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1、自动控制元件,直流伺服电动机的选择与使用,一、型号与额定值,直流伺服电动机的选择与使用,额定功率：电动机在额定工况运行时，其轴端输出的机械功率。额定电压：额定工况运行时，电动机的励磁绕组和电枢绕组上所加的电压值。电枢控制时，励磁绕组加额定电压。额定电流：电动机在额定电压下，负载达到额定功率时的电枢电流和励磁电流值。对于连续运行的直流电动机，其额定电流就是电机长期安全运行的最大电流。短期超过额定电流（如起动时）是允许的，但长期超过额定电流将会使电机绕组和换向器损坏。额定转速：电动机在额定工况运行时每分钟的转数。它不是电动机允许的最高转速。额定转矩：电动机在额定工况时的输出转矩。,直流伺服电动机的
2、选择与使用,直流伺服电动机的选择与使用,直流伺服电动机的选择与使用,直流伺服电动机的选择与使用,二、电机参数的选择功率转矩最大输出功率或,直流伺服电动机的选择与使用,对断续周期性工作的负载,直流伺服电动机的选择与使用,电流和电压最大电流最大电枢电压,直流伺服电动机的选择与使用,电动机与负载的惯量匹配 快速响应是控制系统对电动机的基本要求。转动惯量大的电动机，机电时间常数也大，速度响应慢。但也不是说电机惯量越小越好。在惯量很小的电动机上直接联接大惯量负载并不能达到快速响应的目的。小惯量电机的热容量一般也很小，高速起动、制动或反向会使电枢电流急剧加大而使电机损坏。选择电机必须考虑电动机与负载的匹配
3、，使其既能满足快速性要求，又能充分发挥电机本身的性能。,电动机与负载的惯量匹配,由电动机的最大输出转矩 令 可得使T2max最小时的最佳减速比 若 1，TL=0，则 一般,直流力矩电动机,直流力矩电动机是一种可直接与负载耦合的低速直流伺服电动机。它在工作原理上同普通直流伺服电动机毫无区别。它的特有性能（低速和大力矩）是由于它的特殊结构设计而产生的。,直流力矩电动机,主要优点有：1耦合刚度高。由于不需减速器，提高了传动精度相稳定性；2响应速度快。直流力矩电动机折算到负载轴上的转动惯量小(由于没有减速机构)、机电时间常数小、约十几毫秒。3机械特性和控制特性的线性度好，硬度大；4能在堵转(处于起动状
4、态)和低速下运行，堵转情况下的转矩很大；在很低的转速下也能平稳地运行转速的波动范围为每分钟几转到几十转，转矩的波动仅为5左右，甚至更小。直流力矩电动机由于具有以上的特点，它特别适用于对速度和位置的控制精度要求很高的系统中。,直流力矩电动机,直流力矩电动机,普通高速直流伺服电动机和力矩电动机两种驱动方案的对比,直流力矩电动机,普通高速电动机折算到负载轴上的力矩惯量比被 缩小了i 倍。通常，普通电动机的转动惯量 和减速装置的转动惯量折算到负载轴上都大于负载的转动惯量，最大时，甚至能大于10倍，而力矩电动机则无论从理论分析还是大量应用实践都表明电动机转动惯量比负载的转动惯量为小。由于力矩惯量比直接反
5、映了电动机的加速能力，而前面已经说明，两种方案对负载提供的电 磁转矩相同，则,直流力矩电动机,直流力矩电动机,结构特点,直流力矩电动机,运行性能分析 1、电枢直径对转矩的影响 在相同电枢电流、相同磁通密度及相同电枢体积的条件下，电磁转矩与电枢直径成正比。因此，Kt（及Ke）与直径成正比。,直流力矩电动机,2、电枢直径对空载转速的影响 在电枢电压、磁通密度以及电枢体积都相同的条件下，空载转速与电枢直径成反比。因此Ke和直径成正比。这就是直流力矩电动机做成扁平状的又一理由。从物理观点看，在 n 相同时，直径大，线速度大，感应 电势大，故Ke大。,直流力矩电动机,3、力矩波动 力矩波动是指输出转矩的
