電機控制與拖動控制電機及其控制系統(tǒng) 伺服電動機PPT課件

1、1 控制電機是在普通旋轉(zhuǎn)電機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其基本原理與普通旋轉(zhuǎn)電機并無本質(zhì)區(qū)別。 普通電機的主要任務(wù)是完成能量的轉(zhuǎn)換，對它們的要求主要著重于提高效率等經(jīng)濟指標(biāo)以及起動和調(diào)速等性能。 控制電機的主要任務(wù)是完成控制信號的傳遞和轉(zhuǎn)換，因此，現(xiàn)代控制系統(tǒng)對它的基本要求是高精確度、高靈敏度和高可靠性。第1頁/共46頁2控制電機的分類：控制電機的分類：（1）一類用做執(zhí)行元件。主要包括交直流伺服電動一類用做執(zhí)行元件。主要包括交直流伺服電動機、無刷直流電動機、步進電動機和直線電動機等。機、無刷直流電動機、步進電動機和直線電動機等。這些控制電機的任務(wù)就是將輸入的電信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)這些控制電機的任務(wù)就是將輸入的

2、電信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的角位移或角速度，或者動子的線位移或線速度，子的角位移或角速度，或者動子的線位移或線速度，并帶動控制對象運動，所以又稱為功率元件。并帶動控制對象運動，所以又稱為功率元件。（2）一類用做測量元件。主要包括旋轉(zhuǎn)變壓器、自一類用做測量元件。主要包括旋轉(zhuǎn)變壓器、自整角機和交直流測速發(fā)電機等。這些控制電機的任整角機和交直流測速發(fā)電機等。這些控制電機的任務(wù)就是測量自動控制系統(tǒng)中的角位移、轉(zhuǎn)差角或轉(zhuǎn)務(wù)就是測量自動控制系統(tǒng)中的角位移、轉(zhuǎn)差角或轉(zhuǎn)速，其輸出一般為電壓信號，可以驅(qū)動執(zhí)行電動機速，其輸出一般為電壓信號，可以驅(qū)動執(zhí)行電動機完成矯正或測量任務(wù)，所以又稱為信號元件。完成矯正或測量任務(wù)，所以

3、又稱為信號元件。第2頁/共46頁36.1 伺服電動機交流伺服電動機 交流伺服電動機是一種交流伺服電動機是一種交流異步電動機交流異步電動機，在結(jié)，在結(jié)構(gòu)上與一般異步電動機相似，但它有著構(gòu)上與一般異步電動機相似，但它有著接近于直線接近于直線的轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線和良好的控制性能轉(zhuǎn)矩曲線和良好的控制性能，它已有較，它已有較長的發(fā)展歷史，應(yīng)用廣泛。長的發(fā)展歷史，應(yīng)用廣泛。第3頁/共46頁1. 1. 結(jié)構(gòu)特點 （1 1）定子 在定子的鐵芯中，正交地放置兩相交流繞組，如圖所示。其中，j1j2稱為勵磁繞組，k1k2稱為控制繞組，所以交流伺服電動機也稱為兩相伺服電動機。 4第4頁/共46頁（2 2）轉(zhuǎn)子：常用的

4、有兩種，即鼠籠式轉(zhuǎn)子和非磁性杯形轉(zhuǎn)子。 鼠籠式轉(zhuǎn)子：去掉鐵芯后的轉(zhuǎn)子繞組形狀象是鼠籠，所以稱這種結(jié)構(gòu)為鼠籠式轉(zhuǎn)子。 5第5頁/共46頁 非磁性杯形轉(zhuǎn)子 ：由一個內(nèi)定子代替在鼠籠式電機中的轉(zhuǎn)子鐵芯，在內(nèi)、外定子的空隙中，有一個可以自由旋轉(zhuǎn)的由非磁性材料制成的杯形轉(zhuǎn)子。 6第6頁/共46頁 兩者的比較杯形轉(zhuǎn)子可以看成是條數(shù)非常多、條與條彼此靠在一起的鼠籠轉(zhuǎn)子，所以它只是鼠籠轉(zhuǎn)子的一種特殊形式 。非磁性杯形轉(zhuǎn)子的慣量小，軸承摩擦轉(zhuǎn)矩小，定轉(zhuǎn)子之間沒有齒槽粘合現(xiàn)象，轉(zhuǎn)矩與軸位置無關(guān)，動轉(zhuǎn)平穩(wěn)。非磁性杯形轉(zhuǎn)子出力小，且結(jié)構(gòu)和制造工藝復(fù)雜，僅在要求運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)的特殊場合下才使用。鼠籠式電機結(jié)構(gòu)簡單，可靠性

