线图n n它是一个它是一个速度速度负反馈闭环负反馈闭环调速系统调速系统电机调速系统实例电机调速系统实例_1 (A)控制驱动电源电源电机直流电机调速系统直流电机调速系统n速度负反馈闭环调速系统（闭环）电机调速系统的基本结构电机调速系统的基本结构_3控制驱动电机机械测量速度控制直流伺服电机控制系统直流伺服电机控制系统直流伺服电机控制系统直流伺服电机控制系统n n速度负反馈闭环控制系统的结构速度负反馈闭环控制系统的结构n n位置位置速度双闭环控制系统的结构速度双闭环控制系统的结构电机调速系统的基本结构电机调速系统的基本结构_4控制1控制2驱动测量1电机机械测量2位置控制电机调速系统实例电机调速系统实例_2驱动系统驱动系统伺服电机伺服电机CNC系统系统 机床本体机床本体传感器传感器CNC中的伺服系统中的伺服系统系统实例系统实例数控系统数控系统+驱动单元驱动单元+伺服电机伺服电机系统实例系统实例设计条件n最大纵向进给力n工作台质量n工件等质量n定位精度n导轨形式及材料 设计目标设计目标n n拟定其传动系统拟定其传动系统n n选择伺服电机选择伺服电机n n确定反馈控制结构确定反馈控制结构n n选择伺服系统的参选择伺服系统的参数数伺服系统设计实例伺服系统设计实例_1设计条件转化成分析条件n？n？n？n？n？n n解决问题的方法解决问题的方法n n通过数学建模来分析整个系统的问题通过数学建模来分析整个系统的问题伺服系统设计实例伺服系统设计实例_分析分析1驱动单元数学模型电机单元数学模型机械单元数学模型目标运动目标运动信号信号n n数学建模来分析整个系统的问题数学建模来分析整个系统的问题n n数学模型应解决什么问题数学模型应解决什么问题n n数学模型如何来实现互联数学模型如何来实现互联伺服系统设计实例伺服系统设计实例_分析分析2驱动单元数学模型电机单元数学模型机械单元数学模型目标运动目标运动信号信号n n数学建模来分析整个系统的问题数学建模来分析整个系统的问题n n数学模型应解决什么问题数学模型应解决什么问题n n数学模型如何来实现互联数学模型如何来实现互联伺服系统设计实例伺服系统设计实例_分析分析3驱动单元数学模型电机单元数学模型机械单元数学模型目标运动目标运动信号信号输入输出输入输出输入输出信号信号电机调速系统的一般结构形式直流伺服电机控制系统直流伺服电机控制系统n速度负反馈闭环调速系统的结构n n右图为一数控右图为一数控机床进给部件机床进给部件中的电机调速中的电机调速系统接线图系统接线图n n它是一个它是一个速度速度负反馈闭环负反馈闭环调速系统调速系统电机调速系统实例电机调速系统实例_1 (A)控制驱动电源电源电机直流伺服电机控制系统直流伺服电机控制系统n速度负反馈闭环调速系统的结构电机调速系统实例电机调速系统实例_1 (B)直流伺服电机控制系统直流伺服电机控制系统n速度负反馈闭环调速系统的结构电机调速系统实例电机调速系统实例_1 (C)电机调速系统实例电机调速系统实例_1 (D)控制驱动电源电源电机电机调速系统实例电机调速系统实例_1 (E)控制驱动电源电源电机电机调速系统实例电机调速系统实例_1 (F)驱动电源电源电机控制电机调速系统实例电机调速系统实例_1 (G)控制电机调速系统实例电机调速系统实例_1 (H)控制位置控制实现原理n n通过以上的实例，同学应掌握如下内容通过以上的实例，同学应掌握如下内容1.1.电机调速系统结构的一般形式和工作原理电机调速系统结构的一般形式和工作原理2.2.电机调速系统中速度闭环和位置闭环的区别电机调速系统中速度闭环和位置闭环的区别3.3.电机调速系统系统中速度指令的形式电机调速系统系统中速度指令的形式4.4.