06-1控制电机解析

第6章控制电机2学时本章要求1.了解常用的控制电机的基本结构和工作原理2.重点掌握各种控制电机的基本工作原理，主要运行特性，特点以及应用场所概述传动电机：主要用来完成能量的变换，具有较高的力能指标；控制电机：主要用来完成控制信号的传递和变换，要求技术性能稳定可靠、动作灵敏、精度高、体积小、重量轻、耗电少。控制电机一般用于自动控制、自动调节、远距离测量、随动系统以及计算装置中的微特电机。它是构成开环控制、闭环控制、同步连接等系统的基础元件，根据它在自动控制系统中的职能可分为测量元件、放大元件、执行元件和校正元件四类。控制电机一般是小功率电机。控制电机的特点1）调速范围宽2）转子惯量小：能迅速的启动和停车3）控制功率小，过载能力强控制电机的分类：按照在自动控制系统中的职能可分为：测量元件放大元件执行元件校正元件6.1交流伺服电动机伺服电动机的作用是驱动控制对象（执行元件）。伺服电动机的作用将电信号转换为轴上的转角或转速特点：控制信号的有无控制伺服电动机的转动或者停车；被控对象的转距和转速受信号电压控制，信号电压的大小和极性改变时，电动机的转动速度和方向也跟着变化。根据使用电源的不同，伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机输出功率较大，功率范围为1～600瓦，有的甚至可达上千瓦；交流伺服电动机输出功率较小，功率范围一般为0.1～100瓦。交流伺服电动机和直流伺服电动机。伺服电动机分类：（a）直流伺服电动机（b）交流伺服电动机及其驱动器伺服电动机6.1.1两相交流伺服电动机的结构两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差90的两个绕组：励磁绕组和控制绕组。励磁绕组控制绕组杯形转子:1、减少转动惯量；2、提高电阻R2使Sm=R2/X201，避免“自转”现象。内定子外定子12345交流杯形伺服电动机励磁绕组控制绕组内定子外定子转子励磁绕组串联电容C,是为了产生两相旋转磁场。放大器检测元件控制信号2U2I+–U+–控制绕组励磁绕组UCU1I1U+++–––1(a）接线图1UCU1I1U(b)相量图适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近90,6.1.1基本工作原理1it2it=t0t=t1WFWCAXA'X'NSt=t0WCAXA'X'NSt=t1WF原理同单相电容式异步电动机类似(1)当两相绕组分别加上相位相差90o的额定电压时。对称两相运行→ic和if产生圆形旋转磁场→产生T→转子旋转。如果uc反相，即改变ic和if的相序→旋转磁场改变方向→n的方向改变。同时减小uc和uf而保持其90o的相位差→圆形磁通势的幅值→T→n。＋Uf－SM~控制绕组励磁绕组＋Uc－cfIcIf(2)当uc=0电动机处在单相状态→脉振磁通势F0。静止时：n=0，F0FFFR→TF→TRT=TF－TRTF=TR，T=0，不能起动；正在运行时：T≠0，转子继续旋转——单相自转！(3)Uf=UN，Uc＜UN且保持相位差为90o时，或者Uf=Uc=UN但两者的相位差小于90o时。电动机处在不对称运行状态，将产生一个椭圆形旋转磁通势。励磁绕组中串联电容C的目的是为了产生两相旋转磁场。接线：励磁绕组的接线UCU1I1U放大器控制绕组的接线检测元件控制信号2U2IU适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近90，因此便产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。1UCU1I1U例：选择电容，可使交流伺服电机电路中的电压、电流的相量关系如图所示。励磁绕组的接线UCU1I1U放大器控制绕组的接线检测元件控制信号2U2IU工作时两个绕组中产生的电流和的相位差近90°，因此便产生旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子转动起来。1I2I控制电压与电源电压两者频率相同，相位相同或反相。