5、好，生產(chǎn)方便。但是它的慣量大，在低速運行時有抖動現(xiàn)象。 7第7頁/共46頁（3）穩(wěn)定性措施 為了使系統(tǒng)的運行穩(wěn)定，一般方法是在伺服電動機上加一定的阻尼。一種方法是采用測速發(fā)電機反饋，但是它的成本高，且測速發(fā)電機有剩余電壓的不利影響，所以現(xiàn)在有些設(shè)計在兩相伺服電機內(nèi)附加一個阻尼器，構(gòu)成所謂的粘滯阻尼和慣性阻尼的伺服電動機，它的成本低、性能良好。（4）磁性杯形轉(zhuǎn)子 由純鐵制成杯形轉(zhuǎn)子，結(jié)構(gòu)較簡單，但是它的厚度較大，慣量大，快速響應(yīng)性能較差，而且當(dāng)定、轉(zhuǎn)子氣隙稍有不均勻時，轉(zhuǎn)子就容易為單邊磁拉力吸住，所以應(yīng)用少。 8第8頁/共46頁2. 工作原理 在空間上互差90度、匝數(shù)相同的兩個繞組稱為兩相對稱繞

6、組。 相位彼此相差90度，幅值彼此相等的兩個電流稱為兩相對稱電流。 在兩相對稱繞組中通入兩相對稱電流，這時，在電機內(nèi)將產(chǎn)生一個圓形旋轉(zhuǎn)磁場。 9第9頁/共46頁3、 控制方式 （1）幅值控制：通過調(diào)節(jié)控制電壓的大小來改變電機的轉(zhuǎn)速，而控制電壓與勵磁電壓之間的相位差始終保持9090。 （2）相位控制：通過調(diào)節(jié)控制電壓的相位來改變控制電壓與勵磁電壓之間的相位差，從而改變電機的轉(zhuǎn)速。而控制電壓的幅值保持不變。由于它需要一套復(fù)雜的移相裝置，一般很少采用。 （3）幅值相位控制（或稱電容控制）：將勵磁繞組串聯(lián)電容以后，接到穩(wěn)定的電源上，而在控制繞組上加上與此電源相位始終相同的控制電壓。當(dāng)調(diào)節(jié)控制電壓時，由

7、于轉(zhuǎn)子繞組的耦合作用，勵磁繞組的電流相應(yīng)發(fā)生變化，從而使得控制電壓和勵磁電壓的大小及它們之間的相位角也都變化，所以它是一種幅值和相位的復(fù)合控制方式。由于它是利用串聯(lián)電容器來分相，不需要復(fù)雜的移相裝置，所以設(shè)備簡單，成本較低，是一種最為常用的控制方式。 10第10頁/共46頁11第11頁/共46頁4.4.主要工作特性(1) (1) 機械特性：指當(dāng)控制電壓不變時，電機的轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩而變化的關(guān)系。 12第12頁/共46頁幾點說明：橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速的相對值 轉(zhuǎn)差率：縱坐標(biāo)為電磁轉(zhuǎn)矩和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩之比理想空載轉(zhuǎn)速：是指電磁轉(zhuǎn)矩為零的條件下的轉(zhuǎn)速?？蛰d轉(zhuǎn)速：空載下的轉(zhuǎn)速（TL0 0）?！袄硐腚姍C”的特性：圖中的虛

8、線。 線性度：線性度最好的為相位控制，其次為幅值控制，最差的是幅值相位控制，但是它的控制方式實現(xiàn)起來最簡單 。 ssnnns13第13頁/共46頁（2 2）調(diào)節(jié)特性是指電磁轉(zhuǎn)矩不變時，轉(zhuǎn)速隨控制電壓大小而變化的關(guān)系。如圖所示，它也不是線性的，只在轉(zhuǎn)速相對值較小和信號系數(shù)不大的范圍內(nèi)才近于線性關(guān)系，同時，相位控制時的線性度最好。14第14頁/共46頁（3 3）輸出特性：是指在一定的控制電壓下，電機的輸出機械功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。 最大功率點：出現(xiàn)在理想空載轉(zhuǎn)速的0.550.55倍左右處，同時當(dāng)信號系數(shù)減少時，不僅使最大輸出機械功率值減小，并使出現(xiàn)該值時的轉(zhuǎn)速向較低的方向偏移。 額定功率和額定轉(zhuǎn)速

