機電傳動與控制第3章(上)

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

伺服電動機也稱為執(zhí)行電動機，將電信號轉(zhuǎn)換軸上的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速，有直流和交流兩種，最大的特點是可控。與普通電機相比：有調(diào)速范圍廣、能實現(xiàn)迅速的啟和停、過載能力強，可靠性好等特點。3.1.1兩相交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)其定子繞組與單相電容分相式異步電動機相似，嵌入兩個相差90度的繞組，勵磁繞組和控制繞組，它們分別接入兩個不同的交流電源（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)子的交流伺服電動機。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)子作得細而長，轉(zhuǎn)子導體采用高電阻率的材料.用于小功率的自動控制系統(tǒng).產(chǎn)品型號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，用于要求運行平滑的系統(tǒng)，產(chǎn)品型號SK系列。杯型轉(zhuǎn)子伺服電動機結(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

以單相異步電動機原理為基礎。勵磁繞組接到電壓一定的交流電網(wǎng)上，當控制繞組上有控制信號輸入時，兩相繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。同步轉(zhuǎn)速為：把控制電壓的相位改變180度，可改變伺服電動機的旋轉(zhuǎn)方向。要求控制電壓一但取消，電動機必須停轉(zhuǎn)。但是取消控制電壓后，勵磁電壓仍可使電動機繼續(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)子電阻的伺服電動機機械特性曲線。設計電阻使電動機單相運行時最大轉(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，曲線T為去掉控制電壓時，此時T與n相反，成為制動轉(zhuǎn)矩，它可使轉(zhuǎn)子迅速停止轉(zhuǎn)動，保證不會出現(xiàn)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。而勵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悼刂啤⑾辔豢刂?、幅值--相位控制幅值控制接線圖3.1.4特性和應用不同電壓下的機械特性曲線由圖可見：在一定負載下，控制電壓越高，S越小，轉(zhuǎn)速越高。改變電壓可改變轉(zhuǎn)速。應用舉例(1)參數(shù)：交流伺服電動機輸出功率為0.1-100W(再大則用直流伺服電動機)；電源頻率50-400Hz。(2)應用：雷達天線的旋轉(zhuǎn)控制；飛機駕駛盤的控制；流體閥門開關(guān)控制。典型應用方框圖兩相交流伺服電動機應用非常廣泛：

可以方便的利用控制電壓的有無來進行啟動、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。而伺服電動機的性能直接影響著整個系統(tǒng)的性能。選擇時要注意系統(tǒng)對伺服電動機的靜態(tài)、動態(tài)特性的要求。一般輸出功率不大。3.2交流伺服電動機

交流伺服電動機減去了直流伺服電動機中的換向器，提高了運行的可靠性。

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。（同步電機）

2.轉(zhuǎn)子

永磁鐵芯。

二、無刷直流電動機1.結(jié)構(gòu)相當于一臺反裝式直流電動機。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。轉(zhuǎn)子為永磁體，轉(zhuǎn)子軸上裝有轉(zhuǎn)子位置檢測器、測速發(fā)電機和光電脈沖編碼器。

轉(zhuǎn)子位置檢測器：輸出信號控制電子換向器，實現(xiàn)對電動機的換向，即電子換向器中的晶體管的導通和截止由轉(zhuǎn)子位置檢測器的輸出信號控制。

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

測速發(fā)電機：檢測轉(zhuǎn)子的運行速度，用于速度反饋。

光電編碼器：檢測轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，輸出信號反饋給CNC實現(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。3.3

直流伺服電動機1.基本結(jié)構(gòu):與普通他激直流電動機相同.(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電動機相同，不同點在于做的細長一點，以便滿足快速響應的要求。

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的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。前者是電樞控制（常用），后者是磁場控制。

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

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

力矩電動機結(jié)構(gòu)特點:扁平狀.工作原理:同電磁式伺服電動機.1.定子2.電樞3.電刷架是能與負載直接連接產(chǎn)生大轉(zhuǎn)矩低轉(zhuǎn)速(或堵轉(zhuǎn))下運轉(zhuǎn)的電動機3.4.1永磁式直流力矩電動機的結(jié)構(gòu)特點3.4.2直流力矩電動機轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速低的原因1.轉(zhuǎn)矩大的原因由直流電動機的基本原理可知：每根導體所受的電磁力為：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在磁場中運動切割磁力線產(chǎn)生感應電勢為：線速度為：設在一對電刷之間的并聯(lián)支路數(shù)為2，N/2根導體串聯(lián)后總感應電勢為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，增大電動機直徑，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)下運行，加上它有精度高、反應速度快、線性度好等特點，應用較廣。衛(wèi)星天線驅(qū)動；雷達天線驅(qū)動；數(shù)控機床驅(qū)動；X-Y紀錄儀傳動。與測速發(fā)電機配合可組成高精度,寬調(diào)速伺服系統(tǒng).直流力矩電動機的型號為LY系列.其調(diào)速可達0.00017r/min,即4天才轉(zhuǎn)一圈.3.3.3直流力矩電動機的特點和應用3.5

小功率同步電動機

小功率同步電動機為連續(xù)運轉(zhuǎn)的同步電動機,用于傳動及作執(zhí)行元件1)結(jié)構(gòu)特點：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槽中的起動繞組2。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖見下圖。2)工作原理負載不能超過一定限度,否則電動機可能“失步”。3.5.1永磁式同步電動機

對于一些控制設備和自動裝置，（如傳真機、電鐘等）往往需要速度恒定不變，使用之。

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

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)子朝著磁導最大的方向轉(zhuǎn)動。磁阻轉(zhuǎn)矩總是力圖使轉(zhuǎn)子朝磁導最大的方向轉(zhuǎn)動。而定子和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)不等，使它們在空間上相差一個角度。

是常用的一種低速電動機。錯齒