《控制电动机》PPT课件

第4章控制电动机,传动电机：主要用来完成能量的变换，具有较高的力能指标；控制电机：主要用来完成控制信号的传递和变换，要求技术性能稳定可靠、动作灵敏、精度高、体积小、重量轻、耗电少。,控制电机一般用于自动控制、自动调节、远距离测量、随动系统以及计算装置中的微特电机。它是构成开环控制、闭环控制、同步连接等系统的基础元件，根据它在自动控制系统中的职能可分为测量元件、放大元件、执行元件和校正元件四类。控制电机一般是小功率电机。,第4章控制电动机,4.1伺服电动机伺服电动机又称执行电动机，其最大特点是可控。与普通电动机相比具有如下特点：（1）调速范围广，伺服电动机的转速随着控制电压的改变而改变，能在很广的范围内连续调节；（2）转子的惯性小，即能实现迅速启动和停转；（3）控制功率小，过载能力强，可靠性好。根据使用电源的不同，伺服电动机有直流伺服电动机和交流伺服电动机.,第4章控制电动机,（a）直流伺服电动机（b）交流伺服电动机及其驱动器伺服电动机,第4章控制电动机,4.1.1交流伺服电动机1两相交流伺服电动机结构定子：励磁绕组WF，控制绕组WC转子：鼠笼转子（细长），或非磁性杯形转子,第4章控制电动机,1外定子铁芯；2杯形转子；3内定子铁芯；4转轴；5轴承；6定子绕组,非磁心空心杯转子两相交流伺服电动机的结构,第4章控制电动机,两相交流伺服电动机的特点和应用,(1)当两相绕组分别加上相位相差90o的额定电压时。对称两相运行ic和if产生圆形旋转磁场产生T转子旋转。如果uc反相，即改变ic和if的相序旋转磁场改变方向n的方向改变。同时减小uc和uf而保持其90o的相位差圆形磁通势的幅值Tn。,2.两相交流伺服电动机的工作原理,(2)当uc=0,电动机处在单相状态脉振磁通势F0。,静止时：n=0，,F0,FFFR,TFTR,T=TFTR,TF=TR，T=0，不能起动；,正在运行时：,T0，转子继续旋转单相自转！,(3)Uf=UN，UcUN且保持相位差为90o时，或者Uf=Uc=UN但两者的相位差小于90o时。,电动机处在不对称运行状态，将产生一个椭圆形旋转磁通势。,问题：当控制电压减到零时，此时相当于运行中的单相异步电动机，电机一但转动起来不会停下来，称为“单相自转”，这是交流伺服电动机不允许的。解决方法：使转子具有较大电阻。,控制电压为零特性控制电压不为零特性,uc=0时，只有励磁绕组通电，则电动机将以单相感应电动机形式运行。励磁绕组产生的脉动磁场可以分解为大小相等、转速相同、转向相反的两个圆形旋转磁场（分别称为正向旋转磁场和反向旋转磁场），如果电动机的同步转速为ns，转子转速为n，则转子相对于正向旋转磁场的转差率为,转子相对于反向旋转磁场的转差率为,电动机的总电磁转矩为这两个转矩之差，即合成转矩,正、反向旋转磁场与转子感应电流相互作用产生的电磁转矩分别为T1，T2,（a）转子电阻较小（b）增大转子电阻至Sm1,3.控制特性,（1）幅值控制通过改变控制电压的幅值来改变电机速度。而控制电压与励磁电压的相位与差始终保持在900。在一定的负载转矩下，控制电压越高，电动机的转速就越高，反之转速越低。,幅值控制接线图,3.控制特性,（2）相位控制保持控制电压的幅值不变，改变控制电压的相位，电机的速度也相应改变。控制电压与励磁电压的相位差增大，转速增大。相位差为零时，电动机转速为零。（3）幅-相控制同时改变幅值与相位来达到改变转速的目的。,幅值-相位控制接线图,第四章控制电动机,4.1.2直流伺服电动机1直流伺服电动机种类和特点（1）按结构分类传统型与普通小型直流电动机相同，也是由定子、转两大部分组成的，只是它的容量与体积较小。