《控制電機(jī)》配套PPT課件及習(xí)題答案,控制電機(jī),控制,電機(jī),配套,PPT,課件,習(xí)題,答案 第第1章章 直流伺服電動機(jī)直流伺服電動機(jī)1.1 概述概述1.2 直流伺服電動機(jī)的控制方式和運行特性直流伺服電動機(jī)的控制方式和運行特性1.3 直流伺服電動機(jī)的動態(tài)特性直流伺服電動機(jī)的動態(tài)特性1.4 特種直流伺服電動機(jī)特種直流伺服電動機(jī)1.5 直線直流電動機(jī)直線直流電動機(jī)2.伺服電動機(jī)的分類伺服電動機(jī)的分類 普通直流伺服電動機(jī)直流伺服電動機(jī)直流伺服電動機(jī) 低慣量直流伺服電動機(jī) 直流力矩電動機(jī) 兩相感應(yīng)伺服電動機(jī)交流伺服電動機(jī)交流伺服電動機(jī) 三相感應(yīng)伺服電動機(jī) 無刷永磁伺服電動機(jī)直線伺服電動機(jī)直線伺服電動機(jī)1.伺服電動機(jī)的概念伺服電動機(jī)的概念伺服電動機(jī)又稱為執(zhí)行電動機(jī)，其功能是把輸入的電壓信號變換成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出。1.1概述概述寬廣的調(diào)速范圍機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性均為線性無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象快速響應(yīng)。此外，還要求伺服電動機(jī)的控制功率小、重量輕、體積小等。3.控制系統(tǒng)對伺服電動機(jī)的基本要求控制系統(tǒng)對伺服電動機(jī)的基本要求1.1概述概述1.2.1控制方式控制方式由 可知，改變電樞電壓電樞電壓和改變勵磁磁通勵磁磁通都可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。1.2直流伺服電動機(jī)的控制方式和運行特性直流伺服電動機(jī)的控制方式和運行特性1.1.電樞控制電樞控制勵磁磁通保持不變，改變電樞繞組的控制電壓。當(dāng)電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時，升高電樞電壓，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就升高；反之轉(zhuǎn)速就降低。電樞電壓等于零時，電機(jī)不轉(zhuǎn)。電樞電壓改變極性時，電機(jī)反轉(zhuǎn)。圖1-1 電樞控制原理圖2磁場控制磁場控制電樞繞組電壓保持不變，改變勵磁回路的電壓。若電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，當(dāng)升高勵磁電壓時，勵磁電流增加，主磁通增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速就降低；反之，轉(zhuǎn)速升高。改變勵磁電壓的極性，電機(jī)轉(zhuǎn)向隨之改變。盡管磁場控制也可達(dá)到控制轉(zhuǎn)速大小和旋轉(zhuǎn)方向的目的，但勵磁電流和主磁通之間是非線性關(guān)系，且隨著勵磁電壓的減小其機(jī)械特性變軟，調(diào)節(jié)特性也是非線性的，故少用。1.2.1控制方式控制方式1.機(jī)械特性機(jī)械特性機(jī)械特性是指電樞電壓等于常數(shù)時，轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的函數(shù)關(guān)系，即 。把 代入式 得 ，為理想空載轉(zhuǎn)速；，為直線的斜率。伺服電動機(jī)的運行特性包括機(jī)械特性機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性。1.2.2 運行特性運行特性圖 1-2 直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性機(jī)械特性為一直線1.2.2 運行特性運行特性n0-理想空載轉(zhuǎn)速Tk-堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 -直線斜率（1）n0、Tk、k的物理意義的物理意義理想空載轉(zhuǎn)速理想空載轉(zhuǎn)速n0：n0是電磁轉(zhuǎn)矩Te=0時的轉(zhuǎn)速，由于電機(jī)空載時Te=T0，電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速低于理想空載轉(zhuǎn)速。堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Tk：Tk是轉(zhuǎn)速n=0時的電磁轉(zhuǎn)矩。機(jī)械特性的斜率機(jī)械特性的斜率k：斜率k前面的負(fù)號表示直線是下傾的。斜率k的大小直接表示了電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩變化所引起的轉(zhuǎn)速變化程度。斜率k大，轉(zhuǎn)矩變化時轉(zhuǎn)速變化大，機(jī)械特性軟。反之，斜率k小，機(jī)械特性就硬。1.2.2 運行特性運行特性（2）電樞電壓對機(jī)械特性的影響）電樞電壓對機(jī)械特性的影響n0和Tk都與電樞電壓成正比，而斜率k則與電樞電壓無關(guān)。對應(yīng)于不同的電樞電壓可以得到一組相互平行的機(jī)械特性曲線。圖 1-3 不同控制電壓時的機(jī)械特性直流伺服電動機(jī)由放大器供電時，放大器可以等效為一個電動勢源與其內(nèi)阻串聯(lián)。內(nèi)阻使直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性變軟。1.2.2 運行特性運行特性2.調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電樞電壓之間的函數(shù)關(guān)系，即 。由 得為特性曲線的斜率；為由負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩決定的常數(shù)。1.2.2 運行特性運行特性圖1-4 直流伺服電動機(jī)的調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性為一上翹的直線。1.2.2 運行特性運行特性Ua0 始動電壓 K1 特性斜率（1）Ua0和和k1的物理意義的物理意義始動電壓始動電壓Ua0：Ua0是電動機(jī)處在待動而又未動臨界狀態(tài)時的控制電壓。斜率斜率k1：是由電機(jī)本身參數(shù)決定的常數(shù)，與負(fù)載無關(guān)。由 ，當(dāng)n=0時，便可求得 由于 ，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，始動電壓越高。而且控制電壓從0到Ua0一段范圍內(nèi)，電機(jī)不轉(zhuǎn)動，故把此區(qū)域稱為電動機(jī)的死區(qū)死區(qū)。1.2.2 運行特性運行特性（2）總阻轉(zhuǎn)矩對調(diào)節(jié)特性的影響）總阻轉(zhuǎn)矩對調(diào)節(jié)特性的影響總阻轉(zhuǎn)矩Ts變化時，斜率k1保持不變。因此對應(yīng)于不同的總阻轉(zhuǎn)矩 ，可以得到一組相互平行的調(diào)節(jié)特性。3直流伺服電動機(jī)低速運轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性直流伺服電動機(jī)低速運轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速很低時，轉(zhuǎn)速就不均勻，出現(xiàn)時快、時慢，甚至?xí)簳r停一下的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為直流伺服電動機(jī)低速運轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性。圖圖1-5 1-5 不同負(fù)載時的調(diào)節(jié)特性不同負(fù)載時的調(diào)節(jié)特性（1）低速運轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定的原因）低速運轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定的原因電樞齒槽的影響電樞齒槽的影響 低速時，反電動勢的平均值很小，因而電樞齒槽效應(yīng)等引起電動勢脈動的影響增大，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩波動比較明顯。1.2.2 運行特性運行特性電刷接觸壓降的影響電刷接觸壓降的影響 低速時，控制電壓很低，電刷和換向器之間的接觸壓降開始不穩(wěn)定，影響電樞上有效電壓的大小，從而導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定。