《電機(jī)與電氣控制應(yīng)用技術(shù)》課件項(xiàng)目四 控制電機(jī)的應(yīng)用

項(xiàng)目四控制電機(jī)的應(yīng)用課題一伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用課題二步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用課題一伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用

學(xué)習(xí)目標(biāo)?了解伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和用途;?了解伺服電動(dòng)機(jī)的基本工作原理;?了解伺服電動(dòng)機(jī)的控制方式?？刂齐姍C(jī)是在普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的具有特殊功能的小型旋轉(zhuǎn)電機(jī)。控制電機(jī)在控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件、檢測(cè)元件和運(yùn)算元件。從工作原理上看,控制電機(jī)和普通電機(jī)沒(méi)有本質(zhì)上的差異,但普通電機(jī)功率大,側(cè)重于電機(jī)的起動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)等方面的性能指標(biāo),而控制電機(jī)輸出功率較小,側(cè)重于電機(jī)控制的精度和響應(yīng)速度。伺服電動(dòng)機(jī)的作用是將輸入的電壓信號(hào)(即控制電壓)轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度輸出,在自動(dòng)控制系統(tǒng)中常作為執(zhí)行元件,所以伺服電動(dòng)機(jī)又稱為執(zhí)行電動(dòng)機(jī),其最大特點(diǎn)是:有控制電壓時(shí)轉(zhuǎn)子立即旋轉(zhuǎn),無(wú)控制電壓時(shí)轉(zhuǎn)子立即停轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由控制電壓的方向和大小決定的。伺服電動(dòng)機(jī)分為直流和交流兩大類。項(xiàng)目四控制電機(jī)的應(yīng)用一、交流伺服電動(dòng)機(jī)1.基本結(jié)構(gòu)交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)同一般異步電動(dòng)機(jī)相似,主要可分為兩大部分,即定子部分和轉(zhuǎn)子部分。定子繞組是兩相的,一相為勵(lì)磁繞組f,一相為控制繞組c。通?？刂葡喾殖蓛蓚€(gè)獨(dú)立且相同的部分,它們可以串聯(lián)或并聯(lián),供選擇兩種控制電壓用。勵(lì)磁繞組與控制繞組在空間相差90°電角度,其外形結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。交流伺服電動(dòng)機(jī)就是兩相異步電動(dòng)機(jī)。項(xiàng)目四控制電機(jī)的應(yīng)用

(1)高電導(dǎo)率導(dǎo)條的籠型轉(zhuǎn)子。它的結(jié)構(gòu)與普通籠型異步電動(dòng)機(jī)類似,但是為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,轉(zhuǎn)子做得細(xì)而長(zhǎng)。轉(zhuǎn)子籠條和端環(huán)既可采用高電阻率的導(dǎo)電材料(如黃銅、青銅等)制造,也可采用鑄鋁轉(zhuǎn)子。圖4-1交流伺服電動(dòng)機(jī)原理圖交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子通常采用以下兩種結(jié)構(gòu)形式:項(xiàng)目四控制電機(jī)的應(yīng)用(2)非磁性空心杯型轉(zhuǎn)子。非磁性空心杯型轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。定子部分由外定子和內(nèi)定子兩部分組成。外定子鐵心槽中放置空間相距90°電角度的兩繞組,內(nèi)定子鐵心中不放繞組,僅作為電機(jī)磁路的一部分。在內(nèi)、外定子之間有細(xì)長(zhǎng)的空心轉(zhuǎn)子裝在轉(zhuǎn)軸上,空心轉(zhuǎn)子做成杯子形狀,所以又稱為空心杯型轉(zhuǎn)子。圖4-2非磁性空心杯型轉(zhuǎn)子項(xiàng)目四控制電機(jī)的應(yīng)用非磁性空心杯型轉(zhuǎn)子的主要特點(diǎn)是將鋁或銅制成空心薄壁結(jié)構(gòu)。與籠型轉(zhuǎn)子相比較,非磁性空心杯型轉(zhuǎn)子的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子慣性小,運(yùn)轉(zhuǎn)平滑,無(wú)抖動(dòng)現(xiàn)象,始動(dòng)電壓低;缺點(diǎn)是內(nèi)、外定子間氣隙較大,勵(lì)磁電流大,利用率低,體積大,制造成本高。籠型轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)較多,目前被廣泛應(yīng)用。只有在要求運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)的某些特殊場(chǎng)合下(如積分電路等)才采用非磁性空心杯型轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)。項(xiàng)目四控制電機(jī)的應(yīng)用2.工作原理交流伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)際上是一種兩相異步電動(dòng)機(jī)。在沒(méi)有控制電壓時(shí),氣隙中只有勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場(chǎng),轉(zhuǎn)子上沒(méi)有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩而靜止不動(dòng)。當(dāng)有控制電壓且控制繞組電流和勵(lì)磁繞組電流相位不相同時(shí),則在氣隙中產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,使轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)。但是對(duì)交流伺服電動(dòng)機(jī)的要求不僅是在有控制電壓時(shí)能起動(dòng),而且在電壓消失后能立即停轉(zhuǎn)。如果交流伺服電動(dòng)機(jī)在控制電壓消失后仍像一般單相異步電動(dòng)機(jī)那樣繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),則出現(xiàn)失控現(xiàn)象,這種因失控而自行旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱為自轉(zhuǎn)。項(xiàng)目四控制電機(jī)的應(yīng)用

