第九章控制电机(定稿)课件

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1、1,第9章 控制电机,第一节 伺服电动机,第二节 测速发电机,第三节 步进电动机,2,第9章 控制电机,教学要求：,1. 了解交流伺服电动机的结构和工作原理;,2. 了解直流伺服电动机的结构和工作原理;,3. 了解交流测速发电机的结构和工作原理;,4. 了解步进电动机的结构和工作原理。,3,交流伺服电动机,直流伺服电动机,交流测速发电机,直流测速发电机,步进电动机原理概述,三相反应式步进电 动机的工作原理机,4,前面介绍的异步电动机、直流电动机等都是作为动力使用的，其主要任务是能量的转换。,各种控制电机有各自的控制任务： 如: 伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱 动控制对象；测速发电机将

2、转速转换为电压，并传 递到 输入端作为反馈信号。步进电动机将脉冲信号 转换为角位移或线位移。,本章介绍的各种控制电机的主要任务是转换和 传递控制信号，能量的转换是次要的。,控制电机的种类很多，本章只讨论常用的几种: 伺服电机、测速电机、步进电机。,对控制电机的主要要求：动作灵敏、准确、 重量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。,5,伺服电动机可分为两类：,伺服电动机又称执行电动机。其功能是将输入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角速度，驱动控制对象。,第一节 伺服电动机,伺服电动机可控性好，反应迅速。是自动控 制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。,6,一、 交流伺服电动机,交流伺服电动机就

3、是一台两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差90的两个绕组：励磁绕组和控制绕组。如图示： 励磁绕组和控制绕组它们可以有相同或不同的匝数。 励磁绕组运行时接到电压为Uf的交流电源上， 另一相作为控制绕组，控制绕组输入控制信号电压Uk。 电压Uf和Uk同频率， 一般为50 Hz或400 Hz。,7,交流伺服电动机结构,交流杯形伺服电动机 1 励磁绕组 2 控制绕组 3 内定子 4 外定子 5转子；,8,1、伺服电动机的内部结构 常用的转子结构有两种形式： 高电阻笼型转子和非磁性空心杯转子。 高电阻笼型转子的结构和普通笼型感应电动机一样， 但是为了减小转子的转动惯量， 常将转子做成细而长的形状。

4、笼型转子的导条和端环可以采用高电阻率的材料（如黄铜、 青铜等）制造， 也可采用铸铝转子。 目前我国生产的SL系列两相交流伺服电动机就采用铸铝转子。,9,杯型转子伺服电动机的结构如图9-1所示。 电动机中除了有和一般感应电动机一样的定子外， 还有一个内定子。 内定子是由硅钢片叠压而成的圆柱体， 通常内定子上无绕组， 只是代替笼形转子铁心作为磁路的一部分， 作用是减少主磁通磁路的磁阻。 在内外定子之间有一个细长的、 装在转轴上的空心杯形转子， 杯形转子通常用非磁性材料铝或铜制成， 壁很薄， 因而具有较大的转子电阻和很小的转动惯量。 杯形转子可以在内外定子间的气隙中自由旋转， 电动机依靠杯形转子内感

5、应的涡流与气隙磁场作用而产生电磁转矩。,10,2. 工作原理 图9-2所示为两相交流伺服电动机的原理图。 两相绕组轴线位置在空间相差90电角度， 当两相绕组分别加以交流电压 以后， 就会在气隙中产生旋转磁场。 当转子导体切割旋转磁场的磁力线时， 便会感应电动势， 产生电流， 转子电流与气隙磁场相互作用产生电磁转矩， 使转子随旋转磁场的方向而旋转。,11,12,工作时两个绕组中产生的电流 和 的相位差近于90，因此便产生两相旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。,控制电压 与电源电压 频率相同，相位相同或反相。,加在控制绕组上的控制电压反相时(保持励磁电压不变)，由于旋转磁场的旋转方向发

6、生变化，使电动机转子反转。,交流伺服电动机的特点：在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。,13,图9-3 不同控制电压下的机械特性曲线 n=f(T), U1=常数,交流伺服电动机的机械特性如图所示。,在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的 下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时， 电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。,TL,14,交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广泛，如用在各种自动控制、自动记录等系统中。,应用:,因此， 杯形转子交流伺服电动机的优点为转动惯量小， 摩擦转矩小， 因此快速响应好；运行平稳，噪声小，但

7、转速变化与控制电压是非线性的关系。,15,二、 直流伺服电动机,直流伺服电动机的结构与直流电动机基本相 同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。,直流伺服电动机的工作原理也与直流电动机 相同。,供电方式：他励供电。励磁绕组和电枢分别由两个独立的电源供电。,U1为励磁电压 U2为电枢电压,直流伺服电动机的接线图,16,由机械特性可知： (1) 一定负载转矩下，当磁通不变时，U2 n。 (2) U2= 0时，电机立即停转。,电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机反转。,直流伺服电机的机械特性与他励直流电机相同一样，也可用下式表示,机械特性曲线如图所示。,直流伺服电动机的机械特性 n=f(T)曲线

