微特电机及系统

Micro-motorsandSystems微特电机及系统电气工程及其自动化专业目录1.绪论2.伺服电动机与伺服系统3.测速发电机4.步进电动机5.自整角机6.旋转变压器7.永磁无刷直流电动机8.单相交流串励电动机9.双凸极电机驱动系统10.直线电动机11.超声波电动机1.绪论1.1微特电机的用途微特电机通常指的是性能、用途或原理等与常规电机不同,且体积和输出功率较小的微型电机和特种精密电机。一般其外径不大于130mm，输出功率从数百毫瓦到数百瓦。但是现在微特电机的体积和输出功率都已突破了这个范围。有的特种电机的功率做到了10kW左右。它们广泛应用于军事装备、电子产品、工业自动控制系统、家用电器、办公自动化、通讯和交通、电动工具、仪器仪表、电动玩具等方面。1.绪论1.1微特电机的用途•航空航天：卫星天线，太阳能电池飞机的方向舵•国防：火炮自动瞄准、飞机军舰自动导航、导弹遥测遥控、雷达自动定位等；•工业：机器人、机床加工过程自动控制与显示；•信息与电子产品：计算机、移动通讯；1.绪论1.1微特电机的用途（续）•现代交通运输：汽车电机•农业：水位自动显示、水坝闸门自动开闭；•日常生活：电梯自动选层、医疗设备、录音录象、家用电器1.绪论1.2微特电机的分类驱动微电机：主要用来驱动各种机构、仪表及家用电器。1.绪论普通高等教育“十一五”国家级规划教材控制微电机：主要用来在自动控制系统中作元件。1.绪论普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.3对微电机的基本要求驱动微电机：与一般动力电机的要求类似，高效、高功率因数等；控制微电机：二高一快高可靠性----对控制电机的第一位要求；高精度-----精度指实际特性与理想特性之间的差距；快速响应------主要指标是机电时间常数与灵敏度。1.绪论微特电机的主要特点与普通电机的要求不同：普通电机的主要任务是转换能量，微特电机在自动控制系统中只起一个元件的作用，主要任务是完成信号的传递与转换；使用环境更广：地上、水下、海洋、太空，高温、低温、潮湿、冲击、振动、辐射等，要在各种恶劣的环境条件下仍能准确、可靠地工作要求体积小、重量轻、耗电少：1.绪论1.4微特电机的发展概况和趋势发展历史：国外从20世纪30年代开始，随着工业自动化、科学技术和军事装备的发展而迅速发展起来；我国是从20世纪50年代前后才开始全面发展，大致经历了4个阶段：起步阶段（1950-1965年）：仿制苏联产品自我发展阶段（1966-1978）：基本形成了微特电机工业体系，自行设计1.绪论初步壮大阶段（1979-1989年）：改革开放，引进生产线，规模化生产能力空前提高快速发展阶段（1990-现在）：三资、民营企业，迅速发展，生产技术水平随之提高，开发新产品。目前与国际先进水平仍有较大差距：品种少，比功率小，质量大，寿命短，精度低。发展趋势：目标：a)提高可靠性和适应性1.绪论b)提高精度：由于控制系统对电机性能要求越来越高，提高精度仍是发展方向之一；措施：除了从电机本身着眼外，要把电机与控制系统线路的改进结合起来；1)无刷化：无刷直流电机、自整角机、旋旋转变压器等2)小型化：体积、质量、能耗。是当前微特电机研究中迫切需要解决的问题，特别是高空飞行中，重量每增加1kg，每小时就要多耗燃料100kg。小型化除指体积与重量外，还指功率消耗。措施：改进设计，简化结构，新材料，新工艺等。1.绪论3)机电一体化：将电机、传感器、控制器集成为一体。4)永磁化：高性能永磁材料可有效提高电机性能，减小体积和重量。5)智能化：采用可编程控制器件。确立了微特电机作为一个小系统的设计、生产和使用的新概念。