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南京理t大学硕士学位论文 力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 abs tract torq uem o to r isa ki d d ofe s p e d alm o t o r t ha t 1 s com b in edofservom o torand drivi ng m o to r . lil l a sm anyvi “ ” e s， incl u d i n g丘 t r e a c 石 on ， li ttl eto 闪 朋 即dr o 公 戏 es peed fl u ct u at i贻， e x 沈 l l en t m e c h aj c 目阴 d adjusti v e c h ar a c te ri s t i c ， and it 啊 5 宜 ea d i l y r n o v e i n fo w印 ee d eveninsti n edre vol u t i o n . soitis诫 翻y a p p l i edinfo c a t i o n an d l o w 啊 犯 比 s e r ， 。 syst em asa sortofe x ecu l i vee l 曰 旧 e 址. ac e 川 a inof a ct o r q u cm o t o ri s别 刀 d ied in面sa rt l c l e， 认 七 i ch i s即p l i ed in 1 0 n g 一 di s 枉 田 c e c o n tr o n 吨 a n d 切 山 n a n n edperform明ces y s t emm 苗 n l y re se ax c h ism a d e of n e x t seve r alas p e cts . f l r s t 】 y， p ti n c i p l e ， co曲g u r at l on ， 叨des s e n t l 掀c h ar 朗t e ri stic of to rq uem o t o r s isdesc ri b e d s 助 ndly， to rq u e m o t o r s c ann o t 嗽 o pr u n n l ngl 的 。 r n edi at e 】 y 比 c ause ofi n e d i a ， 叭 七 即p o w e r s u p p l y iss h uto ffs u d d e n l y t b usit杭1 1 m ake d r o v e 。 bj ec t stop atstoc h as t i c pos iti on ， evellitc anre s ult in朗c i d e ntand d amage . b as edon th e sefacto r s ， i d e s i ， aki nd o f l o c at i o np r o t e c t i ng equ 甲 m ent w h i c hi sap p l i ed i n s u d d e n l y n o 一 e l e c t ri c i tyc ircums t a n c e . s i m u l 切 山 e ous l ana l 邓e and c ai 耐ate th e fe as ib i l i ty ofth e e q u 盆p m e nt， t 五 l rd ly， l ana l yze and c al c 川 * th e t r a nsi ti ollp r o c es si onw b 即t o r q ue m otor i s u s e d i n p ra c t i cal e n g in e e n n g . a cc 0 r d in gly o f 而5 ， i e d u cet h e d y n ami c equatl on. fou rt ll l y ， b 韶 ed on 俪 d y n amic叫 朋 6 o n， i p r o gr aj 的胡demu l at e the to rq uemoto r 5 runmngp r o ce ss i n g inuse o f m a i ，l a b， on t o p o f thesee m u l atio n gr aphi cs， i ana y zeand d r a wthe c o n c l usi o “ o f the to rq璐m o to r atai l ki n d s o f 引 泊 te s . k e y wo r d s: tor q u e mo torn o 一 el e c t r i c ity p r o te ct or p e r form a n c e ma t l a b d yna m i c 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在 本学位论文中， 除了加以 标注和致谢的部分外， 不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名:j 曰内夕 年) 月冷 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以 借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容， 可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: 必 ，加夕 年夕 月沙 日 1绪论 l l 课题研究的背景、目的和意义 1 . 