电机与运动系统 西南交大半开卷小抄

1、/电机是实现能量转换和信号转换的电磁装置 , 用作能量 转换的电机称为动力电机 , 用做信号转换的电机称为控制 电机 /动力电机中 :将机械能转换成电能的装置称为发 电机 /将电能转换为机械能的装置称为电动机。 /按电 流种类不同,动力电机又分为交流电机和直流电机 /控制 电机常用于检测、放大、执行和校正等元件使用 第一章:测速发电机 1.1直流测速发电机:是将机械转 速转换为电气信号 1、输出特性 输出特性是指励磁磁通 和电刷接触电阻 Ra 为常数时, 输出电压 U 随转子转速 n 的变化曲线,即 U=f(n。 当定子每极磁通 为常数时,发电机的感应电动势为: 其中 Ce 为电势系数,设负载

2、电阻为 RL , 电枢电路总电阻为 Ra ,则输出电压为: 可见,当励磁磁通 保持恒定 时,若 RL 、 Ra 不变,则输出电压 U 的大 小与电枢转速 n 成正比。 这样, 发电机就 把 被测装置的转速信号转变成了电压信号, 输出给控制系统。 线性的输出特性是假设磁通 和电刷 接触电阻 Ra 为常数的条件下得到的, 是理想的输出特性。实际的输出特性 与理想输出特性有偏差,其影响因素 主要有:(1电枢绕组的影响若 :考虑 直流测速发电机负载时电枢反应的去 磁作用,则电机的气隙磁通就不再是常数。 /可以采取的 措施:增加补偿绕组:对电磁式直流测速发电机, 可以在 定子磁极上安装补偿绕阻; 限制转

3、速:限制测速发电机转 速不得超过额定数据中的最大转速; 增大负载电阻:使用 时,负载电阻不应小于额定值。 (2电刷接触压降的影响 :实际中的接触电阻随负载电流变化而变化。当转速较低 时, 接触电阻较大, 电枢电流较小, 造成输出电压比理想 输出电压小,从而造成线性误差。 (3温度的影响:在电 磁式直流测速发电机中, 励磁绕阻长期通电会发热, 阻值 也相应增大, 励磁电流减小。 由此引起磁通下降, 造成线 性误差。 (线性误差是指实际输出特性与理想输出特性的 和异步式两种, 异步测速发电机的输出电压频率和励磁电 压频率相同而与转速无关,在控制系统中的应用较普遍 。它由外定子、杯形转子和内定子 3

4、部分构成。 一、 工作原理 :励磁绕组的轴线为 d 轴, 输出绕组的轴线 为 q 轴。运行时,励磁绕组接单相交流电源,电压 U1和 频率 f 恒定,则励磁绕组产生 d 轴方向的脉振磁通 d 。 1、当转子静止时:励磁绕组产生的脉振磁场的轴线与励 磁绕组 W1的轴线一致, 由于 W1与 W2的轴线方向互相 垂直, 因此 W1的磁通与输出绕组 W2的轴线也相互垂直, 而与 W2所在平面平行,由于转子转速为 0,没有切割磁 力线,输出绕组 W2也就没有电压输出。 2、当转子以转速 n 转动时:由于转子导体切割气隙磁通 d , 在转子中感应产生旋转电动势 Er 及相应电流 Ir , Er 的方向由右手

5、定则确定。 根据电磁 感应定律,感 应电动势与磁 通量 d 和转 速 n 成正比, 即 Er =Cr dn 忽略转子的漏 电抗,而认为 转子电路是纯 电阻性的。 Frq Er dn Frq 产生在 q 轴方向的磁通 q ,在 q 轴上的输出绕组中 感应电势 E2,由于 d 以频率 f 交变,所以 Er 、 Frq 、 E2也是时间交变量,频率也都是 f 。即 E2 Frq dn 上式说明,当 d 为常数时,空载输出电压 U2=E2与转 速成正比。 二、运行特性和主要性能指标 1、输出特性:当忽略励磁 绕组的漏电抗时,只要励磁 电压恒定,输出电压 U2就 与 n 成正比关系,如图。 三,输出特性

