《控制電機》配套PPT課件及習題答案,控制電機,控制,電機,配套,PPT,課件,習題,答案 第第1章章 直流伺服電動機直流伺服電動機1.1 概述概述1.2 直流伺服電動機的控制方式和運行特性直流伺服電動機的控制方式和運行特性1.3 直流伺服電動機的動態(tài)特性直流伺服電動機的動態(tài)特性1.4 特種直流伺服電動機特種直流伺服電動機1.5 直線直流電動機直線直流電動機2.伺服電動機的分類伺服電動機的分類 普通直流伺服電動機直流伺服電動機直流伺服電動機 低慣量直流伺服電動機 直流力矩電動機 兩相感應伺服電動機交流伺服電動機交流伺服電動機 三相感應伺服電動機 無刷永磁伺服電動機直線伺服電動機直線伺服電動機1.伺服電動機的概念伺服電動機的概念伺服電動機又稱為執(zhí)行電動機，其功能是把輸入的電壓信號變換成轉軸的角位移或角速度輸出。1.1概述概述寬廣的調速范圍機械特性和調節(jié)特性均為線性無“自轉”現(xiàn)象快速響應。此外，還要求伺服電動機的控制功率小、重量輕、體積小等。3.控制系統(tǒng)對伺服電動機的基本要求控制系統(tǒng)對伺服電動機的基本要求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的轉速。1.2直流伺服電動機的控制方式和運行特性直流伺服電動機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。當電動機的負載轉矩不變時，升高電樞電壓，電機的轉速就升高；反之轉速就降低。電樞電壓等于零時，電機不轉。電樞電壓改變極性時，電機反轉。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。若電動機的負載轉矩不變，當升高勵磁電壓時，勵磁電流增加，主磁通增加，電機轉速就降低；反之，轉速升高。改變勵磁電壓的極性，電機轉向隨之改變。盡管磁場控制也可達到控制轉速大小和旋轉方向的目的，但勵磁電流和主磁通之間是非線性關系，且隨著勵磁電壓的減小其機械特性變軟，調節(jié)特性也是非線性的，故少用。1.2.1控制方式控制方式1.機械特性機械特性機械特性是指電樞電壓等于常數(shù)時，轉速與電磁轉矩之間的函數(shù)關系，即 。把 代入式 得 ，為理想空載轉速；，為直線的斜率。伺服電動機的運行特性包括機械特性機械特性和調節(jié)特性調節(jié)特性。1.2.2 運行特性運行特性圖 1-2 直流伺服電動機的機械特性機械特性為一直線1.2.2 運行特性運行特性n0-理想空載轉速Tk-堵轉轉矩 -直線斜率（1）n0、Tk、k的物理意義的物理意義理想空載轉速理想空載轉速n0：n0是電磁轉矩Te=0時的轉速，由于電機空載時Te=T0，電機的空載轉速低于理想空載轉速。堵轉轉矩堵轉轉矩Tk：Tk是轉速n=0時的電磁轉矩。機械特性的斜率機械特性的斜率k：斜率k前面的負號表示直線是下傾的。斜率k的大小直接表示了電動機電磁轉矩變化所引起的轉速變化程度。斜率k大，轉矩變化時轉速變化大，機械特性軟。反之，斜率k小，機械特性就硬。1.2.2 運行特性運行特性（2）電樞電壓對機械特性的影響）電樞電壓對機械特性的影響n0和Tk都與電樞電壓成正比，而斜率k則與電樞電壓無關。對應于不同的電樞電壓可以得到一組相互平行的機械特性曲線。圖 1-3 不同控制電壓時的機械特性直流伺服電動機由放大器供電時，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的機械特性變軟。1.2.2 運行特性運行特性2.調節(jié)特性調節(jié)特性調節(jié)特性是指負載轉矩不變時，電機轉速與電樞電壓之間的函數(shù)關系，即 。由 得為特性曲線的斜率；為由負載阻轉矩決定的常數(shù)。1.2.2 運行特性運行特性圖1-4 直流伺服電動機的調節(jié)特性調節(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：是由電機本身參數(shù)決定的常數(shù)，與負載無關。由 ，當n=0時，便可求得 由于 ，即負載轉矩越大，始動電壓越高。而且控制電壓從0到Ua0一段范圍內(nèi)，電機不轉動，故把此區(qū)域稱為電動機的死區(qū)死區(qū)。1.2.2 運行特性運行特性（2）總阻轉矩對調節(jié)特性的影響）總阻轉矩對調節(jié)特性的影響總阻轉矩Ts變化時，斜率k1保持不變。因此對應于不同的總阻轉矩 ，可以得到一組相互平行的調節(jié)特性。3直流伺服電動機低速運轉的不穩(wěn)定性直流伺服電動機低速運轉的不穩(wěn)定性當電動機轉速很低時，轉速就不均勻，出現(xiàn)時快、時慢，甚至暫時停一下的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為直流伺服電動機低速運轉的不穩(wěn)定性。