自动控制元件-3课件

自动控制元件直流伺服电动机的选择与使用一、型号与额定值直流伺服电动机的选择与使用额定功率：电动机在额定工况运行时，其轴端输出的机械功率。额定电压：额定工况运行时，电动机的励磁绕组和电枢绕组上所加的电压值。电枢控制时，励磁绕组加额定电压。额定电流：电动机在额定电压下，负载达到额定功率时的电枢电流和励磁电流值。对于连续运行的直流电动机，其额定电流就是电机长期安全运行的最大电流。短期超过额定电流（如起动时）是允许的，但长期超过额定电流将会使电机绕组和换向器损坏。额定转速：电动机在额定工况运行时每分钟的转数。它不是电动机允许的最高转速。额定转矩：电动机在额定工况时的输出转矩。直流伺服电动机的选择与使用直流伺服电动机的选择与使用直流伺服电动机的选择与使用二、电机参数的选择功率转矩最大输出功率或直流伺服电动机的选择与使用电流和电压最大电流最大电枢电压直流伺服电动机的选择与使用电动机与负载的惯量匹配快速响应是控制系统对电动机的基本要求。转动惯量大的电动机，机电时间常数也大，速度响应慢。但也不是说电机惯量越小越好。在惯量很小的电动机上直接联接大惯量负载并不能达到快速响应的目的。小惯量电机的热容量一般也很小，高速起动、制动或反向会使电枢电流急剧加大而使电机损坏。选择电机必须考虑电动机与负载的匹配，使其既能满足快速性要求，又能充分发挥电机本身的性能。电动机与负载的惯量匹配由电动机的最大输出转矩

令可得使T2max最小时的最佳减速比若＝1，TL=0，则一般直流力矩电动机主要优点有：1．耦合刚度高。由于不需减速器，提高了传动精度相稳定性；2．响应速度快。直流力矩电动机折算到负载轴上的转动惯量小(由于没有减速机构)、机电时间常数小、约十几毫秒。3．机械特性和控制特性的线性度好，硬度大；4．能在堵转(处于起动状态)和低速下运行，堵转情况下的转矩很大；在很低的转速下也能平稳地运行．转速的波动范围为每分钟几转到几十转，转矩的波动仅为5％左右，甚至更小。直流力矩电动机由于具有以上的特点，它特别适用于对速度和位置的控制精度要求很高的系统中。直流力矩电动机直流力矩电动机普通高速直流伺服电动机和力矩电动机两种驱动方案的对比直流力矩电动机直流力矩电动机结构特点直流力矩电动机运行性能分析1、电枢直径对转矩的影响在相同电枢电流、相同磁通密度及相同电枢体积的条件下，电磁转矩与电枢直径成正比。因此，Kt（及Ke）与直径成正比。直流力矩电动机3、力矩波动力矩波动是指输出转矩的峰值与平均值之差。力矩波动的大小是表征力矩电动机性能优劣的一个重要性能指标，也是影响普通直流电动机用于直接驱动系统低速平稳运行的重要因素之一。由于换向和电枢齿槽会引起力矩波动。直流力矩电动机4、控制特性的线性度为了使直流力矩电动机的转矩正比于输入电流，而与电机的转速、转角位置无关，应尽量减小电枢反应的去磁作用。通常，直流力矩电动机的磁路设计成高饱和状态，此时磁阻大，电枢电流产生的磁通小。选用磁导率小，磁阻大，回复线较平的永磁材料做磁极，而且选取较大的气隙。这样，就可以使电枢反应的影响显著减小。直流力矩电动机5、电磁时间常数采用直流力矩电动机直接驱动的伺服系统动态响应速度快，因此，机电时间常数将显著减小。此时电磁时间常数的影响相对增大，有时已不能忽略。由La/Ra可知，电枢绕组电感La有直接影响。可以证明，极对数越多，电枢反应磁链就越小，与它对应的电感也越小，所以采用较多的极对数就可以减小电磁时间常数。此外，适当地加大电机的气隙，也有利于减小电枢反应磁链，使电磁时间常数减小。提高电枢铁心的饱和程度，可以使漏磁回路磁阻增加，减小漏磁链，也使电机的电磁时间常数降低。直流力矩电动机1．连续堵转数据直流力矩电动机在长期堵转运行时，在规定的环境温度下，稳定温升不超过允许值的最大电枢电流及与之对应的堵转转矩、电枢电压和输入功率称为连续堵转电流、连续堵转转矩、连续堵转电压和连续堵转功率，简称堵转电流、堵转转矩、堵转电压和堵转功率。直流力矩电动机2．