郝用兴主编华中科技大学出版社第二版机电传动控制课件第5章讲解.ppt

第五章 控制电机 本章重点： 控制电机的工作原理、主要运行特性和应用 定义：用于自动控制、自动调节、远距离测量的小功率电机。 分类：测量元件、执行元件。 作用：完成控制信号的传递和变换。 特点：性能稳定可靠，动作灵敏，精度高，体积小。 5.1 伺服电机5.2 力矩电机5.3 小功率同步电机5.4 步进电机5.5 测速发电机5.6 自整角机5.7 直线电动 伺服电机 伺服系统是用来控制被控对象的某种状态，使其自动地、连续地、精确地复现输入信号的变化规律，通常是闭环控制系统。伺服系统控制的目的就是使伺服系统在可变的外部条件下仍然完成所期望的行为。广义来讲，可分为两种： (1)使系统保持原来的状态； (2)使系统沿着所希望的状态轨迹变化； 若系统被控量是位置，则称为位置伺服系统。位置伺服系统的根本任务就是使系统按照给定的速度和运动轨迹实现准确的跟踪和定位，完成功率放大的职能，并在保证系统有足够的能力推动负载按输入指令的规律运动的同时，使输入和输出之间的偏差不超过允许的范围。 5.1.1 直流伺服电动机（1～600W） 它的基本结构和工作原理与普通直流他励电动机相同，不同点只是他做得比较细长一些，以满足快速响应的要求。 2. 运行特性 电枢控制直流伺服电动机的运行特性包括机械特性和调节特性。 1）机械特性 当控制电压Ua＝0时，电动机立即停止，因此，无自转现象。 2）调节特性 调节特性为一上翘的直线。Ua0是电动机处在待动而又未动临界状态时的控制电压，称为始动电压，负载转矩越大，始动电压越高。而且控制电压从0到Ua0一段范围内，电机不转动，称为电动机的死区。 3．直流伺服电动机的特点 机械特性较硬，具有良好的线性调节特性及快速时间响应。但结构复杂，电刷换向使速度受到限制。 低速运转时， 由于电枢齿槽、电刷接触压降和电刷和换向器之间摩擦的影响，转速会出现时快、时慢，甚至可能会出现低速运转不稳定现象。低速运转的不稳定性可以通过增加稳速控制电路或使用直流力矩电动机加以解决。 5.1.2 低惯量直流伺服电动机 1.空心杯转子直流伺服电动机 空心杯转子直流伺服电动机的特点是惯量低；灵敏度高，时间常数很小； 损耗小，效率高；力矩波动小，低速转动平稳，噪音很小；换向性能好，寿命长。多用于高精度自动控制系统及测量装置等设备中。 (1)低惯量。由于转子无铁心，且薄壁细长，惯量极低，有超低惯量电动机之称。 (2)灵敏度高；因转子绕组散热条件好， 绕组的电流密度可取到 30 A/mm2， 并且永久磁钢体积大， 可提高气隙的磁通密度， 所以力矩大。 加上惯量又小， 因而转矩/惯量比很大， 机电时间常数很小(最小的在 1 ms以下)， 灵敏度高， 快速性好。 (3)损耗小，效率高；因转子中无磁滞和涡流造成的铁耗， 所以效率可达 80%或更高。 (4)力矩波动小，低速时运转平稳，噪声小；由于绕组在气隙中均匀分布， 不存在齿槽效应， 因此力矩传递均匀， 波动小， 故运转时噪音小， 低速运转平稳。 (5)换向性能好。由于杯形转子无铁心， 换向元件电感很小， 几乎不产生火花， 换向性能好， 因此大大提高了电机的使用寿命。据有关资料介绍， 这种电机的寿命可达 3～5 kh， 甚至高于10 kh。 而且换向火花很小， 可大大减小对无线电的干扰。 2.印制绕组直流伺服电动机 印制绕组直流伺服电动机的转子呈薄片圆盘状，用印刷电路制成双面电枢绕组。其特点是结构简单，制造成本低；起动转矩大；力矩波动很小，低速运行稳定；换向性能好；电枢转动惯量小，反应快。 (1) 电机结构简单，制造成本低。 (2) 起动转矩大。由于电枢绕组全部在气隙中，散热良好，其绕组电流密度比一般普通的直流伺服电动机高10倍以上，因此容许的起动电流大，起动转矩也大。 (3) 力矩波动很小，低速运行稳定，调速范围广而平滑，能在1∶20的速比范围内可靠平稳运行。这主要是由于这种电机没有齿槽效应以及电枢元件数、换向片数很多的缘故。 (4) 换向性能好。电枢由非磁性材料组成，换向元件电感小，所以换向火花小。 (5) 电枢转动惯量小，反应快，机电时间常数一般为10～15 ms,属于中等低惯量伺服电动机。 3.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心是光滑、无槽的圆柱体。电枢的制造是将敷设在光滑电枢铁心表面的绕组，用环氧树脂固化成型并与铁心粘结在一起，其气隙尺寸较大，比普通的直流电动机大10倍以上。定子励磁一般采用高磁能的永久磁钢。 其特点是转动惯量低；起动转矩大