電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)電子教案第六篇 微控電機(jī)

電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)電子教案第六篇微控電機(jī)第六篇微控電機(jī)第20章微控電機(jī)微控電機(jī)在本質(zhì)上和我們以前所講的普通電機(jī)并沒(méi)有區(qū)別,只是他們的側(cè)重點(diǎn)不同而已:普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)主要是進(jìn)行能量變換，要求有較高的力能指標(biāo)；而控制電機(jī)主要是對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行傳遞和變換，要求有較高的控制性能，如要求反應(yīng)快、精度高、運(yùn)行可靠等等?？刂齐姍C(jī)因其各種特殊的控制性能而常在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件、檢測(cè)元件和解算元件。微控電機(jī):由驅(qū)動(dòng)微電機(jī)和控制電機(jī)構(gòu)成簡(jiǎn)稱(chēng)為微控電機(jī).驅(qū)動(dòng)微電機(jī):用來(lái)拖動(dòng)各種小型負(fù)載,功率一般都在750W以下,最小的不到1W,因此外形尺寸較小,相應(yīng)的功率也小,本章主要介紹單相異步電動(dòng)機(jī),微型同步電動(dòng)機(jī),直線(xiàn)電動(dòng)機(jī).控制電機(jī):在自動(dòng)控制系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)進(jìn)行傳遞和變換,用做執(zhí)行元件或信號(hào)元件.要求有較高的控制性能,如:反應(yīng)快,精度高,運(yùn)行可靠等等.本章主要介紹伺服電動(dòng)機(jī),步進(jìn)電動(dòng)機(jī),旋轉(zhuǎn)變壓器,自整角機(jī)和測(cè)步電動(dòng)機(jī)一、單相異步電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介：二、工作原理：1、一相定子繞組通電時(shí)的機(jī)械特性：結(jié)論：1當(dāng)n0時(shí)，轉(zhuǎn)矩T0，此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的，電機(jī)屬于正轉(zhuǎn)運(yùn)行2當(dāng)n0時(shí)，轉(zhuǎn)矩T0，此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩仍然是驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的，電機(jī)反轉(zhuǎn)運(yùn)行3當(dāng)n0時(shí)，轉(zhuǎn)矩T0，顯然這是不行的，電機(jī)將無(wú)法起動(dòng)，即，我們希望當(dāng)轉(zhuǎn)速0時(shí)，轉(zhuǎn)矩不應(yīng)為零！由此可見(jiàn)，單個(gè)繞組通電，電機(jī)可以運(yùn)行，但不能起動(dòng)，因此必須有兩相繞組才行。2、兩相繞組通電時(shí)的機(jī)械特性：從圖形可以看出，此時(shí)的電機(jī)可以順利起動(dòng)，從上面的分析結(jié)果可知，單腥異步電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵問(wèn)題是如何起動(dòng)的問(wèn)題，而起動(dòng)的必要條件是：1）定子具有空間不同相位的兩個(gè)繞組2）兩相繞組中要通入不同相位的交流電流第一個(gè)條件顯然應(yīng)該是滿(mǎn)足的，所以，現(xiàn)在的關(guān)鍵問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)電流的分相問(wèn)題，根據(jù)分相方法的不同，我們把單相異步電動(dòng)機(jī)又分為：1）單相電阻分相起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)2）單相電容分相起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)3）單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)4）單相電容起動(dòng)與運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)5）單相罩極式異步電動(dòng)機(jī)下面，我們分別來(lái)看一下：三、各種類(lèi)型的單相異步電動(dòng)機(jī)：1、單相電阻分相起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)這種電動(dòng)機(jī)，由于兩相繞組中電流的相位相差不大，所以，氣隙磁動(dòng)勢(shì)是一個(gè)橢圓形，因此起動(dòng)電流比較大，而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩卻不是很大。2、單相電容分相起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)：優(yōu)點(diǎn)：1）如果電容器的電容量配的合適，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電流之間的相位差為90，2）副繞組的容性可以抵消一些本身所有的感抗，使電抗減小，所以副繞組的匝數(shù)不象電阻分相時(shí)受到限制，從而可以增加一些，使的磁動(dòng)勢(shì)增加。這兩點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)，可以使我們得到一個(gè)接近圓形的磁動(dòng)勢(shì)，即較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而起動(dòng)電流還會(huì)下降！3、單相罩極式異步電動(dòng)機(jī)20.2伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)（執(zhí)行電動(dòng)機(jī)），它將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出，改變輸入信號(hào)的大小和極性可以改變伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，故輸入的電壓信號(hào)又稱(chēng)為控制信號(hào)或控制電壓。