峰值堵转数据电枢电流对定子上的永久磁铁有去磁作用，电枢电流过大，会使永久磁铁产生不可逆去磁，因而将使电动机的空载转速升高，转矩下降。力矩电动机受定子永久磁铁去磁条件限制的允许最大电枢电流及与之对应的堵转转矩、电枢电压和输入功率简称为峰值电流、峰值转矩、峰值电压和峰值功率。直流力矩电动机3．转矩灵敏度直流力矩电动机的特性曲线具有很高的线性度，转矩和电枢电流之间的比值称为转矩灵敏度Kt。4．最大空载转速它是当电动机没有任何负载并加上额定控制电压时所能达到的最高转速。例题1解答例题2某一直流伺服电动机的电枢回路总电阻Ra=1Ω,当电枢两端外施阶跃电压Ua=15V时，电动机空载起动，实测的空载稳定转速为1450rpm,已知该电动机的理想空载转速为1500rpm,问：1）电动机的电势常数Ke=?；2)空载起动过程中电动机的电枢电流可能达到的最大值和稳定运行后电动机的电枢电流值；3）画出在空载起动过程中电机转速和电枢电流随时间的变化曲线。(假设）例题2解答思考题解答过渡过程曲线阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程过渡过程曲线第二章直流测速发电机直流测速发电机是一种把机械转速变换成电压信号的测量元件。实际上，它就是一台微型的直流发电机。直流测速发电机除了在控制系统中作为测速元件之外，还能当作阻尼元件，以及解算装置中的微分元件和积分元件。是控制系统中的一个重要测量转换元件。直流测速发电机直流测速发电机直流发电机的静态关系式直流测速发电机当测速发电机空载时，Iaf=0,有显然或直流测速发电机控制系统对直流测速发电机的主要技术性能要求1）输出电压要与转速成线性关系，并具有对称性，而且能保持稳定；2）输出特性的灵敏度高；3）输出电压的纹波小，即要求在一定的转速下输出电压稳定，波动小；4）电机的转动惯量要小，以保证响应速度快。此外，还要求高频干扰小，噪音小，工作可靠，以及结构简单，体积小和重量轻等。直流测速发电机直流测速发电机的分类1）永磁式励磁类2）电磁式励磁类直流测速发电机的输出特性一、静态特性因得整理后式中直流测速发电机的输出特性直流测速发电机的输出特性二、动态特性直流测速发电机的动态特性是指输入一个阶跃转速时，输出信号电压随时间的变化规律。直流测速发电机的输出特性直流测速发电机的输出特性测速发电机的动态关系式直流测速发电机的输出特性当测速发电机处于空载状态，即时，动态方程和静态方程没有区别的元件称之为比例元件。空载时的直流测速发电机是一个理想的比例元件。直流测速发电机的输出特性当测速发电机在有感性负载的情况下工作时将代入动态关系式，经标准化处理，得式中显然，这是一个非周期性元件，即惯性元件。直流测速发电机的输出特性解微分方程，可得输出电压的过渡过程时间函数输出特性的误差分析一、电枢反应考虑电枢反应的去磁作用时的气隙合成磁通输出特性方程式输出特性的误差分析考虑电枢反应影响时的输出特性输出特性的误差分析二、电刷与换向器的接触电阻与接触电压输出特性的误差分析同时考虑电枢反应和电刷与换向器接触压降影响后，直流测速发电机的输出特性输出特性的误差分析三、温度的影响温度变化会引起电枢绕组电阻变化，并引起绕组电流的变化。输出特性的误差分析四、延迟换向去磁输出特性的误差分析五、纹波输出特性的误差分析六、火花和电磁干扰直流测速发电机在控制系统中的应用一、直流测速发电机用作转速阻尼元件直流测速发电机在控制系统中的应用二、直流测速发电机用作反馈元件直流测速发电机在控制系统中的应用三、直流测速发电机作为微分或积分解算元件伺服电机的电枢电压为当放大器的放大倍数很大时，放大器的输入电压可近似地认为等于零或于是直流测速发电机在控制系统中的应用直流测速发电机的选择一、技术性能指标1）灵敏度即输出（特性）斜率2）线性误差（）3）最大线性工作转速（）4）负载电阻（）5）不灵敏区6）输出电压的不对称度7）纹波系数直流测速发电机的选择二、技术数据直流测速发电机的选择直流测速发电机的选择三、直流测速发电机的选择选择直流测速发电机，首先是根据它在控制系统中的功能确定对它的基本技术要求。