第二章 速度检测与控制

,第二级,第三级,第四级,第五级,第,七节 速度检测与控制,第七节 速度检测与控制,一、常用的速度传感器,二、包装机的电气调速,三、磁粉离合器调速系统,四、步进电机调速系统,一、几种常用的速度传感器,（一）测速发电机,测速发电机是一种,测量转速,的信号元件，它将输入的,机械转速,变换成为,电压信号,输出。,主要类型,测速,发电机,直流,交流,异步,同步,电磁式,永磁式,（二）磁电式转速传感器,磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入,运动速度,变换成,感应电势,输出的传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。,（三）光电转速传感器,光电式转速传感器对转速的测量，主要是通过将光线的发射与被测物体的转动相关联，再以光敏元件对光线的进行感应来完成的。光电式转速传感器从工作方式角度划分，分为透射式光电转速传感器和反射式光电转速传感器两种。,1,、透射式光电转速传感器,投射式光电转速传感器设有读数盘和测量盘，两者之间存在间隔相同的缝隙。投射式光电转速传感器在测量物体转速时，测量盘会随着被测物体转动，光线则随测量盘转动不断经过各条缝隙，并透过缝隙投射到光敏元件上。,投射式光电转速传感器的光敏元件在接收光线并感知其明暗变化后，即输出电流脉冲信号。投射式光电转速传感器的脉冲信号，通过在一段时间内的计数和计算，就可以获得被测量对象的转速状态。,2,、反射式光电转速传感器,反射式光电转速传感器是通过在被测量转轴上设定反射记号，而后获得光线反射信号来完成物体转速测量的。反射式光电转速传感器的光源会对被测转轴发出光线，光线透过透镜和半透膜入射到被测转轴上，而当被测转轴转动时，反射记号对光线的反射率就会发生变化。,反射式光电转速传感器内装有光敏元件，当转轴转动反射率增大时，反射光线会通过透镜投射到光敏元件上，反射式光电转速传感器即可发出一个脉冲信号，而当反射光线随转轴转动到另一位置时，反射率变小光线变弱，光敏元件无法感应，即不会发出脉冲信号。,二、包装机的电气调速,调速分为机械调速和电气调速，电气调速又分为直流调速系统和交,流调速系统。,电源,励磁机,测速,伺服,直流电机的特点：,（,1,）直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。,（,2,）直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。,（,3,）直流电动机过载能力较强，启动和制动转矩较大。,（,4,）易于控制，可靠性较高,（,5,）由于存在换向器，其制造复杂，价格较高,（一）电动机的机械特性与恒转矩调速,特点,:,励磁绕组与电枢并联,由图可求得,由上分析可知：,当电源电压,U,和励磁回路的电阻,R,f,一定时,励,磁电流,I,f,和磁通,不变，即,=,常数,。,则,I,a,U,M,+,_,I,f,+,_,I,E,令：,T,=,K,T,I,a,=,K,T,I,a,即：并励电动机的磁通,=,常数，转矩与电枢电流,成正比。,由以下公式,求得,I,a,U,M,+,_,I,f,+,_,I,E,式中：,n,=,f,(,T,),特性曲线,n,N,并励电动机在负载变化时，转速,n,的变化不大,硬机械特性（自然特性）。,改变电枢电压和电枢回路串电阻可得人工特性曲线,n,0,T,n,0,T,N,n,（二）调速指标,调速,指标：,1,、调速范围,D,：,2,、静差率（相对稳定性）,%,：,指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。,%,越小，,相对稳定性越好,；,%,与机械特性硬度和,n,0,有关,。,（三）转速负反馈自动调速系统,1,、转速开环控制系统,2,、转速负反馈调速系统,负载,n,u,CF,u,u,K,u,n,三、磁粉离合器调速系统,（一）单磁粉离合器调速系统,（二）双磁粉离合器调速系统,四、步进电机调速系统,步进电动机是将电脉冲信号转换成角位移或直线位移的控制电机，在自动控制系统中作执行元件。给步进电动机输入一个电脉冲信号时，它就转过一定的角度或移动一定的距离。由于其输出的角位移或直线位移可以不是连续的，因此称为步进电动机。