郝用兴主编-华中科技大学出版社-第二版-机电传动控制课件--第5章

第五章控制电机本章重点：控制电机的工作原理、主要运行特性和应用定义：用于自动控制、自动调节、远距离测量的小功率电机。分类：测量元件、执行元件。作用：完成控制信号的传递和变换。特点：性能稳定可靠，动作灵敏，精度高，体积小。5.1伺服电机5.2力矩电机5.3小功率同步电机5.4步进电机5.5测速发电机5.6自整角机5.7直线电动伺服电机伺服系统是用来控制被控对象的某种状态，使其自动地、连续地、精确地复现输入信号的变化规律，通常是闭环控制系统。伺服系统控制的目的就是使伺服系统在可变的外部条件下仍然完成所期望的行为。广义来讲，可分为两种：(1)使系统保持原来的状态；(2)使系统沿着所希望的状态轨迹变化；若系统被控量是位置，则称为位置伺服系统。位置伺服系统的根本任务就是使系统按照给定的速度和运动轨迹实现准确的跟踪和定位，完成功率放大的职能，并在保证系统有足够的能力推动负载按输入指令的规律运动的同时，使输入和输出之间的偏差不超过允许的范围。伺服电动机分交、直流两类。5.1.1直流伺服电动机（1～600W）它的基本结构和工作原理与普通直流他励电动机相同，不同点只是他做得比较细长一些，以满足快速响应的要求。直流伺服电动机的实物图1.控制方式电枢控制（改变控制电压）——响应迅速、机械特性硬，调速线性度好，应用较多。磁场控制（改变磁通Φ）——不适合永磁伺服电机。2.运行特性电枢控制直流伺服电动机的运行特性包括机械特性和调节特性。1）机械特性当控制电压Ua＝0时，电动机立即停止，因此，无自转现象。2eetaURnTKKK2）调节特性调节特性为一上翘的直线。Ua0是电动机处在待动而又未动临界状态时的控制电压，称为始动电压，负载转矩越大，始动电压越高。而且控制电压从0到Ua0一段范围内，电机不转动，称为电动机的死区。1a2eetaURnTkUAKKK3．直流伺服电动机的特点机械特性较硬，具有良好的线性调节特性及快速时间响应。但结构复杂，电刷换向使速度受到限制。低速运转时，由于电枢齿槽、电刷接触压降和电刷和换向器之间摩擦的影响，转速会出现时快、时慢，甚至可能会出现低速运转不稳定现象。低速运转的不稳定性可以通过增加稳速控制电路或使用直流力矩电动机加以解决。优点:精确的速度控制,转矩速度特性很硬,原理简单、使用方便,价格优势缺点:电刷换向,速度限制,附加阻力5.1.2低惯量直流伺服电动机1.空心杯转子直流伺服电动机空心杯转子直流伺服电动机的特点是惯量低；灵敏度高，时间常数很小；损耗小，效率高；力矩波动小，低速转动平稳，噪音很小；换向性能好，寿命长。多用于高精度自动控制系统及测量装置等设备中。图3-30杯形转子直流伺服电动机电刷；2-换向器；3-空心杯电枢；4-外定子；5-内定子(1)低惯量。由于转子无铁心，且薄壁细长，惯量极低，有超低惯量电动机之称。(2)灵敏度高；因转子绕组散热条件好，绕组的电流密度可取到30A/mm2，并且永久磁钢体积大，可提高气隙的磁通密度，所以力矩大。加上惯量又小，因而转矩/惯量比很大，机电时间常数很小(最小的在1ms以下)，灵敏度高，快速性好。(3)损耗小，效率高；因转子中无磁滞和涡流造成的铁耗，所以效率可达80%或更高。(4)力矩波动小，低速时运转平稳，噪声小；由于绕组在气隙中均匀分布，不存在齿槽效应，因此力矩传递均匀，波动小，故运转时噪音小，低速运转平稳。(5)换向性能好。由于杯形转子无铁心，换向元件电感很小，几乎不产生火花，换向性能好，因此大大提高了电机的使用寿命。据有关资料介绍，这种电机的寿命可达3～5kh，甚至高于10kh。而且换向火花很小，可大大减小对无线电的干扰。2.印制绕组直流伺服电动机印制绕组直流伺服电动机的转子呈薄片圆盘状，用印刷电路制成双面电枢绕组。其特点是结构简单，制造成本低；起动转矩大；力矩波动很小，低速运行稳定；换向性能好；电枢转动惯量小，反应快。