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文檔簡介
-1-第四章伺服電動機(jī)控制電機(jī)第一節(jié)直流伺服電動機(jī)第二節(jié)交流伺服電動機(jī)第三節(jié)特種伺服電動機(jī)*第四節(jié)伺服電動機(jī)的選用-2-
伺服電動機(jī)的作用是把輸入的電壓控制信號轉(zhuǎn)換成輸出的角位移或角速度。在自動控制系統(tǒng)中,伺服電動機(jī)是以執(zhí)行機(jī)構(gòu)的身份出現(xiàn)的,所以又稱為執(zhí)行電動機(jī)。
對伺服電動機(jī)的基本要求是:
(1)調(diào)速范圍寬,即伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的改變能在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。
(2)可控性好,無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象,即無電壓控制信號時(shí)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動,控制信號一旦出現(xiàn),電動機(jī)馬上轉(zhuǎn)動,而控制信號一旦消失,電動機(jī)立刻停轉(zhuǎn)。第四章伺服電動機(jī)-3-(3)響應(yīng)迅速,即伺服電動機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)要小,要有較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和較小的轉(zhuǎn)動慣量。
(4)運(yùn)行穩(wěn)定,即伺服電動機(jī)具有線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。此外,一些特殊領(lǐng)域如航空航天,對伺服電動機(jī)的重量和體積等也有一定的要求。第四章伺服電動機(jī)-4-
伺服電動機(jī)可分為直流伺服電動機(jī)和交流伺服電動機(jī)。直流伺服電動機(jī)具有運(yùn)行特性好,控制靈活、方便的優(yōu)點(diǎn);而交流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,無電刷和換向器,不需要經(jīng)常維護(hù),而且效率高,響應(yīng)快,速比大,非常引人注目,在許多領(lǐng)域有取代直流伺服電動機(jī)之勢。第四章伺服電動機(jī)-5--6-第一節(jié)直流伺服電動機(jī)一、基本結(jié)構(gòu)第四章伺服電動機(jī)-7-
直流伺服電動機(jī)主要有兩種控制方式,一種是電樞控制,即通過改變電樞電壓來實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的控制;另一種是磁場控制,即通過改變勵(lì)磁電壓來實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的控制(對電磁式直流伺服電動機(jī)而言)。
電樞控制的優(yōu)點(diǎn)是電動機(jī)機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好,空載損耗小,調(diào)速范圍廣,控制回路電感小,響應(yīng)迅速;而磁場控制雖然能實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速,但調(diào)速范圍不大,一般只是配合電樞控制在額定轉(zhuǎn)速以上進(jìn)行小范圍的弱磁升速。另外,磁場控制有可能出現(xiàn)失磁而飛車的危險(xiǎn),因而較少采用。
第四章伺服電動機(jī)-8-二、運(yùn)行特性1.機(jī)械特性直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性是指在一定控制電壓Uc下,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩Te之間的關(guān)系曲線,即如果忽略電樞反應(yīng)的影響,主磁通保持不變,直流伺服電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為(4-1)第四章伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)-9-
電樞繞組的感應(yīng)電動勢為第四章伺服電動機(jī)(4-2)電動勢系數(shù)
電樞回路的電壓平衡方程為(4-3)電樞電阻-10-
由上面三個(gè)式子,可以得到直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性方程第四章伺服電動機(jī)(4-4)β為機(jī)械特性的斜率
-11-
相應(yīng)的特性曲線如圖4-2所示??梢?,直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性為一直線,隨著控制電壓Uc的增加,機(jī)械特性向上平移,而直線斜率β保持不變。第四章伺服電動機(jī)-12-2.調(diào)節(jié)特性直流伺服電動機(jī)的調(diào)節(jié)特性是指在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與控制電壓之間的關(guān)系曲線,即根據(jù)式(4-4),并利用的關(guān)系,可以直接得到直流伺服電動機(jī)的調(diào)節(jié)特性方程第四章伺服電動機(jī)(4-5)-13-
