电机拖动与电气控制 第2版 教案 第4章 控制电机

电机拖动与电气控制课程教案章节名称第4章常用低压电器4.1伺服电动机4.2测速发电机授课时数2授课形式教学目标①了解伺服电机、测速发电机工作原理和结构，电机在工业控制中的应用。②能按照国家标准选用伺服电机和测速发电机，按照规范标准正确进行控制调试电机。③尊重标准，自觉学习，树立民族自信教学重点难点伺服电机、测速发电机工作原理教学内容4.1伺服电动机随着“工业4.0”和“中国制造2025”的相继提出和不断深化，全球制造业正在向着自动化、集成化、智能化及绿色化方向发展。中国作为全球第一制造大国，以工业机器人为标志的智能制造在各行业的应用越来越广泛观看视频。通过视频了解工业机器人是由伺服电机驱动。数控机床360度切削钢管的驱动装置是由步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机组成。一、伺服电动机又称为执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件。根据使用电源的不同，伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机输出功率较大，功率范围为1～600瓦，有的甚至可达上千瓦；而交流伺服电动机输出功率较小，功率范围一般为0.1～100瓦。1.直流伺服电动机直流伺服电动机实际上就是他励直流电动机，其结构和原理与普通的他励直流电动机相同，只不过直流伺服电动机输出功率较小而已。1）结构2）控制方式当直流伺服电动机励磁绕组和电枢绕组都通过电流时，电动机转动起来，当其中的一个绕组断电时，电动机立即停转，因此直流伺服电动机控制信号，既可加到励磁绕组上，也可加到电枢绕组上。若把控制信号加到电枢绕组上，通过改变控制信号的大小和极性来控制转子转速的大小和方向，这种方式叫电枢控制；若把控制信号加到励磁绕组上进行控制，这种方式叫磁场控制。磁场控制有严重的缺点，使用的场合很少。直流伺服电动机主要以电枢控制为主。3）直流伺服电动机的特性=1\*GB3①机械特性直流伺服电动机电枢回路的电压平衡方式为:忽略电枢反应的影响，电机的每极气隙磁通将保持不变，则电动机的电磁转矩为所以：电枢控制的直流伺服电动机的机械特性方程式为

由机械特性曲线可以看出直流伺服电动机调速线性度好，转速调整范围大，起动转矩大，效率高。改变控制电压，如UC1大于UC2大于UC3，则n0改变，机械特性的斜率不变，机械特性是一组平行的直线，机械特性曲线与横轴的交点处的转矩就是n=0时的转矩，直流伺服电动机的堵转转矩。若负载转矩，则电机堵转。机械特性调节特性=2\*GB3②调节特性在一定的转矩下，直流伺服电动机的转速n与控制电压的关系称为调节特性。调节特性也可由机械特性表达式画出，如图所示，调节特性也是一组平行线。由调节特性可以看出，当转矩不变时，如，增强控制信号，直流伺服电动机的转速增加，且呈正比例关系；反之，减弱控制信号减弱到某一数值直流伺服电动机停止转动，即在控制信号小于时，电机堵转，要使电机能够转动，控制信号必须大于才行，故叫做始动电压，实际上始动电压就是调节特性与横轴的交点。所以，从原点到始动电压之间的区段，叫做某一转矩时直流伺服电动机的失灵区。由图可知，T越大，始动电压也越大，当为理想空载时，始动电压为0V，即只要有信号，不管是大是小，电机都转动。从上述分析可知，电枢控制时的直流伺服电动机的机械特性和调节特性都是线性的，而且不存在“自转”现象，在自动控制系统中是一种很好的执行元件。