机电传动控制2

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1、2 机电传动控制系统中的控制电动机控制电动机一般用于自动控制、随动系统以及计算装置中，它是在一般旋转电动机的基础上发展起来 的小功率电动机，其电磁过程及所遵循的基本规律与一般旋转电动机没有本质区别，只是所起的作用不同： 传动电动机主要是将电能转换为机械能，以达到拖动生产机械的目的，因此需要具有较高的力能指标，如 输出转矩、传动效率和功率因数等；而控制电动机则主要用来完成控制信号的传递和变换，要求技术性能 稳定可靠、动作灵敏、精度高、体积小、重量轻、耗能少等。事实上，传动电动机与控制电动机之间并无 严格的界限， 同一台电动机有时既起到控制电动机的作用，也起到传动电动机的作用。2.1 伺服电动机伺

2、服电动机又称为执行电动机，是控制电动机中的一种。它在控制系统中用作执行元件，将输入的受 控电压信号转换电动机轴上的角位移或角速度等机械信号输出。按控制电压来分，伺服电动机分为直流伺 服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机的输出功率一般为1600W，也可达数千瓦，多用于 功率较大的控制系统中。交流伺服电动机的输出功率较小，一般在100W以下，常用于功率较小的控制系 统中。2.1.1 直流伺服电动机及其控制1直流伺服电动机的种类和结构直流伺服电动机的品种很多。按励磁方式，直流伺服电动机可分为电磁式和永磁式两种；按控制方式， 可分为磁场控制和电枢控制方式；按电枢形式，可分为一般电枢式、无槽电

3、枢式、绕线盘式和空心杯电枢 式等。为了避免电刷和换向器的接触，还有无刷直流伺服电动机。1）普通型直流伺服电动机根据励磁方式普通型直流伺服电动机分为电磁式和永磁式两种：电磁式直流伺服电动机的定子磁极上 装有励磁绕组，励磁绕组接励磁控制电压产生磁通，它实质上就是他励直流电动机；永磁式直流伺服电动 机的定子磁极是由永久磁铁或磁钢制成，其磁通不可控。这两种直流伺服电动机的性能接近，惯性比其他 类型直流伺服电动机的大。与普通直流电动机相同，直流伺服电动机的转子一般由硅钢片叠压而成。转子外圆有槽，槽内装有电 枢绕组，绕组通过电刷和换向器与电枢控制电路相连。为了提高控制精度和响应速度，伺服电动机的电枢 铁芯

4、长度与直径之比要比普通直流电动机的大，定子和转子间的空气隙也较小。2）无槽电枢直流伺服电动机与普通伺服电动机不同的是，无槽电枢直流伺服电动机的电枢铁芯上不开齿槽，是光滑圆柱体，电枢 绕组直接用环氧树脂粘在电枢铁芯表面，气隙较大，其结构如图2.1 所示。定子图 2.1 无槽电枢直流伺服电动机结构3）空心杯电枢直流伺服电动机空心杯电枢直流伺服电动机有两个定子，一个是由软磁材料制成的内定子，另一个是由永磁材料制成的外定子，外定子用于产生磁通，而内定子主要起导磁作用。电枢绕组用环氧树脂浇注成空心杯形，在内、 外定子间的气隙中旋转。图2.2是空心杯电枢直流伺服电动机的结构图。电刷换向熒、彳电枢外定子内定

5、子/图 2.2 空心杯电枢直流伺服电动机结构4）盘型电枢直流伺服电动机盘型电枢直流伺服电动机的电枢由线圈沿转轴的径向圆周排列，并用环氧树脂浇注成圆盘型。定子由 永久磁铁和前、后铁轭共同组成，磁铁可以在圆盘电枢的一侧或两侧。盘型绕组中通过的电流是径向的， 而磁通是轴向的，二者共同作用而产生电磁转矩，从而使伺服电动机旋转。图2.3 是盘型电枢直流伺服电 动机的结构图。磁钢电刷前盖轴盘型电枢引线后盖图 2.3 盘型电枢直流伺服电动机结构与普通型直流伺服电动机相比，无槽电枢、空心杯电枢和盘型电枢直流伺服电动机的转动惯量和机电 时间常数小，因此动态特性较好，适用于需要快速动作的直流伺服系统。5）无刷直流

