第五章 控制电机.doc
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1、第五章 控制电机控制电机主要用于自动控制系统中作为检测、比较、放大和执行元件。其任务是转换和传递控制信号。它要求高精度、高灵敏度、高稳定可靠性,体积小重量轻,耗电量少等。这类电机的特点是:外形尺寸较小,机壳外径一般不大于160mm,功率一般不超过750KW;结构简单,控制便利,响应速度快。缺点是:在力学指标和效率等方面,比普通电机要低。第一节 伺服电动机在自动控制系统中,作为执行元件的伺服电动机,是把控制信号转变为伺服电动机轴的角位移或角速度输出,转轴的转向和转速,随控制信号电压的极性(相位)和大小而改变。并同时带动一定大小的负载,去完成控制规律所要求的性能指标。伺服电机应具有伺服性。这就是控
2、制信号强时,电动机的转速高;控制信号弱时,电动机转速低;若控制信号为零时,电动机就应该停止。若控制信号改变极性(或相位)时,电动机应改变转向。例如:在雷达天线控制系统中,雷达发射机经过天线发送出无线电波束,遇到目标时,其反射回波信号被雷达接收机接收。雷达接收机将目标的方位和距离确定后,向伺服电动机送出电信号,伺服电动机按照目标方位和距离信号拖动雷达天线不断地跟踪目标转动。一、交流伺服电动机图5-1-1伺服电动机的定子与转子图4-1-2 杯形转子伺服电动机结构图1-控制绕组 2-励磁绕组3-内定子 4-外定子 5-转子图5-1-2 杯形转子伺服电动机结构图交流伺服电动机,就是两相异步电动机。它的
3、定子上装有两个绕组,一个是励磁绕组,接固定的交流电源。另一个是控制绕组,接受控制信号。两个绕组在空间上相隔90。交流伺服电动机的转子目前有两种,鼠笼转子和杯形转子。鼠笼转子和三相笼型异步电动机转子相似。但在结构上,为了减小转动惯量常做成细长型,并且转子导体采用高电导率的铝或黄铜制成。杯形转子通常用铝合金或铜合金制成空心薄壁圆筒,以便减小转动惯量。此外,空心杯形转子内放置固定的内定子,目的是减小磁路的磁阻。杯形转子伺服电动机结构,如图5-1-1和5-1-2所示。交流伺服电动机的接线图如图5-1-3所示。励磁绕组V与电容串联接到单相交流电源电压上,控制绕组U接于同频率交流电压或功率放大器的输出端。
4、励磁绕组串接电容,同单相异步电动机分相原理相同。适当选择C的数值,可使励磁电流超前于电压,从而使励磁绕组的端电压,与电源电压间有近90的相位差。放大器检测元件控制信号图5-1-3 交流伺服电动机接线图而控制绕组的电压其频率与及相同,而相位与相同或相反(对应伺服电动机的正转或反转)。励磁绕组和控制绕组中的电流相位差基本上是90,这样便产生两相旋转磁场。的大小取决于控制信号的大小,从而决定电动机转速的快慢。调节的大小可以控制伺服电动机的转速。当控制绕组U中没有控制信号(=0)时,电动机处于单相状态,励磁绕组V所产生的磁场是脉动磁场。转子没有起动转矩,转子静止不动。当控制绕组加上控制电压时,电动机处
5、于两相状态,定子内合成磁场是一个旋转磁场,产生驱动转矩,使转子转动起来。控制电压的大小变化时,转子转速随着变化。当控制电压反相时,旋转磁场和转子则都反转。在运行时如果控制电压消失,即=0,两相伺服电动机将变成一台单相异步电动机。一般的单相电动机会继续旋转,因为这时仍有与转子同转向的电磁转矩T存在,这不符合自动控制的要求。在自动控制系统中,要求控制信号消失时,电动机能自动立即停转,称为自制动。为了使两相伺服电动机能够自制动,设计电机时,必须将电机的转子电阻增大,使发生最大电磁转矩的转差率sm1,这时伺服电动机单相运行时产生的合成电磁转矩T的方向与转子的转向相反,起制动作用,使电动机实现自制动。转
6、子电阻加大后,还可以加宽稳定运行的范围(0sTT0U2UKUKn0n0图5-1-8 直流伺服电动机调节特性曲线直流伺服电动机的调节特性如图5-1-8所示,就是电动机在一定转矩下,转速n与电枢控制电压U2的关系。当T一定时,电枢控制电压U2高时,转速n也高,而且控制电压的增加与转速的增加之间成正比关系;另外,当转速n=0时,不同的转矩T需要不同的控制电压U2。如TT,U2= UK。这表明,只要U2 UK,电动机才能转动起来,而当U2在0UK之间,尽管有控制电压,电机仍然堵转。一般称0UK之间为死区,或失控区。称UK为对应T下的始动电压。T不同,始动电压也不同。只当T=0时,即电动机为理想空载时,
7、只要U20,电动机即可转动。 直流伺服电动机,当控制电压改变极性时,电动机的转向也改变,所以,实现可逆调速或伺服控制是直流伺服电动机的重要性能。直流伺服电动机,常用于功率稍大的自动控制中,尤其以随动系统应用更为普遍。电机的输出功率一般在1600W之间。直流伺服电动机与交流伺服电动机相比较,直流伺服电动机的机械特性较硬。第二节 自整角机自整角机也称自同步机。是作为远距离角度传送、交换和指示的同步传动系统的机电元件,广泛用于各种随动系统之中,通过两台或多台自整角机以电路联系方式,可使在机械上互不相连的转轴作同步偏转。产生信号的一方称发送机,接收信号的一方或多方称接收机。所以自整角机,总是发送方与接