图3-31印制绕组直流伺服电动机(1)电机结构简单，制造成本低。(2)起动转矩大。由于电枢绕组全部在气隙中，散热良好，其绕组电流密度比一般普通的直流伺服电动机高10倍以上，因此容许的起动电流大，起动转矩也大。(3)力矩波动很小，低速运行稳定，调速范围广而平滑，能在1∶20的速比范围内可靠平稳运行。这主要是由于这种电机没有齿槽效应以及电枢元件数、换向片数很多的缘故。(4)换向性能好。电枢由非磁性材料组成，换向元件电感小，所以换向火花小。(5)电枢转动惯量小，反应快，机电时间常数一般为10～15ms,属于中等低惯量伺服电动机。3.无槽电枢直流伺服电动机无槽电枢直流伺服电动机的电枢铁心是光滑、无槽的圆柱体。电枢的制造是将敷设在光滑电枢铁心表面的绕组，用环氧树脂固化成型并与铁心粘结在一起，其气隙尺寸较大，比普通的直流电动机大10倍以上。定子励磁一般采用高磁能的永久磁钢。其特点是转动惯量低；起动转矩大；反应快；低速运行均匀；换向性能良好。无槽电枢直流伺服电动机由于无槽直流电动机在磁路上不存在齿部磁通密度饱和的问题，因此就有可能大大提高电机的气隙磁通密度和减小电枢的外径。这种电机的气隙磁通密度可达1T以上，比普通直流伺服电动机大1.5倍左右。电枢的长度与外径之比在5倍以上。所以无槽直流电动机具有转动惯量低、启动转矩大、反应快、启动灵敏度高、转速平稳、低速运行均匀、换向性能良好等优点。目前电机的输出功率在几十瓦到10kW以内，机电时间常数为5～10ms。主要用于要求快速动作、功率较大的系统，例如数控机床和雷达天线驱动等方面。5.1.3交流伺服电动机改变控制电压的大小和相位（或极性）就可以改变伺服电动机的转速和转向。特点：调速范围广；状态（启动、停止）变换快；控制功率小，过载能力强，可靠性好。0.1～100W1.两相交流伺服电动机的结构定子：绕组有两个（励磁绕组WF，控制绕组WC）。转子：一般分为鼠笼式转子和杯形转子两种结构。交流伺服电机实物图2.两相交流伺服电动机基本工作原理WF的励磁电压为一定，WC的控制电压可以变化。输入控制信号，产生旋转磁场，电机转动；控制电压相位改变180度，电机反转；控制绕组施加与Uf同频率、大小或相位可调的控制电压Uc，通过Uc控制伺服电动机的起、停及转速当激磁绕组与控制绕组所产生的磁势幅值不相等，即=Bkm/Bfm（01）；两绕组电流相位差为（090°），这时产生的磁场为椭圆形磁场。当=1，=90o，电机产生圆形磁场；当=0，=0；=0，=90o，=1，=0；电机产生脉振磁场；当01，090o，电机产生椭圆形磁场；T反T正nss01nemTTTT10(1)对称状态时(e=1,Bδm=Bfm)T20(2)不对称状态时即e≠1时10210221TTBBTem正正T+20220221TTBBTem反反T-T20零信号，就是控制电压Uk=0，或e=0。当e=0时，磁场是脉振磁场，它可以分解为幅值相等、转向相反的两个圆形旋转磁场。但控制电压取消后如何使其停止呢？——消除自转现象的措施使转子电阻增大。图5-5增大转子电阻至Sm1时的特性曲线如果转子电阻足够大，使正向旋转磁场产生最大转矩对应的转差率Sm1，则可使单相运行时电机的合成电磁转矩Te在电动机运行范围内均为负值，即Te0(2)单相“自转”asTbsTcsTr2ar2br2c机械特性的形状与转子阻值的大小有关两相交流伺服电动机的鼠笼导条，通常都是用高电阻材料（如黄铜、青铜）制成，杯形转子的壁很薄，一般只有（0．2～0．8）mm，因而转子电阻较大，且惯量很小。3.控制方式1）幅值控制；2）相位控制；3）幅值-相位控制。5.1.4交/直流伺服电动机的性能比较1.机械特性和调节特性直流伺服电动机的机械特性和调节特性都是线性的，且在不同控制电压下机械特性是平行的，斜率不变。两相感应伺服电动机的机械特性和调节特性都是非线性的，且其线性化机械特性的斜率随控制电压的变化而变化，这会在一定程度上影响系统的动态精度。