直流六控制十三步進(jìn)電機(jī)課件

第三章直流電動(dòng)機(jī)1第三章 直流電動(dòng)機(jī)2直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理直流發(fā)電機(jī)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)特性交流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)繞線式鼠籠式異步機(jī)同步機(jī)他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)、復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的分類:第三章直流電機(jī)的工作原理及特性3把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿碾姍C(jī)是直流發(fā)電機(jī)；

把直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電機(jī)稱為直流電動(dòng)機(jī)。屬，維修比較麻煩。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，由晶閘管整流元件組成的直流電源設(shè)備將逐步取代直流發(fā)電機(jī)。但直流電動(dòng)機(jī)由于其性能優(yōu)越，在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中仍占有很重要的地位。第三章直流電機(jī)的工作原理及特性概述???直流電動(dòng)機(jī)多用于對(duì)調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機(jī)械上，如軋鋼機(jī)、電力牽引、挖掘機(jī)械、紡織機(jī)械等等，這是因?yàn)橹绷麟妱?dòng)機(jī)具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)速；起動(dòng)、制動(dòng)和過載轉(zhuǎn)矩大；易于控制，可靠性較高。?

??與交流電機(jī)相比，直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，消耗較多的有色金4U–NS電刷+換向片直流電源電刷換向器線圈II3.1

直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理一、 工作原理5FFU–NS電刷+換向片注意：換向片和電源固定聯(lián)接，線圈無論怎樣轉(zhuǎn)

動(dòng)，總是上半邊的電流向里，下半邊的電流向外。電刷壓在換向片上。II由左手定則，通電線圈在磁場(chǎng)的作用下，使線圈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)——電動(dòng)機(jī)3.1

直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理6FU–NS電刷+換向片IIEFE由右手定則，線圈在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與電流的方向相反——發(fā)電機(jī)3.1

直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理7二、 直流電機(jī)的構(gòu)成直流電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和機(jī)座等部分構(gòu)成。機(jī)座磁極勵(lì)磁繞組轉(zhuǎn)子勵(lì)磁式直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)81.轉(zhuǎn)子（又稱電樞）由鐵芯、繞組（線圈）、換向器組成。2.定子定子的分類：永磁式：由永久磁鐵做成。勵(lì)磁式：磁極上繞線圈，然后在線圈中通過直流電，形成電磁鐵。勵(lì)磁的定義：磁極上的線圈通以直流電產(chǎn)生磁通，稱為勵(lì)磁。9根據(jù)勵(lì)磁線圈和轉(zhuǎn)子繞組的聯(lián)接關(guān)系，勵(lì)磁式的直流電機(jī)又可細(xì)分為：他勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的電源分開。并勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞并聯(lián)到同一電源上。

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串聯(lián)接到同一電源上。復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的聯(lián)接有串有并，接在同一電源上。他勵(lì)UfIfIaM

UM并勵(lì)UIf串勵(lì)UM復(fù)勵(lì)M

U10機(jī)械特性指的是電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速間的關(guān)系，3.3直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性下邊以他勵(lì)電機(jī)為例說明。一、他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性即：其中，他勵(lì)UfIfIaM

URa電樞電阻Ke與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)

Φ一對(duì)磁極的磁通

Kt=9.55

Ke11n0：理想空載轉(zhuǎn)速,即T=0時(shí)的轉(zhuǎn)速。(實(shí)際工作時(shí),由于有空載損耗，電機(jī)的T不會(huì)為0。)當(dāng)

T↑時(shí)n↓

，但由于他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電樞電阻Ra很小，所以在負(fù)載變化時(shí)， 轉(zhuǎn)速

n

的變化不大，屬硬機(jī)械特性。根據(jù)

n-T

公式畫出特性曲線n0nNTNTnΔ

n其中，12?機(jī)械特性硬度：轉(zhuǎn)矩變化與所引起的速度變化的比值電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性分為三類：(1)絕對(duì)硬特性?

?硬特性β>10軟特性β<10Tn013??直流電動(dòng)機(jī)特性類型的選擇:恒轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機(jī)械(TL一定，和轉(zhuǎn)速無關(guān)）要選硬特性的電動(dòng)機(jī)，如：金屬加工、起重機(jī)械等。恒功率負(fù)載（P

一定時(shí)，T

和n

成反比），要選軟特性電機(jī)拖動(dòng)。如：電氣機(jī)車等。143.4直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)（2）啟動(dòng)時(shí)降低電樞電壓。1.啟動(dòng)啟動(dòng)時(shí)，n=

