控制及执行元件直流电机课时

2023/9/22概述：第二部分：空气动力学测量；惯性量测量；方位角测量；定位测量；导航系统；其他辅助量测量。第三部分：舵机（液动）；电机（电动）。飞行器2023/9/23概述：分系统部分：执行元件执行元件小型无人机/导弹中大型飞机舵回路控制系统2023/9/24概述：飞行器整体部分：2023/9/25常用元件分类：执行元件：力矩电机（电气控制）；液压缸/液压马达（液压控制）；气动缸（气动控制）。控制元件：液压类：伺服阀、换向阀、比例阀等；气动类：比例阀、换向阀、节流阀等。2023/9/26电机的基本概念：定义：又称为马达或电动马达，是一种将电能转化成机械能，并可再使用机械能产生动能，用来驱动其他装置的电气设备。

电机的分类及应用：直流电机和交流电机（按工作电源分类）；直流电机、交流同步电机和交流异步电机（按结构和工作原理分类）；驱动用电机、控制用电机（按应用目的分类）；步进电机、伺服电机（按控制方式分类）；等等…。直流电机分类：分为直流伺服电机、直流力矩电机等。按控制方式又分为磁场控制式和电枢控制式。2023/9/27直流电机：组成及结构：2023/9/28直流电机：工作原理：此为一个简单的直流电（D.C.）电机。当线圈通电后，转子周围产生磁场，转子的左侧被推离左侧的磁铁，并被吸引到右侧，从而产生转动；转子依靠惯性继续转动；当转子运行至水平位置时电流变换器将线圈的电流方向逆转，线圈所产生的磁场亦同时逆转，使这一过程得以重复。2023/9/29直流电机：磁场基本知识：磁势：称为磁势，它描述了磁场强度矢量H和电流I之间的关系。磁场密度：磁通量：磁通是表示磁场强弱的物理量。电磁力矩：电磁力（力矩）是由磁场产生的。2023/9/210直流电机：物理及数学模型：ia不变:磁场控制型if不变:电枢控制型2023/9/211直流电机：物理及数学模型：磁场控制型电机转矩放大系数电机激磁电枢感抗电机激磁电枢阻抗负载角惯量负载阻尼2023/9/212直流电机：物理及数学模型：磁场控制型对于惯性环节，其阶跃响应为：2023/9/213直流电机：物理及数学模型：磁场控制型电磁时间常数分析：a.时间常数越小，电机响应越快；b.减小Lf，提高响应；c.增加Rf，影响Km。分析：a.时间常数越小，系统响应越快；b.减小Jl，提高响应；c.增加Bl，速度提高的情况下，负载增大，反而造成效果不佳。因此，拖动小负载时，速度很快。负载时间常数分析：Km反映了电机在单位电压输入时，电机输出扭矩的大小。2023/9/214直流电机：物理及数学模型：电枢控制型2023/9/215直流电机：基本方程归纳：瞬态电压平衡方程：力矩平衡方程：改写重新划分：T0：空载力矩，包含机械摩擦力矩和电磁阻力矩两个部分；T1：负载力矩，实际它还包含负载角惯量所引起的力矩；T2：惯性力矩，在稳态或匀速状态时，为零；加速时，T2>0；减速时，T2<0。2023/9/216直流电机：基本方程归纳：功率平衡方程：Pr：电枢损耗（铜耗）；Pm：电枢绕组的电磁功率；电磁功率本来是电枢想输出给负载的，但是不是都给负载了呢？热量2023/9/217直流电机：基本方程归纳：功率平衡方程：继续往下看：热量2023/9/218直流电机：基本方程归纳：功率平衡方程：总结：a.定义电机效率为：b.应从系统的角度去设计一个对象，无论是机械系统、电气系统还是液压系统；c.后续的液压舵机也会面临效率的问题。2023/9/219直流电机：运行特性：机械特性：定义：当磁场（if不变或永磁磁场）和输入电枢电压Ua保持不变时，电机转速和输出力矩之间的关系。2023/9/220直流电机：运行特性：机械特性：定义：当磁场（if不变或永磁磁场）和输入电枢电压Ua保持不变时，电机转速和输出力矩之间的关系。2023/9/221直流电机：运行特性：调节特性：定义：当磁场（if不变或永磁磁场）和负载力矩Tm保持不变时，电机转速和输入电枢电压之间的关系。Tm0等于什么？意味着什么？2023/9/222直流电机：直流电机的使用：起动：定义：直流电机从静止状态到稳定运转状态的过程叫做起动过程。起动初始状态：起动电流2023/9/223直流电机：直流电机的使用：起动：分析：考虑大功率（几十千瓦以上，驱动用）和小功率（控制用）两种电机。a.大功率电机：由于功率很大，工作电压较高，这类电机的起动电流一般是稳态（额定）电流的几十倍，由于电流很大，可能对容量有限的电源造成影响，并对电机的换向是不利的。为了限制起动电流，必须提供一种方法。2023/9/224直流电机：直流电机的使用：起动：分析：考虑大功率（几十千瓦以上，驱动用）和小功率（千瓦以下，控制用）两种电机。a.大功率电机：由于功率很大，工作电压较高，这类电机的起动电流一般是稳态（额定）电流的几十倍，由于电流很大，可能对容量有限的电源造成影响，并对电机的换向是不利的。为了限制起动电流（限制到1.5～2倍额定电流），必须提供一种方法。2023/9/225直流电机：直流电机的使用：起动：分析：考虑大功率（几十千瓦以上，驱动用）和小功率（控制用）两种电机。a.小功率电机：由于功率工作电压低，这类电机的起动电流一般是稳态（额定）电流的5～6倍，故可以不接限流电阻直接起动。但要注意一个问题，电机控制器的功率要能满足电机的起动要求。2023/9/226直流电机：直流电机的使用：运转方向的控制：2023/9/227直流电机：直流电机的使用：制动：方式：能耗制动、反接制动和反馈制动。发电机状态2023/9/228直流电机：直流电机的使用：调速：方式：电枢电压调速、电枢电阻调速和励磁电流调速。例题：已知一台直流他励电机，原来运行状态为Ua=110V，Ub=90V，Ra=20欧姆，Ia=1A，n1=3000rpm。现在励磁回路中串入调节电阻Rj，使得磁通减小10%，问在保持转矩不变的情况下，求磁通减小后的转速n2。2023/9/229直流电机：力矩电机：力矩电机是一种结合了伺服电机和驱动电机特点而发展起来的一种特殊电机，目前在控制领域得到了广泛的应用。力矩电机可在很低的转速下提供较大的扭矩，因此可以不经过减速器等机构直接驱动低速负载。在位置伺服控制系统中，它可以工作在堵转状态；在速度伺服控制系统中，它又可以工作在低速状态，且输出较大的力矩。所以力矩电机是一种直接驱动负载的执行元件。目前，力矩电机的输出力矩可达上千牛米，空载转速为10rpm。2023/9/230直流电机：力矩电机：与普通电机的异同点：a.工作原理相同；b.结构和外型存在差异；c.角惯量较小，输出力矩大，转速可很低；d.一般是永磁多极式。2023/9/231直流电机：力矩电机：

