機(jī)電傳動(dòng)及控制第3章(上)

1、第第3 3章：控制電機(jī)章：控制電機(jī)本章基本要求和重點(diǎn)：本章基本要求和重點(diǎn)：1 1、掌握對(duì)控制電機(jī)的主要要求。、掌握對(duì)控制電機(jī)的主要要求。 它是用來完成信息的傳遞和變換，應(yīng)具有良好的可控性，快它是用來完成信息的傳遞和變換，應(yīng)具有良好的可控性，快速響應(yīng)，大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，精度要高，誤差要小。速響應(yīng)，大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，精度要高，誤差要小。2 2、了解機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)中一些常用控制電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。、了解機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)中一些常用控制電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。3 3、重點(diǎn)掌握各種控制電機(jī)的基本工作原理、重點(diǎn)掌握各種控制電機(jī)的基本工作原理、 主要運(yùn)行特性及特主要運(yùn)行特性及特點(diǎn)。點(diǎn)。4 4、了解各種控制電

2、機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)所，以便正確選用和使用它們。、了解各種控制電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)所，以便正確選用和使用它們。5 5、難點(diǎn)是理解交流伺服電動(dòng)機(jī)的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象及消除原理。、難點(diǎn)是理解交流伺服電動(dòng)機(jī)的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象及消除原理。 伺服電動(dòng)機(jī)也稱為伺服電動(dòng)機(jī)也稱為執(zhí)行執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換軸上的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換軸上的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速，有直流和交流兩種，最大的特點(diǎn)是速，有直流和交流兩種，最大的特點(diǎn)是可控可控。與普通電機(jī)相比：有。與普通電機(jī)相比：有調(diào)速范圍廣、能實(shí)現(xiàn)迅速的啟和停、過載能力強(qiáng)，可靠性好等特點(diǎn)。調(diào)速范圍廣、能實(shí)現(xiàn)迅速的啟和停、過載能力強(qiáng)，可靠性好等特點(diǎn)。3.1.13.1.1兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)兩相交流伺服電動(dòng)

3、機(jī)的結(jié)構(gòu) 其定子繞組與單相電容分相式異步電動(dòng)機(jī)相似，嵌入兩個(gè)相差其定子繞組與單相電容分相式異步電動(dòng)機(jī)相似，嵌入兩個(gè)相差9090度的繞組，勵(lì)磁繞組和控制繞組，它們分別接入兩個(gè)不同的交流度的繞組，勵(lì)磁繞組和控制繞組，它們分別接入兩個(gè)不同的交流電源（同頻率）。電源（同頻率）。 其轉(zhuǎn)子一般分為鼠籠轉(zhuǎn)子和杯形轉(zhuǎn)子兩種。使用最多的是鼠籠其轉(zhuǎn)子一般分為鼠籠轉(zhuǎn)子和杯形轉(zhuǎn)子兩種。使用最多的是鼠籠轉(zhuǎn)子的交流伺服電動(dòng)機(jī)。轉(zhuǎn)子的交流伺服電動(dòng)機(jī)。n1)1)定子：定子： n定子由硅鋼片疊成：定子由硅鋼片疊成：n在定子鐵心的內(nèi)圓表面嵌在定子鐵心的內(nèi)圓表面嵌 n有兩套相差有兩套相差9090度電角度的繞組：激度電角度的繞組：激

4、磁繞組磁繞組WF,WF,控制繞組控制繞組WCWC； n這兩套繞組分別由兩個(gè)電源供電。這兩套繞組分別由兩個(gè)電源供電。n2)2)轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子：n分為鼠籠型和杯型兩種分為鼠籠型和杯型兩種。 n(1)(1)鼠籠型轉(zhuǎn)子作得細(xì)而鼠籠型轉(zhuǎn)子作得細(xì)而長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體采用高電阻長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體采用高電阻率的材料率的材料. .用于小功率的用于小功率的自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng). .產(chǎn)品型號(hào)產(chǎn)品型號(hào)SLSL系列。系列。 n(2)(2)空心杯型轉(zhuǎn)子作成薄空心杯型轉(zhuǎn)子作成薄壁圓筒形壁圓筒形, ,放在內(nèi)外定子放在內(nèi)外定子之間，用于要求運(yùn)行平滑之間，用于要求運(yùn)行平滑的系統(tǒng)，產(chǎn)品型號(hào)的系統(tǒng)，產(chǎn)品型號(hào)SKSK系列系列。杯型轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)

