程憲平 機(jī)電傳動(dòng)與控制(第三版)3第三章

1、機(jī)電傳動(dòng)控制1第第3 3章章 控制電機(jī)控制電機(jī)3-1 3-1 伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)3-2 3-2 微型同步電動(dòng)機(jī)微型同步電動(dòng)機(jī)3-3 3-3 測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)3-4 3-4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)3-5 3-5 直線電動(dòng)機(jī)直線電動(dòng)機(jī)3-6 3-6 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器3-7 3-7 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器機(jī)電傳動(dòng)控制2 了解機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)中一些常用控制電機(jī)基本結(jié)構(gòu)；了解機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)中一些常用控制電機(jī)基本結(jié)構(gòu)； 掌握控制電機(jī)基本工作原理、主要運(yùn)行特性及特點(diǎn)；掌握控制電機(jī)基本工作原理、主要運(yùn)行特性及特點(diǎn)； 了解控制電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)所，以便正確選用和使用它們。了解控制電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)所，以便正確選用和

2、使用它們。 掌握常用控制電動(dòng)機(jī)基本工作原理，運(yùn)行特性與特點(diǎn)。掌握常用控制電動(dòng)機(jī)基本工作原理，運(yùn)行特性與特點(diǎn)。 交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)“自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象及消除該現(xiàn)象的原理?，F(xiàn)象及消除該現(xiàn)象的原理。機(jī)電傳動(dòng)控制3 控制電機(jī)與普通電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理大體相同；控制電機(jī)與普通電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理大體相同； 普通電機(jī)的主要作用是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，普通電機(jī)的主要作用是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換， 控制電機(jī)的主要作用是完成信息的傳遞和變換?？刂齐姍C(jī)的主要作用是完成信息的傳遞和變換。 具有良好的可控性，即易于控制和調(diào)節(jié)；具有良好的可控性，即易于控制和調(diào)節(jié)； 具有快速的響應(yīng)性能，具有快速的響應(yīng)性能， 即要有較大的啟動(dòng)

3、轉(zhuǎn)矩和較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；即要有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 精確度要高，誤差要小。精確度要高，誤差要小。機(jī)電傳動(dòng)控制4交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 是一種小型或微型是一種小型或微型 兩相異步電動(dòng)機(jī)。兩相異步電動(dòng)機(jī)。交流伺服電動(dòng)機(jī)的交流伺服電動(dòng)機(jī)的原理原理 與電容分相式與電容分相式 單相異步電動(dòng)機(jī)相同。單相異步電動(dòng)機(jī)相同。交流伺服電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)交流伺服電動(dòng)機(jī)特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、 維護(hù)簡(jiǎn)便、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，維護(hù)簡(jiǎn)便、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小， 廣泛用于功率較小的廣泛用于功率較小的 控制系統(tǒng)中?？刂葡到y(tǒng)中。交流伺服電動(dòng)機(jī)的原理圖交流伺服電動(dòng)機(jī)的原理圖勵(lì)磁勵(lì)磁繞組繞組控制控制繞組繞組

4、SM機(jī)電傳動(dòng)控制5 “自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象現(xiàn)象如果交流伺服電動(dòng)機(jī)參數(shù)與一般的單相異步電動(dòng)機(jī)一樣，如果交流伺服電動(dòng)機(jī)參數(shù)與一般的單相異步電動(dòng)機(jī)一樣，那么當(dāng)控制信號(hào)消失時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速雖會(huì)下降些，但仍會(huì)那么當(dāng)控制信號(hào)消失時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速雖會(huì)下降些，但仍會(huì)繼續(xù)不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。這種失控現(xiàn)象稱為繼續(xù)不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。這種失控現(xiàn)象稱為“自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)”。 “自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象的消除現(xiàn)象的消除要求要求交流伺服電動(dòng)機(jī)的交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻值設(shè)計(jì)得很大，使電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻值設(shè)計(jì)得很大，使電機(jī)在失去控制信號(hào)而單相運(yùn)行時(shí)，正轉(zhuǎn)矩或負(fù)轉(zhuǎn)矩的最大在失去控制信號(hào)而單相運(yùn)行時(shí)，正轉(zhuǎn)矩或負(fù)轉(zhuǎn)矩的最大值均出現(xiàn)在值均出現(xiàn)在sm1的地方。的地方。 交流伺服電動(dòng)機(jī)的

