發(fā)那科 A06B-0142-B077 電機(jī)
張黔豫 180 6446 5927
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發(fā)那科 A06B-0142-B077 電機(jī)
直流電動機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動機(jī)。因其良好的調(diào)速性能而在電力拖動中得到廣泛應(yīng)用。直流電動機(jī)按勵磁方式分為永磁、他勵和自勵3類，其中自勵又分為并勵、串勵和復(fù)勵3種。
勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電源對勵磁繞組供電的直流電機(jī)稱為他勵直流電機(jī)，圖中M表示電動機(jī)，若為發(fā)電機(jī)，則用G表示。永磁直流電機(jī)也可看作他勵直流電機(jī)。并勵直流電機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，作為并勵發(fā)電機(jī)來說，是電機(jī)本身發(fā)出來的端電壓為勵磁繞組供電；作為并勵電動機(jī)來說，勵磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵直流電動機(jī)相同。串勵直流電機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源，這種直流電機(jī)的勵磁電流就是電樞電流。復(fù)連直流電機(jī)有并勵和串勵兩個勵磁繞組，若串勵繞組產(chǎn)生的磁通勢與并勵繞組產(chǎn)生的磁通勢方向相同稱為積復(fù)勵。若兩個磁通勢方向相反，則稱為差復(fù)勵。
不同連磁方式的直流電機(jī)有著不同的特性。一般情況直流電動機(jī)的主要勵磁方式是并勵式、串勵式和復(fù)勵式，直流發(fā)電機(jī)的主要勵磁方式是他勵式、并勵式和和復(fù)勵式。
特點(diǎn)
(一)調(diào)速性能好。所謂“調(diào)速性能”，是指電動機(jī)在一定負(fù)載的條件下，根據(jù)需要，人為地改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。直流電動機(jī)可以在重負(fù)載條件下，實(shí)現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速，而且調(diào)速范圍較寬。
(二)起動力矩大?？梢跃鶆蚨?jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。因此，凡是在重負(fù)載下起動或要求均勻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的機(jī)械，例如大型可逆軋鋼機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、電力機(jī)車、電車等，都用直流電動機(jī)拖動。
但對實(shí)際直流電動機(jī)的分析也有指導(dǎo)意義。由上可見直流電動機(jī)有3種調(diào)速方法：調(diào)節(jié)勵磁電流、調(diào)節(jié)電樞端電壓和調(diào)節(jié)串入電樞回路的電阻。調(diào)節(jié)電樞回路串聯(lián)電阻的辦法比較簡便，但能耗較大;z4系列直流電動機(jī)且在輕負(fù)載時，由于負(fù)載電流小，串聯(lián)電阻上電壓降小，故轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)很不靈敏。調(diào)節(jié)電樞端電壓并適當(dāng)調(diào)節(jié)勵磁電流，可以使直流電動機(jī)在寬范圍內(nèi)平滑地調(diào)速。端電壓加大使轉(zhuǎn)速升高，勵磁電流加大使轉(zhuǎn)速降低，二者配合得當(dāng)，可使電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。調(diào)速中應(yīng)注意高速運(yùn)行時，換向條件惡化，低速運(yùn)行時冷卻條件變壞，從而限制了電動機(jī)的功率。串勵直流電動機(jī)由于它的機(jī)械特性(圖2)接近恒功率特性,低速時轉(zhuǎn)矩大，故廣泛用于電動車輛牽引，在電車中常用兩臺或兩臺以上既有串勵又有并勵的復(fù)勵直流電動機(jī)共同驅(qū)動。利用串、并聯(lián)改接的方法使電機(jī)端電壓成倍地變化(串聯(lián)時電動機(jī)端電壓只有并聯(lián)時的一半)，從而可經(jīng)濟(jì)地獲得更大范圍的調(diào)速和減少起動時的電能消耗。
1.無刷直流電動機(jī)：無刷直流電動機(jī)是將普通直流電動機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子進(jìn)行了互換。其轉(zhuǎn)子為永久磁鐵產(chǎn)生氣隙磁通：定子為電樞，由多相繞組組成。在結(jié)構(gòu)上，它與永磁同步電動機(jī)類似。
