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1、项目十二 认识几种控制电机,任务一 伺服电动机 任务二 步进电动机 任务三 测速发电机,任务一 伺服电动机,一、伺服电动机的概念 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为转轴的角位移或角速度输出，以驱动控制对象。改变输入电压的极性和大小，便可改变伺服电动机的转向和转速，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。 当输入的电压为零时，转子静止不动，加上输入电压后，转子马上转动，改变电压的大小和方向，输出转速的大小和方向也跟随变化。 由于这种“伺服”( servo，随动)的特性而称为伺服电动机。,下一页,返回,任务一 伺服电动机,二、伺服电动机的结构和分类
2、 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 1.直流伺服电动机的结构和分类 按结构，直流伺服电动机(DC Servo Motor)可分为普通型直流伺服电动机、盘形电枢直流伺服电动机、空心杯形转子直流伺服电动机和无槽电枢直流伺服电动机等几种。,上一页,下一页,返回,任务一 伺服电动机,(1)普通型直流伺服电动机。 普通型直流伺服电动机的结构形式与普通直流电动机相同，只是它的容量和体积要小得多。它由定子和转子两大部分组成。根据励磁方式，它又分为电磁式和永磁式两种。电磁式伺服电动机的定子铁芯通常由硅钢片冲制叠压而成，励磁绕组直接绕制在定子磁极上，励磁
3、绕组接入励磁控制电压产生磁通;永磁式直流伺服电动机的磁极是永磁铁，它的定子上安装由永久磁钢制成的磁极，经充磁后产生气隙磁场，其磁通是不可控的。直流伺服电动机的转子外圆有槽，槽内装有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷与外边电枢控制电路相连接。,上一页,下一页,返回,任务一 伺服电动机,(2)盘形电枢直流伺服电动机。 图12-1为盘形电枢直流伺服电动机的结构图。其定子由永久磁钢和前后软磁铁共同组成，磁钢可以在圆盘电枢的一侧，并可产生轴向磁场，它的极数比较多，一般制成6极、8极或10极。在磁钢和另一侧的软铁之间放置盘式电枢绕组。电枢绕组可以是绕线式绕组或印制绕组。绕线式绕组线绕制成单个绕组元件，并将绕制
4、好的全部绕组元件沿圆周径向排列，再用环氧树脂浇制成圆盘形。印制绕组采用制造印制电路板相类似的工艺制成。盘形绕组中通过的电流是径向电流，而磁通为轴向的，径向电流与轴向磁通相互作用产生电磁转矩，使伺服电动机转动。,上一页,下一页,返回,任务一 伺服电动机,(3)空心杯形转子直流伺服电动机。 图12-2为空心杯形转子直流伺服电动机的结构图。其定子部分包括一个外定子和一个内定子。外定子由永磁材料构成，其作用是产生磁通，内定子由软磁材料构成，主要起导磁作用。空心杯形转子直流伺服电动机的转子由单个成型线圈沿轴向排列成空心杯形，并用环氧树脂浇注成形。空心杯转子直接固定在转轴上，在内、外定子的气隙间旋转。 (
5、4)无槽电枢直流伺服电动机。 无槽电枢直流伺服电动机的电枢铁芯上不开槽，电枢绕组直接排列在铁芯圆周表面，再用环氧树脂将它和电枢铁芯固化成一个整体。图12-3为无槽电枢直流伺服电动机的结构图。,上一页,下一页,返回,任务一 伺服电动机,2.直流伺服电动机的运行特性 由电机学知道，伺服电动机的转速关系式为 式中，Ua为电枢电压;Ra为电枢绕组电阻;Tem为电磁转矩;kE为电动势常数;kT为转矩常数。,上一页,下一页,返回,任务一 伺服电动机,(1)机械特性。 定义:指在电枢电压保持不变的情况下，直流伺服电动机的转速n随转矩变化的关系。 式中，,上一页,下一页,返回,任务一 伺服电动机,当转矩为零时
