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第五章伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服系統(tǒng)概述步進(jìn)伺服系統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)檢測(cè)元件第一節(jié)伺服系統(tǒng)概述一、伺服系統(tǒng)的定義二、伺服系統(tǒng)的組成三、伺服系統(tǒng)的分類(lèi)四、對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求一、伺服系統(tǒng)的定義是以機(jī)械位置(線(xiàn)位移、角位移)以及速度(線(xiàn)速度、角速度)作為控制目標(biāo)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。也可稱(chēng)為隨動(dòng)系統(tǒng),簡(jiǎn)稱(chēng)為伺服系統(tǒng)。CNC裝置是數(shù)控機(jī)床的“大腦(指揮機(jī)構(gòu))”,伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的“四肢(執(zhí)行機(jī)構(gòu))”。二、伺服系統(tǒng)的組成位置控制單元;速度控制單元;伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī);檢測(cè)與反饋單元伺服驅(qū)動(dòng)裝置:速度控制單元+伺服電動(dòng)機(jī)速度控制單元:速度調(diào)節(jié)器+電流調(diào)節(jié)器+功率驅(qū)動(dòng)電源伺服電動(dòng)機(jī):步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋數(shù)控系統(tǒng)工作過(guò)程譯碼刀補(bǔ)處理插補(bǔ)處理PLC控制進(jìn)給伺服系統(tǒng)切削運(yùn)動(dòng)、機(jī)床I/O裝置成形運(yùn)動(dòng)加工程序三、伺服系統(tǒng)的分類(lèi)按控制方法:開(kāi)環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)按驅(qū)動(dòng)元件:步進(jìn)、直流、交流伺服系統(tǒng)按反饋比較控制方式:脈沖比較、相位比較、幅值比較和全數(shù)字伺服系統(tǒng)四、對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求高精度:定位精度與重復(fù)定位精度(靜態(tài)、尺寸精度)、跟隨精度(動(dòng)態(tài)、輪廓精度).一般定位精度要求m級(jí),高的要求達(dá)到0.01~0.005m快速響應(yīng):超調(diào)小,過(guò)渡過(guò)程時(shí)間tp<200ms負(fù)載特性要硬:在系統(tǒng)負(fù)載范圍內(nèi),當(dāng)負(fù)載變化時(shí),輸出速度應(yīng)基本不變。即△F盡可能??;當(dāng)負(fù)載突變時(shí),要求速度的恢復(fù)時(shí)間短且無(wú)振蕩。即△t盡可能短寬調(diào)速范圍:調(diào)速范圍Rn=1---24000,且.1mm/minFmin1mm/min,低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好大轉(zhuǎn)矩:低速大扭矩可靠性高,平均故障間隔時(shí)間(MBTF)長(zhǎng)第三節(jié)步進(jìn)伺服系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)(驅(qū)動(dòng)電源)一、分類(lèi)二、結(jié)構(gòu)及工作原理:反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三、運(yùn)行性能四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)五、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一、分類(lèi)1、按工作原理:反應(yīng)式、電磁式、永磁式、混合式等2、按運(yùn)動(dòng)方式:旋轉(zhuǎn)式、直線(xiàn)式、平面運(yùn)動(dòng)式、滾切運(yùn)動(dòng)式。3、按結(jié)構(gòu):有單段式、多段式,印刷繞組式。4、按相數(shù):三相、四相、五相、六相和八相。5、按使用頻率:有高頻和低頻。二、結(jié)構(gòu)及工作原理(反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī))1、基本概念:1)結(jié)構(gòu):定子、轉(zhuǎn)子。2)極距角:360/2m3)齒距角:360/Z二、結(jié)構(gòu)及工作原理(反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī))2、工作原理:磁力線(xiàn)力圖走磁阻最小路徑,使磁力線(xiàn)最短,定、轉(zhuǎn)子間磁拉力的切向力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩;各相定子的齒間彼此相錯(cuò)1/m轉(zhuǎn)子齒距角(360/Z)。步距角:每改變一次通電狀態(tài)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過(guò)的角度 (mZK)K通電方式系數(shù),相鄰兩次通電相數(shù)相同,則K=1;否則K=2數(shù)控機(jī)床:0.18/0.36,0.36/0.72,0.6/1.2,0.75/1.5,1.5/3二、結(jié)構(gòu)及工作原理(反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī))3、通電方式: 三向單三拍 三向六拍A通A斷B通A向B向C向轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子A通B通A向B向C向轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子二、結(jié)構(gòu)及工作原理(反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī))3、通電方式1)三相單三拍(1相通電)逆時(shí)針:ABCA…順時(shí)針:ACBA…2)三相雙三拍(2相通電):ABBCCAAB…(逆時(shí)針);3)三相六拍(1-2相通電):AABBBCCCAA…逆時(shí)針)4)m>3的通電方式(四相八拍、五相十拍等)特點(diǎn)4、特點(diǎn):1)電脈沖機(jī)械角位移角位移大小輸入脈沖個(gè)數(shù)角速度大小輸入脈沖頻率方向:繞組通電順序2)控制性能好,控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠,成本低;3)控制精度受步距角限制,高負(fù)載或高速度時(shí)易失步。