步进电动机的精度高、惯性小，不会因电压波动、负载变化、温度变化等原因而改变输出量与输入量之间的固定关系，其控制性能很好。步进电动机广泛用于数控机床、计算机外围设备等控制系统中。,步进电动机的种类很多，主要有反应式、励磁式等。反应式步进电动机的转子上没有绕组，依靠变化的磁阻生成磁阻转矩工作。励磁式步进电动机的转子上有磁极，依靠电磁转矩工作。反应式步进电动机的应用最为广泛，它有两相、三相、多相之分，也有单段、多段之分。我们主要讨论单段式三相反应式步进电动机的结构和工作原理。,单段三相反应式步进电动机的结构分成定子和转子两大部分，如图模型所示。定、转子铁心由软磁材料或硅钢片叠成凸极结构，定、转子磁极上均有小齿，定、转子的齿数相等。定子磁极上套有星形连接的三相控制绕组，每两个相对的磁极为一相，转子上没有绕组。,单段三相反应式步进电动机的工作原理可以由下图来说明。由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力而形成磁阻转矩，使转子转动，这就是反应式步进电动机旋转的原理。,现以,A,B,C,A,的通电顺序，使三相绕组轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。,当,A,相绕组通电时，气隙中生成以,A-A,为轴线的磁场。在磁阻转矩的作用下，转子转到使,1,、,3,两转子齿与磁极,A-A,对齐的位置上。如果,A,相绕组不断电，,1,、,3,两转子齿就一直被磁极,A-A,吸引住而不改变其位置，即转子具有自锁能力。,（,a,）,A,相通电 （,b,）,B,相通电 （,c,）,C,相通电,反应式步进电动机的工作原理图,A,相绕组断电、,B,绕组通电时，气隙中生成以,B-B,为轴线的磁场。在磁阻转矩的作用下，转子又会转动，使距离磁极,B-B,最近的,2,、,4,两转子齿转到与磁极,B-B,对齐的位置上。转子转过的角度为,式中,步距角，即控制绕组改变一次通电状态后转子转过的角度,N,拍数，即通电状态循环一周需要改变的次数,Zr,转子齿数,同理，,B,相绕组断电，,C,相绕组通电时，会使,3,、,1,两转子齿与磁极,C-C,对齐，转子又转过,30,。,可见，以,A,B,C,A,的通电顺序使三个控制绕组不断地轮流通电时，步进电动机的转子就会沿,ABC,的方向一步一步地转动。改变控制绕组的通电顺序，如改为,ACB,A,的通电顺序，则转子转向相反。,（,a,）,A,相通电 （,b,）,B,相通电 （,c,）,C,相通电,以上通电方式中，通电状态循环一周需要改变三次，每次只有单独一相控制绕组通电，称之为三相单三拍运行方式。由于单独一相控制绕组通电时容易使转子在平衡位置附近来回摆动,振荡，会使运行不稳定，因此实际上很少采用三相单三拍的运行方式。,除此之外，还有三相双三拍运行方式和三相六拍运行方式。三相双三拍运行方式的每个通电状态都有两相控制绕组同时通电，通电状态切换时总有一相绕组不断电，不会产生振荡。下图是通电顺序为,AB,BC,CA,AB,的三相双三拍运行方式示意图。,A,、,B,两相通电时，两磁场的合成磁场轴线与未通电的,C-C,相绕组轴线重合，转子在磁阻转矩的作用下，转动到使转子齿,2,、,3,之间的槽轴线与,C-C,相绕组轴线重合的位置上。当,B,、,C,两相通电时，转子转到使转子齿,3,、,4,之间的槽轴线与,A-A,相绕组轴线重合的位置，转子转过的角度为,30,。同理，,C,、,A,两相通电时，转子又转过,30,。可见，双三拍运行方式和单三拍运行方式的原理相同，步距角也相同。,（,a,）,A,、,B,相通电 （,b,）,B,、,C,相通电 （,c,）,C,、,A,相通电,三相六拍运行方式的通电顺序为,AAB B BC C CA A,，其原理与单三拍、双三拍运行方式的原理相同。只是其通电状态循环一周需要改变的次数增加了一倍（,N=6,），其步距角因此减为原来的一半（,b,=15,）。,步距角一定时，通电状态的切换频率越高，即脉冲频率越高时，步进电动机的转速越高。脉冲频率一定时，步距角越大、即转子旋转一周所需的脉冲数越少时，步进电动机的转速越高。步进电动机的转速为,式中,NZr,转子旋转一周所需的脉冲数,f,脉冲频率,上图只是步进电动机的模型图，其步距角太大。实际步进电动机的定、转子齿数较多，最小步距角可小至,0.5,。,