第二章控制电机基础

控制电机基础第二章控制电机基础机电液伺服系统及设计控制电机基础2.1直流伺服电动机2.1.1直流伺服电动机的工作原理2.1.2直流伺服电动机的静态特性2.1.3直流伺服电动机的动态特性2.2电-机械转换器2.2.1动圈式电-机械转换器2.2.2动铁式电-机械转换器2.3步进电机主要内容控制电机基础2.1直流伺服电动机一、直流伺服电动机的工作原理ffnSN-+AB在两电刷间加直流电压。如图所示，电流从B刷流入，由A刷流出。N极处有效导体中的电流由纸里指向外，用⊙表示；S极处有效导体中的电流由外指向纸里，用表示。控制电机基础2.1直流伺服电动机-工作原理ffnSN-+ABBlifB—导体所在处的磁密度（磁感应强度），Wb/m2；l—导体在磁场中的长度，m；i—导体中流过的电流，A。用左手定则确定电磁力的方向。载流导体在磁场中受到电磁力为控制电机基础直流电机是可逆的，它根据不同的外界条件而处于不同的运动状态。如输入机械能时，迫使它旋转，它便输出电能，处于发电机状态，此时称为发电机。当在电刷两端加电压输入电能时，它便旋转起来，输出机械能，处于电动机状态。2.1直流伺服电动机-工作原理控制电机基础二、直流伺服电动机的结构和分类（一）传统式直流伺服电动机永磁式直流伺服电动机是在定子上装置由永久磁钢做成的磁极。目前我国生产的SY系列直流伺服电动机属于这种结构。传统式直流伺服电动机可分为永磁式和电磁式两种。电磁式（串激式和他激式）直流伺服电动机的定子通常由硅钢片冲制叠压而成，磁极和磁轭整体相连，在磁极铁芯上套有激磁绕组，目前我国生产的SZ系列直流伺服电动机属于这种结构。2.1直流伺服电动机控制电机基础这两者电机的转子铁芯均由硅钢片冲制叠压而成，在转子冲片的外圆周上开有均布的齿槽，在转子槽中放置电枢绕组，并经换向器、电刷引出。2.1直流伺服电动机-分类控制电机基础（二）低惯量式直流伺服电动机无槽电枢直流伺服电动机。无槽电枢直流伺服电动机的电枢铁芯上并不开槽，电枢绕组直接排列在铁芯表面，再用环氧树脂把它与电枢铁芯粘成一个整体。定子磁极可以用永久磁钢做成，也可以采用电磁式结构。电动机的转动惯量和电枢绕组电感比无转子铁芯的电机要大些，因而其动态性能稍差。目前我国生产的SWC系列直流伺服电动机属于这种结构。2.1直流伺服电动机-分类控制电机基础（二）低惯量式直流伺服电动机盘形电枢直流伺服电动机；盘形电枢直流伺服电动机的定子是由永久磁钢和前后磁轭所组成，磁钢在圆盘的一侧放置，也可以在两侧同时放置。电机的气隙就位于圆盘的两边，圆盘上有电枢绕组，可分为印刷绕组和线绕式绕组两种形式。2.1直流伺服电动机-分类控制电机基础（二）低惯量式直流伺服电动机空心杯电枢永磁式直流伺服电动机空心杯电枢永磁式直流伺服电动机有一个外定子和一个内定子。通常外定子由两个半圆形的永久磁钢所组成；内定子为圆柱形的软磁材料做成，仅作为磁路的一部分，以减小磁阻。空心杯电枢上的电枢绕组可采用印刷绕组，也可以先绕成单个成型线圈，然后将它们沿圆周的轴向方向排列成空心杯形，再用环氧树脂固化成型。空心杯电枢直接装在电机轴上，在内、外定子之间的气隙中旋转。电枢绕组接到换向器上，由电刷引出。目前我国生产的SYK系列直流伺服电动机属于这种结构。2.1直流伺服电动机-分类控制电机基础（三）直流伺服电动机的性能比较2.1直流伺服电动机-分类结构形式激磁方式电枢型式沟槽式/S无槽-铁芯/C无槽-无铁芯-铜导线/U无槽-空心杯式-铝导线/L轴向间隙AG软磁铁激磁/E△△××永久磁钢-铁鑫氧/F△△△△永久磁钢-铝铁镍钴/A○○○○永久磁钢-稀土/R○○○●径向间隙RG软磁铁激磁/E××××永久磁钢-铁鑫氧/F×△△△永久磁钢-铝铁镍钴/A×△○○永久磁钢-稀土/R×△○●注：×-不实用；△-性能一般；○-高性能；●-超高性能控制电机基础2.1直流伺服电动机三、直流伺服电动机的控制方式电磁式直流伺服电动机，采用电枢控制时，其激磁绕组由外加恒压的直流电源激磁；永磁式直流伺服电动机则由永磁磁极激磁。