機(jī)電傳動(dòng)與控制第3章(上)

第3章：控制電機(jī)本章基本要求和重點(diǎn)：1、掌握對(duì)控制電機(jī)的主要要求。它是用來完成信息的傳遞和變換，應(yīng)具有良好的可控性，快速響應(yīng)，大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，精度要高，誤差要小。2、了解機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)中一些常用控制電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。3、重點(diǎn)掌握各種控制電機(jī)的基本工作原理、主要運(yùn)行特性及特點(diǎn)。4、了解各種控制電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)所，以便正確選用和使用它們。5、難點(diǎn)是理解交流伺服電動(dòng)機(jī)的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象及消除原理。3.1伺服電動(dòng)機(jī)

伺服電動(dòng)機(jī)也稱為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換軸上的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速，有直流和交流兩種，最大的特點(diǎn)是可控。與普通電機(jī)相比：有調(diào)速范圍廣、能實(shí)現(xiàn)迅速的啟和停、過載能力強(qiáng)，可靠性好等特點(diǎn)。3.1.1兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)其定子繞組與單相電容分相式異步電動(dòng)機(jī)相似，嵌入兩個(gè)相差90度的繞組，勵(lì)磁繞組和控制繞組，它們分別接入兩個(gè)不同的交流電源（同頻率）。其轉(zhuǎn)子一般分為鼠籠轉(zhuǎn)子和杯形轉(zhuǎn)子兩種。使用最多的是鼠籠轉(zhuǎn)子的交流伺服電動(dòng)機(jī)。1)定子：

定子由硅鋼片疊成：在定子鐵心的內(nèi)圓表面嵌有兩套相差90度電角度的繞組：激磁繞組WF,控制繞組WC；這兩套繞組分別由兩個(gè)電源供電。2)轉(zhuǎn)子：分為鼠籠型和杯型兩種。(1)鼠籠型轉(zhuǎn)子作得細(xì)而長，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體采用高電阻率的材料.用于小功率的自動(dòng)控制系統(tǒng).產(chǎn)品型號(hào)SL系列。(2)空心杯型轉(zhuǎn)子作成薄壁圓筒形,放在內(nèi)外定子之間，用于要求運(yùn)行平滑的系統(tǒng)，產(chǎn)品型號(hào)SK系列。杯型轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖激磁繞組1;控制繞組2;內(nèi)定子3;

外定子4;轉(zhuǎn)子53.1.2基本工作原理

以單相異步電動(dòng)機(jī)原理為基礎(chǔ)。勵(lì)磁繞組接到電壓一定的交流電網(wǎng)上，當(dāng)控制繞組上有控制信號(hào)輸入時(shí)，兩相繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。同步轉(zhuǎn)速為：把控制電壓的相位改變180度，可改變伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。要求控制電壓一但取消，電動(dòng)機(jī)必須停轉(zhuǎn)。但是取消控制電壓后，勵(lì)磁電壓仍可使電動(dòng)機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，既所謂“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。3.1.3消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象的措施

其解決辦法是，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條具有較大的電阻。這樣最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在s=1附近?？傻贸霾煌D(zhuǎn)子電阻的伺服電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線。設(shè)計(jì)電阻使電動(dòng)機(jī)單相運(yùn)行時(shí)最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在SM大于1處。由圖看出：曲線1為有控制電壓時(shí)，曲線T為去掉控制電壓時(shí)，此時(shí)T與n相反，成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它可使轉(zhuǎn)子迅速停止轉(zhuǎn)動(dòng)，保證不會(huì)出現(xiàn)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。而勵(lì)磁繞組始終接在電源上。合成電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在第二和第四象限?？刂品椒ㄓ蟹悼刂?、相位控制、幅值--相位控制幅值控制接線圖3.1.4特性和應(yīng)用不同電壓下的機(jī)械特性曲線由圖可見：在一定負(fù)載下，控制電壓越高，S越小，轉(zhuǎn)速越高。改變電壓可改變轉(zhuǎn)速。應(yīng)用舉例(1)參數(shù)：交流伺服電動(dòng)機(jī)輸出功率為0.1-100W(再大則用直流伺服電動(dòng)機(jī))；電源頻率50-400Hz。(2)應(yīng)用：雷達(dá)天線的旋轉(zhuǎn)控制；飛機(jī)駕駛盤的控制；流體閥門開關(guān)控制。典型應(yīng)用方框圖兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)用非常廣泛：

可以方便的利用控制電壓的有無來進(jìn)行啟動(dòng)、停止，利用改變電壓的幅值（或相位）大小來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的高低。而伺服電動(dòng)機(jī)的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能。選擇時(shí)要注意系統(tǒng)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性的要求。一般輸出功率不大。3.2交流伺服電動(dòng)機(jī)

交流伺服電動(dòng)機(jī)減去了直流伺服電動(dòng)機(jī)中的換向器，提高了運(yùn)行的可靠性。

一、三相交流永磁伺服結(jié)構(gòu)

1.定子

三相繞組和鐵芯組成。三相繞組直流供電，由電子換向器輪流供電，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。（同步電機(jī)）

2.轉(zhuǎn)子

永磁鐵芯。

二、無刷直流電動(dòng)機(jī)1.結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一臺(tái)反裝式直流電動(dòng)機(jī)。定子為三相繞組和鐵芯組成。三相繞組直流供電，由電子換向器輪流供電，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子為永磁體，轉(zhuǎn)子軸上裝有轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和光電脈沖編碼器。

轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器：輸出信號(hào)控制電子換向器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的換向，即電子換向器中的晶體管的導(dǎo)通和截止由轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器的輸出信號(hào)控制。

轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器的種類：光電式、電磁式、接近開關(guān)式。

測(cè)速發(fā)電機(jī)：檢測(cè)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行速度，用于速度反饋。

光電編碼器：檢測(cè)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，輸出信號(hào)反饋給CNC實(shí)現(xiàn)位置控制。2.工作原理

三相繞組直流供電，由電子換向器輪流供電，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。3.3

直流伺服電動(dòng)機(jī)1.基本結(jié)構(gòu):與普通他激直流電動(dòng)機(jī)相同.(有換向器)2.分類:電磁式(他激式);

永磁式,3.電氣原理圖:如右圖.其中(a)為電磁式(b)為永磁式.4.參數(shù):輸出功率1-600W.