1 . 1 选题背景 本文是根据预研课题远程操控无人执守系统为背景， 选取其中的动力执行元件一 一交流力矩电动机作为研究对象。 远程操控无人执守系统基于其作战的优良 性能和工 作可靠、 使用灵活、 造价低廉等特点， 一直都是军事装备中不可缺少的一个品种， 早 在两次世界大战期间， 航空自动武器在飞机上的安装就出现了两项重大改进， 即安装 部位扩大到机翼和应用活动射击装置 一饱塔， 这就促进了 航空自 动武器的发展， 加速 其实现远距离操控的自 动化系统和扩大其应用范围。 电动机是机电产品的重要组成部分， 是系统构成的一个重要环节， 恰当的选择电 动机能够减少机械连接装置、 简化系统结构、 提高系统的控制性能。 在某些自 动控制 系统中， 被控对象的运动速度相对来说较低。 例如某一防空雷达天线的最高旋转速度 为9 /s，相当于转速为 15r /min，而一般直流伺服电动机的转速为 15o 0r加in 6000r /min， 这时就要用齿轮减速后再去拖动天线旋转， 但齿轮之间的间隙对提高自 动 控制系统的 性能指标很有害， 它会引 起系统在小范围内的振荡和降低系统的刚度。 因 此，我们希望有一种低转速，大转矩的电动机来直接带动被控对象。 力矩电动机就是为满足类似上述这种低转速大转矩负载的需要而设计制造出来 的电 动机。它是一种由伺服电 动机和驱动电动机结合而发展起来的特殊的控制电 机。 它可以不经过齿轮等减速机构而直接带动负载运行， 并由输入的控制电压信号直接调 节负载的转速， 具有转速低、 转矩平稳、 响应快、 精度高、 调节性能好、 调速范围大、 运行可靠，能在低速、甚至堵转状态下长期工作，是一种直接驱动负载的执行元件， 因而在各类控制系统中通常作为执行元件广泛使用， 在高精度位置随动系统中， 它可 以 长期工作在堵转状态; 在速度控制方式的伺服系统中， 它可以 工作在低速状态; 它 也适 用于 需要 转矩调节， 转矩反 馈和需 要一定 张力的 场合2l 。 本文根据可以远距离操控的无人执守系统主要为短时低速工作、 要求输出较大的 转矩、 控制精度要求较高等工作特点， 选取交流伺服力矩电动机作为其动力执行元件， 研究其在工程实际运行时会出现的两种工作状态断电位置保护和得电重新起动。 l l z 研究的目 的和意义 传统的对电机的研究主要包括其控制、 制动以及动态特性的分析， 而电机的制动 南京理工大学硕士学位论文力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 通常也都是研究在通电时的制动。 在工程实际中运行时， 总会因电网故障或其他原因 使得电机遭遇突然停电的 现象， 由 于负载的惯性， 极易失控， 造成一定的伤害和事故 的发生， 尤其在远程操控无人执守系统中， 要求的系统定 位精度非常高， 而一旦停电， 由于负载的转动惯量非常大， 使得停机位置很随机，很难实现系统的定位，这样也极 易造成事故， 所以针对这一现象， 设计一套合理而切实可行的电机断电 位置保护装置 具有现实的推动意义。 l z 力矩电动机的选择应用及研究现状 l 2. 1 力矩电动机的 选择应用 力矩电动机可分为直流力矩电动机和交流力矩电动机。直流力矩电动机又分为永 磁直流力矩电动机 ( 有刷直流力矩电动机) 和无刷直流力矩电动机。 交流力矩电机相 对于直流力矩电机来说， 结构简单， 维护容易， 对环境要求低以及节能和提高生产力 等方面具有足够的 优势， 这使得交流力矩电 机广泛应用于工农业生产、 交通运输、 国 防以及日常生活中. 选择合适的力矩电 动机主要取决于以 下几个方面: ( 1) 应用所需的峰值力 矩与持续力矩 ( 2 )所期望的转速与角加速度 ( 3 )可供使用的安装空间 ( 4) 所期望的或可能的驱动配置 ( 5 ) 所需要的冷却方式 一般情况下， 选择电 机是一个不断叠加计算的过程， 因为在高动力直接驱动时要 按电机型号自 身的惯性来共同确定所需的转矩。 在现代工业及国防科技中， 交流伺服力矩电动机正在逐渐代替直流伺服力矩电动 机， 这是由 于交流电 机本身的结构简单、 坚固 耐用， 体积较小， 重量较轻， 没有整流 子机械换向，所以 远比 直流力矩电 机易于维护。 特别是由于近年来大功率电子器件， 以及用于高速微处理器与功率电 子器件相结合发展出 来的大功率交流逆变技术， 使其 静态与动态性能不仅已 经达到了直流伺服力矩电机的水平， 在有些方面， 比如输出转 矩的平稳性甚至超过了 直流伺服力矩电机的水平。 力矩电动机在国民 经济各个领域中的应用十分广泛，主要有以 下几个方面: ( 1) 航空 航天: 在高精度陀螺监控器平台上要求采用力矩较低的力矩电 机来进行控 制过程中力矩的传输。 ( 2) 现代军事装备:在军事装备的雷达系统中有时需要雷达一天转动一转，这时就 南京理工大学硕士学位论文力矩电动机在工程实际应用中的 特性分析 需要采用0. 0 0067r 2 m l n 的力矩电动机。 当雷达搜索飞机目 标时， 雷达天线由力矩电动 机驱动不断进行旋转扫描。 ( 3) 现代工业: 在金属加工、纺织、造纸、橡胶、化工及电线电缆等行业中广泛应 用。 主要特点是在线速度变化后， 张力仍能保持在所允许范围内， 适用于卷绕产品时 的张力基本保持不变， 力矩电动机性能与卷绕特性能协调匹配， 因此能代替传统复杂 的设备系统，可大大节省投资，并能解决传统设备维护困难的缺点。 (4)现代交通运输:在现代高速公路的自 动收费系统中，需要一种既能频繁起动， 又能经常堵转， 还能低速运行的适应各种状态的力矩电机来完成系统的自 动收费、 放 行、回位这一系列过程。 l 2. 2 力矩电动机的研究状况 力矩电动机早在五十年代初期就被提出， 但是由于当时对伺服电动机控制精度要 求不很高， 使用高速伺服电动机再经过齿轮等减速机构来驱动负载己能满足要求， 致 使力矩电 动机没有得到实际应用。 直到五十年代后期， 随着空间科学的 迅速发展， 力 矩电动机才逐渐受到人们的重视，并在六十年代有了 较大的发展。 近十几年来， 随着力矩电动机应用的日 益广泛， 世界各国对力矩电动机的研究也 在深入。 由 于电子技术的飞 速发展及新型材料的不断出 现， 使得人们对力矩电机进行 深入而全面的研究变得可能。目 前， 在对重量、 外形尺寸、 控制功率都有一定限制而 又要求具有快速响应、 较高的 速度精度及位置精度的伺服系统中， 力矩电 动机得到了 广泛的应用。 从国际上看，早在 70 年代美国已经基本完成对直流力矩电机的基础研究，有关 公司已分别建立了比较完善的直流力矩电机以 及它和高灵敏度直流测速发电机构成 机组的系列化产品， 美国liiland 公司最具代表性。 现在国际上生产力矩电动机的厂家 己 经很多， 如美国kol 恤。 r g e n 、 p ol y 一 s ci e 而fic、 英国m u ir h e ada erosp 邢 e 、 德国si emens 等公司，都已 经设计生产了 各种型号的力 矩电 动机， 在这方面的技术已 相对很成熟。 其中美国kol l m o r g en 公司的直流力矩电 机由 永磁场和绕线式电 枢共同作用将电力转 化为 转矩， 用于定位和速度控制系统. 英国mu i r h e a d a erosp 姗 公司生产的 直流力矩 电动机具有大力矩输出、 直接响应和低速精确运转等特点， 电动机采用的永磁材料有 稀 土 磁 体、 铝 镍 钻 合 金 等 。 010 我国在直流力矩电 机方面开展的研究也比较早，目 前己形成系列化产品， 其生产 工艺技术日 趋成熟， 如新乡新电电 机电 机厂生产的y lj 系列力矩电 动机广泛应用于 纺织、造纸、橡胶、塑料、金属线材和电线电缆等产品的生产加工过程中。 南京理工大学硕士学位论文力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 1 3本文主要研究内容 本文的研究内容将包括以 下几个方面: ( 1) 分析交流力矩电 动机的结构、特性、工作原理并建立数学模型. (2) 针对远程操控无人执守系统的特点， 设计一套切实可行的力矩电动机断电位置 保护装置。 ( 3) 根据系统的断电 制动要求， 确定断电位置保护装置的实体结构、 尺寸， 并进行 系统的强度及可行性验算。 ( 4) 分 析 电 机 断 电 位 置 保 护 和 得 电 重 新 起 动 两 种 过 渡 过 程 的 动 态 特 性 。 ( 5) 运用m 八 j l a b 对过渡过程的 动态特性进行仿真分析. 南京理t大学硕士学位论文力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 2交流力矩电动机系统 2. 1 交流力矩电动机的结构特点 2. l i 基本结构 交流力矩电动机主要由两部分构成，包括定子， 转子， 两者之间有气隙， 如图2 一1 所示。 转子为励磁， 是电机的反应部件， 主要作用是产生感应电动势和电磁转矩， 一般由一个钢制圆柱体空心轴构成， 轴的周围装有永磁体， 永磁材料通常采用铁氧化 体或稀土材料做成， 磁场强度高， 矫顽磁力很强， 可以有效的减小转子的惯量， 提高 输出转矩和电机的功率比。由于转子上没有绕组， 不通过电流， 所以在运行时电机轴 的温度不会升高， 这样就避免了像直流力矩电动机那样， 由于温升而引起的轴的变形， 从而影响到系统的精度。 定子的主要作用是产生磁场， 由一个铁心和一个三相交流电 绕组构成，为了能更好的排出损耗热量，绕组通常用浇注方法制成。 洲 图2 一1 交流力矩电 动机结构示意图 1 一定子2 一转子 2. 1 .2 力矩电动机的特点 传统驱动系统通常采用普通的伺服电 机作为主驱动电机。 这种伺服电 机的工作转 速一般为 每分钟几十转到几千转左右， 对于被驱动对象在低速状态运行时( 如雷达跟 5 南京理工大学硕士学位论文力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 踪定位阶段) ，需要在伺服电 机输出 轴后增加减速装置以实现低速运行。