控制电机基础2.1直流伺服电动机四、直流伺服电动机的静态工作特性机械特性是指控制电压一定时，转速随转矩的变化关系；调节特性是指电机转矩一定时，转速随控制电压的变化关系。基本假设：1.不考虑电机磁化曲线非线性的影响；2.忽略带载时电枢反应磁势的影响。控制电机基础ifUfUaiaaaaaRiEUnKnCEeeaRa—电动机电枢回路的总电阻；Ea—电动机电枢回路的反电势；ia—电动机电枢回路的电流；—每级总磁通；n—电枢转速；Ke—电势常数，表示单位转速所产生的电势。电枢回路的电压平衡方程:2.1直流伺服电动机-静态特性控制电机基础Kt—转矩常数，表示单位电枢电流所产生的转矩。电动机的电磁转矩为:2.1直流伺服电动机-静态特性atatgiKiCT直流伺服电动机的转速公式为getaeaTKKRKUn控制电机基础（一）机械特性2.1直流伺服电动机-静态特性Ua=constant，)(gTfnnTgTkn00Ua3Ua2Ua1机械特性曲线与纵轴的交点为电动机的理想空载转速n0eaKUn0机械特性曲线与横轴的交点为电动机的堵转矩TkaatkURKTetakKKRTn0tan机械特性曲线的斜率的绝对值表示了电动机机械特性的刚度。控制电机基础（二）调节特性2.1直流伺服电动机-静态特性Tg=constant，)(aUfnnUan00Tg3Tg2Tg1Ua0调节特性曲线与横轴的交点表示在一定负载转矩时电动机的始动电压Ua0。调节特性曲线的横坐标从零到始动电压的这一范围称为在一定负载转矩时，伺服电动机的失灵区。失灵区的大小与负载转矩成正比。控制电机基础2.1直流伺服电动机五、直流伺服电动机的动态特性UgUaiaRaLaMTgTFTJTL电枢控制时直流伺服电动机的动态特性，是指在电动机的电枢上外加阶跃电压时，电机转速的增长过程。)(tfn控制电机基础（一）直流伺服电动机的基本方程2.1直流伺服电动机-动态特性电枢电路的电压方程gaaaaaUdtdiLiRU恒定磁场中转动的元件感应电压egKKU电动机产生的电磁转矩atatgiKiCT电动机的转矩平衡方程LJFgTTTTdtdJTJBTTfFLfgTTBdtdJT∵∴式中：J为转动惯量，B为粘滞摩擦系数，Tf为其他摩擦转矩，TL为负载转矩。控制电机基础（二）直流伺服电动机的传递函数2.1直流伺服电动机-动态特性基本方程组取拉式变换gaaaaUIsLRU)(egKUatgIKTLfgTTBJsT)(控制电机基础2.1直流伺服电动机-动态特性直流电动机方框图UaIaTgTf+TLUgsLRaa1BJs1KtKe1))(()()()(221sasaKKKBJsRsLKsUssGmetaataU电压-角速度传递函数（1）控制电机基础2.1直流伺服电动机-动态特性etatmKKBRKKetaaKKBRJLa1etaaaKKBRBLJRa2；；()()()(1)(1)tUaaemteKsGsUsRBssKK电压-角速度传递函数（2）aaeRL为电气时间常数；BJm为机械时间常数。