直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬，通常应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控制等。2.动态响应由于直流伺服电动机转子上有电枢绕组和换向器等，转动惯量要比两相感应伺服电动机大得多。但由于直流伺服电动机的机械特性比两相感应伺服电动机硬得多，若空载转速相同，直流伺服电动机的堵转转矩要大得多。因此，它们的动态响应时间常数相差不多。3.“自转”现象对于两相感应伺服电动机，若参数选择不当或制造工艺不良，可能会使电动机产生“自转”现象，而直流伺服电动机却不存在该问题。4.体积、重量和效率为了满足控制系统对电机性能的要求，两相感应伺服电动机的转子电阻很大，因此其损耗大、效率低。而且常运行在椭圆形旋转磁场下，负序电流和反向旋转磁场的存在，一方面产生制动转矩，使电磁转矩减小，另一方面也进一步增加了电机的损耗，降低了电机的利用率。因此当输出功率相同时，两相感应伺服电动机要比直流伺服电动机体积大、重量重、效率低，所以它只适用于较小功率的场合，对于功率较大的控制系统，则较多地采用直流伺服电动机。5.结构复杂性、运行可靠性及对系统的干扰等直流伺服电动机由于存在电刷和换向器，使电机结构复杂，维护比较麻烦；由于电刷和换向器的滑动接触，增加了电动机的阻转矩，并且会影响电机运行的稳定性；存在换向火花问题，会对其它仪器和无线电通讯等产生干扰。两相感应伺服电动机结构简单，运行可靠，维护方便，使用寿命长，特别适宜于在不易检修的场合使用。5.2力矩电动机分类：直流（永磁式）；交流（异步／同步）。直流（永磁式）特点——转速低、转矩大，能够长期处在堵转状态或低速下运行，反应速度快、转矩和转速波动小，机械特性和调节特性线性度好。5.2.1永磁式直流力矩电动机的结构特点相同体积和电枢电压时，结构尺寸上直径大，导体有效长度短（电枢铁心厚度薄）。直流力矩电动机——转矩大、转速低电枢体积相同的条件下，D大则T大lBIFaDlNBIDlNBIDNFTaa222ea＝Blv电枢体积相同的条件下，D大则n0小60Dnv12060200DnNBlDnBlNEUaaDNBlUna11200直流力矩电动机的特点和应用具有良好的低速平稳性和线性的机械特性及调节特性；精度高、反应速度快、线性度好。常用为执行元件。例如——天线（雷达、卫星）；与测速发电机等组成高精度的宽调速伺服系统，调速范围可达0.00017[4天一转]～25rpm。力矩电动机的实物图5.3小功率同步电动机小功率同步电动机的功率通常在数百瓦以下，在要求速度恒定不变的控制系统和装置中常用作执行元件，如打印记录机构、电钟、录像机、电影摄/放映机、传真机等控制设备和自动装置。同步电动机结构上也是由定子和转子两部分组成。它结构简单，运行可靠，维护方便。根据转子机械结构或转子材料，同步电动机可分为永磁式、磁阻式和磁滞式等类型。三相永磁式同步电动机实物图5.3.1永磁式同步电动机永磁式同步电动机转子主要由永久磁铁、铁心、鼠笼绕组构成。永久磁铁用来产生磁通，鼠笼绕组置于转子铁心槽中。永磁式同步电动机的工作原理与一般同步电动机基本相似，只是其转子励磁是采用永久磁铁。启动方法和一般的同步电动机一样，在转子上装有启动用的鼠笼绕组。转子和定子磁场同步旋转。维持转子旋转的电磁转矩是由定子旋转磁场和转子永久磁铁磁场相互作用而产生的。当轴上负载增加或减小时，定、转子磁极轴线间的夹角θ也相应地增大或减小，只要负载不超过一定限度，转子始终和定子磁场同步运转，此时转子速度仅决定于电源频率和电动机的极对数，而与负载的大小无关。只有当负载超过一定限度时（这个限度以最大同步转矩来衡量）电动机就可能会“失步”。5.3.2磁阻式电磁减速同步电动机磁阻电动机又称为反应式电动机，这种电机的转子本身没有磁性，只是利用磁场中可移动部件试图使磁路磁阻最小的原理，依靠转