0

→

Ea=0，若加入額定電壓，則Iast太大（10~20倍額定電流）會(huì)使換向器產(chǎn)生嚴(yán)重的火花，燒壞換向器。一般Iast限制在

(2-2.5)IaN

內(nèi)。限制Iast的措施：（1）啟動(dòng)時(shí)在電樞回路串電阻。15注意：他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)一定要有失磁保護(hù)。一般在勵(lì)磁繞組加失壓繼電器或欠流繼電器。當(dāng)失壓或欠流時(shí)，自動(dòng)切斷電樞電源U。他勵(lì)UfIfIaM

U162.反轉(zhuǎn)17電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向由電磁力矩的方向確定。改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)向的方法：改變勵(lì)磁電流的方向。或改變電樞電流的方向。3.5直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速18與異步電動(dòng)機(jī)相比，直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)

格高，維護(hù)不方便，但它的最大優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速性能好。直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的主要優(yōu)點(diǎn)是：調(diào)速均勻平滑，可以無級(jí)調(diào)速。調(diào)速范圍大，調(diào)速比可達(dá)200 （他勵(lì)式）以上（調(diào)速比等于最大轉(zhuǎn)速和最小轉(zhuǎn)速之比）。下面以他勵(lì)電動(dòng)機(jī)為例說明直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法。一、改變電樞電阻1.原理電樞回路串電阻Rab其中，他勵(lì)UfIfIaM

U其中：Ra

=Ra+Rab加電阻后，使Δ

n↑、n0不變，機(jī)械特性變軟；空載或輕載是調(diào)速范圍??；實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速困難；調(diào)速電阻消耗電能。目前已很少采用。Rab19由該式可知，n

和Φ

有關(guān)，在U

一定的情況下，改變?chǔ)?/p>

可改變n。在勵(lì)磁回路中串上電阻Rf，改變Rf大小調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，從而改變?chǔ)?/p>

的大小。二、改變磁通（調(diào)磁）1.原理其中，他勵(lì)UfIfIaM

U其中：Φ

=KΦ

IfRf20If的調(diào)節(jié)有兩種情況：

Rf↓→

If↑→

Φ

↑→

n↓

，但在額定情況下，

Φ

已接近飽和，If

再加大，對(duì)Φ

影響不大，所以這種增加磁通的辦法一般不用。Rf↑→If↓→Φ

↓→n↑，減弱磁通是常用的調(diào)速方法。概念：改變磁通調(diào)速的方法—減小磁通，n只能上調(diào)。其中，212.特性的變化所以：磁通減小以后特性上移，而且斜率增加。，因?yàn)椋海p?。㏕LRf增加TnΦ其中，22調(diào)速平滑，可做到無級(jí)調(diào)速，但只能向上調(diào)，受機(jī)械本身強(qiáng)度所限，n不能太高。調(diào)的是勵(lì)磁電流（該電流比電樞電流小得多），調(diào)節(jié)控制方便。3.減小Φ

調(diào)速的特點(diǎn)：23三、改變電樞電壓調(diào)速由轉(zhuǎn)速特性方程知：調(diào)電樞電壓U，n0變化，斜率不變，所以調(diào)速特性是一組平行曲線。1.特性曲線nn0n0'n0"電壓降低T其中，242.改變電樞電壓調(diào)速的特點(diǎn)工作時(shí)電樞電壓一定，電壓調(diào)節(jié)時(shí)，不允許超過UN，，而

n∝

U，所以調(diào)速只能向下調(diào)?？傻玫狡交o級(jí)調(diào)速。機(jī)械特性硬度不變，調(diào)速幅度較大。253.6直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)制動(dòng)的所采用的方法：反接制動(dòng)、能耗制動(dòng)、發(fā)電回饋制動(dòng)（1）反接制動(dòng)MUUfIf+–R運(yùn)行制動(dòng)電阻R的作用是限制電源反接制動(dòng)時(shí)電樞的電流過大。26（2）能耗制動(dòng)

— 電樞斷電后立即接入一個(gè)電阻。MUUfIf+–R運(yùn)行制動(dòng)K停車時(shí)，電樞從電源斷開,接到電阻上，這時(shí)：由于慣性電樞仍保持原方向運(yùn)動(dòng)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向也不變，電動(dòng)機(jī)變成發(fā)電機(jī)，電樞電流的方向與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相同，從而電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向相反，起制動(dòng)作用。27特殊情況下，例如汽車下坡時(shí)、吊車重物下降時(shí)，在重力的作用下

n>n0（

n0理想空載轉(zhuǎn)速），這時(shí)電動(dòng)機(jī)變成發(fā)電機(jī)，電磁轉(zhuǎn)矩成為阻轉(zhuǎn)矩，從而限制電機(jī)轉(zhuǎn)速過分升高。28(3)