6、发生弯曲的 原因及其影响因素 在实际中 ,输出特性并不是严格的线 性关系。这是因为 q 除了 在输出绕组中产生变压器电 势外,杯形转子本身也因切 割输出绕组的磁力线而产生电动势, 并建立 d 轴方向的磁 势 Frd , 且 Frd qn n2。 Frd 与 Fd 同在 d 轴上, 但 与主磁势方向相反, 有去磁作用。 随着 n 的增加, 去磁分 量 Frd 呈 n 的平方倍增加,使 d 不再是常数,从而使 U2比理想的线性特性小,呈现出非线性的特性,如图曲 线 2。当测速发电机输出绕组接有负载阻抗 ZL 时,便有 输出电流 I2流过输出绕组,设输出绕组漏电抗为 Z2,此 时输出电压为:U2=E

7、2-I2Z2=E2/(1+Z2/ZL。当接有负载 时,输出电压 U2比空载时要低,如图曲线 3所示。 (1线性误差:造成线性误差的原因是磁通 d 不是常数, 因此降低电机转速, 能减小线性误差。 另一个方法是增加 转子电阻, 在相同转速下, 附加切割电势在转子中引起的 电流及相应的去磁磁场 Frd 减小, 对合成磁通的影响就不 大。 (2相位误差:自控系统要求异步测速发电机的输出电压和 励磁电压相位相同,即 U2与 U1的相位相同。在规定的转 速范围内, 输出电压与励磁电压之间的相位差 称为相位 误差。 (3 剩余电压:是指励磁电压已经供给,转速为 0时,输出 绕组产生的电压。 剩余电压的存在

8、使得转子不转时,给控制系统以误差信号; 在转子旋转时, 它叠加在输出电压上, 使输出信号的大小和 相位改变,从而造成误差。 (4输出斜率:是指转速为 1000r/min时的输出电压。输出斜 率越大,表示测速发电机对转速变化的反映越灵敏。 四、 测速发电机的选择和使用:交流异步测速发电机的主要 优点:不需要电刷和换向器,结构简单、维护方便、运行可 靠;无滑动接触,输出特性稳定,精度高;惯量小、摩擦力 矩小、不产生干扰火花,正、反相旋转时输出电压对称。缺 点是:存在相位误差和剩余电压; 负载的大小和性质会影响 输出电压的幅值和相位。 直流测速发电机不存在输出电压的 相位移动问题; 转速为 0时,

9、输出绕组不切割励磁磁通, 无 感应电势,因此无剩余电压;输出电路只有电阻上的压降, 因而输出特性的斜率比异步测速发电机的大。 但由于直流测 速发电机具有电刷和换向器, 因而结构复杂、 维护不便、 有 换向火花,产生干扰信号,故障率比较高。 第 2章 直流伺服电动机 2。 1 直流伺服电动机 一、静态特征 直流伺服电动机的静态特征主要有机械特性、调节特性。 首先做如下假设:电动机磁路不饱和; 电刷位于几何中 性线。 这样可以认为在有负载时电枢反应磁势可以略去, 电 动机的每个电极气隙磁通保持恒定。 根据电枢回路的等效电 路 , 可 得 电 枢 回 路 的 电 压 平 衡 方 程 : Ua=Ea+

10、IaRa (1机械特性:机械特性是 指控制电压恒定时,电动 机的转速与转矩的关系, 即 Ua=C为常数时, n=f(Tem|Ua=C。根据上式 可得直流伺服电动机的机 械特性,如图 2-5所示。 从图中可以看出,机械特 性是以 Ua 为参变量的一 族平行直线。 (2调节特性:调节特性 是指在电磁转矩恒定时 ,电动机的转速与控制 电压的关系, 即 n=f(Ua|Tem=C。 调节特性曲线如图所示 ,它们是以 Tem 为参变 量的一族平行直线。当 n=0时调节特性曲线与 横轴的交点,就表示在 某一电磁转矩时电动机 的启动电压 Ua0。 当电磁转矩一定时, 只有电动机的控制电压 大于相应的起动电压,