这种运行机 构在实现低速目 标的同 时， 使系统的 结构复杂化， 体积和重量明显增加， 更为严重的 是减速机构的引入， 使系统刚性降低、 传动误差增加。 而采用力矩电机的直接驱动系 统比传统的齿轮传动系统结构简单， 摩擦阻力小， 不存在齿隙。 之所以如此， 主要是 由于力矩电机具有如下优点: 快速响应:由 于力矩电 动机直接驱动负载，电 机轴与负载轴相联，省掉机械 减速装置， 因而减少了整个运转部分的干摩擦， 消除系统的低速跳动现象， 对改善系 统低速跟踪的平滑性十分有利。 同时由于力矩电动机通常运行在低速状态， 且理论加 速度较大，因此系统的机械时间常数很小， 一般约为十几毫秒至几十毫秒。另外， 力 矩电 动机的电 气时间常数也很小， 约为零点几毫秒至几毫秒。 所以， 由力矩电 机构成 的系统，其动态响应迅速。 速度和位置的精度高:力矩电机直接驱动的伺服系统可以消除因采用齿轮传 动时带来的齿隙“ 死区” 和材料弹性变形引起的误差， 因此它既可使系统的放大倍数 做得很高，又能保持系统的稳定。 祸合刚度高:由 于力矩电 机电 枢与负载传动轴直接祸合， 轴径粗、距离短， 祸合稳定性好，机械共振频率高。 特性的线性度好:力矩电机的机械特性和调节特性的线性度都很好。为了使 力矩电机的转矩正比于输入电流， 而与电机的转速、 转角位置无关， 提出将其磁路设 计成高饱和状态， 并选用磁导率小、 回复线较平的永磁材料做磁极， 而且选择较大的 气隙。 这样， 就可以 使电 枢反应的影响显著减小， 从而保证了力矩电机具有良 好的线 性调节特性。同时，由 于省去了齿轮传动装置， 消除了 齿隙“ 死区” ，又使摩擦力矩 减小，这些都为系统的灵活控制和平稳运行创造了条件。 可堵转工作:力矩电机能长期处于堵转状态下工作，但是要注意的是电枢电 流不能超过峰值堵转电流。 并且， 采用力矩电 机直接驱动的系统， 还具有运行可靠、 维护简便、 振动小、 机 械 噪 声 小 、 结 构 紧 凑 等 优 点 1301. 2 2 交流力矩电动机的工作原理 交流力矩电动机的工作原理可以通过图2 一2 来说明。 南京理1大学硕士学位论文 力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 图2 一 2 交流力矩电动机的工作原理图 假设某交流力矩电 动机为二极， 转子永磁体的磁场在空间为正弦分布， 定子电枢 为三相集中绕组， 定子与转子绕组之间的相互位置转角用“表示。由图可看出， 通过 三个绕组的磁通量分别为: 几= 凡si n “ 风= 凡s in(a + 1 2 0 . )( 2 一1 ) 凡， 凡s i n( 。 + 2 4 0 ) 式中，凡为 励磁通的 最 大值。 因为电 机的 转子是 用永久磁铁励磁的， 所以凡是一个 常数。 给相位互差的三相绕组通一正弦交流电， 并控制各相的电 流瞬时值， 使得它们 产生的电 枢磁场的方向 的矢量和正好与励磁磁通的方向正交， 三相的电 流分别应为: 礼 = 几sina 凡 = 几s i n ( a + 1 2 0 )( 2 一 2 ) 心， 几s i n( a + 2 4 0 ) 式中几 电 流的 最大 值 礼 、 心 、 几 分别为u 、 v 、 w相的电流 由于电枢磁场与励磁磁场的相互作用， 在每相绕组中， 都会产生出电磁转矩， 三 相绕组产生的转矩之和为: t = k 【 bu 礼 + 凡 礼 + 凡 iw = 低im sin ， a + ， ，n ， ( a + ， 2 0 。) + ， 位 + 24 0 ) = 1 5 k b 用 几( 2 一 3 ) 式中t -we电机轴的输出转矩 南京理工大学硕士学位论文力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 k 一 常数，与电 机的极数， 绕组的圈数等结构特点有关。 由上式可以看出，当各相的电流严格的按照式 (2一2) 控制的时候，电机轴的输出转 矩与 转子的 位置角a 无 关。 考 虑到k与凡都 是 常 数， 所以 转 矩的 大 小完 全由 交 流电 流的 最大值几决定。 通过控制几的 值便可以 实现对输出 转矩的 控制。 2. 3交流力矩电动机的数学模型 为简化分析，在推导中，作了如下假设: (l)磁饱和、磁滞 和涡流的 影响 忽略不计; ( 2 ) 动子上没有阻尼，永磁体也没有阻尼; ( 3 ) 电机定子的电势是正弦的: ( 4)定子三相是对称的， 即它们是三个完全相同的绕组， 各绕组的轴线在空间上互 差1 2 0 0。 在 磁 场定向 矢 量 控 制条 件下( 几= 。 ) ， 交 流力 矩电 动 机的 数学 模型 可描 述如下: 1 、机械运动方程 f-二 m业二 b ， 十 f ， 以， 1_ d 赵 ( 2 一4) 式 中 k 了 一 青 梦 了 ( 2一5 ) m电动机转子质量 b 粘滞摩擦系数 乓 负 载阻 力 凡电磁推力 几 极距 竹 永 磁 体 有 效 磁 链 u 转子线速度 v 二 2 : f= 几 f 为逆变 器输出 的电 源频 率 : 推力系数 v， 电动机同步速度 2 、d 一q 轴电压、电 流方程 ( 2一6 ) 汀 气 = 今 与一 ， v 少 舀 十 几 d(妈十 竹) 改 甲奋 ( 2 一7 ) 南京理工大学硕士学位论文 力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 厅 ，、即。. 