相應(yīng)的調(diào)節(jié)特性曲線如圖4-3所示??梢姡绷魉欧妱訖C(jī)的調(diào)節(jié)特性也為一直線,隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的增加,機(jī)械特性向右平移,而直線斜率α
保持不變。第四章伺服電動機(jī)-14-
從上面的分析中可以知道,電樞控制時(shí)直流伺服電動機(jī)的兩個(gè)主要運(yùn)行特性——
機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性都是線性的,這是一個(gè)很可貴的優(yōu)點(diǎn)。第四章伺服電動機(jī)-15-三、低速運(yùn)行的不穩(wěn)定性分析從直流伺服電動機(jī)的運(yùn)行特性可知,只要控制電壓足夠大,電動機(jī)就可以在很低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。但實(shí)際上,當(dāng)轉(zhuǎn)速很低(每分鐘幾十轉(zhuǎn)以下)時(shí),轉(zhuǎn)速將很不均勻,時(shí)快時(shí)慢,甚至停轉(zhuǎn)。這種現(xiàn)象稱之為直流伺服電動機(jī)低速運(yùn)行的不穩(wěn)定性,產(chǎn)生的原因主要是:
(1)低速時(shí)感應(yīng)電動勢較小,由于電樞齒槽效應(yīng)等原因造成的電動勢脈動的影響將增大,導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩的波動比較明顯。第四章伺服電動機(jī)-16-(2)低速時(shí)控制電壓值很小,電刷和換向器之間接觸電壓不穩(wěn)定性的影響將增大,導(dǎo)致電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩的波動。
(3)低速時(shí)電刷和換向器之間的摩擦轉(zhuǎn)矩也是不穩(wěn)定的,造成總的阻轉(zhuǎn)矩的變化,導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩的不穩(wěn)定。直流伺服電動機(jī)低速運(yùn)行的不穩(wěn)定性將在自動控制系統(tǒng)中造成誤差,必須采取相應(yīng)的措施加以克服,如采用定子斜極或轉(zhuǎn)子斜槽的結(jié)構(gòu),或者采用低速運(yùn)行性能較好的特種電機(jī),如力矩電機(jī)、無槽電機(jī)等。第四章伺服電動機(jī)-17-第二節(jié)交流伺服電動機(jī)一、交流伺服電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)第四章伺服電動機(jī)勵(lì)磁繞組控制繞組-18-二、兩相交流繞組的旋轉(zhuǎn)磁場異步伺服電動機(jī)實(shí)際上是一臺兩相的異步電動機(jī),要分析其運(yùn)行特性,首先應(yīng)當(dāng)搞清楚兩相交流繞組所產(chǎn)生磁場的基本特點(diǎn)。1.旋轉(zhuǎn)磁場的大小為了分析方便起見,先假設(shè)勵(lì)磁繞組和控制繞組為對稱的兩相交流繞組,即它們的繞組匝數(shù)和繞組系數(shù)均相等,并且通入對稱的兩相交流電流第四章伺服電動機(jī)(4-6)-19-
根據(jù)交流繞組旋轉(zhuǎn)磁場的基本理論,單相交流繞組通以單相交流電流后,將產(chǎn)生沿繞組軸線方向的脈振磁動勢。因此,勵(lì)磁繞組和控制繞組的基波脈振磁動勢向量的長度分別是第四章伺服電動機(jī)(4-7)-20-
由于勵(lì)磁繞組和控制繞組的軸線在空間互差90o電角度,任何時(shí)刻基波合成磁動勢向量的長度都為(4-8)
上式表明,在對稱的兩相交流繞組中通入對稱的兩相交流電流后,兩相脈振磁動勢的合成必然是一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場。第四章伺服電動機(jī)-21-若兩相繞組的匝數(shù)不等,設(shè)有效匝比為(4-10)第四章伺服電動機(jī)根據(jù)式(4-8),產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場的條件應(yīng)是由式(4-7)可得-22-
上式說明,當(dāng)兩相繞組的有效串聯(lián)匝數(shù)不相等時(shí),若要產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場,兩相繞組電流的相位差應(yīng)為90o電角度,并且兩相電流的大小應(yīng)與有效串聯(lián)匝數(shù)成反比。這種兩相電流稱為兩相對稱交流電流。第四章伺服電動機(jī)-23-2.旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向可以用圖4-5分四個(gè)時(shí)刻來說明:第四章伺服電動機(jī)-24-
由此可見,旋轉(zhuǎn)磁場是由電流超前的相繞組轉(zhuǎn)向電流滯后的相繞組,并且當(dāng)某相電流達(dá)到最大時(shí),合成磁動勢就位于該相繞組的軸線方向上。顯然,旋轉(zhuǎn)磁場的電角速度就是所以旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速(單位r/min)為第四章伺服電動機(jī)(4-11)-25-