5、構(gòu)圖杯型轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖 激磁繞組激磁繞組1;1;控制繞組控制繞組2;2;內(nèi)定子內(nèi)定子3; 3; 外定子外定子4;4;轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子5 53.1.2 3.1.2 基本工作原理基本工作原理 以單相異步電動(dòng)機(jī)原理為基礎(chǔ)。勵(lì)磁繞組接到電壓一定的交流電以單相異步電動(dòng)機(jī)原理為基礎(chǔ)。勵(lì)磁繞組接到電壓一定的交流電網(wǎng)上，當(dāng)控制繞組上有控制信號(hào)輸入時(shí)，兩相繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。網(wǎng)上，當(dāng)控制繞組上有控制信號(hào)輸入時(shí)，兩相繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。同步轉(zhuǎn)速為：同步轉(zhuǎn)速為：pfn 600 把控制電壓的相位改變把控制電壓的相位改變180度，可改變伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。度，可改變伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。要求控制電壓一但取消，電動(dòng)機(jī)必須停轉(zhuǎn)

6、。但是取消控制電壓后，要求控制電壓一但取消，電動(dòng)機(jī)必須停轉(zhuǎn)。但是取消控制電壓后，勵(lì)磁電壓仍可使電動(dòng)機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，既所謂勵(lì)磁電壓仍可使電動(dòng)機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，既所謂“自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象?，F(xiàn)象。3 3.1.3 .1.3 消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象的措施消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象的措施 其解決辦法是，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條具有較其解決辦法是，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條具有較大的電阻。這樣最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在大的電阻。這樣最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在s=1s=1附近。附近?？傻贸霾煌D(zhuǎn)子電阻的伺服電動(dòng)機(jī)機(jī)械可得出不同轉(zhuǎn)子電阻的伺服電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線。特性曲線。232221rrr設(shè)計(jì)電阻使電動(dòng)機(jī)單相運(yùn)行時(shí)最大設(shè)計(jì)電阻使電動(dòng)機(jī)單相運(yùn)行時(shí)最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在S SMM大于大于1 1 處。處。

7、 由圖看出：曲線由圖看出：曲線1 1為有控制電壓時(shí)，曲線為有控制電壓時(shí)，曲線T T為去掉控制電壓時(shí)，此時(shí)為去掉控制電壓時(shí)，此時(shí)T T與與n n相反，成為制相反，成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它可使轉(zhuǎn)子迅速停止轉(zhuǎn)動(dòng)，保證不動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它可使轉(zhuǎn)子迅速停止轉(zhuǎn)動(dòng)，保證不會(huì)出現(xiàn)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。而勵(lì)磁繞組始終接在電源會(huì)出現(xiàn)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。而勵(lì)磁繞組始終接在電源上。合成電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在第二和第四象限。上。合成電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在第二和第四象限?？刂品椒ㄓ蟹悼刂?、相位控制、幅值控制方法有幅值控制、相位控制、幅值-相位控制相位控制幅值控制接線圖幅值控制接線圖3.1.4 3.1.4 特性和應(yīng)用特性和應(yīng)用不同電壓下的機(jī)械特性曲線不同電壓下的機(jī)械特性曲線

8、 由圖可見：在一定負(fù)載下，控制電壓越高，由圖可見：在一定負(fù)載下，控制電壓越高，S S越小，轉(zhuǎn)速越高。越小，轉(zhuǎn)速越高。改變電壓可改變轉(zhuǎn)速。改變電壓可改變轉(zhuǎn)速。應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例典型應(yīng)用方框圖典型應(yīng)用方框圖兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)用非常廣泛：兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)用非常廣泛： 可以方便的利用控制電壓的有無來進(jìn)行啟動(dòng)、停止，利用可以方便的利用控制電壓的有無來進(jìn)行啟動(dòng)、停止，利用改變電壓的幅值（或相位）大小來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的高低。而伺服電動(dòng)改變電壓的幅值（或相位）大小來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的高低。而伺服電動(dòng)機(jī)的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能。選擇時(shí)要注意系統(tǒng)對(duì)伺服機(jī)的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能。選擇時(shí)要注意系統(tǒng)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的靜

9、態(tài)、動(dòng)態(tài)特性的要求。一般輸出功率不大。電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性的要求。一般輸出功率不大。3.2 3.2 交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī) 交流伺服電動(dòng)機(jī)減去了直流伺服電動(dòng)機(jī)中的換向器，交流伺服電動(dòng)機(jī)減去了直流伺服電動(dòng)機(jī)中的換向器，提高了運(yùn)行的可靠性。提高了運(yùn)行的可靠性。 一、三相交流永磁伺服結(jié)構(gòu)一、三相交流永磁伺服結(jié)構(gòu) 1.1.定子定子 三相繞組和鐵芯組成。三相繞組和鐵芯組成。三相繞組三相繞組直流供電，由電子直流供電，由電子換向器輪流供電換向器輪流供電，以產(chǎn)生旋，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。（轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。（同步電機(jī)同步電機(jī)） 2.2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 永磁鐵芯。永磁鐵芯。 二、無刷直流電動(dòng)機(jī)二、無刷直流電動(dòng)機(jī) 1. 1.結(jié)

