机电传动控制第5章ppt课件

1、l定义：用于自动控制、自动调理、远间隔丈量的特微小功率电机。l分类：丈量元件、放大元件、执行元件、校正元件。l作用：完成控制信号的传送和变换。l特点：性能稳定可靠，动作灵敏，精度高，体积小。 它的根本构造和任务原理与普通直流他励电动机一样，不同点只是他做得比较细长一些，以满足快速呼应的要求。l电枢控制改动控制电压呼应迅速、机械特性硬，调速线性度好，运用较多。 l磁场控制改动磁通 不适宜永磁伺服电机。 电枢控制直流伺服电动机的运转特性包括机械特性和调理特性。 1机械特性 当控制电压Ua0时，电动机立刻停顿，因此，无自转景象。 2调理特性 调理特性为一上翘的直线。Ua0是电动机处在待动而又未动临界

2、形状时的控制电压，称为始动电压，负载转矩越大，始动电压越高。而且控制电压从0到Ua0一段范围内，电机不转动，称为电动机的死区。l具有良好的线性调理特性及快速的时间呼应，机械特性较硬。但构造复杂，电刷换向使速度遭到限制，有附加阻力，甚至能够会出现低速运转不稳定景象。l低速运转时，由于电枢齿槽、电刷接触压降和电刷和换向器之间摩擦的影响，转速会出现时快、时慢，甚至暂时停一下的不均匀景象。低速运转的不稳定性可以经过添加稳速控制电路或运用直流力矩电动机加以处理。 1.空心杯转子直流伺服电动机 空心杯转子直流伺服电动机的特点是惯量低；灵敏度高，时间常数很小； 损耗小，效率高；力矩动摇小，低速转动平稳，噪音

3、很小；换向性能好，寿命长。多用于高精度自动控制系统及丈量安装等设备中。 印制绕组直流伺服电动机的转子呈薄片圆盘状，用印刷电路制成双面电枢绕组。其特点是构造简单，制造本钱低；起动转矩大；力矩动摇很小，低速运转稳定；换向性能好；电枢转动惯量小，反响快。 无槽电枢直流伺服电动机的电枢铁心是光滑、无槽的圆柱体。其特点是转动惯量低；起动转矩大；反响快；低速运转均匀；换向性能良好。 改动控制电压的大小和相位或极性就可以改动伺服电动机的转速和转向。 特点：调速范围广；形状启动、停顿变换快；控制功率小，过载才干强，可靠性好。0.1100Wl定子：绕组有两个励磁绕组WF，控制绕组WC。l转子：普通分为鼠笼式转子

4、和杯形转子两种构造。交流伺服电机实物图 WF的励磁电压为一定，WC的控制电压可以变换。 输入控制信号，产生旋转磁场，电机转动； 控制电压相位改动180度，电机反转； 但控制电压取消后如何使其停顿呢？ 使转子导条具有较大的电阻。1幅值控制；2相位控制；3幅值-相位控制。 1.机械特性和调理特性直流伺服电动机的机械特性和调理特性都是线性的，且在不同控制电压下机械特性是平行的，斜率不变。两相感应伺服电动机的机械特性和调理特性都是非线性的，且其线性化机械特性的斜率随控制电压的变化而变化，这会在一定程度上影响系统的动态精度。直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬，通常运用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位

5、置控制等。 由于直流伺服电动机转子上有电枢绕组和换向器等，转动惯量要比两相感应伺服电动机大得多。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，假设空载转速一样，直流伺服电动机的堵转转矩要大得多。因此，它们的动态呼应时间常数相差不多。l对于两相感应伺服电动机，假设参数选择不当或制造工艺不良，能够会使电动机产生“自转景象，而直流伺服电动机却不存在该问题。 l为了满足控制系统对电机性能的要求，两相感应伺服电动机的转子电阻很大，因此其损耗大、效率低。而且常运转在椭圆形旋转磁场下，负序电流和反向旋转磁场的存在，一方面产生制动转矩，使电磁转矩减小，另一方面也进一步添加了电机的损耗，降低了电机的

