自動控制元件-哈工大出版-第三章課件-交流伺服電動機(jī)1112I

2010-2012學(xué)年第I學(xué)期第3章交流伺服電動機(jī)1本章教學(xué):一、教學(xué)要求：掌握交流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)、分類和作用等概念理解兩相伺服電動機(jī)工作原理（包括自轉(zhuǎn)現(xiàn)象原因及克服方法和措施等）了解兩相伺服電動機(jī)控制方法理解兩相伺服電動機(jī)的靜態(tài)特性了解兩相伺服電動機(jī)的動態(tài)特性2二、教學(xué)時間安排：3學(xué)時三、主要內(nèi)容：兩相異步交流伺服電動機(jī)本章重點(diǎn)：兩相伺服電動機(jī)工作原理和靜態(tài)特性本章難點(diǎn)：兩相伺服電動機(jī)的動態(tài)特性本章教學(xué):3四、教學(xué)過程：本章教學(xué):兩相異步交流伺服電動機(jī)交流伺服電動機(jī)異步同步異步交流伺服電動機(jī)兩相三相43.1.1異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)3.1異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理定子（固定部分）轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)部分）5定子鐵心、定子繞組三相，兩相，單相。轉(zhuǎn)子：鼠籠式，繞線式?；\式，構(gòu)造簡單，工作可靠。轉(zhuǎn)子繞組閉合。3.1.1異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)3.1異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理63.1.2異步電動機(jī)的工作原理旋轉(zhuǎn)磁場加閉合的轉(zhuǎn)子繞組→旋轉(zhuǎn)磁場→感應(yīng)電流→電磁轉(zhuǎn)矩，與磁場同向。轉(zhuǎn)子速度小于磁場轉(zhuǎn)速，異步。轉(zhuǎn)子速度等于磁場轉(zhuǎn)速，電流和轉(zhuǎn)矩為零。轉(zhuǎn)子速度大于磁場轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩與磁場反向。旋轉(zhuǎn)磁場由多相電流產(chǎn)生。3.1異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理7一、幾個概念兩相對稱電流：幅值相等，相位相差90°。3.1.3旋轉(zhuǎn)磁場3.1異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理8一相繞組：串聯(lián)在一起的一組線圈。電機(jī)極數(shù)：一相繞組通直流電時形成磁場的極數(shù)。電角＝極對數(shù)p×機(jī)械角度兩相電機(jī):兩相繞組軸線的夾角為90°/p,其中90°為電角。兩相對稱繞組：匝數(shù)相等，均勻分布。

3.1.3旋轉(zhuǎn)磁場3.1異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理93.1.3旋轉(zhuǎn)磁場二、兩相對稱繞組的磁場兩相兩極電動機(jī)，電流變化一個周期，磁場在空中旋轉(zhuǎn)一周。一相電流反相，磁場反轉(zhuǎn)。3.1異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理103.1.3旋轉(zhuǎn)磁場兩相四極電動機(jī)電流變化一個周期，磁場轉(zhuǎn)過半圈。一相電流反相，磁場反轉(zhuǎn)。二、兩相對稱繞組的磁場3.1異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理11電流變化一個周期時，兩相兩極繞組磁場在空間旋轉(zhuǎn)機(jī)械角——電角。兩相四極繞組磁場在空間旋轉(zhuǎn)機(jī)械角——電角。電流變化一個周期，兩相繞組磁場在空間旋轉(zhuǎn)電角。設(shè)兩相繞組極對數(shù)為，電源頻率是Hz。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速）3.1.3旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速3.1異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理123.2.1單相繞組的脈振磁場一、單相集中繞組的磁場集中繞組：繞組的兩邊分別放在一個槽中。3.2交流繞組磁場的分析13設(shè)線圈的匝數(shù)為，通過線圈的電流為。磁路總磁勢氣隙磁勢直流的磁勢是固定的方波。若電流為氣隙磁勢交流磁勢是方波，位置固定，振幅的大小和正負(fù)隨時間做周期變化，頻率與電流相同。3.2.1單相繞組的脈振磁場3.2交流繞組磁場的分析14方波分解為傅里葉級數(shù)基波基波振幅第i次諧波的最大幅值是基波最大幅值的l/i倍。3.2.1單相繞組的脈振磁場3.2交流繞組磁場的分析15脈振物理量：空間和時間的函數(shù)，空間的位置（最大值或波形對稱軸的位置）固定，振幅的大小和正負(fù)隨時間周期變化。交流電的磁勢是脈振磁勢。脈振磁勢的典型表達(dá)式在任何時刻，在空間都按余弦規(guī)律分布。磁勢分布曲線幅值的位置，位置始終不變。磁勢幅值的大小（）和符號隨時間周期變化?；ê椭C波都是脈振磁勢。3.2.1單相繞組的脈振磁場3.2交流繞組磁場的分析16分布繞組：由q個繞組串聯(lián)而成,分布在q

