6控制电机.ppt

1、第6章 控制电机,1. 了解常用的控制电机的基本结构。 2. 重点掌握各种控制电机的基本工作原理、主要运行特性、特点以及应用场所。 3. 正确选用和使用。,本章要求,异步电动机、直流电动机等都是作为动力源使用的，其主要任务是机电能量转换，例如将电能转换为机械能。本章介绍控制电机。,概 述,控制电机的基本特点：体积小，功率小，通常在几百瓦以下等。,电机,旋转电机,控制电机,在普通旋转电机的基础上产生的各种控制电机与普通电机本质上并没有差别，只是着重点不同：普通旋转电机主要是进行能量变换，要求有较高的力能指标；而控制电机主要是对控制信号进行传递和变换，要求有较高的控制性能，如要求反应快、精度高、运

2、行可靠等等。控制电机因其各种特殊的控制性能而常在自动控制系统中作为执行元件、检测元件和解算元件。,2. 对控制电机的主要要求：具有良好的可控性，动作灵敏、准确、重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等。,4. 控制电机的特点,1） 调速范围宽 2） 转子惯量小：能迅速的启动和停车 3 ）控制功率小，过载能力强,3. 控制电机的分类：按照在自动控制系统中的职能可分为：,第六章 控制电机,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。 分类：测量元件、放大元件、执行元件和校正元件. 6.1 交流伺服电动机 6.2 直流伺服电动机 6.3 力矩电动机 6.4 小功率同

3、步电动机 6.5 直线电动机,6.1 交流伺服电动机,伺服电动机的作用：驱动控制对象（执行元件）。特点：1、控制信号的有无控制伺服电动机的转动或者停车；,伺服电动机的作用,将电信号转换为轴上的转角或转速,2、被控对象的转距和转速受信号电压控制，信号电压的大小和极性改变时，电动机的转动速度和方向也跟着变化。,可控性,直流伺服电动机输出功率较大，功率范围为1600瓦，有的甚至可达上千瓦； 交流伺服电动机输出功率较小，功率范围一般为0.1100瓦。,交流伺服电动机,直流伺服电动机。,（根据使用电源的不同）,第六章 控制电机 6.1 交流伺服电动机,交流伺服电动机特点 1. 调速范围宽广，能在调速范围

4、内连续平滑调速。 2. 转子的惯性小，即能实现迅速启动、停车。 3. 控制功率小(100瓦以下)，过载能力强，可靠性好。,第六章 控制电机 6.1 交流伺服电动机,6.1.1 两相交流伺服电动机的结构,控制绕组,励磁绕组,6.1.1 两相交流伺服电动机的结构,结构与单相电容式异步电动机结构类似，定子上装有两个绕组 励磁绕组和控制绕组。励磁绕组和控制绕组在空间相隔90。不同点：两相绕组通常接在两个不同的交流电源（二者频率相同）上 2. 转子有鼠笼转子和杯形转子,第六章 控制电机 6.1 交流伺服电动机,两相交流伺服电动机性能特点,应用范围,第六章 控制电机 6.1 交流伺服电动机,6.1.2 基

5、本工作原理,1. 两相绕组相差90度电角度，两相绕组产生旋转磁场,2. 当有控制信号输入时，两相绕组产生旋转磁场，该磁场与转子中的感应电流相互作用产生转矩,3. 把控制电压的相位改变180度，则可改变电动机的旋转方向,第六章 控制电机 6.1 交流伺服电动机,6.1.2 基本工作原理,椭圆磁场的 分解,一个大圆和一个小的反向圆形磁场,第六章 控制电机 6.1 交流伺服电动机,6.1.2 基本工作原理,椭圆磁场的机械特性,正向圆形磁场,反向圆形磁场,椭圆磁场机械特性,第六章 控制电机 6.1 交流伺服电动机,6.1.3 消除自转现象的措施,“自转”现象 如果交流伺服电动机参数与一般的单相异步电动

6、机一样， 那么当控制信号消失时，电机转速虽会下降些，但仍会 继续不停地转动。这种失控现象称为“自转”。,对伺服电机的要求U2= 0 时，要求转子立即停止。,这时，虽然U2 =0V，U1仍存在，成单相运行状态，但和单相异步机不同。若单相电机启动运行后，出现单相后仍转。伺服电机不同，单相电压时设备不允许转。,6.1.3 消除自转现象的措施,消除自转的措施：交流伺服电机转子电阻 R2设计得较大,使电机在失去控制信号，而变成单相运行时，正转矩和负转矩的最大值均出现在Sm1的地方。,第六章 控制电机 6.1 交流伺服电动机,6.1.3 消除自转现象的措施,椭圆磁场,脉动磁场,脉动磁场合成曲线,TL,第六

7、章 控制电机 6.1 交流伺服电动机,6.1.4 特性和应用 1. 控制特性,控制电压 U2 大小变化时，转子转速相应变化，转速与电压 U2 成正比。U2 的极性改变时，转子的转向改变。,第六章 控制电机 6.1 交流伺服电动机,6.1.4 特性和应用 2.应用举例,交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广泛：雷达系统中扫描天线的旋转、流量和温度控制中阀门的开启、数控机床中的刀具运动、温度自动记录等系统。,6.2 直流伺服电动机,工作原理及结构：结构和原理与普通的他励直流电动机基本相同。只不过直流伺服电动机输出功率较小而已。为减小转动惯

