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1、第第10章章 控制电机控制电机 10.110.1 伺服电动机伺服电动机伺服电动机伺服电动机10.210.2 测速发电机测速发电机测速发电机测速发电机10.410.4 步进电动机步进电动机步进电动机步进电动机 前前前前面面面面介介介介绍绍绍绍的的的的异异异异步步步步电电电电动动动动机机机机、直直直直流流流流电电电电动动动动机机机机等等等等都都都都是是是是作为动力使用的，其主要任务是能量的转换。作为动力使用的，其主要任务是能量的转换。作为动力使用的，其主要任务是能量的转换。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：各种控制电机有各自的控制任务：各种控制电机有各自的控制任
2、务：各种控制电机有各自的控制任务：如如如如: : 伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱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；测速发电机将转速转换为电压，并传动控制对象；测速发电机将转速转换为电压，并传动控制对象；测速发电机将转速转换为电压，并传动控制对象；测速发电机将转速转换为电压，并传递到递到递到递到 输入端作为反馈信号。步进电动机将脉冲信号输入端作为反馈信号。步进电动机将脉冲信号输入端作为反馈信号。步进电动机将脉冲信号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。转换为角位移或
3、线位移。转换为角位移或线位移。转换为角位移或线位移。 本章介绍的各种本章介绍的各种本章介绍的各种本章介绍的各种控制电机的主要任务是转换和控制电机的主要任务是转换和控制电机的主要任务是转换和控制电机的主要任务是转换和传递控制信号，传递控制信号，传递控制信号，传递控制信号，能量的转换是次要的。能量的转换是次要的。能量的转换是次要的。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控制电机的种类很多，本章只讨论常用的几种控制电机的种类很多，本章只讨论常用的几种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、自整角机、步进电机。伺服电机、测速电机、自整角机、步进电机。伺
4、服电机、测速电机、自整角机、步进电机。伺服电机、测速电机、自整角机、步进电机。 对控制电机的主要要求：对控制电机的主要要求：对控制电机的主要要求：对控制电机的主要要求：动作灵敏、准确、动作灵敏、准确、动作灵敏、准确、动作灵敏、准确、 重重重重量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。伺服电动机可分为两类：伺服电动机可分为两类：伺服电动机可分为两类：伺服电动机可分为两类： 伺服电动机又称执行电动机。其伺服电动机又称执行电动机。其功能是将输功能是将输功能是将输功能是将输入的电压控制信号转换为轴上输出的角位
5、移和角入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角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。速度，驱动控制对象。速度，驱动控制对象。速度，驱动控制对象。 交流伺服电动机交流伺服电动机交流伺服电动机交流伺服电动机 直流伺服电动机直流伺服电动机直流伺服电动机直流伺服电动机10.1 伺服电动机伺服电动机 伺服电动机可控性好，反应迅速。是自动控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。制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。10.1.1 交流伺服电动机交流伺服电动机 交流伺服电动机就是一台交流伺服电动机就是
6、一台两相交流异步电机。两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差它的定子上装有空间互差9090 的两个绕组：励磁绕的两个绕组：励磁绕组和控制绕组，其结构如图所示。组和控制绕组，其结构如图所示。励磁绕组励磁绕组控制绕组控制绕组杯形转子杯形转子内定子内定子交流伺服电动机结构图交流伺服电动机结构图交流伺服电动机结构图交流伺服电动机结构图放放大大器器检检测测元元件件控制信号控制信号控制信号控制信号+控制绕组控制绕组励磁绕组励磁绕组+1 1 励磁绕组串联电容励磁绕组串联电容C , 是为了产生两相旋转磁场。是为了产生两相旋转磁场。 适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相适当选择电容的大小，可使通入两个
7、绕组的电流相位差接近位差接近9090 , ,从而产生所需的旋转磁场。从而产生所需的旋转磁场。交流伺服电动机的接线图和相量图交流伺服电动机的接线图和相量图交流伺服电动机的接线图和相量图交流伺服电动机的接线图和相量图(a(a）接线图）接线图）接线图）接线图 1(b) (b) 相量图相量图相量图相量图 工作时两个绕组中产生的电流工作时两个绕组中产生的电流工作时两个绕组中产生的电流工作时两个绕组中产生的电流 和和和和 的相的相的相的相位差近于位差近于位差近于位差近于9090 ，因此便产生两相旋转磁场。在旋因此便产生两相旋转磁场。在旋因此便产生两相旋转磁场。在旋因此便产生两相旋转磁场。在旋转磁场的作用下