汀d 梦 . 气 二几 枯十一 代沁 十俨f 夕 +一 下尸二几 枯+一 v 俨， + 一二 尸 气一a 几一“ ( 2 一8 ) 式中 少 = l d 枯 梦 ， = 乓几 粉 气 分 别 为d 轴 和q 轴电 压 肠1 。 分 别 为d 轴 和q 轴电 枢 电 流 沁 、 叽 分 别 为 由d 轴 和q 轴电 枢电 流 产 生 的 磁 链 今几 分 别 为d 轴和q 轴的 电 阻 与 、 l 。 分 别 为d 轴 和q 轴的 电 感 2. 4 编码器的选择 用力 矩电动机进行直接驱动的系统的精度由以 下几个方面的因素决定: ( 1) 系 统的 机械结 构: 包括系统的 机械刚 性和运 行精确度。 ( 2)调节质量: 包括驱动系统的刚性; 在安装和调节编码器系统时可以达到的精度; 角度信号与速度信号的量子化( 起决定作用的是在轴每转时变频器编码器求值 中的编码器线数与编码器倍频) ;电流、转速及位置调节器的扫描时间。 ( 3 ) 编码器分辨率 因此， 编 码器在控制系统的 精度方面起着绝对重要的作用。 编码器是将角位移转换成电 信号的一种装置， 又称为码盘， 作为与电机系统相匹 配的检测元件， 完成转子速度和位置的检测， 并以 检测的结果为依据使得交流力矩电 动机实现正交控制， 同时使用编码器作为系统的检测元件， 也可简化机械部分的结构。 在远程操控无人执守系统中的检测元件选择使用光电编码器， 因为它的类型决定 整个系统的组成、结构以及影响系统的跟踪精度等。 光电 编码器作为测量角度和速度的传感器， 它具有以下优点: ( 1) 输出的信号是数字量，容易与数字电路相适配; (2) 精度和分辨率较高，以及较强的抗千扰能力，能够保证整个系统的测量精度; ( 3) 信号处理电路简单，自 身的转动惯量小， 在组成系统时， 对系统的动态性能影 响小。 正因 为它具有以 上 优点， 力矩电动机的控制部分选择采用光电编码器来实时检测 电 机转过的角度， 并将其信号送控制器进行处理。 因为它的精度对于整个系统的精度 起决定性的作用，所以选用高分辨率的光电编码器就显得十分重要。 光电 编码器有绝对值式和增量式两种类型。 前者输出的信号经锁存器可直接接到 南京理工大学硕士学位论文 力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 单片机的拍 口， 接口电 路和信号 处理简单， 系统也不需要定为零位， 安装时只要保 证编码器的零位与电机的机械零位对齐便可直接测量位置。 增量式光电编码器以 脉冲 的 形式 输出 信号， 它 通常给出 这样一些信号: a 、 牙、 b 、 万、 2 、 牙 六个信号， 其中， a与b 相 差9 00 ， a 、 b 分别 与又 、 万 反 相， 它 们 每 转 输出 多 个脉 冲 信号， 2( 或牙) 是零位参考， 一般每转输出1 个或数个脉冲信号， 所有这些信号都是方波信号。 它测 量 位置的 过 程是: 利用2( 或牙) 作为参 考信号， 定出 相对零位， 然后通过定时 计量 a( 或b )的脉冲数来计算实际位置。 增量式光电 编码器与绝对值式光电编码器相比 较， 它占 用单片机的u o口较少， 但信号处理复杂， 不过在采用光栅细分技术后， 它 的精度和分辨率可以 做得很高， 而且要比同精度和分辨率的绝对值式光电 编码器便宜 很 多 15 0 1 。 应用在远程操控无人执守系统中的交流力矩电动机期望定位精度为0 . i n 止 目，因 ，2 汀_一一一 - ， 一 为 器 。 。 1 二 r a d ， 因 而 可以 选 用16位 的 绝 对 值 式 编 码 器。 编 码 器的 合 理 布置 如图2 2 ， 。- - - 一” - -一- 一 一 一一 ” ” ” 一 ， r 刁 ” j 曰一 ， 产 ” “ 一3 所示。 回转台 液压分配器 转子 摘码. 图2 一3 编码器的合理布置结构示意图 2. 5 力矩电动机的力矩波动 力矩波动是指转子处于不同 位置时，堵转转矩的峰值与平均值之差。 南京理1大学硕士学位论文 力 矩电动机在工程实际应用中的 特性分析 at - 一 一 二 卜 司 、 一 、 、/ 图 z se4力矩电动机的力矩波动 力矩波动的大小是表征力矩电 机性能优劣的一个重要的性能指标， 也是影响力矩 电机用于直接驱动系统低速平稳运行的一个重要因素。 由于力矩电 动机经常运行在低速或堵转状态， 直接驱动系统工作转速较低，电 机系统产生的 力矩波动直接作用于负载， 对系统的稳定性和控制精度影响较大。 在高 精度控制系统中， 如果力矩波动的频带落在控制带以 外， 力矩波动产生的影响将十分 明显。 当力矩电机工作在高速区时， 力矩波动通常能被转子惯量吸收， 但工作在低速 区时， 力矩波动会严重影响伺服系统的速率、 位置精度， 有时甚至使系统无法正常工 作。这就要求直流力矩电 机在低速时的力矩波动不能很大，必须控制在一定范围内。 2. 