三、運(yùn)行性能1、靜態(tài)矩角特性曲線(xiàn)2、最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax3、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq4、空載啟動(dòng)頻率fq與啟動(dòng)矩頻特性5、連續(xù)運(yùn)行頻率與運(yùn)行矩頻特性1、靜態(tài)矩角特性曲線(xiàn)1)轉(zhuǎn)子初始穩(wěn)定平衡位置:空載時(shí)某相通電,定、轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊,轉(zhuǎn)子上無(wú)轉(zhuǎn)矩輸出(不改變通電狀態(tài)時(shí),轉(zhuǎn)子處于不動(dòng)狀態(tài));2)失調(diào)角:轉(zhuǎn)子上加負(fù)載轉(zhuǎn)矩后達(dá)到與T相平衡時(shí)所轉(zhuǎn)過(guò)的電角度;3)靜態(tài)矩角特性曲線(xiàn):轉(zhuǎn)子上靜態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩T與失調(diào)角e的關(guān)系。A通定子轉(zhuǎn)子2、最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax:步進(jìn)電機(jī)承受負(fù)載的能力.最大靜轉(zhuǎn)矩特性:指在一定的通電狀態(tài)下,最大靜轉(zhuǎn)距與繞組內(nèi)電流的關(guān)系。額定電流I↑→Tjmax↑→負(fù)載能力↑→運(yùn)行快速性和穩(wěn)定性↑TmaxI03、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq:兩個(gè)矩角特性曲線(xiàn)的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩拍數(shù)(mK)↑→Tq↑4、空載啟動(dòng)頻率fq與啟動(dòng)矩頻特性空載啟動(dòng)頻率fq:步進(jìn)電機(jī)在空載時(shí)由靜止?fàn)顟B(tài)能不失步啟動(dòng)進(jìn)入正常運(yùn)行的最高頻率。fq↑→快速性↑啟動(dòng)矩頻特性:步進(jìn)電機(jī)在帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系5、連續(xù)運(yùn)行頻率與運(yùn)行矩頻特性空載運(yùn)行頻率(連續(xù)運(yùn)行頻率)fmax:步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)后能不失步連續(xù)運(yùn)行的最高頻率運(yùn)行矩頻特性:步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出電磁轉(zhuǎn)矩T與連續(xù)運(yùn)行頻率f之間的關(guān)系(衡量電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)承載能力的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo))。f↑→繞組感抗↑→電流波形變壞→電流幅值↓→T↓四、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)1、環(huán)形脈沖分配器1)作用與分類(lèi)2)硬件環(huán)形分配器3)軟件環(huán)形分配器2、功率放大器步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1、環(huán)形脈沖分配器1)作用與分類(lèi)作用:將數(shù)控裝置發(fā)出的脈沖分配給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各相輸入端,使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各繞組按一定的順序和時(shí)間通電和斷電,并使電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。分類(lèi): 硬件環(huán)形分配:I/O線(xiàn)少,速度高,專(zhuān)用集成電路芯片;軟件環(huán)形分配:線(xiàn)路簡(jiǎn)化,靈活性大,成本低,I/O線(xiàn)多,速度慢2)硬件環(huán)形分配器YB013引腳及功能123456789181716151413121110CP-+CVCCBAYB013SG選通輸出控制清零3,4勵(lì)磁方式控制A0=0,A1=0三相單三拍A0=0,A1=1三相雙三拍A0=1三相六拍5,6選通輸入控制9接地時(shí)鐘輸入12,11正、反轉(zhuǎn)控制13出錯(cuò)報(bào)警輸出18,17,15A,B,C相輸出16電源PA0PA18155PA2PA5PA6PA7PA3PA4TMOUT光電隔離功率放大Z向光電隔離功率放大X向GNDVccA0A1E0E1E2RABCDE+-CPA0A1E0E1E2RABC+-CPVccGNDVccGND+5V+5VYB015YB013

