自动控制元件16解析讲课教案.ppt
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1、自动控制元件16解析自动控制系统自动控制系统对控制元件的主要要求对控制元件的主要要求 自动控制元件作为自动控制系统中的一类重自动控制元件作为自动控制系统中的一类重要元件,其性能好坏将直接影响到整个控制系统要元件,其性能好坏将直接影响到整个控制系统的工作性能。现代自动控制系统对自动控制元件的工作性能。现代自动控制系统对自动控制元件除了要求其体积小、重量轻、耗电少外,还要求除了要求其体积小、重量轻、耗电少外,还要求它具有:它具有:高可靠性高可靠性、高精度高精度和和快速响应快速响应。n n圆柱面磁场间的力矩圆柱面磁场间的力矩课程的主要内容课程的主要内容n n第一章第一章 直流伺服电动机直流伺服电动机
2、n n第二章第二章 直流测速发电机直流测速发电机n n第三章第三章 步进电动机步进电动机n n第四章第四章 旋转变压器旋转变压器n n第五章第五章 自整角机自整角机n n第六章第六章 交流伺服电动机交流伺服电动机n n第七章第七章 无刷直流电动机无刷直流电动机第一章第一章 直流伺服电动机直流伺服电动机n n直流电动机在自动控制系统中作为执行系统控制信号命令的元件,被称作执行元件。n n直流电动机的优点:1)调速范围广,易于平滑调节;2)过载、起动、制动转矩大;3)特性好,控制方便;直流电电动机的铭牌数据直流电电动机的铭牌数据n n额定功率Pe(W)n n额定电压Ue(V)n n额定电流Ie(A
3、)n n额定转速Ne(rpm)n n额定转矩Te(N.m)转矩、转速和功率之间的关系转矩、转速和功率之间的关系直流电机的基本关系直流电机的基本关系电势平衡关系式电势平衡关系式n n静态静态 发电机发电机 电动机电动机n n动态动态 发电机发电机 电动机电动机直流电机的基本关系直流电机的基本关系转矩平衡关系式转矩平衡关系式n n静态静态 发电机发电机 电动机电动机n n动态动态 发电机发电机 电动机电动机直流伺服电动机的静态关系式直流伺服电动机的静态关系式其中,其中,直流伺服电动机的静态特性直流伺服电动机的静态特性 或或机械特性机械特性n nUaUa保持不变时,保持不变时,n=f(Tem)n=f
4、(Tem)的关系的关系 式中式中机械特性机械特性n n理想空载转速理想空载转速n n斜率和硬度斜率和硬度n n堵转转矩堵转转矩直流伺服电动机的控制特性直流伺服电动机的控制特性n n负载转矩不变时,负载转矩不变时,n=f(Ua)n=f(Ua)的关系的关系 或或 式中式中控制特性控制特性直流伺服电动机的工作状态直流伺服电动机的工作状态阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程动态方程动态方程阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程
5、阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程代入电压平衡方程,消去中间变量后,得代入电压平衡方程,消去中间变量后,得规化为标准形式如下:规化为标准形式如下:阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程n n过渡过程曲线过渡过程曲线阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程n n过渡过程曲线过渡过程曲线阶跃控制
6、电压作用下直流伺服电动机的过渡过程阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程n n过渡过程曲线过渡过程曲线阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程n n动态参数:机电时间常数动态参数:机电时间常数第二章第二章 直流测速发电机直流测速发电机n n直流测速发电机是一种把机械转速变换成电压信号的测量元件。实际上,它就是一台微型的直流发电机。n n直流测速发电机除了在控制系统中作为测速元件之外
7、,还能当作阻尼元件,以及解算装置中的微分元件和积分元件。n n是控制系统中的一个重要测量转换元件。直流测速发电机直流测速发电机n n直流发电机的静态关系式直流发电机的静态关系式直流测速发电机的输出特性直流测速发电机的输出特性输出特性的误差分析输出特性的误差分析n n一、电枢反应一、电枢反应考虑电枢反应的去磁作用时的气隙合成磁通考虑电枢反应的去磁作用时的气隙合成磁通输出特性方程式输出特性方程式输出特性的误差分析输出特性的误差分析n n考虑电枢反应影响时的输出特性考虑电枢反应影响时的输出特性输出特性的误差分析输出特性的误差分析n n二、电刷与换向器的接触电阻与接触电压二、电刷与换向器的接触电阻与接
8、触电压输出特性的误差分析输出特性的误差分析n n同时考虑电枢反应和电刷与换向器接触压降影响同时考虑电枢反应和电刷与换向器接触压降影响后,直流测速发电机的输出特性后,直流测速发电机的输出特性第三章第三章 步进电动机步进电动机n n步进电动机是一种将数字式电脉冲信号转换成机械位移(角位移或线位移)的机电元件,它的机械位移与输入的数字脉冲信号有着严格的对应关系,即一个脉冲信号可使步进电动机前进一步,故称为步进电动机。由于它的输入信号为脉冲电压,因此又被称作脉冲电动机。n n步进电动机作为数字控制系统的佳配,它是一种比较理想的执行元件。步进电动机的分类步进电动机的分类 步进电动机的种类很多,按工作原理
