机电控制工程 第7章

特点特点运动控制类型伺服系统的种类：1）按控制方式划分开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环系统，以及由它们组合的复合伺服控制系统。伺服系统的种类：1）按控制方式划分开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环系统，以及由它们组合的复合伺服控制系统。伺服系统的种类：1）按控制方式划分开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环系统，以及由它们组合的复合伺服控制系统。2）按使用驱动元件划分：步进伺服系统、直流伺服系统、交流伺服系统。伺服系统的基本要求：1.稳定性

指当作用在系统上的扰动信号消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行，或者在输入的指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力。

影响系统稳定的因素：伺服系统的稳定性是系统本身的一种特性，取决于系统的结构及组成元件的参数（如惯性、刚度、阻尼、增益等），与外界作用信号（包括指令信号和扰动信号）的性质或形式无关。

2.系统精度◆伺服系统的精度指其输出量复现输入指令信号的精确程度；◆动态误差稳定的伺服系统对变化的输入信号的动态响应过程往往是一个振荡衰减过程，在动态响应过程中输出量与输入量之间的偏差；2.系统精度◆稳态误差在动态响应过程结束后，即在振荡完全衰减掉之后，输出量对输入量的偏差；◆系统的静态误差指由系统组成元件本身的误差及干扰信号所引起的系统输出量对输入量的偏差。3.快速响应性◆上升时间：输出响应从零上升到稳态值所需要的时间，主要取决于系统的阻尼比。阻尼比小则响应快，但阻尼比太小会导致最大超调量（系统输出响应的最大值与稳态值之间偏差）增大；◆调整时间：系统的输出响应达到并保持在其稳态值的一个允许的误差范围内所需的最短时间。调整时间加长使系统相对稳定性降低，调整时间取决于系统的阻尼比和无阻尼固有频率，当阻尼比一定时，提高固有频率值可以缩短响应过程的持续时间。下一页（1）旋转磁场的产生旋转磁场是三相异步电动机工作的基础。电机是利用电与磁的相互转化和相互作用制成的。旋转磁场由三相电流通过三相对称绕组产生。对称：三相对称负载空间对称分布

二极旋转磁场（2）工作原理对称三相绕组通入对称三相电流旋转磁场(磁场能量)磁场切割转子绕组转子绕组中产生e和i转子绕组在磁场中受到电磁力的作用转子旋转起来机械负载旋转起来三相交流电能输出机械能量（3）

三相异步电动机的基本结构1.定子铁心：由内周有槽的硅钢片叠成。U1----U2V1----V2W1----W2三相绕组机座：铸钢或铸铁端盖：固定、支撑、防护转子:在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。2.转子鼠笼转子铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。鼠笼式转子

铁心槽内放铜条，端部用短路环形成一体。或铸铝形成转子绕组。绕线式转子

同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。鼠笼式绕线式

另一端分别接滑环，可外接电阻鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较：鼠笼式：

结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改变电动机的机械特性。绕线式：结构复杂、价格较贵、维护工作量大；转子外加电阻可人为改变电动机的机械特性。上一页下一页返回上一节下一节异步电动机的结构

三相笼式异步电动机的部件图固有特性:人为特性:在额定电压、额定频率，转子电路不外串电阻或电抗时的

T=f(s)和n=f(T)在改变电压、频率及转子电路参数时的

T=f(s)和n=f(T)n=f(T)T=f(s)

转矩特性:

异步机的T与s之间的关系机械特性:

异步机n

与T之间的关系（4）三相异步电动机的机械特性T=kTsR2U1p2R22+(sX2)

2

和

n=(1－s)n0（一）固有特性转矩特性机械特性固有特性TNsN1TsTMsMTOsn0TnOTNnNTsTMnM额定状态在额定

UN

下，以额定转速nN

运行、输出额定功率PN

时，电动机转轴上输出的转矩为机械特性M额定状态说明了电动机长期运行能力。n0TnOTsTNnNTMnMNS额定状态、临界状态、起动状态代表三个重要的工作状态。TN=9550PNnN临界转速临界转差率sM:Y系列:

KM=2～2.2临界状态过载倍数KM：R2

X2sM=TM

TNKM=Mn0TnOTsTNnNTMnMNS机械特性最大转矩TM:电动机带动最大负载的能力转轴上机械负载转矩不能大于TM

，否则将造成堵转(停车)起动状态TS体现了电动机直接起动的能力。若TS>TL

电机能起动，否则将起动不了。TS

TNKS=Y系列:

