控制电机(概述、伺服电机)(2012,6,28)

控制电机河北联合大学电气工程学院ElectricalEngineeringCollege,HebeiUnitedUniversity主要内容概述伺服电动机测速发电机自整角机旋转变压器步进电动机123456概述1定义：随着自动控制系统和计算装置的不断发展,在普通旋转电机的基础上,产生了具有多种特殊性能的小功率电机,它们在自动控制系统中和计算装置中分别作为执行元件、检测元件和解算元件，这类电机统称“控制电机”。解算元件执行元件检测元件伺服电机测速发电机旋转变压器控制电机用途概述一、控制电机的发展概况国外：30年代开始发展40年代初：产生了自整角机、旋转变压器、交直流伺服电动机、交直流测速发电机等一些基本系列。60年代：又相继出现多极自整角机、步进电动机等，结构变化也大，形成了多种新型结构系列电机，如无刷直流电机、无槽电机、直线电机等。概述国内：50年代后发展起来，开始主要是仿制。60年代后，逐渐形成自己的系列产品，如自整角机、旋转变压器、各种伺服电动机、测速发电机等。与国外相比，距国外先进水平还有很大差距：▲品种规格不够齐全▲生产工艺、材料性能、生产效率、电机性能等方面都有一定的差距。这些都是控制电机行业需要解决的一些问题。二、控制电机的特点（与普通电机相对而言）工作原理上，与普通电机无本质区别。从使用场合、使用目的、完成的任务和它们各项概述性能指标的要求等方面与普通电机有一些区别：（1）普通电机容量较大，控制电机容量很小；（2）普通电机作为动力机械来使用，主要完成机电能量转换；控制电机在自动控制系统中作为检测元件或执行元件，主要完成的任务是信号传递与转换，速度与角度的测量等任务，能量转换不主要；（3）普通电机强调它的各项力能指标，而控制电机对它的可靠性、精确度、快速性要求很高。三、控制电机的应用场合（1）在冶金、机械、化工、造纸等各行业的各种调速系统、随动系统和一些执行机构中都有广泛应用；概述（2）在军工、航空、航天装置中应用更多：如：一架飞机需上百台不同种类的控制电机，如果没有这些控制电机就不能可靠工作，飞机就不能升空。因此，控制电机已成为自动控制系统的一类重要部件。四、控制电机的分类按照传统概念,控制电机分为控制电机(1)(力能电机)和控制电机(2)(信号电机)两大类：▲控制电机(1)：根据现代运动控制的需要,以电磁理论为基础,研究一组特定的输入控制变量和输出被控变量之间的工程类学科。即研究几种能量(如电能、机械能和热能)之间转换规律的学科；但其基本工作原理和电磁关系与一般电机相同。主要特点是：●因控制的需要,尤其因运动控制(工业进步)而产生。●输入和输出均为可控变量并相互关联。●涉及电磁理论、控制理论、电子技术、计算机技术、集成电路技术和新材料技术等多门学科。●具有系统性和集成性,技术含量高。●损耗研究相对复杂。●基础理论仍为电磁理论。概述概述▲控制电机(2)：研究输入和输出成某种严格函数关系或输出能准确反映输入的一类特殊电机；发展历史较短。由于控制电机(2)多用在工业自动控制、军事装备和航空航天工业领域,因此要求：●精度高●可靠性高●体积小,重量轻●由于功能及运动形式的不同，励磁方式种类繁多等因素，使得控制电机(2)零部件多,结构精密，复杂多样。●抗干扰能力强。控制电机力能电机信号电机两相交流伺服电动机永磁直流伺服电动机有限转角电动机直线电动机超声波电动机开关磁阻电动机步进电动机永磁交流伺服电动机无刷直流力矩电动机自整角机旋转变压器感应移相器轴角编码器测速发电机概述五、国内研究机构与生产企业：上世纪60年代建立的西安微电机研究所、上海微电机研究所、中科院北京电工所和有关高校是中国重要的控制电机科研基地。装备于国防工业现代化和工业自动化领域。国内高校是一支很强的微特电机研究主体，如哈工大、沈阳工业大学、西安交大、西北工大、华中科大、浙大、东南大学、南京航空航天大学、湖南大学、上海交通大学、合肥工大学等。生产企业多位于广东、上海、浙江和江苏等地，民营企业较多。