11、 电动机才能起动。 在调节特性曲线上 看, 就是原点到起动电压之间的距离, 称为在某一电磁转矩 下时伺服电动机的失灵区, 或称为死区。 失灵区的大小与负 载转矩的大小成正比。 直流伺服电动机的机械特性和调节特性都是一簇平行直线, 这是直流伺服电动机特有的优点。 二、 动态特性 :电动机的电枢上外施电压突变时, 电动机从 一种稳定转速过渡到另一稳定转速的过程,即 n=f(t或 =f(t。 *机电过渡过程:电磁和机械过渡过程交叠在一起,形成 伺服电动机的机电过渡过程。 当电枢电压发生突变时, 由于 电枢绕组电感储存的磁能不能跃变,致使电枢电流 Ia 不能 跃变, 相应的电磁转矩的增长有一个过程,

12、称为电磁过渡过 程。 在电磁转矩的作用下, 由于转子有一定的转动惯量, 机 械转动的动能不能跃变, 致使转速不能跃变, 电动机从一种 稳定的转速过渡到另一个稳定的转速需要一定时间, 称为机 械过渡过程。 *机械时间常数的计算公式 (两种形式 : 式中 0为电动机理想空 载角速度, 单位为 rad/s; Tk 为堵转转矩,单位为 kg m2,机械时间常数 的单位 为 s 。 三、直流伺服控制技术 *PWM调速原理:PWM 方 法的典型控制方式是通过 开关管对电枢电压进行 当开关管的栅极输入信号 Up 为高电平时,开关管导通, 电枢回路形成通路,电机转动,经历 t1时间后, Up 变为低 电平,开

13、关管截止,电枢两端电压为 0,一直持续 t2时间。 Up 以周期 T=t1+t2,重复以上动作。在一个周期时间 T 内, 直流电动机电枢绕组两端的平均电压 Ua 为: 其中 *称为 占空比 的取值区间为 0,1, 改变 , 就可以改变电枢绕组两 端的平均电压 Ua ,从而达到调速的目的,这就是 PWM 的 调速原理。调整占空比的方法有三种: 定宽调频法:保持 t1不变,改变 t2, T 也随之改变; 调宽调频法:保持 t2不变,改变 t1, T 也随之改变; 定频调宽法:保持 T 不变,同时改变 t1和 t2。 *在直流电动机要求工作在正反转的场合,需要使用可逆 PWM 系统。可逆 PWM 系

14、统可以分为 单极性驱动和双极性 驱动 。 *单极性驱动是指在一个 PWM 周期里, 电动机电枢 的电压极性呈单一性变化。在 t1t2时间内,由于 VT1和 VT3截止,而 VT2和 VT4导通,外接电枢电压消失,由于 电枢电流不能突变, 在外接电源消失的情况下, 将逐渐变小, 电机处于发电状态, 称为续流电动状态, 当电流减小到 0后, 将反向,由 B 流向 A ,并经 VT2和 VD4形成回路,并将电 能消耗在电枢电阻上,此时电机处于能耗制动状态。 通过调整占空比可以调整电动机转速。在电动机加速过程中,电枢平均电压 Ua 大于感应电动势 Ea ,电机处于电动状态;当电动机处于减速状态时,由于

15、电枢平均电压 Ua 小于感应电动势 Ea ,电机处于发电状态,在电流变为 0前,为续流电动状态,在电枢电流变为 0并反向后,在每个 PWM 的 0t1 (或 t2t3时间,经 VT1和 VD4,电机的电流流 向电源,此时电机处于再生制动状态,在 t1t2时间内,电枢电流通过 VT2和 VD4形成回路,电机处于能耗制动状态。 *双极性可逆调速系统:双极性驱动是指在一个 PWM 周期内, 电动机电枢电压呈正负变化。在一个 PWM 周期中,电枢绕组平 均电压 Ua 公式为: 当 =0时, Ua=-Us, 电动机反转,且转速最高;当 =1时, Ua=Us,电动机正转,且转速最高;当 =0.5时,电机停

16、转。*LM629有 22条指令,可用于单片机对其进行控制、数据传送 和了解状态信息。指令可分为 6类:初始化指令;中断指令;复 位中断指令; PID 控制器指令;运行指令;状态和信息指令。 *采用 DSP 控制的直流伺服电机系统工作原理:在图中,采用 了 H 桥驱动电路,通过 DSP 的 PWM 输出引脚 PWM1PWM4输出的控制信号进行控制。 用霍尔电流传感器检测电流变化,并 通过 ADCIN00引脚传给 DSP , 经过 A/D转换产生电流反馈信号。 采用增量式光电编码器检测电动机的速度变化,经过 QEP1、 QEP2引脚输出给 DSP ,获得速度反馈信号。 2.2 无刷直流电动机 无刷