在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的直流电动机的调速系统。但直流伺服电动机电枢电流较大；电刷和换向器维护工作量大；接触电阻不稳定；电刷与换向器之间的火花有可能对控制系统产生干扰。所以现代数控机床和工业机器人都倾向采用交流伺服驱动。二、交流伺服电动机1.交流伺服电动机的结构交流伺服电动机的定子与异步电动机类似，在定子槽中装有励磁绕组和控制绕组，而转子主要有笼型转子和非磁性空心杯转子两种结构形式。笼型转子和三相异步电动机的笼型转子一样，但笼型转子的导条采用高电阻率的导电材料制造，如青铜、黄铜。另外，为了提高交流伺服电动机的快速响应性能，宜把笼型转子做成又细又长，以减小转子的转动惯量。笼型转子的交流伺服电动机体积较大，气隙小，所需的励磁电流小，功率因数较高，电动机的机械强度大，但快速响应性能稍差，低速运行也不够平稳。非磁性空心杯转子结构如图所示。它有两个定子：外定子和内定子，外定子铁芯槽内安放有励磁绕组和控制绕组，而内定子一般不放绕组，仅作磁路的一部分。空心杯转子位于内外绕组之间，通常用非磁性材（如铜、铝或铝合金）制成，在电机旋转磁场作用下，杯形转子内感应产生涡流，涡流再与主磁场作用产生电磁转矩，使杯形转子转动起来。由于非磁性空心杯转子的壁厚约为0.2～0.6mm，因而其转动惯量很小，电机快速响应性能好，运转平稳平滑，无抖动现象。由于使用内外定子，气隙较大，故励磁电流较大，体积也较大。空心杯转子的交流伺服电动机有转动惯量小且具有较大的电阻和响应快、运行平稳的优点，但结构复杂，气隙大，空载电流大，功率因数较低。2.工作原理交流伺服电动机实际上就是两相异步电动机，所以有时也叫两相伺服电动机。如图所示，电机定子上有两相绕组，一相叫励磁绕组，接到交流励磁电源上，另一相为控制绕组C，接入控制电压，两绕组在空间上互差90°电角度，励磁电压和控制电压频率相同。交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机有相似之处。当交流伺服电动机的励磁绕组接到励磁电压上，若控制绕组加的控制电压为0V时，产生的是脉振磁通势，所建立的是脉振磁场，电机无起动转矩；当控制绕组加的控制电压，并且产生的控制电流与励磁电流的相位不同时，建立起椭圆形旋转磁场，如果若与相位差为90°时，产生的时圆形旋转磁场，这时转子上产生起动力矩，电机转动起来。如果电机参数与一般的单相异步电动机一样，那么当控制信号消失时，电机转速虽会下降些，但仍会继续不停地转动。伺服电动机在控制信号消失后仍继续旋转的失控现象称为“自转”。那么，怎么消除“自转”这种失控现象呢？单相绕组通过电流产生的脉振磁场可以分解为正向旋转磁场和反向旋转磁场，正向旋转磁场产生正转矩T+，起拖动作用，反向旋转磁场产生负转矩T-，起制动作用，正转矩T+和负转矩T-与转差率s的关系如图虚线所示，电机的电磁转矩T应为正转矩T+和负转矩T-的合成，在图中用实线表示。电磁转矩的方向与转速的方向相同，当控制电压为0时，电动机仍然能够转动。增加转子电阻后，正向旋转磁场所产生的最大转矩时的临界转差率随转子电阻的增加而增加，而反向旋转磁场所产生的最大转矩所对应的转差率相应减小，合成转矩即电机电磁转则相应减小，继续增加转子电阻，使正向磁场产生最大转矩时的，使正向旋转的电机在控制电压消失后的电磁转矩为负值，即为制动转矩，使电机制动到停止；若电机反向旋转，则在控制电压消失后的电磁转矩为正值，也为制动转矩，也使电机制动到停止，从而消除“自转”现象，可以通过增加转子电阻的办法来消除“自转”。