8、收方配合使用的。自整角机按不同的使用要求,可分为力矩式 (在指示状态下工作)和控制式(工作于变压器状态下)两类。一、自整角机的结构自整角机有初级绕组和次级绕组。初级绕组作为励磁,加正弦交流电压,可以用单相交流电源供电,称单相自整角机,也可以用三相交流电源供电,称为三相自整角机。次级绕组总是三相的,一般接成Y型。如图:5-2-1所示。图5-2-1 自整角机定子和转子及绕组结构1-转子 2-定子磁极 3-定子绕组 4-定子 5-转子磁极 6-转子绕组单相自整角机,在结构上也分成定子和转子两部分。从励磁方式上,可分为三种:1定子励磁式 初级为单相励磁绕组,装于凸极定子上,次级为对称分布式的三相绕组,
9、嵌在转子铁心槽内,通过三个滑环与外电路相连接。2转子励磁式 初级单相绕组装于凸极转子上,通过两个滑环与外电路连接,三相次级绕组装于定子槽内。这两种结构,在电路原理上没有区别,只是制造工艺上的差异。目前广泛应用的是凸极转子励磁式自整角机。因为,转子励磁滑环数少,可靠性更好。3隐极式转子和定子 将三相绕组装于隐极定子槽内,而单相励磁绕组嵌装于转子铁心槽内,由滑环引出与外电路连接。此外,还有无接触自整角机,在结构上没有电刷和滑环。励磁绕组和三相绕组都放在定子上,安放三相绕组的铁心与普通三相交流电机相似。转子是由硅钢片迭成两部分,中间有一层非导磁材料,转子上没有绕组。励磁绕组与单相电源相连接。无接触自
10、整角机工作可靠性高、寿命长、传动准确性较高、抗无线电干扰力强,但结构较复杂,使用不广。二、控制式自整角机dqUVWUWV-发送机接收机图 5-2-2 控制式自整角机原理图控制式自整角机又称为变压器式自整角机,其接线图如图5-2-2所示。发送机和接收机的定子三相绕组按顺序依次对应联结。发送机的转子绕组作为励磁绕组接在固定交流电源上。接收机的转子绕组则作为输出绕组,其输出电压由定子磁通感应产生。控制式自整角机工作原理:首先假定,定子绕组U相的轴线为基准轴线,发送机转子轴线与U相轴线间的夹角为发送机转子位置角。接收机的U相轴线方向与发送机U相轴线相同,接收机转子轴线的垂线与定子U相轴线间的夹角为转子
11、的位置角,称-为失调角。当发送机励磁绕组通入励磁电流后,在绕组轴线方向产生空间脉动交变磁通。设其幅值为m,该磁通在定子三相绕组中产生感应电动势,定子各相绕组感应出的电动势同相同频率,其有效值的大小与有关。当=0时,U相电动势有效值为E=4.44f1N1m,f1为交流电源的频率,N1为三相定子绕组每相匝数。发送机与接收机的三相绕组对应联结,构成了三相对称电路,流过每相电流也是同相同频率,其有效值的大小也相等,其值与的大小有关。三相电流在各自的轴线上产生相应的基波脉动磁动势,其发送机中的磁动势幅值F与的大小有关,这三个磁动势在转子轴线上产生的磁动势幅值为 ,这三个磁动势在发送机转子轴线的垂直方向上
12、产生的磁动势幅值为0,所以合成的总磁动势为。发送机三相定子绕组总磁动势大小为常数,其方向与发送机转子轴线方向一致,而与转子位置角无关。当发送机转子转动时,其定子磁动势幅值不变,方向随之同样转动。又由于发送机定子绕组与接收机定子绕组对应连接,形成的相电流、和在接收机中产生的磁动势与大小相等,而方向相反(发送机流出,向接收机流入),即=-。当与U轴的夹角为时,与U轴夹角也为。如果接收机转子轴线与U轴重合,则与接收机转子轴线间夹角也为。交变脉动磁动势产生脉动磁通。将在接收机转子中产生感应电动势E,E的大小与发送机和接收机两转子间的失调角-有关。同发送机三相磁动势方程式相似,接收机三相磁通在转子绕组中
13、感应出的同频同相电动势,其有效值与、的大小有关。自整角接收机转子绕组两端电压的有效值为各相电动势有效值之和,即 (5-2-1)式中,Um是接收机输出绕组最大输出电压有效值。式(5-2-1)表明了自整角接收机转子绕组输出电压与发送机和接收机两转子间的失调角的关系为Uf()是正弦函数关系。当0时,U=0;当90时,U有最大值。当=0-180范围内,U为负值。控制式自整角机在系统中,特别是在随动系统中作为比较元件应用,自整角机本身的精度直接影响系统的静动态精度。影响控制式自整角机准确度的因素主要有:单相绕组和三相绕组的互感曲线非正弦性,三相绕组电磁不对称,齿谐波,定子和转子中心偏差;铁心磁导率的不均
14、匀等等。三、力矩式自整角机控制式自整角机在控制系统中实现转角随动,是通过发送机和接收机转子间的失调角0,使接收机转子绕组的输出电压U0,经交流放大后,推动伺服电动机带动负载运动。同时带动接收机的转子不断地消除失调角,从而实现转角随动。在另外一些场合,如果负载很轻(例如只带动仪表的指针)就不需要伺服电动机。为此,可以使自整角机工作于力矩状态,用来实现角度随动。力矩式自整角机的工作原理,是利用自整角机系统在接收机转子上产生力矩,使接收机传子的位置自动地与发送机的位置相协调。当发送机连续转动时,接收机能够随之同步转动。力矩式自整角机原理图,如图5-2-3所示。UVWUWV发送机接收机图 5-2-3
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