電刷和換向器之間摩擦的影響電刷和換向器之間摩擦的影響 低速時，電刷和換向器之間的摩擦轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，造成電機(jī)本身的阻轉(zhuǎn)矩T0不穩(wěn)定，因而導(dǎo)致總阻轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定。（2）解決的措施）解決的措施 穩(wěn)速控制電路 直流力矩電動機(jī)1.2.2 運行特性運行特性動態(tài)特性是指在電樞控制條件下，在電樞繞組上加階躍電壓時，電機(jī)轉(zhuǎn)速n和電樞電流ia隨時間變化的規(guī)律。產(chǎn)生過渡過程的原因是電機(jī)中存在機(jī)械慣性機(jī)械慣性和電磁慣性電磁慣性。1.3直流伺服電動機(jī)的動態(tài)特性直流伺服電動機(jī)的動態(tài)特性1.3.1過渡過程中的電機(jī)方程過渡過程中的電機(jī)方程電壓平衡方程式 轉(zhuǎn)矩平衡方程式 其中由于在小功率的隨動系統(tǒng)中，選擇電動機(jī)時總是使電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)大于軸上的總阻轉(zhuǎn)矩。為了推導(dǎo)方便，可以先假定 ，這樣 。由 和 可得把ia和 代入 ，兩邊乘以 得1.3.1過渡過程中的電機(jī)方程過渡過程中的電機(jī)方程令 為機(jī)電時間常數(shù)；為電氣時間常數(shù)；為理想空載轉(zhuǎn)速，則上式可化為是轉(zhuǎn)速的二階微分方程，對已制成的電機(jī)而言,都是常數(shù)。1.3.1過渡過程中的電機(jī)方程過渡過程中的電機(jī)方程1.3.2轉(zhuǎn)速隨時間的變化規(guī)律轉(zhuǎn)速隨時間的變化規(guī)律對于二階常系數(shù)非齊次常微分方程 進(jìn)行拉氏變換得特征方程為其兩個根為轉(zhuǎn)速表達(dá)式為由初始條件，時，轉(zhuǎn)速 ，加速度 ，故有由此解得 轉(zhuǎn)速隨時間的變化規(guī)律為用同樣的分析方法，可找出過渡過程中電樞電流隨時間的變化規(guī)律 1.3.2轉(zhuǎn)速隨時間的變化規(guī)律轉(zhuǎn)速隨時間的變化規(guī)律 當(dāng) 時，由 ，和 兩根都為負(fù)實數(shù)。由 和 可知，電樞電感 較小、電樞電阻 較大、轉(zhuǎn)動慣量 較大時是這種情況。1.3.3過渡過程曲線過渡過程曲線在過渡過程中，轉(zhuǎn)速和電流隨時間的變化是非周期的。圖1-6 在 時,的過渡過程由 和 可知，電樞電感 較大、電樞電阻 較小、轉(zhuǎn)動慣量 較小時，就會出現(xiàn)這種振蕩現(xiàn)象。圖1-7 在 時,的過渡過程(2)當(dāng) 時，由 ，和 兩根是共軛復(fù)數(shù)。在過渡過程中，轉(zhuǎn)速和電流隨時間的變化是周期性的。1.3.3過渡過程曲線過渡過程曲線 當(dāng) 時（多數(shù)情況滿足這一條件），很小可以忽略不計。此時轉(zhuǎn)速n為按指數(shù)上升的曲線，為按指數(shù)下降的曲線?？珊喕癁橐浑A微分方程其解為 同樣可得 于是式圖1-8 在 時,的過渡過程1.3.3過渡過程曲線過渡過程曲線把 代入 ，得 實用上，被定義為轉(zhuǎn)速從零升到空載轉(zhuǎn)速的63.2%所需的時間。把 代入 ，可得 關(guān)于機(jī)關(guān)于機(jī)電時間電時間常數(shù)常數(shù)機(jī)機(jī)電時間電時間常數(shù)定常數(shù)定義義：電機(jī)在空載狀態(tài)下，勵磁繞組加額定勵磁電壓，電樞加階躍額定控制電壓時，轉(zhuǎn)速從零升到理想空載轉(zhuǎn)速的63.2%所需的時間?？烧J(rèn)為過渡過程基本結(jié)束，所以 為過渡過程所需時間。1.3.3過渡過程曲線過渡過程曲線1.3.4機(jī)機(jī)電時間電時間常數(shù)常數(shù) 與電機(jī)參數(shù)的關(guān)系與電機(jī)參數(shù)的關(guān)系機(jī)電時間常數(shù)與機(jī)械特性的斜率k是正比關(guān)系，即機(jī)械特性的斜率越小，特性越硬，機(jī)電時間常數(shù)越小，過渡過程越短；反之就越長。一般直流伺服電動機(jī)的機(jī)電時間常數(shù)大約在十幾毫秒到幾十毫秒之間。機(jī)電時間常數(shù)與旋轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動慣量J、電樞回路的電阻 成正比。