綜上所述,兩相交流繞組旋轉(zhuǎn)磁場的基本特點(diǎn)為:
(1)兩相對稱繞組通入兩相對稱電流所產(chǎn)生的基波合成磁動勢是一個(gè)旋轉(zhuǎn)行波,合成磁動勢的幅值等于單相繞組脈振磁動勢的幅值。
(2)旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速取決于電源頻率和電機(jī)極對數(shù),即,稱為同步轉(zhuǎn)速。
(3)旋轉(zhuǎn)磁場的方向是從電流超前的相轉(zhuǎn)向電流滯后的相,若要改變旋轉(zhuǎn)磁場的方向,只要改變定子繞組的相序即可。
(4)當(dāng)某相電流達(dá)到最大時(shí),合成磁動勢剛好轉(zhuǎn)到該相繞組的軸線方向上。第四章伺服電動機(jī)-26-三、異步伺服電動機(jī)的電磁關(guān)系1.電壓平衡方程
(1)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)在旋轉(zhuǎn)磁場作用下,定子勵(lì)磁繞組、控制繞組和轉(zhuǎn)子繞組都將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。設(shè)旋轉(zhuǎn)磁場的每極主磁通為Φ,根據(jù)交流電機(jī)的基本原理,相應(yīng)的感應(yīng)電動勢分別為第四章伺服電動機(jī)(4-12)-27-
在定、轉(zhuǎn)子繞組中,除旋轉(zhuǎn)磁場主磁通產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢外,還有漏磁場感應(yīng)產(chǎn)生的漏磁電動勢。這些漏磁電動勢可以用漏電抗壓降的形式來表征,即第四章伺服電動機(jī)(4-13)漏電抗-28-考慮相應(yīng)繞組的電阻壓降,轉(zhuǎn)子不動時(shí)異步伺服電動機(jī)的電壓平衡方程為第四章伺服電動機(jī)(4-14)-29-
(2)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時(shí),根據(jù)異步電動機(jī)的基本原理,轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動勢及電流的頻率為第四章伺服電動機(jī)(4-15)轉(zhuǎn)差率此時(shí),旋轉(zhuǎn)磁場主磁通在轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動勢應(yīng)為(4-16)-30-根據(jù)式(4-12),得第四章伺服電動機(jī)(4-17)同理,漏磁場在轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)產(chǎn)生的漏磁電動勢為(4-18)轉(zhuǎn)子漏電抗-31-這樣,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)異步伺服電動機(jī)的電壓平衡方程為第四章伺服電動機(jī)(4-19)-32-2.產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場時(shí)的定子電壓根據(jù)電壓平衡方程,可以進(jìn)一步分析產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場時(shí),定子兩相繞組的電壓應(yīng)滿足的關(guān)系。為使分析具有一般性,設(shè)兩相繞組的匝數(shù)不等,其有效匝比仍為。根據(jù)式(4-10),并考慮勵(lì)磁繞組電流超前控制繞組電流90o電角度,可得第四章伺服電動機(jī)(4-20)-33-
由于定子繞組的感應(yīng)電動勢與匝數(shù)成正比,并且勵(lì)磁繞組感應(yīng)電動勢超前控制繞組感應(yīng)電動勢90o電角度,所以第四章伺服電動機(jī)(4-21)另外,兩相繞組的電阻和漏電抗應(yīng)滿足如下關(guān)系
(4-22)-34-將上面三個(gè)式子代入式(4-19)的第一式,得第四章伺服電動機(jī)(4-24)
上式說明,若要產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場,異步伺服電動機(jī)定子兩相繞組電壓的相位差應(yīng)為90o電角度,并且其有效值應(yīng)與有效串聯(lián)匝數(shù)成正比。這種兩相電壓稱為兩相對稱交流電壓。-35-四、異步伺服電動機(jī)的運(yùn)行特性1.電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩根據(jù)異步電動機(jī)能量傳遞的基本關(guān)系,從定子傳遞到轉(zhuǎn)子的電磁功率為第四章伺服電動機(jī)(4-25)轉(zhuǎn)子繞組相數(shù)-36-由式(4-12),得第四章伺服電動機(jī)當(dāng)不計(jì)控制繞組的漏阻抗壓降時(shí),,所以
這樣,轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電動勢為(4-27)(4-26)(4-28)-37-
根據(jù)式(4-19)的第三式,轉(zhuǎn)子繞組的電流和功率因數(shù)分別為第四章伺服電動機(jī)把上面三個(gè)式子代入式(4-25),可以得到電磁功率(4-31)-38-
