项目五特种电机的应用电机与电气控制技术 电子教案.doc

电机与电气控制技术与实践项目五 特种电机的应用任务一 伺服电动机的应用学习目标了解伺服电动机的特点、用途和分类；认识伺服电动机的结构；熟悉伺服电动机的基本工作原理和主要运行性能；了解伺服电动机的控制方式。任务分析伺服电动机也称执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件其作用是把输入的电压信号变换成转轴的角位移或角速度输出。输入的电压信号称为控制电压，改变控制电压可以改变伺服电动机的转速及转向。自动控制系统对伺服电动机的基本要求有如下几点。（1）快速响应，灵敏度高；（2）无“自转”现象，即当控制电压为零时，电机应能迅速自动停转；（3）要有尽可能大的调速范围；（4）具有线性的机械特性和调节特性；（5）过载能力强。根据使用电源的不同，伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机输出功率较大，功率范围为1600 W，有的甚至可达上千瓦；而交流伺服电动机输出功率较小，功率范围一般为0.1100 W，基中最常用的在30W以下，如图5-1所示。图5-1 几种伺服电动机外形知识链接一、直流伺服电动机1基本结构2工作原理及特性直流伺服电机的工作原理与普通小型他励直流电动机相同，其转速由信号电压控制。信号电压若加在电枢绕组两端，称为电枢控制；若加在励磁绕组两端，则称为磁场控制。由于电枢控制的直流伺服电机具有机械特性线性度好、精度高、响应速度快等优点，所以在工程上多采用电枢控制方式。直流伺服电机的机械特性方程式与他励直流电动机一样：采用电枢控制时，为控制信号电压，为常数。图5-2（a）为电枢控制式直流伺服电机的接线原理图，当电枢电压改变时，可得一组平行的机械特性，如图5-2（b）所示，从机械特性可以看出，负载转矩一定即电磁转矩一定时，转速与控制信号电压成正比。当控制信号电压消失时，电动机工作在能耗制动状态，能迅速停转。改变电枢电压的极性，伺服电动机就反转。图5-2 直流伺服电动机的电路与机械特性（a）电枢控制接线原理图 （b）电枢控制机械特性直流伺服电动机的优点是具有线性的机械特性，起动转矩大，调速范围大。缺点是电刷与换向器之间的火花会产生电磁干扰，需要定期更换电刷，维护换向器。二、交流伺服电动机长期以来，在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的是直流调速系统。但直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损；换向器换向时会产生火花，结构复杂，制造成本高等。而交流电动机，特别是笼型异步电动机没有上述缺点，且转子转动惯量较直流电动机小，使得动态响应更好。随着新型大功率电力电子器件、新型变频技术、现代控制理论以及微机数控等在实际应用中取得的重要进展，到了20世纪80年代，交流伺服驱动技术已取得了突破性的进展。1基本结构交流伺服电动机的基本结构与电容运转单相异步电动机相似，其定子铁心也是由冲有齿和槽的硅钢片叠压而成。定子槽中装有励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间互差电角度，励磁绕组与交流电源相连接，控制绕组接输入信号，如图5-3所示。图5-3 交流伺服电动机原理图交流伺服电动机转子的结构形式有笼型转子和空心杯形转子两种。笼型转子的结构与一般笼型异步电动机的转子类似，但转子导体的电阻比一般的异步电动机大得多，因此起动电流较小而起动转矩较大。为了使伺服电动机对输入信号有较高的灵敏度，必须尽量减小转子的转动惯量，所以转子一般做得细而长。空心杯形转子结构的交流伺服电动机，其定子分内外两个部分，均用硅钢片叠成。在外定子上装有空间上互差90电角度的两相绕组，而内定子铁心只用来构成闭合磁路，以减小磁阻。在内外定子之间有一个细长的杯形转子，杯子底部固定在转轴上。杯形转子由非磁性材料制成，壁厚只有0.3mm左右。