它的基本結(jié)構(gòu)和工作原理與普通直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)相同，不同點(diǎn)在于做的細(xì)長一點(diǎn)，以便滿足快速響應(yīng)的要求。

由上式可以看出：改變控制電壓和改變磁通都可以控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。前者是電樞控制（常用），后者是磁場(chǎng)控制。

在磁通不變的情況下，在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，升高電壓，電機(jī)轉(zhuǎn)速就上升。反之就下降，電機(jī)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

直流伺服電動(dòng)機(jī)與兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性相比較，前者堵轉(zhuǎn)矩大，特性曲線線性度好，機(jī)械特性較硬，但缺點(diǎn)是有換向器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易產(chǎn)生無線電干擾。通常用于功率稍大的系統(tǒng)中。3.4

力矩電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn):扁平狀.工作原理:同電磁式伺服電動(dòng)機(jī).1.定子2.電樞3.電刷架是能與負(fù)載直接連接產(chǎn)生大轉(zhuǎn)矩低轉(zhuǎn)速(或堵轉(zhuǎn))下運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)3.4.1永磁式直流力矩電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)3.4.2直流力矩電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速低的原因1.轉(zhuǎn)矩大的原因由直流電動(dòng)機(jī)的基本原理可知：每根導(dǎo)體所受的電磁力為：電磁轉(zhuǎn)矩為：在電樞體積相同條件下，保持不變，在相同電流和相同用銅量條件下，應(yīng)保持不變。所以滿足上述條件，轉(zhuǎn)矩與直徑近似成正比關(guān)系。2.轉(zhuǎn)速低的原因?qū)w在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)為：線速度為：設(shè)在一對(duì)電刷之間的并聯(lián)支路數(shù)為2，N/2根導(dǎo)體串聯(lián)后總感應(yīng)電勢(shì)為Ea，理想空載下則：在上式中，保持NL不變下，理想空載轉(zhuǎn)速和電樞鐵心直徑成反比關(guān)系。綜述：在其他條件相同下，增大電動(dòng)機(jī)直徑，減少軸向長度，可滿足要求。（扁平狀結(jié)構(gòu)）。由于保證了能在低速或堵轉(zhuǎn)下運(yùn)行，加上它有精度高、反應(yīng)速度快、線性度好等特點(diǎn)，應(yīng)用較廣。衛(wèi)星天線驅(qū)動(dòng)；雷達(dá)天線驅(qū)動(dòng)；數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)；X-Y紀(jì)錄儀傳動(dòng)。與測(cè)速發(fā)電機(jī)配合可組成高精度,寬調(diào)速伺服系統(tǒng).直流力矩電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為LY系列.其調(diào)速可達(dá)0.00017r/min,即4天才轉(zhuǎn)一圈.3.3.3直流力矩電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用3.5

小功率同步電動(dòng)機(jī)

小功率同步電動(dòng)機(jī)為連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的同步電動(dòng)機(jī),用于傳動(dòng)及作執(zhí)行元件1)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：定子繞組可通入三相或兩相交流電；轉(zhuǎn)子包括永久磁鐵1和裝在轉(zhuǎn)子鐵心3槽中的起動(dòng)繞組2。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖見下圖。2)工作原理負(fù)載不能超過一定限度,否則電動(dòng)機(jī)可能“失步”。3.5.1永磁式同步電動(dòng)機(jī)

對(duì)于一些控制設(shè)備和自動(dòng)裝置，（如傳真機(jī)、電鐘等）往往需要速度恒定不變，使用之。

它是交流同步電動(dòng)機(jī)，定子結(jié)構(gòu)與異步電動(dòng)機(jī)無本質(zhì)區(qū)別，轉(zhuǎn)子上無繞組，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，轉(zhuǎn)子中包括永久磁鐵和置于轉(zhuǎn)子鐵心中的鼠籠繞組。（與大功率同步電動(dòng)機(jī)不同）它的工作原理與普通同步電動(dòng)機(jī)的原理相似。它也存在啟動(dòng)困難問題，為此轉(zhuǎn)子上的鼠籠繞組起了啟動(dòng)繞組的作用（即采用異步啟動(dòng)）。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過一定限度，電動(dòng)機(jī)將“失步”。適合于輕載啟動(dòng)。3.5.2磁阻式電磁減速同步電動(dòng)機(jī)1)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圓環(huán)形的定子裝有三相或單相供電的繞組，轉(zhuǎn)子為圓盤形，不嵌繞組；轉(zhuǎn)子齒數(shù)大于定子齒數(shù)。2)工作原理磁力線總是使經(jīng)過的磁路磁阻最小，磁阻轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子朝著磁導(dǎo)最大的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。磁阻轉(zhuǎn)矩總是力圖使轉(zhuǎn)子朝磁導(dǎo)最大的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。而定子和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)不等，使它們?cè)诳臻g上相差一個(gè)角度。

是常用的一種低速電動(dòng)機(jī)。錯(cuò)齒