《電機與電氣控制應(yīng)用技術(shù)》課件項目四 控制電機的應(yīng)用

項目四控制電機的應(yīng)用課題一伺服電動機的應(yīng)用課題二步進電動機的應(yīng)用課題一伺服電動機的應(yīng)用

學(xué)習(xí)目標(biāo)?了解伺服電動機的結(jié)構(gòu)、特點和用途;?了解伺服電動機的基本工作原理;?了解伺服電動機的控制方式。控制電機是在普通旋轉(zhuǎn)電機基礎(chǔ)上產(chǎn)生的具有特殊功能的小型旋轉(zhuǎn)電機?？刂齐姍C在控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件、檢測元件和運算元件。從工作原理上看,控制電機和普通電機沒有本質(zhì)上的差異,但普通電機功率大,側(cè)重于電機的起動、運行和制動等方面的性能指標(biāo),而控制電機輸出功率較小,側(cè)重于電機控制的精度和響應(yīng)速度。伺服電動機的作用是將輸入的電壓信號(即控制電壓)轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度輸出,在自動控制系統(tǒng)中常作為執(zhí)行元件,所以伺服電動機又稱為執(zhí)行電動機,其最大特點是:有控制電壓時轉(zhuǎn)子立即旋轉(zhuǎn),無控制電壓時轉(zhuǎn)子立即停轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由控制電壓的方向和大小決定的。伺服電動機分為直流和交流兩大類。項目四控制電機的應(yīng)用一、交流伺服電動機1.基本結(jié)構(gòu)交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)同一般異步電動機相似,主要可分為兩大部分,即定子部分和轉(zhuǎn)子部分。定子繞組是兩相的,一相為勵磁繞組f,一相為控制繞組c。通?？刂葡喾殖蓛蓚€獨立且相同的部分,它們可以串聯(lián)或并聯(lián),供選擇兩種控制電壓用。勵磁繞組與控制繞組在空間相差90°電角度,其外形結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。交流伺服電動機就是兩相異步電動機。項目四控制電機的應(yīng)用

(1)高電導(dǎo)率導(dǎo)條的籠型轉(zhuǎn)子。它的結(jié)構(gòu)與普通籠型異步電動機類似,但是為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量,轉(zhuǎn)子做得細而長。轉(zhuǎn)子籠條和端環(huán)既可采用高電阻率的導(dǎo)電材料(如黃銅、青銅等)制造,也可采用鑄鋁轉(zhuǎn)子。圖4-1交流伺服電動機原理圖交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子通常采用以下兩種結(jié)構(gòu)形式:項目四控制電機的應(yīng)用(2)非磁性空心杯型轉(zhuǎn)子。非磁性空心杯型轉(zhuǎn)子交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。定子部分由外定子和內(nèi)定子兩部分組成。外定子鐵心槽中放置空間相距90°電角度的兩繞組,內(nèi)定子鐵心中不放繞組,僅作為電機磁路的一部分。在內(nèi)、外定子之間有細長的空心轉(zhuǎn)子裝在轉(zhuǎn)軸上,空心轉(zhuǎn)子做成杯子形狀,所以又稱為空心杯型轉(zhuǎn)子。圖4-2非磁性空心杯型轉(zhuǎn)子項目四控制電機的應(yīng)用非磁性空心杯型轉(zhuǎn)子的主要特點是將鋁或銅制成空心薄壁結(jié)構(gòu)。與籠型轉(zhuǎn)子相比較,非磁性空心杯型轉(zhuǎn)子的優(yōu)點是轉(zhuǎn)子慣性小,運轉(zhuǎn)平滑,無抖動現(xiàn)象,始動電壓低;缺點是內(nèi)、外定子間氣隙較大,勵磁電流大,利用率低,體積大,制造成本高?；\型轉(zhuǎn)子伺服電動機的優(yōu)點較多,目前被廣泛應(yīng)用。只有在要求運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)的某些特殊場合下(如積分電路等)才采用非磁性空心杯型轉(zhuǎn)子伺服電動機。項目四控制電機的應(yīng)用2.工作原理交流伺服電動機實際上是一種兩相異步電動機。在沒有控制電壓時,氣隙中只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場,轉(zhuǎn)子上沒有起動轉(zhuǎn)矩而靜止不動。當(dāng)有控制電壓且控制繞組電流和勵磁繞組電流相位不相同時,則在氣隙中產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,使轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)。但是對交流伺服電動機的要求不僅是在有控制電壓時能起動,而且在電壓消失后能立即停轉(zhuǎn)。如果交流伺服電動機在控制電壓消失后仍像一般單相異步電動機那樣繼續(xù)轉(zhuǎn)動,則出現(xiàn)失控現(xiàn)象,這種因失控而自行旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱為自轉(zhuǎn)。項目四控制電機的應(yīng)用