根據(jù)使用電源的不同，伺服電動(dòng)機(jī)分為直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類(lèi)。直流伺服電動(dòng)機(jī)輸出功率較大，功率范圍為1～600瓦，有的甚至可達(dá)上千瓦；而交流伺服電動(dòng)機(jī)輸出功率較小，功率范圍一般為0.1～100瓦。一、直流伺服電動(dòng)機(jī)1、簡(jiǎn)介：直流伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)際上就是他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，只不過(guò)直流伺服電動(dòng)機(jī)輸出功率較小而已。輸入的控制信號(hào)，既可加到勵(lì)磁繞組上，也可加到電樞繞組上：若把控制信號(hào)加到電樞繞組上，通過(guò)改變控制信號(hào)的大小和極性來(lái)控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的大小和方向，這種方式叫電樞控制；若把控制信號(hào)加到勵(lì)磁繞組上進(jìn)行控制，這種方式叫磁場(chǎng)控制。2：特性分析：1）機(jī)械特性：2）調(diào)節(jié)特性：二、交流伺服電動(dòng)機(jī)：伺服電動(dòng)機(jī)就是兩相異步電動(dòng)機(jī)，定子側(cè)繞組再空間相差90度擺放，轉(zhuǎn)子是鼠籠式的。1、自轉(zhuǎn)現(xiàn)象：如果電機(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)繼續(xù)不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服電動(dòng)機(jī)在控制信號(hào)消失后仍繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的失控現(xiàn)象稱(chēng)為“自轉(zhuǎn)”。2、如何克服：顯然,我們需要的是當(dāng)控制信號(hào)為零時(shí),轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也為零,從機(jī)械特性圖上我們可以看出,只要轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向和電磁轉(zhuǎn)矩的方向相反,就可以實(shí)現(xiàn)此目的,那么.從我們以前所學(xué)的知識(shí)可得:使電機(jī)制動(dòng)到停止，從而消除“自轉(zhuǎn)”增加轉(zhuǎn)子電阻，使正向磁場(chǎng)產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的Sm+≥1，使正向旋轉(zhuǎn)的電機(jī)在控制電壓消失后的電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，即為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)制動(dòng)到停止；若電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，則在控制電壓消失后的電磁轉(zhuǎn)矩為正值，也為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，如圖3、改變控制電壓的方法：1）幅值控制：如圖所示，幅值控制通過(guò)改變控制電壓的大小來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，此時(shí)控制電壓與勵(lì)磁電壓之間的相位差始終保持90°電角度。若控制繞組的額定電壓,那么控制信號(hào)的大小可表示Ｕc＝?ＵcN,?稱(chēng)為有效信號(hào)系數(shù)，那么以Ｕcn為基值，控制電壓的標(biāo)么值為：當(dāng)有效信號(hào)系數(shù)?＝１時(shí)，控制電壓與的幅值相等，相位相差90°電角度，且兩繞組空間相差90°電角度。此時(shí)所產(chǎn)生的氣隙磁通勢(shì)為圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)距最大；當(dāng)?１時(shí)，控制電壓小于勵(lì)磁電壓的幅值，所建立的氣隙磁場(chǎng)為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩減小。?越小，氣隙磁場(chǎng)的橢圓度越大，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩越小，電機(jī)轉(zhuǎn)速越慢，在?＝０時(shí)，控制信號(hào)消失，氣隙磁場(chǎng)為脈振磁場(chǎng)，電機(jī)不轉(zhuǎn)或停轉(zhuǎn)。幅值控制的交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性如下圖所示。圖中的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都采用標(biāo)么值。2）相位控制2）相位控制:這種控制方式通過(guò)改變控制電壓與勵(lì)磁電壓之間的相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制，而控制電壓的幅值保持不變。如圖所示，勵(lì)磁繞組直接接到交流電源上，而控制繞組經(jīng)移相器后接到同一交流電壓上，與的頻率相同。而相位通過(guò)移相器可以改變，從而改變兩者之間的相位差?,Sin?稱(chēng)為相位控制的信號(hào)系數(shù)。改變與相位差?的大小，可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。相位控制的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性與幅值控制相似，也為非線(xiàn)性。（3）幅值―相位控制:如圖所示,我們還可以通過(guò)同時(shí)改變幅值和相位的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制電壓的改變:幅度―相位控制線(xiàn)路簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的移相裝置，只需電容進(jìn)行分相，具有線(xiàn)路簡(jiǎn)單、成本低廉、輸出功率較大的優(yōu)點(diǎn)，因而成為使用最多的控制方式。