机电传动控制课件第5章.ppt
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1、第五章 控制电机本章重点:本章重点:控制电机的工作原理、主要运行特性和应用控制电机的工作原理、主要运行特性和应用 1控制电机l定义:用于自动控制、自动调节、远距离测量的特微(小功率)电机。l分类:测量元件、放大元件、执行元件、校正元件。l作用:完成控制信号的传递和变换。l特点:性能稳定可靠,动作灵敏,精度高,体积小。25.1 5.1 伺服电机伺服电机5.2 5.2 力矩电机力矩电机5.3 5.3 小功率同步电机小功率同步电机5.4 5.4 步进电机步进电机5.5 5.5 测速发电机测速发电机5.6 5.6 自整角机自整角机5.7 5.7 直线电动机直线电动机35.1.1 直流伺服电动机(160
2、0W)它的基本结构和工作原理与普通直流他励电动机相同,不同点只是他做得比较细长一些,以满足快速响应的要求。4直流伺服电动机的实物图51.控制方式l电枢控制(改变控制电压)响应迅速、机械特性硬,调速线性度好,应用较多。l磁场控制(改变磁通)不适合永磁伺服电机。62.运行特性电枢控制直流伺服电动机的运行特性包括机械特性和调节特性。1)机械特性当控制电压Ua0时,电动机立即停止,因此,无自转现象。2)调节特性调节特性为一上翘的直线。Ua0是电动机处在待动而又未动临界状态时的控制电压,称为始动电压,负载转矩越大,始动电压越高。而且控制电压从0到Ua0一段范围内,电机不转动,称为电动机的死区。73直流伺
3、服电动机的特点l具有良好的线性调节特性及快速的时间响应,机械特性较硬。但结构复杂,电刷换向使速度受到限制,有附加阻力,甚至可能会出现低速运转不稳定现象。l低速运转时,由于电枢齿槽、电刷接触压降和电刷和换向器之间摩擦的影响,转速会出现时快、时慢,甚至暂时停一下的不均匀现象。低速运转的不稳定性可以通过增加稳速控制电路或使用直流力矩电动机加以解决。85.1.2 低惯量直流伺服电动机1.空心杯转子直流伺服电动机空心杯转子直流伺服电动机的特点是惯量低;灵敏度高,时间常数很小;损耗小,效率高;力矩波动小,低速转动平稳,噪音很小;换向性能好,寿命长。多用于高精度自动控制系统及测量装置等设备中。92.印制绕组
4、直流伺服电动机印制绕组直流伺服电动机的转子呈薄片圆盘状,用印刷电路制成双面电枢绕组。其特点是结构简单,制造成本低;起动转矩大;力矩波动很小,低速运行稳定;换向性能好;电枢转动惯量小,反应快。103.无槽电枢直流伺服电动机无槽电枢直流伺服电动机的电枢铁心是光滑、无槽的圆柱体。其特点是转动惯量低;起动转矩大;反应快;低速运行均匀;换向性能良好。115.1.3 交流伺服电动机交流伺服电动机改变控制电压的大小和相位(或极性)就可以改变伺服电动机的转速和转向。特点:调速范围广;状态(启动、停止)变换快;控制功率小,过载能力强,可靠性好。100W121.两相交流伺服电动机的结构l定子:绕组有两个(励磁绕组
5、WF,控制绕组WC)。l转子:一般分为鼠笼式转子和杯形转子两种结构。13交流伺服电机实物图142.两相交流伺服电动机基本工作原理WF的励磁电压为一定,WC的控制电压可以变换。输入控制信号,产生旋转磁场,电机转动;控制电压相位改变180度,电机反转;但控制电压取消后如何使其停止呢?15消除自转现象的措施使转子导条具有较大的电阻。163.控制方式1)幅值控制;2)相位控制;3)幅值-相位控制。175.1.4 交/直流伺服电动机的性能比较1.机械特性和调节特性l直流伺服电动机的机械特性和调节特性都是线性的,且在不同控制电压下机械特性是平行的,斜率不变。l两相感应伺服电动机的机械特性和调节特性都是非线
