6控制电机revised

1、Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章 控制电机 Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 本章重点 掌握机电传动控制系统中一些常用的控制 电机基本原理 常用的控制电机主要运行特性、特点及应 用场合 理解两相交流伺服电动机“自转”现象存 在的原因及消除 “自转”现象的措施 Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering

2、 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 小功率同步电动机 6.5 测速发电机 6.6 自整角机 6.7 直线电动机 Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电机控制电机 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，能在调速范围内连续平 滑调速。 2. 转子的惯性小，即能实现

3、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。 Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电机控制电机 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 Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电机控制电机 6.1 交流伺服电动机 两相交流伺服电动机两相交流伺服电动机性能特点性能特点, ,应用范围应用范围 种

4、类种类 型型 号号 结构特结构特 点点 性能特点性能特点应用范围应用范围 鼠笼式转 子 SLSL 类似于普 通鼠笼转 子但细长， 电阻率高 励磁电流小，体 积小，机械强度 高，低速不稳定， 速度有抖动 小功率的 自动控制 系统 空心杯转 子 SKSK 薄壁园筒 形，放于 内外定子 之间 转动惯量小，运 行平滑，无抖动 现象，励磁电流 大，体积大 要求运行 平滑的系 统 Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电机控制电机 6.1 交流伺服电动机 6.1.2 基本工作原理 f f C

5、f C C 圆形 磁场 椭圆磁场 Pfn/60 0 脉 动 磁 场 Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电机控制电机 6.1 交流伺服电动机 6.1.2 基本工作原理 000 /60nnnSPfn 椭圆磁场的椭圆磁场的 分解分解 一个大圆和一个大圆和 一个小的反一个小的反 向圆形磁场向圆形磁场 Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电机控制电机 6.1 交流伺服电动机

6、 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 Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电机控制电机 6.1 交流伺服电动机 6.1.3 消除自转现象的措施 TL 自转现象 脉动磁场旋转磁场当 0 C W Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电机控制电机 6.1 交流伺服电动机 6.1.3 消除自转现象的措施 椭圆磁

7、场脉动 磁场 脉动磁场 合成曲线 TL Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电机控制电机 6.1 交流伺服电动机 6.1.4 特性和应用 1. 控制特性 Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电机控制电机 6.1 交流伺服电动机 6.1.4 特性和应用 1. 控制特性 相对速度 有效信号系数 J K e U U 0 n n V 幅值控制 相位控制幅相控制 相对转矩 s

8、t T T m Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电机控制电机 6.1 交流伺服电动机 6.1.4 特性和应用 2.应用举例 Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电机控制电机 6.2 直流伺服电动机 直流伺服电动机特点和应用范围 Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第

9、六章第六章 控制电机控制电机 6.2 直流伺服电动机 直流伺服电动机特点和应用范围 Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电机控制电机 6.2 直流伺服电动机 直流伺服电动机电原理图 13. 3 00 2 nnKTnT KK R K U n te a e Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电机控制电机 6.2 直流伺服电动机 直流伺服电动机电原理图 13. 3 00

10、 2 nnKTnT KK R K U n te a e Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电机控制电机 6.2 直流伺服电动机 直流伺服电动机电原理图 13. 3 00 2 nnKTnT KK R K U n te a e Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电机控制电机 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 Dept. o

11、f Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电机控制电机 6.3 力矩电动机 6.3.2 直流力矩电动机转矩 大，转速低 1.转矩大的原因 DT D lNBI D NFT lBIF a a 正比于 2 . 6 22 2. 转速低的原因 3 . 6 120 120/ 60 0 0 NBlD U n DnNBlEU Dn vBlve a a 在电枢体积相同的条件 下，即保持lD 2 不变，当D增大时，l就 减小，其次导线粗细不 变，则导体数N应增加， 以保持Nl不变。 Dept. of Mechatron