6)研制新原理、新结构电机：超声波电机，双凸极电机等7)元件与系统相互协调：伺服电机性能是否能充分发挥，与控制线路和控制方法密切相关，步进电机、超声波电机、双凸极电机等与驱动电路不可分。应用举例雷达天线和显示管偏转线圈的随动系统1.搜索状态；2.跟踪状态1.绪论北方位角仰角距离雷达目标1.搜索状态；荧光屏上出现的飞机2.跟踪状态1.绪论1.绪论如果再把自整角变压器的输出信号送到具有自动瞄准装置的火炮控制系统中，经过比较和放大后，驱动执行元件动作，带动炮筒转到和雷达天线一致的空间位置并对准目标，这就组成了火炮自动瞄准系统。测量元件放大元件伺服元件控制装置校正元件位置反馈(测速发电机)(自整角机)21.绪论1.5如何学习这门课程微特电机种类繁多，而且，随着科学技术的飞速发展，新型电机层出不穷，所以，我们不可能学习所有微特电机，只能加强基础理论知识和分析研究方法的学习；多数电机的原理都是建立在基本电磁规律基础上，各种电机在基本特性上有许多共同之处，但它们各自又具有与众不同的特点。因此，我们要着重分析与掌握一些共同规律，同时也要研究每个电机所具有的特殊性质。2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机和伺服系统2.伺服电动机和伺服系统2.1简介伺服电动机又称执行电机，在自动控制系统中作为执行元件。功能：电压信号转轴的角位移或角速度分类：直流伺服电机---功率较大，几百瓦，也可达数千瓦。交流伺服电机---两相伺服电动机，功率较小，数十瓦。自动控制系统对伺服电动机的基本要求：宽广的调速范围机械特性和调节特性为线性无“自转”现象---控制电压为零时能立即自行停转快速响应2.伺服电动机和伺服系统2.2直流伺服电动机(DCServoMotor)结构与分类传统型直流伺服电动机其结构与普通进流电动机基本相同，它可以再分为电磁式和永磁式两种；定子铁心冲片电枢冲片低惯量型直流伺服电动机A.盘形电枢直流伺服电动机：2.伺服电动机和伺服系统定子有永久磁铁；气隙位于圆盘两边；圆盘上有印刷绕组或绕线式绕组；绕组的径向段为有效部分，电流沿径向流过圆盘；电枢绕组有效部分的裸导体表面兼作换向器。2.伺服电动机和伺服系统A.盘形电枢直流伺服电动机：SNNNNSSS12341绕组2.伺服电动机和伺服系统B.空心杯电枢永磁式直流伺服电动机1-内定子，2-外定子，3-空心杯电枢，4-电刷，5-换向器45321外定子为磁钢，内定子为软磁材料，或反之；非磁性空心杯电枢上可为印刷绕组，也可为绕线式绕组；空心杯直接装在电机轴上，在内、外定子间的气隙中旋转国产型号：SYK2.伺服电动机和伺服系统C.无槽电枢直流伺服电动机NS电枢铁心上无槽，电枢绕组直接排列在铁心表面，再用环氧树脂将它与电枢铁心固化为一个整体；定子磁极为电磁或永磁式；国产型号：SWC。2.伺服电动机和伺服系统控制方式由直流电机原理知道：2teeaeaCCTRCUn直流伺服电动机有两种基本控制方式：1.电枢控制—改变电枢电压来控制转速，适用于电励磁和永磁励磁直流伺服电动机。2.磁极控制—调节磁通来控制转速，仅适用于电励磁直流伺服电动机。但因停转时电枢电流大，磁极绕组匝数多、电感大，时间常数大等缺点，很少采用。本课程只介绍直流伺服电动机的电枢控制。2.伺服电动机和伺服系统acacRIEU不考虑电机磁路饱和，并忽略负载时电枢反应的影响，则励磁磁通正比于励磁电压，即：fUCcIcUnfUnKnCnapNEeea60cTctceIKICIapNT2eTeaecTKKRKUn2.伺服电动机和伺服系统•机械特性控制电压恒定时，电机转速随转矩的变化关系eeTeaeckTnTKKRKUn0ecKUn0理想空载转速：堵转转矩：caTdURKT机械特性斜率：eTakKKRTnk0tan0Tn321cccUUUUc1Uc2Uc32.