電機拖動與電氣控制課程教案章節(jié)名稱第4章常用低壓電器4.1伺服電動機4.2測速發(fā)電機授課時數2授課形式教學目標①了解伺服電機、測速發(fā)電機工作原理和結構，電機在工業(yè)控制中的應用。②能按照國家標準選用伺服電機和測速發(fā)電機，按照規(guī)范標準正確進行控制調試電機。③尊重標準，自覺學習，樹立民族自信教學重點難點伺服電機、測速發(fā)電機工作原理教學內容4.1伺服電動機隨著“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”的相繼提出和不斷深化，全球制造業(yè)正在向著自動化、集成化、智能化及綠色化方向發(fā)展。中國作為全球第一制造大國，以工業(yè)機器人為標志的智能制造在各行業(yè)的應用越來越廣泛觀看視頻。通過視頻了解工業(yè)機器人是由伺服電機驅動。數控機床360度切削鋼管的驅動裝置是由步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機組成。一、伺服電動機又稱為執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。根據使用電源的不同，伺服電動機分為直流伺服電動機和交流伺服電動機兩大類。直流伺服電動機輸出功率較大，功率范圍為1～600瓦，有的甚至可達上千瓦；而交流伺服電動機輸出功率較小，功率范圍一般為0.1～100瓦。1.直流伺服電動機直流伺服電動機實際上就是他勵直流電動機，其結構和原理與普通的他勵直流電動機相同，只不過直流伺服電動機輸出功率較小而已。1）結構2）控制方式當直流伺服電動機勵磁繞組和電樞繞組都通過電流時，電動機轉動起來，當其中的一個繞組斷電時，電動機立即停轉，因此直流伺服電動機控制信號，既可加到勵磁繞組上，也可加到電樞繞組上。若把控制信號加到電樞繞組上，通過改變控制信號的大小和極性來控制轉子轉速的大小和方向，這種方式叫電樞控制；若把控制信號加到勵磁繞組上進行控制，這種方式叫磁場控制。磁場控制有嚴重的缺點，使用的場合很少。直流伺服電動機主要以電樞控制為主。3）直流伺服電動機的特性=1\*GB3①機械特性直流伺服電動機電樞回路的電壓平衡方式為:忽略電樞反應的影響，電機的每極氣隙磁通將保持不變，則電動機的電磁轉矩為所以：電樞控制的直流伺服電動機的機械特性方程式為

由機械特性曲線可以看出直流伺服電動機調速線性度好，轉速調整范圍大，起動轉矩大，效率高。改變控制電壓，如UC1大于UC2大于UC3，則n0改變，機械特性的斜率不變，機械特性是一組平行的直線，機械特性曲線與橫軸的交點處的轉矩就是n=0時的轉矩，直流伺服電動機的堵轉轉矩。若負載轉矩，則電機堵轉。機械特性調節(jié)特性=2\*GB3②調節(jié)特性在一定的轉矩下，直流伺服電動機的轉速n與控制電壓的關系稱為調節(jié)特性。調節(jié)特性也可由機械特性表達式畫出，如圖所示，調節(jié)特性也是一組平行線。由調節(jié)特性可以看出，當轉矩不變時，如，增強控制信號，直流伺服電動機的轉速增加，且呈正比例關系；反之，減弱控制信號減弱到某一數值直流伺服電動機停止轉動，即在控制信號小于時，電機堵轉，要使電機能夠轉動，控制信號必須大于才行，故叫做始動電壓，實際上始動電壓就是調節(jié)特性與橫軸的交點。所以，從原點到始動電壓之間的區(qū)段，叫做某一轉矩時直流伺服電動機的失靈區(qū)。由圖可知，T越大，始動電壓也越大，當為理想空載時，始動電壓為0V，即只要有信號，不管是大是小，電機都轉動。從上述分析可知，電樞控制時的直流伺服電動機的機械特性和調節(jié)特性都是線性的，而且不存在“自轉”現(xiàn)象，在自動控制系統(tǒng)中是一種很好的執(zhí)行元件。