控制電機(jī)第2章(馮)

第2章直流伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，它能把接受的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的機(jī)械角位移或角速度的變化，具有服從控制信號(hào)的要求而動(dòng)作的功能：在信號(hào)來(lái)到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)；信號(hào)來(lái)到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)信號(hào)消失，轉(zhuǎn)子即停轉(zhuǎn)。由于這種“伺服”的性能因此命名。

按伺服電動(dòng)機(jī)的控制電壓來(lái)分，伺服電動(dòng)機(jī)可分為直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類。直流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率可達(dá)數(shù)百瓦，主要用于功率較大的控制系統(tǒng)。交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率較小，一般為幾十瓦，主要用于功率較小的控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的基本要求是：

(1)寬廣的調(diào)速范圍，機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性均為線性。

(2)快速響應(yīng)性能好，即機(jī)電時(shí)間常數(shù)要小，在控制信號(hào)變化時(shí)，能迅速地從一種狀態(tài)過(guò)渡到另一種狀態(tài)。

(3)靈敏度要高，即在很小的控制電壓信號(hào)作用下，伺服電動(dòng)機(jī)就能起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

(4)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。所謂自轉(zhuǎn)現(xiàn)象就是轉(zhuǎn)動(dòng)中的伺服電動(dòng)機(jī)在控制電壓為零時(shí)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象；無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象就是控制電壓降到零時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)自行停轉(zhuǎn)。2.1直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理2.1直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中會(huì)受到電磁力的作用U→i→F、F’→n受力方向：左手定則（電動(dòng)機(jī)左手定則）

載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的安倍力磁場(chǎng)對(duì)場(chǎng)中的載流導(dǎo)體施加的力稱為安倍力

df=i?dl×B

在均勻磁場(chǎng)中，若iB，導(dǎo)體長(zhǎng)l，則

f=B?l?if的方向用左手定則確定。2.1

基本工作原理

直流電動(dòng)機(jī)中換向器的作用

當(dāng)導(dǎo)體元件邊從一個(gè)極下轉(zhuǎn)到另一個(gè)極下時(shí)，因電刷位置不變，從而改變?cè)叺碾娏鞣较?，使直流電源通過(guò)靜止的電刷與隨電樞轉(zhuǎn)動(dòng)的換向器的滑動(dòng)接觸，把外部的直流電源轉(zhuǎn)換成電樞中的交流電保證同一磁極下導(dǎo)體流過(guò)電流其方向不變，從而產(chǎn)生固定方向的電樞轉(zhuǎn)矩2.2

主要結(jié)構(gòu)2.2

主要結(jié)構(gòu)2.2

主要結(jié)構(gòu)換向器2.2

主要結(jié)構(gòu)2.2

主要結(jié)構(gòu)2.2.B磁路歐姆定律電路歐姆定律磁路歐姆定律E+-IR1R2FΦRmRmδEFIΦRRm2.3符號(hào)與勵(lì)磁方式直流電動(dòng)機(jī)符號(hào)：2.3符號(hào)與勵(lì)磁方式直流電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式（即獲得磁通Φ的方式）可分為M他勵(lì)式M并勵(lì)式M串勵(lì)式M復(fù)勵(lì)式永磁式M2.4

直流電機(jī)的電樞繞組電樞繞組是直流電機(jī)的核心部分，在電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中起著重要的作用。電樞繞組是由多個(gè)形狀相同的繞組元件以一定的規(guī)律連接起來(lái)的，Ny代表元件的匝數(shù)。一個(gè)元件不論匝數(shù)多少，線圈只有兩根引出端，首端和尾端。2.4

直流電機(jī)的電樞繞組各元件通過(guò)換向片彼此連接，一個(gè)元件的首端和另一個(gè)元件尾端接在同一個(gè)換向片上。可見(jiàn)元件數(shù)S等于換向片數(shù)K。S=K2.4

直流電機(jī)的電樞繞組2.2

主要結(jié)構(gòu)2.4

單疊繞組1.節(jié)距（1）第一節(jié)距y1：元件兩條邊的距離，以槽數(shù)計(jì)，總是整數(shù)。（2）合成節(jié)距y和換向器節(jié)距yk：通常用換向片數(shù)來(lái)表示。單疊繞組y=yk=1。（3）第二節(jié)距y2：

y2=y1-y2.

