自动控制元件15

自动控制元件第七章新型控制元件低惯量直流伺服电动机直流伺服电动机具有启动转矩大、调速范围宽、机械特性和调节特性线性度好、控制方便等优点，因此获得了广泛应用。但是，由于直流伺服电动机转子是带铁心的，加之铁心有齿槽，因而带来性能上的缺陷。如转动惯量大、机电时间常数较大、灵敏度差、转矩波动较大、低速运转不够平稳、换向火花带来无线电干扰，并影响电机寿命，使其应用上受到一定的限制。目前国内外已在普通直流伺服电动机的基础上发展了低惯量直流伺服电动机。主要形式有：杯形电枢直流伺服电动机；盘形电枢直流伺服电动机；无槽电枢直流伺服电动机。它们已广泛应用于现代携带式电声、电视设备和计算机外围设备以及高灵敏度伺服系统中。一、空心杯电枢直流伺服电动机空心杯电枢直流伺服电动机这种电机的性能特点如下：

1.低惯量由于转子无铁心，且薄壁细长，惯量极低，有超低惯量电动机之称。

2.灵敏度高因转子绕组散热条件好，绕组的电流密度可取到30A/，并且永久磁钢体积大，可提高气隙的磁通密度，所以力矩大。加上惯量又小，因而转矩／惯量比很大，机电时间常数很小（最小的在1ms以下），灵敏度高，快速性好。其始动电压在100mV以下，可完成每秒钟250个起、停循环。3.损耗小效率高因转子中无磁滞和涡流造成的铁耗，所以效率可达80%或更高。4.力矩波动小，低速运转平稳，噪音很小由于绕组在气隙中均匀分布，不存在齿槽效应，因此力矩传递均匀，波动小，故运转时噪音小，低速运转平稳。5.换向性能好，寿命长由于杯形转子无铁心，换向元件电感很小，几乎不产生火花，换向性能好，因此大大提高了电机的使用寿命。而且换向火花很小，可大大减小对无线电的干扰。二、盘形电枢直流伺服电动机盘形电枢直流伺服电动机盘形电枢直流伺服电动机盘形电枢直流伺服电动机具有与杯形电枢类似的特点，简述如下：

1.电机结构简单，制造成本低

2.启动转矩大由于电枢绕组全部在气隙中，散热良好，其绕组电流密度比一般普通的直流伺服电动机高10倍以上，因此容许的启动电流大，启动转矩也大。

3.力矩波动很小，低速运行稳定，调整范围大而平滑能在1:20的速比范围内可靠平稳运行。这主要是由于这种电机没有齿槽效应以及电枢元件数、换向片数多的缘故。

4.换向性能好电枢由非磁性材料组成，换向元件电感小，所以换向火花小。

5.电枢转动惯量小，反应快机电时间常数一般为10~15ms，属于中等惯量伺服电动机。盘形电枢直流伺服电动机适用于低速和启动、反转频繁，要求薄形安装尺寸的系统中。目前它的输出功率一般在几瓦到几千瓦之间。其中功率较大的电机主要用于数控机床、工业机器人、雷达天线驱动和其他伺服系统。三、无槽电枢直流伺服电动机

无槽电枢直流电动机的结构和普通直流电动机的差别仅仅是电枢铁心是光滑、无槽的圆柱体。电枢的制造是将敷设在光滑电枢铁心表面的绕组用环氧树脂固化成型并与铁心粘结在一起，其气隙尺寸较大，比普通的直流电动机大10倍以上。定子励磁一般采用高磁能的永久磁钢。无槽直流电动机具有转动惯量低、启动转矩大、反应快、启动灵敏度高、转速平稳、低速运行均匀、换向性能良好等优点。目前电机的输出功率在几十瓦到10Kw以内，机电时间常数为5~10ms。主要用于要求快速动作、功率较大的系统，例如数控机床和雷达天线驱动等方面。无刷直流电动机无刷直流电动机利用电子换向开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器，使这种电机既具有直流电动机的特性，又具有交流电动机运行可靠、维护方便等优点，它的转速不再受机械换向的限制，若采用高速轴承，还可以在高达每分钟几十万转的转速中运行。其缺点是结构比较复杂，包括电子换向器在内的体积较大，转矩波动大，低速时运行的均匀性差。一、无刷直流电动机的基本结构无刷直流电动机是由电动机、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成。直流电源通过开关线路向电动机定子绕组供电，电动机转子位置由位置传感器检测并提供信号去触发开关线路中的功率开关元件使之导通或截止，从而控制电动机的转动。无刷直流电动机原理图无刷直流电动机的基本结构位置传感器位置传感器是无刷直流电动机的关键部分，其作用是检测转子磁场相对于定子绕组的位置。它有多种结构形式，常见的有电磁式、光电式和霍尔元件。电磁式位置传感器光电式位置传感器霍尔位置传感器二、无刷直流电动机工作原理1.三相非桥式星形接法无刷直流电动机工作原理无刷直流电动机工作原理导通角、扇形片张角、磁状态角导通角：每一晶体管导通时转子所转过的空间电角度称为导通角。扇形片张角：转子位置传感器的导磁扇形片张角至少应该等于导通角。通常为了保证前后两个导通状态之间不出现间断，就需要有个短暂的重叠时间，必须使扇形片张角略大于导通角。磁状态角：电枢磁场在空间保持某一状态时转子所转过的空间电角度，即定子上前后出现的两个不同磁场轴线间所夹的电角度称为磁状态角，或称状态角。无刷直流电动机工作原理2.三相星形桥式接法无刷直流电动机工作原理三相混合式步进电机绕组通电方式1

2－2通电方式，6拍无刷直流电动机工作原理3.三相封闭形桥式接法无刷直流电动机工作原理三相混合式步进电机绕组通电方式23－3通电方式，6拍三、无刷直流电动机的运行特性以三相非桥式星形接法两极电机为例，分析无刷直流电动机的运行特性1.电枢电流A相电压平衡方程式为电枢电流2.电磁转矩