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1、第九章 控制电机 第一节 控制电机概述 第二节 步进电动机 第三节 伺服电动机 第四节 永磁同步电动机与交流伺服系统 第五节 测速发电机与光电编码器,第一节 控制电机概述,在控制装置中用作检测、放大、执行和解算元件，对运动物体的位置或速度进行快速、准确的控制，具有功率小（一般在750W以下）、重量轻、体积小（机壳外径一般不大于160mm）、力能指标稍低，但可靠性高、精度高、响应快的特点，这类小功率电机就称为控制电机。,控 制 电 机,直流,交流,直流控制电机 直流伺服电动机、直流测速发电机和直流力矩电动机等,交流控制电机 交流伺服电动机、交流测速发电机、步进电动机、微型同步电动机等,按电流分类
2、,一、 控制电机的用途和类别,信号元件,功率元件,电信号转换为电功率或将电能转换为机械能,将运动物体的速度或位置等转换为电信号,按在控制装置中的位置分,1.作为信号元件用的控制电机 (1)测速发电机和光电编码器 直流测速发电机将速度信号转换为直流输出电压，交流测速发电机则将速度信号转换为交流输出电压。 光电编码器的作用是将旋转轴的转速、位置信号转换为精确的电脉冲。 (2)自整角机 自整角机由两个以上元件（发送机和接收机）对接使用，输出电压信号的属于信号元件，输出转矩的属于功率元件。作为信号元件时，输出电压是两个元件转子角差的正弦函数。作为功率元件时，输出转矩也近似为两个元件转子角差的正弦函数。
3、 (3)旋转变压器 旋转变压器的输出电压是转子转角的正弦、余弦或其它函数。,2.作为功率元件用的控制电机 (1)交流和直流伺服电动机 输入控制电压的大小和极性（或相位）可较为准确地控制电动机的转速和转向，机械特性近于线性。 (2)电机扩大机 用较小的功率输入来控制较大的功率输出。 (3)步进电动机 步进电动机是一种将脉冲信号转为相应的角位移或线位移的机电元件。 (4)永磁同步电动机 基于同步电动机工作原理的永磁转子电动机。 (5)磁滞电动机 (6)单相串励电动机 (7)电磁调速电动机 电磁调速电动机是采用电磁转差离合器调速的异步电动机。,二、 控制电机的发展概况,普通电机的主要任务是完成机电能
4、量的转换，主要性能要求着重于提高效率和提高起动、制动、调速时的力学性能。 控制电机的主要任务是完成控制信号的传递和转换，其性能要求的侧重点是高精确度、高灵敏度和高可靠性。 高精确度：对功率元件来说，主要要求线性度高、不灵敏区小；对信号元件来说，要求静态误差、动态误差小以及环境温度、电源频率和电源电压的变化所引起的漂移小。 高灵敏度：指控制电机的输出量应能迅速跟上输入信号的变化，即对输入信号能做出快速响应。 高可靠性：指控制电机对不同的使用环境的广泛适应性，即在较恶劣的环境中能非常可靠地工作。,1.对控制电机的性能要求,2.控制电机的发展概况 国外从20世纪30年代开始，控制电机随着工业自动化、
5、科学技术和军事装备的发展而迅速发展。 40年代已逐步形成自整角机、旋转变压器、交直流伺服电动机、交直流测速发电机等一些基本系列。 60年代以后: 多极自整角机、多极旋转变压器、感应同步器、无接触自整角机、无接触旋转变压器、永磁式直流力矩电动机、无刷直流伺服电动机、光电编码器、空心杯转子永磁式直流伺服电动机，印制绕组直流伺服电动机等新机种。 由于新原理、新技术、新材料的发展，使电机在很多方面突破的传统的观念。目前: 霍尔效应的自整角机及旋转变压器、霍尔无刷直流测速发电机；压电直线步进电动机；利用“介质极化”研制出驻极体电机；利用“磁性体的自旋再排列”研制出光电机；此外还有电介质电动机、静电电动机