單疊繞組的展開圖1.數(shù)據(jù)計(jì)算：y＝y(tǒng)k＝1y1=τ=Z/2p=4計(jì)算數(shù)據(jù)y和y1畫繞組展開圖安放電刷和磁極極距τ：在電樞鐵心表面上，一個(gè)極所占的距離。用槽數(shù)表示。實(shí)例：P＝2，Z＝S＝K＝16y=yk=1y2=y1-y=32.

單疊繞組的展開圖

電刷\磁鋼與繞組的相互關(guān)系:

被電刷短路的繞組元件邊所處的位置----被短路元件中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為最小.方法:1、畫出繞組；

2、確定磁鋼的位置；

3、確定電刷的位置。3.

單疊繞組元件連接次序56789101112131415161234123456789101112131415161

整個(gè)繞組是一個(gè)閉合繞組上層元件邊下層元件邊y1yy24.

單疊繞組的并聯(lián)支路圖1)每個(gè)極下的元件組成一條支路,并聯(lián)支路對(duì)數(shù)a等于極對(duì)數(shù)p:a=p2)正負(fù)電刷間元件產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大，被電刷短路的元件里感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)最小。2.5

電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩平衡方程電磁關(guān)系2.5.1

電磁轉(zhuǎn)矩一根導(dǎo)體所受的平均電磁力一根導(dǎo)體所受的平均電磁轉(zhuǎn)矩總電磁轉(zhuǎn)矩（Z：總導(dǎo)體數(shù)）2.5.2

電磁轉(zhuǎn)矩電樞總電磁轉(zhuǎn)矩Ct為轉(zhuǎn)矩常數(shù)2.5.2

轉(zhuǎn)矩平衡方程

EanTLTIaIfUf電動(dòng)機(jī)慣例U穩(wěn)定時(shí)升速減速2.6

電樞電動(dòng)勢(shì)與電壓平衡方程2.6.1電樞電動(dòng)勢(shì)直流電機(jī)正、負(fù)電刷之間感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，也是電樞繞組每個(gè)支路里的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。一根導(dǎo)體的平均電動(dòng)勢(shì)2.6

電樞電動(dòng)勢(shì)與電壓平衡方程當(dāng)電刷放在磁場(chǎng)幾何中線上（沒(méi)有被短路繞組），電樞電動(dòng)勢(shì)z—總導(dǎo)體數(shù),Ce—電勢(shì)常數(shù)比較得：Ct=9.55Ce2.6

電樞電動(dòng)勢(shì)與電壓平衡方程2.6.2電壓平衡方程2.6

電樞電動(dòng)勢(shì)與電壓平衡方程2.6.3過(guò)渡過(guò)程2.7他勵(lì)直流伺服電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性方法：看某一工作點(diǎn)（轉(zhuǎn)速）的上下區(qū)間的轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)：是離開（發(fā)散）該工作點(diǎn)還是接近（收斂）該工作點(diǎn)？能---------收斂---------穩(wěn)定不能------發(fā)散---------不穩(wěn)定

收斂/穩(wěn)定發(fā)散/不穩(wěn)定2.8

直流伺服電動(dòng)機(jī)的使用2.8.1額定值正常使用的允許值2.8

直流伺服電動(dòng)機(jī)的使用2.8.2直流伺服電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)對(duì)起動(dòng)性能的要求:(1)起動(dòng)時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩要大(足夠大)(2)起動(dòng)時(shí),電樞電流不能太大(減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊)

一般，起動(dòng)電流控制在1.5~2倍的2.8

直流伺服電動(dòng)機(jī)的使用啟動(dòng)方法（1）電樞電路串起動(dòng)電阻，逐級(jí)切除（2）用調(diào)壓電源注：自動(dòng)控制系統(tǒng)中使用的功率為幾百瓦，可直接起動(dòng)2.8