6、峰值与平均值之差。力矩波动的大小是表征力矩电动机性能优劣的一个重要性能指标，也是影响普通直流电动机用于直接驱动系统低速平稳运行的重要因素之一。由于换向和电枢齿槽会引起力矩波动。,直流力矩电动机,4、控制特性的线性度 为了使直流力矩电动机的转矩正比于输入电流，而与电机的转速、转角位置无关，应尽量减小电枢反应的去磁作用。通常，直流力矩电动机的磁路设计成高饱和状态，此时磁阻大，电枢电流产生的磁通小。选用磁导率小，磁阻大，回复线较平的永磁材料做磁极，而且选取较大的气隙。这样，就可以使电枢反应的影响显著减小。,直流力矩电动机,5、电磁时间常数 采用直流力矩电动机直接驱动的伺服系统动态响应速度快，因此，机
7、电时间常数将显著减小。此时电磁时间常数的影响相对增大，有时已不能忽略。由La/Ra可知，电枢绕组电感La有直接影响。可以证明，极对数越多，电枢反应磁链就越小，与它对应的电感也越小，所以采用较多的极对数就可以减小电磁时间常数。此外，适当地加大电机的气隙，也有利于减小电枢反应磁链，使电磁时间常数减小。提高电枢铁心的饱和程度，可以使漏磁回路磁阻增加，减小漏磁链，也使电机的电磁时间常数降低。,直流力矩电动机,主要技术数据 1连续堵转数据2峰值堵转数据3转矩灵敏度4最大空载转速,直流力矩电动机,1连续堵转数据 直流力矩电动机在长期堵转运行时，在规定的环境温度下，稳定温升不超过允许值的最大电枢电流及与之对
8、应的堵转转矩、电枢电压和输入功率称为连续堵转电流、连续堵转转矩、连续堵转电压和连续堵转功率，简称堵转电流、堵转转矩、堵转电压和堵转功率。,直流力矩电动机,2峰值堵转数据 电枢电流对定子上的永久磁铁有去磁作用，电枢电流过大，会使永久磁铁产生不可逆去磁，因而将使电动机的空载转速升高，转矩下降。力矩电动机受定子永久磁铁去磁条件限制的允许最大电枢电流及与之对应的堵转转矩、电枢电压和输入功率简称为峰值电流、峰值转矩、峰值电压和峰值功率。,直流力矩电动机,3转矩灵敏度 直流力矩电动机的特性曲线具有很高的线性度，转矩和电枢电流之间的比值称为转矩灵敏度Kt。4最大空载转速 它是当电动机没有任何负载并加上额定控
9、制电压时所能达到的最高转速。,例题1,一台直流伺服电动机其电磁转矩为0.2倍额定电磁转矩时，测得始动电压为4V；并当电枢电压Ua49V时，电机转速为l500rpm。试求电机为额定电磁转矩，转速为3000rpm时，应加多大电枢电压?,例题1解答,例题2,某一直流伺服电动机的电枢回路总电阻Ra=1,当电枢两端外施阶跃电压Ua=15V时，电动机空载起动，实测的空载稳定转速为1450rpm,已知该电动机的理想空载转速为1500rpm,问：1）电动机的电势常数Ke=?；2)空载起动过程中电动机的电枢电流可能达到的最大值和稳定运行后电动机的电枢电流值；3）画出在空载起动过程中电机转速和电枢电流随时间的变化
10、曲线。(假设）,例题2解答,思考题解答,过渡过程曲线,阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程,过渡过程曲线,第二章 直流测速发电机,直流测速发电机是一种把机械转速变换成电压信号的测量元件。实际上，它就是一台微型的直流发电机。直流测速发电机除了在控制系统中作为测速元件之外，还能当作阻尼元件，以及解算装置中的微分元件和积分元件。是控制系统中的一个重要测量转换元件。,直流测速发电机,直流测速发电机,直流发电机的静态关系式,直流测速发电机,当测速发电机空载时，Iaf=0,有 显然 或,直流测速发电机,控制系统对直流测速发电机的主要技术性能要求 1）输出电压要与转速成线性关系，并具有对称性，而且能保
11、持稳定；2）输出特性的灵敏度高；3）输出电压的纹波小，即要求在一定的转速下输出电压稳定，波动小；4）电机的转动惯量要小，以保证响应速度快。此外，还要求高频干扰小，噪音小，工作可靠，以及结构简单，体积小和重量轻等。,直流测速发电机,直流测速发电机的分类 1）永磁式励磁类 2）电磁式励磁类,直流测速发电机的输出特性,一、静态特性因得整理后式中,直流测速发电机的输出特性,直流测速发电机的输出特性,二、动态特性 直流测速发电机的动态特性是指输入一个阶跃转速时，输出信号电压随时间的变化规律。,直流测速发电机的输出特性,直流测速发电机的输出特性,测速发电机的动态关系式,直流测速发电机的输出特性,当测速发电