6、、集成电路电动机等。,控制电机目前已达3000种以上，能处理包括直线位移、角位移、速度、加速度、温度、湿度、流量、压力、液面高低、比重、浓度、硬度等多种物理量，逐渐作为构成各种开环控制、闭环控制、同步联结和机电模拟解算装置的基础元件，广泛地应用于化工、炼油、钢铁、造船、原子能反应堆、数控机床、自动化仪表和仪器、电影、电视、电子计算机外设等民用设备，以及雷达天线自动定位、飞机的自动驾驶仪、导航仪、激光和红外线技术、导弹和火箭的制导、自动火炮射击控制、舰艇驾驶盘和方向盘的控制等军事设备。,步进电动机： 用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成 相应角位移或线位移的控制电机。,第二节 步进电动机,步
7、进驱动器,步进电动机,一、步进电动机的工作原理 （三相反应式步进电动机）,图9-2a）,图9-2b）,图9-2c）,图9-2a）A相绕组通电， B相、C相都不通电，转子位置。 图9-2b）B相通电,A相、C相断电，转子转过30。 图9-2b）C相通电,A相、B相断电，转子又转过30。,结论： 循环往复按ABCA的顺序轮流为控制绕组供电，在气隙中产生脉冲式的旋转磁场，转子就一步一步地按逆时针方向转动。 步进电动机的转速取决于三相定子绕组的通电频率，即输入的电脉冲频率，转向则取决于定子绕组轮流通电的顺序。 将定子绕组每改变一次通电方式，称为“一拍”，上述通电方式被称为三相单三拍。“单”指每拍只给三
8、相定子绕组中的一相通电，“三拍”是指定子绕组每经过三次通电方式切换为一个通电循环。 将步进电动机的每一拍转子所转过的角位移称为步距角。三相单三拍通电方式时的步距角是30。,“三相单、双六拍”通电方式： AABBBCCCAA （反转为AACCCBBBAA） 转子转动情况：,每一拍转子所转过的角位移为15。 三相单、双六拍通电方式时的步距角是15,A 通电 AB通电 B通电,“三相双三拍”通电方式： ABBCCAAB （反转为ACCBBAAC） 转子转动情况：共有三种通电状态，每一循环切换三次，每拍都有两相定子绕组通电。,三相双三拍通电方式时的步距角是30。,主要优点： （1）避免了单三拍运行时从
9、一个单相绕组通电切换到另一个单相绕组通电状态时容易出现的失步现象 （2）避免了由单一定子绕组通电吸引转子，易使转子在平衡位置附近振荡的现象。 (3) 双三拍运行时转子受到两相定子磁极的共同作用，电磁拖动转距较大。,上述简单三相反应式步进电动机的步距角为150或300，每一步转过的角度太大了，并不实用。 实际使用的步进电动机都是小步距角步进电动机。,小步距角步进电动机,小步距角步进电动机的磁极展开图,t为齿距，相数为m=3；当A相一对极下的定子、转子齿对齐时，B相的定子、转子齿则应错开一个齿距(t)的m分之一，即错开距离为t/3；C相定子、转子齿错开距离2t/3 。,转动原理：图9-5为 A相通
10、电时转子平衡位置，显然，若断开A相绕组而接通B相绕组，步进电动机的转子按逆时针方向转过1/3齿距(3)，使B极下的定子齿与转子齿对齐是新的平衡位置，这时C极下的定子齿恰好和转子齿相错1/3齿距，当C相绕组通电时，转子将按逆时针方向再次转过1/3齿距。只要按顺序给定子绕组通电，转子便会连续不断地转动。,设转子齿数=40，每一齿距的空间角为,步矩角计算举例：,以相数m=3，三相单三拍运行为例，单相绕组通电在气隙圆周上形成的磁极对数p=1，磁极数为2p=2，,每一极距所占的齿数为：,每一极距的空间角为：,定子每一极距所占的齿数不是整数，6个极正好占40个转子齿的位置，且当A极下的定、转子齿对齐时，B
11、极的定子齿和转子齿必然错开1/3齿距，即为3。 三相单三拍通电方式运行，步距角为3。 三相单、双六拍通电方式运行，步距角为1.5。,步进电动机的步距角计算公式：,（式中，N为运行拍数）,步进电动机的转速计算公式：,（式中，f为脉冲频率）,二、步进电动机的运行特性,1.静态运行状态,(a) (b) (c) (d),设一个齿距为 ，通电相的定、转子齿中心线间夹角为 。 (a) 时，电磁转矩T等于零。 180时，出现正方向电磁转矩。,反应式步进电动机的矩角特性 ：,可见：步进电动机转矩T随转角作周期变化。,稳定平衡位置 设电动机空载，在静态运行时，转子有一个稳定平衡位置。即通电相定、转子齿对齐 位置
