机电传动控制教案6.ppt

2020/6/10,机械工程学院,第六章控制电机,本章要求了解机电传动控制系统中一些常用的控制电机在了解其基本结构的基础上，重点掌握各种控制电机的基本工作原理、主要运行特性及特点、应用场所，以求正确选择和使用它们。,2020/6/10,机械工程学院,与一般电机的区别,动力电机：能量转换，要求力能指标高。控制电机：控制信号的变换和传递，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。,2020/6/10,机械工程学院,控制电机简介,控制电机用于自动控制、自动调节、远距离测量、随动系统以及计算机装置中的微特电机。功率和体积都比普通电机小得多，一般功率从1w到几百w分类：测量元件、放大元件、执行元件和校正元件.对控制电机的基本要求：精度高、响应快和性能稳定可靠。,2020/6/10,机械工程学院,学习本章主要考虑的问题,结构上的特殊性原理上的特殊性应用上的特殊性,2020/6/10,机械工程学院,61交流伺服电动机,一、伺服电动机也称为执行电动机，在控制系统中用作执行元件，将电信号转换为轴上的转角或转速，以带动控制对象。有交流和直流两种，最大特点是可控。转速和转向随输入电压信号的大小和方向的变化而变化。,2020/6/10,机械工程学院,伺服电动机的特点,1、可控性好；2转子惯性小，响应快，转速的高低和方向随控制电压信号变化快反应灵敏；3、稳定性好。转速能随转矩的增大均匀下降；4、调速范围大。转速能根据电压信号的变化在较大范围内调节；5、控制功率小、过载能力强，可靠性好，重量轻，体积小，耗电省。,2020/6/10,机械工程学院,伺服电动机的分类,直流伺服电动机：用于功率稍大的系统，输出功率为1w600w；交流伺服电动机：输出功率为0.1w100w,功率较小,2020/6/10,机械工程学院,二、两相交流伺服电动机的结构和原理,控制绕组,励磁绕组,2020/6/10,机械工程学院,两相交流伺服电动机性能特点、应用范围,2020/6/10,机械工程学院,两相交流伺服电动机的基本工作原理,一个空间轴线固定而大小按正弦规律变化的脉动磁场，可以分解成两个大小相等而方向相反的旋转磁场。,TL,2020/6/10,机械工程学院,基本原理及自转现象,脉动磁场,圆形磁场,椭圆磁场,2020/6/10,机械工程学院,消除自转现象的措施：增大转子电阻,脉动磁场,椭圆磁场,脉动磁场合成曲线,当Wc0，旋转磁场脉动磁场自转现象,2020/6/10,机械工程学院,增大转子电阻的优点,1、利于消除自转现象，使单相供电时合成的电磁转矩在二、四象限，成为制动转矩；2、使稳定运行段加宽，启动转矩增大，有利于调速和启动。,2020/6/10,机械工程学院,单相异步电动机的Tf(S)曲线,2020/6/10,机械工程学院,特性和应用,1、控制特性,2020/6/10,机械工程学院,2、应用举例,启动、停止控制调节转速的高低改变电动机的转向,2020/6/10,机械工程学院,62直流伺服电动机,直流伺服电动机，通常用于功率稍大的系统中。基本结构和工作原理与普通直流他励电动机相同，只是它做得比较细长一些，以便满足快速响应的要求。,2020/6/10,机械工程学院,直流伺服电动机原理,2020/6/10,机械工程学院,2020/6/10,机械工程学院,转速和转向的控制方法,电枢控制：改变控制电压。响应迅速、机械特性硬、调速特性好；磁场控制：改变磁通。,2020/6/10,机械工程学院,直流伺服电动机的机械特性,机械特性的特点1堵转矩大，线性度好，机械特性较硬；2、有换向器，结构复杂，易产生无线电干扰。,2020/6/10,机械工程学院,63力矩电动机,力矩电动机是一种能和负载直接连接产生较大转矩，能带动负载在堵转或大大低于空载转速下运转的电动机。低转速、大转矩广泛应用在各种位置及速度伺服系统中作为驱动电动机。,2020/6/10,机械工程学院,力矩电动机的分类,直流力矩电动机：应用广泛，具有良好的低速平稳性、线性的机械特性及调节特性交流力矩电动机1、异步型：多极扁平型结构，工作可靠，低速性能需完善。