機(jī)電時間常數(shù)還可以表示為1.3.3過渡過程曲線過渡過程曲線 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)1.4 特種直流伺服電動機(jī)特種直流伺服電動機(jī)1.4.1 直流力矩電動機(jī)直流力矩電動機(jī)直流力矩電動機(jī)就是為滿足低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩負(fù)載的需要而設(shè)計制造的電機(jī)。直流力矩電動機(jī)一般做成圓盤狀，電樞長度和直徑之比一般為0.2左右；永磁多極式；槽數(shù)、換向片數(shù)和串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)多。圖1-9 直流力矩電動機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 1-定子；2-電樞鐵心；3-電樞繞組；4-槽楔；5-電刷；6-刷架為什么做成圓盤狀？為什么做成圓盤狀？在電樞電動勢 、每極磁通 和導(dǎo)體電流 相同的條件下，增加導(dǎo)體數(shù)N和極對數(shù)p，能使轉(zhuǎn)速n降低，電磁轉(zhuǎn)矩Te增大。增加電樞直徑，可以使電樞槽面積變大，以便把更多的導(dǎo)體放入槽內(nèi)。同時電樞直徑 的增加，使電機(jī)定子內(nèi)徑變大，可以放置更多的磁極。特點特點電機(jī)轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩大，能夠長期在堵轉(zhuǎn)或低速狀態(tài)下運行；反應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動??；機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性線性度好。1.4.1 直流力矩電動機(jī)直流力矩電動機(jī)1.4.2 低慣量直流伺服電動機(jī)低慣量直流伺服電動機(jī)1杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動機(jī)杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動機(jī)杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動機(jī)又稱動圈式直流伺服電動機(jī)。結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)杯形電樞繞組是用導(dǎo)線繞在繞線模上，然后用環(huán)氧樹脂定形做成的。杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)外兩側(cè)有內(nèi)外定子構(gòu)成磁路。由于轉(zhuǎn)子內(nèi)外側(cè)都需要有足夠的氣隙，所以氣隙大，磁阻大，磁動勢利用率低。圖1-10 杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動機(jī)l-內(nèi)磁軛；2-電樞繞組；3-永久磁鋼；4-機(jī)殼(磁軛)；5-電刷；6-換向器低慣量；靈敏度高，時間常數(shù)很?。ㄗ钚≡?ms以下）；損耗小，效率高；力矩波動小，低速轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，噪音很??；換向性能好，壽命長。特點特點杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動機(jī)已系列化生產(chǎn)，輸出功率從零點幾瓦至5 kW，多用于高精度自動控制系統(tǒng)及測量裝置等設(shè)備中。1.4.2 低慣量直流伺服電動機(jī)低慣量直流伺服電動機(jī)2印制繞組直流伺服電動機(jī)印制繞組直流伺服電動機(jī) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)子呈薄片圓盤狀，厚度一般為(1.52)mm，轉(zhuǎn)子的絕緣基片是環(huán)氧玻璃布膠板。膠合在基片兩側(cè)的銅箔用印刷電路制成雙面電樞繞組，電樞導(dǎo)體還兼作換向片。定子由永久磁鋼和前后盤狀軛鐵組成，軛鐵兼作前后端蓋。組成多極的磁鋼膠合在軛鐵一側(cè)，在電機(jī)中形成軸向的平面氣隙。