KS=1.6～2.2KC=5.5～7.0机械特性Mn0TnOTSTNnNTMnMNS起动电流倍数：起动转矩倍数：IS

INKC=（二）人为特性降低定子电压时的人为特性UN0.9UN0.81TM0.81TSn0nMnOT定子电压降低时的人为机械特性

T∝U1p2增加转子电阻时的人为特性R2R2+RTS

+△T

n0nOT

转子电阻增加时的人为机械特性◆转子串联合适的电阻，可使TS

=TM（三）机械特性的软硬硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。软特性：负载增加时，转速下降较快，起动特性好。硬特性软特性不同场合应选用不同的电机。如金属切削，选硬特性电机；重载起动则选软特性电机。n0nTO

电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，这种能力称为自适应负载能力。（四）电动机的自适应负载能力

电动机工作在特性曲线的哪一点上？应当运行于与负载机械特性的交点上。n0nTOTLTL’n0nTOn0nTO工作段

自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械的重要特点（如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大油门，才能带动新的负载）。a点→TL↑→n↓→I2↑→T↑直至新的平衡I1

↑→P1↑TLaTL’→

a'点a'交流异步电动机调速原理：改变交流异步电动机的供电电压，使其机械特性曲线的形状改变，如图所示。平板式普通晶闸管和螺

栓式普通晶闸管的区别

平板式普通晶闸管属于双面散热，适用于大功率场合；螺栓式普通晶闸管属于单面散热，适用于中、小功率场合。1．晶闸管晶闸管又称可控硅主要类型：单向晶闸管SCR、双向晶闸管Triac、可关断晶闸管GTO、光控晶闸管、温控晶闸管等类型。（1）单向晶闸管SCR

如图所示SCR的三个极：阳极A，阴极K、控制极G（又称门极）。单向晶闸管内部结构单向晶闸管的工作状态：

1)导通条件阳极加上正向电压，控制极加上正向电压，可使晶闸管从阻断到导通。

晶闸管一旦导通，控制极对晶闸管就不起控制作用了。

2)关断条件流过晶闸管的电流小于保持晶闸管导通所需的电流即维持电流时，晶闸管从导通到阻断。wtuda

qa：控制角，即晶闸管承受正压到触发导通之间的电角度。q：导通角，即晶闸管在一个周期内导通的电角度。SCR的控制信号及输出波形晶闸管的应用如图所示，MT1和MT2为主电极，G为门极。

特点是：在触发后是双向导通的；门极所加触发信号可以为正也可以为负。

双向晶闸管的内部结构（2）双向晶闸管TRIAC（3）光控晶闸管与温控晶闸管

光控晶闸管结构其结构如图所示。2.晶闸管调压调速系统(1)开环调压调速(2)闭环电压脉宽调速(3)转子绕组串联电阻调速(4)串级调速1.同步电动机的工作原理

同步电动机的定子三相绕组中通入对称三相交流电时，对称的三相绕组中产生旋转磁场，当转子的励磁绕组加入励磁电流时，转子好象一个“磁铁”，在旋转磁场的带动下旋转。这时，转子的转速和旋转磁场的同步转速相等。

由于同步电动机的转子的转矩是旋转磁场与转子磁场不同极性间的吸引力所产生的，所以转子的转速始终等于旋转磁场转速，不因负载改变而改变。

若将同步电动机同时双边励磁，由于定子旋转磁场转速为同步转速n1，而起动瞬间转子处于静止，气隙磁场与转子磁极之间存在相对运动，不能产生平均的同步电磁转矩，即同步电动机本身没有起动转矩，使电动机自行起动。

为了解决起动问题，必须采取其它方法，常用的方法有：①辅助电动机起动法；②变频起动法；③异步起动法。（1）辅助电动机起动法

辅助电动机起动法是选用一台与同步电动机极数相同的小型异步电动机作为辅助电动机，起动时，先起动辅助电动机将同步电动机拖动到异步转速，然后将同步电动机投入电网，加入励磁，利用同步转矩把同步电动机转子牵入同步，同时切除辅助电动机电源，这种方法适用于同步电动机的空载起动。（2）变频起动法

由于恒频起动时，作用在转子上的平均转矩为零，使电动机无法自行起动。变频起动法是在起动前将转子加入直流，利用变频电源使频率从零缓慢升高，旋转磁场牵引转子缓慢同步加速，直至达到额定转速，起动完毕。这种方法多用于大型同步电动机的起动。（3）异步起动法