概述六、技术发展动态：●大：出现了上万千瓦的电机（如永磁同步电机、风力发电机和伺服电动机等）；外形尺寸有1000毫米以上电机。如直径为1.1米的旋转变压器等。●微：60年代微电机外径最小12.5毫米,现在已有1毫米甚至几个微米的电机。如超声波电机和形状记忆合金电机等。手机振动电机直径是Φ2—Φ8毫米。●新、特：从原理应用、结构组合、功能组合等方面创新，产生了许多特种、新颖电机。如超声波电机、静电电机、光热电机、热磁电机、微波电机、片状电机、磁滞伸缩电机、磁流体电机等。概述参考资料：1杨渝钦.控制电机.北京：机械工业出版社.2彭鸿才.电机原理及拖动.北京:机械工业出版社.3莫会成.控制电机的发展及建议.微电机，2005，38（6）：74-77.4杨文焕.电机与拖动基础.西安:西安电子科技大学出版社，2008.总学时26学时,其中:课堂教学:20学时实验教学:4学时伺服电动机伺服电动机：把输入控制电压信号变为转轴的角位移或角速度输出的电动机。其转轴的转向与转速随电压信号的方向和大小而改变，并且能带动一定大小的负载，在自动控制系统中作为执行元件。故伺服电动机又称为执行电动机。2控制信号消失后，转子立即停转。伺服电动机1）伺服电动机的特点：●转子转速受输入信号控制，加上控制电压，它应当马上旋转；去掉控制电压，它应当马上停止。●机电时间常数小、线性度高。●快速反应，转速高低应与控制电压成正比。2）伺服电动机的分类：（1）直流伺服电动机：输出功率较大，一般可达1—600瓦（2）交流伺服电动机：输出功率较小，一般为0.1—100瓦。直流伺服电动机一、基本结构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。按磁极的种类分类:（1）永磁式直流伺服电动机，其转子磁极是永久磁铁；（2）电磁式直流伺服电动机，其结构和工作原理与他励直流电机没有本质不同。稀土永磁直流伺服电机直流伺服电动机直流伺服电动机用途:既可作为驱动电动机，也可作为伺服电动机使用。如机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、自动化生产线等对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求相对较高的设备。直流伺服电动机直流伺服电动机的控制方法：一种是电枢控制，励磁绕组加恒定电压Uf，电枢绕组加控制电压Ud，通过改变电枢绕组电压Ud的大小与方向来实现对转子转速和转向的控制；另一种是磁场控制，电枢绕组加恒定电压Ud，励磁绕组加控制电压Uf，通过改变励磁绕组电压Uf的大小与方向来实现对转子转速和转向的控制。这种控制方式主要针对电磁式直流伺服电动机。后者的控制性能不如前者，所以很少采用。下面只介绍电枢控制时的直流伺服电动机特性。直流伺服电动机励磁绕组接到电压恒定为Uf的直流电源上，产生励磁电流If，从而产生励磁磁通Φ，电枢绕组接控制电压Ud，那么直流伺服电动机电枢回路的电压平衡方式为ddaUEIR直流伺服电动机电枢控制线路图直流伺服电动机若不计电枢反应的影响，电机的每极气隙磁通将保持不变，则电动机的电磁转矩公式为aeECnTaTCI由上面三式可得到电枢控制的直流伺服电动机的机械特性方程式为daem0em2eeTURnTnTCCC（13-1）直流伺服电动机式(13-1)是直流电机的机械特性方程。1.直流伺服电动机的机械特性直流伺服电动机的机械特性：电枢电压（控制电压）恒定时其转速与电磁转矩之间的关系曲线。根据式(13-1)可以绘出不同控制电压Ud下的机械特性，如图13-1所示。图13-1直流伺服电动机的机械特性直流伺服电动机由图13-1可见，直流伺服电动机的机械特性为一组平行的直线。随着控制电压Ud的增加，直线的斜率β保持不变，机械特性向上平移。当控制电压Ud不变，转矩Tem增大时，转速n降低，转矩的增加和转速的降低呈线性关系。当T=0时，理想空载转速：0deUnCTKdaCTUR当n=0时，堵转转矩：直流伺服电动机2.