20.3微型同步電動(dòng)機(jī)微型同步電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與一般的同步電動(dòng)機(jī)相同，可以是三相的也可是單相的，但轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同。根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，微型同步電動(dòng)機(jī)主要分為永磁式、反應(yīng)式、磁滯式等，另外為了提高力能指標(biāo)，還將磁滯式與其他形式結(jié)合起來(lái)。下面主要介紹永磁式和磁滯式微型同步電動(dòng)機(jī)。一、永磁式微型同步電動(dòng)機(jī)：當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子也以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)。與普通同步電機(jī)一樣，永磁式微型同步電動(dòng)機(jī)采用異步起動(dòng)法：在起動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子上的鼠籠起動(dòng)繞組在定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)起動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速n1時(shí)，轉(zhuǎn)子被“牽入同步”永磁式同步電動(dòng)機(jī)功率小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在電氣儀表中應(yīng)用較多。二、反應(yīng)式微型同步電動(dòng)機(jī)反應(yīng)式微型同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子用磁極材料和非磁極材料拼鑲而成，使其直軸方向的磁阻小而交軸方向的磁阻大。當(dāng)反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)定子繞組接交流電源，由于直軸和交軸的磁阻不同，從而形成磁阻轉(zhuǎn)矩（也叫反應(yīng)轉(zhuǎn)矩），拖動(dòng)負(fù)載同步運(yùn)行。三、磁滯式微型同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁滯材料層用硬磁材料制成，硬磁材料的磁滯現(xiàn)象十分突出，具有較寬的磁滯回線(xiàn)，其剩磁和矯頑力都很大，換句話(huà)說(shuō)，既是當(dāng)外加的磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，磁滯現(xiàn)象明顯的材料不會(huì)輕易就隨之發(fā)生相應(yīng)的改變，他會(huì)有一個(gè)時(shí)間上的落后，這樣，再外加磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子之間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁滯轉(zhuǎn)矩，再這個(gè)轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。磁滯同步電動(dòng)機(jī)憑借磁滯轉(zhuǎn)矩而能自行起動(dòng)，在起動(dòng)過(guò)程中，磁滯角?的大小僅僅取決于硬磁材料的磁化特性，而與旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，轉(zhuǎn)子的硬磁材料在旋轉(zhuǎn)磁化下，磁滯角?是恒定的。20.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一、定義：是一種把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移的電動(dòng)機(jī)。簡(jiǎn)單的理解：給一個(gè)電脈沖信號(hào)，電機(jī)前進(jìn)一步，因此被稱(chēng)之為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。相對(duì)與模擬的電壓信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)是數(shù)字量，因此，更廣泛的應(yīng)用在數(shù)字控制場(chǎng)合，例如，計(jì)算機(jī)的外圍控制系統(tǒng)等。二、結(jié)構(gòu)：如圖所示，三、工作原理：如圖，在這里我們以三相單三拍的反應(yīng)式電機(jī)為例來(lái)進(jìn)行分析：相關(guān)概念：1、靜轉(zhuǎn)矩T：2、步距角：在靜轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子齒每前進(jìn)一步在電機(jī)圓周上所跨過(guò)的距離，我們用一個(gè)角度來(lái)表示，叫做步距角。3、拍N：每改變一次通電方式叫做一拍，常用為三拍。4、通電循環(huán)：控制繞組各完成一次通電形成一個(gè)通電循環(huán)，通過(guò)后面的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，每經(jīng)過(guò)一個(gè)通電循環(huán)，（即對(duì)應(yīng)一個(gè)2π的空間電角度）轉(zhuǎn)子齒前進(jìn)一個(gè)齒距的距離，因此，轉(zhuǎn)子一個(gè)齒距對(duì)應(yīng)一個(gè)2π的空間電角度。5、單：每次改變通電方式只有一個(gè)繞組通電6、雙：每改變一次通電方式有兩相繞組同時(shí)通電.7、三相單三拍?：三相單，雙六拍；三相雙三拍。因此,它的通電順序?yàn)锳-B-C-A,如果反向,即為A-C-B-A8、三相單，雙六拍的工作原理：如圖它的通電順序?yàn)锳-AB-B-BC-C-CA-A由上面的分析可知，同一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，其通電方式不同，步距角可能不一樣，采用單雙拍通電方式，其步矩角?S是單拍或雙拍的一半；采用雙極通電方式，其穩(wěn)定性比單極要好。四、運(yùn)行特性：1、靜態(tài)運(yùn)行特性：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不改變通電情況的運(yùn)行狀態(tài)稱(chēng)為靜態(tài)運(yùn)行。