10、構(gòu)結(jié)構(gòu) 相當(dāng)于一臺(tái)反裝式相當(dāng)于一臺(tái)反裝式直流電動(dòng)機(jī)。定子為三直流電動(dòng)機(jī)。定子為三相繞組和鐵芯組成。三相繞組和鐵芯組成。三相繞組直流供電，由電相繞組直流供電，由電子換向器輪流供電，以子換向器輪流供電，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 轉(zhuǎn)子為永磁體，轉(zhuǎn)子軸上裝有轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器、測(cè)速發(fā)轉(zhuǎn)子為永磁體，轉(zhuǎn)子軸上裝有轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和光電脈沖編碼器。電機(jī)和光電脈沖編碼器。 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器：轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器：輸出信號(hào)控制電子換向器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)輸出信號(hào)控制電子換向器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的換向，即電子換向器中的晶體管的導(dǎo)通和截止由轉(zhuǎn)子位機(jī)的換向，即電子換向器中的晶體管的導(dǎo)通和截止由轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器的輸出信號(hào)控制。

11、置檢測(cè)器的輸出信號(hào)控制。 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器的種類：光電式、電磁式、接近開關(guān)式。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器的種類：光電式、電磁式、接近開關(guān)式。 測(cè)速發(fā)電機(jī)：測(cè)速發(fā)電機(jī)：檢測(cè)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行速度，用于速度反饋。檢測(cè)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行速度，用于速度反饋。 光電編碼器：光電編碼器：檢測(cè)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，輸出信號(hào)反饋給檢測(cè)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，輸出信號(hào)反饋給CNCCNC實(shí)現(xiàn)位置控制。實(shí)現(xiàn)位置控制。 2. 2.工作原理工作原理 三相繞組直流供電，由電子換向器輪流供電，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。三相繞組直流供電，由電子換向器輪流供電，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 它的基本結(jié)構(gòu)和工作原理與普通直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)相同，不同點(diǎn)它的基本結(jié)構(gòu)和工作原理與普通直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)相同，

12、不同點(diǎn)在于做的細(xì)長(zhǎng)一點(diǎn)，以便滿足快速響應(yīng)的要求。在于做的細(xì)長(zhǎng)一點(diǎn)，以便滿足快速響應(yīng)的要求。2ceemURnTCC C 由上式可以看出：改變控制電壓和改變磁通都可以控制伺服電由上式可以看出：改變控制電壓和改變磁通都可以控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。前者是機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。前者是電樞控制電樞控制（常用），后者是（常用），后者是磁場(chǎng)控制磁場(chǎng)控制。 在磁通不變的情況下，在一定的負(fù)在磁通不變的情況下，在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，升高電壓，電機(jī)轉(zhuǎn)速就上升。載轉(zhuǎn)矩下，升高電壓，電機(jī)轉(zhuǎn)速就上升。反之就下降，電機(jī)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。反之就下降，電機(jī)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。 直流伺服電動(dòng)機(jī)與兩相交流伺服直流伺服電動(dòng)機(jī)與兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

13、相比較，前者堵轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性相比較，前者堵轉(zhuǎn)矩大，特性曲線線性度好，機(jī)械特性較硬，大，特性曲線線性度好，機(jī)械特性較硬，但缺點(diǎn)是有換向器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易產(chǎn)生但缺點(diǎn)是有換向器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易產(chǎn)生無線電干擾。通常用于功率稍大的系統(tǒng)無線電干擾。通常用于功率稍大的系統(tǒng)中。中。n結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn):扁平狀扁平狀. n工作原理工作原理:同電磁式伺服電動(dòng)機(jī)同電磁式伺服電動(dòng)機(jī).1.定子定子 2.電樞電樞 3.電刷架電刷架3.3.4 4.1 .1 永磁式直流力矩電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)永磁式直流力矩電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)3.3.4 4.2 .2 直流力矩電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速低的原因直流力矩電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速低的原因1 1. .