杯形转子的优点是转子非常轻，转动惯量很小，能非常迅速和灵敏地起动、调速和停止，缺点是气隙较大，因此空载励磁电流大，功率因数和效率较低。2工作原理及特性交流伺服电动机的工作原理与单相电容运行异步电动机相似。没有控制信号时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场。电动机的电磁转矩为零，转子不动。若在控制绕组中加一个控制信号后，就会在气隙是产生一个旋转磁场，并产生电磁转矩使转子沿旋转磁场的方向转动。如果转子的参数设计得与单相异步电动机一样，则当控制信号消失后，电动机继续转动，这样电动机就失去了控制，伺服电动机的这种失控而继续旋转的现象称为“自转”。“自转”现象显然不符合伺服电动机的可控性要求，必须加以克服。克服“自转”现象的方法是增大转子电阻。从单相异步电动机的工作原理可知，当励磁绕组单独通电时，其机械特性由正向旋转磁场产生的正向机械特性和反向旋转磁场产生的反向机械特性叠加而成，当转子电阻足够大时，正反向机械特性的临界转差率均大于1，如图5-4所示，其合成机械特性在第II、IV象限，电磁转矩是制动性质的，相当于能耗制动。因此，当控制信号消失后，只有励磁绕组单独通电时，不论原来转向任何，总会受到制动转矩的作用，使电动机迅速停转。控制绕组中加不同的信号电压时，气隙中会产生椭圆形旋转磁场，从而得到不同的转速。图5-4 克服“自转”的机械特性3控制方法交流伺服电动机的励磁绕组通常都设计成对称的，当控制信号电压与励磁电压也对称时，两相绕组产生圆形旋转磁场，电动机转速最高。如果控制信号电压与励磁电压的幅值不等或相位差不是90电角度，则产生椭圆形的旋转磁场。所以改变控制电压的大小和相位就可以改变旋转磁场的椭圆度，从而控制伺服电动机的转矩和转速，具体的控制方法有三种：（1）幅值控制保持控制信号电压的相位不变，始终与励磁电压相差电角度，改变的幅值来控制伺服电动机的转速。（2）相位控制保持控制信号电压的幅值不变，通过移相器改变与的相位差来控制电动机的转速。（3）幅相控制同时改变控制信号电压的幅值和相位，使信号系数发生变化，从而控制电动机的转速。幅相控制的机械特性也与幅值控制时相似，但线性度要差一些。由于幅相控制不需要专门的移相设备，电路最简单，所以实际应用较多。无论哪种控制方式，只要将控制信号电压的相位改变180电角度，即可改变交流伺服电动机的转向。交流伺服电动机的输出功率一般在100W以下。电源频率为50Hz时，电压有36V、110V、220V、380V几个等级。电源频率为400Hz时，电压有20V、36V、115V几个等级。交流伺服电动机运行平稳，噪音小，但控制特性的线性度较差。由于转子电阻大，所以损耗大，效率低，因此只适合于100W以下的小功率控制系统中。任务二 测速发电机的应用学习目标了解测速发电机的功能和应用；熟悉直流测速发电机的基本结构和工作原理；熟悉交流测速发电机的基本结构和工作原理。任务分析测速发电机是一种反映转速的信号元件，它的作用是将输入的机械转速变换成电压信号输出，这就要求发电机的输出电压与转速成正比关系，其输出电压可用下式表示：在自动控制系统和计算装置中测速发电机主要用作测速元件、阻尼元件、解算元件和角加速信号元件。自动控制系统对测速发电机的要求是：测速发电机的输出电压与转速保持严格的线性关系，且不随外界条件的改变而发生变化；电机的转动惯量要小，以保证反应迅速；电机的灵敏度要高，即测速发电机的输出电压以转速的变化反应灵敏。测速发电机可分为直流测速发电机和交流测速发电机两大类。 图5-5 测速发电机知识链接 一、直流测速发电机1基本结构直流测速发电机的结构与普通小型直流发电机相同。其电枢结构有普通有槽电枢、无槽电枢、空心杯电枢和圆盘式印刷绕组电枢等。直流测速发电机按励磁方式可分为他励式和永磁式两种。他励式直流测速发电机结构较复杂，励磁绕组的电阻会随温度而变化，容易引起测量误差，国产他励式直流测速发电机的产品型号为CD。永磁式测速发电机结构简单，不需励磁电源，应用较为广泛，国产永磁式直流测速发电机的产品型号为CY。2工作原理及特性直流测速发电机的工作原理与一般直流发电机相同，他励式直流测速发电机的原理如图5-6（a）所示。