控制及执行元件直流电机课时.pptx

2024/4/6 周六周六21.概述：概述：第二部分：第二部分：空气动力学测量；空气动力学测量；惯性量测量；惯性量测量；方位角测量；方位角测量；定位测量；定位测量；导航系统；导航系统；其他辅助量测量。其他辅助量测量。第三部分：第三部分：舵机（液动）；舵机（液动）；电机（电动）。电机（电动）。飞行器飞行器2024/4/6 周六周六31.概述：概述：n分系统部分：分系统部分：执行元件执行元件执行元件执行元件2024/4/6 周六周六41.概述：概述：n飞行器整体部分：飞行器整体部分：2024/4/6 周六周六52.常用元件分类：常用元件分类：执行元件：执行元件：n力矩电机力矩电机（电气控制）；（电气控制）；n液压缸液压缸/液压马达（液压控制）；液压马达（液压控制）；n气动缸（气动控制）。气动缸（气动控制）。控制元件：控制元件：n液压类：液压类：伺服阀伺服阀、换向阀、比例阀等；、换向阀、比例阀等；n气动类：比例阀、换向阀、节流阀等。气动类：比例阀、换向阀、节流阀等。2024/4/6 周六周六63.电机的基本概念：电机的基本概念：定义：定义：又称为马达或电动马达，是一种将又称为马达或电动马达，是一种将电能电能转化成转化成机械能机械能，并可再使用，并可再使用机械能机械能产生产生动能动能，用来驱动其他装置的电气设备。，用来驱动其他装置的电气设备。电机的分类及应用：电机的分类及应用：n直流电机和交流电机（按工作电源分类）；直流电机和交流电机（按工作电源分类）；n直流电机、交流同步电机和交流异步电机（按结构和工作原理分类）；直流电机、交流同步电机和交流异步电机（按结构和工作原理分类）；n驱动用电机、控制用电机（按应用目的分类）；驱动用电机、控制用电机（按应用目的分类）；n步进电机、伺服电机（按控制方式分类）；步进电机、伺服电机（按控制方式分类）；n等等等等。直流电机分类：直流电机分类：分为直流伺服电机、直流力矩电机等。分为直流伺服电机、直流力矩电机等。按控制方式又分为磁场控制式和电枢控制式。按控制方式又分为磁场控制式和电枢控制式。2024/4/6 周六周六74.直流电机：直流电机：组成及结构：组成及结构：2024/4/6 周六周六84.直流电机：直流电机：工作原理：工作原理：n此为一个简单的此为一个简单的直流电直流电（D.C.）电机。当线圈通电后，转子周围产生）电机。当线圈通电后，转子周围产生磁场磁场，转子的左侧被推离左侧的磁铁，并被吸引到右侧，从而产生转动；转子的左侧被推离左侧的磁铁，并被吸引到右侧，从而产生转动；n转子依靠转子依靠惯性惯性继续转动；继续转动；n当转子运行至水平位置时当转子运行至水平位置时电流变换器电流变换器将线圈的电流方向逆转，线圈所产生的将线圈的电流方向逆转，线圈所产生的磁场亦同时逆转，使这一过程得以重复。磁场亦同时逆转，使这一过程得以重复。2024/4/6 周六周六94.直流电机：直流电机：磁场基本知识：磁场基本知识：n磁势：磁势：称为磁势，它描述了称为磁势，它描述了磁场强度矢量磁场强度矢量H和电流和电流I之间的关系。之间的关系。n磁场密度：磁场密度：n磁通量：磁通量：磁通是表示磁场强弱的物理量。磁通是表示磁场强弱的物理量。n电磁力矩：电磁力矩：2024/4/6 周六周六104.直流电机：直流电机：物理及数学模型：物理及数学模型：ia不变:磁场控制型if不变:电枢控制型2024/4/6 周六周六114.直流电机：直流电机：物理及数学模型：物理及数学模型：电机转矩放大系数电机转矩放大系数电机激磁电机激磁电枢感抗电枢感抗电机激磁电机激磁电枢阻抗电枢阻抗负载角惯量负载角惯量负载阻尼负载阻尼2024/4/6 周六周六124.直流电机：直流电机：物理及数学模型：物理及数学模型：对于惯性环节，其阶跃响应为：对于惯性环节，其阶跃响应为：2024/4/6 周六周六134.直流电机：直流电机：物理及数学模型：物理及数学模型：电磁时间常数电磁时间常数分析：分析：a.