8、量做得细长一些。,供电方式：他励。励磁绕组和电枢由两个独立电源供电：,U1,If,Ia,U2,放 大 器,U,U1为励磁电压，U2为电枢电压。,直流伺服电动机通常用于功率稍大的系统中1600W,第六章 控制电机 6.2 直流伺服电动机,直流伺服电动机特点和应用范围,第六章 控制电机 6.2 直流伺服电动机,直流伺服电动机特点和应用范围,第六章 控制电机 6.2 直流伺服电动机,直流伺服电动机电原理图,第六章 控制电机 6.2 直流伺服电动机,直流伺服电动机电原理图,第六章 控制电机 6.3 力矩电动机,6.3.1 永磁直流力矩电动机的结构,分装式和固定式两种,第六章 控制电机 6.3 力矩电动

9、机,6.3.2 直流力矩电动机转矩大，转速低 1.转矩大的原因,2. 转速低的原因,第六章 控制电机 6.3 力矩电动机,6.3.3 直流力矩电动机的特点和应用 优点：堵转矩大而不损坏，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。,第六章 控制电机 6.4 小功率同步电动机,需要恒转速，小功率（100瓦以下） 执行元件如自动记录仪、电钟、录音机、等。,硬磁材料,根据定子旋转磁场分类： 三相、二相、罩极（旋转磁场）,根据转子结构材料分类：永磁、反应式（磁阻式）、磁滞式等。,永磁铁,启动困难（除磁滞式和磁阻减速电机）,第六章 控制电机 6.4.1 永磁式同步电动机,

10、1.结构特点与基本工作原理,功率角正比负载转矩T,第六章 控制电机 6.4.1 永磁式同步电动机,2. 启动方法（鼠笼条，异步启动）,第六章 控制电机 6.4.2磁阻式电磁减速同步电动机,1. 结构特点（无启动绕组）,第六章 控制电机 6.4.2 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：结构筒单，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

11、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。,第六章 控制电机 6.4.2 同步电动机特点,三、磁滞式同步电动机 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。,n,T,第六章 控制电机 6.4.2 同步电动机特点,四、电磁减速同步电动机 特点：工作精度

12、高，可靠性好，动态性能好，能瞬时起动和停车，转速均匀稳定，噪音低。其中反应式结构简单，成本低廉，而永磁式结构复杂，但起动转矩大。应用范围：主要用于低速和瞬时转速稳定度要求高的场合，例如传真机、录音机和同步卫星地面站、制玲机构等。,第六章 控制电机 6.5 直线电动机,直线异步电动机、直线直流电动机和直线同步电动机三种 6.5.1直线异步电动机的结构,第六章 控制电机 6.5 直线电动机,6.5.1直线异步电动机的结构,第六章 控制电机 6.5.2 直线异步电动机的工作原理,行波磁场 行波磁场同步速,第六章 控制电机 6.5.3 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。

13、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。 应用于金属传送带、冲压和锻压机床及高速电力机车等。,第六章 控制电机 例 题,例6.1一台45SZ01型电磁式直流伺服电动机， 其主要技术数据如下：TN=0.0334N.m，nN=3000r/min，PN10W，UaN=24V，UfN=24V，IaN=1.1A,IfN033A。若忽略电动机旋转时本身的阻转矩，采用电枢控制方式，在负载转矩 TL0.0167N.m时，试求：(l)当电枢控制电压Uc=18V时的转速n和堵转(启动)转矩；(2)求启动负载时所需的最小启动(控制)电压UStm

14、in；作出额定电枢电压UaN分别为24V、18V以及Ustmin时的机械特性。 解 :l)求KeN、及Ra、n0N Tm=KtNIaN TN KtN=TN/IaN=0.0334/1.1=0.0304N.m/A KeN= KtN/9.55=0.00318V/r.min-1,第六章 控制电机 例 题,(2)求Ra 因为E=KeNnN =0.003183000=9.54V Ra=(UaN-EN)/IaN=(24-9.54)/1.1=13.15 (3)求理想空载转速 nON。 n0N= UaN/(KeN) =24/0.00318=7547r/min 2.)求UC=18V时的转速n和启动转矩TSt,理想

15、空载转速n0 (1)求转速n。由于忽略了空载转矩，则电磁转矩就等于负载转矩，故电枢电流 Ia与负载转矩TL成正比，所以 Ia=(TL/TN)IN=(0.0167/0.0334)1.1=0.55A,第六章 控制电机 例 题,求启动转矩Tst，因n=0且E0,求理想空载转速no,(3)求最小启动电压Ust mia因 n=0 E=0 Ia=0.55 Ust mia=IaRa=0.55 13.15=7.23V,第六章 控制电机 例 题,(4)机械特性n=f(T),第六章 控制电机 小 结,基本要求 了解机电传动控制系统中一些常用控制电机的基本结构； 掌握各种控制电机的基本工作原理、主要运行特性及特点； 了解各种控制电机的应用场所，以便正确选用和使用它们。重 点 掌握常用控制电动机的基本工作原理、运行特性与特点。 本章较难理解的内容是：交流伺服电动机为什么会出现“自转”现象以及消除“自转”现象的原理；,第六章 控制电机 习 题,6.2 6.5,