控制字±XX向E0±ZR

Z向E0PA4PA3PA2PA1PA03)軟件環(huán)形分配器8031PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7

光電隔離電路功率放大電路XZABCabc8155軟件環(huán)形分配器輸出狀態(tài)表

X向步進(jìn)電機(jī)Z向步進(jìn)電機(jī)節(jié)拍CBA存儲(chǔ)單元方向節(jié)拍cba

存儲(chǔ)單元方向PA2PA1PA0地址內(nèi)容PA5PA4PA3地址內(nèi)容10012A00H01H逆轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)10012A10H08H逆轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)20112A01H03H20112A11H18H30102A02H02H30102A12H10H41102A03H06H41102A13H30H51002A04H04H51002A14H20H61012A05H05H61012A15H28H2、功率放大器作用:將環(huán)形分配器或I/O口輸出的弱電信號(hào)放大,給步進(jìn)電機(jī)每相繞組提供脈沖勵(lì)磁電流分類(lèi):按驅(qū)動(dòng)方式:?jiǎn)螇候?qū)動(dòng)、雙壓(高低壓)驅(qū)動(dòng)按功率開(kāi)關(guān)元件:功率晶體管驅(qū)動(dòng)、晶閘管驅(qū)動(dòng)按控制方式:高低壓定時(shí)控制、恒流斬波控制、脈寬控制單電壓與高低壓驅(qū)動(dòng)電路2、功率放大器單電壓驅(qū)動(dòng)電路原理圖2、功率放大器高低壓驅(qū)動(dòng)電路原理圖it0斬波驅(qū)動(dòng)電路原理圖it0五、步進(jìn)電機(jī)的選用1、精度與速度2、啟動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性例:下面舉一個(gè)模擬工作臺(tái)的例子。工作臺(tái)的縱向軸是導(dǎo)程P=1.25mm的普通絲桿副,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)一對(duì)降速齒輪副與絲杠聯(lián)接。設(shè)①絲杠軸向的負(fù)載Fa=5000N;②最大進(jìn)給速度Vmax=0.8m/min;③脈沖當(dāng)量=0.002mm/step;④傳動(dòng)的總效率是=0.255。請(qǐng)選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。設(shè)選用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角s=0.75o/step第四節(jié)直流伺服系統(tǒng)一、直流伺服電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)及特點(diǎn)二、直流伺服電動(dòng)機(jī)的速度控制單元一、直流伺服電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)及特點(diǎn)小慣量直流伺服電機(jī):快速響應(yīng)、過(guò)載能力低、慣量匹配差無(wú)槽電樞式:適于快速動(dòng)作、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、功率較大;印刷繞組式:適于低速運(yùn)行和頻繁啟動(dòng)、反轉(zhuǎn);空心杯電樞式:適于快速動(dòng)作;寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī):轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、過(guò)載能力強(qiáng)、易調(diào)試;電磁式:換向性好、成本低;永磁式:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、耗電少、低速和啟動(dòng)輸出力矩大;二、直流伺服電動(dòng)機(jī)的速度控制單元1、工作原理2、轉(zhuǎn)矩平衡式3、電壓平衡式4、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系5、調(diào)速方式6、過(guò)渡過(guò)程7、速度控制單元1、工作原理U+–NS電刷換向片直流電源電刷換向器線(xiàn)圈IINS1、工作原理轉(zhuǎn)子繞組形成的磁場(chǎng)始終與定子磁勢(shì)正交,產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。