增大转子电阻，不仅可以消除“自转”现象，还可以扩大交流伺服电动机的稳定运行范围。但转子电阻过大，会降低起动转矩，从而影响快速响应性能。3.控制方法由伺服电机的工作原理我们知道，当控制电压的大小或相位不同时，电机的气隙内产生的椭圆形旋转磁场的椭圆度就会不同，则产生的电磁转矩也不同，电机的转速也会发生变化；因此，交流伺服电动机的调速控制方式有三种：１）幅值控制通过改变控制电压的大小来控制电机转速，此时控制电压与励磁电压之间的相位差始终保900电角度。在=0时，控制信号消失，气隙磁场为脉振磁场，电机不转或停转。2）相位控制相位控制是通过改变控制电压与励磁电压之间的相位差来实现对电机转速和转向的控制，而控制电压的幅值保持不变。改变与相位差的大小，可以改变电机的转速，还可以改变电机的转向：将交流伺服电动机的控制电压的相位改变180°电角度时（即极性对换），若原来的控制绕组内的电流超前于励磁电流，相位改变180°电角度后，反而滞后，从而电机气隙磁场的旋转方向与原来相反，从而使交流伺服电动机反转。3）幅值-相位控制励磁绕组串接电容C后再接到交流电源上，控制电压与电源同相位，但幅值可以调节，当的幅值可以改变时，转子绕组的耦合作用，使励磁绕组的电流也变化，从而使励磁绕组上的电压及电容C上的电压也跟随改变，与的相位差也随之改变，即改变的大小，与的相位差也随之改变，从而改变电机的转速。幅值—相位控制线路简单，不需要复杂的移相装置，只需电容进行分相，具有线路简单、成本低廉、输出功率较大的优点，因而成为使用最多的控制方式。4.2测速发电机由天宫一号与神舟九号顺利对接和雷达天线跟踪引入测速发电机。测速发电机是将机械转速转换为相应的电压信号，在自动控制系统中常用作测量转速的信号元件。测速发电机有交流测速发电机、直流测速发电机两类。一、直流测速发电机1.结构直流测速发电机与小型普通直流发电机的结构相同。包括电磁式和永磁式两类。电磁式直流测速发电机采用他励结构，其工作原理与直流他励电动机相同，工作时励磁绕组发热会引起励磁绕组电阻的变化，从而引起励磁电流的变化，会造成一定的测量误差。永磁式直流测速发电机结构简单，受温度变化引起的误差也小，应用广泛。2.工作原理如图直流测速发电机的励磁绕组接固定电源，励磁绕组上产生恒定磁场，电枢绕组在外力拖动下以转速旋转时，电枢上的导体切割气隙磁通，电刷两端产生感应的电势。。空载时，直流测速发电机的输出电压就是空载电势，这时。因此输出电压与转速成正比。接上负载以后，如果负载电阻为，在不计电枢反应的条件下，输出电压为将代入式中可得若保持、、不变，直流测速发电机的输出电压与转速仍成线性关系，但是当负载电阻减小时，输出电压随之降低。从图中可见，RL2小于RL1时，负载电阻越小，输出电压越低。但随着负载电阻减小，电枢电流加大，电枢反应的去磁作用增加，尤其在高速时，造成输出电压与转速之间的线性关系不再满足。为减少电枢反应的影响，直流伺服电动机常常安装补偿绕组。二、交流测速发电机交流测速发电机有异步与同步之分，在自动控制系统中交流异步测速发电机应用较广。1.结构交流异步测速发电机与交流伺服电动机的结构相似，其转子结构也分为笼型转子和杯型转子。杯形转子测速发电机快速性好，灵敏度高，转动惯量小。转子电阻比伺服电动机的转子电阻更大一些，通常采用电阻率大、湿度系数小的硅锰青铜或锡锌青铜制成，杯壁厚为0.2～0.3mm。在自动控制系统中多用空心杯转子异步测速发电机空心杯转子异步测速发电机定子内定子和外定子。