12、ic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电机控制电机 6.3 力矩电动机 6.3.3 直流力矩电动机的特点和应用 优点优点：堵转矩大而不损坏，精度高，：堵转矩大而不损坏，精度高， 反应速度快，线性度好。反应速度快，线性度好。 应用于应用于数控机床、卫星天线、雷达天数控机床、卫星天线、雷达天 线的驱动等。线的驱动等。 Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电机控制电机 6.4 小功率同步电动机 需要恒转速，小

13、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、磁阻式、磁滞式 等。 永 磁 铁 启动困难（除 磁阻减速电机） Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电机控制电机 6.4.1 永磁式同步电动机 1.结构特点与基本工作原理 功率角 正比负 载转矩 T Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engine

14、ering 第六章第六章 控制电机控制电机 6.4.1 永磁式同步电动机 2. 启动方法（鼠笼条，异步启动） didd dss irr TTTT Tie Tie 制动矩（顺时针）反作用。所以转子受 逆时针，由于定子固定同理：定子 逆时针异步启动转子 Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电机控制电机 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） sr r r SS R rS ZZ Z Z ZZ K ZZ 22 / 2 4 . 6 22 0 p f Z ZZ Z

15、ZZ r Sr r Sr 2 0 00 00 50 1 100 98100 98,100 4 1 8 68 则当 sr ZZ Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电机控制电机 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；磁阻式电磁减速同步电动机 特点：无需加启

16、动绕组，结构简单，制造方便，成本 较低。它的转速一般在每分钟几十转到上百转之间。 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等。 Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电动机控制电动机 直线电动机在近直线电动机在近50年来发展很快。年来发展很快。 1945年美国的年美国的Westing-house电气公司首先研制成功名为电气公司首先研制成功名为 “Electrupult”的电力牵引飞机弹射器。的电力牵引飞机弹射器。它以它以7400kW的

17、直线电动机的直线电动机 为动力，成功地用为动力，成功地用4.1s时间将一架重时间将一架重4500kg的喷气式飞机在的喷气式飞机在102m行程内由行程内由 静止加速到静止加速到185km/h的速度。的速度。 1956年英国的年英国的Lath-waite等发表了有关直线电动机理论的论等发表了有关直线电动机理论的论 文；日本的宇佐美等着手研究无摩擦传动及无接触悬浮装置；文；日本的宇佐美等着手研究无摩擦传动及无接触悬浮装置； 1965年前苏联出版年前苏联出版液态金属电磁输送液态金属电磁输送一书；美国一书；美国 Skineer Preci公司出售名为公司出售名为Polynoid的圆筒形直线电动机，直的圆

18、筒形直线电动机，直 线电动机正式以商品的形式进入市场。线电动机正式以商品的形式进入市场。 6.5直线电动机直线电动机 国内外发展概况简述国内外发展概况简述 Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 1966年英国出版、年英国出版、Laithwaite的著作的著作“特殊用途感应电动特殊用途感应电动 机机”，为直线感应电动机理论奠定了基础。此后，直线电动机，为直线感应电动机理论奠定了基础。此后，直线电动机 进入了蓬勃发展阶段。许多国家为了把直线电动机用作高速地进入了蓬勃发展阶段。许多国家为了把直线电动机用作

19、高速地 面运输的推进装置，开展了大量研究工作。速度为面运输的推进装置，开展了大量研究工作。速度为500km儿左儿左 右的高速列车的技术问题相继获得解决。与此同时，各类直线右的高速列车的技术问题相继获得解决。与此同时，各类直线 电动机的工业应用也得到迅速发展，制成了不少具有实用价值电动机的工业应用也得到迅速发展，制成了不少具有实用价值 的装置，如用直线电动机传动的电动门、电磁搅拌器、传送带、的装置，如用直线电动机传动的电动门、电磁搅拌器、传送带、 自动绘图仪、计算机磁盘定位机构等。低速直线电动机在不少自动绘图仪、计算机磁盘定位机构等。低速直线电动机在不少 国家已有系列产品可供选用。国家已有系列产