17、直流电动机的构成:无刷直流电动机系统是由电动机、转子位置传感器和晶体管开关电路三部分组成。晶体管开关电路和位置传感器来代替电刷和换向器。(1电磁式位置传感器:开口变压器由定子和转子两部分组成。 (2磁敏式位置传感器:磁敏式位置传感器的基本原理为霍尔效应 和磁阻效应。 霍尔效应:通有电流的导体或半导体薄片置于磁场 中,由于受到洛仑兹力的作用,载流子将向薄片侧边积累,则在 垂直于电流 I 和磁场 B 的方向上出现一个电位差 UH ,这个现象 称为霍尔效应, UH 称为霍尔电压。 式中 RH 叫霍尔系数。 b 为导体厚度。 (3无传感器位置检测:这种电动机通过检测定子绕组的反电动势 作为转子磁钢的位

18、置信号,该信号检出后,经数字电路处理,送给逻辑开关电路去控制无刷直流电动机换向。每隔 60换相一 次, 每转一周需要六次换相, 每相的感应电动势都有两个过零点,一共有六个过零点, 都在换相时刻前 30通过检测和计算出这六 个过零点, 再将其延迟 30, 就可以获得六个换相信号。 直接电 动势位置检测方法利用这一点进行位置检测, 因此,也称此方法 为过零点检测法。(4电子换向电路 由功率变换电路和控制电路两大部分组成。 功率变换电路与位置 传感器相配合, 将电源功率以一定的逻辑关系分配给直流无刷电动机定子上各相绕组, 以便使电动机产生持续不断的转矩。 控制 电路则是将位置传感器检测到的转子位置信

19、号进行处理, 按一定 的逻辑代码输出,去触发功率开关管。无刷直流电动机转速、转向的控制方法:转向 :一套转子位置传 感器的条件下,借助逻辑电路来改变功率开关晶体管的导通顺序,来改变电枢电压的极性,从而实现电动机的正反转。励磁绕 组按逆时针方向依次通电, 实现转子逆时针旋转; 励磁绕组按顺 时针方向通电,转子顺时针旋转。 另一种方法:是在电动机中 装置两套转子位置传感器,每一套传感器对应一个转向。 转速:通过 PWM 方法来控制电枢的通电电流,从而实现转速的控制。 无刷直流电动机的三相全控电路 (Y型、三角形的两两导通和三 三导通 (1Y形联结的工作控制方式:1. 两两导通方式:所谓两两导通方式

20、是指每一个瞬间有两个功率 管导通,每隔 1/6周期 (60电角度 换相一次,每次换相一个功 率管,每个功率管导通 120电角度,各功率管的导通顺序。是 VT1VT2、 T2VT3、 VT3VT4、 VT4VT5、 VT5VT6、 VT6VT1。 当功率管 VT1和 VT2导通时, 电流从 VT1流入 A 相绕组, 再从 C 相绕组流出,经 VT2流回电源,其转子位置如图所示。 在两两换相的情况下, 其合成转 倍。 每隔 60换相一次, 每个功率管通电 120, 240,正反向各 120。这种方式总共经历了 6个状态,称为三相六状态。 2. 三三导通方式:这种工作方式, 在任一瞬间有三个开关管同

21、时 导 通 , 即 VT1VT2VT3、 VT2VT3VT4、 VT3VT4VT5、 VT4VT5VT6、 VT5VT6VT1、 VT6VT1VT2、,也是六个状 态 。 在 VT6VT1VT2导通时, 电流从 VT1流入 A 相绕组, 经 B 、 C 两相绕组分别从 VT6和 VT2流出, B 、 C 两相绕组并联, 其电 流为 A 相电流的一半,其合成转矩方向同 A 相,大小为 1.5Ta 。 全桥式电路同上。 三三导通工作控制方式, 每隔 60电角度改变 一次导通状态,每个开关管导通 180。在电枢电流和转速相同 的情况下,三三导通方式下的平均电磁转矩比二二导通下的要 小;在三三工作方式