6、性的,且其线性化机械特性的斜率随控制电压的变化而变化,这会在一定程度上影响系统的动态精度。l直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬,通常应用于功率稍大的系统中,如随动系统中的位置控制等。182.动态响应由于直流伺服电动机转子上有电枢绕组和换向器等,转动惯量要比两相感应伺服电动机大得多。但由于直流伺服电动机的机械特性比两相感应伺服电动机硬得多,若空载转速相同,直流伺服电动机的堵转转矩要大得多。因此,它们的动态响应时间常数相差不多。193.“自转”现象l对于两相感应伺服电动机,若参数选择不当或制造工艺不良,可能会使电动机产生“自转”现象,而直流伺服电动机却不存在该问题。204.体积、重量和效率l为了满
7、足控制系统对电机性能的要求,两相感应伺服电动机的转子电阻很大,因此其损耗大、效率低。而且常运行在椭圆形旋转磁场下,负序电流和反向旋转磁场的存在,一方面产生制动转矩,使电磁转矩减小,另一方面也进一步增加了电机的损耗,降低了电机的利用率。因此当输出功率相同时,两相感应伺服电动机要比直流伺服电动机体积大、重量重、效率低,所以它只适用于较小功率的场合,对于功率较大的控制系统,则较多地采用直流伺服电动机。215.结构复杂性、运行可靠性及对系统的干扰l直流伺服电动机由于存在电刷和换向器,使电机结构复杂,维护比较麻烦;由于电刷和换向器的滑动接触,增加了电动机的阻转矩,并且会影响电机运行的稳定性;存在换向火花
8、问题,会对其它仪器和无线电通讯等产生干扰。l两相感应伺服电动机结构简单,运行可靠,维护方便,使用寿命长,特别适宜于在不易检修的场合使用。225.2 力矩电动机分类:直流(永磁式);交流(异步同步)。特点转速低、转矩大,能够长期处在堵转状态或低速下运行,反应速度快、转矩和转速波动小,机械特性和调节特性线性度好。23永磁式直流力矩电动机的结构特点 相同体积和电枢电压时,结构尺寸上直径大,导体有效长度短(电枢铁心厚度薄)。24直流力矩电动机转矩大、转速低电枢体积相同的条件下,D大则T大 电枢体积相同的条件下,D大则n0 0小25直流力矩电动机的特点和应用 具有良好的低速平稳性和线性的机械特性及调节特
9、性;精度高、反应速度快、线性度好。常用为执行元件。例如天线(雷达、卫星);与测速发电机等组成高精度的宽调速伺服系统,调速范围可达0.000174天一转25rpm。26力矩电动机的实物图275.3 小功率同步电动机小功率同步电动机 小功率同步电动机的功率通常在数百瓦以下,在要求速度恒定不变的控制系统和装置中常用作执行元件,如打印记录机构、电钟、录像机、电影摄/放映机、传真机等控制设备和自动装置。同步电动机结构上也是由定子和转子两部分组成。它结构简单,运行可靠,维护方便。根据转子机械结构或转子材料,同步电动机可分为永磁式、磁阻式和磁滞式等类型。28三相永磁式同步电动机实物图295.3.1 永磁式同
10、步电动机l永磁式同步电动机转子主要由永久磁铁、铁心、鼠笼绕组构成。永久磁铁用来产生磁通,鼠笼绕组置于转子铁心槽中。l永磁式同步电动机的工作原理与一般同步电动机基本相似,只是其转子励磁是采用永久磁铁。l启动方法和一般的同步电动机一样,在转子上装有启动用的鼠笼绕组。305.3.2 磁阻式电磁减速同步电动机l磁阻电动机又称为反应式电动机,这种电机的转子本身没有磁性,只是利用磁场中可移动部件试图使磁路磁阻最小的原理,依靠转子两个正交方向磁阻的不同而产生电磁转矩,这种转矩称为磁阻转矩或反应转矩。l磁阻电动机有单相和三相两种,功率从几瓦到几百瓦。l起动也需要在转子上另外装设起动绕组,以达到异步起动,同步运
11、行。l结构简单,制造方便,成本较低,转速一般在每分钟几十转到上百转之间,是一种常用的低速电动机。31转子转过的角度为定子旋转磁场的角速度0和转子旋转角速度之比,称为电磁减速系数32电机旋转角速度为式中,p定子磁场的极对数335.3.3 磁滞式同步电动机l磁滞电动机的主要优点是结构简单,运转可靠,起动转矩大,不需要装任何起动装置就能平稳地牵入同步。l磁滞电动机也属于交流同步电机,其定子与一般交流电机相同,而转子也没有励磁源,由硬磁材料冲片叠压而成的转子,其涡流转矩小,电动机起动及运行主要依靠磁滞转矩;由整块硬磁材料做成的转子,除了磁滞转矩外,还有涡流转矩,可以增大起动转矩。l磁滞式电动机的转子是
