《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課件 第12次課交流電機(jī)

1第4章控制電動(dòng)機(jī)及其選擇計(jì)算4.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制4.2直流伺服電動(dòng)機(jī)及其控制4.3交流伺服電動(dòng)機(jī)及其控制4.4直線電動(dòng)機(jī)4.5控制電動(dòng)機(jī)選擇與計(jì)算實(shí)例2溫故知新2.直流伺服電動(dòng)機(jī)的分類3．伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線和調(diào)速特性曲線。1.直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理：磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)Ra越小，K越小，說(shuō)明轉(zhuǎn)速的變化量越?。ㄍ饨缲?fù)載對(duì)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)影響越?。?。較小的Ra有較硬的機(jī)械特性。調(diào)速范圍內(nèi)硬度大，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，調(diào)速范圍寬。如何控制物料的間距？導(dǎo)學(xué)：【學(xué)習(xí)內(nèi)容】1．交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理；2．交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法；3．伺服電動(dòng)機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的區(qū)別?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】交流伺服電動(dòng)機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)及調(diào)速方法，交流伺服電動(dòng)機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的區(qū)別?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】

交流伺服電動(dòng)機(jī)的原理、調(diào)速方法。

BL(3)系列交流伺服電動(dòng)機(jī)4.3交流伺服電動(dòng)機(jī)1）交流伺服電動(dòng)機(jī)概述交流伺服電動(dòng)機(jī)將輸入的交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成軸上的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號(hào)。

交流伺服驅(qū)動(dòng)是最新發(fā)展起來(lái)的新型伺服系統(tǒng)，也是當(dāng)前機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面的一個(gè)新動(dòng)向。交流異步電機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，無(wú)電刷磨損問(wèn)題，維修方便，一向被認(rèn)為是—種理想的伺服電機(jī)。但由于調(diào)速問(wèn)題得不到經(jīng)濟(jì)合理的解決，過(guò)去發(fā)展不快．而新型的交流伺服系統(tǒng)克服了直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中存在的一些缺點(diǎn)，采用調(diào)頻等調(diào)速方法，其調(diào)速范圍與寬調(diào)速直流伺服系統(tǒng)相近。交流伺服電機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器交流伺服電機(jī)器2）交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)交流電機(jī)編碼器交流電機(jī)電源線編碼器信號(hào)輸出線交流伺服電機(jī)器2）交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)交流電機(jī)定子轉(zhuǎn)子氣隙定子鐵心軸線相互垂直的繞組轉(zhuǎn)子鐵芯轉(zhuǎn)子鼠籠銅條繞組定子定子轉(zhuǎn)子2）交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)定子

交流伺服電動(dòng)機(jī)就是一臺(tái)兩相交流異步電機(jī)。它的定子上裝有空間互差90

的兩個(gè)繞組：勵(lì)磁繞組和控制繞組，其結(jié)構(gòu)如圖所示。勵(lì)磁繞組控制繞組杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)定子交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)子定子轉(zhuǎn)子2）交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)1、定子2、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子(1)鼠籠形轉(zhuǎn)子與普通鼠籠式交流電機(jī)相同。比普通的鼠籠使交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子細(xì)而長(zhǎng)，導(dǎo)體采用高電阻的材料制成。為什么伺服電動(dòng)機(jī)的鼠籠形轉(zhuǎn)子細(xì)而長(zhǎng)？轉(zhuǎn)子細(xì)而長(zhǎng)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，響應(yīng)靈敏。伺服電動(dòng)機(jī)能夠快速起動(dòng)。