伺服电动机和伺服系统•调节特性负载转矩恒定时，转速随控制电压变化调节特性与横坐标的交点，就表示在某一电磁转矩时电动机的始动电压。从原点到始动电压点的一段范围，称为在某一电磁转矩值时伺服电动机的失灵区，也称死区。lTeaecTKKRKUn0nUcT=0T=T1T=T22.伺服电动机和伺服系统动态方程式acaaccedtdiLRiu电压方程运动方程dtdJTTLecTcteiKiCtT)(TeeeaKKCnCe260TteeKCapNapNCK260260260MaLaRaEcIcULTJ2.伺服电动机和伺服系统设：0LTdtdJiKcTTTaTacKdtdKJLdtdKJRu22TcTaaaTaKudtdKJRdtdRLKJR2222022cmemuKdtddtd2TamKJRaaeRL机电时间常数电气时间常数当已知各常数，就可解该方程，获得角速度变化规律2.伺服电动机和伺服系统传递函数对上述方程式进行拉氏变换，用s表示拉氏算子，则可得下列象函数方程：)()()()()()()(sEsIsLRsEsIsLRsIsUacaaacaaccaaaccsLRsEsUsI)()()()()()()(ssJsTsTsTLe)()(sIKsTcTe)()()(sKsKsETea每个方程都可以用一个方块图表示。2.伺服电动机和伺服系统)()(sEsUac)(sIcaasLR1)(sTe)(sTL)(sT)(sTJs1)(s)(seK)(sEaTK)(sIc)(sTe)(sUc)()(sEsUac)(sEa方块图2.伺服电动机和伺服系统设TL=0，则可简化为：)(sUc)()(sEsUacaasLR1TK)(sTe)(sTL)(sTJs1)(s)(sEaeK结构图()()()()()1()TaaTeaaKRsLJsTKKcaaTeRsLJssKTsUsRsLJsKK1122122ssKssmemKJRKJLKTaTaTJssLRKaaT)()()(sEsUac)(sUceK)(s)(sEa12ssKmem)(s)(sUc传递函数：2.伺服电动机和伺服系统通常，，所以近似有：me()()()1cmsKTsUss时间常数设电枢外施阶跃电压Uc，其象函数为：sUsUcc)(mmcmcmcssUKsUKsKsUs11)1(1)()(2.伺服电动机和伺服系统利用拉氏反变换公式：tessL1)(1可得电机角速度随时间变化的规律为：mmttceeUKt11)(0t00.632m4m0632.0,mt0985.0,4mt机械时间常数定义：当电动机空载时电枢外施阶跃电压，其角速度从0上升到稳定角速度的63.2%时所需要的时间。2.伺服电动机和伺服系统2602TeaeTamCCJRKKJR机械时间常数与转动惯量成正比；与电机的每极气隙磁通的平方成反比，为了减小电机机械时间常数，应增加每极气隙磁通；与电枢电阻Ra的大小成正比，为减小时间常数，应尽可能减小电枢电阻，当伺服电动机用于自动控制系统，并由放大器供给控制电压时，应计入放大器的内阻Ri，Ra+Ri；直流伺服电动机的机械时间常数一般30ms，低惯量直流伺服电机的时间常数10ms。2.伺服电动机和伺服系统机械时间常数也可写为：stTRUKUeTamTJKJKKJRacec0T0stT0可见，机械特性曲线越平坦(即机械特性越硬)，则m越小。2.伺服电动机和伺服系统2.3直流力矩电动机(TorqueMotor)性能特点：低速、大转矩，转矩波动小，特性的直线性好，在堵转条件下能长期工作。原理：与一般直流伺服电动机相同。结构特点：与一般直流伺电动机不同，呈扁平形，以获得较大的转矩。电枢长度与直径之比一般为0.2左右。2.伺服电动机和伺服系统思考题：为什么在电枢体积相同、电枢电流和电流