電磁功率除以轉(zhuǎn)子方的同步機(jī)械角頻率可以得到電磁轉(zhuǎn)矩第四章伺服電動機(jī)(4-32)-39-對于籠型轉(zhuǎn)子,m2=Z2(Z2為轉(zhuǎn)子槽數(shù),即轉(zhuǎn)子導(dǎo)條數(shù)),N2=1/2,kw2=1,所以上式可進(jìn)一步化為第四章伺服電動機(jī)(4-33)
上式表明了異步伺服電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與控制電壓、轉(zhuǎn)差率(即轉(zhuǎn)速)和電機(jī)參數(shù)之間的關(guān)系。對于已制成的電機(jī),電機(jī)參數(shù)是一定的,電源頻率一般不變,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩與控制電壓的平方成正比。-40-2.圓形旋轉(zhuǎn)磁場時(shí)的機(jī)械特性根據(jù)式(4-33)可以繪出圓形旋轉(zhuǎn)磁場時(shí)不同控制電壓下異步伺服電動機(jī)的機(jī)械特性,第四章伺服電動機(jī)-41-
將式(4-33)對s求導(dǎo),并令,可求出最大電磁轉(zhuǎn)矩及其對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率(稱為臨界轉(zhuǎn)差率)第四章伺服電動機(jī)
上面兩式表明,臨界轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子電阻成正比,但最大轉(zhuǎn)矩卻與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)。轉(zhuǎn)子電阻越大,機(jī)械特性線性段的范圍就越大,這對于伺服電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和擴(kuò)大調(diào)速范圍是非常有利的,所以具有較大的轉(zhuǎn)子電阻是異步伺服電動機(jī)的重要特點(diǎn)。-42-3.橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場時(shí)的機(jī)械特性在圓形旋轉(zhuǎn)磁場作用下,電動機(jī)處于對稱運(yùn)行狀態(tài),這只是異步伺服電動機(jī)運(yùn)行中的一種特殊情況,此時(shí)加在定子勵(lì)磁繞組和控制繞組上的電壓是兩相對稱的交流電壓,所產(chǎn)生的電流也是兩相對稱的交流電流。為了實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制,加在控制繞組上的控制電壓是變化的,其幅值或相位應(yīng)是可調(diào)的。這樣,產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場的條件不再滿足,電動機(jī)實(shí)際處于一種不對稱運(yùn)行狀態(tài)。第四章伺服電動機(jī)-43-
根據(jù)交流繞組磁動勢的基本理論,兩相不對稱繞組所產(chǎn)生的應(yīng)是橢圓形的旋轉(zhuǎn)磁場,下面就兩相繞組中電流相位差仍為90o電角度,但磁動勢幅值不相等時(shí)的情況進(jìn)行簡要分析。設(shè)兩相繞組磁動勢的瞬時(shí)表達(dá)式為第四章伺服電動機(jī)(4-36)橢圓度系數(shù)α-44-將勵(lì)磁繞組磁動勢Ff進(jìn)行如下分解第四章伺服電動機(jī)(4-37)
可見,勵(lì)磁繞組磁動勢分量Ff1與控制繞組磁動勢Fc的幅值相等,相位互差90o電角度,兩者合成正好形成一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場,其幅值就是(4-38)-45-
另外,勵(lì)磁繞組磁動勢分量Ff2是一個(gè)沿勵(lì)磁繞組軸線方向的脈振磁場,這個(gè)脈振磁場可以分解為兩個(gè)轉(zhuǎn)向相反、幅值等于脈振磁動勢幅值一半的圓形旋轉(zhuǎn)磁場,第四章伺服電動機(jī)(4-39)
這樣,原來的橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場可以用兩個(gè)正向圓形旋轉(zhuǎn)磁場和一個(gè)反向圓形旋轉(zhuǎn)磁場來等效。-46-
兩個(gè)正向圓形旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速相等,轉(zhuǎn)向相同,軸線一致,可以合成為一個(gè)正向圓形磁場,其幅值為第四章伺服電動機(jī)(4-40)而反向圓形旋轉(zhuǎn)磁場的幅值即為(4-41)-47-
通過以上分析,可以得出以下結(jié)論:異步伺服電動機(jī)在一般運(yùn)行情況時(shí),定子兩相繞組產(chǎn)生的是一個(gè)橢圓形的旋轉(zhuǎn)磁場,該磁場可以用兩個(gè)轉(zhuǎn)速相等、轉(zhuǎn)向相反的圓形旋轉(zhuǎn)磁場來代替,其中一個(gè)的轉(zhuǎn)向與原來的橢圓形磁場相同,稱為正向圓形旋轉(zhuǎn)磁場;另一個(gè)的轉(zhuǎn)向則相反,稱為反向圓形旋轉(zhuǎn)磁場。圖4-7形象地說明了正、反向轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場的作用。正向旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子同向旋轉(zhuǎn),所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩起驅(qū)動作用;而反向旋轉(zhuǎn)磁場總是與轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn),所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩起制動作用。合成電磁轉(zhuǎn)矩總是正的,即第四章伺服電動機(jī)-48-第四章伺服電動機(jī)-49-
若轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n,則轉(zhuǎn)子相對于正向旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)差率為第四章伺服電動機(jī)(4-43)(4-44)而轉(zhuǎn)子相對于反向旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)差率為-50-
根據(jù)前面圓形旋轉(zhuǎn)磁場時(shí)的機(jī)械特性,由式(4-33)可以分別繪出正、反向旋轉(zhuǎn)磁場的機(jī)械特性曲線,以及它們的合成曲線,即橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場時(shí)的機(jī)械特性,如圖4-8所示。第四章伺服電動機(jī)-51-
與圓形旋轉(zhuǎn)磁場時(shí)的機(jī)械特性相比較,橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場時(shí)的機(jī)械特性具有以下兩個(gè)特點(diǎn):
(1)由于反向旋轉(zhuǎn)磁場的存在,產(chǎn)生了附加的制動轉(zhuǎn)矩Te-,使電機(jī)總的輸出轉(zhuǎn)矩都減小了;
(2)在理想空載情況下(即電磁轉(zhuǎn)矩Te=0時(shí)),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速已不能達(dá)到同步轉(zhuǎn)速n1,而是低于n1。第四章伺服電動機(jī)-52-4.自轉(zhuǎn)現(xiàn)象及消除方法異步伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻往往較大,除了前述是為了改善機(jī)械特性的線性度和穩(wěn)定運(yùn)行外,更重要的是為了保證當(dāng)控制繞組電壓為零時(shí),電動機(jī)能立刻停轉(zhuǎn)。因?yàn)楫?dāng)控制繞組沒有外施電壓時(shí),異步伺服電動機(jī)就相當(dāng)于一臺正常運(yùn)行的單相異步電動機(jī),這時(shí)只有勵(lì)磁繞組在起作用,相應(yīng)的機(jī)械特性如圖4-9(a)所示。第四章伺服電動機(jī)-53-第四章伺服電動機(jī)-54-
顯然,正向旋轉(zhuǎn)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩Te是正值;反向旋轉(zhuǎn)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩Te是負(fù)值,說明Te總是驅(qū)動性質(zhì)的,電動機(jī)在兩個(gè)方向都可以旋轉(zhuǎn)。這種情況對于伺服電動機(jī)而言是不利的,相當(dāng)于控制信號消失而仍有角速度或角位移輸出,稱為“自轉(zhuǎn)現(xiàn)象”。第四章伺服電動機(jī)-55-
如果增大轉(zhuǎn)子電阻,使正向電磁轉(zhuǎn)矩Te+和反向電磁轉(zhuǎn)矩Te-的臨界轉(zhuǎn)差率sm>1,將得到圖4-9(b)所示的機(jī)械特性。這樣,正向旋轉(zhuǎn)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩Te是負(fù)值;反向旋轉(zhuǎn)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩Te是正值,即Te總是制動性質(zhì)的。因此,在控制電壓為零時(shí),電動機(jī)在兩個(gè)方向上都不可能自轉(zhuǎn)。第四章伺服電動機(jī)-56-
當(dāng)然,增大轉(zhuǎn)子電阻也有不利的一面。首先電動機(jī)效率會降低,同樣功率的電機(jī)體積也要大一些;其次臨界轉(zhuǎn)差率sm>1,使起動轉(zhuǎn)矩減小。由于伺服電動機(jī)的工作性質(zhì)不同于普通電動機(jī),主要要求運(yùn)行穩(wěn)定、線性度好、無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象,而效率和體積相對次要些,所以轉(zhuǎn)子電阻往往設(shè)計(jì)得相當(dāng)大,以滿足自動控制系統(tǒng)的基本需要。第四章伺服電動機(jī)-57-5.控制方式簡介一般情況下,異步伺服電動機(jī)的勵(lì)磁繞組電壓保持不變,通過改變控制繞組電壓的幅值或相位,就可以改變正向旋轉(zhuǎn)磁場與反向旋轉(zhuǎn)磁場之間的大小關(guān)系,以及正向電磁轉(zhuǎn)矩和反向電磁轉(zhuǎn)矩之間的比值,從而達(dá)到改變合成電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的目的。這樣,異步伺服電動機(jī)就有三種具體的控制方式:
(1)幅值控制,即僅改變控制電壓的幅值;
(2)相位控制,即僅改變控制電壓的相位;
