机械设备控制技术II教学电机及其控制

1、机械设备控制技术II教学电机及其控制 第八章 电动机及其控制 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 概述 机械设备控制技术II教学电机及其控制2021/4/29 数控机床中的电气传动常分为：进给驱动与主轴驱动 进给驱动对电机的要求： 具有较高的定位精度（m级） 具有较宽的调速范围（0-30m/min，甚至240m/min） 快速响应速度（100-200ms，甚至U2U3 U2 U3 P Q WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.2 直流伺服电动机 机械设备控制技术II教学电机及其控制 2021/4/29

2、 由电工学知识，在直流电机转子磁场不饱和时，改变由电工学知识，在直流电机转子磁场不饱和时，改变 电枢电压电枢电压U，可以改变转子转速，从前述分析，转子有机械，可以改变转子转速，从前述分析，转子有机械 惯性，绕组有电磁惯性，机械时间常数、电磁时间常数都惯性，绕组有电磁惯性，机械时间常数、电磁时间常数都 较大，故电枢电压可用周期远小于电机械时间常数的方波较大，故电枢电压可用周期远小于电机械时间常数的方波 平均电压来代替。将直流电源电压转换成频率平均电压来代替。将直流电源电压转换成频率f2000HZ 的方波电压的方波电压 电机绕组，通过对开关闭合时间长短控制电机绕组，通过对开关闭合时间长短控制控制电

3、枢控制电枢 绕组两端的平均电压达到调速的目的。绕组两端的平均电压达到调速的目的。 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.2 直流伺服电动机 机械设备控制技术II教学电机及其控制 2021/4/29 K-K-大功率晶体管开关放大器大功率晶体管开关放大器 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.2 直流伺服电动机 机械设备控制技术II教学电机及其控制 2021/4/29 PWM系统功率转换电路系统功率转换电路 即把脉宽调制后的方波信号驱动即把脉宽调制后的方波信号驱动 后，变换为宽度可调的方波后，变换为宽度

4、可调的方波 脉冲，加在电枢两端。脉冲，加在电枢两端。 图中：图中：T1 T4； 大功率晶体管大功率晶体管 D1 D4： 续流二极管续流二极管 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.2 直流伺服电动机 机械设备控制技术II教学电机及其控制 2021/4/29 从上分析晶体管从导通从上分析晶体管从导通截截 止止 变化一次，电枢两端通电状态变化一次，电枢两端通电状态 变化了两次，即电枢电压频率变化了两次，即电枢电压频率 是晶体管开关频率的两倍频。是晶体管开关频率的两倍频。 反转状态与正转分析类似。反转状态与正转分析类似。 WUXI INSTITUTE

5、OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.2 直流伺服电动机 机械设备控制技术II教学电机及其控制 2021/4/29 a.开关频率高，频率可达开关频率高，频率可达2000HZ，比机械部件，比机械部件 固有频率高，可以避开机械共振点；固有频率高，可以避开机械共振点； b.电流的有效值与平均值之比（纹波系数）为电流的有效值与平均值之比（纹波系数）为 1.0051.01，故电机发热量很小。由于电流接，故电机发热量很小。由于电流接 近于直流，电磁转矩恒定，电机运行平稳；近于直流，电磁转矩恒定，电机运行平稳； c.频带较宽，即系统能够响应的频率范围宽，频带较宽，即系统能够响应的频率范围宽

6、， 动特性好，有良好的线性。动特性好，有良好的线性。 PWM调速特点调速特点 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.3 交流伺服电动机 机械设备控制技术II教学电机及其控制41 1. 交流伺服电机的种类、结构及工作原理交流伺服电机的种类、结构及工作原理 （1） 交流伺服电机的种类及特点交流伺服电机的种类及特点 交流伺服电机有同步型和异步型两大类。异步型交交流伺服电机有同步型和异步型两大类。异步型交 流电机指的是交流感应电机。同步型交流电机按转子结流电机指的是交流感应电机。同步型交流电机按转子结 构不同可分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为构不

7、同可分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为 磁滞式、永磁式和反应式多种。数控机床中多用永磁式磁滞式、永磁式和反应式多种。数控机床中多用永磁式 同步电机。同步电机。 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.3 交流伺服电动机 机械设备控制技术II教学电机及其控制42 永磁式同步电机：永磁式同步电机： 优点：比直流电机结构简单、运行可靠、体积约小优点：比直流电机结构简单、运行可靠、体积约小1/2，质，质 量减轻量减轻60，转子惯量可减小到，转子惯量可减小到1/5、 效率高。效率高。 缺点：启动特性欠佳、控制复杂缺点：启动特性欠佳、控制复杂 应用：进给

