机电传动与控制第3章(上)

1、第第3 3章：控制电机章：控制电机本章基本要求和重点：本章基本要求和重点：1 1、掌握对控制电机的主要要求。、掌握对控制电机的主要要求。 它是用来完成信息的传递和变换，应具有良好的可控性，快它是用来完成信息的传递和变换，应具有良好的可控性，快速响应，大启动转矩，小转动惯量，精度要高，误差要小。速响应，大启动转矩，小转动惯量，精度要高，误差要小。2 2、了解机电传动控制系统中一些常用控制电机的基本结构。、了解机电传动控制系统中一些常用控制电机的基本结构。3 3、重点掌握各种控制电机的基本工作原理、重点掌握各种控制电机的基本工作原理、 主要运行特性及特主要运行特性及特点。点。4 4、了解各种控制电

2、机的应用场所，以便正确选用和使用它们。、了解各种控制电机的应用场所，以便正确选用和使用它们。5 5、难点是理解交流伺服电动机的自转现象及消除原理。、难点是理解交流伺服电动机的自转现象及消除原理。 伺服电动机也称为伺服电动机也称为执行执行电动机，将电信号转换轴上的转角或转电动机，将电信号转换轴上的转角或转速，有直流和交流两种，最大的特点是速，有直流和交流两种，最大的特点是可控可控。与普通电机相比：有。与普通电机相比：有调速范围广、能实现迅速的启和停、过载能力强，可靠性好等特点。调速范围广、能实现迅速的启和停、过载能力强，可靠性好等特点。3.1.13.1.1两相交流伺服电动机的结构两相交流伺服电动

3、机的结构 其定子绕组与单相电容分相式异步电动机相似，嵌入两个相差其定子绕组与单相电容分相式异步电动机相似，嵌入两个相差9090度的绕组，励磁绕组和控制绕组，它们分别接入两个不同的交流度的绕组，励磁绕组和控制绕组，它们分别接入两个不同的交流电源（同频率）。电源（同频率）。 其转子一般分为鼠笼转子和杯形转子两种。使用最多的是鼠笼其转子一般分为鼠笼转子和杯形转子两种。使用最多的是鼠笼转子的交流伺服电动机。转子的交流伺服电动机。n1)1)定子：定子： n定子由硅钢片叠成：定子由硅钢片叠成：n在定子铁心的内圆表面嵌在定子铁心的内圆表面嵌 n有两套相差有两套相差9090度电角度的绕组：激度电角度的绕组：激

4、磁绕组磁绕组WF,WF,控制绕组控制绕组WCWC； n这两套绕组分别由两个电源供电。这两套绕组分别由两个电源供电。n2)2)转子：转子：n分为鼠笼型和杯型两种分为鼠笼型和杯型两种。 n(1)(1)鼠笼型转子作得细而鼠笼型转子作得细而长，转子导体采用高电阻长，转子导体采用高电阻率的材料率的材料. .用于小功率的用于小功率的自动控制系统自动控制系统. .产品型号产品型号SLSL系列。系列。 n(2)(2)空心杯型转子作成薄空心杯型转子作成薄壁圆筒形壁圆筒形, ,放在内外定子放在内外定子之间，用于要求运行平滑之间，用于要求运行平滑的系统，产品型号的系统，产品型号SKSK系列系列。杯型转子伺服电动机结

5、构图杯型转子伺服电动机结构图 激磁绕组激磁绕组1;1;控制绕组控制绕组2;2;内定子内定子3; 3; 外定子外定子4;4;转子转子5 53.1.2 3.1.2 基本工作原理基本工作原理 以单相异步电动机原理为基础。励磁绕组接到电压一定的交流电以单相异步电动机原理为基础。励磁绕组接到电压一定的交流电网上，当控制绕组上有控制信号输入时，两相绕组产生旋转磁场。网上，当控制绕组上有控制信号输入时，两相绕组产生旋转磁场。同步转速为：同步转速为：pfn 600 把控制电压的相位改变把控制电压的相位改变180度，可改变伺服电动机的旋转方向。度，可改变伺服电动机的旋转方向。要求控制电压一但取消，电动机必须停转

6、。但是取消控制电压后，要求控制电压一但取消，电动机必须停转。但是取消控制电压后，励磁电压仍可使电动机继续旋转，既所谓励磁电压仍可使电动机继续旋转，既所谓“自转自转”现象。现象。3 3.1.3 .1.3 消除自转现象的措施消除自转现象的措施 其解决办法是，使转子导条具有较其解决办法是，使转子导条具有较大的电阻。这样最大转矩出现在大的电阻。这样最大转矩出现在s=1s=1附近。附近。可得出不同转子电阻的伺服电动机机械可得出不同转子电阻的伺服电动机机械特性曲线。特性曲线。232221rrr设计电阻使电动机单相运行时最大设计电阻使电动机单相运行时最大转矩出现在转矩出现在S SMM大于大于1 1 处。处。