個連續(xù)槽中。單相分布繞組的磁勢為各集中繞組磁勢之和。單相分布繞組的磁場是階梯波，脈振磁場。有q個線圈分布在q

個槽中，每個槽中有匝，傅里葉級數(shù)3.2.1單相繞組的脈振磁場二、單相分布繞組的磁場3.2交流繞組磁場的分析17基波式中W為每相繞組匝數(shù)；為極對數(shù)；為基波磁勢的最大值。如果繞組電流為，繞組軸線的位置（即磁勢分布曲線幅值的位置）是，則磁勢的基波分量為

3.2.1單相繞組的脈振磁場3.2交流繞組磁場的分析18當(dāng)時間一定時，是一個空間正弦波，其幅值為/2，；當(dāng)空間位置一定時，是一個時間的正弦波，幅值是/2，表示某一固定點(diǎn)處隨時間按正弦規(guī)律脈振的磁勢。磁勢波形幅值的點(diǎn)，即的點(diǎn)，這時有，則波形幅值的位置隨時間而變化，其中x代表電角。3.2.1單相繞組的脈振磁場三、脈振磁勢與旋轉(zhuǎn)磁勢脈振磁勢3.2交流繞組磁場的分析19旋轉(zhuǎn)的角速度（電角）為轉(zhuǎn)速為正，稱為正向旋轉(zhuǎn)的磁場。因?yàn)橐粋€圓周為2πprad（電角），所以該磁勢波旋轉(zhuǎn)的速度可表示為

式中和f分別為電流的角頻率和頻率。同理可分析出是一個反向旋轉(zhuǎn)的磁勢波，其幅值與旋轉(zhuǎn)速度值和相同。脈振磁勢可以分解為兩個速度相同但方向相反的旋轉(zhuǎn)磁勢，每一旋轉(zhuǎn)磁勢振幅的大小不變，為原來脈振磁勢最大值的一半。3.2.1單相繞組的脈振磁場3.2交流繞組磁場的分析20空間向量：在空間按正余弦規(guī)律分布的物理量。向量的長度是空間分布曲線的幅值（絕對值），位置是空間分布曲線的一個（正的）幅值所在的位置?？臻g向量的加減運(yùn)算同矢量的加減法?？臻g向量可以是脈振向量或旋轉(zhuǎn)向量。3.2.1單相繞組的脈振磁場四、空間向量3.2交流繞組磁場的分析21向量幅值位置

