电工学 教学课件 作者 常文平 第15章控制电机.ppt

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1、第15章控制电机15.1伺服电动机定义：在自动控制系统和计算装置中，作为执行、检测和计算元件用的各种电机，统称控制电机。本章主要介绍伺服电动机、无刷直流电动机、步进电动机和直线感应电动机。伺服电动机也称执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件，其任务是把接收的电信号转变为轴上的角位移或角速度。这种电机有信号时就动作，没有信号时就立即停止。分类：伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机。一、直流伺服电动机结构主要包括三大部分：定子、转子、电刷和换向片（1）定子：磁极磁场由定子的磁极产生。（2）转子：又称为电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋

2、转的电磁转矩。（3）电刷与换向片。为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀的连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。分类他励式永磁式磁极由永磁材料制成磁极由冲压硅钢片叠压而成，外绕线圈通以直流电产生恒定磁场直流伺服电动机实际上就是一台直流电动机，其结构与普通小型直流电动机相同，只是为了减小转动惯量而做得细长一些。工作原理和普通直流电动机完全相同，当磁极有磁通，绕组中有电流通过时，电枢电流与磁通作用产生转矩，伺服电动机就动作。分类磁场控制电枢控制励磁绕组始终接在一个恒定的直流电压上，用以产生主磁通；电枢绕组作为控制绕组接到控制电压上，控制电枢电流、电磁转矩以及

3、输出的转速和转向。电枢绕组始终接在恒定的直流电源上，励磁绕组则作为控制绕组。改变励磁电压的大小和方向，就能改变电动机的转速与转向。两种控制类型，电枢控制的性能比磁场控制优越，自动控制系统中多采用电枢控制方式。（1）机械特性：指励磁电压恒定，电枢的控制电压为一个定值时电动机的转速与电磁转矩之间的关系。（2）调节特性：指电磁转矩恒定时，电机的转速随控制电压的变化关系。（a）机械特性（b）调节特性控制特性从上图可知，（1）电枢控制时，机械特性和调节特性都是线性，这是一个可贵的优点。（2）当负载转矩恒定时，电枢的控制电压升高，电动机的转速就升高；反之，减小电枢控制电压，电动机的转速就降低；改变控

4、制电压的极性，电机就反转；控制电压变零，电机就停转。（3）直流伺服电机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便地在宽范围内实现平滑无级调速，故多采用在对伺服电机的调速性能要求较高的生产设备中。其输出功率一般为1~600W。（4）伺服系统的应用非常广泛，有位置伺服系统、速度伺服系统、增量运动伺服系统等。现以伺服称重系统为例来说明直流伺服电动机的应用。分析过程略。一、交流伺服电动机结构主要包括两大部分：定子、转子交流伺服电动机就是两相异步电动机，其定子槽内嵌有两套有空间相差90°电角度的定子绕组，一套是励磁绕组，另一套是控制绕组。转子基本结构非磁性空心杯形转子笼形转子与普通三相异步电动机笼型

5、转子相似，只是外形上细而长，以利于减小转动惯量。为了减小转动惯量，杯形转子通常是用铝合金或铜合金制成的空心薄壁圆筒。此外，为为减小磁路的磁阻，在空心杯形转子内放置固定的内定子。两种转子转动的原理是一样的，当前主要应用的是鼠笼转子的交流伺服电动机。工作原理励磁绕组与电容串联后接到交流电源上，其电压为U。根据旋转磁场理论，只要控制电压的相位与励磁电压的相位不同，就能在电动机中产生一个两相旋转磁场，使电动机旋转起来。自转现象：如果电动机处在旋转状态下，当控制电压消失时，即Uk=0时，电动机在单相磁场的作用下会继续按原旋转方向转动，只是转速略有下降，但不会停转。这种在控制电压消失后电动机仍然旋转

6、不停的现象称为“自转”。自转现象破坏了伺服电动机的伺服性。解决方法：实际的交流伺服电动机，通常是采取增加转子回路电阻的方法，当控制电压消失后，由励磁绕组单相通电运行产生制动性质的电磁转矩，使电动机停转。控制方法和运行特性三种控制方法：（1）幅值控制：即保持控制电压UK的相位不变，仅改变其幅值来进行控制。（2）相位控制：即保持UK的幅值不变，仅改变其相位来进行控制。（3）幅-相控制：同时改变UK的大小和相位来进行控制。实质：都是利用改变不对称两相电压中正序和负序电压的比例，来改变正向和反向电磁转矩的大小，从而达到改变全成电磁转矩和转速的目的。常用的电容控制是一种复杂的幅-相控制。由图可见（

7、1）在一定负载转矩下，控制电压越高，转速也越高；（2）在一定控制电压下，负载增加，转速下降。（3）此外，由于电阻较大，机械特性曲线下降较快，特性很软，不利于系统的稳定。不同控制电压下的机械特性曲线15.2无刷直流电动机无刷直流电动机是在电力电子技术进步的基础上发展起来的一种典型的机电一体化产品，它是由电动机本体、位置检测器、逆变器和控制器组成的自同步电动机系统或自控式变频同步电动机。系统的组成如下图。结构无刷直流电动机最初的设计思想