圖圖1-5 1-5 不同負載時的調節(jié)特性不同負載時的調節(jié)特性（1）低速運轉的不穩(wěn)定的原因）低速運轉的不穩(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，因而電樞齒槽效應等引起電動勢脈動的影響增大，導致電磁轉矩波動比較明顯。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，從而導致輸出轉矩不穩(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矩不穩(wěn)定，造成電機本身的阻轉矩T0不穩(wěn)定，因而導致總阻轉矩不穩(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，電機轉速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中存在機械慣性機械慣性和電磁慣性電磁慣性。1.3直流伺服電動機的動態(tài)特性直流伺服電動機的動態(tài)特性1.3.1過渡過程中的電機方程過渡過程中的電機方程電壓平衡方程式 轉矩平衡方程式 其中由于在小功率的隨動系統(tǒng)中，選擇電動機時總是使電動機的額定轉矩遠大于軸上的總阻轉矩。為了推導方便，可以先假定 ，這樣 。由 和 可得把ia和 代入 ，兩邊乘以 得1.3.1過渡過程中的電機方程過渡過程中的電機方程令 為機電時間常數(shù)；為電氣時間常數(shù)；為理想空載轉速，則上式可化為是轉速的二階微分方程，對已制成的電機而言,都是常數(shù)。1.3.1過渡過程中的電機方程過渡過程中的電機方程1.3.2轉速隨時間的變化規(guī)律轉速隨時間的變化規(guī)律對于二階常系數(shù)非齊次常微分方程 進行拉氏變換得特征方程為其兩個根為轉速表達式為由初始條件，時，轉速 ，加速度 ，故有由此解得 轉速隨時間的變化規(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轉速隨時間的變化規(guī)律轉速隨時間的變化規(guī)律 當 時，由 ，和 兩根都為負實數(shù)。由 和 可知，電樞電感 較小、電樞電阻 較大、轉動慣量 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 時，由 ，和 兩根是共軛復數(shù)。在過渡過程中，轉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 時（多數(shù)情況滿足這一條件），很小可以忽略不計。此時轉速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，被定義為轉速從零升到空載轉速的63.2%所需的時間。把 代入 ，可得 關于機關于機電時間電時間常數(shù)常數(shù)機機電時間電時間常數(shù)定常數(shù)定義義：電機在空載狀態(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，轉速從零升到理想空載轉速的63.2%所需的時間?？烧J為過渡過程基本結束，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機機電時間電時間常數(shù)常數(shù) 與電機參數(shù)的關系與電機參數(shù)的關系機電時間常數(shù)與機械特性的斜率k是正比關系，即機械特性的斜率越小，特性越硬，機電時間常數(shù)越小，過渡過程越短；反之就越長。一般直流伺服電動機的機電時間常數(shù)大約在十幾毫秒到幾十毫秒之間。機電時間常數(shù)與旋轉部分的轉動慣量J、電樞回路的電阻 成正比。機電時間常數(shù)還可以表示為1.3.3過渡過程曲線過渡過程曲線 結構結構1.4 特種直流伺服電動機特種直流伺服電動機1.4.1 直流力矩電動機直流力矩電動機直流力矩電動機就是為滿足低轉速大轉矩負載的需要而設計制造的電機。直流力矩電動機一般做成圓盤狀，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)導體數(shù)多。圖1-9 直流力矩電動機結構示意圖 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 和導體電流 相同的條件下，增加導體數(shù)N和極對數(shù)p，能使轉速n降低，電磁轉矩Te增大。增加電樞直徑，可以使電樞槽面積變大，以便把更多的導體放入槽內(nèi)。同時電樞直徑 的增加，使電機定子內(nèi)徑變大，可以放置更多的磁極。特點特點電機轉速低、轉矩大，能夠長期在堵轉或低速狀態(tài)下運行；反應速度快、轉矩和轉速波動??