电机调速系统系统中的位置控制实现原理电机调速系统系统中的位置控制实现原理电机调速系统实例电机调速系统实例_1 总结总结直流伺服电机调速驱动单元直流伺服电机调速驱动单元结构实例结构实例直流伺服电机调速驱动单元直流伺服电机调速驱动单元结构实例结构实例速度指令测速电机电机直流伺服电机调速驱动单元直流伺服电机调速驱动单元结构实例结构实例速度指令测速电机速度单元电机直流伺服电机调速驱动单元直流伺服电机调速驱动单元结构实例结构实例速度环速度指令测速电机电机直流伺服电机调速驱动单元直流伺服电机调速驱动单元结构实例结构实例电流环速度环电压脉冲变换速度指令测速电机电机直流伺服电机调速驱动单元直流伺服电机调速驱动单元结构实例结构实例电流环速度环电压脉冲变换速度指令测速电机电机n n n n 系统的稳态设计也要分步骤进行，首先要根据被控对象运动的特点，系统的稳态设计也要分步骤进行，首先要根据被控对象运动的特点，选择系统的执行电机和相应的机械传动机构；接着可以选择或设计驱动选择系统的执行电机和相应的机械传动机构；接着可以选择或设计驱动执行电机的功率放大装置；再根据系统工作精度的要求，确定检测装置执行电机的功率放大装置；再根据系统工作精度的要求，确定检测装置具体的组成形式，选择元件的型号规格，设计具体的线路参数。然后根具体的组成形式，选择元件的型号规格，设计具体的线路参数。然后根据已确定的执行电机、功率放大装置和检测整置，设计前置放大器、信据已确定的执行电机、功率放大装置和检测整置，设计前置放大器、信号转换线路等。在考虑各种部件相互联接时，要注意阻抗的匹配、饱和号转换线路等。在考虑各种部件相互联接时，要注意阻抗的匹配、饱和界限、分辨率、供电方式和接地方式。为使有用信号不失真的、不失精界限、分辨率、供电方式和接地方式。为使有用信号不失真的、不失精度地有效传递，耍设计好福合方式。同时也要考虑必要的屏蔽、保护、度地有效传递，耍设计好福合方式。同时也要考虑必要的屏蔽、保护、滤波滤波等抗干扰措施。等抗干扰措施。n建立系统的动态数学模型n 经过系统的稳态设计，系统主回路各部分均己确定。但稳态设计依据的主要是系统的稳态性能指标，因此所构成的系统还不能保证满足系统动态性能的要求，为系统的动态设汁作准备，需要对稳态设计所确定的系统作定量计算(或辅助实验测试)，建立它的动态数学模型，称之为原始系统的数学模型。n n系统的动态设计系统的动态设计n n 根据被控对象对系统动态性能的要求，结合以上获得的原始系统数学根据被控对象对系统动态性能的要求，结合以上获得的原始系统数学模型，进行动态设计，要确定采用什么校正模型，进行动态设计，要确定采用什么校正(补偿补偿)形式，形式，Q Q定校正定校正(补补偿偿)装置具体线路和参数，确定校正装置在原始系统中具体联接的部位装置具体线路和参数，确定校正装置在原始系统中具体联接的部位和联接方式。使校正和联接方式。使校正(补偿补偿)后的系统能满足动态性能指标要求后的系统能满足动态性能指标要求 直流电机转速负反馈直流电机转速负反馈闭环控制系统分析闭环控制系统分析n n以下将对一个简易的直流电机转速负反馈调速以下将对一个简易的直流电机转速负反馈调速系统进行分析，通过该例掌握电机调速系统的系统进行分析，通过该例掌握电机调速系统的工作原理、分析方法。工作原理、分析方法。系统结构模型系统结构模型电机建模电机建模换流装置建模换流装置建模放大器建模放大器建模测量传感器建模测量传感器建模系统综合建模系统综合建模闭环系统与开环系统比较闭环系统与开环系统比较开环系统稳态方程开环系统稳态方程闭环系统稳态方程闭环系统稳态方程系统性能改善的分析式系统性能改善的分析式系统性能改善的分析式系统性能改善的分析式系统性能改善的分析式系统性能改善的分析式