5、轉(zhuǎn)速控制方式交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方式 幅值控制幅值控制 相位控制相位控制 幅相控制幅相控制機(jī)電傳動(dòng)控制6勵(lì)磁和控制繞組通電勵(lì)磁和控制繞組通電勵(lì)磁繞組通電勵(lì)磁繞組通電運(yùn)行運(yùn)行 繞組通電繞組通電運(yùn)行和起動(dòng)運(yùn)行和起動(dòng) 繞組通電繞組通電“自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象現(xiàn)象的消除的消除“自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象現(xiàn)象機(jī)電傳動(dòng)控制7幅值控制幅值控制接線圖接線圖相位控制相位控制接線圖接線圖幅值幅值-相位相位控制接線圖控制接線圖機(jī)電傳動(dòng)控制8幅值控制幅值控制接線圖接線圖交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)幅值控制時(shí)幅值控制時(shí)的機(jī)械特性的機(jī)械特性l 在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下， 控制電壓控制電壓 Uk 大小變化時(shí)，大小變化時(shí)， 轉(zhuǎn)

6、速轉(zhuǎn)速 n 與電壓與電壓Uk 成正比變化，成正比變化， Uk=0V時(shí)，能立即停止。時(shí)，能立即停止。機(jī)電傳動(dòng)控制9 直流伺服電動(dòng)機(jī)是一種小型直流電機(jī)，直流伺服電動(dòng)機(jī)是一種小型直流電機(jī)， 它能將直流信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸上的它能將直流信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸上的 角位移或角速度，以完成一定的控制任務(wù)。角位移或角速度，以完成一定的控制任務(wù)。 其控制方式有其控制方式有電樞控制電樞控制和和磁場(chǎng)控制磁場(chǎng)控制兩種。兩種。 直流伺服電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、直流伺服電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、 特性較硬且線性度好、特性較硬且線性度好、 調(diào)節(jié)范圍廣、體積小、效率高，因此調(diào)節(jié)范圍廣、體積小、效率高，因此 一般用于功率較大的控制系統(tǒng)中。一般用

7、于功率較大的控制系統(tǒng)中。機(jī)電傳動(dòng)控制10SM勵(lì)磁勵(lì)磁電壓電壓電樞電樞電壓電壓直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性的機(jī)械特性l 勵(lì)磁電壓勵(lì)磁電壓Uf 不變時(shí)，不變時(shí)， 在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下， 直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)的原理圖的原理圖機(jī)電傳動(dòng)控制11優(yōu)缺點(diǎn)比較：n直流伺服電動(dòng)機(jī)：轉(zhuǎn)矩大，線性度好，機(jī)械特性硬；效率高，功率大；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)困難，有無(wú)線干擾。n交流伺服電動(dòng)機(jī)：非線性特性曲線，影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)精度；體積大，效率低；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便。機(jī)電傳動(dòng)控制12 力矩電動(dòng)機(jī)是一種能夠長(zhǎng)期處于啟動(dòng)力矩電動(dòng)機(jī)是一種能夠長(zhǎng)期處于啟動(dòng)( (堵轉(zhuǎn)堵轉(zhuǎn)) ) 狀態(tài)下工作的低轉(zhuǎn)速、

8、大轉(zhuǎn)矩的執(zhí)行電機(jī)。狀態(tài)下工作的低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的執(zhí)行電機(jī)。 直流力矩電動(dòng)機(jī)的工作原理和直流伺服電動(dòng)機(jī)相同，直流力矩電動(dòng)機(jī)的工作原理和直流伺服電動(dòng)機(jī)相同， 僅在結(jié)構(gòu)上有所區(qū)別，力矩電動(dòng)機(jī)一般作成扁平形。僅在結(jié)構(gòu)上有所區(qū)別，力矩電動(dòng)機(jī)一般作成扁平形。 它主要采用永磁式電樞控制方式。它主要采用永磁式電樞控制方式。 它反應(yīng)速度快、特性硬度大且線性度好、精度高，它反應(yīng)速度快、特性硬度大且線性度好、精度高， 能在堵轉(zhuǎn)和低速下運(yùn)行，特別適用于對(duì)速度和位置能在堵轉(zhuǎn)和低速下運(yùn)行，特別適用于對(duì)速度和位置 的控制精度要求很高的系統(tǒng)中。的控制精度要求很高的系統(tǒng)中。 它與高精度的檢測(cè)元件、放大元件和校正環(huán)節(jié)等組成它與高精