12、机处于空载状态，即 时，动态方程和静态方程没有区别的元件称之为比例元件。空载时的直流测速发电机是一个理想的比例元件。,直流测速发电机的输出特性,当测速发电机在有感性负载的情况下工作时将代入动态关系式，经标准化处理，得式中显然，这是一个非周期性元件，即惯性元件。,直流测速发电机的输出特性,解微分方程，可得输出电压的过渡过程时间函数,输出特性的误差分析,一、电枢反应考虑电枢反应的去磁作用时的气隙合成磁通输出特性方程式,输出特性的误差分析,考虑电枢反应影响时的输出特性,输出特性的误差分析,二、电刷与换向器的接触电阻与接触电压,输出特性的误差分析,同时考虑电枢反应和电刷与换向器接触压降影响后，直流测速
13、发电机的输出特性,输出特性的误差分析,三、温度的影响 温度变化会引起电枢绕组电阻变化，并引起绕组电流的变化。,输出特性的误差分析,四、延迟换向去磁,输出特性的误差分析,五、纹波,输出特性的误差分析,六、火花和电磁干扰,直流测速发电机在控制系统中的应用,一、直流测速发电机用作转速阻尼元件,直流测速发电机在控制系统中的应用,二、直流测速发电机用作反馈元件,直流测速发电机在控制系统中的应用,三、直流测速发电机作为微分或积分解算元件 伺服电机的电枢电压为 当放大器的放大倍数很大时，放大器的输入电压可近似地认为等于零或于是,直流测速发电机在控制系统中的应用,直流测速发电机的选择,一、技术性能指标1）灵敏
14、度 即输出（特性）斜率2）线性误差（）3）最大线性工作转速（）4）负载电阻（）5）不灵敏区6）输出电压的不对称度7）纹波系数,直流测速发电机的选择,二、技术数据,直流测速发电机的选择,直流测速发电机的选择,三、直流测速发电机的选择 选择直流测速发电机，首先是根据它在控制系统中的功能确定对它的基本技术要求。当作为高精度速度伺服系统中的测量元件时，既要注意考虑线性度和纹波电压，又要注意考虑灵敏度；而作为解算元件时，则重点考虑纹波电压和线性度，灵敏度则可作第二位要求；当作为阻尼元件使用时，则应着重考虑灵敏度，而线性度和纹波电压则居次之。,第三章 步进电动机,步进电动机是一种将数字式电脉冲信号转换成机
15、械位移（角位移或线位移）的机电元件，它的机械位移与输入的数字脉冲信号有着严格的对应关系，即一个脉冲信号可使步进电动机前进一步，故称为步进电动机。由于它的输入信号为脉冲电压，因此又被称作脉冲电动机。步进电动机作为数字控制系统的佳配，它是一种比较理想的执行元件。,步进电动机驱动控制系统的基本组成,步进电动机,步进电动机的主要优点是：直接实现数字控制，控制系统简单控制性能好输出转矩大，可直接驱动负载无接触式抗干扰能力强误差不长期积累具有自锁能力和保持转矩（永磁式）,步进电动机的应用,步进电动机的分类,步进电动机的种类很多，按工作原理可分为三大类：1）反应式步进电动机 2）永磁式步进电动机 3）永磁感
16、应子式步进电动机（混合式步进电动机）,三相反应式步进电动机,四相反应式步进电动机,二相永磁式步进电动机,永磁感应子式步进电动机,永磁感应子式步进电动机,混合式步进电机,永磁感应子式步进电动机,混合式步进电机AA，BB剖面,步进电动机的常用术语,绕组相数定子磁极对数转子齿数齿距角步距角失调角零位或初始稳定平衡位置矩角特性,步进电动机的常用术语,最大静转矩最大静转矩特性精度起动频率运行频率起动矩频特性起动惯频特性运行矩频特性,反应式步进电动机的结构特点,单段式结构单段式又称为径向分相式，是步进电动机中使用最多的一种结构形式。多段式结构多段式又称为轴向分相式结构。,多段式结构,径向分相反应式步进电动