它的外定子和籠形轉(zhuǎn)子交流伺服電機(jī)相同，轉(zhuǎn)子則由非磁性導(dǎo)電材料(如銅、鉛)制成空心杯形狀，杯子底部固定在轉(zhuǎn)軸上．空心杯的壁很薄(小于0.5mm)。(2)杯形轉(zhuǎn)子由外定子、杯形轉(zhuǎn)子和內(nèi)定子三部分組成。轉(zhuǎn)子制成薄壁結(jié)構(gòu)。為什么伺服電動(dòng)機(jī)的空心杯轉(zhuǎn)子是薄壁？減小電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。3、編碼器編碼器部分5V5V0V0V安裝在電機(jī)后端，其轉(zhuǎn)盤(pán)（光柵）與電機(jī)同軸。利用編碼器測(cè)量伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角，反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)控制精度取決于編碼器精度放大器檢測(cè)元件控制信號(hào)+–+–控制繞組勵(lì)磁繞組+++–––1交流伺服電動(dòng)機(jī)的接線圖和相量圖(a）接線圖1.交流伺服電機(jī)在沒(méi)有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)只有勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)。3）交流伺服電動(dòng)機(jī)工作原理放大器檢測(cè)元件控制信號(hào)+–+–控制繞組勵(lì)磁繞組+++–––13.勵(lì)磁繞組串聯(lián)電容C,通過(guò)電容的充放電，使勵(lì)磁電壓落后控制電壓信號(hào)，是為了產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。交流伺服電動(dòng)機(jī)的接線圖和相量圖(a）接線圖2.當(dāng)控制繞組通電，因?yàn)閯?lì)磁繞組和控制繞組電流不斷變化時(shí)，因此便產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。此時(shí)磁場(chǎng)有逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)體相對(duì)于磁場(chǎng)用順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)。取轉(zhuǎn)子上的一根導(dǎo)條，用右手定則判斷一下導(dǎo)條上的感應(yīng)電流方向，應(yīng)該是向左。I此時(shí)再用左手定則判斷一下磁場(chǎng)對(duì)導(dǎo)體的力的作用，應(yīng)該是向前。轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)力的作用下運(yùn)動(dòng)起來(lái)。若將控制電壓信號(hào)U撤掉，兩相異步伺服電動(dòng)機(jī)能否停止轉(zhuǎn)動(dòng)

？在沒(méi)有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)只有勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)。當(dāng)有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)便產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)。負(fù)載恒定時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小而變化?？刂齐妷旱南辔幌喾磿r(shí)，伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)。?必須要停止轉(zhuǎn)動(dòng)。交流伺服電機(jī)必須具備一個(gè)性能，就是能克服交流伺服電機(jī)的所謂“自轉(zhuǎn)“現(xiàn)象，即無(wú)控制信號(hào)時(shí)，它不應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，特別是當(dāng)它已在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如果控制信號(hào)消失，它應(yīng)能立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。消除“自轉(zhuǎn)”的方法：增大轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的電阻值。交流伺服電機(jī)控制電壓的作用？驅(qū)動(dòng)器1、主要功能（1）根據(jù)給定信號(hào)輸出與此成正比的控制電壓UC；（2）接收編碼器的速度和位置信號(hào)；（3）I/O信號(hào)接口4）交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制數(shù)碼顯示窗口參數(shù)設(shè)置鍵計(jì)算機(jī)RS232口I/O信號(hào)接口編碼器信號(hào)接口電機(jī)電源輸入輸出接線端子2、外部組成2、外部組成圖2-2交流伺服電機(jī)系統(tǒng)接線示意圖交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接AC220V

I/O板5）交流伺服電機(jī)外部連接根據(jù)交流電動(dòng)機(jī)工作原理，當(dāng)電動(dòng)機(jī)三相繞組通三相交流正弦電源時(shí)，轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)速度可表示為式中：ｓ———電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率；ｎ———轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度；ｆ———交流電源頻率；ｐ———定子和轉(zhuǎn)子的磁極對(duì)數(shù)。由式可知，異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種：１）改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速（即電壓幅值）6）交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速I(mǎi)SMD180系列驅(qū)動(dòng)器ISMD0640系列驅(qū)動(dòng)器改變定子電壓控制基本原理將電源電壓U輸入經(jīng)90°分相電路分解成控制電壓Uc和勵(lì)磁電壓Uf，且保持兩者相位差為90°將Uf