圖1-11 印制繞組直流伺服電動機(jī)l-后軛鐵(端蓋)；2-永久磁鋼；3-電刷；4-印制繞組；5-機(jī)殼；6-前軛鐵(端蓋)1.4.2 低慣量直流伺服電動機(jī)低慣量直流伺服電動機(jī) 性能特點性能特點電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低；起動轉(zhuǎn)矩大；力矩波動很小，低速運行穩(wěn)定；換向性能好；電樞轉(zhuǎn)動慣量小，反應(yīng)快，機(jī)電時間常數(shù)一般為(1015)ms。3無槽電樞直流伺服電動機(jī)無槽電樞直流伺服電動機(jī)電樞鐵心是光滑、無槽的圓柱體。電樞繞組敷設(shè)在光滑電樞鐵心表面，用環(huán)氧樹脂固化成型并與鐵心粘結(jié)在一起。氣隙尺寸比普通的直流伺服電動機(jī)大10倍以上。結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 特點特點 轉(zhuǎn)動慣量低；起動轉(zhuǎn)矩大；反應(yīng)快；低速運行均勻；換向性能良好。目前電機(jī)的輸出功率在幾十瓦10kW，機(jī)電時間常數(shù)為(510)ms。1.4.2 低慣量直流伺服電動機(jī)低慣量直流伺服電動機(jī)1.5 直線直流電動機(jī)直線直流電動機(jī)直線直流電動機(jī)把直流電壓轉(zhuǎn)換為直線位移或速度。按勵磁方式可分為永磁式永磁式和電磁式電磁式兩大類。1.永磁式直線直流電動機(jī)永磁式直線直流電動機(jī)永磁式直線直流電動機(jī)，按照它的結(jié)構(gòu)可分為動圈型動圈型和動鐵型動鐵型兩種。動圈型的結(jié)構(gòu)與原理動圈型的結(jié)構(gòu)與原理 圖1-12 動圈型直線永磁直流電動機(jī)原理結(jié)構(gòu)圖1-移動線圈；2-永久磁鋼；3-軟鐵永久磁鋼在氣隙中產(chǎn)生磁場，當(dāng)可移動線圈中通入直流電流時，便產(chǎn)生電磁力方向可由左手定則確定，改變直流電流的大小和方向，可改變電磁力的大小和方向。動圈型直線直流電機(jī)的典型實用結(jié)構(gòu)動圈型直線直流電機(jī)的典型實用結(jié)構(gòu)如圖為平面矩形磁鋼的直線電動機(jī)，它結(jié)構(gòu)簡單，但線圈端部沒有得到利用；漏磁通大，即磁鋼未得到充分利用。圖1-13矩形磁鋼動圈型直線永磁直流電動機(jī)1-矩形磁鋼；2-軟鐵；3-移動線圈如圖為環(huán)形磁鋼的直線電動機(jī)，其結(jié)構(gòu)主要是圓筒形的，導(dǎo)體的有效長度能得到充分利用。圖1-14環(huán)形磁鋼動圈型直線永磁直流電動機(jī) 1-環(huán)形磁鋼；2-圓筒形導(dǎo)磁體；3-移動線圈1.5 直線直流電動機(jī)直線直流電動機(jī) 動鐵型永磁直線直流電動機(jī)動鐵型永磁直線直流電動機(jī) 圖1-15動鐵型直線永磁直流電動機(jī)1-固定線圈；2-電刷；3-永久磁鋼；4-軟鐵動鐵型永磁直線直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)如1-15所示，在個軟鐵框架上套有線圈，該線圈的長度要包括整個行程。這種結(jié)構(gòu)形式的線圈流過電流時，不工作的部分要白白消耗能量。為了降低電能的消耗，可將繞組的外表面進(jìn)行加工使導(dǎo)體裸露出來，通過安裝在磁極上的電刷把電流引入線圈中。當(dāng)磁鋼移動時，電刷跟著滑動，只讓線圈的工作部分通電，電動機(jī)的運行效率可以提高。由于電刷存在磨損，故可靠性和壽命降低。另外，它的電樞較長，電樞線圈用銅量較大。優(yōu)點是電動機(jī)行程可做得很長。1.5 直線直流電動機(jī)直線直流電動機(jī)2.電磁式直線直流電動機(jī)電磁式直線直流電動機(jī) 電磁式直線直流電動機(jī)也有動圈型動圈型和動鐵型動鐵型兩種。動圈型動圈型 勵磁線圈通電后產(chǎn)生磁通與移動線圈的通電導(dǎo)體相互作用產(chǎn)生電磁力，克服滑軌上的靜摩擦力，移動線圈便作直線運動。圖1-16 電磁式動圈型直線直流電動機(jī)1-移動線圈；2-勵磁線圈 對于動圈型電動機(jī)，電磁式的成本要比永磁式低，但多了一項勵磁損耗。1.5 直線直流電動機(jī)直線直流電動機(jī) 動鐵型動鐵型 電磁式動鐵型直線直流電動機(jī)通常做成多極式，如圖1-17所示。當(dāng)環(huán)形勵磁線圈通電時，便產(chǎn)生磁通，徑向穿過氣隙和電樞線圈。徑向氣隙磁場與通電的電樞線圈相互作用產(chǎn)生軸向電磁力，推動磁極作直線運動。電刷安裝在磁極上隨磁極運動。電刷在剝出漆皮的電樞線圈表面滑動就相當(dāng)于電刷在換向器上移動，以保證在某極下電樞線圈的電流方向在運動中始終不變，從而保證電樞始終受到一定方向的電磁力。圖1-17 電磁式動鐵型多極直線直流電動機(jī) 1-勵磁線圈；2-軟鐵；3-電樞線圈；4-電刷1.5 直線直流電動機(jī)直線直流電動機(jī)