图5-6 直流测速发电机（a）工作原理 （b）输出特性在励磁绕组上加直流电压，产生恒定磁场，电枢在被测机械拖动下旋转，电枢绕组切割磁场产生感应电动势。当测速发电机接上负载时输出电压为由上式可知：直流测速发电机的输出电压与转速成正比，转子转向改变将引起输出电压极性的改变。直流测速发电机的输出特性是指电枢回路总电阻、负载电阻、磁通均不变时，直流测速发电机输出电压与转速的关系。其输出特性曲线如图5-6（b）所示。空载时，输出特性的关系为一条直线。带上负载后，越小，输出特性的斜率越小。在较小或转速过高时，较大，电枢电流的去磁作用，使输出电压下降，从而破坏了输出特性的线性关系。另外，由于环境温度的变化、电刷与换向器接触电阻的变化、涡流及磁滞等因素也会影响输出特性的线性关系。二、交流测速发电机1基本结构交流测速发电机可分同步测速发电机和异步测速发电机两类。国产同步测速发电机的产品型号为CG，异步测速发电机的型号有CK、CL。在自动控制系统中，目前应用的交流测速发电机主要是空心杯形转子异步测速发电机。其结构与杯形转子交流伺服电动机相似，转子是一个薄壁非磁性杯，通常用高电阻率的硅锰青铜制成。定子的两相绕组在空间位置上互差电角度，其中一相作为励磁绕组，外施稳频稳压的交流电源励磁；另一相作为输出绕组，其两端的电压即为测速发电机的输出电压，如图5-7所示。图5-7 交流测速发电机工作原理2工作原理及特性当测速发电机的励磁绕组外加电压时，便有电流流过绕组，在电机气隙中沿励磁绕组轴线产生交变频率为的脉动磁通。异步测速发电机类似一台变压器。励磁绕组相当于变压器的一次绕组，转子导体相当于变压器的二次绕组。当转子静止不动时，由于磁通的方向与输出绕组的轴线垂直，输出绕组中不会产生感应电动势，也就没有输出电压。当转子转动时，转子导体切割磁通产生感应电流，产生磁通，此磁通在空间上是固定的，与输出绕组轴线相重合。在输出绕组中感应出频率相同的输出电压。由于转子中感应电流的大小与转子的转速成正比，所以输出电压与转子的转速成正比。转子反转时，输出电压的相位也相反。只要用一只电压表能测出转速的大小和方向。空心杯形转子交流异步测速发电机，具有结构简单，工作可靠等优点，是目前较为理想的测速元件。我国生产的空心杯形转子交流测速发电机，频率有50Hz和400Hz两种，电压等级有36V、110V等。任务三 步进电动机的应用学习目标了解步进电动机的作用和用途；熟悉步进电动机的结构和工作原理；了解步进电动机的工作方式。任务分析步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移的执行元件。每输入一个脉冲信号，步进电动机就转动一个角度或前进一步。因此，这种电动机也称为脉冲电动机。步进电动机具有结构简单，维护方便，工作可靠，调速范围大，起动、制动、反转灵敏等特点，其步距角和转速不受电压波动、负载变化的影响，在不丢步的情况下，精度很高，所以广泛应用于数控机床，自动记录仪，石英钟表等设备中。步进电动机有很多种类，按运动方式可分为旋转式和直线式两类。按工作原理可分为反应式、感应式和永磁式三种。反应式步进电动机也称为磁阻式步进电动机，它具有步距小，响应速度快，结构简单等特点，广泛应用于数控设备中。 图5-8 步进电动机知识链接 一、反应式步进电动机的结构反应式步进电动机主要由定子和转子两部分组成。定子上装有六个均匀分布的磁极，并有许多小齿，每个磁极上都装有控制绕组，每两个相对的极组成一相，同一相的控制绕组可以串联或并联，组成三个独立的绕组，称为三相绕组，也有做成四相、五相或六相的。转子上没有绕组，由软磁性材料叠成，沿圆周上均匀分布许多小齿，转子的齿距和定子的齿距相等。二、工作原理为了分析方便，假设转子只有均匀分布的四个齿，下面根据定子磁极上控制绕组通入电脉冲方式的不同，分析三相单三拍控制、三相单双六拍控制和三相双三拍控制的工作原理。1单三拍控制步进电动机工作原理图5-9为三相反应工步进电动机单三拍控制方式的工作原理图。单三拍控制中的“单”是指每次只有一相控制绕组通电，通电顺序为或按顺序。