学习子领域 3 特种电机控制技术

1. 学习子领域3 特种电机控制技术 学习情境3.1：电子电位差计伺服电动机运行控制 学时：6

2. 资讯及计划2学时 • 教学目标： • 掌握伺服电机的线路连接设计； • 掌握伺服电机的正、反向运转控制原理 • 掌握伺服电机的结构、机械特性 • 掌握伺服电机的分类掌握伺服电机的使用场合 • 教学重点和难点： • 1、直流伺服电机使用； • 2、交流伺服电机使用； • 教学方法： • 工作任务驱动， 教、学、做一体化： • 1、讲述法 • 2、任务教学法 • 3、小组讨论法 • 4、实践操作法

3. 项目任务 • 完成伺服电机的线路连接设计 • 完成伺服电机的正、反向运转设计

4. 项目计划、分析、制订 • 仪器设备、课前准备： • 设备：交流伺服电机、直流伺服电机、控制装备、万用表等 • 课前准备：学生预习相关课程知识；设备调试；规范标准准备； • 项目分析 • 控制电机从工作原理方面与普通电机相同。从控制电机应用场合和性能指标与普通电机不同上进行分析和学习

5. 项目决策及实施 • 项目决策及实施（3学时） • 控制设备的准备： • 直流伺服电机M03 • 电机起动箱 • 实验台主控制屏 • 万用表 • 5、三相可调电阻900Ω（NMEL-03）、三相可调电阻90Ω（NMEL-04） • 2、工作准备 • 直流电机控制的启动、停止、运行线路方案准备。 • 3、电源配备

6. 教、学、做过程实施 • 教、学、做过程： • 项目提出 • 控制电机已成为现代工业自动化系统、现代科学技术和现代军事装备中必不可少的重要设备。它的使用范围非常广泛，如机床加工过程的自动控制和自动显示，阀门的遥控，火炮和雷达的自动定位，舰船方向舵的自动操纵，飞机的自动驾驶，遥远目标位置的显示，以及电子计算机外围设备、自动记录仪表、医疗设备、录音、录像、摄影等方面的自动控制系统等。本情境仅讨论机械工业常用的执行用控制电动机，即交、直流伺服电动机

7. 教、学、做过程实施 知识点一 伺服电动机 • 伺服电动机又称为执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件。它将输入的电压信号转换成转矩或速度输出，以驱动控制对象。输人的电压信号称为控制信号或控制电压，改变控制电压的极性和大小，便可改变伺服电动机的转向和转速。 • 按伺服电动机使用电源性质不同，可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机。 • （一）直流伺服电动机 • 直流伺服电动机就是一台微型他励直流电动机。 • 按励磁方式的不同可分为他励式和永磁式两种。 • 采用电枢控制时，直流伺服电动机机械特性与他励直流电动机改变电枢电压时的人为机械特性相似，其机械特性方程为

8. 教、学、做过程实施 直流伺服电动机具有可控性。 电枢控制式直流 直流伺服电动机Uf为 伺服电动机原理图 常数时的机械特性 常用的有SZ系列直流伺服电动机。

9. 直流伺服电机的接线运行 • 根据实验指导书，正确接线，完成以下任务测量实验任务: • 1．用伏安法测出直流伺服电动机的电枢绕组电阻ra • 2．保持Uf=UfN=220V，分别测取Ua =220V及Ua＝110V的机械特性n=f(T) • 3．保持Uf=UfN=220V，分别测取T2＝0.8N.m及T2＝0的调节特性n=f(Ua) • 4．测空载始动电压

10. (二）、交流伺服电动机 1、结构 如图所示。 a)笼型转子 1、5一轴承 2---机壳 3一定子 4---转子 6---接线板 7一铭牌 b)杯型转子 1一杯型转子 2---定子绕组 3一外定子 4---内定子 5一机壳 6---端盖 3、控制方式

11. 2、伺服电机工作原理 • 伺服电动机的结构实际上与普通两相交流异步电动机没有什么区别。伺服电动机的定子有两相相差120度电角度的交流绕组，分别称为励磁绕组和控制绕组，其转子就是普通的笼型异步电动机的鼠笼绕组。使用时，励磁绕组接单相交流电，在气隙产生脉振磁场，转子绕组不产生电磁转矩，电动机不工作。当控制绕组接上相位与励磁绕组相差90度电角度的交流电时，电动机的气隙便有旋转磁场产生，转子将产生电磁转矩转动。当控制绕组的控制电压信号撤除后，如果是普通电机，由于转子电阻较小，（根据双旋转理论）脉振磁场分解的两个旋转磁场各自产生的机械特性的合成结果是产生的电磁转矩大于零。因此，电机转子仍然保持转动，不能停止。而伺服电动机，由于转子电阻大，且大到使发生最大电磁转矩的转差率Sm>1。脉振磁场分解的两个旋转磁场各自产生的机械特性的合成结果是产生的电磁转矩小于零，也就是产生的电磁转矩是制动转矩，电机将在这个制动转矩作用下将很快停止转动。

12. 3、交流伺服电机控制方式 • 改变交流伺服电动机磁场的强弱、椭圆度大小和磁场转向能够控制电动机的运行状况，因此可采用幅值控制、相位控制和幅相控制三种方式控制交流两相伺服电动机。 • (1)幅值控制 • 所谓“幅值”控制就是在励磁绕组上加额定电压，改变控制绕组的电压，并在控制过程中始终保持两绕组有90°相位差。如图1所示。控制电压的变化直接影响了电机磁场的椭圆度或不对称性，使机械特性发生偏移，从而改变电机的转速。 • (2)相位控制 • 相位控制方式下，交流伺服电动机励磁绕组加额定电压，控制绕组电压值不变，通过移相器调节控制电压Uk和励磁电压Uf之间的相位差。如图2所示。 • 图1 幅值控制方式 图2相位控制方式 图3 幅相控制方式 • (3)幅相控制 • 幅相控制方式下，通过电容器改变励磁电压和控制电压之间的相位差。在改变控制电压时，控制绕组的电流及磁场均发生改变，通过磁路耦合，反过来又影响励磁绕组和电容器间的电压分配，相位和幅值同时发生改变，这种控制又称为电容移相控制。如图3所示。 • 交流伺服电动机无论采用哪种控制方式，电机旋转均需要最小的控制电压，即始动电压。始动电压与负载转矩成正比。当实际控制电压小于始动电压时，电机无法起动，此范围称为交流伺服电动机死区，死区越小，电机响应小控制信号的能力越强。

13. （三）交流伺服电动机的应用 介绍交流伺服电动机在测温仪表电子电位差计中的应用。 图示为电子电位差计原理图。该系统主要由热电偶、电桥电路、变流器、电子放大器与交流伺服电动机等组成。

14. 三）交流伺服电动机的应用（续） • 在测温前，将开关SA扳向a位，将电动势为E0的标准电池接入；然后调节R3，使I0(R1+R2)= E0，ΔU = 0，此时的电流I0为标准值。在测温时，要保持I0为恒定的标准值。 • 在测量温度时，将开关SA扳向b位，将热电偶接人。 • 当被测温度上升或下降时，ΔU的极性不同，亦即控制电压的相位不同，从而使得伺服电动机正向或反向运转，电桥电路重新达到平衡，测得相应的温度。

15. 检查与评估(1学时) • 根据评估表按照项目进行检查与评估 包括： • 质量检验 • 学生自我检验 • 过程与结果评价 • 资料整理与提升