(3)幅-相控制,同時(shí)改變控制電壓的幅值和相位。第四章伺服電動機(jī)-58-
幅值控制方式簡單易行,且控制效果較好。所以,下面就以幅值控制方式為例,簡要介紹相應(yīng)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。采用幅值控制時(shí),控制繞組電壓在時(shí)間上滯后勵(lì)磁繞組電壓90o電角度,且保持不變,僅其幅值可以調(diào)節(jié)。的有效值可以表示為第四章伺服電動機(jī)(4-45)有效信號系數(shù)-59-
當(dāng)αe=0時(shí),控制繞組沒有外施電壓,僅勵(lì)磁繞組一相供電,產(chǎn)生單相脈振磁動勢。如果轉(zhuǎn)子電阻足夠大,轉(zhuǎn)子將靜止不動。
當(dāng)0<αe<1時(shí),勵(lì)磁繞組和控制繞組的磁動勢幅值不等,相應(yīng)的氣隙合成磁場為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場。根據(jù)分解的正、反向旋轉(zhuǎn)磁場及相應(yīng)的正、反向電磁轉(zhuǎn)矩、,可以獲得不同值時(shí)的機(jī)械特性,如圖4-10所示。第四章伺服電動機(jī)-60-第四章伺服電動機(jī)-61-
當(dāng)αe=1,即當(dāng)勵(lì)磁繞組與控制繞組的外施電壓均為到各自的額定值時(shí),它們的磁動勢幅值應(yīng)相等,相應(yīng)的氣隙合成磁場為圓形旋轉(zhuǎn)磁場,這時(shí)僅存在正向旋轉(zhuǎn)磁場及正向電磁轉(zhuǎn)矩,將產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩。根據(jù)圖4-10所示的機(jī)械特性,采用作圖法可以獲得相應(yīng)的調(diào)節(jié)特性,如圖4-11所示。第四章伺服電動機(jī)-62-第三節(jié)特種伺服電動機(jī)*一、力矩伺服電動機(jī)在某些自動控制系統(tǒng)中,被控對象的運(yùn)動速度相對較低。若用齒輪減速器,齒輪之間的間隙常常引起系統(tǒng)一定范圍內(nèi)的振蕩和系統(tǒng)剛度的降低,因此希望有低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的伺服電動機(jī)。力矩電動機(jī)就是為這種低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的需要而設(shè)計(jì)制造的電機(jī),它能在低速運(yùn)行甚至長期堵轉(zhuǎn)情況下產(chǎn)生足夠大的電磁轉(zhuǎn)矩,而且不需要經(jīng)過齒輪減速器而直接驅(qū)動負(fù)載,具有響應(yīng)迅速、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。第四章伺服電動機(jī)-63-1.直流力矩電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)第四章伺服電動機(jī)-64-2.直流力矩電動機(jī)的基本原理直流力矩電動機(jī)為了能在相同的體積和控制電壓下產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩和較低的轉(zhuǎn)速,一般做成扁平形。下面以兩極電機(jī)為例分析其基本原理。如圖4-13所示的兩臺直流電機(jī)模型,設(shè)它們的電樞體積、電樞電流、電流密度和氣隙磁密均相等,電機(jī)b的電樞直徑Db是電機(jī)a電樞直徑Da的兩倍,即第四章伺服電動機(jī)(4-46)-65-第四章伺服電動機(jī)-66-
(1)電磁轉(zhuǎn)矩的分析因?yàn)殡姌畜w積相等,所以電樞鐵心軸線長度之間的關(guān)系是第四章伺服電動機(jī)(4-47)
槽面積與電樞總導(dǎo)體數(shù)的關(guān)系式分別為(4-48)電樞截面利用系數(shù)槽填充系數(shù)-67-
兩臺電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式分別為(4-49)第四章伺服電動機(jī)導(dǎo)體截面積(4-50)氣隙磁密的平均值電樞導(dǎo)體電流-68-
利用式(4-46)、式(4-47)和式(4-49)的關(guān)系,由式(4-50)可以得到電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系(4-51)第四章伺服電動機(jī)
上式說明,在電樞體積、電樞電流、電流密度和氣隙磁密相等的條件下,如果電樞直徑增大一倍,電磁轉(zhuǎn)矩也增大一倍,即電磁轉(zhuǎn)矩與電樞直徑成正比。-69-
(2)空載轉(zhuǎn)速的分析若電樞直徑為D,則一個(gè)極下一根導(dǎo)體的平均電動勢為(4-52)第四章伺服電動機(jī)
一對電刷所串聯(lián)的導(dǎo)體數(shù)為N/2,則刷間電動勢為(4-53)-70-
理想空載時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)速為n0,并且控制電壓(電樞電壓)Uc=Ea,所以(4-54)第四章伺服電動機(jī)
根據(jù)前面的分析,當(dāng)電樞體積、電樞電流和電流密度相等時(shí),Nl乘積保持不變。這樣,在控制電壓和氣隙磁密相同的情況下,理想空載轉(zhuǎn)速與電樞直徑成反比。-71-第四章伺服電動機(jī)