12、。因为当转子处于这个位置时，如有外力使转子齿偏离这个位置，只要偏离角 ，除去外力，转子能自动地重新回到原来位置。 不稳定平衡位置 当 时，虽然两个定子齿对转子一个齿的磁拉力互相抵消，但是只要转子向任一方向稍偏离，磁拉力就失去平衡，稳定性被破坏，所以这个位置是不稳定的。 静稳定区 两个不稳定点之间的区域构成静稳定区。 最大静态转矩 矩角特性曲线上电磁转矩的最大值称为最大静态转矩，它表示步进电动机的负载能力。,步进运行状态是指步进电动机在较低的通电频率下运行电动机的运行状态由一个个单步运行状态所组成。,2.步进运行状态,设步进电机空载单三拍运行，转子从A相通电位置转到B相通电位置，逆向转过一个步距
13、角 。 A相通电时矩角特性如曲线A所示，转子位于稳定平衡点 处。 B相通电，矩角特性转为曲 线B，转子新的稳定平衡位置为 。 区间 为步进电动机空载状态下的动稳定区。,步进电动机的（步进状态）电磁转矩特性,相邻两个矩角特性的交点所对应的电磁转矩用 表示。,A相通电，转子稳定工作点在 位置，定子磁极A的轴线与转子齿1轴线夹角为 。当A相断电，B相通电瞬间，由于惯性，转子位置还来不及改变仍位于位置 ，但矩角特性跃变为曲线B，对应 角的电磁转矩为特性曲线B上的b点，此时电动机转矩大于负载转矩 ，使转子加速，转子向着 增大方向运动，最后达到新的稳定平衡点 。,设步进电动机带了过大的负载 ：原稳定平衡点
14、是曲线A上的点 ，对应位置角为 。当换成B相通电后，对应角的转矩为特性曲线B上的 点，此时电磁转矩小于负载转矩，电动机不能完成步进运动。,步进电动机步进运行时， 就是最大负载转矩，也称为起动转矩。 小于最大静态转矩 。,设步进电动机带有正常负载 ：,步进电动机的最大动态转矩小于最大静态转矩，并随着脉冲频率的升高而降低。由于电感作用，频率越高，周期越短，电流越来不及增长，电流峰值减小，励磁磁通也减小，引起动态电磁转矩减小。 步进电动机的动态转矩与频率的关系，是一条下降的曲线。,步进电动机矩频特性曲线,当步进电动机的通电脉冲的频率较高时，会出现在上一拍尚未稳定，下一拍脉冲就来到的情况。进入连续旋转
15、运动状态， 产生的转矩称为动态转矩。,三、步进电动机的驱动电源,变频信号源：产生频率从几十赫兹到几千赫兹的可连续变化的脉冲信号。 脉冲分配器：把脉冲信号按一定的运行方式分配给步进电动机的各相定子绕组。 脉冲放大器：将脉冲分配器输出弱电信号进行功率放大，获得几安到几十安的驱动电流，输到定子各相绕组。,四、步进电动机应用实例,数控系统,步进驱动器,步进电机,步进驱动器与步进电动机的接线,第三节 伺服电动机 伺服电动机（Servo-motor） 执行电动机(Actuator) 将控制电信号换为机械动作，用输入电压控制输出轴的速度和方向。 控制系统对伺服电动机的基本要求如下： 可控性好，有控制信号时做
16、出正确的反应，控制信号消失电动机应能可靠停转，无“自转”现象； 响应快，电动机转速的高低和方向应能随控制电压信号改变而快速变化，机电时间常数小和灵敏度高； 具有线性的机械特性和线性的调节特性，调速范围大，转速稳定。,一、直流伺服电动机,直流伺服 电动机,传统型,低惯量型,= 定子 + 转子 + 电刷 + 换向器,永磁式,电磁式,特点:转子轻、转动惯量小、快速响应好,盘形电枢直流伺服电动机,空心杯电枢永磁式直流伺服电动机,无槽电枢直流伺服电动机,1.结构和分类,盘形电枢直流伺服电动机的结构,前盖,电刷,盘形电枢,磁钢,后盖,空心杯电枢永磁式直流伺服电动机结构,换向器,电刷,空心杯电枢,外定子,内定子,无槽电枢直流伺服电动机结构,直流伺服电动机有电枢控制和磁极控制两种控