8、驱动应用：进给驱动 异步型交流伺服电机：异步型交流伺服电机： 优点：与同容量的直流电机相比重量轻（优点：与同容量的直流电机相比重量轻（1/2），价格便），价格便 宜宜(1/3)； 缺点：转速受负载的变化影响较大，不能经济地实现范围缺点：转速受负载的变化影响较大，不能经济地实现范围 较广的平滑调速，效率较低、功率因数低较广的平滑调速，效率较低、功率因数低 应用：主轴驱动系统。应用：主轴驱动系统。 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.3 交流伺服电动机 机械设备控制技术II教学电机及其控制43 V S V S 脉冲编码器脉冲编码器 转子转子定子定子

9、 接线盒接线盒定子三相绕组定子三相绕组 （2）交流永磁同步电机的工作原理与特性交流永磁同步电机的工作原理与特性 结构：电机由定子、转子和检测元件组成。结构：电机由定子、转子和检测元件组成。 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.3 交流伺服电动机 机械设备控制技术II教学电机及其控制44 nrns60f1p ns同步转速，同步转速， 转子磁极的轴线与定子磁转子磁极的轴线与定子磁 极的轴线夹角，极的轴线夹角， nr转子旋转转速，转子旋转转速， f1交流电源频率（定子供电交流电源频率（定子供电 频率），频率）， p定子和转子的极对数定子和转子的极对数

10、 nS N ns nr S 通过调节频率和极对数实现调速。通过调节频率和极对数实现调速。 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.4 主轴电动机 机械设备控制技术II教学电机及其控制 2021/4/29 机床主轴驱动和进给有很大差别，对直流主轴电动机要求 有很宽的调速范围和提供大的转矩和功率。 主轴驱动采用直流主轴电动机时在结构上与永磁式直流进 给伺服电动机不同。由于要求有较大的功率输出，所以在结构 上不做成永磁式，而与普通直流电动机相同，其主磁极是采用 铁心加励磁绕组。 主轴电机分：直流主轴电机与交流主轴电机 1、直流主轴电机 WUXI INST

11、ITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.4 主轴电动机 机械设备控制技术II教学电机及其控制 2021/4/29 直流主轴电动机结构示意图直流主轴电动机结构示意图 直流主轴电动机结构直流主轴电动机结构 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.4 主轴电动机 机械设备控制技术II教学电机及其控制 2021/4/29 电机模型的各组成部件电机模型的各组成部件 直流主轴电动机结构直流主轴电动机结构 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.4 主轴电动机 机械设备控制技术II教学电机

12、及其控制 2021/4/29 他励直流电动机的转速为： e a C RIU n 电气调速方法： 1.电枢回路串电阻调速； 2.降低电源电压调速； 3.弱磁调速。 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.4 主轴电动机 机械设备控制技术II教学电机及其控制 2021/4/29 1、交流主轴电机 交流主轴电动机是一种具有笼式转子的三相感应电动机， 它具有转子结构简单、坚固、价格便宜、过载能力强、使用维 护方便等特点。 三相异步交流电动机有笼型和线绕型之分，笼式转子被认 为是所能采用的最简单、最牢固的机械结构，能传递很大的转 矩，承受很高的转速，得到广泛

13、的应用。 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.4 主轴电动机 机械设备控制技术II教学电机及其控制 2021/4/29 鼠笼型异步电动机 鼠笼型转子铁心和绕组结构示意图 鼠笼型电机定子 鼠 笼 型 电 机 定 子 绕 组 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.4 主轴电动机 机械设备控制技术II教学电机及其控制 2021/4/29 工作原理 异步交流伺服电动机的工作原理和普通交流异步电动机基本相 似。定子绕组通入三相交流电后，在电动机气隙中产生一个励 磁的旋转磁场。 U2 U1 W2 V1 W1

14、V2 1 n WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.4 主轴电动机 机械设备控制技术II教学电机及其控制 2021/4/29 交流主轴电动机调速控制 当旋转磁场的同步转速与转子转速有差异时，转子的导 体切割磁感线产生感应电流，与励磁磁场相互作用，从而产 生转矩。若异步电动机的磁极对数为p，转差率为s，定子绕 组供电频率为f，则转子的转速决定于电流的频率和电机的磁 极对数: 异步电动机的供电频率发生变化时，转子的转速也将发 生变化。 p f n 60 1 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.4 主轴

15、电动机 机械设备控制技术II教学电机及其控制53 直线电机及驱动直线电机及驱动 直线电机直接驱动工件台直线运动。取消了从电机直线电机直接驱动工件台直线运动。取消了从电机 到工作台（拖板）之间的机械中间传动环节，即把机床进到工作台（拖板）之间的机械中间传动环节，即把机床进 给传动链的长度缩短为零，故这种传动方式又称为给传动链的长度缩短为零，故这种传动方式又称为“直接直接 驱动驱动”，也称，也称“零传动零传动”。适用于进给驱动速度高于。适用于进给驱动速度高于 60m/min以上，加速度以上，加速度1g以上的高速数控机床。以上的高速数控机床。 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY

16、 第八章 电动机及其控制 8.4 主轴电动机 机械设备控制技术II教学电机及其控制54 优点：优点： l电机惯量小，系统响应快、速度高，速度和加速度都可提高电机惯量小，系统响应快、速度高，速度和加速度都可提高 10倍以上（倍以上（700m/min，40G）。）。 l运动更加平稳、噪声低、传动效率高，动态刚度高。运动更加平稳、噪声低、传动效率高，动态刚度高。 l可设计成均布对称，工作台运动时受力均匀分布，运动推力可设计成均布对称，工作台运动时受力均匀分布，运动推力 平衡平衡 l可无限延长定子的行程，运动的行程不受限制可无限延长定子的行程，运动的行程不受限制 l并可在全行程上安装使用多个工作台并可

17、在全行程上安装使用多个工作台 缺点：缺点： l没有机械联接或啮合，垂直轴传动需要外加一个平衡块或制没有机械联接或啮合，垂直轴传动需要外加一个平衡块或制 动器动器 l磁铁对电机部件的吸力很大，需解决防护、隔磁问题磁铁对电机部件的吸力很大，需解决防护、隔磁问题 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.4 主轴电动机 机械设备控制技术II教学电机及其控制55 如果将旋转电机沿过轴线的平面剖开，并将定子、转如果将旋转电机沿过轴线的平面剖开，并将定子、转 子圆周展开成平面，便形成了扁平形直线电机。固定不动的子圆周展开成平面，便形成了扁平形直线电机。固定不动的

18、 部分称为定子，动作部分称为动子。部分称为定子，动作部分称为动子。 由感应式旋转电机演变的直线电机称感应式直线电机。由感应式旋转电机演变的直线电机称感应式直线电机。 由永磁式旋转电机演变的直线电机称永磁式直线电机。由永磁式旋转电机演变的直线电机称永磁式直线电机。 1.直线电机的类型和结构直线电机的类型和结构 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.4 主轴电动机 机械设备控制技术II教学电机及其控制56 感应式直线电机的演变：感应式直线电机的演变： 定子(初级) 笼形转子(次级) 初级次级 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY

19、第八章 电动机及其控制 8.4 主轴电动机 机械设备控制技术II教学电机及其控制57 转矩 推力 N S N S 永磁式直线电机的演变：永磁式直线电机的演变： WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.4 主轴电动机 机械设备控制技术II教学电机及其控制58 转子 定子磁场 次级 初级 次级 初级 N S N S N S N SSN SNSNSN 旋转电机演变为圆筒型直旋转电机演变为圆筒型直 线电机的过程线电机的过程 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.4 主轴电动机 机械设备控制技术II教学电机及其

20、控制59 圆柱形次级 弧 形 初 级 初级 初级 可绕轴转的圆盘 （次级） 初级 圆盘 （次级） 弧型直线电机弧型直线电机 圆盘型直线电机圆盘型直线电机 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.4 主轴电动机 机械设备控制技术II教学电机及其控制60 2.直线电机的基本工作原理直线电机的基本工作原理 直线电机不仅在结构上相当于是从旋转电机演变而来的，直线电机不仅在结构上相当于是从旋转电机演变而来的， 而且其工作原理也与旋转电机相似。而且其工作原理也与旋转电机相似。 7.5直线电机及其在数控机床中的应用简介直线电机及其在数控机床中的应用简介 定子定子

21、 动动子子 动动子子 定子定子 光光栅栅 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.4 主轴电动机 机械设备控制技术II教学电机及其控制61 1-初级 2-次级 3-行波磁场 直线电机的电磁推力公式：直线电机的电磁推力公式： 22 cos m KpIF 同步线速度同步线速度vs： fvs2 s vsv)1 ( 初级的运动速度：初级的运动速度： ： S滑差率 初级的极距； f 电源频率 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.4 主轴电动机 机械设备控制技术II教学电机及其控制62 3. 直线电机伺服系统直

22、线电机伺服系统 原理与旋转型电机相同，只是在端部由于磁场不均原理与旋转型电机相同，只是在端部由于磁场不均 匀，推力与电流呈非线性、且有波动，控制难度增加。匀，推力与电流呈非线性、且有波动，控制难度增加。 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.5 变频控制器及其应用 机械设备控制技术II教学电机及其控制63 U1 U1 定子每相相电压；定子每相相电压；E1 E1 定子每相绕组感应电动势；定子每相绕组感应电动势； N1 N1 定子每相绕组匝数；定子每相绕组匝数； K1 K1 定子每相绕组匝数系数；定子每相绕组匝数系数； 每极气隙磁通量；每极气隙磁通量