时间常数越小，电机响应越快；时间常数越小，电机响应越快；b.减小减小Lf，提高响应；，提高响应；c.增加增加Rf，影响影响Km。分析：分析：a.时间常数越小，系统响应越快；时间常数越小，系统响应越快；b.减小减小Jl，提高响应；，提高响应；c.增加增加Bl，速度提高的情况下，负速度提高的情况下，负载增大，反而造成效果不佳。载增大，反而造成效果不佳。因此，拖动小负载时，速度很快。因此，拖动小负载时，速度很快。负载时间常数负载时间常数分析：分析：Km反映了电机在单位电压输入时，反映了电机在单位电压输入时，电机输出扭矩的大小。电机输出扭矩的大小。2024/4/6 周六周六144.直流电机：直流电机：物理及数学模型：物理及数学模型：2024/4/6 周六周六154.直流电机：直流电机：基本方程归纳基本方程归纳：n瞬态电压平衡方程瞬态电压平衡方程：n力矩平衡方程力矩平衡方程：改写重新划分：改写重新划分：T0：空载力矩，包含机械摩擦力矩和电磁阻力矩两个部分；：空载力矩，包含机械摩擦力矩和电磁阻力矩两个部分；T1：负载力矩，实际它还包含负载角惯量所引起的力矩；：负载力矩，实际它还包含负载角惯量所引起的力矩；T2：惯性力矩，在稳态或匀速状态时，为零；加速时，：惯性力矩，在稳态或匀速状态时，为零；加速时，T20；减速时，；减速时，T20。2024/4/6 周六周六164.直流电机：直流电机：基本方程归纳基本方程归纳：n功率平衡方程功率平衡方程：Pr：电枢损耗（铜耗）；：电枢损耗（铜耗）；Pm：电枢绕组的电磁功率；：电枢绕组的电磁功率；2024/4/6 周六周六174.直流电机：直流电机：基本方程归纳基本方程归纳：n功率平衡方程功率平衡方程：继续往下看：继续往下看：2024/4/6 周六周六184.直流电机：直流电机：基本方程归纳基本方程归纳：n功率平衡方程功率平衡方程：总结：总结：a.定义电机效率为：定义电机效率为：b.应从系统的角度去设计一个对象，无论是机械系统、电气系统还是液压系统；应从系统的角度去设计一个对象，无论是机械系统、电气系统还是液压系统；c.后续的液压舵机也会面临效率的问题。后续的液压舵机也会面临效率的问题。2024/4/6 周六周六194.直流电机：直流电机：运行特性：运行特性：n机械特性：机械特性：定义：当磁场（定义：当磁场（if不变或永磁磁场）和输入电枢电压不变或永磁磁场）和输入电枢电压Ua保持不变时，电机转速和保持不变时，电机转速和输出力矩之间的关系。输出力矩之间的关系。2024/4/6 周六周六204.直流电机：直流电机：运行特性：运行特性：n机械特性：机械特性：定义：当磁场（定义：当磁场（if不变或永磁磁场）和输入电枢电压不变或永磁磁场）和输入电枢电压Ua保持不变时，电机转速和保持不变时，电机转速和输出力矩之间的关系。输出力矩之间的关系。2024/4/6 周六周六214.直流电机：直流电机：运行特性：运行特性：n调节特性：调节特性：定义：当磁场（定义：当磁场（if不变或永磁磁场）和负载力矩不变或永磁磁场）和负载力矩Tm保持不变时，电机转速和输入保持不变时，电机转速和输入电枢电压之间的关系。电枢电压之间的关系。Tm0Tm0等于什么等于什么？意味着什么？意味着什么？2024/4/6 周六周六224.直流电机：直流电机：直流电机的使用：直流电机的使用：n起动：起动：定义：直流电机从静止状态到稳定运转状态的过程叫做定义：直流电机从静止状态到稳定运转状态的过程叫做起动过程起动过程。起动初始状态：起动初始状态：起动电流起动电流2024/4/6 周六周六234.直流电机：直流电机：直流电机的使用：直流电机的使用：n起动：起动：分析：考虑大功率（几十千瓦以上，驱动用）和小功率（控制用）两种电机。分析：考虑大功率（几十千瓦以上，驱动用）和小功率（控制用）两种电机。a.