22、下,某个开关管导通和关断稍有延时,就会 发生直通短路,导致开关管损坏,而两两导通方式则没有这个问 题。(2三角形联结的工作控制 1. 两两导通方式:与星形联结两两导通的工作方式类似,各功率 管导通的顺序是 VT1VT2、 VT2VT3、 VT3VT4、 VT4VT5、 VT5VT6、 VT6VT1 。当功率管 VT1和 VT2导通时,电流 从 VT1管流入,通过 A 相绕组和 B 、 C 相绕组,经 VT2流回电 a a a a e L U U E R I C n R R =-=-a e E C n =1e a L C U n C n R R =+0 (2-9a a em t R U T K

23、=0226060aa e m a e t k t a U R J K J J K K T K R =222 (2-186060a a m e t e t R J R J K K C C =110s a s s t U t U U U T T +=1t T =11( (21 a s s t T t U U U T T -=-=-H H IBU R b =00260n =102f =源。 B 、 C 串联和 A 并联,若流过 A 的电流为 I ,则流过 B 、 C 的电流为 I/2,这时的合成转矩 T0,其方向同 A 相 转矩, 大小为 A 相转矩的 1.5倍。 其他各相位, 情况类似。 全桥式电

24、路图同上(把 y 改成三角 。 2. 三三导通方式:与星形三三导通工作方式类似,在任一 瞬 间 有 三 个 开 关 管 同 时 导 通 , 即 VT1VT2VT3、 VT2VT3VT4、 VT3VT4VT5、 VT4VT5VT6、 VT5VT6VT1、 VT6VT1VT2、 , 也是六个状态 。 在 VT6VT1VT2导通 时,电流从 VT1流入 A 相和 B 相绕组,分别从 VT6和 VT2流出, C 相绕组则没有电流通过,相当于 A 联。 如果定义流入绕组的电流产生的转矩为正, 产生的转矩为负, 由两个相位通电, 合成转矩为 Ta 。 所不同的是当绕组为 Y 型联结两两通电时是两相绕组串

25、联,而三角形三三通电时是两个绕组并联。 *三相半控无刷直流电动机工作流程:位置检测元件使用 光电式传感器,三个感光元件分布在定子上,相互相差 120,转子上的遮光板正好有 120的缺口,使得某一 时刻只有一个感光元件感光。 由此判断转子位置。 设光电 器件 VP1被光照射,则 VT1处于导通状态,电流流入绕 组 A-X , 该绕组电流同转子磁极作用后, 产生的转矩使转 子按逆时针方向转动。随着转子的转动, VP3、 VP2依次 导通,电流也依次流入 Y-B 绕组和 C-Z 绕组,产生的电 磁场推动转子按顺时针方向持续转动。 这种通电方式称为 单相导通三相三状态。 无刷直流电动机运行特性:1.

26、电枢电流 :在三相半控联结 中, 单向导通三相三状态控制方式下, 有三个磁状态, 每 个状态持续 120电角度, 每一个晶体管导通时转子所转 过的空间电角度称为导通角 c ;转子位置传感器的导磁 扇形片张角为 p 。定子上前后出现的两个不同磁场轴线 间所夹的电角度称为磁状态角, 或称状态角, 用 m 表示。 2, 。 机械特性曲线下部出现弯曲的原因:由于当转矩较大、 转速较低时, 流过开关管和电枢绕组的电流很大, 晶体管 压降随着电流增大而增加较快 (非线性 ,使加在电枢绕组 上的电压不再恒定,因而机械特性曲线出现弯曲现象。 3. 无刷直流电动机的电枢反应:电动机带负载时,电枢绕 组电流所产生

27、的磁场对主磁场的影响称为电枢反应。 与磁 路的饱和程度、 电动机的转向、 电枢绕组连接和通电方式 有关。 2.3 直流力矩电动机 电枢形状对转矩的影响:在电动机体积不变, 电枢导体的 电流也一样的情况下, 若电动机的电枢直径增大 1倍, 电 磁转矩也增加 1倍。 直流力矩电动机的转矩公式:如果转子直径为 Da ,电枢 绕组中的第 i 根导体受力所产生的转矩为: Ti=FiDa/2=BxliaDa/2 式中 Bx 为导体所在的气隙磁通密 度。 如果气隙中平均磁通密度为 B , 电枢绕组的总匝数 为 N ,则电动机转子所受到的总电磁转矩为: 直流力矩电动机的特点:电动机具有较高的力矩惯量比, 使系