低惯量型具有时间常数小、响应速度快的特点。,第四章控制电动机,1直流伺服电动机种类和特点（2）按励磁方式分类电磁式电磁式直流伺服电动机的磁场由励磁电流通过励磁绕组产生，可分为他励、并励、串励和复励四种。永磁式永磁式直流伺服电动机的磁场由永久磁铁产生，无须励磁绕组和励磁电流。,第四章控制电动机,图4-2,第四章控制电动机,2运行原理直流伺服电动机的机械特性公式与他励直流电动机机械特性公式相同。改变电枢电压或改变磁通都可以控制直流伺服电动机的转速和转向，前者称为电枢电压控制法，后者称为励磁磁场控制法。,第四章控制电动机,3静态特性直流伺服电动机的静态特性主要指机械特性与调节特性。1）机械特性,第四章控制电动机,4直流伺服电动机的使用原则电磁式直流伺服电动机在启动时首先要接通励磁电源，然后再加电枢电压，以避免电枢绕组因长时间流过大电流而烧坏电动机。在电磁式直流伺服电动机的运行过程中，绝对要避免励磁绕组断线，以免造成电枢电流过大和“飞车”事故。永磁式直流伺服电动机的性能很大程度上取决于永磁材料的优劣。在安装和使用这类电动机时，要注意防止剧烈的振动和冲击，否则容易引起永磁体内部磁畴排列的混乱，使永磁体退磁。另外，电动机应尽量远离热源，因为有些永磁材料的温度系数较高，其磁性能易受温度变化的影响。,第四章控制电动机,4.1.3两相交流伺服电动机与直流伺服电动机的性能比较1机械特性和调节特性直流伺服电动机的机械特性和调节特性都是线性的，且在不同控制电压下机械特性是平行的，斜率不变。两相交流伺服电动机的机械特性和调节特性都是非线性的，且其线性化机械特性的斜率随控制电压的变化而变化，这些都将影响系统的动态精度。2体积、重量和效率当输出功率相同时，两相交流伺服电动机要比直流伺服电动机的体积大、重量重、效率低，则它只适用于功率为0.5100W的小功率系统，对于功率较大的控制系统，则较多地采用直流伺服电动机。,第四章控制电动机,4.1.3两相交流伺服电动机与直流伺服电动机的性能比较3动态响应动态响应的快速性常以机电时间常数来衡量。由于直流伺服电动机转子上有电枢绕组和换向器等，所以其转动惯量要比两相交流伺服电动机大得多。但由于直流伺服电动机的机械特性比两相感应伺服电动机硬得多，直流伺服电动机的机电时间常数比交流伺服电动机的机电时间常数大得不多，但在带较大负载时，直流伺服电动机的机电时间常数就要比交流伺服电动机的机电时间常数小。4“自转”现象对于两相交流伺服电动机而言，若参数选择不当或制造工艺不良，可能会使电动机（在单相状态下）产生“自转”现象，而直流伺服电动机却不存在该问题。,第四章控制电动机,4.1.3两相交流伺服电动机与直流伺服电动机的性能比较5结构复杂性、运行可靠性及对系统的干扰等电刷和换向器的存在给直流伺服电动机带来了一系列问题，如电动机结构复杂，而且维护比较麻烦。两相交流伺服电动机结构简单，运行可靠，维护方便，使用寿命长，特别适宜于在不易检修的场合使用。,4.2力矩电动机,主要特点：能长期处于堵转状态下工作。低转速、高转矩。反应速度快、机械特性线性度好、低速稳定性好。用途：用于对位置、速度的控制精度要求较高的系统。,4.2力矩电动机,4.2.1永磁式直流力矩电动机的结构特性,结构特点扁平形，带槽的定子圆盘中嵌入永磁体。有分装式和内装式两种结构形式。,直流力矩电动机的定子与转子,第四章控制电动机,4.2.2直流力矩电动机的特点由于直流力矩电动机与其他伺服电动机在结构上有较大不同，所以它有以下优点：（1）具有高的力矩惯量比，使系统加速能力得以提高；（2）可直接耦合传动，省去了齿轮传动链，消除了齿隙误差，提高了系统精度；（3）反应速度快，线性度好，结构紧凑。