綜合以上分析,在其它條件相同的情況下,增大直流電動機(jī)的直徑,減小軸向長度,可以增大電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,并降低空載轉(zhuǎn)速。這就是直流力矩電動機(jī)做成扁平形的根本原因。-72-第四章伺服電動機(jī)3.直流力矩電動機(jī)的性能特點(diǎn)
(1)轉(zhuǎn)矩脈動小,低速運(yùn)行穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩脈動的大小是評價(jià)直流電動機(jī)性能的重要指標(biāo)。直流力矩電動機(jī)采用扁平形電樞,可以增加電樞槽數(shù)、導(dǎo)體元件數(shù)和換向片數(shù),還可以適當(dāng)增大氣隙,采用斜槽或斜磁極結(jié)構(gòu),這些措施均可以有效削弱直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動。-73-第四章伺服電動機(jī)
(2)機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性線性度好直流電動機(jī)在勵(lì)磁磁通保持不變的情況下,可以得到線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。但是由于電樞反應(yīng)的去磁作用,造成勵(lì)磁磁場的畸變。在設(shè)計(jì)直流力矩電動機(jī)時(shí),可以把磁路設(shè)計(jì)成高度飽和,并采取增大氣隙等方法,削弱電樞反應(yīng)的影響。-74-第四章伺服電動機(jī)
(3)響應(yīng)迅速,動態(tài)特性好對于電機(jī)而言,決定過渡過程快慢的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)分別是機(jī)電時(shí)間常數(shù)和電氣時(shí)間常數(shù),時(shí)間常數(shù)越小,響應(yīng)越迅速。雖然直流力矩電動機(jī)電樞直徑大,轉(zhuǎn)動慣量大,但由于它的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩很大,空載轉(zhuǎn)速又很低,所以機(jī)電時(shí)間常數(shù)較??;直流力矩電動機(jī)采用多極結(jié)構(gòu),有利于減小電樞反應(yīng)磁鏈及電樞繞組電感,所以電氣時(shí)間常數(shù)也較小。另外,直流力矩電動機(jī)的扁平結(jié)構(gòu),有利于將電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸直接套在短而粗的負(fù)載軸上,從而大大提高系統(tǒng)的耦合剛度,改善動態(tài)性能。-75-第四章伺服電動機(jī)二、小慣量伺服電動機(jī)1.盤式伺服電動機(jī)-76-第四章伺服電動機(jī)
盤式電機(jī)大都是永磁式,其工作原理與柱式電機(jī)相同,所以它與柱式電機(jī)一樣,既可以制成電動機(jī),也可以制成發(fā)電機(jī)。一般來說,每種柱式電機(jī)都有相對應(yīng)的盤式電機(jī)。
盤式永磁直流伺服電動機(jī)的主要特點(diǎn)是:
(1)轉(zhuǎn)動部分只有電樞繞組,轉(zhuǎn)動慣量小,具有快速的響應(yīng)能力,可以用于頻繁起、制動和正、反轉(zhuǎn)的場合。
(2)軸向尺寸短,可適用于安裝空間較小的場合。-77-第四章伺服電動機(jī)
(3)采用無鐵心電樞結(jié)構(gòu),不存在普通柱式電機(jī)由于齒槽效應(yīng)而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動,運(yùn)行平穩(wěn)。
(4)不存在磁滯和渦流損耗,電機(jī)效率較高。
(5)電樞采用非磁性材料制成,電樞繞組電感小,換向火花小。
(6)電樞繞組兩端面直接與氣隙接觸,有利于電樞繞組的散熱,并有利于取較大的電負(fù)荷,減小電機(jī)的體積。-78-第四章伺服電動機(jī)2.無槽伺服電動機(jī)無槽電機(jī)的特點(diǎn)是電樞表面光滑,不開槽,電樞繞組元件直接放置在鐵心的外表面,用環(huán)氧樹脂澆注成型,與鐵心固化成一個(gè)整體,如圖4-15所示的無槽直流伺服電動機(jī)。
這種無槽電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量和電樞繞組的電感比盤式電機(jī)和空心杯電機(jī)要稍大些,因而動態(tài)性能稍顯遜色。-79-第四節(jié)伺服電動機(jī)的選用一、伺服電動機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)1.直流伺服電動機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)
(1)空載始動電壓U0。在額定勵(lì)磁電壓和空載的情況下,使轉(zhuǎn)子在任意位置開始連續(xù)轉(zhuǎn)動所需的最小控制電壓稱為空載始動電壓??蛰d始動電壓小,則靈敏度高。空載始動電壓以額定控制電壓的百分比表示,一般為額定電壓的2%-12%,小功率電動機(jī)U0較大。第四章伺服電動機(jī)-80-