有两相和三相之分，在小功率伺服系统中多采用两相的，在一般工业（如纺织、印染、造纸等行业）中多采用三相的。2、同步型：主要做成磁阻式电磁减速同步电动机,2020/6/10,机械工程学院,永磁式直流力矩电动机,结构特点：电枢多做成扁平状分类：分装式：定子、转子和刷架内装式：与一般的直流电动机相同,2020/6/10,机械工程学院,直流力矩电动机转矩大转速低的原因,1.转矩大的原因,2.转速低的原因,2020/6/10,机械工程学院,直流力矩电动机的特点和应用,优点：堵转矩大而不损坏电机，精度高，反应速度快，线性度好。应用于数控机床、卫星天线、雷达天线的驱动等。,2020/6/10,机械工程学院,64小功率同步电动机,一、小功率同步电动机一种连续运转的同步电动机，将不变的交流电信号变换为转速恒定的机械运动，功率从几W到几百W。主要用于需要恒转速，小功率（100瓦以下）的执行元件。在传动的装置中用作传动电动机，在自动控制系统中用作执行元件。,2020/6/10,机械工程学院,结构,永磁铁,硬磁材料,分类：1、根据定子旋转磁场分类：三相、单相、罩极,2、根据转子结构材料分类：永磁式反应式（磁阻式）磁滞式,启动困难（除磁滞式和磁阻减速电机）,2020/6/10,机械工程学院,小功率同步电动机特点,一、永磁式同步电动机特点：不需要电刷和滑环，因而结构简单，运行可靠，效率较高，但起动特性不好，体积也比较大。应用范围：适用于要求转速恒定场合。例如化纤纺织设备、自动化装置、自动记录仪表。在这些设备和装置中，主要作为驱动元件。二、磁阻式同步电动机特点：结构简单，运行可靠，起动特性较好，转子采用凸极结构，交轴磁阻大，励磁电流大，因而功率因数低，效率不高。应用范围：适用于大容量转速恒定的场合。例如音响设备、摄影、记录，通信装置。,2020/6/10,机械工程学院,小功率同步电动机特点,三、磁滞式同步电动机磁滞：铁磁体在反复磁化的过程中,它的磁感应强度的变化总是滞后于它的磁场强度的现象。特点：不需要起动装置就能自行起动；在整个起动阶段磁滞转矩恒定不变，能将转动惯量较大的负载平稳地拉入同步。此外，结构简单，运行可靠，运行噪音低，但功率因数和效率都不高。应用范围：广泛用于恒速系统中，如自动计时、仪表、亦可用于转动惯量大的传动装置、例如陀螺仪等。在这些装置和系统中主要用作驱动元件。当它在异步状态运行时，还可用作伺服元件。,2020/6/10,机械工程学院,永磁式同步电动机,（一）结构特点与基本原理负载转矩不能超出一定限度(最大同步转矩)，否则电动机将停转、称为“失步”,功率角正比于负载转矩T,2020/6/10,机械工程学院,（二）启动方法,2020/6/10,机械工程学院,磁阻式电磁减速同步电动机,定子、转子齿数不相等;,（一）结构特点（无启动绕组）,2020/6/10,机械工程学院,磁阻式电磁减速同步电动机,磁力线总是力图使自己经过的磁路磁阻最小,2020/6/10,机械工程学院,65测速发电机,2020/6/10,机械工程学院,一测速发电机,（一）测速发电机将机械转速信号转换为相应的电压信号，输出的电压与转速成正比，在自动控制系统中作为检测转速的信号元件。测速发电机的输出电压为：（二）测速发电机的主要用途1测量转速。测速发电机的输出电压与转速；2作为机电微分、积分器。,2020/6/10,机械工程学院,（三）自动控制系统对测速发电机的主要要求,1、线性度好；2、有足够的灵敏度；3、剩余电压低；4、输出电压的极性或相位能随转动方向的改变而改变；5、转动惯量和电磁时间常数小，响应快。