定子上有两个在空间上互差90°电角度的绕组，一为励磁绕组，另一为输出绕组，在机座号较小的测速发电机中，两相绕组均嵌放在内定子上；而机座号在36号以上测速发电机中，励磁绕组嵌放在外定子上，输出绕组嵌放在内定子上，以便调整两相绕组的相对位置，使剩余电压最小。2.工作原理当定子励磁绕组外接频率为的恒压交流电源，励磁绕组中有电流流过，在直轴（即d轴）上产生以频率脉振的磁通。在转子不动时，空心杯转子可以看成有无数根导条的笼型转子，脉振磁通在空心杯转子中产生感应电动势，空心杯转子中产生电流，电流产生与励磁电源同频率的脉振磁场，也为d轴，都与处于q轴的输出绕组无磁通交链。在转子转动时，转子切割直轴磁通，在杯型转子中感应产生旋转电势，其大小正比于转子转速n，并以励磁磁场的脉振频率交变，又因空心杯转子相当于短路绕组，故旋转电势在杯型转子中产生交流短路电流，其大小正比于，其频率为的交变频率，若忽视杯型转子的漏抗的影响，那么电流所产生的脉振磁通的大小正比于，在空间位置上与输出绕组的轴线（q轴）一致，因此转子脉振磁场与输出绕组相交链而产生感应电势E，所以输出绕组感应产生的电势E实际就是交流异步测速发电机输出的空载电压U，其大小正比于转速n，其频率为励磁电源的频率。课外拓展了解伺服电机和测速发电机在工业控制中的应用，浏览相关资源，完成相关作业或任务，巩固学习成果，提升综合素养。电机拖动与电气控制课程教案章节名称第4章常用低压电器4.3步进电动机4.4直线电动机授课时数2授课形式教学目标①了解步进电动机和直线电动机工作原理和结构，步进电动机和直线电动机在工业控制中的应用。②能按照国家标准选用步进电动机和直线电动机，按照规范标准正确进行控制调试电机。③尊重标准，自觉学习，树立民族自信教学重点难点步进电动机和直线电动机工作原理教学内容4.3步进电动机通过步进电动机驱动在丝杠运动视频，引入步进电动机。随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，在智能汽车传输，5G通信设备，智能机器人，智能家居，医疗保健和电子产品等行业都有应用。步进电动机是一种把电脉冲转换成角位移的电动机。用专用的驱动电源向步进电动机供给一系列的且有一定规律的电脉冲信号，每输入一个电脉冲，步进电机就前进一步，其角位移与脉冲数成正比，电机转速与脉冲频率成正比，而且转速和转向与各相绕组的通电方式有关。一、步进电动机的分类永磁式步进电机的转子是用永久磁钢制成的，也有通过滑环由直流电源供电的励磁绕组制成的转子，这类步进电机转子中产生励磁。与永磁式步进电机不同，在反应式步进电机中，其转子由软磁材料制成齿状，转子的齿也称显极，这种步进电机的转子中没有励磁绕组。二、步进电动机的原理下面仅以反应式步进电动机为例，学习步进电动机的基本运行原理。这是反应式步进电动机结构模型，定子上有三对磁极，每对磁极上绕有一相控制绕组，转子有四个分布均匀的齿，齿上没有绕组。第一步将A相控制绕组通电，而B相和C相不通电，步进电动机的气隙磁场与A相绕组轴线重合，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，因此电机转子受到一个反应转矩，就是静转矩。在这个转矩的作用下，使转子的齿1和齿3旋转到与A相绕组轴线相同的位置上，此时整个磁路的磁阻最小，转子只受到径向力的作用而反应转矩为零。同理如果B相通电，A相和C相断电，那转子受反应转矩而转动，使转子齿2齿4与定子极B、对齐，此时，转子在空间上逆时针转过的空间角q为30°，也就是前进了一步，转过的这个角叫做步距角。