大功率电机：大功率电机：由于功率很大，工作电压较高，这类电机的起动电流一般是由于功率很大，工作电压较高，这类电机的起动电流一般是稳态（额定）稳态（额定）电流电流的的几十倍几十倍，由于电流很大，可能对容量有限的电源造成影响，并对电机，由于电流很大，可能对容量有限的电源造成影响，并对电机的换向是不利的。的换向是不利的。为了限制起动电流，必须提供一种方法。为了限制起动电流，必须提供一种方法。2024/4/6 周六周六244.直流电机：直流电机：直流电机的使用：直流电机的使用：n起动：起动：分析：考虑大功率（几十千瓦以上，驱动用）和小功率（千瓦以下，控制用）两分析：考虑大功率（几十千瓦以上，驱动用）和小功率（千瓦以下，控制用）两种电机。种电机。a.大功率电机：大功率电机：由于功率很大，工作电压较高，这类电机的起动电流一般是由于功率很大，工作电压较高，这类电机的起动电流一般是稳态（额定）稳态（额定）电流电流的的几十倍几十倍，由于电流很大，可能对容量有限的电源造成影响，并对电机，由于电流很大，可能对容量有限的电源造成影响，并对电机的换向是不利的。的换向是不利的。为了限制起动电流（限制到为了限制起动电流（限制到1.52倍额定电流倍额定电流），必须提供一种方法。），必须提供一种方法。2024/4/6 周六周六254.直流电机：直流电机：直流电机的使用：直流电机的使用：n起动：起动：分析：考虑大功率（几十千瓦以上，驱动用）和小功率（控制用）两种电机。分析：考虑大功率（几十千瓦以上，驱动用）和小功率（控制用）两种电机。a.小功率电机：小功率电机：由于功率工作电压低，这类电机的起动电流一般是由于功率工作电压低，这类电机的起动电流一般是稳态（额定）电流稳态（额定）电流的的56倍倍，故可以不接限流电阻直接起动。，故可以不接限流电阻直接起动。但要注意一个问题，电机控制器的功率要能满足电机的起动要求。但要注意一个问题，电机控制器的功率要能满足电机的起动要求。2024/4/6 周六周六264.直流电机：直流电机：直流电机的使用：直流电机的使用：n运转方向的控制：运转方向的控制：2024/4/6 周六周六274.直流电机：直流电机：直流电机的使用：直流电机的使用：n制动：制动：方式：方式：能耗制动能耗制动、反接制动反接制动和和反馈制动反馈制动。发电机状态发电机状态2024/4/6 周六周六284.直流电机：直流电机：直流电机的使用：直流电机的使用：n调速：调速：方式：方式：电枢电压调速电枢电压调速、电枢电阻调速电枢电阻调速和和励磁电流调速励磁电流调速。例题：已知一台直流例题：已知一台直流他励他励电机，原来运行状态为电机，原来运行状态为Ua=110V，Ub=90V，Ra=20欧欧姆，姆，Ia=1A，n1=3000rpm。现在励磁回路中串入调节电阻。现在励磁回路中串入调节电阻Rj，使得磁通减小，使得磁通减小10%，问在保持转矩不变的情况下，求磁通减小后的转速，问在保持转矩不变的情况下，求磁通减小后的转速n2。2024/4/6 周六周六294.直流电机：直流电机：力矩电机：力矩电机：力矩电机是一种结合了力矩电机是一种结合了伺服电机伺服电机和和驱动电机驱动电机特点而发展起来的一种特殊特点而发展起来的一种特殊电机，目前在控制领域得到了广泛的应用。电机，目前在控制领域得到了广泛的应用。力矩电机可在很低的转速下提供较大的扭矩，因此可以不经过减速器等力矩电机可在很低的转速下提供较大的扭矩，因此可以不经过减速器等机构直接驱动低速负载。在位置伺服控制系统中，它可以工作在堵转状态；机构直接驱动低速负载。在位置伺服控制系统中，它可以工作在堵转状态；在速度伺服控制系统中，它又可以工作在低速状态，且输出较大的力矩。所在速度伺服控制系统中，它又可以工作在低速状态，且输出较大的力矩。所以力矩电机是一种直接驱动负载的执行元件。以力矩电机是一种直接驱动负载的执行元件。目前，力矩电机的输出力矩可达上千牛米，空载转速为目前，力矩电机的输出力矩可达上千牛米，空载转速为10rpm。