9、：取額定信號系數(shù)（有效信號系數(shù)為1 1）時的最大輸出機械功率為電機的額定功率。對應(yīng)于最大輸出機械功率時的轉(zhuǎn)速定為電機的額定轉(zhuǎn)速。 15第15頁/共46頁（4）三種控制方式比較在相同的信號系數(shù)時，幅值相位控制時最大輸出機械功率值較大，而相位控制時較小。而且，幅值相位控制不需要附加復(fù)雜的移相設(shè)備就能在單相交流電上獲得控制電壓和激磁電壓的分相，所以雖然它的機械特性線性度最差，在實際的應(yīng)用中，它仍是最常見的一種控制方式。相位控制線性度最好。（5）單相運行不“自轉(zhuǎn)”問題：當(dāng)控制信號消失時，電動機將處于只有勵磁電壓的單相運行的情況，這時，它應(yīng)有自制動能力，不允許出現(xiàn)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。在設(shè)計時采用的是增大轉(zhuǎn)子的

10、電阻的方法，但阻值的選擇應(yīng)視具體情況而定。“自轉(zhuǎn)”問題，一般是由于轉(zhuǎn)子的參數(shù)設(shè)計不合理如轉(zhuǎn)子電阻小，而電源內(nèi)阻大，或是由于制造工藝有缺陷的情況下發(fā)生。 16第16頁/共46頁（6）動態(tài)特性影響因素：電機本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使用條件，如控制方式、驅(qū)動電源的阻抗和控制電壓波形等。 基本方程式 假設(shè)：電源輸出阻抗為零，幅值控制 電壓方程式： 電磁力矩： 轉(zhuǎn)矩平衡方程式： dttdiLRtitukkk)()()()(tiKMkiMMtKdttdJfD)(602)(17第17頁/共46頁 傳遞函數(shù)：式中：力矩系數(shù)：機械時間常數(shù)：電氣時間常數(shù)： ) 1)(1()()(0sTsTKsusEMMMkfRKKKD

11、iMDMKJTRLTE18第18頁/共46頁1. 1. 結(jié)構(gòu)和分類 傳統(tǒng)式和低慣量式兩種（1）傳統(tǒng)式：定子與轉(zhuǎn)子兩部分組成。直流伺服電動機19第19頁/共46頁（2）低慣量式結(jié)構(gòu) 降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，提高響應(yīng)速度。盤形電樞直流伺服電機 20第20頁/共46頁 空心杯電樞直流伺服電機具有內(nèi)外兩個定子。 21第21頁/共46頁無槽電樞直流伺服電動機 22第22頁/共46頁2. 2. 控制方式 使用直流伺服電動機的目的是將它用于控制系統(tǒng)，對于直流伺服電動機而言，當(dāng)勵磁電壓恒定（對它勵式而言），負載轉(zhuǎn)矩一定時，電機的轉(zhuǎn)速隨著電樞電壓的大小而變化，方向隨著電樞電壓的極性而變化，因此，將電樞電壓作為控制信號

12、，就可以對電動機的轉(zhuǎn)速進行控制。這種控制方式稱為電樞控制式，電樞繞組稱為控制繞組。 23第23頁/共46頁3. 3. 靜態(tài)工作特性 (1) (1) 直流伺服電動機的靜態(tài)方程假設(shè)： 電機的磁路為不飽和 略去帶載時電樞反應(yīng)磁勢的影響電壓平衡方程式為：感應(yīng)電勢為：電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為：將以上三式聯(lián)立，可得直流伺服電動機的轉(zhuǎn)速公式為： aaaaRiEUnKnCEeeaatatemiKiCTemetaeaTKKRKUn24國際單位制下：國際單位制下：Kt = Ke第24頁/共46頁（2）機械特性 機械特性是指控制電壓恒定時，電機的轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩變化的關(guān)系。特點：線性，一組平行直線。理想空載轉(zhuǎn)速：堵轉(zhuǎn)矩Td ：