項(xiàng)目四控制電機(jī)的應(yīng)用由圖中可看出,合成轉(zhuǎn)矩的方向與交流伺服電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反,是一個(gè)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,這就保證了當(dāng)控制電壓消失后轉(zhuǎn)子仍轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),交流伺服電動(dòng)機(jī)將被迅速制動(dòng)而停下。轉(zhuǎn)子電阻加大后,不僅可以消除自轉(zhuǎn),還具有擴(kuò)大調(diào)速范圍、改善調(diào)節(jié)特性、提高反應(yīng)速度等優(yōu)點(diǎn)。圖4-3交流伺服電動(dòng)機(jī)單相運(yùn)行時(shí)的機(jī)械特性項(xiàng)目四控制電機(jī)的應(yīng)用3.控制方法交流伺服電動(dòng)機(jī)不僅需要控制它的起動(dòng)與停止,而且還需控制它的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。可采用下列三種方法來(lái)控制交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高低及旋轉(zhuǎn)方向:(1)幅值控制:保持控制電壓與勵(lì)磁電壓間的相位差不變,僅改變控制電壓的幅值。(2)相位控制:保持控制電壓的幅值不變,僅改變控制電壓與勵(lì)磁電壓間的相位差。(3)幅相控制:同時(shí)改變控制電壓的幅值和相位。交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn),噪音小,但控制特性為非線性并且因轉(zhuǎn)子電阻大而導(dǎo)致?lián)p耗大,效率低。與同容量直流伺服電動(dòng)機(jī)相比其體積大,質(zhì)量大,所以只適用于0.5~100W的小功率自動(dòng)控制系統(tǒng)中。項(xiàng)目四控制電機(jī)的應(yīng)用二、直流伺服電動(dòng)機(jī)1.基本結(jié)構(gòu)直流伺服電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與普通他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)相同,所不同的是直流伺服電動(dòng)機(jī)的電樞電流很小,換向不困難,因此不用裝換向磁極,并且轉(zhuǎn)子做得細(xì)長(zhǎng),氣隙較小,磁路不飽和,電樞電阻較大。直流伺服電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式不同,可分為電磁式和永磁式兩種。電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)由勵(lì)磁繞組產(chǎn)生,一般用他勵(lì)式;永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)由永磁鐵產(chǎn)生,無(wú)需勵(lì)磁繞組和勵(lì)磁電流,可減小體積和損耗。為了適應(yīng)不同系統(tǒng)的需要,對(duì)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)做了許多改進(jìn),又發(fā)展了低慣量的無(wú)槽電樞、空心杯型電樞、印制繞組電樞和無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī)等品種。項(xiàng)目四控制電機(jī)的應(yīng)用2.工作原理傳統(tǒng)直流伺服電動(dòng)機(jī)的基本工作原理與普通直流電動(dòng)機(jī)完全相同,依靠電樞電流與氣隙磁通的作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,使直流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。直流伺服電動(dòng)機(jī)通常采用電樞控制方式,即在保持勵(lì)磁電壓不變的條件下,通過(guò)改變電樞電壓來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。電樞電壓越小,則轉(zhuǎn)速越低;電樞電壓為零時(shí),直流伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。由于電樞電壓為零時(shí)電樞電流也為零,直流伺服電動(dòng)機(jī)不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,不會(huì)出現(xiàn)“自轉(zhuǎn)”。直流伺服電動(dòng)機(jī)在電樞控制方式運(yùn)行時(shí),特性的線性度好,調(diào)速范圍大,效率高,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,具有比較好的伺服性能。其缺點(diǎn)是電樞電流大,所需控制功率大,電刷和換向器維護(hù)工作量大,接觸電阻不夠穩(wěn)定,對(duì)低速運(yùn)行的穩(wěn)定性有一定的影響。項(xiàng)目四控制電機(jī)的應(yīng)用課題二步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)?了解步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和用途;?了解步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本工作原理。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移的控制電機(jī),在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作執(zhí)行元件。給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí),它就轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度或移動(dòng)一定的距離。由于其輸出的角位移或直線位移可以不是連續(xù)的,因此稱其為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的精度高、慣性小,不會(huì)因電壓波動(dòng)、負(fù)載變化、溫度變化等原因而改變輸出量與輸入量之間的固定關(guān)系,其控制性能很好。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)廣泛用于數(shù)控機(jī)床、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備等控制系統(tǒng)中。項(xiàng)目四控制電機(jī)的應(yīng)用一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類很多,主要有反應(yīng)式、勵(lì)磁式等。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組,依靠變化的磁阻生成磁阻轉(zhuǎn)矩工作。勵(lì)磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上有磁極,依靠電磁轉(zhuǎn)矩工作。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用最為廣泛,它有兩相、三相、多相之分,也有單段、多段之分。項(xiàng)目四控制電機(jī)的應(yīng)用二、單段式三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1.基本結(jié)構(gòu)