7、 由图看出：曲线由图看出：曲线1 1为有控制电压时，曲线为有控制电压时，曲线T T为去掉控制电压时，此时为去掉控制电压时，此时T T与与n n相反，成为制相反，成为制动转矩，它可使转子迅速停止转动，保证不动转矩，它可使转子迅速停止转动，保证不会出现自转现象。而励磁绕组始终接在电源会出现自转现象。而励磁绕组始终接在电源上。合成电磁转矩出现在第二和第四象限。上。合成电磁转矩出现在第二和第四象限。控制方法有幅值控制、相位控制、幅值控制方法有幅值控制、相位控制、幅值-相位控制相位控制幅值控制接线图幅值控制接线图3.1.4 3.1.4 特性和应用特性和应用不同电压下的机械特性曲线不同电压下的机械特性曲线

8、 由图可见：在一定负载下，控制电压越高，由图可见：在一定负载下，控制电压越高，S S越小，转速越高。越小，转速越高。改变电压可改变转速。改变电压可改变转速。应用举例应用举例典型应用方框图典型应用方框图两相交流伺服电动机应用非常广泛：两相交流伺服电动机应用非常广泛： 可以方便的利用控制电压的有无来进行启动、停止，利用可以方便的利用控制电压的有无来进行启动、停止，利用改变电压的幅值（或相位）大小来调节转速的高低。而伺服电动改变电压的幅值（或相位）大小来调节转速的高低。而伺服电动机的性能直接影响着整个系统的性能。选择时要注意系统对伺服机的性能直接影响着整个系统的性能。选择时要注意系统对伺服电动机的静

9、态、动态特性的要求。一般输出功率不大。电动机的静态、动态特性的要求。一般输出功率不大。3.2 3.2 交流伺服电动机交流伺服电动机 交流伺服电动机减去了直流伺服电动机中的换向器，交流伺服电动机减去了直流伺服电动机中的换向器，提高了运行的可靠性。提高了运行的可靠性。 一、三相交流永磁伺服结构一、三相交流永磁伺服结构 1.1.定子定子 三相绕组和铁芯组成。三相绕组和铁芯组成。三相绕组三相绕组直流供电，由电子直流供电，由电子换向器轮流供电换向器轮流供电，以产生旋，以产生旋转磁场。（转磁场。（同步电机同步电机） 2.2.转子转子 永磁铁芯。永磁铁芯。 二、无刷直流电动机二、无刷直流电动机 1. 1.结

10、构结构 相当于一台反装式相当于一台反装式直流电动机。定子为三直流电动机。定子为三相绕组和铁芯组成。三相绕组和铁芯组成。三相绕组直流供电，由电相绕组直流供电，由电子换向器轮流供电，以子换向器轮流供电，以产生旋转磁场。产生旋转磁场。 转子为永磁体，转子轴上装有转子位置检测器、测速发转子为永磁体，转子轴上装有转子位置检测器、测速发电机和光电脉冲编码器。电机和光电脉冲编码器。 转子位置检测器：转子位置检测器：输出信号控制电子换向器，实现对电动输出信号控制电子换向器，实现对电动机的换向，即电子换向器中的晶体管的导通和截止由转子位机的换向，即电子换向器中的晶体管的导通和截止由转子位置检测器的输出信号控制。

11、置检测器的输出信号控制。 转子位置检测器的种类：光电式、电磁式、接近开关式。转子位置检测器的种类：光电式、电磁式、接近开关式。 测速发电机：测速发电机：检测转子的运行速度，用于速度反馈。检测转子的运行速度，用于速度反馈。 光电编码器：光电编码器：检测转子的旋转角度，输出信号反馈给检测转子的旋转角度，输出信号反馈给CNCCNC实现位置控制。实现位置控制。 2. 2.工作原理工作原理 三相绕组直流供电，由电子换向器轮流供电，以产生旋转磁场。三相绕组直流供电，由电子换向器轮流供电，以产生旋转磁场。 它的基本结构和工作原理与普通直流他励电动机相同，不同点它的基本结构和工作原理与普通直流他励电动机相同，