9、度的檢測(cè)元件、放大元件和校正環(huán)節(jié)等組成 的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其穩(wěn)定運(yùn)行轉(zhuǎn)速低達(dá)每天轉(zhuǎn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其穩(wěn)定運(yùn)行轉(zhuǎn)速低達(dá)每天轉(zhuǎn)1/41/4轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)， 調(diào)速范圍達(dá)幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)，位置精度達(dá)到角度的秒級(jí)。調(diào)速范圍達(dá)幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)，位置精度達(dá)到角度的秒級(jí)。 機(jī)電傳動(dòng)控制13直流力矩電動(dòng)機(jī)直流力矩電動(dòng)機(jī)( (a) )分裝式分裝式( (b) )內(nèi)裝式內(nèi)裝式機(jī)電傳動(dòng)控制14 微型同步電動(dòng)機(jī)的微型同步電動(dòng)機(jī)的 定子與異步電動(dòng)機(jī)基本相同，有三相或單相之分；定子與異步電動(dòng)機(jī)基本相同，有三相或單相之分； 轉(zhuǎn)子有永磁式、磁阻式和磁滯式之分；轉(zhuǎn)子有永磁式、磁阻式和磁滯式之分； 工作原理與一般同步電動(dòng)機(jī)基本相同；工作原理與一般同步

10、電動(dòng)機(jī)基本相同； 永磁式和磁阻式的啟動(dòng)也常采用異步啟動(dòng)法。永磁式和磁阻式的啟動(dòng)也常采用異步啟動(dòng)法。 永磁式的可用于高速或低速的自動(dòng)裝置中，永磁式的可用于高速或低速的自動(dòng)裝置中， 磁阻式電磁減速同步電動(dòng)機(jī)常用于低速的場(chǎng)合，磁阻式電磁減速同步電動(dòng)機(jī)常用于低速的場(chǎng)合， 廣泛應(yīng)用于儀器儀表及無(wú)線電設(shè)備中。廣泛應(yīng)用于儀器儀表及無(wú)線電設(shè)備中。機(jī)電傳動(dòng)控制15 測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種將轉(zhuǎn)速信號(hào)變換成電信號(hào)的元件，測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種將轉(zhuǎn)速信號(hào)變換成電信號(hào)的元件， 輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。 交流測(cè)速發(fā)電機(jī)主要是異步測(cè)速發(fā)電機(jī)，它的結(jié)構(gòu)與交流測(cè)速發(fā)電

11、機(jī)主要是異步測(cè)速發(fā)電機(jī)，它的結(jié)構(gòu)與 交流伺服電動(dòng)機(jī)基本相同，區(qū)別僅在于定子上有一交流伺服電動(dòng)機(jī)基本相同，區(qū)別僅在于定子上有一 個(gè)繞組是作為感應(yīng)電勢(shì)的輸出繞組；個(gè)繞組是作為感應(yīng)電勢(shì)的輸出繞組； 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和原理與普通直流發(fā)電機(jī)基本相同。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和原理與普通直流發(fā)電機(jī)基本相同。 交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)和直流測(cè)速發(fā)電機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)，交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)和直流測(cè)速發(fā)電機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)， 選用時(shí)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際要求綜合考慮。選用時(shí)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際要求綜合考慮。 機(jī)電傳動(dòng)控制16 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與一般電動(dòng)機(jī)相比，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與一般電動(dòng)機(jī)相比， 它們的結(jié)構(gòu)相似，由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。它們的結(jié)構(gòu)相似，由定

12、子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。 但步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將但步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將 轉(zhuǎn)換為角位移或直線運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行部件。轉(zhuǎn)換為角位移或直線運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行部件。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子上裝有一定相數(shù)的勵(lì)磁繞組，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子上裝有一定相數(shù)的勵(lì)磁繞組， 轉(zhuǎn)子本身沒(méi)有勵(lì)磁繞組的叫轉(zhuǎn)子本身沒(méi)有勵(lì)磁繞組的叫“反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)”， 用永久磁鐵做轉(zhuǎn)子的叫用永久磁鐵做轉(zhuǎn)子的叫“永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)”。 機(jī)電傳動(dòng)控制17小步距角小步距角三相反應(yīng)式三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相反應(yīng)式三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 機(jī)電傳動(dòng)控制18 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理就是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理就是。 每當(dāng)定子繞組接