發(fā)電回饋制動(dòng)一、連接直流電機(jī)有四個(gè)出線端，電樞繞組、勵(lì)磁繞組各兩個(gè)，可通過標(biāo)出的字符和繞組電阻的大小區(qū)別。繞組的阻值范圍電樞繞組的阻值在零點(diǎn)幾歐姆到1~2歐姆。他勵(lì)/并勵(lì)電機(jī)的勵(lì)磁繞組的阻值有幾百歐姆。串勵(lì)電機(jī)的勵(lì)磁繞組的阻值與電樞繞組的相當(dāng)。補(bǔ)充29（2）繞組的符號(hào)30始端末端繞組名稱S1S2T2B2C2H2BC2Q2電樞繞組T1他勵(lì)繞組B1并勵(lì)繞組C1串勵(lì)繞組H1換向極繞組BC1補(bǔ)償繞組Q1啟動(dòng)繞組二、額定值額定功率PN

:電機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率。額定電壓UN：額定工作情況下的電樞上加的 直流電壓。（例：110V，220V，440V）額定電流IN

：額定電壓下，軸上輸出額定功率 時(shí)的電流（并勵(lì)應(yīng)包括勵(lì)磁電流和電樞電流） 三者關(guān)系：PN=UNINη

（

η：效率）額定轉(zhuǎn)速nN：在PN，UN，IN時(shí)的轉(zhuǎn)速。直流電 機(jī)的轉(zhuǎn)速等級(jí)一般在500r/min

以上。特殊的直 流電機(jī)轉(zhuǎn)速可以做到很低（如：每分鐘幾轉(zhuǎn)）或很高（每分鐘3000轉(zhuǎn)以上）。3132第六章 控制電機(jī)33概述交流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)概述前面介紹的異步電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)等都是作為動(dòng)力使用的，其主要任務(wù)是能量轉(zhuǎn)換，例如將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能?？刂齐姍C(jī)的主要功能是轉(zhuǎn)換和傳遞信號(hào)。如：伺服機(jī)將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；步進(jìn)機(jī)將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或線位移。對(duì)控制電機(jī)的主要要求：動(dòng)作靈敏、準(zhǔn)確、重量輕、體積小、運(yùn)行可靠、耗電少等?？刂齐姍C(jī)的種類很多，我們主要介紹伺服機(jī)、步進(jìn)機(jī)。34伺服電動(dòng)機(jī)35伺服電動(dòng)機(jī)的作用伺服電動(dòng)機(jī)的作用是驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。被控對(duì)象的轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速受信號(hào)電壓控制，信號(hào)電壓的大小和極性改變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方向也跟著變化。伺服電動(dòng)機(jī)分類：交流伺服電動(dòng)機(jī)和直流伺服電動(dòng)機(jī)。6.1

交流伺服電動(dòng)機(jī)原理與兩相交流異步電機(jī)相同，定子上裝有兩個(gè)繞組—?jiǎng)?lì)磁繞組和控制繞組?？刂评@組勵(lì)磁繞組轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組和控制繞組在空間相隔90°。36接線：勵(lì)磁繞組的接線放大器控制繞組的接線檢測(cè)元件控制信號(hào)勵(lì)磁繞組中串聯(lián)電容C的目的是為了產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。適當(dāng)選擇電容的大小，可使通入兩個(gè)繞組的電流相位差接近90°，因此便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)動(dòng)起來。37交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：（1）U2=0時(shí)，轉(zhuǎn)子停止。這時(shí)，雖然U2

=0V，U1仍存在，似乎成單相運(yùn)行狀態(tài)，但和單相異步機(jī)不同。若單相電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行后，出現(xiàn)單相后仍轉(zhuǎn)。伺服電機(jī)不同，單相電壓時(shí)設(shè)備不能轉(zhuǎn)。原因：交流伺服電機(jī)R2設(shè)計(jì)得較大。所以在U2=0時(shí)，交流伺服電機(jī)的T=f(s)曲線如下頁圖：38動(dòng)，無控制電壓時(shí)不轉(zhuǎn))，以免失控。s'21T"交流伺服電動(dòng)機(jī)的T=f(s)曲線（U2=0時(shí)）當(dāng)U2=0V時(shí)，脈動(dòng)磁場(chǎng)分成的正反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)距T′、T″

的合成轉(zhuǎn)矩

T與單相異步機(jī)不同。合成轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，所以電機(jī)在U2=0V時(shí)，能立即停止，體現(xiàn)了控制信號(hào)的作用(有控制電壓時(shí)轉(zhuǎn)T0

s"021反轉(zhuǎn)T

正轉(zhuǎn)T'39（3）控制電壓U2

大小變化時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相應(yīng)變化，轉(zhuǎn)速與電壓U2

成正比。U2

的極性改變時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向改變。（2）交流伺服電機(jī)