在要求調速性能較高的場合，一直占據主導地位的直流電動機的調速系統(tǒng)。但直流伺服電動機電樞電流較大；電刷和換向器維護工作量大；接觸電阻不穩(wěn)定；電刷與換向器之間的火花有可能對控制系統(tǒng)產生干擾。所以現(xiàn)代數控機床和工業(yè)機器人都傾向采用交流伺服驅動。二、交流伺服電動機1.交流伺服電動機的結構交流伺服電動機的定子與異步電動機類似，在定子槽中裝有勵磁繞組和控制繞組，而轉子主要有籠型轉子和非磁性空心杯轉子兩種結構形式。籠型轉子和三相異步電動機的籠型轉子一樣，但籠型轉子的導條采用高電阻率的導電材料制造，如青銅、黃銅。另外，為了提高交流伺服電動機的快速響應性能，宜把籠型轉子做成又細又長，以減小轉子的轉動慣量。籠型轉子的交流伺服電動機體積較大，氣隙小，所需的勵磁電流小，功率因數較高，電動機的機械強度大，但快速響應性能稍差，低速運行也不夠平穩(wěn)。非磁性空心杯轉子結構如圖所示。它有兩個定子：外定子和內定子，外定子鐵芯槽內安放有勵磁繞組和控制繞組，而內定子一般不放繞組，僅作磁路的一部分。空心杯轉子位于內外繞組之間，通常用非磁性材（如銅、鋁或鋁合金）制成，在電機旋轉磁場作用下，杯形轉子內感應產生渦流，渦流再與主磁場作用產生電磁轉矩，使杯形轉子轉動起來。由于非磁性空心杯轉子的壁厚約為0.2～0.6mm，因而其轉動慣量很小，電機快速響應性能好，運轉平穩(wěn)平滑，無抖動現(xiàn)象。由于使用內外定子，氣隙較大，故勵磁電流較大，體積也較大。空心杯轉子的交流伺服電動機有轉動慣量小且具有較大的電阻和響應快、運行平穩(wěn)的優(yōu)點，但結構復雜，氣隙大，空載電流大，功率因數較低。2.工作原理交流伺服電動機實際上就是兩相異步電動機，所以有時也叫兩相伺服電動機。如圖所示，電機定子上有兩相繞組，一相叫勵磁繞組，接到交流勵磁電源上，另一相為控制繞組C，接入控制電壓，兩繞組在空間上互差90°電角度，勵磁電壓和控制電壓頻率相同。交流伺服電動機的工作原理與單相異步電動機有相似之處。當交流伺服電動機的勵磁繞組接到勵磁電壓上，若控制繞組加的控制電壓為0V時，產生的是脈振磁通勢，所建立的是脈振磁場，電機無起動轉矩；當控制繞組加的控制電壓，并且產生的控制電流與勵磁電流的相位不同時，建立起橢圓形旋轉磁場，如果若與相位差為90°時，產生的時圓形旋轉磁場，這時轉子上產生起動力矩，電機轉動起來。如果電機參數與一般的單相異步電動機一樣，那么當控制信號消失時，電機轉速雖會下降些，但仍會繼續(xù)不停地轉動。伺服電動機在控制信號消失后仍繼續(xù)旋轉的失控現(xiàn)象稱為“自轉”。那么，怎么消除“自轉”這種失控現(xiàn)象呢？單相繞組通過電流產生的脈振磁場可以分解為正向旋轉磁場和反向旋轉磁場，正向旋轉磁場產生正轉矩T+，起拖動作用，反向旋轉磁場產生負轉矩T-，起制動作用，正轉矩T+和負轉矩T-與轉差率s的關系如圖虛線所示，電機的電磁轉矩T應為正轉矩T+和負轉矩T-的合成，在圖中用實線表示。電磁轉矩的方向與轉速的方向相同，當控制電壓為0時，電動機仍然能夠轉動。增加轉子電阻后，正向旋轉磁場所產生的最大轉矩時的臨界轉差率隨轉子電阻的增加而增加，而反向旋轉磁場所產生的最大轉矩所對應的轉差率相應減小，合成轉矩即電機電磁轉則相應減小，繼續(xù)增加轉子電阻，使正向磁場產生最大轉矩時的，使正向旋轉的電機在控制電壓消失后的電磁轉矩為負值，即為制動轉矩，使電機制動到停止；若電機反向旋轉，則在控制電壓消失后的電磁轉矩為正值，也為制動轉矩，也使電機制動到停止，從而消除“自轉”現(xiàn)象，可以通過增加轉子電阻的辦法來消除“自轉”。