2UU（1）对伺服电机的要求U2=0时，要求转子立即停止。这时，虽然U2=0V，U1仍存在，成单相运行状态，但和单相异步机不同。若单相电机启动运行后，出现单相后仍转。伺服电机不同，单相电压时设备不允许转。6.1.3消除自转现象的措施消除自转的措施：交流伺服电机转子电阻R2设计得较大。所以在U2=0时，交流伺服电机的T=f(n)曲线如下页图：交流伺服电机R2设计得较大，使电机在失去控制信号，而变成单相运行时，正转矩和负转矩的最大值均出现在Sm1的地方2'R2R1ms0TnstT2''R)1()(S控制电压为零特性控制电压不为零特性0n(s)TT+T-Tn0s=0nT0eU6.0eU4.0eU8.0eU当U2=0V时，脉动磁场分成的正反向旋转磁场产生的转距T、T的合成转矩T与单相异步机不同。合成转矩的方向与旋转方向相反，所以电机在U2=0V时，能立即停止，体现了控制信号的作用(有控制电压时转动，无控制电压时不转)，以免失控。交流伺服电动机的T=f(s)曲线（U2=0时）s'T210sTT'T021反转正转02s121ss1T2T合成转矩s起动转矩为零。01s22s21s（正向）（反向）正转转反控制电压U2大小变化时，转子转速相应变化，转速与电压U2成正比。U2的极性改变时，转子的转向改变。交流伺服电动机的机械特性曲线(U1=const)nTTn6.1.4特性和应用交流伺服电动机的控制方式有三种：1.幅值控制2.相位控制3.幅值－相位控制1.控制特性（1）幅值控制通过改变控制电压的幅值来改变电机速度。而控制电压与励磁电压的相位与差始终保持在90°。在一定的负载转矩下，控制电压越高，电动机的转速就越高，反之转速越低。幅值控制接线图1.控制特性（2）相位控制保持控制电压的幅值不变，改变控制电压的相位，电机的速度也相应改变。控制电压与励磁电压的相位差增大，转速增大。相位差为零时，电动机转速为零。（3）幅-相控制同时改变幅值与相位来达到改变转速的目的。幅值-相位控制接线图交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100W，电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广泛，如用在自动控制、温度自动记录等系统中。2.应用举例6.2直流伺服电动机工作原理及结构：结构和原理与普通的他励直流电动机基本相同。只不过直流伺服电动机输出功率较小而已。为减小转动惯量做得细长一些。供电方式：他励。励磁绕组和电枢由两个独立电源供电：MU1IfIaU2放大器UU1为励磁电压，U2为电枢电压。直流伺服电动机通常用于功率稍大的系统中1～600W由机械特性可知：(1)U1（即磁通）不变时，一定的负载下，U2,n。（电枢控制）(2)U2=0时，电机立即停转。反转：电枢电压的极性改变，电机反转。直流伺服电机的机械特性公式与他励直流电机一样：TKKRKUnTEaE22机械特性曲线nT6.3力矩电动机主要特点：能长期处于堵转状态下工作。低转速、高转矩。反应速度快、机械特性线性度好、低速稳定性好。用途：用于对位置、速度的控制精度要求较高的系统。6.3.1永磁式直流力矩电动机的结构特性NSNS刷架环转子绕组电刷结构特点扁平形，带槽的定子圆盘中嵌入永磁体。有分装式和内装式两种结构形式。转子铁心定子直流力矩电动机的定子与转子由于直流力矩电动机与其他伺服电动机在结构上有较大不同，所以它有以下优点：（1）具有高的力矩惯量比，使系统加速能力得以提高；（2）可直接耦合传动，省去了齿轮传动链，消除了齿隙误差，提高了系统精度；（3）反应速度快，线性度好，结构紧凑。6.3.2直流力矩电动机转矩大、转速低的原因（1）转矩大aa222BINlDDTNFNBIlDlBIFaN—电枢绕组总的导体数D—电枢铁心直径电枢体积为πD2l，保持不变，D↑，l↓，N↑常数2NlBIaT∝D每根导线所受的电磁力：电磁力矩：（2）转速低导体在磁场中运动切割磁力线所产生的感应电动势为设一对电刷间的并联支路数为2，则N/2根导体串联后总的感应电动势为，且在理想空载条件下，外加电压与相平衡，因此有：aeBlvπ60Dnvaa0π120UENBlDna0120πUnNBlDD1n06.5测速发电机测速发电机是一种微型发电机，作用是将转速变为电压信号，在理想状态下，输出电压可以表示为：测速发电机分为直流测速发电机，异步测速发电机和同步测速发电机。