23、；TmTm电机电磁转矩；电机电磁转矩； Ia Ia 转子电枢电流；转子电枢电流； 转子电枢电流的相位角。转子电枢电流的相位角。 交流同步电机的变频调速原理交流同步电机的变频调速原理 交流电机的转速方程、电动势方程、转矩方程：交流电机的转速方程、电动势方程、转矩方程： m KNfEU 11111 44. 4 2 cos amMm ICT m 2 p sf n )1 (60 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.5 变频控制器及其应用 机械设备控制技术II教学电机及其控制64 在变频调速的同时，要求供电电压也随之变化，即满足在变频调速的同时，要求供电

24、电压也随之变化，即满足U1/ f1 为定值为定值(恒压频比），以确保磁通量不变。恒压频比），以确保磁通量不变。 因为变频调速时，当因为变频调速时，当U1不变，增加频率不变，增加频率f1，则磁通量减小，则磁通量减小， 导致电机输出转矩导致电机输出转矩Tm下降。电机负载能力降低；若减小频率下降。电机负载能力降低；若减小频率f1， 磁通量增加，定子电流上升，导致铁损增加。磁通量增加，定子电流上升，导致铁损增加。 变频调速控制方式：变频调速控制方式： 基频以下调速基频以下调速当电机在当电机在f1的额定参数下运行时，供电频率的额定参数下运行时，供电频率 低于额定值。（恒压频比）低于额定值。（恒压频比）

25、基频以上调速基频以上调速当电机在当电机在f1的额定参数上运行时，供电频率的额定参数上运行时，供电频率 高于额定值。（弱磁通）高于额定值。（弱磁通） 通过降低磁通量来增加工作频率，称之为弱磁通变频调速。通过降低磁通量来增加工作频率，称之为弱磁通变频调速。 当工作频率大于工频当工作频率大于工频fe时，只能维持电压时，只能维持电压U1不变，不变，f1上升，磁上升，磁 通量下降，成反比关系。通量下降，成反比关系。 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.5 变频控制器及其应用 机械设备控制技术II教学电机及其控制65 交流同步伺服电机的变频器交流同步伺服电

26、机的变频器 变频器将交流恒压恒频的供电电源转变为变压变频的变频器将交流恒压恒频的供电电源转变为变压变频的 供电电源。供电电源。 （1）变频器类型）变频器类型 变频器可分为交变频器可分为交交变频器（直接变频器）和交交变频器（直接变频器）和交 直直交变频器（间接变频器）两种。交变频器（间接变频器）两种。 应用最多的是交应用最多的是交 直直交变频器。交变频器。 根据变频电源的性质，又可分为电压源变频器和电流根据变频电源的性质，又可分为电压源变频器和电流 源变频器。源变频器。 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.5 变频控制器及其应用 机械设备控制技术

27、II教学电机及其控制66 交交交变频：交变频： 利用可控硅整流器直接将工频交流电（频率利用可控硅整流器直接将工频交流电（频率50Hz） 变成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲，反组输变成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲，反组输 出负脉冲，脉动交流电的基波就是所需的变频电压。出负脉冲，脉动交流电的基波就是所需的变频电压。 该方法所得的交流电波动比较大，且最大频率即为该方法所得的交流电波动比较大，且最大频率即为 变频器输入的工频电压频率。变频器输入的工频电压频率。 M 负载 反组 滤波 逆变整流 正组 交流输入 + + - - (a) (b) C VD U0 50Hz50Hz 交流电机 WU

28、XI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.5 变频控制器及其应用 机械设备控制技术II教学电机及其控制67 交交直直交变频：交变频： 先将交流电整流成直流电，然后将直流电压变成矩先将交流电整流成直流电，然后将直流电压变成矩 形脉冲波电压，矩形脉冲波的基波是所需的变频电压。形脉冲波电压，矩形脉冲波的基波是所需的变频电压。 该调频方式所得交流电的波动小，调频范围比较宽，该调频方式所得交流电的波动小，调频范围比较宽， 调节线性度好。调节线性度好。 M 负 载 反 组 滤 波 逆 变整 流 正 组 交 流 输 入 + + - - (a) (b) C VD U0 50Hz50Hz 交 流 电 机 WUXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第八章 电动机及其控制 8.5 变频控制器及其应用 机械设备控制技术II教学电机及其控制68 正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWM）是利用有正弦波特性的是利用有正弦波特性的 脉冲信号去控制逆变器开关元件的通、断时间比。此脉冲信号去控制逆变器开关元件的通、断时间比。此 时，变