2、轉(zhuǎn)矩平衡式1)電磁轉(zhuǎn)矩:2)總阻轉(zhuǎn)矩Ts=阻轉(zhuǎn)矩To+負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tr:3)慣性轉(zhuǎn)矩TJ:4)轉(zhuǎn)矩平衡方程式:3、電壓平衡式1)電樞繞組上的反電動(dòng)勢(shì):2)外加電壓為Ua,則電壓平衡式為:4、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系5、調(diào)速方式1)改變Ra2)改變?chǔ)?)改變Ua(直流電機(jī)采用)6、過(guò)渡過(guò)程1)機(jī)械過(guò)渡:電機(jī)和負(fù)載有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,轉(zhuǎn)速改變有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程,稱(chēng)為機(jī)械過(guò)渡。機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是造成機(jī)械過(guò)渡過(guò)程的主要因素。2)電磁過(guò)渡:電樞繞組有電感,電流改變有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程。電感是造成電磁過(guò)渡的主要因素。3)在過(guò)渡過(guò)程中,電壓平衡方程式中需要加一面感抗負(fù)載,轉(zhuǎn)矩平衡方程式中需加慣量負(fù)載。7、速度控制單元1)速度控制單元類(lèi)型:晶閘管(可控硅)調(diào)速系統(tǒng):大功率,要求不是很高;大功率晶體管脈寬調(diào)制(PWM:PulseWidthModulation)調(diào)速系統(tǒng):線(xiàn)路簡(jiǎn)單、效率高、調(diào)速范圍寬、快速響應(yīng)好、抗干擾強(qiáng);2)直流PWM調(diào)速的基本原理:通過(guò)控制電樞電壓的占空比,從而改變其平均電壓,完成轉(zhuǎn)速控制。SUmT忽略電樞內(nèi)阻上壓降,則電樞回路靜態(tài)方程式為:7、速度控制單元3)速度控制單元的組成及其作用速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器PWM調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路直流斬波器電機(jī)+-+-ugiufiVcmdTsaue電流反饋速度反饋PWM調(diào)制器:產(chǎn)生PWM脈沖的環(huán)節(jié),經(jīng)放大后繪驅(qū)動(dòng)直流斬波器驅(qū)動(dòng)電路:大功率管驅(qū)動(dòng)電路。晶體管直流斬波器:將直流電源電壓變換成寬度可調(diào)的方波脈沖,加在電機(jī)電樞兩端。第四節(jié)交流伺服系統(tǒng)

交流伺服系統(tǒng):速度控制單元+交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)的特點(diǎn):容量范圍大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、電機(jī)結(jié)構(gòu)和維護(hù)簡(jiǎn)單、重量和體積小、堅(jiān)固耐用,運(yùn)行可靠、價(jià)格低一、交流伺服電動(dòng)機(jī)

?

分類(lèi)及特點(diǎn)永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)與無(wú)刷直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)類(lèi)似,當(dāng)采用直流驅(qū)動(dòng)時(shí),稱(chēng)為無(wú)刷直流伺服電機(jī);當(dāng)采用交流驅(qū)動(dòng)時(shí),稱(chēng)為交流伺服電機(jī),用于進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)感應(yīng)異步交流伺服電動(dòng)機(jī)與交流異步電機(jī)結(jié)構(gòu)類(lèi)似,轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固,電機(jī)成本低,過(guò)載能力強(qiáng),與永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)相比效率低、體積大,多用于主軸驅(qū)動(dòng)§5.4交流伺服系統(tǒng)

恒磁通變頻調(diào)速:變頻變壓;二、交流伺服電動(dòng)機(jī)的速度控制單元

?

