伺服电动机

前面介绍的异步电动机、直流电动机等都是作为动力使用的，其主要任务是能量的转换。各种控制电机有各自的控制任务：如:伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱动控制对象；测速发电机将转速转换为电压，并传递到输入端作为反馈信号。步进电动机将脉冲信号转换为角位移或线位移。本章介绍的各种控制电机的主要任务是转换和传递控制信号，能量的转换是次要的。控制电机的种类很多，本章只讨论常用的几种:伺服电机、测速电机、自整角机、步进电机。对控制电机的主要要求：动作灵敏、准确、重量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。伺服电动机可分为两类：伺服电动机又称执行电动机。其功能是将输入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角速度，驱动控制对象。交流伺服电动机直流伺服电动机伺服电动机伺服电动机可控性好，反应迅速。是自动控制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。伺服电动机及其控制伺服系统对伺服电动机的要求：（1）调速范围宽（2）机械特性和调节特性的线性度好:（3）无“自转”现象：（4）动态响应快:即要求电机的机电时间常数要小,堵转转矩要大,转动惯量要小,转速能随控制电压的变化而迅速变化。一、直流伺服电动机及其控制（一）直流伺服电动机按结构，分为传统型、低惯量型和直流力矩电动机1.传统型直流伺服电动机结构形式与普通直流电动机相同，只是它的容量和体积小得多。按励磁方式的不同分为电磁式和永磁式。一、直流伺服电动机及其控制（一）直流伺服电动机按结构，分为传统型和低惯量型2.低惯量直流伺服电动机（1）空心杯形转子直流伺服电动机2.低惯量直流伺服电动机（2）盘式电枢直流伺服电动机定子为永久磁钢，产生轴向磁场；电枢绕组沿圆周径向排列2.低惯量直流伺服电动机（3）无槽电枢直流伺服电动机一、直流伺服电动机及其控制（二）直流伺服电动机的控制1.电枢控制通过改变电枢电压来控制电机转速的方法称为电枢控制。2.励磁控制（只适用于电磁式）用调节磁通来控制电机转速的方法。直流伺服电动机的电枢控制始动电压失灵区一、直流伺服电动机及其控制（三）静态特性1.机械特性（放大器内阻对其影响）2.调节特性指负载转矩不变时，电机的转速随控制电压的变化关系。一、直流伺服电动机及其控制（三）动态特性电枢控制时的动态特性，是指电枢电压发生突变时，电枢转速从一种稳定转速到另变化一种稳定转速的过程。两个过渡：电气过渡（电枢有电感，电流不能突变）；机械过渡（电机和负载有转动惯量，转速不能突变）。两个过渡交织在一起形成了总的机电过渡。一、直流伺服电动机及其控制（三）动态特性机电时间常数（τm）：电机在空载状态下，励磁绕组加额定电压，电枢加阶跃额定控制电压时，转速从零上升到理想空载转速的63.2%所需的时间。t=4τm时n=0.985n0过渡过程结束，4τm为过渡过程时间。交流伺服电动机交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差90的两个绕组：励磁绕组和控制绕组，其结构如图所示。励磁绕组控制绕组杯形转子内定子交流伺服电动机结构图放大器检测元件控制信号2U2I+–U+–控制绕组励磁绕组UCU1I1U+++–––1转子：为保证其伺服特性，电阻大和转动惯量小。高电阻率导条的笼型转子（细长）空心杯形转子放大器检测元件控制信号2U2I+–U+–控制绕组励磁绕组UCU1I1U+++–––1工作原理如何换向交流伺服电动机的特点：1.启动转矩大2.运行范围较宽3.无自转现象不同控制电压下的机械特性曲线n=f(T),U1=常数Ton交流伺服电动机的机械特性如图所示。在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时，电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100W，电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广泛，如用在各种自动控制、自动记录等系统中。应用:简答题1.何谓机电时间常数？电动机的机电时间常数与哪些因素有关？以直流伺服电动机为例，说明降低时间常数的措施。2.交流伺服电动机的“自转”现象指什么？采用什么办法消除“自转”现象？3.已知一台直流电动机，其电枢额定电压Ua=110V，额定运行时的电枢电流Ia=0.4A，转速n=3600r/min，电枢电阻Ra=50Ω，空载阻转矩T0=15N·M。计算电动机的额定负载转矩是多少？（CT=9.55Ce）无刷直流电动机及其控制一、无刷直流电动机的组成二、无刷直流电动机的工作原理三、无刷直流电动机的控制四、无刷直流电动机的特性无刷直流电动机要解决的问题：1.检测电枢与主磁场的相对位置；2.在正确的位置上给电枢供电。一、无刷直流电动机的组成直流电源逆变器位置检测器电机本体输出控制器控制信号电机主体：电机本体、位置检测器、逆变器与永磁同步电动机结构类似1.电机本体2.位置检测器位置检测器：用于检测转子磁极的位置，为开关电路提供正确的换相信息。分为有位置传感器检测和无位置传感器检测3.逆变器逆变器：用于将交流电变换成直流电供电机使用。自控式逆变器：逆变器的输出频率受控于转子位置信号。4.控制器（1）接受电动机的启动、停止、制动及反转信号，以控制电动机的启动、停止和制动；（2）接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；（3）接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；（4）提供保护和显示等等。二、无刷直流电动机的工作原理要在电动机中产生恒定方向的电磁转矩，就应使电枢电流随磁场位置的变化而变化。为实现这一点，就需要确认磁极与绕组之间的相对位置信息。位置传感器将转子磁极的位置信号转换成电信号，然后去驱动功率器件，控制相应绕组电流的通、断由于传感器元件安装位置为空间互差120°电角度，因此三相绕组轮流通电时间也因为每相120°。二、无刷直流电动机的工作原理三、无刷直流电动机的特性1.启动特性2.机械特性（硬）为什么在转矩大、转速低时，直线变形？三、无刷直流电动机的特性3.调节特性4.工作特性效率高、高效区域大无刷直流电动机的特点：转矩特性好，转矩过载特性强、启动转矩大（堵转转矩）、启动电流小。四、无刷直流电动机的控制作业1.无刷直流电动机的组成及各部分的作用。