向量幅值位置向量幅值位置3.2.1單相繞組的脈振磁場3.2交流繞組磁場的分析223.2.2兩相繞組的非圓形旋轉(zhuǎn)磁場1．兩相繞組電流相位相同，產(chǎn)生脈振磁場。2.兩相繞組電流相位差是90o，也形成旋轉(zhuǎn)磁場，但磁密向量B或磁勢向量F的端點(diǎn)軌跡是橢圓，稱為橢圓旋轉(zhuǎn)磁場。一、兩相繞組的非圓形旋轉(zhuǎn)磁場橢圓度：，α越小，橢圓度越大。3.兩相繞組電流相位差大于0o小于90o，產(chǎn)生橢圓旋轉(zhuǎn)磁場。3.2交流繞組磁場的分析23轉(zhuǎn)向與圓形旋轉(zhuǎn)磁場相同。幅值磁密幅值不斷變化。若α<1，幅值變化范圍從至。當(dāng)α＝0時變成脈振磁場，當(dāng)α＝1時變成圓形旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)速電流變化一個周期，磁場在空間旋轉(zhuǎn)了360o電角，平均轉(zhuǎn)速是60f/pr/min。但橢圓旋轉(zhuǎn)磁場的瞬時轉(zhuǎn)速是變化的。3.2.2兩相繞組的非圓形旋轉(zhuǎn)磁場橢圓旋轉(zhuǎn)磁場具有下述特點(diǎn)。3.2交流繞組磁場的分析24橢圓旋轉(zhuǎn)磁場可以分解為兩個轉(zhuǎn)向相反、轉(zhuǎn)速相同的圓形旋轉(zhuǎn)磁場。其中與橢圓磁場轉(zhuǎn)動方向相同的正向旋轉(zhuǎn)磁場的磁密為，轉(zhuǎn)向相反的反向圓磁場的磁密為，則有3.2.2兩相繞組的非圓形旋轉(zhuǎn)磁場二、橢圓旋轉(zhuǎn)磁場的分解3.2交流繞組磁場的分析25兩相電機(jī)：定子具有兩相繞組。驅(qū)動和伺服兩大類。兩相驅(qū)動電動機(jī)：大部分家用電器和小型電器中使用的（單相）異步電動機(jī)。氣隙磁場接近圓形旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子電阻小。3.5兩相電動機(jī)3.5.1兩相電動機(jī)的分類兩相伺服電動機(jī)：定子兩相繞組，分別稱為激磁繞組和控制繞組，在空間相差90°電角。26穩(wěn)定運(yùn)行的轉(zhuǎn)速范圍大，而驅(qū)動電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的速度范圍很小。一相繞組電壓（流）為零時，伺服電機(jī)將產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩而迅速停轉(zhuǎn)，而驅(qū)動用電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)后，一相電壓（流）為零也可能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)（自轉(zhuǎn)）。快速響應(yīng)，機(jī)電時間常數(shù)小。兩相伺服電機(jī)采用細(xì)長轉(zhuǎn)子，慣量小，轉(zhuǎn)子電阻大，使堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩高，起動速度快。3.5.1兩相電動機(jī)的分類特點(diǎn)：不能用驅(qū)動電動機(jī)代替兩相伺服電動機(jī)。3.5兩相電動機(jī)273.5.2圓形旋轉(zhuǎn)磁場時兩相電機(jī)的機(jī)械特性轉(zhuǎn)子電阻增大時，最大轉(zhuǎn)矩不變，臨界轉(zhuǎn)差率增大。驅(qū)動電機(jī)要求效率高，所以轉(zhuǎn)子電阻小，穩(wěn)定運(yùn)行的轉(zhuǎn)速范圍小。兩相伺服電動機(jī)，要求第1象限穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)械特性下垂的，即要求轉(zhuǎn)子電阻足夠大，保證。轉(zhuǎn)子電阻大，機(jī)械特性下垂。3.5兩相電動機(jī)283.5.3非圓形旋轉(zhuǎn)磁場的機(jī)械特性兩相伺服電動機(jī)主要工作在橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場一、正反轉(zhuǎn)磁場法橢圓形磁場可以分解為兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁場，它們轉(zhuǎn)向相反，并且正向（與橢圓磁場轉(zhuǎn)向相同）磁場大于反向磁場。3.5兩相電動機(jī)29疊加法求轉(zhuǎn)矩。曲線過原點(diǎn)，沒有起動轉(zhuǎn)矩。驅(qū)動用電機(jī)：轉(zhuǎn)子電阻小。原來轉(zhuǎn)動的兩相或三相電機(jī)，在一相斷電后仍可轉(zhuǎn)動。有自轉(zhuǎn)。伺服電動機(jī)：轉(zhuǎn)子電阻大，機(jī)械特性在2，4象限。電磁轉(zhuǎn)矩總是與轉(zhuǎn)向相反，控制繞組電流（壓）為零電機(jī)將很快停轉(zhuǎn)。無自轉(zhuǎn)。二、脈振磁場的機(jī)械特性3.5.3非圓形旋轉(zhuǎn)磁場的機(jī)械特性定子繞組產(chǎn)生脈振磁場：兩相電機(jī)一相通電或三相電機(jī)一相斷電，又稱單相運(yùn)行。3.5兩相電動機(jī)303.5.3非圓形旋轉(zhuǎn)磁場的機(jī)械特性三、橢圓磁場的機(jī)械特性與調(diào)節(jié)特性疊加法求轉(zhuǎn)矩。n＝0，s＝1以橢圓度α為參變量的機(jī)械特性根據(jù)機(jī)械特性曲線可繪出調(diào)節(jié)特性。橢圓磁場理想空載轉(zhuǎn)速低于磁場轉(zhuǎn)速。當(dāng)負(fù)載不變時，α越小，轉(zhuǎn)速越小。3.5兩相電動機(jī)313.5.4兩相伺服電動機(jī)的控制方法與特性1．幅值控制激磁繞組加額定電壓，和控制電壓的相位差始終是90°,改變控制電壓的幅值來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使控制電壓反相來改變轉(zhuǎn)向。信號系數(shù)信號系數(shù)與橢圓度近似相同。3.5兩相電動機(jī)323.5.4兩相伺服電動機(jī)的控制方法與特性2．相位控制控制電壓的幅值不變，僅改變控制電壓相位。相位控制時機(jī)械特性的線性度比其他控制方式好，但由于線路復(fù)雜和電機(jī)發(fā)熱較嚴(yán)重，因此用得較少。3．雙相控制激磁電壓和控制電壓的幅值同樣變化，電壓的幅值相等，而相位差是90°。雙相控制時電機(jī)始終是圓形旋轉(zhuǎn)磁場，效率高，輸出功率大，電機(jī)發(fā)熱情況明顯改善。用兩套交流功率放大器。電磁轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，這就使輸出量和輸入量之間呈非線性關(guān)系。用得較少。3.5兩相電動機(jī)33同時改變控制電壓的幅值及其和激磁電壓的相位差。電容移相。激磁繞組串聯(lián)電容C后接在單相電源上。電容使激磁繞組兩端電壓與電源相位之差為90°左右?？刂评@組兩端通過交流放大器和電源相連，控制電壓的幅值受控。表面上只是改變控制電壓的大小，實(shí)際上控制電壓和激磁繞組電壓的相位差也變化。3.5.4兩相伺服電動機(jī)的控制方法與特性4．幅相控制（電容控制）3.5兩相電動機(jī)34廠商提供的移相電容能使起動時激磁電壓與控制電壓的相位差是90o，以獲得最大的起動轉(zhuǎn)矩。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，激磁電壓和電源電壓的相位差也增加，約增加10多度。與幅值控制相比，同一臺電機(jī)，幅相控制時由于相位差不是90o，轉(zhuǎn)矩下降，機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的非線性更嚴(yán)重。線路簡單，應(yīng)用廣。3.5.4兩相伺服電動機(jī)的控制方法與特性4．幅相控制（電容控制）3.5兩相電動機(jī)353.5.4兩相伺服電動機(jī)的控制方法與特性4．幅相控制（電容控制）3.5兩相電動機(jī)36實(shí)例37實(shí)例供電電壓+20～180VD;輸出電流均值6ARMS，峰值18A；可驅(qū)動50～750W交流伺服電機(jī)；具有位置/速度/力矩三種控制模式；速度/力矩控制指令為±10V的模擬信號；提供編碼器反饋脈沖輸出；經(jīng)濟(jì)型交流伺服驅(qū)動器（提供位置/速度/力矩控制模式）驅(qū)動器基本功能適配電機(jī)適配電機(jī)最大可配120VDC、750W交流伺服電機(jī)400W電機(jī)(ACM604、ACM604V60)