(2)機(jī)電時(shí)間常數(shù)τm。在額定勵(lì)磁電壓和空載情況下,加以階躍的額定控制電壓,電動機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)加速到空載轉(zhuǎn)速63.2%所需要的時(shí)間稱為機(jī)電時(shí)間常數(shù)。這個(gè)性能指標(biāo)是衡量電動機(jī)響應(yīng)速度的,該值越小,說明響應(yīng)越快速、靈敏。通常,伺服電動機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)應(yīng)小于0.03s。第四章伺服電動機(jī)-81-2.交流伺服電動機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)除空載始動電壓U0和機(jī)電時(shí)間常數(shù)τm兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)外,交流伺服電動機(jī)還有另外兩項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo):
(1)機(jī)械特性的非線性度Km。在額定勵(lì)磁電壓下,任意控制電壓時(shí)的實(shí)際機(jī)械特性與線性機(jī)械特性在Te=Td/2(Td為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩)時(shí)的轉(zhuǎn)速偏差與空載轉(zhuǎn)速之比的百分?jǐn)?shù)稱為機(jī)械特性的非線性度,即第四章伺服電動機(jī)(4-55)-82-第四章伺服電動機(jī)-83-
(2)調(diào)節(jié)特性的非線性度。在額定勵(lì)磁電壓和空載情況下,當(dāng)有效信號系數(shù)αe=0.7時(shí),實(shí)際調(diào)節(jié)特性與線性調(diào)節(jié)特性的轉(zhuǎn)速偏差與有效信號系數(shù)αe=1時(shí)的空載轉(zhuǎn)速之比的百分?jǐn)?shù)稱為調(diào)節(jié)特性的非線性度,即第四章伺服電動機(jī)(4-56)-84-第四章伺服電動機(jī)-85-二、伺服電動機(jī)的使用原則1.直流伺服電動機(jī)使用原則
(1)電磁式直流伺服電動機(jī)在起動時(shí)首先要接通勵(lì)磁電源,然后再加電樞電壓,以避免電樞繞組因長時(shí)間流過大電流而燒壞電機(jī)。這是因?yàn)槿绻燃与姌须妷海姌须娏鱅a=Uc/Ra,電壓Uc全部加在電樞電阻Ra上,而Ra很小,造成電樞電流Ia過大,極易燒壞電機(jī)。第四章伺服電動機(jī)-86-(2)在電磁式直流伺服電動機(jī)運(yùn)行過程中,絕對要避免勵(lì)磁繞組斷線,以免造成電樞電流過大和“飛車”事故。
(3)永磁式直流伺服電動機(jī)的性能很大程度上取決于永磁材料的優(yōu)劣。大多數(shù)永磁材料的機(jī)械強(qiáng)度不高,易于破碎。在安裝和使用這類電機(jī)時(shí),要注意防止劇烈的振動和沖擊,否則容易引起永磁體內(nèi)部磁疇排列的混亂,使永磁體退磁。另外,盡量遠(yuǎn)離熱源,因?yàn)橛行┯来挪牧系臏囟认禂?shù)較高,磁性能易受溫度變化的影響。第四章伺服電動機(jī)-87-2.交流伺服電動機(jī)使用原則
(1)交流伺服電動機(jī)的電源是兩相的,但通常的電源是三相的或是單相的,這樣就要將電源移相之后才能使用。對于三相有中線的電源,可取一相電壓及其它兩相之間的線電壓分別作為勵(lì)磁電壓和控制電壓;對于三相無中線的電源,可利用三相變壓器副邊的相電壓和線電壓形成90o相位移的電源系統(tǒng)。如果只有單相電源時(shí),則需要通過移相電容產(chǎn)生兩相電源,通過對電容值的合理選擇,可以使勵(lì)磁電壓和控制電壓正好相差90o電角度。通常,移相電容為零點(diǎn)幾微法到幾十微法。第四章伺服電動機(jī)-88-(2)在控制系統(tǒng)中,控制信號通常是通過放大器加到交流伺服電動機(jī)的控制繞組上。這樣,大的控制電流和控制功率就會增大放大器的負(fù)擔(dān),使放大器的體積和重量增大??梢酝ㄟ^在控制繞組兩端并聯(lián)電容的方法,提高控制相的功率因數(shù),從而減小放大器輸出的無功電流,減小放大器的負(fù)擔(dān)。第四章伺服電動機(jī)-89-(3)交流伺服電動機(jī)為了滿足控制性能的要求,轉(zhuǎn)子電阻通常都設(shè)計(jì)得比較大,而且經(jīng)常工作在低速段和不對稱狀態(tài),因此它的損耗比一般電機(jī)大,發(fā)熱多,效率低。為了保證其溫升不超過允許值,在安裝時(shí)應(yīng)改善散熱條件,如將電機(jī)安裝在面積足夠大的金屬支架上,保證通風(fēng)良好,遠(yuǎn)離其它熱源。第四章伺服電動機(jī)-90-三、直流伺服電動機(jī)與交流伺服電動機(jī)的比較直流伺服電動機(jī)和交流伺服電動機(jī)都可作為控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件,但應(yīng)根據(jù)各自的特點(diǎn)和使用的具體情況,合理選用。
(1)機(jī)械特性。直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性是線性的,在不同控制電壓下,機(jī)械特性相互平行,而且特性很硬;但交流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性是非線性的,特性的斜率隨著控制信號的不同而變化,機(jī)械特性較軟,特別在低速段更加嚴(yán)重。第四
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