下圖所示為單段三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。其定子、轉(zhuǎn)子鐵心由軟磁材料或硅鋼片疊成凸極結(jié)構(gòu),定子、轉(zhuǎn)子磁極上均有小齒,定子、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)相等。定子磁極上套有星形連接的三相控制繞組,每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的磁極為一相,轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組。項(xiàng)目四控制電機(jī)的應(yīng)用圖4-4三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖2.工作原理圖4-5單段三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理項(xiàng)目四控制電機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)以U→V→W→U的通電順序,使三相繞組輪流通入直流電流,觀察轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)情況。當(dāng)U相繞組通電時(shí),氣隙中生成以U-U為軸線的磁場(chǎng)。在磁阻轉(zhuǎn)矩的作用下,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到使1、3兩轉(zhuǎn)子齒與磁極U-U對(duì)齊的位置上。如果U相繞組不斷電,1、3兩轉(zhuǎn)子齒就一直被磁極U-U吸引住而不改變其位置,即轉(zhuǎn)子具有自鎖能力。

項(xiàng)目四控制電機(jī)的應(yīng)用

項(xiàng)目四控制電機(jī)的應(yīng)用可見(jiàn),以U→V→W→U的通電順序使三個(gè)控制繞組不斷地輪流通電時(shí),步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就會(huì)沿UVW的方向一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)。改變控制繞組的通電順序,如改為U→W→V→U的通電順序,則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反。以上通電方式中,通電狀態(tài)循環(huán)一周需要改變?nèi)?每次只有單獨(dú)一相控制繞組通電,稱之為三相單三拍運(yùn)行方式。由于單獨(dú)一相控制繞組通電時(shí)容易使轉(zhuǎn)子在平衡位置附近來(lái)回?cái)[動(dòng)——振蕩,會(huì)使運(yùn)行不穩(wěn)定,因此實(shí)際上很少采用三相單三拍的運(yùn)行方式。項(xiàng)目四控制電機(jī)的應(yīng)用除此之外,還有三相雙三拍運(yùn)行方式和三相六拍運(yùn)行方式。三相雙三拍運(yùn)行方式的每個(gè)通電狀態(tài)都有兩相控制繞組同時(shí)通電,通電狀態(tài)切換時(shí)總有一相繞組不斷電,不會(huì)產(chǎn)生振蕩。圖4-6是通電順序?yàn)閁V→VW→WU→UV的三相雙三拍運(yùn)行方式示意圖。U、V兩相通電時(shí),兩磁場(chǎng)的合成磁場(chǎng)軸線與未通電的W-W相繞組軸線重合,轉(zhuǎn)子在磁阻轉(zhuǎn)矩的作用下,轉(zhuǎn)動(dòng)到使轉(zhuǎn)子齒2、3之間的槽