項目四控制電機的應(yīng)用由圖中可看出,合成轉(zhuǎn)矩的方向與交流伺服電動機旋轉(zhuǎn)方向相反,是一個制動轉(zhuǎn)矩,這就保證了當(dāng)控制電壓消失后轉(zhuǎn)子仍轉(zhuǎn)動時,交流伺服電動機將被迅速制動而停下。轉(zhuǎn)子電阻加大后,不僅可以消除自轉(zhuǎn),還具有擴大調(diào)速范圍、改善調(diào)節(jié)特性、提高反應(yīng)速度等優(yōu)點。圖4-3交流伺服電動機單相運行時的機械特性項目四控制電機的應(yīng)用3.控制方法交流伺服電動機不僅需要控制它的起動與停止,而且還需控制它的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向?？刹捎孟铝腥N方法來控制交流伺服電動機的轉(zhuǎn)速高低及旋轉(zhuǎn)方向:(1)幅值控制:保持控制電壓與勵磁電壓間的相位差不變,僅改變控制電壓的幅值。(2)相位控制:保持控制電壓的幅值不變,僅改變控制電壓與勵磁電壓間的相位差。(3)幅相控制:同時改變控制電壓的幅值和相位。交流伺服電動機運行平穩(wěn),噪音小,但控制特性為非線性并且因轉(zhuǎn)子電阻大而導(dǎo)致?lián)p耗大,效率低。與同容量直流伺服電動機相比其體積大,質(zhì)量大,所以只適用于0.5~100W的小功率自動控制系統(tǒng)中。項目四控制電機的應(yīng)用二、直流伺服電動機1.基本結(jié)構(gòu)直流伺服電動機的基本結(jié)構(gòu)與普通他勵直流電動機相同,所不同的是直流伺服電動機的電樞電流很小,換向不困難,因此不用裝換向磁極,并且轉(zhuǎn)子做得細長,氣隙較小,磁路不飽和,電樞電阻較大。直流伺服電動機按勵磁方式不同,可分為電磁式和永磁式兩種。電磁式直流伺服電動機的磁場由勵磁繞組產(chǎn)生,一般用他勵式;永磁式直流伺服電動機的磁場由永磁鐵產(chǎn)生,無需勵磁繞組和勵磁電流,可減小體積和損耗。為了適應(yīng)不同系統(tǒng)的需要,對電動機的結(jié)構(gòu)做了許多改進,又發(fā)展了低慣量的無槽電樞、空心杯型電樞、印制繞組電樞和無刷直流伺服電動機等品種。項目四控制電機的應(yīng)用2.工作原理傳統(tǒng)直流伺服電動機的基本工作原理與普通直流電動機完全相同,依靠電樞電流與氣隙磁通的作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,使直流伺服電動機轉(zhuǎn)動。直流伺服電動機通常采用電樞控制方式,即在保持勵磁電壓不變的條件下,通過改變電樞電壓來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。電樞電壓越小,則轉(zhuǎn)速越低;電樞電壓為零時,直流伺服電動機停轉(zhuǎn)。由于電樞電壓為零時電樞電流也為零,直流伺服電動機不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,不會出現(xiàn)“自轉(zhuǎn)”。直流伺服電動機在電樞控制方式運行時,特性的線性度好,調(diào)速范圍大,效率高,起動轉(zhuǎn)矩大,具有比較好的伺服性能。其缺點是電樞電流大,所需控制功率大,電刷和換向器維護工作量大,接觸電阻不夠穩(wěn)定,對低速運行的穩(wěn)定性有一定的影響。項目四控制電機的應(yīng)用課題二步進電動機的應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)?了解步進電動機的結(jié)構(gòu)、特點和用途;?了解步進電動機的基本工作原理。步進電動機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移的控制電機,在自動控制系統(tǒng)中作執(zhí)行元件。給步進電動機輸入一個電脈沖信號時,它就轉(zhuǎn)過一定的角度或移動一定的距離。由于其輸出的角位移或直線位移可以不是連續(xù)的,因此稱其為步進電動機。步進電動機的精度高、慣性小,不會因電壓波動、負載變化、溫度變化等原因而改變輸出量與輸入量之間的固定關(guān)系,其控制性能很好。步進電動機廣泛用于數(shù)控機床、計算機外圍設(shè)備等控制系統(tǒng)中。項目四控制電機的應(yīng)用一、步進電動機的分類步進電動機的種類很多,主要有反應(yīng)式、勵磁式等。反應(yīng)式步進電動機的轉(zhuǎn)子上沒有繞組,依靠變化的磁阻生成磁阻轉(zhuǎn)矩工作。勵磁式步進電動機的轉(zhuǎn)子上有磁極,依靠電磁轉(zhuǎn)矩工作。反應(yīng)式步進電動機的應(yīng)用最為廣泛,它有兩相、三相、多相之分,也有單段、多段之分。項目四控制電機的應(yīng)用二、單段式三相反應(yīng)式步進電動機1.基本結(jié)構(gòu)