17、机,极对数等于相数，或相邻相极定转子之间错齿（每个极距所跨的齿距数不是整数）极距角 齿距角 齿数,相邻相极定转子之间错齿原理,三相反应式步进电机展开图,相邻相极定转子之间错齿原理,四相双四拍运行,四相反应式步进电动机绕组通电方式,四相单四拍四相双四拍四相单双八拍,拍、拍数和运行方式,把每一次通电状态的换接称为拍，每一拍转子相应旋转一个步距角；把完成一个通电状态循环所需要换接的控制绕组通电状态数称作拍数，用N表示。步距角一般反应式步进电动机可按两种基本方式进行：其一为整步运行：运行拍数等于相数，称为单拍制（N=m）；其二为半步运行：运行拍数等于相数的2倍（N=2m），称为双拍制。,反应式步进电动
18、机的绕组连接,步进电动机的转速,步进电动机的转速 可见，步进电动机的转速将由控制脉冲频率（）、运行拍数（N）和转子齿数（Zr）决定。改变控制脉冲频率可对步进电动机实现均匀而宽范围的调速，快速起动、反转和制动也可由控制脉冲的频率变化灵活地实现。因此，步进电动机是数字控制系统良好的执行元件。,步进电动机的转速,步进电动机的转速 表示控制绕组中的电流交变频率,通电相极产生的电磁转矩（矩角特性）,用电角度表示的齿距角,从步进电动机工作原理可看出，无论以何种方式通电，完成一个通电循环，转子将转过一个齿距角。因此步进电动机的特性完全可由一个齿距范围内的特性来代表。我们定义电角度 等于机械角度 与转子齿数
19、的乘积。,用电角度表示的齿距角,这样，无论转子齿有多少个，以电角度表示的齿距角和步距角与齿数无关。,通电相极产生的电磁转矩,封闭的磁系统电磁转矩磁场能量因有,通电相极产生的电磁转矩,电磁转矩因，磁导故或,通电相极产生的电磁转矩,三相反应式步进电动机绕组通电时的矩角特性,A相通电B相通电C相通电A、B相同时通电,矩角特性曲线族,三相反应式步进电机矩角特性曲线族,三相反应式步进电动机多相通电时的矩角特性,A、B相同时通电B、C相同时通电C、A相同时通电,三相反应式步进电动机多相通电时的矩角特性,四相反应式步进电动机单相通电时的矩角特性,A相通电B相通电C相通电D相通电,四相反应式步进电动机矩角特性
20、,A、B相同时通电B、C相同时通电C、D相同时通电D、A相同时通电,四相反应式步进电动机矩角特性曲线族,三相反应式步进电动机的转矩矢量,三相反应式步进电机绕组通电方式,双三拍,单双六拍,三相混合式步进电机绕组通电方式1,22通电方式，6拍,三相混合式步进电机绕组通电方式2,33通电方式，6拍,三相混合式步进电机绕组通电方式3,23通电方式，12拍,四相反应式步进电机绕组通电方式,双四拍单双八拍,二相混合式步进电机绕组通电方式,双四拍单双八拍,讨论题,分别说明五相反应式步进电机和五相混合式步进电机运行时的绕组通电方式、步距角和负载能力。,五相反应式转矩矢量,五相混合式转矩矢量,五相反应式转矩矢量
21、,步进电动机的动态特性,一、单脉冲作用下的运行空载状态,步进电动机的动态特性,负载状态,步距角与负载能力,三相反应式空载情况下,三相反应式负载情况下，比较a,q,a”三种负载,三相反应式多拍情况下，负载能力提高,不同运行方式时的负载能力,最大负载转矩（极限起动转矩）,某种通电方式下，各相矩角特性曲线的交点曲线族包络线的最低点Temq乃是步进电动机单步运行所能带动的最大负载转矩，称为极限起动转矩，实际电机所带的负载Tf必须小于这个转矩才能正常运转。对于不同的运行方式，由于步距角和最大静态转矩的不同，矩角特性曲线的交点位置也将不同。因此，对应的步进电动机的起 动转矩Temq也必将不同。,不同通电方
22、式时的最大负载转矩,三相反应式步进电动机三相单三拍三相双三拍三相单双六拍,三相混合式步进电机负载能力,不同通电方式时的最大负载转矩,三相混合式步进电动机22通电方式33通电方式23通电方式,步距精度,步进电动机实际旋转的步距角与理论步距角之间是有偏差的。这个偏差以角分或理论步距角的百分数来衡量，称之为静态步距角误差。,单脉冲作用下步进电动机的振荡现象,单步运行时的动态微分方程式若步进电动机的负载阻转矩为零则因故式中,单脉冲作用下步进电动机的振荡现象,它是一个非线性方程，当步距角较小时，在平衡点附近可进行线性化处理，当 变化很小时，有，则特征方程特征根,单脉冲作用下步进电动机的振荡现象,1）当B