直流伺服电动机的调节特性直流伺服电动机的调节特性是指：在一定的转矩下，转子转速n与控制电压Ud之间的关系n=f(Ud)。根据式(13-1)：daem0em2eeTURnTnTCCC可绘出不同负载转矩下的调节特性，如图13-2所示。直流伺服电动机图13-2直流伺服电动机的调节特性直流伺服电动机直流伺服电动机的调节特性的特点：1.当Tem一定时，控制电压Ud越高，则转速n越高，控制电压增加与转速增加之间成正比关系。2.当n=0时，不同的转矩需要的控制电压Ud也不同。例如Tem=Tem1，Ud=Ud1，表示只有控制电压UdUd1时，电动机才能转动。当Ud=0～Ud1时，电动机不能转动。所以，称0～Ud1区间为死区或失灵区，Ud1称为始动电压。3.当Tem不同时，始动电压也不同，Tem大的始动电压也大。4.当Tem=0即电动机理想空载时，只要有控制电压Ud，电动机就能转动。交流伺服电动机1.交流伺服电动机结构交流伺服电动机就是两相异步电动机。定子：有两相绕组，空间互成90°电角度。一相绕组为励磁绕组f，另一相绕组为控制绕组K。转子主要有三种结构形式：（1）笼型转子这种笼型转子结构及工作原理和三相异步电动机的笼型转子一样，只是两相绕组，工作时产生椭圆形或圆形旋转磁场，转子导条切割磁场产生感应电动势，产生短路电流和电磁转矩，使电动机转动。交流伺服电动机（2）非磁性空心杯转子非磁性空心杯转子由铝或铜制成，在内外定子之间转动，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；空心杯转子相当于导条无穷多的笼型转子，工作原理和笼型伺服电动机相似。优点：转动惯量小，摩擦转矩小，运行平稳，噪声小。缺点：磁路磁阻大，励磁电流大，功率因数低。交流伺服电动机图非磁性空心杯转子结构图1-空心杯转子；2-外定子；3-内定子；4-机壳；5-端盖交流伺服电动机（3）磁性空心杯转子不需要内定子，杯的厚度比非磁性空心杯大，转子转动惯量较大，响应速度较慢，应用不多。电机运行时，励磁绕组接单相交流电压Uf，控制绕组接控制电压UK，两者频率相同。改变控制电压UK的幅值或相位，就可以实现转速控制。富士伺服电机交流伺服电动机2.交流伺服电动机的特性要求作为伺服机，交流伺服电机除了必须具有线性度很好的机械特性和调节特性外，还必须具有伺服性。即控制信号电压强时，电动机转速高；控制信号电压弱时，电动机转速低；控制信号电压等于零时，电动机不转。伺服性:交流伺服电动机普通异步电动机:转速不是转矩的单值函数，而且只能在一定范围内稳定运行。伺服电动机:则要求机械特性必须是单值函数并尽量具有线性特性，以确保在整个调速范围内稳定运行。方法:加大转子电阻，使得产生最大转矩时的转差率sm≥1，使电动机在整个调速范围内接近线性。一般情况下，转子电阻越大，机械特性越接近线性，但堵转转矩和最大输出功率越小，效率越低。因此，交流伺服电机的效率比一般驱动用途的电机低。交流伺服电动机3.交流伺服电动机的伺服性对于普通两相异步电动机，一旦转子转动后，即使一相绕组从电源断开，两相异步电动机仍可作为单相交流电机运行。在0n≤n1范围内，单相电机的转矩Tem+0，转子将继续沿原转向旋转，如图13-3所示。交流伺服电动机图13-3两相交流电机单相运行时的机械特性交流伺服电动机4.交流伺服电动机的“自转”现象：正在运行的交流伺服电动机的控制电压一旦变为零，电机就运行于只有励磁绕组一相通电的情况下，电机必然在原来的旋转方向上继续旋转，只是转速略有下降。这种信号电压消失后伺服电动机仍然旋转不停的现象称为自转自转现象破坏了伺服性，对于伺服电动机应绝对避免这种情况。分析：为了避免自转现象，交流伺服电动机使用了很大的转子电阻，使sm+=1，这时交流伺服电动机的机械特性如图13-4所示。交流伺服电动机图13-4交流伺服电动机自转现象的避免从图13-4中所示的单相绕组通电时的机械特性可见，在正转电磁转矩特性曲线Tem+=f(s)上，Tem+=Tm+时的临界转差