dtdθKKKnU01)与速度成正比，用于测量转速。2)如果以转子旋转角度θ为参变量，可以作为微分、积分器。••••1转子定子励磁绕组输出绕组1、基本结构和工作原理异步式交流测速发电机的结构与杯形转子交流伺服电机相似，它的定子上有两个绕组，一个是励磁绕组，一个是输出绕组。输出绕组2U+–励磁绕组1U1I1Φ+–6.5.1异步(交流)测速发电机••••1发电机静止时，将励磁绕组接到交流电源上，励磁电压为V1，在励磁绕组的轴线方向产生一个交变脉动磁通Φf=Φfmsinωt。由于脉动磁通与输出绕组的轴线垂直，输出绕组中并无感应电动势，输出电压为零。输出绕组2U+–励磁绕组1U1I1Φ+–工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电源U1，由U14.44f1N11可知：11U当被测转动轴带动发电机转子旋转时，转子切割1产生转子感应电势ET和转子电流IT有：nEI1TT转子电流IT也产生磁通T，T在输出绕组中感应出电压U2：T2U综合上述分析可知：nUnU112nUnU112当U1恒定不变时，U2与n成正比，这样，发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制系统。转动方向改变，输出电压U2的相位改变1800。由于铁心线圈电感的非线性影响，交流测速发电机的输出电压U2与n间存在着一定的非线性误差，使用时要注意加以修正。异步测速发电机的误差主要包括幅值及相位误差和剩余电压误差1、幅值及相位误差产生原因：励磁绕组存在漏电感。减小该误差的方法：增大转子电阻（采用杯形）。2、剩余电压误差产生原因：由于加工、装配过程中存在机械上的不对称及定子磁性材料性能的不一致性，使得测速发电机转速为零时，实际输出电压并不为零，此时的电压称为剩余电压，剩余电压引起的误差称为剩余电压误差。减小剩余电压误差的方法：选择高质量的各方向特性一致的磁性材料，在机加工和装配过程中提高机械精度以及装配补偿绕组。步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件。每当一个脉冲信号施加于步进电动机的控制绕组时，其转轴就转过一个固定的角度（步距角），因此，步进电动机又称脉冲电动机，其输出的角位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。步进电动机步进电动机的结构与分类图4-16步进电动机的分类步进电动机的结构与分类步进电动机的工作原理一拍从一次通电到另一次通电。步距角每一拍转子转过的角度。运行方式(1)m相单m拍运行（三相单三拍运行）(2)m相双m拍运行（三相双三拍运行）(3)m相单－双2m拍运行（三相单－双六拍运行）1．通电方式的分析1423U1U2V1V2W2W11）m相单m拍运行（三相单三拍运行）通电顺序：U相→V相→W相→U相。①U相通电1423U1U2V1V2W2W1②V相通电U1U2V1V2W2W1③W相通电1423一步两步三步※步距角：θ=30°河南工业大学电气工程学院2）m相双m拍运行（三相双三拍运行）通电顺序：UV相→VW相→WU相。U1U2V1V2W2W1①UV相通电U1U2V1V2W2W1②VW相通电U1U2V1V2W2W1③WU相通电※步距角：θ=30°3）m相单－双2m拍运行(三相单－双六拍运行）通电顺序：U→UV→V→VW→W→WU→U。1423U1U2V1V2W2W11U1U2V1V2W2W12U1U2V1V2W2W13U1U2V1V2W2W14U1U2V1V2W2W15U1U2V1V2W2W161423※步距角：θ=15°2．步距角和转速的计算由于每完成一次通电循环，转子转过一个齿，所以步距角等于转子齿距角（相邻两齿中心线所夹的角度）除以拍数，即式中，m为定子相数；K为拍数，N=m或N=2m。反应式步进电动机的转速