13、硬度：機械特性曲線的斜率的絕對值 。eaKUn 0aatdURKT 25第25頁/共46頁（3 3）調(diào)節(jié)特性 調(diào)節(jié)特性是指轉(zhuǎn)矩恒定時，電機的轉(zhuǎn)速隨控制電壓變化的關(guān)系。 始動電壓 失靈區(qū) 26第26頁/共46頁27解：（解：（1）eaaaatteaeagteaeaKIRUIKKKRKUTKKRKUns V219. 060/24600055. 080110nIRUKaaaemNRUKIKTaatdtd185. 0805 .67219. 0rpmsradKUnea 2940/ 2 .308219. 05 .670理想空載轉(zhuǎn)速：理想空載轉(zhuǎn)速：堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：第27頁/共46頁28+_+_iUiRa

14、RaE（2）有內(nèi)阻的放大器控制電路原理圖）有內(nèi)阻的放大器控制電路原理圖在理想空載時，有Ia = 0，則理想空載轉(zhuǎn)速為：rpmsradKUnea 2940/2 .308219. 05 .670在堵轉(zhuǎn)時有Ea = 0, 則其堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為：mNRRUKIKTiaatdtd0924. 080805 .67219. 0第28頁/共46頁29+_+_iUiRaRaE（3）由轉(zhuǎn)速公式：）由轉(zhuǎn)速公式：eaaaKIRUn可得：可得：eaaKIRn由轉(zhuǎn)矩公式：由轉(zhuǎn)矩公式：atemIKT可得：可得：A0457. 0219. 001. 0temaKTI則直接供電時：則直接供電時：rpm159rad/s7 .16219.

15、 00457. 080eaaKIRn放大器供電時：放大器供電時：rpm319rad/s4 .13219. 00457. 0160)(eaiaKIRRn第29頁/共46頁4. 動態(tài)特性（1）定義電樞控制時直流伺服電動機的動態(tài)特性，是指在電動機的電樞上外加階躍電壓時，電機的轉(zhuǎn)速增長過程。對直流伺服電動機的過渡過程要求越短越好，使得電動機的轉(zhuǎn)速變化能夠迅速跟上控制信號的變化。在它的動態(tài)特性中，是由兩個過渡過程交疊在一起的。首先是電樞繞組由于電感的作用，它的電流不能突然增長，有一個電氣過渡過程，相應(yīng)的它的電磁轉(zhuǎn)矩的增長也有一個過渡過程。由于電樞有轉(zhuǎn)動慣量，它的轉(zhuǎn)速也不能突然增長，是一個機械的過渡過程。

16、我們可以理解為由于機械和電氣的慣性，電動機的過渡過程是一個電氣的和機械的過渡過程交疊在一起的機電過渡過程。30第30頁/共46頁（2）基本方程式 電壓方程式 電磁轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)矩平衡方程式 )()()()(tUdttdiLtiRtUgaaaai)()()()(tKttKtUeg)()(tiKtTatg)()()()()(tBdttdJtTtTtTLfg31第31頁/共46頁 空載轉(zhuǎn)矩 ：轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的機械功率的一部分消耗于電動機中轉(zhuǎn)子的風(fēng)阻、機械磨擦和轉(zhuǎn)子鐵芯中在磁滯和渦流損耗，這一部分功率稱為磨擦或空載損耗，亦稱空載轉(zhuǎn)矩。 轉(zhuǎn)子的機械功率 轉(zhuǎn)子的電功率故： )()()()()(ttiKttTtPat

17、gg)()()()()(ttiKtitUtPaeaggteKK 32第32頁/共46頁（3）直流電動機的傳遞函數(shù) 速度輸出為：)()()()()()(21sTsTsGsUsGsLfa33第33頁/共46頁電壓-速度傳遞函數(shù)為 :1)()()()(20)()(1ssKKKBJsRsLKsUssGmetaatsTsTaLf式中 :為電動機常數(shù) etaaaetaaetatmKKBRBLJRKKBRJLKKBRKK,mK若令：電氣時間常數(shù) ，機械時間常數(shù) aaeRLBJmetmeatKKssBRKsG) 1)(1()(1若電樞電感很小，則電氣時間常數(shù)可以忽略不計，則有： 1)(1sKsGm其中： et

