自動控制元件15

自動控制元件第七章新型控制元件低慣量直流伺服電動機直流伺服電動機具有啟動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、機械特性和調(diào)節(jié)特性線性度好、控制方便等優(yōu)點，因此獲得了廣泛應(yīng)用。但是，由于直流伺服電動機轉(zhuǎn)子是帶鐵心的，加之鐵心有齒槽，因而帶來性能上的缺陷。如轉(zhuǎn)動慣量大、機電時間常數(shù)較大、靈敏度差、轉(zhuǎn)矩波動較大、低速運轉(zhuǎn)不夠平穩(wěn)、換向火花帶來無線電干擾，并影響電機壽命，使其應(yīng)用上受到一定的限制。目前國內(nèi)外已在普通直流伺服電動機的基礎(chǔ)上發(fā)展了低慣量直流伺服電動機。主要形式有：杯形電樞直流伺服電動機；盤形電樞直流伺服電動機；無槽電樞直流伺服電動機。它們已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代攜帶式電聲、電視設(shè)備和計算機外圍設(shè)備以及高靈敏度伺服系統(tǒng)中。一、空心杯電樞直流伺服電動機空心杯電樞直流伺服電動機這種電機的性能特點如下：

1.低慣量由于轉(zhuǎn)子無鐵心，且薄壁細(xì)長，慣量極低，有超低慣量電動機之稱。

2.靈敏度高因轉(zhuǎn)子繞組散熱條件好，繞組的電流密度可取到30A/，并且永久磁鋼體積大，可提高氣隙的磁通密度，所以力矩大。加上慣量又小，因而轉(zhuǎn)矩／慣量比很大，機電時間常數(shù)很?。ㄗ钚〉脑?ms以下），靈敏度高，快速性好。其始動電壓在100mV以下，可完成每秒鐘250個起、停循環(huán)。3.損耗小效率高因轉(zhuǎn)子中無磁滯和渦流造成的鐵耗，所以效率可達80%或更高。4.力矩波動小，低速運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音很小由于繞組在氣隙中均勻分布，不存在齒槽效應(yīng)，因此力矩傳遞均勻，波動小，故運轉(zhuǎn)時噪音小，低速運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。5.換向性能好，壽命長由于杯形轉(zhuǎn)子無鐵心，換向元件電感很小，幾乎不產(chǎn)生火花，換向性能好，因此大大提高了電機的使用壽命。而且換向火花很小，可大大減小對無線電的干擾。二、盤形電樞直流伺服電動機盤形電樞直流伺服電動機盤形電樞直流伺服電動機盤形電樞直流伺服電動機具有與杯形電樞類似的特點，簡述如下：

1.電機結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低

2.啟動轉(zhuǎn)矩大由于電樞繞組全部在氣隙中，散熱良好，其繞組電流密度比一般普通的直流伺服電動機高10倍以上，因此容許的啟動電流大，啟動轉(zhuǎn)矩也大。

3.力矩波動很小，低速運行穩(wěn)定，調(diào)整范圍大而平滑能在1:20的速比范圍內(nèi)可靠平穩(wěn)運行。這主要是由于這種電機沒有齒槽效應(yīng)以及電樞元件數(shù)、換向片數(shù)多的緣故。

4.換向性能好電樞由非磁性材料組成，換向元件電感小，所以換向火花小。

5.電樞轉(zhuǎn)動慣量小，反應(yīng)快機電時間常數(shù)一般為10~15ms，屬于中等慣量伺服電動機。盤形電樞直流伺服電動機適用于低速和啟動、反轉(zhuǎn)頻繁，要求薄形安裝尺寸的系統(tǒng)中。目前它的輸出功率一般在幾瓦到幾千瓦之間。其中功率較大的電機主要用于數(shù)控機床、工業(yè)機器人、雷達天線驅(qū)動和其他伺服系統(tǒng)。三、無槽電樞直流伺服電動機

無槽電樞直流電動機的結(jié)構(gòu)和普通直流電動機的差別僅僅是電樞鐵心是光滑、無槽的圓柱體。電樞的制造是將敷設(shè)在光滑電樞鐵心表面的繞組用環(huán)氧樹脂固化成型并與鐵心粘結(jié)在一起，其氣隙尺寸較大，比普通的直流電動機大10倍以上。定子勵磁一般采用高磁能的永久磁鋼。無槽直流電動機具有轉(zhuǎn)動慣量低、啟動轉(zhuǎn)矩大、反應(yīng)快、啟動靈敏度高、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、低速運行均勻、換向性能良好等優(yōu)點。目前電機的輸出功率在幾十瓦到10Kw以內(nèi)，機電時間常數(shù)為5~10ms。主要用于要求快速動作、功率較大的系統(tǒng)，例如數(shù)控機床和雷達天線驅(qū)動等方面。無刷直流電動機無刷直流電動機利用電子換向開關(guān)線路和位置傳感器來代替電刷和換向器，使這種電機既具有直流電動機的特性，又具有交流電動機運行可靠、維護方便等優(yōu)點，它的轉(zhuǎn)速不再受機械換向的限制，若采用高速軸承，還可以在高達每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速中運行。其缺點是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，包括電子換向器在內(nèi)的體積較大，轉(zhuǎn)矩波動大，低速時運行的均勻性差。一、無刷直流電動機的基本結(jié)構(gòu)無刷直流電動機是由電動機、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。直流電源通過開關(guān)線路向電動機定子繞組供電，電動機轉(zhuǎn)子位置由位置傳感器檢測并提供信號去觸發(fā)開關(guān)線路中的功率開關(guān)元件使之導(dǎo)通或截止，從而控制電動機的轉(zhuǎn)動。無刷直流電動機原理圖無刷直流電動機的基本結(jié)構(gòu)位置傳感器位置傳感器是無刷直流電動機的關(guān)鍵部分，其作用是檢測轉(zhuǎn)子磁場相對于定子繞組的位置。它有多種結(jié)構(gòu)形式，常見的有電磁式、光電式和霍爾元件。電磁式位置傳感器光電式位置傳感器霍爾位置傳感器二、無刷直流電動機工作原理1.三相非橋式星形接法無刷直流電動機工作原理無刷直流電動機工作原理導(dǎo)通角、扇形片張角、磁狀態(tài)角導(dǎo)通角：每一晶體管導(dǎo)通時轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的空間電角度稱為導(dǎo)通角。扇形片張角：轉(zhuǎn)子位置傳感器的導(dǎo)磁扇形片張角至少應(yīng)該等于導(dǎo)通角。通常為了保證前后兩個導(dǎo)通狀態(tài)之間不出現(xiàn)間斷，就需要有個短暫的重疊時間，必須使扇形片張角略大于導(dǎo)通角。磁狀態(tài)角：電樞磁場在空間保持某一狀態(tài)時轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的空間電角度，即定子上前后出現(xiàn)的兩個不同磁場軸線間所夾的電角度稱為磁狀態(tài)角，或稱狀態(tài)角。無刷直流電動機工作原理2.三相星形橋式接法無刷直流電動機工作原理三相混合式步進電機繞組通電方式1

2－2通電方式，6拍無刷直流電動機工作原理3.三相封閉形橋式接法無刷直流電動機工作原理三相混合式步進電機繞組通電方式23－3通電方式，6拍三、無刷直流電動機的運行特性以三相非橋式星形接法兩極電機為例，分析無刷直流電動機的運行特性1.電樞電流A相電壓平衡方程式為電樞電流2.電磁轉(zhuǎn)矩