6、伺服电动机无刷直流伺服电动机由电动机主体、位置传感器、晶体管开关电路三部分组成。电动机主体由具有二极或多极结构的永久磁铁转子和一个多相式电枢绕组定子组成。晶体管开关电路和位置传感器代替了电刷 和换向器，位置传感器是由传感器转子和传感器定子绕组串联而成的无机械接触的检测装置，用于检测转 子位置，其信号决定了开关电路中各功率元件的导通和截止状态。这种电动机既保持了一般直流伺服电动机的优点，又克服了电刷和换向器带来的缺点，使用寿命长， 噪声低，适用于要求噪声低、对无线电不产生干扰的控制系统。2直流伺服电动机的控制特性直流伺服电动机的机械特性公式与他励直流电动机的相同，即UR 丁2.1)n = l -

7、TK KK2e e t式中，U 电枢控制电压；cR电枢回路电阻；一每极磁通；K、Kt电动机结构常数。et由此可见，通过改变电枢控制电压U或磁通O都可以控制直流伺服电动机的转速，前者称为电枢控c制，后者称为磁场控制。电枢控制具有响应迅速、机械特性硬、调速特性线性度好的优点，因此在实际应 用中大多采用电枢控制方式，而很少采用磁场控制，磁场控制只是在功率很小的场合采用。对于永磁式直 流伺服电动机，则只能采用电枢控制。针对式（2.1）考虑以下两种特殊情况：转矩为零：此时的电动机转速称为直流伺服电动机的理想空 载转速，它仅与电枢电压U有关，并与之成正比。转速为零：此时的电动机转矩称为电动机的堵转转矩，

8、c它也仅与电枢电压U有关，并与之成正比。由此可以得到不同电枢电压下的直流伺服电动机的机械特性曲c线，如图2.4所示。从图2.4可以看出，不同电枢电压下的直流伺服电动机的机械特性曲线是一组平行线，在一定负载转矩 下，如果磁通0不变，升高电枢电压U,贝y电动机的转速上升，反之，转速下降；当电枢电压为零时，电 c动机立即停止，因此不会产生自转现象。0T图 2.4 直流伺服电动机的机械特性目前，直流伺服电动机常用晶闸管直流调速驱动和晶体管脉宽调制(PWM)调速驱动两种方式。晶闸管直流调速驱动通过调节触发装置控制晶闸管的导通角来移动触发脉冲的相位，以改变整流电压 的大小，使直流伺服电动机电枢电压发生变化

9、，从而实现平滑调速。由于晶闸管本身的工作原理和交流电 源的特点，晶闸管导通后利用交流过零来关闭，因此在整流电压较低时，其输出是很小的尖峰值的平均值， 这就导致了电流的不连续性。图2.5是晶闸管直流调速驱动系统，其中CF为晶闸管触发电路，KZ为晶闸管触整流电路，L为整流线圈。图 2.5 晶闸管直流调速驱动如图 2.6 所示， PWM 直流调速驱动是在电枢回路中串入功率晶体管或晶闸管，功率晶体管或晶闸管工作在开关状态，这样就在电动机电枢两端得到一系列矩形波，矩形波电压的平均值就是电动机的工作电压， 改变矩形波的脉冲宽度或周期，就可以改变平均电压的大小，从而达到控制转速的目的。采用PWM调速驱动系统

10、，其开关频率较高(通常达20003000Hz),伺服机构能够响应的频带范围也较宽。与晶闸管直流驱动相比，其输出电流脉动非常小，接近于纯直流。图中KZ为晶闸管整流电路，L为整流线圈。图 2.6 PWM 直流调速驱动3. 直流伺服电动机的特点直流伺服电动机主要有以下优点：稳定性好：直流伺服电动机具有较硬的机械特性，因此能够在较宽的速度范围内稳定运行。可控性好：直流伺服电动机具有线性的调节特性，通过控制电枢电压的大小 和极性，可以控制直流伺服电动机的转速和转动方向；当电枢电压为零时，由于转子惯量很小，因此直流 伺服电动机能立即停止。响应迅速：直流伺服电动机具有较大的起动转矩和较小的转动惯量，在控制信