R2設(shè)計(jì)得較大，使Sm>1，Tst大，啟動(dòng)迅速，穩(wěn)定運(yùn)行范圍大。交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線(U1=const)nTU4020.8U20.6

U20.4

U2Tn交流伺服電機(jī)的輸出功率一般為0.1-100

W，電源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應(yīng)用很廣泛，如用在自動(dòng)控制、溫度自動(dòng)記錄等系統(tǒng)中。應(yīng)用416.2

直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)：與直流電動(dòng)機(jī)基本相同。為減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量做得細(xì)長(zhǎng)一些。工作原理：與直流電動(dòng)機(jī)相同。供電方式：他勵(lì)。勵(lì)磁繞組和電樞由兩個(gè)獨(dú)立電源供電：U1IfIaU2M放大器UU1為勵(lì)磁電壓，U2為電樞電壓。42由機(jī)械特性可知：(1)U1（即磁通?）不變時(shí)，一定的負(fù)載下，U2↑,n↑。(2)U2=0時(shí)，電機(jī)立即停轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)：電樞電壓的極性改變，電機(jī)反轉(zhuǎn)。直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性公式與他勵(lì)直流電機(jī)一樣：U20.8U20.6U20.4U2nT機(jī)械特性曲線43直流伺服電機(jī)的特性較交流伺服電機(jī)硬。經(jīng)常用在功率稍大的系統(tǒng)中，它的輸出功率一般為

1-600W。它的用途很多，如隨動(dòng)系統(tǒng)中的位置控制等。應(yīng)用：44第十三章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)4513.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)機(jī)理：步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機(jī)。每來一個(gè)電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，帶動(dòng)機(jī)械移動(dòng)一小段距離。特點(diǎn)：(1)來一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。(2)控制脈沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

(3)改變脈沖順序，改變方向。種類：有勵(lì)磁式和反應(yīng)式兩種。兩種的區(qū)別在于勵(lì)磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有勵(lì)磁線圈，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有勵(lì)磁線圈。應(yīng)用：步進(jìn)機(jī)的應(yīng)用非常廣泛。如：在數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)繪圖儀等設(shè)備中都得到應(yīng)用。下面以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。46步進(jìn)機(jī)主要由兩部分構(gòu)成：定子和轉(zhuǎn)子。它們均由磁性材料構(gòu)成，其上分別有六個(gè)、四個(gè)磁極

。定子繞組定子轉(zhuǎn)子13.1.1

結(jié)構(gòu)與工作原理一、結(jié)構(gòu)47定子的六個(gè)磁極上有控制繞組，兩個(gè)相對(duì)的磁極組成一相。AB定子轉(zhuǎn)子IAIBICC注意：這里的相和三相交流電中的“相”的概念不同。步進(jìn)機(jī)通的是直流電脈沖，這主要是指線圖48的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。二、工作原理工作方式可分為：三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。1、三相單三拍三相繞組聯(lián)接方式：Y型三相繞組中的通電順序?yàn)椋篈

相→B

相→C

相通電順序也可以為：A相

→

C相→

B相49（3）工作過程化，吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的位置力圖使通電相磁路的磁阻最小，使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊停止轉(zhuǎn)動(dòng)。A

相通電，A

方向的磁通經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。若轉(zhuǎn)子和磁場(chǎng)軸線方向原有一定角度，則在磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子被磁A

相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和

AA'

對(duì)齊。CA'BB'C'A341250CA'BB'C'A3412同理，B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相軸線對(duì)齊，相對(duì)A相通電位置轉(zhuǎn)30°；C相通電再轉(zhuǎn)30°。1C'342CA'BB'A51這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個(gè)循環(huán)周期共包括三個(gè)脈沖，所以稱三相單三拍。52三相單三拍的特點(diǎn)：每來一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30°。此角稱為步距角，用β表示。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序，改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。2、三相單雙六拍CA'BB'C'三相繞組的通電順序?yàn)椋篈→AB→B→BC→C→CA→A

共六拍。工作過程：A3412A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒和A相對(duì)齊。53A、B相同時(shí)通電BB'

磁場(chǎng)對(duì)2、4

齒有磁拉力，該拉力使轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。AA'

磁場(chǎng)繼續(xù)對(duì)1、3齒有拉力。所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對(duì)AA'通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了15°。CA'BB'C'A341254總之，每個(gè)循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱為三相六拍，步距角為15°。CA'BB'C'A3412B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相對(duì)齊，又轉(zhuǎn)了15°。553、三相雙三拍三相繞組的通電順序?yàn)椋篈B

→

BC

→

CA

→

AB

共三拍。AB通電CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412BC通電56以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六拍較三相單三拍穩(wěn)定，因此較常采用。工作方式