200W電機(jī)(ACM602V36、ACM602V36A、ACM602V60、ACM602V60A)

100W電機(jī)（ACM601V36）38實(shí)例

概述應(yīng)用領(lǐng)域：適合噴繪機(jī)、中小型雕刻機(jī)、電子加工設(shè)備、自動抓取設(shè)備、專用數(shù)控機(jī)床、包裝設(shè)備等。在用戶期望振動極小、超低噪音、高度和高速度的設(shè)備中使用，效果尤佳。全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器，是雷賽開發(fā)的經(jīng)濟(jì)型中壓全數(shù)字交流伺服產(chǎn)品，其工作電壓為＋20--180VDC，可驅(qū)動50～750W的交流伺服電機(jī)。其體積小巧、安裝方便、高性價比、高可靠性、調(diào)試簡單。39實(shí)例端口說明控制信號接口端子號符號名稱說明1EN+使能正輸入單極性輸入電源2EN-使能負(fù)輸入單極性輸入脈沖3PUL+脈沖正輸入單極性輸入電源4PUL-脈沖負(fù)輸入單極性輸入脈沖5DIR+方向正輸入單極性輸入電源6DIR-方向負(fù)輸入單極性輸入方向7FL正向限位輸入CCW驅(qū)動禁止8RL反向限位輸入CW驅(qū)動禁止9SGND信號地

40控制信號接口端子號符號名稱說明11Pend-到位輸出負(fù)信號

12ALM+告警輸出正信號

13ALM-告警輸出負(fù)信號

14+REF正模擬參考輸入

15-REF負(fù)模擬參考輸入

16NC

17FG屏蔽地

18SGND信號地

19+5V輸出+5V電源

20A+伺服電機(jī)編碼器A相正輸出

41控制信號接口端子號符號名稱說明21A-伺服電機(jī)編碼器A相負(fù)輸出

22B+伺服電機(jī)編碼器B相正輸出

23B-伺服電機(jī)編碼器B相負(fù)輸出

24Z+伺服電機(jī)編碼器Z相正輸出

25Z-伺服電機(jī)編碼器Z相負(fù)輸出

26SGND信號地

42RS232通信端口端子號符號