9、可分为三大类:1)反应式步进电动机 2)永磁式步进电动机 3)永磁感应子式步进电动机(混合式步进电动机)步进电动机的常用术语步进电动机的常用术语n n绕组相数绕组相数n n定子磁极对数定子磁极对数n n转子齿数转子齿数n n齿距角齿距角n n步距角步距角n n失调角失调角n n零位或初始稳定平衡位置零位或初始稳定平衡位置n n矩角特性矩角特性步进电动机的常用术语步进电动机的常用术语n n最大静转矩最大静转矩n n最大静转矩特性最大静转矩特性n n精度精度n n起动频率起动频率n n运行频率运行频率n n起动矩频特性起动矩频特性n n起动惯频特性起动惯频特性n n运行矩频特性运行矩频特性径向分相
10、反应式步进电动机径向分相反应式步进电动机n n极对数等于相数,或极对数等于相数,或n n相邻相极定转子之间错齿(每个极距所跨的齿距数相邻相极定转子之间错齿(每个极距所跨的齿距数不是整数)不是整数)极距角极距角 齿距角齿距角 齿数齿数拍、拍数和运行方式拍、拍数和运行方式n n把每一次通电状态的换接称为拍,每一拍转子相把每一次通电状态的换接称为拍,每一拍转子相应旋转一个步距角;把完成一个通电状态循环所应旋转一个步距角;把完成一个通电状态循环所需要换接的控制绕组通电状态数称作拍数,用需要换接的控制绕组通电状态数称作拍数,用NN表表示。示。n n步距角步距角n n一般反应式步进电动机可按两种基本方式进
11、行:一般反应式步进电动机可按两种基本方式进行:其一为整步运行:运行拍数等于相数,称为单拍其一为整步运行:运行拍数等于相数,称为单拍制(制(N=mN=m);其二为半步运行:运行拍数等于相);其二为半步运行:运行拍数等于相数的数的2 2倍(倍(N=2mN=2m),称为双拍制。),称为双拍制。步进电动机的转速步进电动机的转速n n步进电动机的转速步进电动机的转速 可见,步进电动机的转速将由控制脉冲频率可见,步进电动机的转速将由控制脉冲频率()、运行拍数()、运行拍数(NN)和转子齿数()和转子齿数(ZrZr)决定。)决定。改变控制脉冲频率可对步进电动机实现均匀而宽改变控制脉冲频率可对步进电动机实现均
12、匀而宽范围的调速,快速起动、反转和制动也可由控制范围的调速,快速起动、反转和制动也可由控制脉冲的频率变化灵活地实现。因此,步进电动机脉冲的频率变化灵活地实现。因此,步进电动机是数字控制系统良好的执行元件。是数字控制系统良好的执行元件。步进电动机的转速步进电动机的转速n n步进电动机的转速步进电动机的转速 表示控制绕组中的电流交变频率表示控制绕组中的电流交变频率n n步进电动机的静态特性 静态转矩 矩角特性通电相极产生的电磁转矩(矩角特性)通电相极产生的电磁转矩(矩角特性)用电角度表示的齿距角用电角度表示的齿距角n n从步进电动机工作原理可看出,无论以何种方式从步进电动机工作原理可看出,无论以何
13、种方式通电,完成一个通电循环,转子将转过一个齿距通电,完成一个通电循环,转子将转过一个齿距角。因此步进电动机的特性完全可由一个齿距范角。因此步进电动机的特性完全可由一个齿距范围内的特性来代表。我们定义电角度围内的特性来代表。我们定义电角度 等于机械等于机械角度角度 与转子齿数与转子齿数 的乘积。的乘积。三相反应式步进电动机绕组通电时的矩角特性三相反应式步进电动机绕组通电时的矩角特性n nA A相通电相通电n nB B相通电相通电n nC C相通电相通电n nA A、B B相同时通电相同时通电 矩角特性曲线族矩角特性曲线族三相反应式步进电机矩角特性曲线族四相反应式步进电动机单相通电时的矩角特性四
14、相反应式步进电动机单相通电时的矩角特性n nA A相通电相通电n nB B相通电相通电n nC C相通电相通电n nDD相通电相通电 三相反应式步进电动机的转矩矢量三相反应式步进电动机的转矩矢量三相反应式步进电机绕组通电方式三相反应式步进电机绕组通电方式双三拍单双六拍三相反应式步进电动机多相通电时的矩角特性三相反应式步进电动机多相通电时的矩角特性三相混合式步进电机绕组通电方式三相混合式步进电机绕组通电方式1 22通电方式,6拍三相混合式步进电机绕组通电方式三相混合式步进电机绕组通电方式233通电方式,6拍三相混合式步进电机绕组通电方式三相混合式步进电机绕组通电方式323通电方式,12拍四相反应
15、式步进电机绕组通电方式四相反应式步进电机绕组通电方式双四拍双四拍单双八拍单双八拍四相反应式步进电动机矩角特性曲线族四相反应式步进电动机矩角特性曲线族二相混合式步进电机绕组通电方式二相混合式步进电机绕组通电方式双四拍双四拍单双八拍单双八拍步距角与负载能力步距角与负载能力三相反应式空载情况下三相反应式负载情况下,比较a,q,a”三种负载三相反应式多拍情况下,负载能力提高四相反应式步进电动机矩角特性曲线族四相反应式步进电动机矩角特性曲线族最大负载转矩(极限起动转矩)最大负载转矩(极限起动转矩)n n某种通电方式下,各相矩角特性曲线的交点某种通电方式下,各相矩角特性曲线的交点曲线族包络线的最低点曲线族
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