18、aaKKBRJR34第34頁/共46頁負載轉(zhuǎn)矩-速度傳遞函數(shù)為： 1 1)()()()(20)(2sssRLKKRsTsTssGaamtasULfa略去電樞電感： 1)(2sKKRsGmta35第35頁/共46頁（4）小結(jié) 系統(tǒng)為一個雙端輸入系統(tǒng) 對軸轉(zhuǎn)速的輸出是一個二階系統(tǒng) 略去電樞電感后為一個一階系統(tǒng) 若以轉(zhuǎn)角輸出是一個I型系統(tǒng)，則對于轉(zhuǎn)角的階躍響應(yīng)是無差的。 36第36頁/共46頁5. 5. 其他型式直流伺服電動機 （1 1）無刷直流伺服電動機結(jié)構(gòu)37第37頁/共46頁 工作原理 轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生：轉(zhuǎn)子永磁體所產(chǎn)生的磁勢與電樞繞組所產(chǎn)生的磁勢相互作用，使轉(zhuǎn)子按一定方向旋轉(zhuǎn)，同時晶體管開關(guān)電路依據(jù)

19、轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號使不同的電樞繞組通電，改變電樞繞組所產(chǎn)生的磁勢，使得轉(zhuǎn)子能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。 38第38頁/共46頁 各繞組的通電狀態(tài)： 優(yōu)缺點：具有直流電動機的機械特性和調(diào)節(jié)特性，又具有交流電動機的維護方便、運行可靠等優(yōu)點。但是成本較高，總的體積亦較大。 39第39頁/共46頁（2 2）直流力矩電動機 伺服電動機和驅(qū)動電動機結(jié)合起來發(fā)展而成的特殊電機。它可以不經(jīng)過齒輪等減速機構(gòu)而直接驅(qū)動負載。響應(yīng)快，精度高，調(diào)速特性和機械特性的線性度好，可長期處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速低，輸出力矩大，具有良好的低速平穩(wěn)性。 結(jié)構(gòu)特點：大內(nèi)孔盤式結(jié)構(gòu)，可直接套于負載軸上，剛度高，頻帶寬。且便于安放多個磁極。 40第

20、40頁/共46頁 運行性能分析 由于力矩電動機工作在低速直接驅(qū)動系統(tǒng)中，所以它的力矩波動、調(diào)節(jié)特性的線性度、電氣時間常數(shù)等問題就顯得更加重要。a) a) 力矩波動：指輸出轉(zhuǎn)矩的峰值與平均值之差，為表征力矩電動機性能優(yōu)劣的一個重要的性能指標(biāo)，也是影響力矩電動機用于直接驅(qū)動系統(tǒng)低速平穩(wěn)運行的重要因素之一。 產(chǎn)生原因：主要有換向、電樞齒槽等。 解決措施： 采用扁平式結(jié)構(gòu)；適當(dāng)減少電刷長度；盡可能增多槽數(shù)；加大氣隙；采用磁性槽楔、斜槽用磁極橋等；并且正確地選擇電樞的槽數(shù)，使它與電機的極對數(shù)之間無公約數(shù)。 41第41頁/共46頁b) b) 調(diào)節(jié)特性的線性度：除了采用以上的措施外，還應(yīng)盡量減小電樞反應(yīng)的去磁作用。如將磁路設(shè)計成高飽和狀態(tài)，并選用磁導(dǎo)率小、回復(fù)線較平的永磁材料做磁極，并且選取較大的間隙，從而使電樞反應(yīng)的影響顯著減小。 c)c)電氣時間常數(shù)：電樞電感的大小，直接影響電氣時間常數(shù)的大小。電感的大小取決于電樞繞組的磁鏈。 它有兩部分電樞反應(yīng)磁鏈和漏磁鏈。 電樞反應(yīng)磁鏈減小方法：增加極對數(shù)；加大電機的氣隙。 漏磁鏈減小方法：提高電樞鐵芯的飽和程度。 42第42頁/共46頁(3)(3)電機的連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：是指在長期堵轉(zhuǎn)下，穩(wěn)定溫