直流力矩电动机的特点主要体现在以下两个方面。（1）转矩大,第四章控制电动机,4.2.2直流力矩电动机的特点（2）转速低导体在磁场中运动切割磁力线所产生的感应电动势为,设一对电刷间的并联支路数为2，则N/2根导体串联后总的感应电动势为，且在理想空载条件下，外加电压与相平衡，因此有：,第四章控制电动机,4.3小功率同步电动机小功率同步电动机仍属于交流电动机，其结构仍由定子和转子两部分组成。根据转子机械结构或转子材料的不同，小功率同步电动机又分成永磁式、磁阻式和磁滞式等。,4.3.1永磁式同步电动机1基本结构永磁式同步电动机包括定子和转子两部分。定子部分与一般同步电动机的定子相同，定子铁芯通常由带有齿和槽的冲片叠成，在槽中嵌入交流绕组。转子主要由两部分构成：用来产生转子磁通的永久磁铁和置于转子铁芯槽中的鼠笼绕组。,转子示意图,第四章控制电动机,4.3.1永磁式同步电动机2工作原理,图4-12永磁式同步电动机的工作原理,定子绕组通以三相或两相交流电流时，产生旋转磁场。根据两异性磁铁互相吸引的原理，定子磁场的N极（或S极）吸住转子永久磁铁的S极（或N极），以同步角速度在空间旋转，即转子和定子磁场同步旋转。维持转子旋转的电磁转矩是由定子旋转磁场和转子永久磁铁磁场相互作用而产生的。,第四章控制电动机,4.3.1永磁式同步电动机3特点和用途永磁式同步电动机的效率和功率因数都比较高，在同样体积下，其输出功率也较大。但永磁式同步电动机除自动启动式外，没有启动能力，且不可在异步状态下运行。它广泛地应用于恒速驱动装置，适合于轻载启动。,第四章控制电动机,4.3.2磁阻式电磁减速同步电动机1基本结构定子做成圆环形式，其内表面有开口槽；转子做成圆盘形式，其外表也有开口槽。定子、转子的齿数是不相等的，一般转子齿数大于定子齿数，定子槽中装有三相或单相电源供电的定子绕组，定子绕组接通电源便产生旋转磁通，转子槽内不嵌绕组。,图4-13磁阻式电磁减速同步电动机,第四章控制电动机,4.3.2磁阻式电磁减速同步电动机2工作原理在图示瞬间位置（A），定子绕组所产生的旋转磁场的轴线正好和定子齿1和4的中心线重合。当旋转磁场转过一个定子齿距到B位置时，旋转磁场的轴线正好和定子齿2和5的中心线重合。由于磁力线要继续保持自己磁路的磁阻为最小，则力图使转子齿2和6转到与定子齿2和5相对齐的位置上。,图4-13磁阻式电磁减速同步电动机,第四章控制电动机,转子转过的角度为定子旋转磁场的角速度和转子旋转角速度之比为电动机的旋转角速度为,图4-13磁阻式电磁减速同步电动机,第四章控制电动机,4.3.2磁阻式电磁减速同步电动机3特点和用途一般的磁阻式同步电动机转子上也加装有鼠笼绕组，并采用异步启动法，则当转子速度接近同步转速时，磁阻转矩会将转子带入同步运行状态。这种电动机结构简单、成本低廉，可用于记录仪表、摄影机、录音机及复印机等设备中。而磁阻式电磁减速同步电动机无须加启动绕组，它的结构简单，制造方便，成本较低。而且它的转速一般为每分钟几十转到每分钟上百转之间，因此它是一种常用的低速电动机。,第四章控制电动机,4.3.3磁滞式同步电动机1基本结构转子的有效层由具有显著磁滞特性的硬磁材料制成，但不预先充磁，磁化是在电动机启动过程中直接依靠定子磁场进行的。转子为光滑的圆柱体，分内层和外层。外层由磁滞材料构成，内层是非磁性或磁性的套筒。