5 注力矩波动产生的原因 一般来说，力矩电 机力矩波动产生的主要原因包括以下几方面: 换向 引 起的力矩波动: 由 于电 枢反应使气隙 磁通密度的分布产生畸变以及绕组短 矩， 使换向不在零磁通密度处， 元件中电流变换时存在力矩波动。 此外，由于绕组元 件数、 换向片数是有限的， 使得反电动势发生波动。 还有其它机械原因， 如电 刷与换 向 器接触不均匀，摩擦力矩变化影响输出转矩的平稳性等。 电 枢铁芯齿槽引 起的 力矩波动: 齿槽使得气隙 磁场发生周期性变化， 产生磁阻力 矩， 同时电 枢绕组布于槽内， 受槽所限，电枢导体不能连续分布， 也会引起输出力矩 的 波 动 1271 。 2. 5. 2抑制力矩波动的 措施 目 前对力矩电 机力矩波动的抑制主要是通过电 机系统原理设计的完善及提高加 南京理工大学硕十学位论文力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 工工艺水平，使系统产生的波动力矩较小，具体措施包括以下几方面: 采用扁平式电 枢， 可增加电 枢槽数、 元件数和换向片数;正确选择电 枢的 槽数， 使它与电机的极对数之间无公约数，可削弱电 枢转动时引起的电机磁场的脉动。 在一个槽内分布虚槽，以增加换向片数，从而减少换向元件匝数和换向电势。 采用斜槽，以削弱齿谐波磁场引起的力矩波动，减小槽口宽度，采用磁性槽楔， 削弱气隙磁阻的变化，从而减小阻力矩。 适当 减小电 刷宽度，以 减小换向区 域， 使得换向 元件在磁通密度为零附近进行换 向 ; 适 当 加 大电 机的 气 隙 12 刀 。 由于远程操控无人执守系统要求的定位精度较高， 而电机的力矩波动肯定会影响 系统的转矩跟踪精度; 并且力矩电 机直接与负载相连， 电机产生的转矩波动直接作用 在负载上， 对负载的平稳运行影响较大。 所以 对力矩电 机进行力矩波动抑制是十分必 要的，而且必须尽量减小其力矩波动，以求获得高质量的伺服特性。 南京理工大学硕士学位论文 力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 3 力矩电动机的断电位置保护 应用在远程操控无人执守系统上的交流力矩电动机， 如果突然切断电源或因故障 电网突然停电 时， 由于电 动机无励磁电流， 即无磁场， 此时电 动机的转矩近似为零( 电 动机的剩磁忽略不计) ，负载转动惯量很大，电动机将在无制动的情况下惯性运动， 容易失控， 会造成停机位置随机， 这既影响了生产效率， 也不利于机械设备的准确定 位， 尤其在火炮等军事设备中， 这甚至会造成很大的事故和伤害。 因而为了提高生产 效率和实现系统的 准确定位， 必须对电 机采取有效的断电 制动措施， 以实现其突然断 电的位置保护。 1 1 电动机制动分类及要求 电动机的失电制动的本质是对断电后电动机的惯性动能进行适当的控制和处理 以 符合系统的工作需要。 制动过程中要吸收负载及电动机上的动能， 以使电机减速或 停转， 它基于一定的控制线路而运行， 是集机械结构及电磁控制于一体的有机统一体。 3. l i电 动机制动的分类及特点 表1常用电机制动方式的分类及特点 制动方式工作原理 制动 效果 工作特点适用范围 机 械 制 动 电 磁 制 动 电磁自 锁制动 电机断电后， 利用电磁铁 一机械自锁装置产生的 自 锁，使得电机断电后迅 速停转 制 动 平稳、 迅速 行程短、机械冲击 小、 安全性高， 能承 受频繁动作， 前者用 于意外断电制动保 护， 后者既可用于通 电制动也可用于断 电制动 前者广泛应用 于起重、卷扬、 电梯以及制动 要求较严格的 机械; 后者适用 于地面机械 电磁抱 闸制动 利用弹簧一电磁铁装置 产生的摩擦阻力， 使得电 机断电后迅速停转 电动一液 压制动 利用弹簧一重锤一液压 装置产生的摩擦阻力，使 电机在断电 后停转 制 动 缓和 制动力矩均匀， 冲击 力较小 适合于要求缓 慢停机的场合 带式制动 利用弹簧一液压力或手 动力，迫使电机停转 制 动 迅速 摩擦转矩大， 制动力 强 适合于紧急制 动的场合 圆盘式 制动 利用弹簧力一电磁力或 液压力，迫使电 机停转 制 动 缓和 制动时冲击力较小常用于小型电 机系统的制动 南京理工大学硕士学位论文力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 电 气 制 动 反接制动 电机断电时，改变其输入 电源的相序， 使产生一个 逆旋转的制动力矩，以强 制电机停转 效 果 明显， 准 确 性、 稳 定 性 差 制动力矩大，速度 快， 但机械冲击力和 制动电流对设备和 电网的影响较大， 能 耗也很大， 制动到零 时须及时断电， 否则 可能反向起动 适合于不经常 制动的场合， 如 铣、 撞、 中型车 床的主轴控制 短接制动 断电后，有剩磁的转子切 害 9 自相短接的定子绕组 产生感应电 流， 并与旋转 磁场相互作用， 产生制动 力矩，迫使转子停转 制 动 效 果 较 能 耗 制 动、 反 接 制 动 差 不需要外界供给任 何能量， 省电， 线路 简单、 故障率低， 但 制动力不太强 用于对停机位 置要求不高的 小型电机系统 能耗制动 电机断电时，即向定子绕 组通入直流电，以产生一 个固定磁场， 使惯性旋转 的转子绕组切割磁场产 生制动力矩而使电机停 转 制 动 准确、 平稳 需外界提供直流电 源，但能量损耗小， 