控制及執(zhí)行元件直流電機(jī)課時(shí)

2023/9/22概述：第二部分：空氣動(dòng)力學(xué)測量；慣性量測量；方位角測量；定位測量；導(dǎo)航系統(tǒng)；其他輔助量測量。第三部分：舵機(jī)（液動(dòng)）；電機(jī)（電動(dòng)）。飛行器2023/9/23概述：分系統(tǒng)部分：執(zhí)行元件執(zhí)行元件小型無人機(jī)/導(dǎo)彈中大型飛機(jī)舵回路控制系統(tǒng)2023/9/24概述：飛行器整體部分：2023/9/25常用元件分類：執(zhí)行元件：力矩電機(jī)（電氣控制）；液壓缸/液壓馬達(dá)（液壓控制）；氣動(dòng)缸（氣動(dòng)控制）?？刂圃阂簤侯悾核欧y、換向閥、比例閥等；氣動(dòng)類：比例閥、換向閥、節(jié)流閥等。2023/9/26電機(jī)的基本概念：定義：又稱為馬達(dá)或電動(dòng)馬達(dá)，是一種將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，并可再使用機(jī)械能產(chǎn)生動(dòng)能，用來驅(qū)動(dòng)其他裝置的電氣設(shè)備。

電機(jī)的分類及應(yīng)用：直流電機(jī)和交流電機(jī)（按工作電源分類）；直流電機(jī)、交流同步電機(jī)和交流異步電機(jī)（按結(jié)構(gòu)和工作原理分類）；驅(qū)動(dòng)用電機(jī)、控制用電機(jī)（按應(yīng)用目的分類）；步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)（按控制方式分類）；等等…。直流電機(jī)分類：分為直流伺服電機(jī)、直流力矩電機(jī)等。按控制方式又分為磁場控制式和電樞控制式。2023/9/27直流電機(jī)：組成及結(jié)構(gòu)：2023/9/28直流電機(jī)：工作原理：此為一個(gè)簡單的直流電（D.C.）電機(jī)。當(dāng)線圈通電后，轉(zhuǎn)子周圍產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子的左側(cè)被推離左側(cè)的磁鐵，并被吸引到右側(cè)，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)；轉(zhuǎn)子依靠慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)轉(zhuǎn)子運(yùn)行至水平位置時(shí)電流變換器將線圈的電流方向逆轉(zhuǎn)，線圈所產(chǎn)生的磁場亦同時(shí)逆轉(zhuǎn)，使這一過程得以重復(fù)。2023/9/29直流電機(jī)：磁場基本知識(shí)：磁勢(shì)：稱為磁勢(shì)，它描述了磁場強(qiáng)度矢量H和電流I之間的關(guān)系。磁場密度：磁通量：磁通是表示磁場強(qiáng)弱的物理量。電磁力矩：電磁力（力矩）是由磁場產(chǎn)生的。2023/9/210直流電機(jī)：物理及數(shù)學(xué)模型：ia不變:磁場控制型if不變:電樞控制型2023/9/211直流電機(jī)：物理及數(shù)學(xué)模型：磁場控制型電機(jī)轉(zhuǎn)矩放大系數(shù)電機(jī)激磁電樞感抗電機(jī)激磁電樞阻抗負(fù)載角慣量負(fù)載阻尼2023/9/212直流電機(jī)：物理及數(shù)學(xué)模型：磁場控制型對(duì)于慣性環(huán)節(jié)，其階躍響應(yīng)為：2023/9/213直流電機(jī)：物理及數(shù)學(xué)模型：磁場控制型電磁時(shí)間常數(shù)分析：a.時(shí)間常數(shù)越小，電機(jī)響應(yīng)越快；b.減小Lf，提高響應(yīng)；c.增加Rf，影響Km。分析：a.時(shí)間常數(shù)越小，系統(tǒng)響應(yīng)越快；b.減小Jl，提高響應(yīng)；c.增加Bl，速度提高的情況下，負(fù)載增大，反而造成效果不佳。因此，拖動(dòng)小負(fù)載時(shí)，速度很快。負(fù)載時(shí)間常數(shù)分析：Km反映了電機(jī)在單位電壓輸入時(shí)，電機(jī)輸出扭矩的大小。2023/9/214直流電機(jī)：物理及數(shù)學(xué)模型：電樞控制型2023/9/215直流電機(jī)：基本方程歸納：瞬態(tài)電壓平衡方程：力矩平衡方程：改寫重新劃分：T0：空載力矩，包含機(jī)械摩擦力矩和電磁阻力矩兩個(gè)部分；T1：負(fù)載力矩，實(shí)際它還包含負(fù)載角慣量所引起的力矩；T2：慣性力矩，在穩(wěn)態(tài)或勻速狀態(tài)時(shí)，為零；加速時(shí)，T2>0；減速時(shí)，T2<0。2023/9/216直流電機(jī)：基本方程歸納：功率平衡方程：Pr：電樞損耗（銅耗）；Pm：電樞繞組的電磁功率；電磁功率本來是電樞想輸出給負(fù)載的，但是不是都給負(fù)載了呢？熱量2023/9/217直流電機(jī)：基本方程歸納：功率平衡方程：繼續(xù)往下看：熱量2023/9/218直流電機(jī)：基本方程歸納：功率平衡方程：總結(jié)：a.定義電機(jī)效率為：b.應(yīng)從系統(tǒng)的角度去設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)象，無論是機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)還是液壓系統(tǒng)；c.