增大轉子電阻，不僅可以消除“自轉”現(xiàn)象，還可以擴大交流伺服電動機的穩(wěn)定運行范圍。但轉子電阻過大，會降低起動轉矩，從而影響快速響應性能。3.控制方法由伺服電機的工作原理我們知道，當控制電壓的大小或相位不同時，電機的氣隙內產生的橢圓形旋轉磁場的橢圓度就會不同，則產生的電磁轉矩也不同，電機的轉速也會發(fā)生變化；因此，交流伺服電動機的調速控制方式有三種：１）幅值控制通過改變控制電壓的大小來控制電機轉速，此時控制電壓與勵磁電壓之間的相位差始終保900電角度。在=0時，控制信號消失，氣隙磁場為脈振磁場，電機不轉或停轉。2）相位控制相位控制是通過改變控制電壓與勵磁電壓之間的相位差來實現(xiàn)對電機轉速和轉向的控制，而控制電壓的幅值保持不變。改變與相位差的大小，可以改變電機的轉速，還可以改變電機的轉向：將交流伺服電動機的控制電壓的相位改變180°電角度時（即極性對換），若原來的控制繞組內的電流超前于勵磁電流，相位改變180°電角度后，反而滯后，從而電機氣隙磁場的旋轉方向與原來相反，從而使交流伺服電動機反轉。3）幅值-相位控制勵磁繞組串接電容C后再接到交流電源上，控制電壓與電源同相位，但幅值可以調節(jié)，當的幅值可以改變時，轉子繞組的耦合作用，使勵磁繞組的電流也變化，從而使勵磁繞組上的電壓及電容C上的電壓也跟隨改變，與的相位差也隨之改變，即改變的大小，與的相位差也隨之改變，從而改變電機的轉速。幅值—相位控制線路簡單，不需要復雜的移相裝置，只需電容進行分相，具有線路簡單、成本低廉、輸出功率較大的優(yōu)點，因而成為使用最多的控制方式。4.2測速發(fā)電機由天宮一號與神舟九號順利對接和雷達天線跟蹤引入測速發(fā)電機。測速發(fā)電機是將機械轉速轉換為相應的電壓信號，在自動控制系統(tǒng)中常用作測量轉速的信號元件。測速發(fā)電機有交流測速發(fā)電機、直流測速發(fā)電機兩類。一、直流測速發(fā)電機1.結構直流測速發(fā)電機與小型普通直流發(fā)電機的結構相同。包括電磁式和永磁式兩類。電磁式直流測速發(fā)電機采用他勵結構，其工作原理與直流他勵電動機相同，工作時勵磁繞組發(fā)熱會引起勵磁繞組電阻的變化，從而引起勵磁電流的變化，會造成一定的測量誤差。永磁式直流測速發(fā)電機結構簡單，受溫度變化引起的誤差也小，應用廣泛。2.工作原理如圖直流測速發(fā)電機的勵磁繞組接固定電源，勵磁繞組上產生恒定磁場，電樞繞組在外力拖動下以轉速旋轉時，電樞上的導體切割氣隙磁通，電刷兩端產生感應的電勢。。空載時，直流測速發(fā)電機的輸出電壓就是空載電勢，這時。因此輸出電壓與轉速成正比。接上負載以后，如果負載電阻為，在不計電樞反應的條件下，輸出電壓為將代入式中可得若保持、、不變，直流測速發(fā)電機的輸出電壓與轉速仍成線性關系，但是當負載電阻減小時，輸出電壓隨之降低。從圖中可見，RL2小于RL1時，負載電阻越小，輸出電壓越低。但隨著負載電阻減小，電樞電流加大，電樞反應的去磁作用增加，尤其在高速時，造成輸出電壓與轉速之間的線性關系不再滿足。為減少電樞反應的影響，直流伺服電動機常常安裝補償繞組。二、交流測速發(fā)電機交流測速發(fā)電機有異步與同步之分，在自動控制系統(tǒng)中交流異步測速發(fā)電機應用較廣。1.結構交流異步測速發(fā)電機與交流伺服電動機的結構相似，其轉子結構也分為籠型轉子和杯型轉子。杯形轉子測速發(fā)電機快速性好，靈敏度高，轉動慣量小。轉子電阻比伺服電動機的轉子電阻更大一些，通常采用電阻率大、濕度系數小的硅錳青銅或錫鋅青銅制成，杯壁厚為0.2～0.3mm。