23、=0时，步进电动机处于无阻尼状态，特征根是一对共轭纯虚根。由初始条件 可得 转子围绕新的平衡位置作不衰减的自由振荡，振幅等于步距角，自由振荡角频率为。,单脉冲作用下步进电动机的振荡现象,单脉冲作用下步进电动机的振荡现象,2）当 或 时，阻尼较小，特征方程的根是一对共轭 复根，为幅值不断衰减的振荡曲线，步进电动机最后趋于新的平衡位置。其阻尼振荡角频率为,单脉冲作用下步进电动机的振荡现象,单脉冲作用下步进电动机的振荡现象,3）当 时，特征方程为两个实根，表明阻尼较大。这时 是单调上升的曲线，步进电动机转子的运动不出现振荡现象。随着时间 增大而趋于平衡位置。,连续运行时步进电动机的动态特性,动稳定区
24、和稳定裕度,连续运行时步进电动机的动态特性,步进电动机的起动过程和起动频率,连续运行时步进电动机的动态特性,起动矩频特性 在给定驱动电源的条件下，负载转动惯量一定时，起动频率与负载转矩的关系称作起动矩频特性。,连续运行时步进电动机的动态特性,起动惯频特性在给定驱动电源的条件下，负载转矩不变时，起动频率与负载转动惯量的关系，称作起动惯频特性。,不同控制脉冲频率下的连续运行,极低频下运行,不同控制脉冲频率下的连续运行,低频丢步和低频共振,不同控制脉冲频率下的连续运行,连续控制脉冲作用下的稳定运行 当,不同控制脉冲频率下的连续运行,高频运行,动态转矩、矩频特性和最高连续运行频率,动态转矩、矩频特性和
25、最高连续运行频率,步进电动机的驱动电路,步进电动机驱动电源（驱动器）的组成,步进电动机驱动电源的构成,驱动电路与绕组的连接方式,单极性驱动 三相绕组 四相绕组,驱动电路与绕组的连接方式,双极性驱动,步进电动机的驱动电路,一、单一电压型驱动电源,步进电动机的驱动电路,单电压驱动，串联不同电阻值时的特性,步进电动机的驱动电路,二、高低压切换型驱动电源,步进电动机的驱动电路,步进电动机的驱动电路,三、带连续电流检测的高低压切换型驱动电源,步进电动机的驱动电路,步进电动机的驱动电路,四、斩波恒流型驱动电源,步进电动机的驱动电路,五、调频调压型驱动电源,步进电动机的驱动电路,六、细分电路、平滑电路和自动
26、升降频电路 线性放大型细分电路 开关放大型细分电路,两相双极性步进电动机细分电流波形,数字细分驱动的组成原理,可编程量化的正余弦波形发生器,步进电动机的选择与使用,首先，根据系统的特点、精度的要求、使用的场合等确定将要选择使用的步进电动机类型。,步进电动机的选择与使用,其次，根据系统的具体性能指标要求，选择确定步进电动机的规格型号。具体可按下列六个基本步骤进行：,步进电动机的选择与使用,1）根据系统要求的脉冲当量 和可能选择使用的运动变换装置的传动比 选择步进电动机的步距角。式中 为传动比 为脉冲当量,步进电动机的选择与使用,2）根据系统允许的最小角（或位移）误差 确定步进电动机的精度等级。式
27、中 为负载轴上所允许的最小误差 为步进电动机的累积误差,步进电动机的选择与使用,3）根据系统负载的阻力矩，考虑到初步选定的传动比和传动效率，按能量守恒原则求出负载折算到步进电动机轴上的等效负载转矩。于是，可计算欲选择之步进电动机的最大静态转矩。或 为传动效率；为负载转矩,步进电动机的选择与使用,4）根据系统负载需要的最大角速度或速度以及前面已考虑的传动比，求出步进电动机的运行频率。或 式中 为步进电动机的转速 为负载轴的转速,步进电动机的选择与使用,5）根据负载和传动装置的转动惯量，按照动能总和不变的原则，求得折算到步进电动机转轴上的等效转动惯量。6）综合以上计 算结果，权衡 和传动比 等，最后选定步进电动机的具体型号 和驱动电源的类型。,常用的几种机械传动系统,常用的几种机械传动系统,常用的几种机械传动系统,