6、利用率。因此当输出功率一样时，两相感应伺服电动机要比直流伺服电动机体积大、分量重、效率低，所以它只适用于较小功率的场所，对于功率较大的控制系统，那么较多地采用直流伺服电动机。l直流伺服电动机由于存在电刷和换向器，使电机构造复杂，维护比较费事；由于电刷和换向器的滑动接触，添加了电动机的阻转矩，并且会影响电机运转的稳定性；存在换向火花问题，会对其它仪器和无线电通讯等产生干扰。l两相感应伺服电动机构造简单，运转可靠，维护方便，运用寿命长，特别适宜于在不易检修的场所运用。分类： 直流永磁式； 交流异步同步。特点转速低、转矩大，可以长期处在堵转形状或低速下运转，反响速度快、转矩和转速动摇小，机械特性和调

7、理特性线性度好 。 小功率同步电动机的功率通常在数百瓦以下，在要求速度恒定不变的控制系统和安装中常用作执行元件，如打印记录机构、电钟、录像机、电影摄/放映机、机等控制设备和自动安装。 同步电动机构造上也是由定子和转子两部分组成。它构造简单，运转可靠，维护方便。 根据转子机械构造或转子资料，同步电动机可分为永磁式、磁阻式和磁滞式等类型。 l永磁式同步电动机转子主要由永久磁铁、铁心、鼠笼绕组构成。永久磁铁用来产生磁通，鼠笼绕组置于转子铁心槽中。l永磁式同步电动机的任务原理与普通同步电动机根本类似，只是其转子励磁是采用永久磁铁。l启动方法和普通的同步电动机一样，在转子上装有启动用的鼠笼绕组。 l磁阻

8、电动机又称为反响式电动机，这种电机的转子本身没有磁性，只是利用磁场中可挪动部件试图使磁路磁阻最小的原理，依托转子两个正交方向磁阻的不同而产生电磁转矩，这种转矩称为磁阻转矩或反响转矩。l磁阻电动机有单相和三相两种，功率从几瓦到几百瓦。l起动也需求在转子上另外装设起动绕组，以到达异步起动，同步运转。l构造简单，制造方便，本钱较低，转速普通在每分钟几十转到上百转之间，是一种常用的低速电动机。 rsZZ22定子旋转磁场的角速度0和转子旋转角速度之比，称为电磁减速系数srrrssRZZZZZZK2220pfZZZZZZrsrrsr20式中，p定子磁场的极对数l磁滞电动机的主要优点是构造简单，运转可靠，起

9、动转矩大，不需求装任何起动安装就能平稳地牵入同步。l磁滞电动机也属于交流同步电机，其定子与普通交流电机一样，而转子也没有励磁源，由硬磁资料冲片叠压而成的转子，其涡流转矩小，电动机起动及运转主要依托磁滞转矩；由整块硬磁资料做成的转子，除了磁滞转矩外，还有涡流转矩，可以增大起动转矩。l磁滞式电动机的转子是用硬磁资料做成的，这种硬磁资料具有比较宽的磁滞回环，其剩磁密度和矫顽力要比软磁资料大。l步进电动机是将电脉冲控制信号转换成机械角位移的执行元件。l它每接受一个电脉冲，其转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及其频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只需控制输入电脉冲

10、的数量、频率以及电机绕组通电相序，即获得所需的转角、转速及转向。l在电脉冲的控制下，步进电动机能迅速起动、正反转、制动和停车；调速范围广大；步进电动机的步距角要小，步距精度要高，不丢步不越步；任务频率高、呼应速度快。分类：反响式步进电动机永磁式步进电机混合式步进电动机l利用磁阻转矩使转子转动。其构造方式通常分为单段式和多段式两种。可以做成二相、三相、四相、五相或更多的相数。l定子上有六个极，每个极上装有控制绕组，每相对的两极组成一相。转子上有四个均匀分布的齿，其上设有绕组。l当A相控制绕组通电时，转子在磁场力的作用下与定子齿对齐，即转子齿l、3和定子齿A、A对齐，如图a所示。l假设切断A相，同