無刷直流電動機(jī)定子的結(jié)構(gòu)與普通的同步電動機(jī)或感應(yīng)電動機(jī)相同．在鐵芯中嵌入多相繞組(三相、四相、五相不等)．繞組可接成星形或三角形，并分別與逆變器的各功率管相連，以便進(jìn)行合理換相。轉(zhuǎn)子多采用釤鈷或釹鐵硼等高矯頑力、高剩磁密度的稀土料，由于磁極中磁性材料所放位置的不同．可以分為表面式磁極、嵌入式磁極和環(huán)形磁極。由于電動機(jī)本體為永磁電機(jī)，所以習(xí)慣上把無刷直流電動機(jī)也叫做永磁無刷直流電動機(jī)。
2.有刷直流電動機(jī)：有刷電動機(jī)的2個刷(銅刷或者碳刷)是通過絕緣座固定在電動機(jī)后蓋上直接將電源的正負(fù)極引入到轉(zhuǎn)子的換相器上，而換相器連通了轉(zhuǎn)子上的線圈，3個線圈極性不斷的交替變換與外殼上固定的2塊磁鐵形成作用力而轉(zhuǎn)動起來。由于換相器與轉(zhuǎn)子固定在一起，而刷與外殼(定子)固定在一起，電動機(jī)轉(zhuǎn)動時刷與換相器不斷的發(fā)生摩擦產(chǎn)生大量的阻力與熱量。所以有刷電機(jī)的效率低下?lián)p耗非常大。但是，他同樣具有，制造簡單，成本及其低廉的優(yōu)點(diǎn)！且在輕負(fù)載時，由于負(fù)載電流小，串聯(lián)電阻上電壓降小，故轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)很不靈敏。調(diào)節(jié)電樞端電壓并適當(dāng)調(diào)節(jié)勵磁電流，可以使直流電動機(jī)在寬范圍內(nèi)平滑地調(diào)速。端電壓加大使轉(zhuǎn)速升高，勵磁電流加大使轉(zhuǎn)速降低，二者配合得當(dāng)，可使電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。調(diào)速中應(yīng)注意高速運(yùn)行時，換向條件惡化，低速運(yùn)行時冷卻條件變壞，從而限制了電動機(jī)的功率。串勵直流電動機(jī)由于它的機(jī)械特性(圖2)接近恒功率特性,低速時轉(zhuǎn)矩大，故廣泛用于電動車輛牽引，在電車中常用兩臺或兩臺以上既有串勵又有并勵的復(fù)勵直流電動機(jī)共同驅(qū)動。利用串、并聯(lián)改接的方法使電機(jī)端電壓成倍地變化（串聯(lián)時電動機(jī)端電壓只有并聯(lián)時的一半），從而可經(jīng)濟(jì)地獲得更大范圍的調(diào)速和減少起動時的電能消耗。
直流無刷驅(qū)動器包括電源部及控制部：電源部提供三相電源給電機(jī)，控制部則依需求轉(zhuǎn)換輸入電源頻率。電源部可以直接以直流電輸入(一般為24V)或以交流電輸入(110V/220 V)，如果輸入是交流電就得先經(jīng)轉(zhuǎn)換器(converter)轉(zhuǎn)成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉(zhuǎn)入電機(jī)線圈前須先將直流電壓由換流器(inverter)轉(zhuǎn)成3相電壓來驅(qū)動電機(jī)。換流器(inverter)一般由6個功率晶體管(Q1～Q6)分為上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)連接電機(jī)作為控制流經(jīng)電機(jī)線圈的開關(guān)?？刂撇縿t提供PWM(脈沖寬度調(diào)制)決定功率晶體管開關(guān)頻度及換流器(inverter)換相的時機(jī)。直流無刷電機(jī)一般希望使用在當(dāng)負(fù)載變動時速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會變動太大的速度控制，所以電機(jī)內(nèi)部裝有能感應(yīng)磁場的霍爾傳感器(hall-sensor)，作為速度之閉回路控制，同時也做為相序控制的依據(jù)。但這只是用來做為速度控制并不能拿來做為定位控制。
高轉(zhuǎn)速的速度控制必須考慮到系統(tǒng)的CLOCK 分辨率是否足以掌握處理軟件指令的時間，另外對于hall-sensor信號變化的資料存取方式也影響到處理器效能與判定正確性、實(shí)時性。至于低轉(zhuǎn)速的速度控制尤其是低速起動則因為回傳的hall-sensor信號變化變得更慢，怎樣擷取信號方式、處理時機(jī)以及根據(jù)電機(jī)特性適當(dāng)配置控制參數(shù)值就顯得非常重要?；蛘咚俣然貍鞲淖円詄ncoder變化為參考，使信號分辨率增加以期得到更佳的控制。電機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)順暢而且響應(yīng)良好，P.I.D.控制的恰當(dāng)與否也無法忽視。之前提到直流無刷電機(jī)是閉回路控制，因此回授信號就等于是告訴控制部現(xiàn)在電機(jī)轉(zhuǎn)速距離目標(biāo)速度還差多少，這就是誤差(Error)。知道了誤差自然就要補(bǔ)償，方式有傳統(tǒng)的工程控制如P.I.D.控制。但控制的狀態(tài)及環(huán)境其實(shí)是復(fù)雜多變的，若要控制的堅固耐用則要考慮的因素恐怕不是傳統(tǒng)的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、專家系統(tǒng)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也將被納入成為智能型P.I.D.控制的重要理論。