12、用硬磁材料做成的,这种硬磁材料具有比较宽的磁滞回环,其剩磁密度和矫顽力要比软磁材料大。345.4 步进电动机l步进电动机是将电脉冲控制信号转换成机械角位移的执行元件。l它每接受一个电脉冲,其转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及其频率成正比,并在时间上与输入脉冲同步,只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序,即获得所需的转角、转速及转向。35基本要求:l在电脉冲的控制下,步进电动机能迅速起动、正反转、制动和停车;调速范围宽广;步进电动机的步距角要小,步距精度要高,不丢步不越步;工作频率高、响应速度快。36541 基本工作原理分类:l反应式步进电动机l
13、永磁式步进电机l混合式步进电动机371反应式步进电动机(可变磁阻式)(可变磁阻式)l利用磁阻转矩使转子转动。其结构形式通常分为单段式和多段式两种。可以做成二相、三相、四相、五相或更多的相数。l定子上有六个极,每个极上装有控制绕组,每相对的两极组成一相。转子上有四个均匀分布的齿,其上设有绕组。381 1反应式步进电动机反应式步进电动机(可变磁阻式)(可变磁阻式)l当A相控制绕组通电时,转子在磁场力的作用下与定子齿对齐,即转子齿l、3和定子齿A、A对齐,如图(a)所示。l若切断A相,同时接通B相,在磁场力作用下转子转过30,转子齿2、4与定于齿B、B对齐,如图(b)所示。l如再使B相断电,同时C相
14、控制绕组通电,转子又转过30,使转子齿1、3与定子齿C、C对齐,如图(c)所示。l如此循环往复,按ABCA顺序通电,步进电机便按一定方向转动。上述通电方式称为三相单三拍,这里“拍”指定子控制绕组每改变一次通电方式,为一拍;“单”指每次只有一相控制绕组通电;“三拍”指经过三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。391 1反应式步进电动机反应式步进电动机(可变磁阻式)(可变磁阻式)l三相单双六拍通电方式,通电顺序为AABBBCCCAA或AACCCBBBAA。l当A相控制绕组通电时,转子齿l、3和定子齿A、A对齐。l当A、B相同时通电,转子齿2、4在定子极B、B的吸引下使转子顺时针转动,至转子齿l、3
15、和定子极A、A间的作用力与转子齿2、4和定子极B、B间的作用力相平衡。l当断开A相控制绕组而由相B控制绕组通电时,转子将继续沿逆时针方向转过一个角度,转子齿2、4和定子极B、B对齐,如图(c)所示,依此类推。401 1反应式步进电动机反应式步进电动机(可变磁阻式)(可变磁阻式)单三拍通电方式时,步距角为30,而采用六拍通电方式时,步距角为15,采用单双拍通电方式时,步距角要比单拍电方式时减小一半。步进电机的步距角s的大小是由转子的齿数、控制绕组的相数和通电方式所决定式中,C为通电状态系数,当采用单拍方式时,Cl;而采用单双拍方式时,C2;m为步进电机的相数;Zr为步进电机转子齿数。41l若步进
16、电机通电的脉冲频率为f(每秒的拍数),则步进电机的速度为ll式中f为频率,n为转速。l电机在脉冲频率一定时,电机的相数和转子的齿数越多,则步距角s就越小,转速也越低。422永磁式步进电动机l一般将转子使用永磁材料的步进电动机称作永磁式步进电动机。通常转子为一对极或几对极的星形磁钢,定子上绕有二相或多相绕组,定子每相的轴线对应于转子的轴线,这类电动机要求电源提供正负脉冲。l增加转子的磁极数及定子的齿数可以减小步距角,但转子要制成NS相间的多对磁极是较困难的,同时定子极数及绕组线圈数也必须相应增加,这将受到定子空间的限制,因此永磁式步进电动机的步距角都较大。433混合式步进电动机l混合式步进电动机
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