8、(U1=常数),17,图9-7 电枢控制直流伺服电动机的调节特性,负载转矩T恒定时，转速n与电枢电压U也是成线性关系的。,18,直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。通常应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控制等。 直流伺服电机输出功率一般为1-600W。,应用：,19,第二节 测速发电机,测速发电机是一种测量转速的小型发电机。它能够将旋转机械的转速变换为电压信号输出，改输出电压的大小与转速成正比。在许多自动控制系统中，它被用来测量旋转装置的转速，向控制电路提供与转速大小成正比的信号电压。 测速发电机按其输出电压的性质分为交流和直流两种类型。,20,转子,定子,励磁绕组,输出绕组,交流测速

9、发电机的结构与杯形转子交流伺服电机相似，它的定子上有两个绕组，一个是励磁绕组，一个是输出绕组。,一 交流测速发电机,21,工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电 源U1，由 U1 4.44 f1N11 可知：,当被测转动轴带动发电机转子旋转时，转 子切割1产生转子感应电势Er和转子电流Ir， 它们的大小与1和转子转速 n 成正比：,转子电流 Ir也产生磁通r ，r 在输出绕组中感应出电压U2 ， U2的大小与r成正比：,22,综合上述分析可知：,当 U1恒定不变时， U2与n 成正比，这样， 发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压 信号，输出给控制系统。,由于铁心线圈电感的非线性影响，交流测

10、速发电机的输出电压 U2与n 间存在着一定的非 线性误差，使用时要注意加以修正。,23,二、 直流测速发电机,直流测速发电机分永磁式和他励式两种。 两种电机的电枢相同，工作时电枢接负载电阻 RL。但永磁式的定子使用永久磁铁产生磁场， 因而没有励磁线圈；他励式的结构与直流伺服 电机相同，工作时励磁绕组加直流电压U1励磁。,24,当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时， 电枢产生电动势E，其大小为：,发电机的输出电压为：,上式中代入：,于是,该式表示：当RL为定值时，直流测速发电机的输出电压U与转速成n正比。,25,可见，当励磁电压U1保持恒定时（ 亦恒 定），若Ra、RL不变，则输出电压U2的大小

11、与 电枢转速 n 成正比。这样，发电机就把被测装 置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制 系统。,26,值得注意的是，由于直流电机中存在着电 枢反应现象，使得输出电压U2与转速n 有一定 的线性误差。 RL越小、n 越大，误差越大。因 此，在使用中应使RL和 n的大小符合直流测速 发电机的技术要求。,27,第三节 步进电动机,特点: (1) 来一个脉冲，转一个步距角。 (2) 控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3) 改变脉冲顺序，可改变转动方向。,区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。,种类：励磁式和反应式两种。,28,下面以反应式步进电机为例说明步进

12、电机的 结构和工作原理。,三相反应式步进电动机的原理结构图如下：,定子内圆周 均匀分布着六个 磁极，磁极上有 励磁绕组，每两 个相对的绕组组 成一相。转子有 四个齿。,定子,转子,29,1.三相单三拍,A相绕组通电，B、C相 不通电。由于在磁场作用下， 转子总是力图旋转到磁阻最 小的位置，故在这种情况下， 转子必然转到左图所示位置： 1、3齿与A、A极对齐。,二、三相反应式步进电动机的工作原理 步进电动机工作时，驱动电源将脉冲信号电压按一定的顺序轮流加到定子三相绕组上，按通电的顺序不同，三相反应式步进电动机有单三拍控制、双三拍控制和六拍控制等三种方式。,30,同理，B相通电时，转子会转过30角

13、，2、4 齿和B、B 磁极轴线对齐；当C相通电时，转子 再转过30角，1、3齿和C、C磁极轴线对齐。,31,这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。,按AB C A 的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30(步距角)，每个通电循环周期(3拍)转过90(一个齿距角)。,2. 三相双三拍 按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通 电。每拍有两相绕组同时通电。,32,与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循 环周期也分为三拍。每拍转子转过30 (步距角)， 一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)。,

14、33,A相通电，转子1、 3齿与A、A 对齐。,A、B相同时通电， A、A 磁极拉住1、3齿，B、B 磁极拉住2、4齿，转子转过15，到达左图所示位置。,3. 六拍控制 按AAB B BC C CA的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。,34,B 相通电，转子2、 4齿与B、B 对齐,又转 过15。,B、C相同时通电， C 、C 磁极拉住1、3齿，B、B 磁极拉住2、4齿，转子再转过15。,结论：三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：AAB B BC C A，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角），一个通电循环周期(6拍)转子转过90 (齿距角)。与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。,35,从以上对步进电机三种驱动方式的分析可 得步距角计算公式：,实用步进电机的步距角多为3和1.5 。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的，如教材图9-11所示。图中转子有40个齿，齿距角是9；定子仍是 6个磁极，但每个磁极表面加工有五个和转子一样的齿。,36,步进电动机也可制成四相、五相、六相或更多相数，以减小步距角，改善运行性能，但相数越多，电动机的结构和它的驱动电源就越复杂。 步进电动机的应用非常广泛，如各种数控机床、自动绘图仪、机器人等。,当采用单三拍控制时：,采用六拍控制时：,