后續(xù)的液壓舵機(jī)也會(huì)面臨效率的問題。2023/9/219直流電機(jī)：運(yùn)行特性：機(jī)械特性：定義：當(dāng)磁場（if不變或永磁磁場）和輸入電樞電壓Ua保持不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出力矩之間的關(guān)系。2023/9/220直流電機(jī)：運(yùn)行特性：機(jī)械特性：定義：當(dāng)磁場（if不變或永磁磁場）和輸入電樞電壓Ua保持不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出力矩之間的關(guān)系。2023/9/221直流電機(jī)：運(yùn)行特性：調(diào)節(jié)特性：定義：當(dāng)磁場（if不變或永磁磁場）和負(fù)載力矩Tm保持不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速和輸入電樞電壓之間的關(guān)系。Tm0等于什么？意味著什么？2023/9/222直流電機(jī)：直流電機(jī)的使用：起動(dòng)：定義：直流電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)到穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的過程叫做起動(dòng)過程。起動(dòng)初始狀態(tài)：起動(dòng)電流2023/9/223直流電機(jī)：直流電機(jī)的使用：起動(dòng)：分析：考慮大功率（幾十千瓦以上，驅(qū)動(dòng)用）和小功率（控制用）兩種電機(jī)。a.大功率電機(jī)：由于功率很大，工作電壓較高，這類電機(jī)的起動(dòng)電流一般是穩(wěn)態(tài)（額定）電流的幾十倍，由于電流很大，可能對(duì)容量有限的電源造成影響，并對(duì)電機(jī)的換向是不利的。為了限制起動(dòng)電流，必須提供一種方法。2023/9/224直流電機(jī)：直流電機(jī)的使用：起動(dòng)：分析：考慮大功率（幾十千瓦以上，驅(qū)動(dòng)用）和小功率（千瓦以下，控制用）兩種電機(jī)。a.大功率電機(jī)：由于功率很大，工作電壓較高，這類電機(jī)的起動(dòng)電流一般是穩(wěn)態(tài)（額定）電流的幾十倍，由于電流很大，可能對(duì)容量有限的電源造成影響，并對(duì)電機(jī)的換向是不利的。為了限制起動(dòng)電流（限制到1.5～2倍額定電流），必須提供一種方法。2023/9/225直流電機(jī)：直流電機(jī)的使用：起動(dòng)：分析：考慮大功率（幾十千瓦以上，驅(qū)動(dòng)用）和小功率（控制用）兩種電機(jī)。a.小功率電機(jī)：由于功率工作電壓低，這類電機(jī)的起動(dòng)電流一般是穩(wěn)態(tài)（額定）電流的5～6倍，故可以不接限流電阻直接起動(dòng)。但要注意一個(gè)問題，電機(jī)控制器的功率要能滿足電機(jī)的起動(dòng)要求。2023/9/226直流電機(jī)：直流電機(jī)的使用：運(yùn)轉(zhuǎn)方向的控制：2023/9/227直流電機(jī)：直流電機(jī)的使用：制動(dòng)：方式：能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)和反饋制動(dòng)。發(fā)電機(jī)狀態(tài)2023/9/228直流電機(jī)：直流電機(jī)的使用：調(diào)速：方式：電樞電壓調(diào)速、電樞電阻調(diào)速和勵(lì)磁電流調(diào)速。例題：已知一臺(tái)直流他勵(lì)電機(jī)，原來運(yùn)行狀態(tài)為Ua=110V，Ub=90V，Ra=20歐姆，Ia=1A，n1=3000rpm?，F(xiàn)在勵(lì)磁回路中串入調(diào)節(jié)電阻Rj，使得磁通減小10%，問在保持轉(zhuǎn)矩不變的情況下，求磁通減小后的轉(zhuǎn)速n2。2023/9/229直流電機(jī)：力矩電機(jī)：力矩電機(jī)是一種結(jié)合了伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)特點(diǎn)而發(fā)展起來的一種特殊電機(jī)，目前在控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。力矩電機(jī)可在很低的轉(zhuǎn)速下提供較大的扭矩，因此可以不經(jīng)過減速器等機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)低速負(fù)載。在位置伺服控制系統(tǒng)中，它可以工作在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)；在速度伺服控制系統(tǒng)中，它又可以工作在低速狀態(tài)，且輸出較大的力矩。所以力矩電機(jī)是一種直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載的執(zhí)行元件。目前，力矩電機(jī)的輸出力矩可達(dá)上千牛米，空載轉(zhuǎn)速為10rpm。2023/9/230直流電機(jī)：力矩電機(jī)：與普通電機(jī)的異同點(diǎn)：a.工作原理相同；b.結(jié)構(gòu)和外型存在差異；c.角慣量較小，輸出力矩大，轉(zhuǎn)速可很低；d.一般是永磁多極式。2023/9/231直流電機(jī)：力矩電機(jī)：