28、统加速能力得到提高; 可直接耦合负载, 提高系统精 度;反应速度快,线性度好,结构紧凑。 *应用场合:适 用于位置伺服系统和低速伺服系统中作执行元件, 也适用 于需要转矩调节、转矩反馈和一定张力的场合 (例如在纸 带的传动中 。 第三章:交流异步伺服电动机 一。交流伺服电动机的结 构特点和工作原理 :交流伺服电动 机的结构分为两大部分,定子和 转子。定子:在定子铁芯中安放 着空间互成 90电角度的两相 绕组,其中 l1-l2称为励磁绕组, k1-k2称为控制绕组,所以交流 伺服电动机是一种两相的交流电 动机。转子:转子的结构常用的 有鼠笼形转子和非磁性杯形转子。 原理:交流伺服电动机在工作 时

29、,励磁绕组两端施加交流的励磁电压 Uf ,控制绕组两 端施加交流的控制电压 Uk ,电机就会转动起来。当磁铁 旋转时,在空间中形成旋转磁场,假设磁铁顺时针旋转, 转子导条切割磁力线, 产生感应电动势, 其方向由右手定 则确定为, 上部流出, 下部流入。 由于导条由短路环连接, 导条中形成回路, 有电流流过, 根据通电导体在磁场中的 受力原理, 导体会受到电磁力的作用, 其方向由左手定则 确定, 这个方向与磁铁转动方向一致, 也是顺时针。 鼠笼 转子便在电磁转矩的作用下,顺着磁铁旋转的方向转动。 圆形旋转磁场的产生过程:首先, 假设励磁绕组有效匝数 Wf 与控制绕组有效匝数 Wk 相等。这种在空

30、间上互差 90电角度, 有效匝数又相等的两个绕组称为对称两相绕 组。同时,假设通入励磁绕组的电流 if 与通入控制绕组 的电流 ik 相位上相差 90,幅值相等,这样的两个电流 称为两相对称电流。当两相对称电流通入两相对称绕组 时, 在电机内产生一个旋转磁场, 磁通密度为 B ,幅值 恒定不变,恒等于 Bm ,并以转速 ns 旋转。电流交变一 个周期, 磁场就在空间中旋转一周, 这样的磁场称为圆形 旋转磁场。 综上所述,在两相系统中,如果有两个脉振 磁通密度,它们的轴线在空间相差 90,脉振时间相位 差也为 90,其脉振磁场的幅值又相等,那么这两个磁 场合成一个圆形旋转磁场。 当两相绕组有效匝

31、数不等时, 若要产生圆形旋转磁场, 这两个绕组的电流也不相等, 且 与绕组匝数成反比 IfWf=IkWk, 其中 If 、 Ik 分别为励磁绕 组电流及控制绕组电流的有效值。 圆形旋转磁场的转向、 转速:转向:两相绕组的电流相差 90, 一个在前, 一个在后, 分别称为超前电流和落后电 流。 磁场转向从超前电流流过的绕组轴线转向落后电流流 过的绕组轴线。 控制绕组为超前绕组, 磁场方向从控制绕 组转向励磁绕组。当任意 一个电流反向时,两个电 流的位置交换,磁场方向 将反向。 可通过这种方法进行转向控制。 转速 :控制电 流经过一个周期, 磁场仅转动半周。 旋转磁场的转速常称 为 同步速 ,用

32、ns 表示。电源频率为 f ,电机极对数为 p 。 转差率的概念和计算方法:电机跟着旋转磁场转动时的转 速 n 总是低于旋转磁场的转速,即 同步速 ns 。转子转速与同步速之差, 称为转差,用 n 表示,实际中常用 转差率 s ,就是转差与同步速之比值 。 电机的转速计算方法:转子转速为 n=ns(1-s 二、 交流异步伺服电动机的转速和转向控制 (包括启动过程 三、交流异步伺服电动机的电磁转矩计算公式: *根据交流伺服电动机的机械 特性曲线,解释什么是稳定区 和非稳定区:交流伺服电动机 的机械特性是指:励磁电压不 变时,电磁转矩 T 与转差率 s (或转速 n 的关系曲线。 图 3-26表示