“拍”是指一种通电状态换到另一种通电状态，“三拍”是指经过三次切换控制绕组的电脉冲为一个循环。图5-9 单三拍控制方式下步进电动机工作原理图（a）U相通电 （b）V相通电 （c）W相通电当U相控制绕组通入电脉冲时，U、成为电磁铁的N、S极。由于磁路磁通要沿着磁阻最小的路径来闭合，将使转子齿1、3和定子极U、对齐，即形成U、轴线方向的磁通，如图5-9（a）所示。U相脉冲结束，接着V相通入脉冲，由于上述原因，转子齿2、4与定子磁极V、对齐，如图5-9（b）所示，转子顺时针方向转过。V相脉冲结束，随后W相控制绕组通入电脉冲，使转子齿3、1和定子磁极W、对齐，转子又在空间顺时针方向转过，如图5-9（c）所示。由上分析可知，如果按照的顺序通入电脉冲，转子按顺时针方向一步一步转动，每步转过，该角度称为步距角。电动机的转速取决于电脉冲的频率，频率越高，转速越高。若按顺序通入电脉冲，则电动机反向转动。三相控制绕组的通电顺序及频率大小，通常由电子逻辑电路来实现。上述三相单拍通电方式，是在一相绕组断电瞬间另一绕组刚开始通电，容易造成失步。而且由于单一控制绕组吸引转子，也容易使转子在平衡位置附近产生振荡，所以运行稳定性较差，故很少采用。2六拍方式控制步进电动机工作原理六拍控制方式中三相控制绕组通电顺序按进行，即先U相控制绕组通电，而后U、V两相控制绕组同时通电；然后断开U相控制绕组，由V相控制绕组单独通电；再使V、W两相控制绕组同时通电，依次进行下去，如图5-10所示。每转换一次，步进电动机顺时针方向旋转，即步距角为.若改变通电顺序，步进电动机将逆时针方向旋转。该控制方式下，定子三相绕组经六次换接完成一个循环，故称为“六拍”控制。此种控制方式因转换时始终有一相绕组通电，故工作比较稳定。图5-10 三相六拍控制方式下步进电动机工作原理图（a）U相通电 （b）U、V相通电 （c）V相通电 （d）V、W相通电3双三拍控制步进电动机工作原理双三拍控制时每次有两相绕组同通电，且按照顺序进行。在双三拍通电方式下步进电动机的转子位置与六拍通电方式时两相绕组同时通电时的情况相同，如图5-10（b）和（d）所示。所以，按双三拍通电方式运行时，它的步距角和单三拍控制方式相同，皆为。由上述分析可知，若步进电动机定子有三相六个磁极，极距为，转子齿数为，齿距角为。当采用三拍控制时，每一拍转过，即齿距角；当采用六拍控制时，每一拍转过，即齿距角。因此，步进电动机的步距角与运行拍数，转子齿数，有下式关系：式中 步距角；运行拍数；转子齿数。若脉冲频率为，步距角的单位为弧度，则当连续通入控制脉冲时步进电动机的转速为式中步进电动机的转速；控制脉冲的频率。所以，步进电动机的转速与脉冲频率成正比，并与频率同步。在运行拍数和转子齿数一定时，步进电动机的转速只取决于电脉冲频率，并与频率成正比，而且步进电动机具有结构简单，维护方便，精确度高，调速范围大，起动、制动、反转灵敏等优点，而且无积累误差，故广泛应用于数字控制系统，如数控机床，绘图仪、自动记录仪表、检测仪表和数模转换装置上。三、步进电动机的应用 步进电动机的转速不受电压和负载变化的影响，也不受环境条件温度、压力等的限制，仅与脉冲频率成正比，所以应用于高精度的控制系统中。图5-11是步进电动机在数控线切割机床上的应用示意图。图5-11 线切割机床工作原理示意图（a）十字拖板示意图 （b）工作原理示意图数控线切割机床是采用专门计算机进行控制，并利用钼丝与被加工工件之间电火花放电所产生的电蚀现象来加工复杂形状的金属冲模或零件的一种机床。在加工过程中钼丝的位置是固定的，而工件则固定在十字拖板上，如图5-11（a）所示，通过十字拖板的纵横运动完成对加工工件的切割。图5-11（b）为线切割机床工作原理示意图。数控线切割机床加工零件时，先根据图纸上零件的形状、尺寸和加工工序编制计算机程序，并将该程序记录在穿孔纸带上，而后由光电阅读机读出后进入计算机，计算机就对每一方向的步进电动机给出控制脉冲，指挥两台步进电动机运转，通过传动装置拖动十字拖板按加工要求连续移动，进行加工，从而切割出符合要求的零件。8