电机本体的结构与普通直流电动机有什么不同。步进电动机特点:(1)来一个脉冲，转一个步距角。(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)改变脉冲顺序，可改变转动方向。步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段距离。种类：反应式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三种.下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。三相反应式步进电动机的原理结构图如下：ABCIAIBIC定子内圆周均匀分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相。转子有四个齿。定子转子1.三相单三拍CA'BB'C'A3412A相绕组通电，B、C相不通电。由于在磁场作用下，转子总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种情况下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与A、A′极对齐。CA'BB'C'A同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4齿和B、B´磁极轴线对齐；当C相通电时，转子再转过30角，1、3齿和C´、C磁极轴线对齐。C'CA'BB'A这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。按ABCA……的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)转过90°(一个齿距角)。2.三相单双六拍按AABBBCCCA的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'AA相通电，转子1、3齿与A、A'对齐。A、B相同时通电，A、A'磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子转过15，到达左图所示位置。CA'BB'C'AB相通电，转子2、4齿与B、B´对齐,又转过15。CA'BB'C'AB、C相同时通电，C'、C磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子再转过15。三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：AABBBCCCA，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角），一个通电循环周期(6拍)转子转过90(齿距角)。与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。3.三相双三拍按ABBCCA的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。AB通电CA'BB'C'ABC通电CA'BB'C'ACA通电CA'BB'C'A与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍。每拍转子转过30(步距角)，一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)。从以上对步进电机三种驱动方式的分析可得步距角计算公式：mZr360—步距角Zr—转子齿数m—每个通电循环周期的拍数实用步进电机的步距角多为3和1.5。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的，电机的转速n=?1.步进电机的电源是：2.步进电机的转向是由。。。。决定的。3.步进电机的转速是由。。。。。决定的。4.步进电机的位移是由。。。。决定的。5.如果一台步进电机的整步步距角是3，则其半步步距角是（），统称为（）6.A-B-C-A的供电方式叫（），A-AB-B-BC-C-CA-A…称为（）。写出各自换向的供电顺序。P179no.3永磁步进电动机（PM）选用步进电机时应注意以下几点：1、一般应选用力矩比实际需要大百分之五十到百分之百的步进电机，因为步进电机不能过负载运行，即便是瞬间过载都可能造成失步、停转或不规则原地来回运动。2、上位控制器输入的脉冲电流必须够大（一般要10mA），以确保光电耦合器稳定导通，否则会导致步进电机失步；如果输入脉冲频率过高，会因个别脉冲接收不到，导致步进电机失步。3、启动频率不应太高，应在启动程序中设置加速过程，即从规定的启动频率开始，加速到设定频率，否则就可能不稳定，甚至处于惰态。4、电机如果未固定好，造成强烈共振，也会导致步进电机失步。5、应了解步进电机的固有弱点：输入脉冲频率过高，易导致丢步；输入脉冲频率过低，易出现共振；转速偏高时扭矩降低明显。6、应了解最新型步进电机的性能，必要时选用采用了最新控制技术的高级步进电机系统，高级系统既可以使步进电机在高速状态下减少共振，还能运用减少步进电机反电动势的技术，增加电机在高速状态下的扭矩。1.步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机2.步进电机的步距角（电机固有步距角）它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°相关概念：3.保持转矩（HOLDINGTORQUE）也叫最大静转矩，是在额定静态电流下施加在已通电的步进电机转轴上而不产生连续旋转的最大转矩。4.定位转矩（DETENTTORQUE）是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。反应式步进电机没有保持转矩思考题：1.两相步进电机,转子齿数为100,采用四拍通电方式，当输入脉冲频率为1000Hz时，问转子旋转速度为多少？2.一台三相六拍运行的步进电机转子齿数=48，测得脉冲频率为600HZ。（1）通电顺序，（2）步距角和转速思考题：•目前常用步进电机多数都是两相，当需要很小的步距角时如何解决这个问题。步进电机驱动器的作用：脉冲分配、功率放大、电流控制步进电机驱动控制器脉冲发生器脉冲分配器功率放大器电源步进电动机步进电动机步进电动机步进电动机指令无刷直流电动机直线电动机短初级直线电动机（短定子）短次级直线电动机（长定子）节约成本，缩小体积灵敏度高，随动性好降低噪音散热好，可以提高电机的额定容量