,2020/6/10,机械工程学院,（四）分类,直流测速发电机交流测速发电机异步测速发电机同步测速发电机：很少采用,2020/6/10,机械工程学院,二异步（交流）测速发电机,（一）基本结构和工作原理,2020/6/10,机械工程学院,（二）交流测速发电机的几个技术指标,1、剩余电压,nmax,Umax,1）剩余电压,2020/6/10,机械工程学院,三直流测速发电机,（一）基本结构,电磁式永磁式,2020/6/10,机械工程学院,（二）基本原理及特性,注意：nRN,2020/6/10,机械工程学院,四、测速发电机的性能比较,（一）异步测速发电机优点：不需要电刷和换向器，结构简单，维护容易，惯量小，无滑动接触，输出特性稳定，精度高，摩擦转矩小；不产生无线电干扰，工作可靠，正、反向旋转时输出特性对称。主要缺点：存在剩余电压和相位误差；负载的大小和性质会影响输出电压的幅值和相位。（二）直流测速发电机优点：没有相位波动，没有剩余电压，输出特性的斜率比异步测速发电机的大。缺点：有电刷和换向器，结构复杂，维护不便，摩擦转矩大，有换向火花，产生无线电干扰信号；输出特性不稳定；正、反向旋转时，输出特性不对称。,2020/6/10,机械工程学院,66自整角机,一、自整角机在随动系统中，广泛用来进行角度的传输、变换和指示。通常用两台或多台组合使用，实现两个或两个以上机械不相连接的转轴同时偏转或同步旋转。,2020/6/10,机械工程学院,（二）分类,1按其在随动系统中的作用自整角发送机：产生信号自整角接收机：接收信号2按使用要求控制式自整角机：用于随动系统，作为检测元件，将转角信号变换为与转角成一定函数关系的电压信号。适用于负载较大、精度要求较高的场合。力矩式自整角机：用于指示系统，可以远距离传输角度信号。适用于系统精度要求不高和只带指针或刻度盘等轻负载的场合。3按相数不同三相自整角机：用于电轴系统。单相自整角机：用于角传递系统,2020/6/10,机械工程学院,二单相自整角机,（一）结构特点,三相整步绕组,励磁绕组,2020/6/10,机械工程学院,三、控制式自整角机,（一）结构1接线2转角基准电气零位,2020/6/10,机械工程学院,控制式自整角机,2020/6/10,机械工程学院,（二）基本工作原理,2020/6/10,机械工程学院,（三）应用举例,2020/6/10,机械工程学院,四力矩式自整角机,（一）基本工作原理,2020/6/10,机械工程学院,（二）应用举例,2020/6/10,机械工程学院,五、产品选择及应用,一、系统选择：精度不高、负荷轻采用力矩式指示系统。精度高负载重采用控制式组成伺服系统。二.产品选择：1.小尺寸的自整角机较为可靠；2.长线传送采用高压。3.尺寸要求较小时可采用400HZ中频电源，反之采用50HZ。,2020/6/10,机械工程学院,67直线电动机,一直线电动机伺服驱动元件，可直接将电能转换为直线运动。分类（按工作原理）直线异步电动机直线直流电动机直线同步电动机,2020/6/10,机械工程学院,直线异步电动机,2020/6/10,机械工程学院,直线异步电动机的结构,2020/6/10,机械工程学院,直线异步电动机的工作原理,行波磁场同步速度,2020/6/10,机械工程学院,直线电动机的特点,1.无中间传动装置，系统简单、减小振动和噪音。2.响应快、加速和减速时间短，可快速启动和正反转。3.散热良好，额定值高，对启动的限制小。4.装配灵活性大。,2020/6/10,机械工程学院,直线电机的应用,大致可分为五个方面物流系统工业设备信息与自动化系统交通与民用军事及其他。,2020/6/10,机械工程学院,直线电机在机床业中的应用,直线电机在工业设备中的应用，主要在机床业方面比较突出。近几年，国际上对数控机床采用直线电机显得特别热门。原因是：传统机床的驱动装置依赖丝杠驱动，丝杠驱动本身具有一系列不利因素，如长度限制、机械间隙、摩擦、扭曲、螺距一周期误差等；而直线电机不仅无此缺陷，且结构简单、精度可以是丝杠的10倍甚至100倍，加速度可以是传统机床的20倍以上。,2020/6/10,机械工程学院,什么是磁悬浮列车？,磁悬浮列车利用的是磁极吸引力和排斥力。排斥力使列车悬起来，吸引力让列车开动。磁悬浮列车上装有超导磁铁，铁路底部则安装线圈。通电后，地面线圈产生的磁场极性与列车上的电磁体极性总保持相同，两者“同性相斥”，排斥力使列车悬浮起来。铁轨两侧也装有线圈