13、收一個(gè)電脈沖時(shí)，每當(dāng)定子繞組接收一個(gè)電脈沖時(shí)， 轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的角度，這個(gè)角度即稱為步距角。轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的角度，這個(gè)角度即稱為步距角。 因?yàn)槊客娨淮?，即運(yùn)行一拍，轉(zhuǎn)子就走一步，故因?yàn)槊客娨淮危催\(yùn)行一拍，轉(zhuǎn)子就走一步，故 步距角：步距角： 式中，式中，為狀態(tài)系數(shù)為狀態(tài)系數(shù) （如單三拍、雙三拍時(shí)（如單三拍、雙三拍時(shí)K=1，單、雙六拍時(shí)，單、雙六拍時(shí)K=2）；）； 表示電動(dòng)機(jī)的相數(shù)；表示電動(dòng)機(jī)的相數(shù)； 為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)相數(shù)當(dāng)電動(dòng)機(jī)相數(shù)m和轉(zhuǎn)子齒數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù)z一定（即電機(jī)結(jié)構(gòu)一定）時(shí)，一定（即電機(jī)結(jié)構(gòu)一定）時(shí)， 則步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于輸入電脈沖的頻率和通電方式，則

14、步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于輸入電脈沖的頻率和通電方式， 即：即： (r / /min) ，其中，其中， 為電脈沖的頻率。為電脈沖的頻率。機(jī)電傳動(dòng)控制19 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理圖反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理圖三相單三拍運(yùn)行方式三相單三拍運(yùn)行方式機(jī)電傳動(dòng)控制2003060反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理圖反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理圖01530三相單、雙六拍三相單、雙六拍AABB CACBC三相單三拍三相單三拍 ABC 機(jī)電傳動(dòng)控制21 電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子展開(kāi)圖電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子展開(kāi)圖小步距角小步距角三相反應(yīng)式三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)機(jī)電傳動(dòng)控制22 電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子展開(kāi)圖電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子展開(kāi)圖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)

15、矩與失調(diào)角的關(guān)系轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系機(jī)電傳動(dòng)控制23 靜態(tài)運(yùn)行特性靜態(tài)運(yùn)行特性：不改變通電情況的運(yùn)行狀態(tài)稱為靜態(tài)運(yùn)行。不改變通電情況的運(yùn)行狀態(tài)稱為靜態(tài)運(yùn)行。失調(diào)角失調(diào)角 ：定子齒與轉(zhuǎn)子齒中心線之間的夾角定子齒與轉(zhuǎn)子齒中心線之間的夾角 ( (電角度電角度) )。矩角特性矩角特性：靜轉(zhuǎn)矩和失調(diào)角之間的特性曲線，靜轉(zhuǎn)矩和失調(diào)角之間的特性曲線，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系機(jī)電傳動(dòng)控制24 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩角特性的矩角特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系機(jī)電傳動(dòng)控制25 機(jī)電傳動(dòng)控制26 機(jī)電傳動(dòng)控制27 在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

16、來(lái)說(shuō)，在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)， 由于單三拍通電方式容易失步，穩(wěn)定性差，一般很少采用。由于單三拍通電方式容易失步，穩(wěn)定性差，一般很少采用。 三相六拍通電方式比三相單三拍通電方式步距角小一半，三相六拍通電方式比三相單三拍通電方式步距角小一半， 在切換時(shí)保持一相繞組通電，工作穩(wěn)定，在切換時(shí)保持一相繞組通電，工作穩(wěn)定， 比單三拍增大了穩(wěn)定區(qū)。比單三拍增大了穩(wěn)定區(qū)。 步距角步距角 最大靜轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)矩TSmax 空載啟動(dòng)頻率空載啟動(dòng)頻率fost 精度精度。 機(jī)電傳動(dòng)控制28 直線電動(dòng)機(jī)是一種能直接將電能轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的直線電動(dòng)機(jī)是一種能直接將電能轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的 伺服驅(qū)動(dòng)部件，與普通直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)等伺服驅(qū)動(dòng)部件，與普通直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)等 的工作原理相同；的工作原理相同； 在結(jié)構(gòu)型式上一般把定子與轉(zhuǎn)子作成初級(jí)與次級(jí)在結(jié)構(gòu)型式上一般把定子與轉(zhuǎn)子作成初級(jí)與次級(jí) 長(zhǎng)度不等的平面，把一方固定不動(dòng)，而另一方在長(zhǎng)度不等的平面，把一方固定不動(dòng)，而另一方在 電磁力的推動(dòng)