示意：2023/9/232直流電機(jī)：力矩電機(jī)：驅(qū)動(dòng)方式：直流電源驅(qū)動(dòng)和PWM驅(qū)動(dòng)。PWM原理及基礎(chǔ)理論：

沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。2023/9/233直流電機(jī)：力矩電機(jī)：驅(qū)動(dòng)方式：直流電源驅(qū)動(dòng)和PWM驅(qū)動(dòng)。PWM波的優(yōu)點(diǎn)：

PWM脈寬調(diào)制，是靠改變脈沖寬度來控制輸出電壓，通過改變周期來控制其輸出頻率。而輸出頻率的變化可通過改變此脈沖的調(diào)制周期來實(shí)現(xiàn)。這樣，使調(diào)壓和調(diào)頻兩個(gè)作用配合一致，且于中間直流環(huán)節(jié)無關(guān)，因而加快了調(diào)節(jié)速度，改善了動(dòng)態(tài)性能；由于輸出等幅脈沖只需恒定直流電源供電，使電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)大大改善；利用PWM逆變器能夠抑制或消除低次諧波。加上使用自關(guān)斷器件，開關(guān)頻率大幅度提高，輸出波形可以非常接近正弦波。

2023/9/234直流電機(jī)：力矩電機(jī)：驅(qū)動(dòng)方式：直流電源驅(qū)動(dòng)和PWM驅(qū)動(dòng)。PWM波的產(chǎn)生：2023/9/235直流電機(jī)：力矩電機(jī)：驅(qū)動(dòng)方式：直流電源驅(qū)動(dòng)和PWM驅(qū)動(dòng)。后置濾波綜合放大1綜合放大2解調(diào)濾波速度微分PWM驅(qū)動(dòng)器D/A輸入RVDT輸出+—三角波調(diào)偏電壓誤差信號(hào)VCCPWM信號(hào)LM1112023/9/236直流電機(jī)：力矩電機(jī)：驅(qū)動(dòng)方式：直流電源驅(qū)動(dòng)和PWM驅(qū)動(dòng)。H橋電路：2023/9/237直流電機(jī)：力矩電機(jī)：習(xí)題：1.已知一臺(tái)直流電機(jī)，原來運(yùn)行狀態(tài)為Ua=110V，Ub=90V，Ra=20歐姆，Ia=1A，n1=3000rpm。將Ua降低一半，問在保