,（a）转子的内部结构（b）非磁性材料套筒的转子磁路（c）磁性材料套筒的转子磁路图4-14磁滞式同步电动机的转子结构,第四章控制电动机,4.3.3磁滞式同步电动机2工作原理,图4-15磁滞式同步电动机的工作原理,第四章控制电动机,4.3.3磁滞式同步电动机3特点和用途具有较大的启动转矩，能自行进入同步状态，并能稳定在同步状态下运转；结构简单、工作可靠、机械强度高，适合于高速运转；具有启动电流小、电磁噪声小的特点。但与其他类型的同步电动机相比，磁滞式同步电动机的重量和体积较大，价格较贵，效率和功率因数都较低。磁滞式同步电动机一般用于l20W以下要求转速恒定的场合，特别适宜在转动惯量较大、频繁启动、恒转矩、高速类驱动装置上使用。,第四章控制电动机,4.4步进电动机步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件。每当一个脉冲信号施加于步进电动机的控制绕组时，其转轴就转过一个固定的角度（步距角），因此，步进电动机又称脉冲电动机，其输出的角位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。,第四章控制电动机,4.4步进电动机4.4.1步进电动机的结构与分类,图4-16步进电动机的分类,第四章控制电动机,4.4步进电动机4.4.1步进电动机的结构与分类,第四章控制电动机,4.4.2步进电动机的工作原理,一拍从一次通电到另一次通电。步距角每一拍转子转过的角度。运行方式,1通电方式的分析,1）m相单m拍运行（三相单三拍运行）,通电顺序：U相V相W相U相。,U相通电,V相通电,W相通电,一步,两步,三步,步距角：=30,河南工业大学电气工程学院,2）m相双m拍运行（三相双三拍运行）,通电顺序：UV相VW相WU相。,UV相通电,VW相通电,WU相通电,步距角：=30,3）m相单双2m拍运行(三相单双六拍运行）,通电顺序：UUVVVWWWUU。,1,2,3,4,5,6,步距角：=15,第四章控制电动机,4.4.2步进电动机的工作原理2步距角和转速的计算由于每完成一次通电循环，转子转过一个齿，所以步距角等于转子齿距角（相邻两齿中心线所夹的角度）除以拍数，即,式中，m为定子相数；N为拍数，N=m或N=2m。反应式步进电动机的转速可按下式计算，即,第四章控制电动机,第四章控制电动机,4.4.3步进电动机的运行特性1步进电动机的静态特性当步进电动机一相或几相通入恒定不变的直流电流时，转子将固定在某一位置上保持不动，这一状态称为静止状态。,规定定子、转子齿轴线重合的位置为静态空载情况下的初始稳定平衡位置，转子偏离初始稳定平衡位置的电角度称为失调角。在静止状态下，电磁转矩与失调角之间的函数关系称为步进电动机的矩角特性。,第四章控制电动机,4.4.3步进电动机的运行特性1步进电动机的静态特性,第四章控制电动机,4.4.3步进电动机的运行特性2步进运行状态当接入控制绕组的脉冲频率较低，电动机转子完成一步之后，下一个脉冲才到来，则电动机呈现出一转一停的状态，称此状态为步进运行状态。,第四章控制电动机,4.4.3步进电动机的运行特性3连续运行状态当脉冲频率f较高时，电动机转子未停止而下一个脉冲已经到来，此时步进电动机已经不是一步一步地转动，而是呈连续运转状态。,图4-26步进电动机的矩频特性,第四章控制电动机,4.4.4步进电动机的主要性能指标1）步距角步距角是步进电动机的主要性能指标之一。不同的应用场合，对步距角大小的要求不同。2）静态步距角误差即实际的步距角同理论的步距角之间的差值。常用理论步距角的百分数或绝对值来衡量。3）最大静转矩指步进电动机在规定的通电相数下矩角特性上的转矩最大值。通常技术数据中所规定的最大静转矩是指一相绕组通上额定电流时的最大转矩值。