异步起动法是在转子上加装起动绕组，其结构如同异步机的鼠笼绕组。起动时，先不给励磁绕组励磁，同步电动机定子绕组接电源，通过起动绕组作用，产生起动转矩，使同步电动机自行起动，当转速达95%同步转速左右后，给同步电动机的励磁绕组通入直流，转子自动牵入同步。同步电动机异步起动法起动时原理接线图微型同步电动机永磁式微型同步电动机永磁式同步电动机磁滞式同步电动机异步起动式永磁同步电动机的转子结构径向式磁滞起动式永磁同步电动机的结构反应式微型同步电动机分段式隐极转子结构凸极转子结构图反应式同步电动机结构原理磁滞式同步电动机(a)磁性套筒(b)非磁性套筒

磁滞电动机的转矩作用原理图没有切向力，不产生力矩有切向力，能产生力矩2.同步电动机的调速原理单相异步电动机单相异步电动机的工作原理结构：定子放单相绕组（其中通单相交流电）；转子一般用鼠笼式。定子转子定子绕组定子中通入单相交流电后，形成脉动磁场。其磁感应强度按正弦分布，且随时间按正弦变化。单相异步电动机的特点：（1）自身没有起动转矩....F转子导条及电流

当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据右手螺旋定则和左手定则，可知转子导条左、右受力大小相等方向相反，所以没有起动转矩。（2）转子借助其它力量转动后，外力去除后仍按原方向继续转动。其原理分析如下：

定子绕组产生的脉动磁场（），可用正、反两个旋转磁场合成而等效。即：

+

-=

+

-=

mtm脉动磁场的分解④④⑥⑥⑧⑧②②-

+③③⑦⑦⑨⑨⑤⑤①①

+

-

正反向旋转磁场的合成转矩特性合成转矩起动转矩为零。（正向）（反向）正转转反电容分相式起动单相异步电动机的起动~KDCWSTW:主绕组ST：启动绕组K：离心开关启动时开关K闭合，使两绕组电流相位差约为90°，从而产生旋转磁场，电机转起来；转动正常以后离心开关被甩开，启动绕组被切断。工作原理罩极式单相电机定子磁极转子短路环

定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其中产生感应电流。短路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场，使转子转起来。

图中电机的转动方向：瞬时针旋转。因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先。

单相异步电动机的功率小，主要制成小型电机。它的应用非常广泛，如家用电器（洗衣机、电冰箱、电风扇）、电动工具（如手电钻）、医用器械、自动化仪表等。单相电机的使用三相异步电动机的单相运行

三相异步电动机在运行过程中，若其中一相和电源断开，则变成单相运行。此时和单相电机一样，电机仍会按原来方向运转。但若负载不变，三相供电变为单相供电，电流将变大，导致电机过热。使用中要特别注意这种现象；三相异步电动机若在启动前有一相断电，和单相电机一样将不能启动。此时只能听到嗡嗡声，长时间启动不了，也会过热，必须赶快排除故障。异步电动机将反转制动。将该原理同样可用于单相交流异步电动机。异步电动机的转速方程为

式中，为电动机转速；为定子转速磁场的同步转速；为定子供电频率；为转差率。由上式可见，改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行，也称为变频调速。

异步电机的变频特性异步电动机定子每相电动势有效值E1为：式中，为每极气隙磁通；为定子相绕组有效匝数。由上式可见，只要控制好和，可达到控制磁通的目的。要保持不变，当电源频率从工频额定频率向低调节时，必须同时降低电动势，使上式称为恒定电动势频率比。采用这种调速控制方式一般称为恒定电动势频率比的控制方式。＝常值

然而，绕组中的感应电动势难以直接控制，但当电动势值较高时定子绕组的漏磁压降可忽略不计，并认为定子相电压则恒电动势频率比可近似为上式称为恒压频比。≈常值)

异步电动机的变频调速控制特性：◆在工频以下按恒压频比控制方式，维持励磁磁通不变，属于恒转矩调速性质；◆在工频以上是维持＝（额定电压），增加频率，减小磁通的恒功率调速性质的控制方式。其综合控制特性如图4.64所示。变频调速控制特性曲线

1.功率晶体管

(1)功率晶体管(电力晶体管)的特点①可工作在开关状态，也可工作在模拟状态，如声频功率放大，超声波功率放大，有源滤波器等；②功率晶体管的开关速度远大于晶闸管；③功率晶体管的控制比晶闸管容易；④功率晶体管价格高于晶闸管。功率晶体管内部结构

(2）功率晶体管的结构原理加速二极管VD1：在输入端b的控制信号从高电平变成低电平的瞬间，二极管VDl导通，使VT1的一部分射极电流经过VDl流到输入端b，加速