33、的是一个最大转矩在 第一象限的交流伺服电动机。若负载转矩为 TL ,电机运行 于 g 点,当负载转矩增加到 TL 时,转速减小 (s增加 ,转 矩也增加,电机将在 g 处重新稳定下来,当负载转矩恢复 到 TL ,电机又会重新回到 g 点,因此,从 nm 到 ns 的转速 范围,对负载而言, 被称为稳定区。 若电机工作在 ah的 上升阶段,例如 b 点,当负载转矩增加时,转速会上升,输 出转矩却进一步减小, 造成电机转矩更小于负载转矩, 直到 电机停转; 当负载转矩减小时, 转速会降低, 输出转矩却进 一步增大,结果转速一直上升,直到在 hf 段相应位置才停 下来。所以称 ah段为不稳定区。 综

34、上所述,只有在机械 特性曲线的导数 dT/dn1。 交流伺服电动机的主要特点是具有大的转子电阻和下垂 的机械特性。 四、 椭圆型磁场的分析方法:在控制 电机的转速时,控制 电压在幅值上经常变化, 通入两个绕组中的电流在时间上相 位差也不总是 90,此时,转子周围产生椭圆磁场。 1、两相电流相位差为 90,两相电压幅值不相等:由于两 相电压幅值不同, 绕组里的电流就不同, 产生的磁势的值也 就不同, 由于两相电压幅值不相等, 各自产生的脉振磁场的 幅值也不相等。按照圆形磁场的分析方法,画出 t0t6各瞬 间的磁通密度空间分布图。合成磁通密度 B 划过的轨迹就 是一个椭圆。 2、相位差不为 90时

35、:看两种特殊情况,相位差 为 0和 90时的情况。当 =0, 意味着,两相绕组电流同 相位, 两相磁通密度向量也是同相位的, 其合成的磁场为一 脉振磁场。 当 =90, 若 =1, 产生圆形磁场, 若 1 , 产生椭圆磁场。 如果 既不是 0, 也不是 90, 所产生的 合成磁场既不是脉振的, 也不是圆形的, 那它一定是椭圆磁 场了。 为椭圆度 椭圆形旋转磁场的分析方法分解法:交流伺服电 动机在一般的运行情况时, 定子绕组产生的是一个椭圆形旋 转磁场, 椭圆形磁场可用两个转速相同、 转向相反的圆形旋 转磁场来代替,其中一个的转向与原来的椭圆磁场转向相 同, 称为正向圆形旋转磁场; 另一个则反向

36、, 称为反向圆形 旋转磁场。 B 正 =(1+Bfm /2 B 反 =(1-Bfm /2 *自转现象和消除自转:如果伺服电动机在控制电压 Uk 作 用下工作,当突然失去控制信号后, Uk=0,只要阻转矩小 于单相运行时的最大转矩, 电机将会继续旋转, 这就产生了 自转现象, 造成电机失控。 为了消除自转现象, 要求转子电 阻足够大,以使 sm 正 1。 * 试述电容伺服电动机里的移相电容的电容值应该如何确 定: Zf0和 f0的值可以用实验 的方法求出。控制绕组不加 电压, 转子不动, n=0。 断开 开关 S ,在励磁绕组加电压 Uf ,此时 Zf0 : 再合上开关 S ,接上可变电容 C

37、,并调节 电容值,使电流表读数最小。这时流经电 容 C 的电流 IC 完全补偿了绕组中的无功 电流 Ifr ,此时 再将二者代入,求得 电容值 C0。 *叙述永磁式同步 电动机的工作原理:当永磁电动机起动时, 依靠笼型起动绕 组产生异步起动转矩, 转子起动, 当转子转速接近同步转速 时, 定子旋转磁场就与转子永久磁钢相互吸引, 把转子拉入 同步状态,以同步转速旋转。 以 2极转子为例,当定子绕 组接上交流电源, 在转子周围产生旋转磁场, 当定子旋转磁 场以转速 n1旋转时,转子笼型绕组上产生异步起动绕组, 驱动转子转动。 当转子速度接近于同步转速后,转子上的 磁极与定子磁场共同作用, 将转子引