在自動控制系統(tǒng)中多用空心杯轉子異步測速發(fā)電機空心杯轉子異步測速發(fā)電機定子內定子和外定子。定子上有兩個在空間上互差90°電角度的繞組，一為勵磁繞組，另一為輸出繞組，在機座號較小的測速發(fā)電機中，兩相繞組均嵌放在內定子上；而機座號在36號以上測速發(fā)電機中，勵磁繞組嵌放在外定子上，輸出繞組嵌放在內定子上，以便調整兩相繞組的相對位置，使剩余電壓最小。2.工作原理當定子勵磁繞組外接頻率為的恒壓交流電源，勵磁繞組中有電流流過，在直軸（即d軸）上產生以頻率脈振的磁通。在轉子不動時，空心杯轉子可以看成有無數根導條的籠型轉子，脈振磁通在空心杯轉子中產生感應電動勢，空心杯轉子中產生電流，電流產生與勵磁電源同頻率的脈振磁場，也為d軸，都與處于q軸的輸出繞組無磁通交鏈。在轉子轉動時，轉子切割直軸磁通，在杯型轉子中感應產生旋轉電勢，其大小正比于轉子轉速n，并以勵磁磁場的脈振頻率交變，又因空心杯轉子相當于短路繞組，故旋轉電勢在杯型轉子中產生交流短路電流，其大小正比于，其頻率為的交變頻率，若忽視杯型轉子的漏抗的影響，那么電流所產生的脈振磁通的大小正比于，在空間位置上與輸出繞組的軸線（q軸）一致，因此轉子脈振磁場與輸出繞組相交鏈而產生感應電勢E，所以輸出繞組感應產生的電勢E實際就是交流異步測速發(fā)電機輸出的空載電壓U，其大小正比于轉速n，其頻率為勵磁電源的頻率。課外拓展了解伺服電機和測速發(fā)電機在工業(yè)控制中的應用，瀏覽相關資源，完成相關作業(yè)或任務，鞏固學習成果，提升綜合素養(yǎng)。電機拖動與電氣控制課程教案章節(jié)名稱第4章常用低壓電器4.3步進電動機4.4直線電動機授課時數2授課形式教學目標①了解步進電動機和直線電動機工作原理和結構，步進電動機和直線電動機在工業(yè)控制中的應用。②能按照國家標準選用步進電動機和直線電動機，按照規(guī)范標準正確進行控制調試電機。③尊重標準，自覺學習，樹立民族自信教學重點難點步進電動機和直線電動機工作原理教學內容4.3步進電動機通過步進電動機驅動在絲杠運動視頻，引入步進電動機。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電動機的需求量與日俱增，在智能汽車傳輸，5G通信設備，智能機器人，智能家居，醫(yī)療保健和電子產品等行業(yè)都有應用。步進電動機是一種把電脈沖轉換成角位移的電動機。用專用的驅動電源向步進電動機供給一系列的且有一定規(guī)律的電脈沖信號，每輸入一個電脈沖，步進電機就前進一步，其角位移與脈沖數成正比，電機轉速與脈沖頻率成正比，而且轉速和轉向與各相繞組的通電方式有關。一、步進電動機的分類永磁式步進電機的轉子是用永久磁鋼制成的，也有通過滑環(huán)由直流電源供電的勵磁繞組制成的轉子，這類步進電機轉子中產生勵磁。與永磁式步進電機不同，在反應式步進電機中，其轉子由軟磁材料制成齒狀，轉子的齒也稱顯極，這種步進電機的轉子中沒有勵磁繞組。二、步進電動機的原理下面僅以反應式步進電動機為例，學習步進電動機的基本運行原理。這是反應式步進電動機結構模型，定子上有三對磁極，每對磁極上繞有一相控制繞組，轉子有四個分布均勻的齒，齒上沒有繞組。第一步將A相控制繞組通電，而B相和C相不通電，步進電動機的氣隙磁場與A相繞組軸線重合，而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過，因此電機轉子受到一個反應轉矩，就是靜轉矩。在這個轉矩的作用下，使轉子的齒1和齒3旋轉到與A相繞組軸線相同的位置上，此時整個磁路的磁阻最小，轉子只受到徑向力的作用而反應轉矩為零。