,第四章控制电动机,4.4.4步进电动机的主要性能指标4）启动频率和启动矩频特性启动频率是能够使步进电动机由静止定位状态不失步地启动，并进入正常运行的控制脉冲最高频率，又称突跳频率。5）运行频率和运行矩频特性运行频率是指步进电动机启动后，在控制脉冲频率连续上升时，能维持不失步运行的最高频率。通常给出的也是空载情况下的运行频率。6）额定电流和额定电压额定电流是指电动机静止时每相绕组允许通过的最大电流。额定电压是指驱动电源提供的直流电压。,第四章控制电动机,4.4.5步进电动机的选择1步距角的选择电动机的步距角取决于负载精度的要求。可将负载的最小分辨率换算到电动机轴上，看看每个当量电动机应走多少角度，电动机的步距角应等于或小于此角度。2静力矩的选择静力矩选择的依据是电动机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载两种。一般情况下，静力矩应在摩擦负载的2-3倍内为好，静力矩一旦选定，电动机的机座及长度便能确定下来。3电流的选择对于对于静力矩一样的电动机，因电流参数不同，所以其运行特性差别很大。可依据矩频特性曲线图来判断电动机的电流。,第四章控制电动机,4.5直线电动机直线电动机是近年来国内外积极研究发展的新型电动机之一，它是一种不需要中间转换装置，而能直接做直线运动的电动机械。,图4-27从旋转电动机到直线电动机的演变,第四章控制电动机,4.5直线电动机与旋转电动机相比，直线电动机主要有以下优点：（1）由于不需要中间传动机构，所以整个系统得到简化，精度提高，振动和噪声减小；（2）由于不存在中间传动机构的惯量和阻力矩的影响，所以电动机加速和减速的时间短，可实现快速启动和正、反向运行；（3）普通旋转电动机由于受到离心力的作用，其圆周速度有所限制，而直线电动机运行时，其部件不受离心力的影响，因此它的直线速度可以不受限制；,第四章控制电动机,4.5直线电动机与旋转电动机相比，直线电动机主要有以下优点：（4）由于散热面积大，容易冷却，所以直线电动机可以承受较高的电磁负荷，容量定额较高；（5）由于直线电动机结构简单，且它的初级铁芯在嵌线后可以用环氧树脂密封成一个整体，所以可以在一些特殊场合中应用，如可在潮湿环境甚至水中使用。,第四章控制电动机,4.5.1直线异步电动机1基本结构按照结构形式的不同，直线异步电动机分为扁平形直线电动机和圆筒形直线动电动机。,图4-28扁平形单边直线异步电动机,第四章控制电动机,图4-29扁平型双边直线异步电动机,4.5.1直线异步电动机1基本结构,第四章控制电动机,4.5.1直线异步电动机1基本结构,图4-30圆筒形直线异步电动机的演变,第四章控制电动机,4.5.1直线异步电动机2工作原理当初级的多相绕组通入多相电流后，会产生一个气隙磁场，这个磁场的磁感应强度按通电的相序顺序做直线移动该磁场称为行波磁场。行波磁场的运行速度,图4-31直线异步电动机的工作原理,第四章控制电动机,4.5.1直线异步电动机2工作原理在行波磁场切割下，次级导条将产生感应电动势和电流，所有导条的电流和气隙磁场相互作用，产生切向电磁力。如果初级固定不动，次级就顺着行波磁场运动的方向做直线运动。次级的运行速度,图4-31直线异步电动机的工作原理,S为滑差率,为,第四章控制电动机,4.5.1直线异步电动机3用途及特点直线异步电动机主要应用于各种直线运动的动力驱动系统中，如精密数控机床、加工中心、电磁锤、高速冲压设备、传送带自动搬运装置及高速列车、电动门等。直线异步电动机的特点是；结构简单，维护方便；散热条件好，额定值高；适宜于高速运