6、，电机转速仅与电枢电压有关，此时的转速称为理想空载转速，即 当转速为零时，电机转矩仅与电枢电压有关，此时的转矩称为堵转转矩，即,上一页,下一页,返回,任务一 伺服电动机,直流伺服电动机的机械特性如图12 -4所示。从图中可以看出，当电枢电压一定时，不同的负载转矩对应不同的机械转速。 (2)调节特性。 定义:指负载转矩恒定时，电机转速与电枢电压的关系。直流伺服电动机的调节特性如图12 -5所示。从图中可以看出，当转速为零时，对应不同的负载转矩可得到不同的启动电压。当电枢电压小于启动电压时，直流伺服电动机将不能启动。,上一页,下一页,返回,任务一 伺服电动机,(二)交流伺服电动机 1.交流伺服电动
7、机的工作原理 交流伺服电动机是两相交流电机，由定子和转子两部分组成。交流伺服电动机的转子有笼型和杯形两种，定子为两相绕组，并在空间相差90电角度，两个定子绕相结构完全相同，使用时一个为励磁绕组，另一个为控制绕组。图12-6交流伺服电动机的工作原理图。图中Uf 为励磁电压，Uc为控制电压，这两个电压均为交流，相位差为90。,上一页,下一页,返回,任务一 伺服电动机,当励磁绕组和控制绕组加上互差90电角度的交流电压时，在空间形成圆旋转磁场(控制电压和励磁电压的幅值相等)或椭圆旋转磁场(控制电压和励磁电压的幅值不等)，转子在旋转磁场作用下旋转。 注意:自转现象的产生那么，什么是自转现象呢?当励磁电压
8、不为零，控制电压为零时，伺服电动机相当于一台单相异步电动机，若转子电阻较小，则电机仍然旋转可以通过增大转子电阻值的方法避免自转现象的发生 2.交流伺服电动机的控制方式 交流伺服电动机的控制方式有三种，分别是幅值控制、相位控制和幅值一相位控制。,上一页,下一页,返回,任务一 伺服电动机,(1)幅值控制。 控制电压和励磁电压保持相位差为90，只改变控制电压幅值，这种控制方法称为幅值控制。 (2)相位控制。 控制电压和励磁电压幅值均为额定值，通过改变控制电压和励磁电压相位差，实现对伺服电动机的控制，这种控制方法称为相位控制。 (3)幅值一相位控制。 通过改变控制电压的幅值及控制电压与励磁电压的相位差
9、控制伺服电机的转速，这种控制方法称为幅值一相位控制。,上一页,下一页,返回,任务一 伺服电动机,三、伺服电动机应用举例 伺服电动机在自动控制系统中作为执行元件，即电动机在控制电压的作用下驱动工作机械工作。它通常作为随动系统、遥测和遥控系统及各种增量运动控制系统的主传动元件。增量运动系统是一种既做间断跃变，又能高速连续运转的数字控制系统，它是随着自动控制理论、计算机控制技术的发展而逐步形成的，如磁盘存储器的磁头驱动结构和计算机打印机的纸带驱动系统等。 由伺服电动机组成的伺服驱动系统，按控制对象可分为: (1)转矩控制方式，电动机的转矩是被控制的对象。 (2)速度控制方式，电动机的速度是被控制的对
10、象。,上一页,下一页,返回,任务一 伺服电动机,(3)位置控制方式，电动机的位置角是被控制的对象。 (4)混合控制方式，此种控制系统是上述几种控制方式的结合，并能从一种控制方式切换到另一种控制方式。 在伺服系统中，较多使用的是速度控制和位置控制两种控制方式，图12-7所示为对应的原理框图。图12-7( a)是速度伺服驱动系统，n是转速给定，n是通过测速装置输出的实际速度值，两者的偏差通过速度调节器补偿后作为转矩环的指令信号。 相比于图12-7( a)的速度伺服驱动系统，图12 -7( b)的位置伺服系统是将外面的位置环加到速度环上，其中*是位置给定信号，它与实际转子位置的差值通过位置调节器进行
11、调节。,上一页,返回,任务二 步进电动机,一、步进电动机的概念 步进电动机(Stepping Motor)是将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移的一种特殊电机。每输入一个电脉冲信号，电机就转动一个角度，它的运动形式是步进式的，所以称为步进电动机。又由于它输入的是脉冲信号，所以也叫脉冲电动机。,下一页,返回,任务二 步进电动机,二、步进电动机的结构与类型 根据作用原理和结构不同，步进电动机可以分为两大类型: 第一类为电磁型步进电动机。这种电动机通常只有一个绕组，仅靠电磁作用不能使电动机的转子作步进运行，必须加上相应的机械部件，才能产生步进的效果。这种步进电动机有螺线管型和轮型步进电动机两种。