送給定子勵(lì)磁繞組，同時(shí)將Uc送至交流調(diào)壓器改變其幅值大小，并提供給定子控制繞組，從而調(diào)節(jié)交流伺服電機(jī)的幅值驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)單元由90°分相電路和交流調(diào)壓器構(gòu)成。不同系列、不同功率的交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器也各不相同。保持控制電壓UC和勵(lì)磁電壓Uf之間的相位差為90°，僅僅改變控制電壓Uc的幅值，來(lái)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種控制方式叫幅值控制。兩繞組空間相差90°時(shí)所產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)為圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩最大；UC＜Uf的幅值時(shí)，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。在控制信號(hào)消失時(shí)，氣隙磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為脈動(dòng)磁場(chǎng)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂齐妷骸瑲庀洞艌?chǎng)的橢圓度↑，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩↓，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速↓改變電壓幅值改變定子頻率２）改變磁極對(duì)數(shù)調(diào)速磁極對(duì)數(shù)是電動(dòng)機(jī)出廠時(shí)就確定好的。這是一種有級(jí)的調(diào)速方法。它是通過(guò)對(duì)定子繞組接線的切換以改變磁極對(duì)數(shù)而實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的。由于磁極對(duì)數(shù)ｐ是整數(shù)，所以只能得到級(jí)差很大的有級(jí)調(diào)速，這不能滿足數(shù)控機(jī)床要求。３）改變頻率調(diào)速變頻調(diào)速是平滑改變定子供電頻率ｆ而使轉(zhuǎn)速平滑變化的調(diào)速方法。由于可以得到平滑可調(diào)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)從高速到低速的轉(zhuǎn)差率變化都很小，故具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能。因此，變頻調(diào)速是一種理想的調(diào)速方法。交流伺服電機(jī)和普通交流電機(jī)的區(qū)別轉(zhuǎn)子不一樣：普通交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子粗短，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子細(xì)長(zhǎng)；定子繞組電壓不一樣：普通交流電機(jī)的兩個(gè)繞組上加的控制電壓幅值相同，相位相差90°，因而形成的磁場(chǎng)為圓形；而交流伺服電機(jī)的控制電壓V1和V2幅值不等，因而形成磁場(chǎng)為橢圓形速度不一樣：普通交流電機(jī)的速度不變，而伺服電機(jī)的速度可以根據(jù)要求而改變交、直流伺服電機(jī)機(jī)械特性哪個(gè)更好？直流伺服電機(jī)機(jī)械特性更好，動(dòng)態(tài)精度高，性能品質(zhì)好。直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性曲線為線性，而且在不同的控制電壓下，其曲線相互平行，斜率不變，屬硬特性；交流伺服電機(jī)的機(jī)械特性為非線性，而且在不同的控制電壓下，其特性曲線互不平行，屬軟特性，低速時(shí)更軟。課后練習(xí)交流伺服電動(dòng)機(jī)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有何不同？控制精度不同低頻特性不同矩頻特性不同過(guò)載能力不同運(yùn)行性能不同速度響應(yīng)性能不同效率指標(biāo)不同步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國(guó)內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電動(dòng)機(jī)也越來(lái)越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號(hào)），但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異。二者的使用性能比較如下：控制精度不同低頻特性不同矩頻特性不同過(guò)載能力不同運(yùn)行性能不同速度響應(yīng)性能不同效率指標(biāo)不同１）控制精度不同兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角一般為3.6°、1.8°，五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角一般為0.72°、0.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其步距角為0.09°；德國(guó)百格拉公司（ＢＥＲＧＥＲＬＡＨＲ）生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)其步距角可通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角（如果采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，還可以將其細(xì)分至更小，比如1.8°／512細(xì)分＝0.003515625°）。交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制精度由電動(dòng)機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電動(dòng)機(jī)為例，對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電動(dòng)機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°／10000＝0.036°對(duì)于帶17位編碼器的電動(dòng)機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接收131072個(gè)脈沖電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°／131072＝9.89秒，是步距角為1.8°的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖當(dāng)量的1／655。２）低頻特性不同步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電動(dòng)機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電動(dòng)機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（ＦＦＴ），可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。３）矩頻特性不同步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPW。交流伺服電動(dòng)機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPW或3000RPW）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。４）過(guò)載能力不同步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般不具有過(guò)載能力。交流伺服電動(dòng)機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過(guò)載和轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)因?yàn)闆](méi)有這種過(guò)載能力，在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。５）運(yùn)行性能不同步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制為開(kāi)環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問(wèn)題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電動(dòng)機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的丟步或過(guò)沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。６）速度響應(yīng)性能不同步進(jìn)電動(dòng)機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400ｍｓ。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下ＭＳＭＡ400Ｗ交流伺服電動(dòng)機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPW僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。7）效率指標(biāo)不同步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的效率比較低