；機械特性和調節(jié)特性線性度好。1.4.1 直流力矩電動機直流力矩電動機1.4.2 低慣量直流伺服電動機低慣量直流伺服電動機1杯形轉子直流伺服電動機杯形轉子直流伺服電動機杯形轉子直流伺服電動機又稱動圈式直流伺服電動機。結構結構杯形電樞繞組是用導線繞在繞線模上，然后用環(huán)氧樹脂定形做成的。杯形轉子內(nèi)外兩側有內(nèi)外定子構成磁路。由于轉子內(nèi)外側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 杯形轉子直流伺服電動機l-內(nèi)磁軛；2-電樞繞組；3-永久磁鋼；4-機殼(磁軛)；5-電刷；6-換向器低慣量；靈敏度高，時間常數(shù)很小（最小在1ms以下）；損耗小，效率高；力矩波動小，低速轉動平穩(wěn)，噪音很小；換向性能好，壽命長。特點特點杯形轉子直流伺服電動機已系列化生產(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)及測量裝置等設備中。1.4.2 低慣量直流伺服電動機低慣量直流伺服電動機2印制繞組直流伺服電動機印制繞組直流伺服電動機 結構結構 轉子呈薄片圓盤狀，厚度一般為(1.52)mm，轉子的絕緣基片是環(huán)氧玻璃布膠板。膠合在基片兩側的銅箔用印刷電路制成雙面電樞繞組，電樞導體還兼作換向片。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，在電機中形成軸向的平面氣隙。圖1-11 印制繞組直流伺服電動機l-后軛鐵(端蓋)；2-永久磁鋼；3-電刷；4-印制繞組；5-機殼；6-前軛鐵(端蓋)1.4.2 低慣量直流伺服電動機低慣量直流伺服電動機 性能特點性能特點電機結構簡單，制造成本低；起動轉矩大；力矩波動很小，低速運行穩(wěn)定；換向性能好；電樞轉動慣量小，反應快，機電時間常數(shù)一般為(1015)ms。3無槽電樞直流伺服電動機無槽電樞直流伺服電動機電樞鐵心是光滑、無槽的圓柱體。電樞繞組敷設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在一起。氣隙尺寸比普通的直流伺服電動機大10倍以上。結構結構 特點特點 轉動慣量低；起動轉矩大；反應快；低速運行均勻；換向性能良好。目前電機的輸出功率在幾十瓦10kW，機電時間常數(shù)為(510)ms。1.4.2 低慣量直流伺服電動機低慣量直流伺服電動機1.5 直線直流電動機直線直流電動機直線直流電動機把直流電壓轉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永磁式直線直流電動機永磁式直線直流電動機，按照它的結構可分為動圈型動圈型和動鐵型動鐵型兩種。動圈型的結構與原理動圈型的結構與原理 圖1-12 動圈型直線永磁直流電動機原理結構圖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的典型實用結構動圈型直線直流電機的典型實用結構如圖為平面矩形磁鋼的直線電動機，它結構簡單，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，其結構主要是圓筒形的，導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 1-環(huán)形磁鋼；2-圓筒形導磁體；3-移動線圈1.5 直線直流電動機直線直流電動機 動鐵型永磁直線直流電動機動鐵型永磁直線直流電動機 圖1-15動鐵型直線永磁直流電動機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的結構如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。這種結構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行加工使導體裸露出來，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)點是電動機行程可做得很長。1.5 直線直流電動機直線直流電動機2.電磁式直線直流電動機電磁式直線直流電動機 電磁式直線直流電動機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1-移動線圈；2-勵磁線圈 對于動圈型電動機，電磁式的成本要比永磁式低，但多了一項勵磁損耗。1.5 直線直流電動機直線直流電動機 動鐵型動鐵型 電磁式動鐵型直線直流電動機通常做成多極式，如圖1-17所示。當環(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 1-勵磁線圈；2-軟鐵；3-電樞線圈；4-電刷1.5 直線直流電動機直線直流電動機