20、品可供选用。 近年来，日本正在研究直线电动机传动的高速垂直运输装置，近年来，日本正在研究直线电动机传动的高速垂直运输装置， 拟用于超高层建筑的高速电梯。同时，直线电动机传动的三维拟用于超高层建筑的高速电梯。同时，直线电动机传动的三维 空间运输系统获得成功，电动机能水平、垂直运动，并能转弯，空间运输系统获得成功，电动机能水平、垂直运动，并能转弯， 已用于医院中安放药品、试样、材料的盒箱的空间运输。使用已用于医院中安放药品、试样、材料的盒箱的空间运输。使用 直线步进电动机的人工心脏和使用直线直流电动机的电磁推进直线步进电动机的人工心脏和使用直线直流电动机的电磁推进 船的研究正在进行之中。此外，直线

21、电动机在传动小车、搬运船的研究正在进行之中。此外，直线电动机在传动小车、搬运 钢管、搬运钢板、传送器件等方面已有成熟的应用。钢管、搬运钢板、传送器件等方面已有成熟的应用。 Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 我国自70年代以来，直线电动机的研究发展很快。 中国科学院电工研究所和上海工业大学、西安交 通大学、浙江大学、太原工业大学等高等学校以 及一些科研单位和厂矿企业，在直线电动机的理 论研究和工业应用中取得了许多成果。在直线电 动机应用方面成果丰富，获得推广并取得较大效 益的有：煤矿井口推车机、电

22、动门、送料机械手、 铁路栏道栅、调车场加减速器、电磁打箔锤、窗 帘开闭器、浮法玻璃搅拌机等。 目前已经开始磁 悬浮列车研究。 Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电机控制电机 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 Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电机控制电机 6.5 直线电动机 6.5.1直线异

23、步电动机的结构 较常用较常用 Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电机控制电机 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 7 . 6/2scmfv s ）极距（cm 9 . 6121SfvSv S S S v vv S 滑差率 次级的功率因素 磁通量的幅值 初级一对极的 推力 2 22 cos cos m m KpIF Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章

24、第六章 控制电机控制电机 6.5.3 直线电动机的特点 1.1.无中间传动装置，系统简单、减小振动无中间传动装置，系统简单、减小振动 和噪音。和噪音。 2.2.响应快、加速和减速时间短，可快速启响应快、加速和减速时间短，可快速启 动和正反转。动和正反转。 3.3.散热良好，额定值高，对启动的限制小。散热良好，额定值高，对启动的限制小。 4.4.装配灵活性大。装配灵活性大。 应用于金属传送带、冲压和锻压机床及高应用于金属传送带、冲压和锻压机床及高 速电力机车等。速电力机车等。 Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engin

25、eering 第六章第六章 控制电机控制电机 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，PN 10W，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UStmin；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)l)求KeN、及Ra、n0N Tm=K

26、tNIaN TN KtN=TN/IaN=0.0334/1.1=0.0304N.m/A KeN= KtN/9.55=0.00318V/r.min-1 Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电机控制电机 例例 题题 (2)求Ra 因为E=KE=Ke eN Nn nN N =0.00318=0.003183000=9.54V3000=9.54V R Ra a=(U=(UaN aN-E -EN N)/I)/IaN aN=(24-9.54)/1.1=13.15 =(24-9.54)/1.1=

27、13.15 (3)求理想空载转速 nON。 n n0N 0N= = U UaNaN/(K /(Ke eN N) =24/0.00318=7547r/min) =24/0.00318=7547r/min 2.)求UC=18V18V时的转速n和启动转矩T TSt St, ,理想空载转速n n0 0 (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 IaIa与负载转矩TL成正比，所以 I Ia a=(T=(TL L/T/TN N)I)IN N=(0.0167/0.0334)=(0.0167/0.0334)1.1=0.55A1.1=0.55A min/ r3387 00318. 0 15.1355. 018 K RIU n Ne aac Dept. of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering 第六章第六章 控制电机控制