同理如果B相通電，A相和C相斷電，那轉子受反應轉矩而轉動，使轉子齒2齒4與定子極B、對齊，此時，轉子在空間上逆時針轉過的空間角q為30°，也就是前進了一步，轉過的這個角叫做步距角。如果C相通電，A相B相斷電，轉子又逆時針轉動一個步距角，使轉子的齒1和齒3與定子極C，對齊，所以我們按A-B-C-A順序不斷地接通和斷開控制繞組，電機便按逆時針的方向一步一步地轉動，步進電動機的轉速取決于繞組變換通電狀態(tài)的頻率，即輸入脈沖的頻率。如果要改變步進電動機的旋轉方向，可以按A-C-B-A順序通電，則電機反向一步一步轉動。幾個概念：1）一拍，在步進電機中，控制繞組每改變一次通電方式，稱為一拍。2）步距角，每一拍轉子轉過的角度我們就稱為步距角。Zr是轉子齒數，N是轉子轉過一個齒距需要的拍數為N3）三相步進電動機的控制方式，有三相單三拍、三相雙三拍、三相單、雙六拍控制方式。步進電動機的運行方式每次只有一個繞組單獨通電，控制繞組每換接三次構成一個循環(huán)，這種方式稱為三相單三拍。三相單三拍控制方式切換瞬間，轉子失去自鎖能力，容易失步（即轉子轉動步數與拍數不相等），在平衡位置也容易產生振蕩。運行不穩(wěn)定，很少采用。若按AB-BC-CA-AB順序通電，每次均有兩個控制繞組通電，稱為三相雙三拍，按三相雙三拍方式運行時，其步矩角與三相單三拍一樣，都是30°。按A-AB-B-BC-C-CA-A順序通電，每次循環(huán)需換接6次，故稱為三相六拍，因單相通電和兩相通電輪流進行，故又稱為三相單、雙六拍。步距角只有三相單三拍和雙三拍的一半，為15o。三相單、雙六拍控制方式在切換過程中始終保證有一相持續(xù)通電，力圖使轉子保持原有位置，工作比較平穩(wěn)。例Zr=40的步進電動機的計算：這是一種步距角較小的反應式步進電機的典型結構。其轉子上均勻分布著40個齒，定子上有三對磁極，每對磁極上繞有一組繞組，A、B、C三相繞組接成星形。采用三相單三拍通電時各量的計算：θ采用三相六拍通電時：θ4.4直線電動機視頻磁懸浮列車采用磁力懸浮車體，應用直線電動機驅動技術，使列車在軌道上浮起滑行。引入直線電動機直線電動機的類型很多，從原理上講，每一種旋轉電動機都有與之相對應的直線電動機。因此直線電動機有直線感應電動機、直線直流電動機和直線同步電動機。一、直線感應電動機直線感應電動機主要有扁平型、圓筒型和圈盤型3種類型其中，扁平型應用最為廣泛。1.扁平型直線電動機可以看作是由旋轉式感應電動機演變而來的。設想把旋轉感應電動機沿徑向剖開，并將圓周展開成直線，即可得到扁平型直線感應電動機，由定子演變而來的一側稱為一次側，由轉子演變而來的一側稱為二次側。由于運行時一次側和二次側之間要作相對運動，為了保證在所需的行程范圍內，一次側和二次側之間的電磁耦合始終不變，實際應用時，必須把一次側和二次側制造成不同長度，既可以是一次側長、二次側短，也可以是一次側短，二次側長。由于短一次側結構比較簡單，制造成本和運行費用均比較低，故除特殊場合外，一般均采用短一次側。這樣的扁平型直線感應電動機只有在二次側的一邊具有一次側，這種結構形式稱為單邊型。它的最大特點是在—次側和二次側之間存在較大的法向吸力，這在大多數場合下是不希望發(fā)生的。若在二次側的兩邊都裝上一次側,則法向吸力可以互相抵消，這種結構形式稱為雙邊型。扁平型直線感應電動機的—次側鐵心由硅鋼片疊成，與二次側相對的一面開有槽，槽中放置繞組。繞組可以是單相、兩相、三相或多相的。二次側有兩種結構類型：一種是柵型結構，鐵心上開槽，槽中放置導條；并用端部導條連接所有槽中導條；另一種是實心結構，采用整塊均勻的金屬材料，可分為非磁性二次側和鋼二次側。非磁性二次側的導電性能好，一般為銅或鋁。2.圓筒型（又稱管型）