12、不同点在于做的细长一点，以便满足快速响应的要求。在于做的细长一点，以便满足快速响应的要求。2ceemURnTCC C 由上式可以看出：改变控制电压和改变磁通都可以控制伺服电由上式可以看出：改变控制电压和改变磁通都可以控制伺服电机的转速和转向。前者是机的转速和转向。前者是电枢控制电枢控制（常用），后者是（常用），后者是磁场控制磁场控制。 在磁通不变的情况下，在一定的负在磁通不变的情况下，在一定的负载转矩下，升高电压，电机转速就上升。载转矩下，升高电压，电机转速就上升。反之就下降，电机无自转现象。反之就下降，电机无自转现象。 直流伺服电动机与两相交流伺服直流伺服电动机与两相交流伺服电动机的机械特性

13、相比较，前者堵转矩电动机的机械特性相比较，前者堵转矩大，特性曲线线性度好，机械特性较硬，大，特性曲线线性度好，机械特性较硬，但缺点是有换向器，结构复杂，易产生但缺点是有换向器，结构复杂，易产生无线电干扰。通常用于功率稍大的系统无线电干扰。通常用于功率稍大的系统中。中。n结构特点结构特点:扁平状扁平状. n工作原理工作原理:同电磁式伺服电动机同电磁式伺服电动机.1.定子定子 2.电枢电枢 3.电刷架电刷架3.3.4 4.1 .1 永磁式直流力矩电动机的结构特点永磁式直流力矩电动机的结构特点3.3.4 4.2 .2 直流力矩电动机转矩大、转速低的原因直流力矩电动机转矩大、转速低的原因1 1. .

14、转矩大的原因转矩大的原因 由直流电动机的基本原理可知：每根导体由直流电动机的基本原理可知：每根导体所受的电磁力为：所受的电磁力为：lIBFa电磁转矩为：电磁转矩为：DlNIBDFNTa22 在电枢体积相同条件下，保持在电枢体积相同条件下，保持 不变，在相同电流和不变，在相同电流和相同用铜量条件下，应保持相同用铜量条件下，应保持 不变。所以满足上述条件，转不变。所以满足上述条件，转矩与直径近似成正比关系。矩与直径近似成正比关系。lD 2lN 2 2. .转速低的原因转速低的原因导体在磁场中运动切割磁力线产生感应电势为：导体在磁场中运动切割磁力线产生感应电势为：vlBea60nDv线速度为：线速度

15、为：设在一对电刷之间的并联设在一对电刷之间的并联支路数为支路数为2 2，N / 2N / 2根导体根导体串联后总感应电势为串联后总感应电势为EaEa，理想空载下则：理想空载下则： 在上式中，保持在上式中，保持NLNL不变下，理想空载转速和电枢铁心直不变下，理想空载转速和电枢铁心直径成径成反比关系。反比关系。1200nDlBNEaDlBNUna1200综述：综述： 在其他条件相同下，增大电动机直径，减少轴向长度，可满在其他条件相同下，增大电动机直径，减少轴向长度，可满足要求。（扁平状结构）。由于保证了能在低速或堵转下运行，足要求。（扁平状结构）。由于保证了能在低速或堵转下运行，加上它有精度高、反

16、应速度快、线性度好等特点，应用较广。加上它有精度高、反应速度快、线性度好等特点，应用较广。3.3.3 3.3.3 直流力矩电动机的特点和应用直流力矩电动机的特点和应用 对于一些控制设备和自动装置，（如传真机、电钟等）往往需要对于一些控制设备和自动装置，（如传真机、电钟等）往往需要速度恒定不变，使用之速度恒定不变，使用之。 它是交流同步电动机，定子结构与异步电动机无本质区别，转子它是交流同步电动机，定子结构与异步电动机无本质区别，转子上无绕组，结构简单。上无绕组，结构简单。 它的它的结构特点结构特点是，转子中包括永久磁铁和置于转子铁心中的是，转子中包括永久磁铁和置于转子铁心中的鼠笼绕组。（与大功

17、率同步电动机不同）鼠笼绕组。（与大功率同步电动机不同）它的它的工作原理工作原理与普通同步电动机的原理相似。与普通同步电动机的原理相似。 它也存在它也存在启动启动困难困难问题问题，为此转子上的鼠笼绕组起了启动绕，为此转子上的鼠笼绕组起了启动绕组的作用（即采用异步启动）。当负载转矩超过一定限度，电动组的作用（即采用异步启动）。当负载转矩超过一定限度，电动机将机将“失步失步”。适合于轻载启动。适合于轻载启动。srZZ rsZZ22它也是定子旋转磁通转过一个齿距它也是定子旋转磁通转过一个齿距后转子需转过的角度。后转子需转过的角度。电机旋转角速度为：电机旋转角速度为：因此定子磁场与转子旋转角速度之比为：因此定子磁场与转子