下圖所示為單段三相反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)示意圖。其定子、轉(zhuǎn)子鐵心由軟磁材料或硅鋼片疊成凸極結(jié)構(gòu),定子、轉(zhuǎn)子磁極上均有小齒,定子、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)相等。定子磁極上套有星形連接的三相控制繞組,每兩個相對的磁極為一相,轉(zhuǎn)子上沒有繞組。項目四控制電機的應(yīng)用圖4-4三相反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)示意圖2.工作原理圖4-5單段三相反應(yīng)式步進電動機的工作原理項目四控制電機的應(yīng)用現(xiàn)以U→V→W→U的通電順序,使三相繞組輪流通入直流電流,觀察轉(zhuǎn)子的運動情況。當(dāng)U相繞組通電時,氣隙中生成以U-U為軸線的磁場。在磁阻轉(zhuǎn)矩的作用下,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到使1、3兩轉(zhuǎn)子齒與磁極U-U對齊的位置上。如果U相繞組不斷電,1、3兩轉(zhuǎn)子齒就一直被磁極U-U吸引住而不改變其位置,即轉(zhuǎn)子具有自鎖能力。

項目四控制電機的應(yīng)用

項目四控制電機的應(yīng)用可見,以U→V→W→U的通電順序使三個控制繞組不斷地輪流通電時,步進電動機的轉(zhuǎn)子就會沿UVW的方向一步一步地轉(zhuǎn)動。改變控制繞組的通電順序,如改為U→W→V→U的通電順序,則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反。以上通電方式中,通電狀態(tài)循環(huán)一周需要改變?nèi)?每次只有單獨一相控制繞組通電,稱之為三相單三拍運行方式。由于單獨一相控制繞組通電時容易使轉(zhuǎn)子在平衡位置附近來回擺動——振蕩,會使運行不穩(wěn)定,因此實際上很少采用三相單三拍的運行方式。項目四控制電機的應(yīng)用除此之外,還有三相雙三拍運行方式和三相六拍運行方式。三相雙三拍運行方式的每個通電狀態(tài)都有兩相控制繞組同時通電,通電狀態(tài)切換時總有一相繞組不斷電,不會產(chǎn)生振蕩。圖4-6是通電順序為UV→VW→WU→UV的三相雙三拍運行方式示意圖。U、V兩相通電時,兩磁場的合成磁場軸線與未通電的W-W相繞組軸線重合,轉(zhuǎn)子在磁阻轉(zhuǎn)矩的作用下,轉(zhuǎn)動到使轉(zhuǎn)子齒2、3之間的槽