控制电机基础2.1直流伺服电动机-动态特性负载转矩-角速度传递函数1)1())((11)()()()(221sasasRLKKRBJsRsLKKBJssTsTssGaamtaaaetLfT()1TTKGss略去电枢电感时可简化为aateRJRBKKaTmtRKKK控制电机基础2.1直流伺服电动机)()()(titUtPaai直流电动机总输入电功率)()()()(tKdttdiLtiRtUeaaaaa直流伺服电动机电枢电路的电压方程由电磁转矩方程和电动机转矩平衡方程得电流方程)]()()()([1)(tTtTtBdttdJKtiLfta六、直流伺服电动机的功率损耗控制电机基础2.1直流伺服电动机-功率损耗22()()()()()()()()()()()aiaaaaeeefttteLtditPtRitLitdtKKKdtJtBttTtKdtKKKtTtK功率表达式第1项表示电枢绕组中电流产生的损耗；第2项表示电感中储能的变化率，第3项表示动能的变化率，即储能元件输入输出的瞬时功率流；第4项表示粘滞摩擦损耗，第5项表示其它摩擦转矩损耗，即电动机的机械损耗；第6项表示电动机实际的功率输出。控制电机基础2.1直流伺服电动机-功率损耗机械功率输入电功率电磁功率电气损耗功率机械损耗功率直流电动机的功率流图2()()()aaaaaditRitLitdt2()()()()()eeeftttKKKdtJtBttTtKdtKK()()eLtKtTtK控制电机基础2.1直流伺服电动机-功率损耗%1002LfetaaLTTBKKIRT%100LfLmTTBT机械效率为输出机械功率与产生的总机械功率的比值直流电动机的总效率为输出机械功率与总输入平均功率的比值控制电机基础2.1直流伺服电动机七、直流伺服电动机的应用和选择（一）直流伺服电动机的应用类别位置控制速度控制力矩或力控制应用举例行式打印机矩阵式打印机电传打印机数控机床驱动系统计量泵矩阵式打印机绕线机复印机恒张力滚筒驱动机构电子称肌肉锻炼机绕线机控制电机基础2.1直流伺服电动机-选择与应用1．绕线机速度和力控制系统MTVRMT绕线控制排线控制绕线机是一种连续运动的机构，它包括绕线和排线的速度控制系统以及拉线的张力控制系统。包括两个直流电动机-测速发电机组，两个驱动放大器和比较器。控制电机基础2.1直流伺服电动机-选择与应用2．雷达天线的位置控制系统雷达接收机MT放大器测速电机雷达天线力矩电动机被跟踪目标经雷达天线系统检测并发出误差信号，该信号经过放大后就作为力矩电动机的控制信号，并使力矩电动机驱动天线跟踪目标。系统中使用测速电机的速度反馈回路是为了提高系统的运行稳定性。控制电机基础2.1直流伺服电动机-选择与应用（二）直流伺服电动机的选择1．负载分析（1）快速回程时转矩1-连续运行区;2-间断运行区;3-换向允许极限;4-最高转速12001600T/kgm1000150050004008001324n/rpm直流电动机的转速-转矩特性控制电机基础2.1直流伺服电动机-选择与应用（2）加速、减速、起动和制动时转矩电机直线加速响应过程max0tat电机响应曲线指令信号)(2max1NJJtMLMaaJM——电动机惯量；JL——负载惯量；N——负载减速比。ta——加速时间；max——达到最大转速；Ma1——所需加速转矩。①直流电动机由静止加速到最高转速所需的加速转矩控制电机基础2.1直流伺服电动机-选择与应用（2）加速、减速、起动和制动时转矩电机指数曲线加速响应过程max12()LaMeJMJtNJM——电动机惯量；JL——负载惯量；N——负载减速比。te——加速到0.632max所需时间；max——达到最大转速；Ma1——所需加速转矩。max0tet电机响应曲线0.632max①直流电动机由静止加速到最高转速所需的加速转矩控制电机基础2.1直流伺服电动机-选择与应用（2）加速、减速、起动和制动时转矩电机直线减速响应过程22()rLaMdJMJtNJM——电动机惯量；JL——负载惯量；N——负载减速比。td——减速时间；r——转速减少值；Ma2——所需减速转矩。②直流电动机减速时所需的减速转矩max0tdtr控制电机基础2.1直流伺服电动机-选择与应用2．环境条件一般应考虑：温度、湿度、海拔高度、周围介质、冲击、振动、加速度等。控制电机基础2.1直流伺服电动机-选择与应用3．连接