38、入同步转速, 即根据 N 极与 S 极异性相吸原理,定子磁极将转子磁极吸住。这样, 转子就以同步转速保持恒速转动。 *叙述反应式同步电动机的工作原理:当凸极的直轴方向与 磁场方向一致时, 磁阻最小, 在磁场中, 凸极转子总是会转 到使磁阻最小的位置。 在磁通收缩过程中, 转子受到力矩作 用,迫使其与旋转磁场以同步转速旋转。 第四章。反应式步进电机知识要点 1、步矩角的计算:步进 电动机的步距角 s 的大小是由转子的齿数 Zr 、控制绕组的相数 m 和通电方式所决定。 它们之间关系为: 式中 C 通电状态 系数,单拍或双拍时, C = 1 ; 单、双拍时, C =2 。 2、 反应式步进的工作原

39、理:每输入一个脉冲,步进电动机 就移进一步, 所以称为步进电动机。 又因其绕组上所加的电 源是脉冲电压, 有时也称它为脉冲电动机。 反应式步进电动 机遵循磁通总是沿磁阻最小的路径闭合的原理, 产生磁拉力 形成转矩, 即磁阻性质的转矩它, 又称为磁阻式步进电动机。 图 4-2为一台三相反应式步进电动机的结构原理图, 定 子上有 6个极, 每个极上有控制绕阻, 每相对的两极组成一 相, 转子由 4个均匀分布的齿组成, 由软磁材料制成, 上面 没有绕阻和永磁铁,当 A 相控制绕组通电时,因磁通要沿 着磁阻最小的路径闭合,将使转子齿 1、 3 和定子极 A X 对齐。 当 A 相断电 B 相控制绕组通

40、电时,转子将在空间顺时针转过 30 ,即步距角s= 30。转子齿 2、 4与定子极 B - Y 对齐。 如 B 相断电, C 相控制绕组通电,转子在空间顺时针转过 s= 30转子齿 1、 3 和定子极 C - Z对齐。 如循环往复按 A - B - C - A 顺序通电,电机便按一定的方向转动。电动机的转速取决于控制绕组与电源接通或开断的变化频率。若按 A - C - B - A 的顺序通电, 则电机反向转动。运行方式:定子控制绕组每改变一次 通电方式,称为一拍。每一拍转过的机械角度称为步距角 s , 步进电动机按通电方式可分为单三拍运行方式 A - B - C - A ,双 三拍运行方式 A

41、B BC CA AB ,单、双六拍运行方式 A - AB - B - BC - C- CA - A。 3、步进电机的输出特性 : 4、步进电机的转向和转速控制的方法:步进电动机的转速受脉 冲信号控制。 它的直线位移量或角位移量与电脉冲数成正比,通 过改变脉冲频率的高低就可以在很大的范围内调节电机的转速。 电动机的步距角和转速大小不它仅与脉冲频率有关。 若正转 的通电顺序为: A - AB - B - BC - C- CA - A ,那么反转的通电 顺序就是: A - AC - C - CB - B- BA A5. 转速的计算: 6、 矩角特性和静态转矩:定子一个齿与转子一个齿 的相对位置。定子

42、齿轴线与转子齿轴线之间的夹角 e 为电角度 表示的转子失调角。 te 为一个齿距对应的角度,称为齿距角。 若用电弧度表示,则齿矩角 te =2。单相通电:当失调角 e =0时,转子齿轴线和定子齿轴线重合, 转子处于平衡位置,转子受到的转矩为 0,如图 4-9(a。当转子 偏离平衡位置,定、转子齿之间的吸力有了切向分量,形成转矩 T ,称为静态转矩。 步进电机产生的静态转矩 T 随失调角 e 的这种变化规律,用 T=f(e 曲线称为步进电机的矩角特性,其形态近似正弦曲线,如图 4-10所示。多相通电:仍以三相步进电机为例,当两相通电时,转子失调角 e 是指 A 相定子齿轴线与转子齿轴线之间的夹角, 根据上节的 结论,转子在 A 相绕组上获得的转矩为:TA=-Tjmaxsine 。当 B 相也通电时,由于 A 相的 e =0时, B 相定子齿轴线 与转子齿轴线相差一个单拍制步矩角,这个步矩角用 be 表示, 若转子齿距 9看做电角度 2的话, 那么步矩角 3相当于电角 度 2/3 =120。所以 B 相通电时的矩角特性可表示为TB=-