直流伺服電動(dòng)機(jī)的使用EanTLTIaIfUfUR2.8.3機(jī)械特性n=f(T)為理想空載轉(zhuǎn)速為機(jī)械特性的斜率2.8

直流伺服電動(dòng)機(jī)的使用當(dāng)U=UN，Φ=ΦN

，R=0，固有機(jī)械特性0nTn0nNIN特點(diǎn)：1）當(dāng)T=0時(shí)，n0=UN/CeΦN為理想空載轉(zhuǎn)速，此時(shí)，Ia=0，E=UN

；2）n=f(T)為下斜直線，T↑，n↓；2.8

直流伺服電動(dòng)機(jī)的使用特點(diǎn)：3）Ra小，斜率

很小，硬特性；（大的特性稱為軟特性）4）?nN=n0-nN=TN額定轉(zhuǎn)速差。nN約0.95n0，?nN約0.05n0；5）n=0，電機(jī)啟動(dòng)，Ia=UN/Ra=IS，TS=CtΦNIS，很大，約20倍的額定值。會(huì)燒壞換向器。6）T>TS，n<0。在第Ⅳ象限。7）T<0，n>n0。在第Ⅱ象限，發(fā)電機(jī)狀態(tài)。2.8

直流伺服電動(dòng)機(jī)的使用2.8.4直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法1.改變電樞電壓ΦN，Ra不變，改變U。nn0T0UNn01-n0U1U=0U=-UN特點(diǎn)：1）T一定時(shí)，Δn不變，斜率不變，各條特性互相平行；2）n0與U成正比。2.8

直流伺服電動(dòng)機(jī)的使用調(diào)速的物理過(guò)程分析e點(diǎn)----電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)2.8

直流伺服電動(dòng)機(jī)的使用例：某直流電動(dòng)機(jī)，如電源電壓降一半，負(fù)載不變，求：轉(zhuǎn)速降到原來(lái)的幾分之幾？解：2.8

直流伺服電動(dòng)機(jī)的使用2.電樞回路串電阻UN，ΦN不變，電樞回路串R。n0Tn0RaR1<R2Ra+R1Ra+R2固有人為特點(diǎn)：n0不變，Rad增大，⊿n增大，特性變軟。若T為常數(shù)，⊿n（Ra+R）2.8

直流伺服電動(dòng)機(jī)的使用調(diào)速的物理過(guò)程分析注：該方法的實(shí)質(zhì)還是改變加于電樞的電壓來(lái)改變電樞電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速2.8

直流伺服電動(dòng)機(jī)的使用例：某直流電動(dòng)機(jī)，如負(fù)載不變，設(shè)：求：解：2.8

直流伺服電動(dòng)機(jī)的使用3.減小氣隙磁通量UN，Ra不變，減小Φn0T0ΦNΦ1n1Φ1<ΦNn特點(diǎn)：n0將增高，Δn也要變大，機(jī)械特性變軟。2.8

直流伺服電動(dòng)機(jī)的使用調(diào)速的物理過(guò)程分析2.8

直流伺服電動(dòng)機(jī)的使用例：某直流電動(dòng)機(jī)，如減少10%，負(fù)負(fù)載不變，求：？解：2.8

直流伺服電動(dòng)機(jī)的使用小結(jié)：2.8

直流伺服電動(dòng)機(jī)的使用注意：運(yùn)行中勵(lì)磁回路切勿開路如勵(lì)磁回路開路，很小2.8

直流伺服電動(dòng)機(jī)的使用2.8.5

改變直流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向方法：勵(lì)磁磁場(chǎng)方向/電樞電流方向

二者改變其一或2.9

直流伺服電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特性2.9.1

機(jī)械特性n=f(T)參考方向第一象限第二象限第三象限第四象限2.9

直流伺服電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特性****①⑥AE0

能耗制動(dòng)2.9

直流伺服電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特性討論：*①②ACC“AC---C”發(fā)電狀態(tài)制動(dòng)2.9

直流伺服電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特性**