当作为高精度速度伺服系统中的测量元件时，既要注意考虑线性度和纹波电压，又要注意考虑灵敏度；而作为解算元件时，则重点考虑纹波电压和线性度，灵敏度则可作第二位要求；当作为阻尼元件使用时，则应着重考虑灵敏度，而线性度和纹波电压则居次之。第三章步进电动机步进电动机是一种将数字式电脉冲信号转换成机械位移（角位移或线位移）的机电元件，它的机械位移与输入的数字脉冲信号有着严格的对应关系，即一个脉冲信号可使步进电动机前进一步，故称为步进电动机。由于它的输入信号为脉冲电压，因此又被称作脉冲电动机。步进电动机作为数字控制系统的佳配，它是一种比较理想的执行元件。步进电动机驱动控制系统的基本组成步进电动机步进电动机的主要优点是：直接实现数字控制，控制系统简单控制性能好输出转矩大，可直接驱动负载无接触式抗干扰能力强误差不长期积累具有自锁能力和保持转矩（永磁式）步进电动机的应用步进电动机的分类步进电动机的种类很多，按工作原理可分为三大类：1）反应式步进电动机2）永磁式步进电动机3）永磁感应子式步进电动机（混合式步进电动机）三相反应式步进电动机四相反应式步进电动机二相永磁式步进电动机永磁感应子式步进电动机永磁感应子式步进电动机混合式步进电机永磁感应子式步进电动机混合式步进电机A－A‘，B－B’剖面步进电动机的常用术语绕组相数定子磁极对数转子齿数齿距角步距角失调角零位或初始稳定平衡位置矩角特性步进电动机的常用术语最大静转矩最大静转矩特性精度起动频率运行频率起动矩频特性起动惯频特性运行矩频特性反应式步进电动机的结构特点单段式结构单段式又称为径向分相式，是步进电动机中使用最多的一种结构形式。多段式结构多段式又称为轴向分相式结构。多段式结构径向分相反应式步进电动机极对数等于相数，或相邻相极定转子之间错齿（每个极距所跨的齿距数不是整数）极距角齿距角齿数相邻相极定转子之间错齿原理三相反应式步进电机展开图相邻相极定转子之间错齿原理四相双四拍运行四相反应式步进电动机绕组通电方式四相单四拍四相双四拍四相单双八拍拍、拍数和运行方式把每一次通电状态的换接称为拍，每一拍转子相应旋转一个步距角；把完成一个通电状态循环所需要换接的控制绕组通电状态数称作拍数，用N表示。步距角一般反应式步进电动机可按两种基本方式进行：其一为整步运行：运行拍数等于相数，称为单拍制（N=m）；其二为半步运行：运行拍数等于相数的2倍（N=2m），称为双拍制。反应式步进电动机的绕组连接步进电动机的转速步进电动机的转速可见，步进电动机的转速将由控制脉冲频率（）、运行拍数（N）和转子齿数（Zr）决定。改变控制脉冲频率可对步进电动机实现均匀而宽范围的调速，快速起动、反转和制动也可由控制脉冲的频率变化灵活地实现。因此，步进电动机是数字控制系统良好的执行元件。步进电动机的转速步进电动机的转速表示控制绕组中的电流交变频率通电相极产生的电磁转矩（矩角特性）用电角度表示的齿距角从步进电动机工作原理可看出，无论以何种方式通电，完成一个通电循环，转子将转过一个齿距角。因此步进电动机的特性完全可由一个齿距范围内的特性来代表。我们定义电角度等于机械角度与转子齿数的乘积。用电角度表示的齿距角这样，无论转子齿有多少个，以电角度表示的齿距角和步距角与齿数无关。通电相极产生的电磁转矩封闭的磁系统电磁转矩磁场能量因有通电相极产生的电磁转矩电磁转矩因，磁导故或通电相极产生的电磁转矩三相反应式步进电动机绕组通电时的矩角特性A相通电B相通电C相通电A、B相同时通电矩角特性曲线族三相反应式步进电机矩角特性曲线族三相反应式步进电动机多相通电时的矩角特性A、B相同时通电B、C相同时通电C、A相同时通电三相反应式步进电动机多相通电时的矩角特性四相反应式步进电动机单相通电时的矩角特性A相通电B相通电C相通电D相通电四相反应式步进电动机矩角特性A、B相同时通电B、C相同时通电C、D相同时通电D、A相同时通电四相反应式步进电动机矩角特性曲线族三相反应式步进电动机的转矩矢量三相反应式步进电机绕组通电方式双三拍单双六拍三相混合式步进电机绕组通电方式12－2通电方式，6拍三相混合式步进电机绕组通电方式23－3通电方式，6拍三相混合式步进电机绕组通电方式32－3通电方式，12拍四相反应式步进电机绕组通电方式双四拍单双八拍二相混合式步进电机绕组通电方式双四拍单双八拍讨论题分别说明五相反应式步进电机和五相混合式步进电机运行时的绕组通电方式、步距角和负载能力。