12、 第二类为定子和转子之间仅靠电磁作用就可以产生步进作用的电动机。这种电动机一般有多相绕组，在定子和转子之间没有机械联系。这种电动机有良好的可靠性及快速性。工业上大量用作状态伺服元件、状态指示元件功率伺服拖动元件。,上一页,下一页,返回,任务二 步进电动机,第二类步进电动机的种类很多，根据转子结构形式主要有永磁式、反应式和混合式。近年来有发展有直线步进电动机和平面步进电动机等。其中反应式步进电动机结构比较简单，应用比较普遍，而且其他类型步进电动机的基本原理与它基本相似，所以这里主要介绍反应式步进电动机。 三、反应式步进电动机的工作原理 图12-8为一台三相反应式步进电动机，它由定子和转子两大部分
13、组成。在定子上有三对磁极，磁极上装有励磁绕组。励磁绕组分为三相，分别为A, B和C三相绕组。步进电动机的转子是由软磁材料制成，在转子上均匀分布4个凸极，极上不装绕组，转子的凸极也称为转子的齿。,上一页,下一页,返回,任务二 步进电动机,当步进电动机的A相通电，B相和C相不通电时，由于A相绕组产生的磁通要经过磁阻最小的路径形成闭合磁路，这样将使转子齿1、3和定子的A相对齐，如图12-8 (a)所示。当A相断电，改为B相通电时，同A相通电时情况一样，磁通也要经过磁阻最小的路径形成闭合磁路，这样转子顺时针转过一定角度，使转子齿2、4与B相对齐，转子在空间转过的角度为30，如图12-8 (a)所示。当
14、由B相改为C相通电时，同样可使转子逆时针转过30空间角度，如图12-8 (a)所示。若按照A一B一C一A的通电顺序往复下去，则步进电动机的转子将按照一定速度沿逆时针方向旋转，步进电动机的转速取决于三项控制绕组的通、断电源的频率。当按照A一C一B一A的顺序通电时，步进电动机的转动方向将改为顺时针。,上一页,下一页,返回,任务二 步进电动机,在步进电动机控制过程中，定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上述的通电控制方式，由于每次只有一项控制绕组通电，称为三相单三拍控制方式。除此种控制方式外，还有三相单、双六拍控制方式和三相双三拍控制方式。在三相单、双六拍工作方式中，控制绕组通电顺序为A一AB一B
15、一BC一C一CA一A(转子逆时针旋转)或者A一AC一C一CB一B一BA一A(转子顺时针旋转)。在三相双三拍控制方式中，控制绕组通电顺序为AB一BC一CA一AB(转子逆时针旋转)或者AC一CB一BA一AC(转子顺时针旋转)。,上一页,下一页,返回,任务二 步进电动机,步进电动机每改变一次通电状态(一拍)转子所转过的角度称为步进电动机的步距角。从图中可看出，三相单三拍的步距角为30，而三相单、双六拍的步距角为15，三相单、双三拍的步距角为30。 步进电动机步距角se可通过下式进行计算,上一页,下一页,返回,任务二 步进电动机,式中，m为步进电动机的相数;C为通电状态系数，单拍或双拍方式工作时C=单
16、双拍混合方式工作时C=2; Zr为步进电动机转子的齿数。 步进电动机的转速n可通过下式计算 式中，f为步进电动机每秒的拍数(或每秒的步数)，称为步进电动机的通电脉冲频率。,上一页,下一页,返回,任务二 步进电动机,四、反应式步进电动机的特性 (一)反应式步进电动机的静特性 步进电动机的静特性是指步进电动机的通电状态不变，电机处于稳定的状态下所表现的性质。步进电动机的静特性包括矩角特性和最大静转矩。 1.矩角特性 在空载情况下，转子的平衡位置称为初始稳定平衡位置。静态时的反应转矩称为静转矩，在理想空载时静转矩为零。当有扰动作用时，转子偏离初始稳定平衡位置，偏离的电角度称为失调角。,上一页,下一页,返回,任务二 步进电动机,静转矩与失调角之间的关系，即T =f() ,称为矩角特性。其正方向取失调角增大的方向。矩角特性可通过下式计算 由式(12-7)可知，矩角特性为一正弦曲线，如图12 -9所示。 由图可知，=0为稳定平衡点， =为不稳定平衡点，所以步进电动机的静态稳定区为- + 。 2.最大静转矩 矩角特性中，静转矩的最大值称为最大静转矩。