11、时接通B相，在磁场力作用下转子转过30，转子齿2、4与定于齿B、B对齐，如图b所示。l如再使B相断电，同时C相控制绕组通电，转子又转过30，使转子齿1、3与定子齿C、C对齐，如图(c)所示。l如此循环往复，按ABCA顺序通电，步进电机便按一定方向转动。上述通电方式称为三相单三拍，这里“拍指定子控制绕组每改动一次通电方式，为一拍；“单指每次只需一相控制绕组通电；“三拍指经过三次切换控制绕组的通电形状为一个循环。 l三相单双六拍通电方式，通电顺序为AABBBCCCAA或 AACCCBBBAA。l当A相控制绕组通电时，转子齿l、3和定子齿A、A对齐。l当A、B一样时通电，转子齿2、4在定子极B、B的

12、吸引下使转子顺时针转动，至转子齿l、3和定子极A、A间的作用力与转子齿2、4和定子极B、B间的作用力相平衡。l当断开A相控制绕组而由相B控制绕组通电时，转子将继续沿逆时针方向转过一个角度，转子齿2、4和定子极B、B对齐，如图(c)所示，依此类推。 单三拍通电方式时，步距角为30，而采用六拍通电方式时，步距角为15，采用单双拍通电方式时，步距角要比单拍电方式时减小一半。 步进电机的步距角s的大小是由转子的齿数、控制绕组的相数和通电方式所决议 式中，C为通电形状系数，当采用单拍方式时，Cl；而采用单双拍方式时，C2；m为步进电机的相数；Zr为步进电机转子齿数。360srmZ Cl假设步进电机通电的

13、脉冲频率为f每秒的拍数，那么步进电机的速度为l l式中 f为频率， n为转速。l电机在脉冲频率一定时，电机的相数和转子的齿数越多，那么步距角s就越小，转速也越低。 mZrCfn60l普通将转子运用永磁资料的步进电动机称作永磁式步进电动机。通常转子为一对极或几对极的星形磁钢，定子上绕有二相或多相绕组，定子每相的轴线对应于转子的轴线，这类电动机要求电源提供正负脉冲。l添加转子的磁极数及定子的齿数可以减小步距角，但转子要制成NS相间的多对磁极是较困难的，同时定子极数及绕组线圈数也必需相应添加，这将遭到定子空间的限制，因此永磁式步进电动机的步距角都较大。l混合式步进电动机是在永磁和变磁阻原理共同作用下

14、运转的，故称为混合式或永磁感应式步进电动机。l通常转子装有一个轴向磁化永磁体用以产生一个单向磁场，其中一段经永磁体磁化为S极，另一段磁化成N极。定子的齿距和转子的齿距一样。它与反响式的主要区别是转子上置有磁钢。反响式电机转子无磁钢，输入能量全靠定子励磁电流供应，静态电流比永磁式大许多。l混合式电机具有驱动电流小、效率高、过载才干强等优点，是一种很有开展出路的步进电动机。1.输出角位移与输入脉冲数成正比。2.转速与输人的脉冲频率成正比。3.转向可以经过改动通电顺序来改动。4.具有自锁才干，一旦停顿输入脉冲，只需维持绕组通电，电动机就可以坚持在该固定位置。5.不易受电源电压动摇、电流、温度变化等影

15、响，只需干扰未引起步进电动机 “丢步，就不会影响其正常任务。6.步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差为“零 。7.易于直接与微机的I/O接口，构成开环位置伺服系统。步进电动机被广泛运用于开环控制构造的机电一体化系统，使系统简化，并可靠地获得较高的位置精度。1驱动电源的优劣对步进电动机控制系统的运转影响极大，运用时要特别留意，需根据运转要求，尽量采用先进的驱动电源，以满足步进电动机的运转性能。2假设所带负载转动惯量较大，那么应在低频下启动，然后再上升到任务频率，停车时也应从任务频率下降到适当频率再停车。3 在任务过程中，应尽量防止由于负载突变而引起的

16、误差。4假设在任务中发生失步景象，首先，应检查负载能否过大，电源电压能否正常，再检查驱动电源输出波形能否正常，在处置问题时不应随意变换元件。1) 矩角特性及最大静转矩矩角特性是控制绕组通电形状不变时，电磁转矩与转子偏转角的关系，即静态转矩与失调角的关系 。 最大静转矩是指在规定的通电相数下矩角特性上的转矩最大值。通常在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。按最大静转矩的大小可把步进电动机分为伺服步进电动机和功率步进电动机。2起动频率和起动的矩频特性起动频率是指步进电动机可以不失步起动的最高脉冲频率。技术数据中给出空载和负载起动频率。实践运用时，大多是在负载情况下起