可方便的调节制动 转矩， 但低速时制动 效果差 用于电机容量 较大和起动频 繁的场合 电容制动 断电后，有剩磁转子惯性 切割定子绕组， 使之产生 感应电动势，r c 中的电 容、电流通过定子绕组建 立磁场，使转子动能转化 为电能并在r c中变为热 能而消耗， 使电 机很快停 转 制 动 效 果 好 不需外界供结任何 能量，线路较简单， 最后停机前转子还 有一段微爬行， 但制 动力矩只能在转速 高于 1 131 /2 同步 机速时发生， 同时电 容的容量要求较大 用于某些停机 需要缓冲的场 z卜 口 再生制动 当电机转速高于旋转磁 场同步转速时， 转子导体 产生感应电流，并在旋转 磁场的作用下产生一个 反旋转方向的制动力矩 而达到制动目的 制 动 效 果 好 不需要外界供结任 何能量，比较经济， 但只有当电机转速 高于旋转磁场同步 转速时才有效 适合于高速转 换成低速以及 限制重物降速 的场合 南京理t大学硕十学位论文力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 工 l 2电动机制动的原则和要求 一各种制动方式在工作原理、 制动效果、 优缺点等方面均有所不同， 使用场合也各 有侧重， 因而， 制动方式的选择必须根据电 机系统的工作环境和要求， 并结合各种制 动方式的 特点，作具体情况具体分析，同时还应遵循以下原则: ( 1) 安全性原则。安全是质量的保证，也是电机制动方式选取的首要前提. (2) 实用性原则。满足电机系统的工作需要是制动的核心目的，应根据传动系统的 功率大小，对制动的缓急要求和制动精度等来选择合适的制动方式。 ( 3 ) 效益性原则。 节能增效是市场经济的必然要求，因此在符合安全要求和满足系 统制动要求的前提下，制动方式的选择还应考虑到制动系统设计成本的节约。 ( 4 ) 创新原则。各种制动方式都或多或少的 存在着缺点和不足，这就需要通过技术 的创新加以 改进【 291. 在一般的拖动装置中，对电动机的制动有以下要求: 1) 要有足够大的 制动转矩， 以 使电 动机及其传动机构不致受到过大的冲击而损伤 为宜，同时制动电流不宜过大. ( 2 )制动的平滑性。 ( 3) 制动的可靠性.按照要求， 准确可靠的停在某个位置，或将转速限至指定值。 ( 4) 制动的经济性。它由制动过程中能量的损失及其设备投资来衡量。 ( 5) 制动时间。 一般来说， 制动越快越好， 但要考虑电 动机及其传动机构的强度所 允许的条件川 . 3. 2 力矩电动机的断电保护装置的选择 3. 2. 1 力矩电动机的断电保护装置的类型 从国内 外的研究来看， 研究电 机的断电制动， 主要采用的是机械的电 磁抱闸制动， 即利用弹簧 电 磁铁装置产生的 摩擦阻力， 使得电动机断电后停转， 如图3 一1 所 不 。 这种电 磁制动装置结构简单， 机械冲击小， 但由 弹簧伸长产生的 摩擦阻力较小， 而在远程操控无人执守系统中， 负载的转动惯量非常大， 仅靠弹簧电磁铁产生的 摩擦力不足以 使得电 机停转， 因而采用自 锁型电 磁制动。 同时要将电 磁自 锁制动应用 与远程操控无人执守系统中还有许多鱼待解决的技术难点: ( 1)如何解决制动力的缓 冲问题， 以 减小制动时的机械撞击; (2) 如何设计制动系统的机构， 实现制动力的放 大与传递: ( 3) 如何解决实际运行时周围环境对电磁系统的干扰问 题;等等。 南京理工大学硕士学位论文 力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 万 份: 忿 图3 一1 电磁抱闸制动装置示意图 本文设计的这种电磁制动自 锁装置可以初步解决上述的一些技术问题， 如采用环 形弹簧来缓冲制动力的 冲击， 采用齿轮变速机构来实现制动力的放大与传递， 方案具 有一定的可行性与应用价值。 1 2. 2 断电保护装置的实体结构、尺寸及工作原理 南京理工大学硕士学位论文 力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 程电 机 转 过 的 角 度气不 超 过3 ， 因 而 可以 保 证 在 整 个断电 制 动 过 程中电 机 转 过的 角 度不超过1 00 。 对于高低电机，在电机突然断电后， 带动负载向上转动的运动方程式为: t/， + 尤 材名 r c o s 只= 一 j : e :( 3 一1 ) 若电 机带动负载向 下转动，则其运动方程式为: k mg rc o s 6 。 一 几， =j . e :( 3 一 2 ) 式中人 难 火 co s 只 负 载的 重 力 矩 k 一一平衡系数 因 为 系 统中 装 有 一 平衡 机， 用来平 衡 负 载的 重力 矩， 假设 在只 位置， 平衡 机产生 的 平 衡 力 矩能 完 全 将 重 力 矩平 衡掉， 即叽俘) 二 人 髻 左 co s 只， 若电 机带 动负 载 旋转 至 01 只 位 置 时， 平 衡 机 产 生 的 平 衡 力 矩 将 大 于 负 载的 重 力 矩， 即 叽( 捌 卜3 仓 尺 co s o/ ， 若电 机 带 动负载 旋转至0 只 时， 平 衡机 产生的 平 衡力矩将小于负 载的 重力 矩， 即 域( 仍曰垂 床 co s o 考虑一种极限的情况: 假设电机突然断电前， 带动负载向 下以 最大转速旋转至0 二 3 。 