14、轉(zhuǎn)矩大的原因轉(zhuǎn)矩大的原因 由直流電動(dòng)機(jī)的基本原理可知：每根導(dǎo)體由直流電動(dòng)機(jī)的基本原理可知：每根導(dǎo)體所受的電磁力為：所受的電磁力為：lIBFa電磁轉(zhuǎn)矩為：電磁轉(zhuǎn)矩為：DlNIBDFNTa22 在電樞體積相同條件下，保持在電樞體積相同條件下，保持 不變，在相同電流和不變，在相同電流和相同用銅量條件下，應(yīng)保持相同用銅量條件下，應(yīng)保持 不變。所以滿足上述條件，轉(zhuǎn)不變。所以滿足上述條件，轉(zhuǎn)矩與直徑近似成正比關(guān)系。矩與直徑近似成正比關(guān)系。lD 2lN 2 2. .轉(zhuǎn)速低的原因轉(zhuǎn)速低的原因?qū)w在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)為：導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)為：vlBea60nDv線速度為：線速度

15、為：設(shè)在一對(duì)電刷之間的并聯(lián)設(shè)在一對(duì)電刷之間的并聯(lián)支路數(shù)為支路數(shù)為2 2，N / 2N / 2根導(dǎo)體根導(dǎo)體串聯(lián)后總感應(yīng)電勢(shì)為串聯(lián)后總感應(yīng)電勢(shì)為EaEa，理想空載下則：理想空載下則： 在上式中，保持在上式中，保持NLNL不變下，理想空載轉(zhuǎn)速和電樞鐵心直不變下，理想空載轉(zhuǎn)速和電樞鐵心直徑成徑成反比關(guān)系。反比關(guān)系。1200nDlBNEaDlBNUna1200綜述：綜述： 在其他條件相同下，增大電動(dòng)機(jī)直徑，減少軸向長(zhǎng)度，可滿在其他條件相同下，增大電動(dòng)機(jī)直徑，減少軸向長(zhǎng)度，可滿足要求。（扁平狀結(jié)構(gòu)）。由于保證了能在低速或堵轉(zhuǎn)下運(yùn)行，足要求。（扁平狀結(jié)構(gòu)）。由于保證了能在低速或堵轉(zhuǎn)下運(yùn)行，加上它有精度高、反

16、應(yīng)速度快、線性度好等特點(diǎn)，應(yīng)用較廣。加上它有精度高、反應(yīng)速度快、線性度好等特點(diǎn)，應(yīng)用較廣。3.3.3 3.3.3 直流力矩電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用直流力矩電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用 對(duì)于一些控制設(shè)備和自動(dòng)裝置，（如傳真機(jī)、電鐘等）往往需要對(duì)于一些控制設(shè)備和自動(dòng)裝置，（如傳真機(jī)、電鐘等）往往需要速度恒定不變，使用之速度恒定不變，使用之。 它是交流同步電動(dòng)機(jī)，定子結(jié)構(gòu)與異步電動(dòng)機(jī)無本質(zhì)區(qū)別，轉(zhuǎn)子它是交流同步電動(dòng)機(jī)，定子結(jié)構(gòu)與異步電動(dòng)機(jī)無本質(zhì)區(qū)別，轉(zhuǎn)子上無繞組，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。上無繞組，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 它的它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，轉(zhuǎn)子中包括永久磁鐵和置于轉(zhuǎn)子鐵心中的是，轉(zhuǎn)子中包括永久磁鐵和置于轉(zhuǎn)子鐵心中的鼠籠繞組。（與大功

17、率同步電動(dòng)機(jī)不同）鼠籠繞組。（與大功率同步電動(dòng)機(jī)不同）它的它的工作原理工作原理與普通同步電動(dòng)機(jī)的原理相似。與普通同步電動(dòng)機(jī)的原理相似。 它也存在它也存在啟動(dòng)啟動(dòng)困難困難問題問題，為此轉(zhuǎn)子上的鼠籠繞組起了啟動(dòng)繞，為此轉(zhuǎn)子上的鼠籠繞組起了啟動(dòng)繞組的作用（即采用異步啟動(dòng)）。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過一定限度，電動(dòng)組的作用（即采用異步啟動(dòng)）。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過一定限度，電動(dòng)機(jī)將機(jī)將“失步失步”。適合于輕載啟動(dòng)。適合于輕載啟動(dòng)。srZZ rsZZ22它也是定子旋轉(zhuǎn)磁通轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距它也是定子旋轉(zhuǎn)磁通轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距后轉(zhuǎn)子需轉(zhuǎn)過的角度。后轉(zhuǎn)子需轉(zhuǎn)過的角度。電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度為：電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度為：因此定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度之比為：因此定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子