17、动，所以又给出起动的矩频特性，以便确定负载起动频率。3步距角及步距角精度 步距角是指输入一个电脉冲转子转过的角度。步距角小的电机起动和运转频率较高。步距角精度是指步进电机每转过一个步距角的实践值与实际值的误差，用百分比表示：误差/步距角100%。不同运转拍数其值不同。4运转频率和运转矩频特性运转频率是指步进电动机起动后，控制脉冲频率延续上升而不失步的最高频率。通常在技术数据中也给出空载和负载运转频率，运转频率的高低与负载阻转矩的大小有关，所以又给出了运转矩频特性。步进电动机的最大动态转矩和脉冲频率的关系，称为矩频特性。在一定控制脉冲频率范围内，随频率升高，电机的功率和转速都相应地提高，超出该范

18、围那么随频率升高转矩下降，步进电动机带负载的才干也逐渐下降，到某一频率以后，就带不动任何负载，而且只需遭到一个很小的扰动，就会振荡、失步以致停转。 步进电动机矩角特性步进电动机矩频特性用途：用来丈量转速； 广泛运用于速度或位置控制系统中， 以转子旋转角度为参数变量，可作为机电微分、积分器。常用于PID控制。分类：直流测速发电机；异步交流测速发电机；同步发电机。 0eUEKneEKnl1 电枢反响的影响 发电机带上负载后，电枢中经过的电流Ia产生电枢磁场，使气隙中的合成磁场产生畸变l2延迟换向的影响 延迟换向是指换向元件中的总电动势eK妨碍电流变化，使换向延迟的景象。 l3温度的影响 温度变化导

19、致励磁绕组电阻变化，将引起励磁电流和磁通的变化 l4纹波电动势的影响 直流测速发电机因换向片数有限，而电枢绕组电动势是每一支路中有限个元件感应电动势的叠加，因此输出电动势总是带有微弱的动摇，这种微小的动摇称为纹波，纹波呵斥了线性误差。l5 电刷接触压降对输出特性的影响 电刷接触电压的影响导致输出特性存在不灵敏区。l1线性误差 在任务转速范围内，实践输出特性曲线与线性输出特性之间的最大差值与最高线性转速在线性特性曲线上对应的电压之比。l2灵敏度 也称输出斜率，是指在额定励磁电压下，转速为1000 rmin时所产生的输出电压。l3最高线性任务转速和最小负载电阻 是保证测速发电机任务在允许的线性误差

20、范围内的两个运用条件。l4不灵敏区 由电刷接触压降Ub而导致输出特性斜率显著下降(几乎为零)的转速范围。该性能目的在超低速控制系统中是重要的。l5输出电压的不对称度 指在一样转速下，测速发电机正、反转时，输出电压绝对值之差与两者平均值之比。对要求正、反转的控制系统需思索该目的。l6纹波系数 测速发电机在一定转速下，输出电压中交流分量的有效值与直流分量之比。高精度速度伺服系统对该目的的要求较高。l交流测速发电机:同步测速发电机和感应测速发电机两大类。l同步测速发电机定子输出绕组感应电动势的大小和频率都随转速n的变化而变化，不宜用于自动控制系统中。l感应测速发电机的定子上有两相正交绕组，其中一相接

21、电源励磁，另一相用作输出电压信号。l鼠笼转子感应测速发电机，构造简单，但性能较差；空心杯形转子感应测速发电机性能好，是目前运用最广泛的一种交流测速发电机。220fUEn 0104.44rvvwrrfff k Nknl1线性误差l严厉来说，输出电压和转速之间不是直线关系，由非线性引起的误差称为线性误差l2相位误差l相位误差是指交流测速发电机实践输出电压与励磁电压之间相位移的变化量，它随转速的改动而变化。l3剩余电压l剩余电压是指交流测速发电机在励磁绕组接额定励磁电压，转子静止时输出绕组中所产生的电压。它会使系统产生误动作而引起系统的误差。l外接补偿安装用补偿绕组来消除剩余电压,可以到达完全补偿剩

