自動(dòng)控制元件15

自動(dòng)控制元件第七章新型控制元件低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性線性度好、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，因此獲得了廣泛應(yīng)用。但是，由于直流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是帶鐵心的，加之鐵心有齒槽，因而帶來(lái)性能上的缺陷。如轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、機(jī)電時(shí)間常數(shù)較大、靈敏度差、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大、低速運(yùn)轉(zhuǎn)不夠平穩(wěn)、換向火花帶來(lái)無(wú)線電干擾，并影響電機(jī)壽命，使其應(yīng)用上受到一定的限制。目前國(guó)內(nèi)外已在普通直流伺服電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展了低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)。主要形式有：杯形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)；盤形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)；無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)。它們已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代攜帶式電聲、電視設(shè)備和計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備以及高靈敏度伺服系統(tǒng)中。一、空心杯電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)空心杯電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)這種電機(jī)的性能特點(diǎn)如下：

1.低慣量由于轉(zhuǎn)子無(wú)鐵心，且薄壁細(xì)長(zhǎng)，慣量極低，有超低慣量電動(dòng)機(jī)之稱。

2.靈敏度高因轉(zhuǎn)子繞組散熱條件好，繞組的電流密度可取到30A/，并且永久磁鋼體積大，可提高氣隙的磁通密度，所以力矩大。加上慣量又小，因而轉(zhuǎn)矩／慣量比很大，機(jī)電時(shí)間常數(shù)很?。ㄗ钚〉脑?ms以下），靈敏度高，快速性好。其始動(dòng)電壓在100mV以下，可完成每秒鐘250個(gè)起、停循環(huán)。3.損耗小效率高因轉(zhuǎn)子中無(wú)磁滯和渦流造成的鐵耗，所以效率可達(dá)80%或更高。4.力矩波動(dòng)小，低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音很小由于繞組在氣隙中均勻分布，不存在齒槽效應(yīng)，因此力矩傳遞均勻，波動(dòng)小，故運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪音小，低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。5.換向性能好，壽命長(zhǎng)由于杯形轉(zhuǎn)子無(wú)鐵心，換向元件電感很小，幾乎不產(chǎn)生火花，換向性能好，因此大大提高了電機(jī)的使用壽命。而且換向火花很小，可大大減小對(duì)無(wú)線電的干擾。二、盤形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)盤形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)盤形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)盤形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)具有與杯形電樞類似的特點(diǎn)，簡(jiǎn)述如下：

1.電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低

2.啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大由于電樞繞組全部在氣隙中，散熱良好，其繞組電流密度比一般普通的直流伺服電動(dòng)機(jī)高10倍以上，因此容許的啟動(dòng)電流大，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也大。

3.力矩波動(dòng)很小，低速運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)整范圍大而平滑能在1:20的速比范圍內(nèi)可靠平穩(wěn)運(yùn)行。這主要是由于這種電機(jī)沒有齒槽效應(yīng)以及電樞元件數(shù)、換向片數(shù)多的緣故。

4.換向性能好電樞由非磁性材料組成，換向元件電感小，所以換向火花小。

5.電樞轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，反應(yīng)快機(jī)電時(shí)間常數(shù)一般為10~15ms，屬于中等慣量伺服電動(dòng)機(jī)。盤形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)適用于低速和啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)頻繁，要求薄形安裝尺寸的系統(tǒng)中。目前它的輸出功率一般在幾瓦到幾千瓦之間。其中功率較大的電機(jī)主要用于數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、雷達(dá)天線驅(qū)動(dòng)和其他伺服系統(tǒng)。三、無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)

無(wú)槽電樞直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和普通直流電動(dòng)機(jī)的差別僅僅是電樞鐵心是光滑、無(wú)槽的圓柱體。電樞的制造是將敷設(shè)在光滑電樞鐵心表面的繞組用環(huán)氧樹脂固化成型并與鐵心粘結(jié)在一起，其氣隙尺寸較大，比普通的直流電動(dòng)機(jī)大10倍以上。定子勵(lì)磁一般采用高磁能的永久磁鋼。無(wú)槽直流電動(dòng)機(jī)具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、反應(yīng)快、啟動(dòng)靈敏度高、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、低速運(yùn)行均勻、換向性能良好等優(yōu)點(diǎn)。目前電機(jī)的輸出功率在幾十瓦到10Kw以內(nèi)，機(jī)電時(shí)間常數(shù)為5~10ms。主要用于要求快速動(dòng)作、功率較大的系統(tǒng)，例如數(shù)控機(jī)床和雷達(dá)天線驅(qū)動(dòng)等方面。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)利用電子換向開關(guān)線路和位置傳感器來(lái)代替電刷和換向器，使這種電機(jī)既具有直流電動(dòng)機(jī)的特性，又具有交流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，它的轉(zhuǎn)速不再受機(jī)械換向的限制，若采用高速軸承，還可以在高達(dá)每分鐘幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速中運(yùn)行。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，包括電子換向器在內(nèi)的體積較大，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大，低速時(shí)運(yùn)行的均勻性差。一、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是由電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。直流電源通過(guò)開關(guān)線路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置由位置傳感器檢測(cè)并提供信號(hào)去觸發(fā)開關(guān)線路中的功率開關(guān)元件使之導(dǎo)通或截止，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)原理圖無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)位置傳感器位置傳感器是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部分，其作用是檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)于定子繞組的位置。它有多種結(jié)構(gòu)形式，常見的有電磁式、光電式和霍爾元件。電磁式位置傳感器光電式位置傳感器霍爾位置傳感器二、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理1.三相非橋式星形接法無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理導(dǎo)通角、扇形片張角、磁狀態(tài)角導(dǎo)通角：每一晶體管導(dǎo)通時(shí)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過(guò)的空間電角度稱為導(dǎo)通角。扇形片張角：轉(zhuǎn)子位置傳感器的導(dǎo)磁扇形片張角至少應(yīng)該等于導(dǎo)通角。通常為了保證前后兩個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)之間不出現(xiàn)間斷，就需要有個(gè)短暫的重疊時(shí)間，必須使扇形片張角略大于導(dǎo)通角。磁狀態(tài)角：電樞磁場(chǎng)在空間保持某一狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過(guò)的空間電角度，即定子上前后出現(xiàn)的兩個(gè)不同磁場(chǎng)軸線間所夾的電角度稱為磁狀態(tài)角，或稱狀態(tài)角。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理2.三相星形橋式接法無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理三相混合式步進(jìn)電機(jī)繞組通電方式1

2－2通電方式，6拍無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理3.三相封閉形橋式接法無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理三相混合式步進(jìn)電機(jī)繞組通電方式23－3通電方式，6拍三、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性以三相非橋式星形接法兩極電機(jī)為例，分析無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性1.電樞電流A相電壓平衡方程式為電樞電流2.電磁轉(zhuǎn)矩