11、 号输入、增加、减小或消失的瞬间，直流伺服电动机能够快速起动、增速、减速或停止。2.1.2 交流伺服电动机及其控制1. 交流伺服电动机的种类和特点交流伺服电动机分为同步型（SM）和感应型（IM）两种。同步型伺服电动机实质上是采用永磁结构的 同步电动机，又称为无刷直流伺服电动机。它具有直流伺服电动机的全部优点，转矩产生机理与直流伺服 电动机相同，但是没有接触换向部件。同步型伺服电动机需要编码器等检测装置来检测磁铁转子的位置。 感应型伺服电动机指笼形感应电动机，它可以将定子电流矢量分解为产生磁场的励磁电流分量和产生转矩 的转矩电流分量分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位。2. 交流伺服电动

12、机的结构交流伺服电动机一般是两相交流电动机，由定子和转子两部分组成。两相定子绕组在空间相差90。电 角度，其结构完全相同，但作用不同：一个绕组作励磁之用，称为励磁绕组（WF）,而另一个作控制之用， 称为控制绕组（WC）。两相交流伺服电动机的转子一般有笼形和杯形两种结构形式。笼形转子和三相鼠笼 式异步电动机的转子结构相似，采用高电阻率材料如黄铜、青铜或镍铝等制成。杯形转子通常用铝合金或 铜合金制成空心薄壁圆筒，放置在内定子和外定子之间。从实质上讲，杯形转子只是笼形转子的一种特殊 形式。为了降低转动惯量，这两种形式的转子都制成细而长的形状，而且电阻都做得比较大，其目的是使 电动机在控制绕组不施加电

13、压时能及时制动，以防止发生“自转”。目前用得最多的是笼形转子的交流伺 服电动机。3. 交流伺服电动机的工作原理两相交流伺服电动机以单相电容式异步电动机原理为基础，其工作原理如图2.7所示。图中，口为励磁f电压，口为控制电压，二者均为交流，且频率相同，但相位相差90。励磁绕组WF接到交流电网上，控制c绕组WC接到控制电压上。在没有控制信号时，电动机气隙中只有励磁绕组产生的脉动磁场，因此转子静 c止不动。当有控制信号输入时，两相绕组中分别流过在相位上相差90。的励磁电流和控制电流，从而在电 动机的气隙中产生旋转磁场。该磁场与转子中的感应电流相互作用而产生电磁转矩，带动转子以一定的转 速转动起来。由

14、于电动机的转动方向与旋转磁场的方向相同，因此当控制电压反相时，伺服电动机便反向 旋转。图 2.7 两相交流伺服电动机根据单相异步电动机的原理，在电动机开始转动以后，如果取消控制电压而仅由励磁电压单相供电， 电动机仍将按原来的运行方向继续转动，即存在“自转”现象，这就意味着对电动机失去控制作用，必须 采取措施加以克服。为了消除自转现象，需要将电动机的转子电阻设计得很大，以便在电动机单相运行时，最大电磁转矩 出现在临界转差率SR1的地方，如图2.8所示。图中曲线1为U 0时交流伺服电动机的机械特性曲线，曲 C线2和3分别为去掉控制电压后，由脉动磁场分解的正、反两个旋转磁场所产生的转矩曲线，曲线4为

15、单相运行时的合成转矩曲线。很显然，单相运行时的机械特性曲线与异步电动机的机械特性曲线不同，它位于 第二和第四象限内，这就意味着在去掉控制电压而仅由励磁电压单相供电时，电磁转矩的方向始终与转子 转向相反，所以是一个制动转矩。由于存在制动转矩，转子能够迅速停转，从而避免了自转现象的产生。与同时取消两相电压、仅凭摩擦实现制动相比，此时停转所需要的时间要少得多。因此，在两相交流伺服 电动机工作时，励磁绕组应始终接在电源上。图2.8 交流伺服电动机的机械特性4. 交流伺服电动机的控制两相交流伺服电动机的转速和转向不但与励磁电压和控制电压的幅值有关，而且还与励磁电压和控制 电压间相位差的大小有关，因此在励磁电压、控制电压以及它们之间的相位差三个量中，任意改变其中的 一个或两个都可以实现电动机的控制。两相交流伺服电动机的控制方法有三种，分别是幅值控制、相位控 制和幅相控制。1）幅值控制幅值控制是指保持励磁电压和控制电压相位差为90。，通过改变控制电压幅值来控制电动机的转速。图2.9是幅值控制时伺服电动机的一种接线图，适当选择电容S，使和旷相位差为90。使用时励磁电压fc保持为额定值；改变电阻R的大小，即改变控制电压卩的幅值，使之在零与额定值之间变化。图2.10所示c是不同控制电压下交流伺