22、余电压的目的。l4输出斜率灵敏度：l输出斜率是额定励磁电压下，转速为1000 rmin时测速发电机的输出电压。输出斜率越大，测速发电机灵敏度就越高。 没有相位波动，没有剩余电压,输出特性较软，结构复杂，摩擦转矩大，换向时有火花和无线电干扰信号，输出特性不稳定且正反向不对称。结构简单，易维护，惯量小，输出特性稳定（正反转对称），精度高，工作可靠。存在剩余电压和相位误差，且负载的大小和性质会影响输出电压的幅值和相位。l特点特点在随动系统中，用于角度的传输、变换在随动系统中，用于角度的传输、变换和指示。通常是两台或多台组合运用，异地两根和指示。通常是两台或多台组合运用，异地两根轴同步旋转。轴同步旋转

23、。l分类：分类： l发送机发送机接纳机；接纳机；l力矩式指示系统力矩式指示系统控制式随动系统；控制式随动系统；l三相电轴三相电轴单相角度传送系统。单相角度传送系统。 转子绕组为初级绕组，通常按50Hz或400Hz的交流励磁电压。定子绕组为次级绕组。次级绕组中感应的电压取决于磁力线与线圈切割时的角度。当两组平行时为最大，而当两绕组正交时为零。所以在任何一个绕组中感应的电压取决于转子相对于该绕组的位置。控制式自整角机发送机 rzsKEEcos2)120cos(3rzsKEE)120cos(1rzsKEE这三个线间电压与轴的转角是单值对应的，没有任何两个轴的转角位置上能使三个电压对应相等。 力矩式自

24、整角接纳机与控制式自整角发送机相反，是一种把电压变成位置的传感器。 两个安装的定子引线间是电联络，两个转子运用同一个励磁。 当转子转角cr与在相应的一对定子引线之间感应出相等的电压，在任一个安装中都没有定子电流流动。由于没有产生定子磁场，在定子和转子磁场之间没有相互作用，因此在转子上不产生力矩。 一样时，假设自整角发送机的转子相对于自整角接纳机的转子转动，在相应的定子绕组磁场中感应的电压就不相等。此电压差将引起两定子绕组之间流过电流。定子磁场与转子磁场相互作用的结果在转子上产生一个力矩。 局限于较低的负载力矩，其精度由接纳机轴承的摩擦和负载来确定。常用于机械负载轻的仪表指示系统。 l控制式自整

25、角变压器是专为随动系统中作为位置传感器和误差检测器而设计的。其构造与发送机或接纳机的构造类似，其中定子是由三个相隔间距的形衔接的绕组构成。而转子是圆柱形的，属于隐极构造，构成一个均匀的气隙而具有最小的激磁电流。另外控制式自整角变压器具有较高的绕组阻抗使其输入功率尽能够降低到实践需求的大小。 当转子绕组的轴线垂直于发送机轴位置指明的磁场矢量时，转子绕组的感应电压为零。因此控制式自整角变压器的零点或零位被定义为转子绕组输出电压为零位位置。 )sin(maxbfzEEl控制式差动发送机的定子和转子都有三个相距的绕组如图519所示。这些绕组与自整角发送机的定子绕组类似。这种规划为该安装提供了两个输入：

26、作用在定子绕组上的自整角发送机数据以及作用在转子上的机械角度输入。 dfc假设把自整角发送机和差动发送机的接头S1和S3互换，那么输出将是这两个输入角之和 项 目控制式自整角机力矩式自整角机负载能力 自整角变压器只输出信号，负载能力取决于系统中伺服电动机及放大器的功率接收机的负载能力受到精度及比整步转矩的限制，故只能带动指针、刻度盘等轻负载精 度 较高较低系统结构 较复杂，需要用伺服电动机、放大器、减速齿轮等较简单，不需要用其它辅助元件系统造价 较高较低1自整角机的励磁电压和频率必需与运用的电源符合。对尺寸小的自整角机，选电压低的比较可靠；对长传输线，选用电压高的可降低线路压降的影响；要求体积小、性能好的，应选400 Hz的自整角机。否那么