2024/4/6 周六周六304.直流电机：直流电机：力矩电机：力矩电机：与普通电机的异同点与普通电机的异同点：a.工作原理相同；工作原理相同；b.结构和外型存在差异；结构和外型存在差异；c.角惯量较小，输出力矩大，转速可很低；角惯量较小，输出力矩大，转速可很低；d.一般是永磁多极式。一般是永磁多极式。2024/4/6 周六周六314.直流电机：直流电机：力矩电机：力矩电机：示意示意：2024/4/6 周六周六324.直流电机：直流电机：力矩电机：力矩电机：驱动方式：驱动方式：直流电源驱动直流电源驱动和和PWM驱动驱动。PWM原理及基础理论原理及基础理论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。2024/4/6 周六周六334.直流电机：直流电机：力矩电机：力矩电机：驱动方式：驱动方式：直流电源驱动直流电源驱动和和PWM驱动驱动。PWM波的优点波的优点：PWM脉宽调制，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变周期来控脉宽调制，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变周期来控制其输出频率。而输出频率的变化可通过改变此脉冲的调制周期来实现。这制其输出频率。而输出频率的变化可通过改变此脉冲的调制周期来实现。这样，使调压和调频两个作用配合一致，且于中间直流环节无关，因而样，使调压和调频两个作用配合一致，且于中间直流环节无关，因而加快了加快了调节速度，改善了动态性能调节速度，改善了动态性能；由于输出等幅脉冲只需恒定直流电源供电，使；由于输出等幅脉冲只需恒定直流电源供电，使电网侧的电网侧的功率因数大大改善功率因数大大改善；利用；利用PWM逆变器能够逆变器能够抑制或消除低次谐波抑制或消除低次谐波。加。加上使用自关断器件，开关频率大幅度提高，输出波形可以非常接近正弦波。上使用自关断器件，开关频率大幅度提高，输出波形可以非常接近正弦波。2024/4/6 周六周六344.直流电机：直流电机：力矩电机：力矩电机：驱动方式：驱动方式：直流电源驱动直流电源驱动和和PWM驱动驱动。PWM波的产生波的产生：2024/4/6 周六周六354.直流电机：直流电机：力矩电机：力矩电机：驱动方式：驱动方式：直流电源驱动直流电源驱动和和PWM驱动驱动。后置滤波综合放大1综合放大2解调滤波速度微分PWM驱动器D/A输入RVDT输出+三角波调偏电压误差信号VCCPWM信号LM1112024/4/6 周六周六364.直流电机：直流电机：力矩电机：力矩电机：驱动方式：驱动方式：直流电源驱动直流电源驱动和和PWM驱动驱动。H桥电路桥电路：2024/4/6 周六周六374.直流电机：直流电机：力矩电机：力矩电机：习题：习题：1.已知一台直流电机，原来运行状态为已知一台直流电机，原来运行状态为Ua=110V，Ub=90V，Ra=20欧姆，欧姆，Ia=1A，n1=3000rpm。将。将Ua降低一半，问在保持转矩不变的情况下，转速降低多少降低一半，问在保持转矩不变的情况下，转速降低多少？2.一台他励直流电机，励磁电流和负载力矩保持不变，而仅仅提高电枢电压，试一台他励直流电机，励磁电流和负载力矩保持不变，而仅仅提高电枢电压，试问电枢电流和转速如何变化？问电枢电流和转速如何变化？3.一台直流电机原来运行状态为：一台直流电机原来运行状态为：Ua=220V，Ub=210V，Ra=1欧姆，欧姆，Ia=10A，n1=3000rpm。现在在电枢回路中串联一电阻。现在在电枢回路中串联一电阻Ri=10欧姆，问在保持转矩不变欧姆，问在保持转矩不变的情况下，转速为多少？的情况下，转速为多少？4.直流电机在空载状态下，其调节特性有无死区？死区的大小和什么因素有关。直流电机在空载状态下，其调节特性有无死区？死区的大小和什么因素有关。