。 的 位 置 ， 假 设 此 时 平 衡 机 能 平 衡 掉 奥 的 重 力 矩 ， 则 此 时 的 运 动 方 程 为 : 1 0一-， - -一 - ， -.一一 卉、 9 * iu c o s 3 o 一 t， =j ， 5 ( 3 一3 ) 所以 e 为 啥 天 c o s 3 o b 一 tj:上 、 6 3 0 、 1 0 、 1 . 1 、一3 5 0 二 二 一二二 _ 6 5 0 =0 . 3 8 5 r 口 d/ 5 2 制动前电机的角速度口=三 翌 丛 些= 6 0 三 二 ; a j l ， 3 设电 机断电 后， 电 磁铁及离 合 器的响 应时间 为tl ， 则 。 ， =口 t ， + 了: ， t 产 ( 3 一 4 ) 解得: 取 t=5 8 m s 三 二 ， ， + 上 、 0 ，3 5 5 ， 产 二 二 321 8 0 一 1 0 . 9 3 8t l 0 ， 0 5 8 经过t ， 时 间后，电 机的 角速度叭=口+e l tl=三 二 + 0 3 5 5 、 0 0 5 5二2. 1 1 产 口 d/ 5 即要求电 磁铁和离合器必须在58ms 内 完成响应过程，即电 磁铁完全打开，离合器完 全合上。 南京理t大学硕士学位论文力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 1 3. 2 对离合器的齿进行强度校核: 二。丫价二，、二*二_2 此， ， _， ” “ f 圆 “ ” “ 皿 逃 刀 仃 ， = 瓦 石“ tcj ， 式中不 一离 合器轴传递的 转矩 ( 3 一5) 鑫 ，co s 3 。 。 一 : 1 兴 、 6 3 。 、 】 。 、 1 .l x 李 一 3 5 。 =i u=i u乙 二3 4 . 6 n加 毛 1 2 结仇 刀 一工作储备系数 4 x 2x 0 . 9 5 x d . 9 5 ，取为2 力 行的 承 压 工 作 面 积 ， ， = 奋 (。 十 、 )“ 一 ， 6 6 ，s mm z 2 了一 计 算 牙 数 ， 二 厂 一 咭 一 争 一 取 ” 几一牙 齿 平 均 直 径， 几= 旦全 呸= l o s m m 二。 ， . _2 风_ 阴 ，” ， 一 瓦 石- 2x 2 刀x3 4 石 1 0 5 x 4 x l 6 6 . s x l o 一 3 n / m m z = z n / 形 m ， a ， = 6 8 n / m m ， 牙齿根部的弯曲 应力:oha= 气 ( 3 一6 ) 卜 一 牙齿宽度。 = 夕 匕 三二 1 5 m m其余各符号的意义均同 式 (3一 5) 氏 = 6 粼 h 6 x2 . 0 x3 4 . 6x l o 几zb丫 1 0 5 x 4 x 1 5 x 1 8 . 1 之 x l o 一 3 万 / m ， 2 二 2 万 j 朋2 几 = 4 卿/ mmz 由上述计算可知，选用该离合器可以满足强度要求。 离合器接合过程中的响应分析 式所3.3. 由上面的计算可知， 若要求电 机在失电后， 在离合器响应过程中， 电机转过的角 度不大于 7 。， 则要求衔铁及离合器的响应时间不大于 58m s . 设离合器在开始接合 时的转差为一齿宽，即两个半离合器错开巡 2 z 3 6 0 . 二 二 一二二 2 x9 2 0，则当离合器开始正对着 接合时，需要先转过 20“，这段时间内经过齿轮变速箱的变速，电机将转过 南京理t大学硕士学位论文力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 兰 =兰 = 2 .5 ， 8 所以 从离合器开始正对着接合到完全接合衔铁及离合器的目 标响应 时间应为:( 5 5 、 上 兰) ms一 3 7 .3 、 7 七 ( fo- 咔x) 图3 一5离合器接合过程中的受力示意图 由离合器接合过程中的受力示意图可知， 当两个半离合器开始正对着接合时， 其 运动方程为: dz xl ， _.1 . m。 花丁 厂=二 几 户 。 一k二 x ) 一j m。 9 “tt ll l ( 3 一7 ) 式中。 离合器在杠杆的推动下其齿嵌入的位移， 图示取水平向左为x 的正方向， inm k 一弹簧刚度，取卜7 2 n / n u n “ 一 弹 簧 的 预 紧 “ ， : “ 告 kh 取凡=( 3 0 + s k ) n = 3 9 州 me一整 个运 动部 分 的 等 效 质量， 衔 铁的 质 量残= 0. 9 棺 m 一 奋 m 7 一 ， = ， 兰 旦 旦 20 0( 0 . 9 + 0 . 3 ) =3 ( k g) 代入式 (3一7) 即为:+ 6x= 64 ( 3 一8 ) 南京理t大学硕士学位论文 力矩电 动机在工程实际应用中的特性分析 方程 (3一 8) 为关于x 的二阶线性微分方程， 运用n ， j l a b 进行计算求解得其通解 为:x = c l cos扬 + c z : 加 扬 + 竺 ( 3 一9) 式中c l 、 c z 为积分常 数，由 初始条件确定。 、_dx 士 上r 二 u口 u， x = u， 二u dt 0 二 c l + 竺 3 0=cz 了1月几之se 既