五相反应式转矩矢量五相混合式转矩矢量五相反应式转矩矢量步进电动机的动态特性一、单脉冲作用下的运行空载状态步进电动机的动态特性负载状态步距角与负载能力三相反应式空载情况下三相反应式负载情况下，比较a’,q,a”三种负载三相反应式多拍情况下，负载能力提高不同运行方式时的负载能力最大负载转矩（极限起动转矩）某种通电方式下，各相矩角特性曲线的交点——曲线族包络线的最低点Temq乃是步进电动机单步运行所能带动的最大负载转矩，称为极限起动转矩，实际电机所带的负载Tf必须小于这个转矩才能正常运转。对于不同的运行方式，由于步距角和最大静态转矩的不同，矩角特性曲线的交点位置也将不同。因此，对应的步进电动机的起动转矩Temq也必将不同。不同通电方式时的最大负载转矩三相反应式步进电动机三相单三拍三相双三拍三相单双六拍三相混合式步进电机负载能力不同通电方式时的最大负载转矩三相混合式步进电动机2－2通电方式3－3通电方式2－3通电方式步距精度步进电动机实际旋转的步距角与理论步距角之间是有偏差的。这个偏差以角分或理论步距角的百分数来衡量，称之为静态步距角误差。单脉冲作用下步进电动机的振荡现象单步运行时的动态微分方程式若步进电动机的负载阻转矩为零则因故式中单脉冲作用下步进电动机的振荡现象它是一个非线性方程，当步距角较小时，在平衡点附近可进行线性化处理，当变化很小时，有，则特征方程特征根单脉冲作用下步进电动机的振荡现象1）当B=0时，步进电动机处于无阻尼状态，特征根是一对共轭纯虚根。由初始条件可得转子围绕新的平衡位置作不衰减的自由振荡，振幅等于步距角，自由振荡角频率为。单脉冲作用下步进电动机的振荡现象单脉冲作用下步进电动机的振荡现象2）当或时，阻尼较小，特征方程的根是一对共轭复根，为幅值不断衰减的振荡曲线，步进电动机最后趋于新的平衡位置。其阻尼振荡角频率为单脉冲作用下步进电动机的振荡现象单脉冲作用下步进电动机的振荡现象3）当时，特征方程为两个实根，表明阻尼较大。这时是单调上升的曲线，步进电动机转子的运动不出现振荡现象。随着时间增大而趋于平衡位置。连续运行时步进电动机的动态特性动稳定区和稳定裕度连续运行时步进电动机的动态特性步进电动机的起动过程和起动频率连续运行时步进电动机的动态特性起动矩频特性在给定驱动电源的条件下，负载转动惯量一定时，起动频率与负载转矩的关系称作起动矩频特性。连续运行时步进电动机的动态特性起动惯频特性在给定驱动电源的条件下，负载转矩不变时，起动频率与负载转动惯量的关系，称作起动惯频特性。

不同控制脉冲频率下的连续运行极低频下运行不同控制脉冲频率下的连续运行低频丢步和低频共振不同控制脉冲频率下的连续运行连续控制脉冲作用下的稳定运行当

不同控制脉冲频率下的连续运行高频运行动态转矩、矩频特性和最高连续运行频率动态转矩、矩频特性和最高连续运行频率步进电动机的驱动电路步进电动机驱动电源（驱动器）的组成步进电动机驱动电源的构成驱动电路与绕组的连接方式单极性驱动

三相绕组四相绕组驱动电路与绕组的连接方式双极性驱动步进电动机的驱动电路一、单一电压型驱动电源步进电动机的驱动电路单电压驱动，串联不同电阻值时的特性步进电动机的驱动电路二、高低压切换型驱动电源步进电动机的驱动电路步进电动机的驱动电路三、带连续电流检测的高低压切换型驱动电源步进电动机的驱动电路步进电动机的驱动电路四、斩波恒流型驱动电源步进电动机的驱动电路五、调频调压型驱动电源步进电动机的驱动电路六、细分电路、平滑电路和自动升降频电路线性放大型细分电路开关放大型细分电路两相双极性步进电动机细分电流波形数字细分驱动的组成原理可编程量化的正余弦波形发生器步进电动机的选择与使用首先，根据系统的特点、精度的要求、使用的场合等确定将要选择使用的步进电动机类型