速度控制方式及類(lèi)型永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法§5.4交流伺服系統(tǒng)

速度控制單元類(lèi)型(永磁交流)矩形波電流驅(qū)動(dòng)的調(diào)速系統(tǒng)(PWM變頻調(diào)速系統(tǒng));正弦波電流驅(qū)動(dòng)的調(diào)速系統(tǒng)(SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng));

?

正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)變頻調(diào)速系統(tǒng)的組成及作用

SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)組成控制部分:速度調(diào)節(jié)器、乘法器、電流調(diào)節(jié)器、三角波發(fā)生器、

SPWM調(diào)制器、基極驅(qū)動(dòng)電路等;

SPWM變頻器(SPWM主回路或功率放大器):二極管整流器

+SPWM逆變器;

變轉(zhuǎn)差率s:控制線(xiàn)路簡(jiǎn)單,成本↓,低速損耗↑;變磁極對(duì)數(shù)p:不能無(wú)級(jí)調(diào)速,僅產(chǎn)生2~3種轉(zhuǎn)速;變定子電源頻率f:效率↑,調(diào)速范圍↑,調(diào)速精度↑,動(dòng)態(tài)特性↑;異步交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法§5.4交流伺服系統(tǒng)

(國(guó)防p183圖4-25,4-24)永磁同步電機(jī)SPWM調(diào)速系統(tǒng)§5.4交流伺服系統(tǒng)

§5.4交流伺服系統(tǒng)

SPWM變頻器(交—直—交型變頻器)的作用電網(wǎng)工頻交流電壓→整流器→直流電壓→逆變器→三相可調(diào)頻調(diào)壓的正弦電流(SPWM波)→交流伺服電機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩?

SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)工作原理

SPWM主回路SPWM調(diào)制方法(SPWM變頻器控制信號(hào)的形成方法)正弦波(控制波)三角波(載波)調(diào)制:SPWM調(diào)制波§5.4交流伺服系統(tǒng)

與正弦波等效的SPWM波SPWM調(diào)制波的形成第二節(jié)伺服系統(tǒng)檢測(cè)元件位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋第二節(jié)伺服系統(tǒng)檢測(cè)元件一、綜述(數(shù)控機(jī)床檢測(cè)裝置的類(lèi)型與要求及位置檢測(cè)裝置的分類(lèi))二、旋轉(zhuǎn)變壓器三、光柵測(cè)量裝置四、脈沖編碼器一、綜述位置檢測(cè)元件的性能要求可靠性、抗干擾能力和環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)滿(mǎn)足精度、速度和測(cè)量范圍的要求使用維護(hù)方便,便于與CNC系統(tǒng)相聯(lián)成本↓,壽命↑位置檢測(cè)裝置的分類(lèi)按檢測(cè)元件輸出信號(hào)類(lèi)型:數(shù)字式、模擬式按檢測(cè)量測(cè)量基準(zhǔn):絕對(duì)式、增量式按被測(cè)位移量類(lèi)型:直線(xiàn)式、回轉(zhuǎn)式按與被測(cè)對(duì)象聯(lián)系方式:接觸式、非接觸式二、旋轉(zhuǎn)變壓器1、工作原理2、工作方式1、工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器根據(jù)互感原理,在定子繞組上加交流勵(lì)磁電壓時(shí),通過(guò)互感在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。關(guān)系為:式中:k為定子與轉(zhuǎn)子繞組的匝數(shù)比;Um:最大瞬時(shí)電壓θ

:兩繞組軸線(xiàn)間夾角。機(jī)床中常用正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器2、工作方式1)旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)處理方式有兩種:鑒相型工作方式和鑒幅型工作方式。

2)鑒相型工作方式:當(dāng)給定子兩繞

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