如果C相通电，A相B相断电，转子又逆时针转动一个步距角，使转子的齿1和齿3与定子极C，对齐，所以我们按A-B-C-A顺序不断地接通和断开控制绕组，电机便按逆时针的方向一步一步地转动，步进电动机的转速取决于绕组变换通电状态的频率，即输入脉冲的频率。如果要改变步进电动机的旋转方向，可以按A-C-B-A顺序通电，则电机反向一步一步转动。几个概念：1）一拍，在步进电机中，控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍。2）步距角，每一拍转子转过的角度我们就称为步距角。Zr是转子齿数，N是转子转过一个齿距需要的拍数为N3）三相步进电动机的控制方式，有三相单三拍、三相双三拍、三相单、双六拍控制方式。步进电动机的运行方式每次只有一个绕组单独通电，控制绕组每换接三次构成一个循环，这种方式称为三相单三拍。三相单三拍控制方式切换瞬间，转子失去自锁能力，容易失步（即转子转动步数与拍数不相等），在平衡位置也容易产生振荡。运行不稳定，很少采用。若按AB-BC-CA-AB顺序通电，每次均有两个控制绕组通电，称为三相双三拍，按三相双三拍方式运行时，其步矩角与三相单三拍一样，都是30°。按A-AB-B-BC-C-CA-A顺序通电，每次循环需换接6次，故称为三相六拍，因单相通电和两相通电轮流进行，故又称为三相单、双六拍。步距角只有三相单三拍和双三拍的一半，为15º。三相单、双六拍控制方式在切换过程中始终保证有一相持续通电，力图使转子保持原有位置，工作比较平稳。例Zr=40的步进电动机的计算：这是一种步距角较小的反应式步进电机的典型结构。其转子上均匀分布着40个齿，定子上有三对磁极，每对磁极上绕有一组绕组，A、B、C三相绕组接成星形。采用三相单三拍通电时各量的计算：θ采用三相六拍通电时：θ4.4直线电动机视频磁悬浮列车采用磁力悬浮车体，应用直线电动机驱动技术，使列车在轨道上浮起滑行。引入直线电动机直线电动机的类型很多，从原理上讲，每一种旋转电动机都有与之相对应的直线电动机。因此直线电动机有直线感应电动机、直线直流电动机和直线同步电动机。一、直线感应电动机直线感应电动机主要有扁平型、圆筒型和圈盘型3种类型其中，扁平型应用最为广泛。1.扁平型直线电动机可以看作是由旋转式感应电动机演变而来的。设想把旋转感应电动机沿径向剖开，并将圆周展开成直线，即可得到扁平型直线感应电动机，由定子演变而来的一侧称为一次侧，由转子演变而来的一侧称为二次侧。由于运行时一次侧和二次侧之间要作相对运动，为了保证在所需的行程范围内，一次侧和二次侧之间的电磁耦合始终不变，实际应用时，必须把一次侧和二次侧制造成不同长度，既可以是一次侧长、二次侧短，也可以是一次侧短，二次侧长。由于短一次侧结构比较简单，制造成本和运行费用均比较低，故除特殊场合外，一般均采用短一次侧。这样的扁平型直线感应电动机只有在二次侧的一边具有一次侧，这种结构形式称为单边型。它的最大特点是在—次侧和二次侧之间存在较大的法向吸力，这在大多数场合下是不希望发生的。若在二次侧的两边都装上一次侧,则法向吸力可以互相抵消，这种结构形式称为双边型。扁平型直线感应电动机的—次侧铁心由硅钢片叠成，与二次侧相对的一面开有槽，槽中放置绕组。绕组可以是单相、两相、三相或多相的。二次侧有两种结构类型：一种是栅型结构，铁心上开槽，槽中放置导条；并用端部导条连接所有槽中导条；另一种是实心结构，采用整块均匀的金属材料，可分为非磁性二次侧和钢二次侧。非磁性二次侧的导电性能好，一般为铜或铝。2.圆筒型（又称管型）