示意：2023/9/232直流电机：力矩电机：驱动方式：直流电源驱动和PWM驱动。PWM原理及基础理论：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。2023/9/233直流电机：力矩电机：驱动方式：直流电源驱动和PWM驱动。PWM波的优点：

PWM脉宽调制，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变周期来控制其输出频率。而输出频率的变化可通过改变此脉冲的调制周期来实现。这样，使调压和调频两个作用配合一致，且于中间直流环节无关，因而加快了调节速度，改善了动态性能；由于输出等幅脉冲只需恒定直流电源供电，使电网侧的功率因数大大改善；利用PWM逆变器能够抑制或消除低次谐波。加上使用自关断器件，开关频率大幅度提高，输出波形可以非常接近正弦波。

2023/9/234直流电机：力矩电机：驱动方式：直流电源驱动和PWM驱动。PWM波的产生：2023/9/235直流电机：力矩电机：驱动方式：直流电源驱动和PWM驱动。后置滤波综合放大1综合放大2解调滤波速度微分PWM驱动器D/A输入RVDT输出+—三角波调偏电压误差信号VCCPWM信号LM1112023/9/236直流电机：力矩电机：驱动方式：直流电源驱动和PWM驱动。H桥电路：2023/9/237直流电机：力矩电机：习题：1.已知一台直流电机，原来运行状态为Ua=110V，Ub=90V，Ra=20欧姆，Ia=1A，n1=3000rpm。将Ua降低一半，问在保