8、，转子便转动起来。转磁场的作用下，转子便转动起来。转磁场的作用下，转子便转动起来。转磁场的作用下，转子便转动起来。 控制电压控制电压控制电压控制电压 与电源电压与电源电压与电源电压与电源电压 频频频频率相同，相位相率相同，相位相率相同，相位相率相同，相位相同或反相。同或反相。同或反相。同或反相。放放大大器器检检测测元元件件控制信号控制信号控制信号控制信号+控制绕组控制绕组 加在控制绕组上的控制电压反相时加在控制绕组上的控制电压反相时加在控制绕组上的控制电压反相时加在控制绕组上的控制电压反相时( (保持励保持励保持励保持励磁电压不变磁电压不变磁电压不变磁电压不变) )，由于旋转磁场的旋转方向发生
9、变，由于旋转磁场的旋转方向发生变，由于旋转磁场的旋转方向发生变，由于旋转磁场的旋转方向发生变化，使电动机转子反转。化，使电动机转子反转。化，使电动机转子反转。化，使电动机转子反转。 交流伺服电动机的特点：交流伺服电动机的特点：交流伺服电动机的特点：交流伺服电动机的特点：在电动机运行时如果在电动机运行时如果在电动机运行时如果在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。控制电压变为零，电动机立即停转。控制电压变为零，电动机立即停转。控制电压变为零，电动机立即停转。不同控制电压下的机械特性曲线不同控制电压下的机械特性曲线不同控制电压下的机械特性曲线不同控制电压下的机械特性曲线n n= =f f
10、( (T T), ), U U1 1= =常数常数常数常数T TU U2 20.8 U20.6 U20.40.4 U U2 2on 交流伺服电动机的机械特性如图所示。交流伺服电动机的机械特性如图所示。交流伺服电动机的机械特性如图所示。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，随着控制电压的在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的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，下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时，下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时，下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时，电动机转速
11、随控制电压的下降而均匀减小。电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。 交流伺服电机的输出功率一般为交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，电源频率分电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广等多种。它的应用很广泛，如用泛，如用在各种自动控制、自动记录等系统中。在各种自动控制、自动记录等系统中。应用应用应用应用: : : :10.1.2 直流伺服电动机直流伺服电动机 直流伺服电动机的结构与直流伺服电动机的结构与直流伺服电动机的结构与直流伺服电动机的结构与直流电动机基本相直流电动机基本相直流电动机基本相直流电
12、动机基本相同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。 直流伺服电动机的直流伺服电动机的直流伺服电动机的直流伺服电动机的工作原理也与直流电动机工作原理也与直流电动机相同。相同。供电方式：供电方式：他励供电。励磁绕组和电枢分别由两他励供电。励磁绕组和电枢分别由两个独立的电源供电。个独立的电源供电。U1为励磁电压，为励磁电压，U2为电枢电压为电枢电压MU1I1I2U2放放放放大大大大器器器器U+直流伺服电动机的接线图直流伺服电动机的接线图由机械特性可知：由机械特性可知：由机械
13、特性可知：由机械特性可知：(1) (1) 一定负载转矩下，当磁通一定负载转矩下，当磁通一定负载转矩下，当磁通一定负载转矩下，当磁通 不变时，不变时，不变时，不变时，U U2 2 n n 。(2) (2) U U2 2=0=0时，电机立即停转。时，电机立即停转。时，电机立即停转。时，电机立即停转。电动机反转：电动机反转：电动机反转：电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机反转。改变电枢电压的极性，电动机反转。改变电枢电压的极性，电动机反转。改变电枢电压的极性，电动机反转。 直流伺服电机的机直流伺服电机的机械特性与他励直流电机械特性与他励直流电机相同一样，也可用下式相同一样，也可用下式表示表示机械特
14、性曲线如图所示。机械特性曲线如图所示。直流伺服电动机的直流伺服电动机的n=f(T)曲线曲线(U1=常数常数)U20.8U20.6U20.4U2nTO 直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。通常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应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控制等。制等。 直流伺服电机输出功率一般为直流伺服电机输出功率一般为1-600W。应用：应用：应用：应用：10.2 测速发电机测速发电机 测速发电机是一种转速测量传感器。在许测速发电机是一种转速测量传感器。在许多自动控制系统中，它被用来测量旋转装置的多自动控制系统中，它被用来测量旋转
15、装置的转速，向控制电路提供与转速大小成正比的信转速，向控制电路提供与转速大小成正比的信号电压。号电压。测速发电机分为交流和直流两种类型。测速发电机分为交流和直流两种类型。10.2.1 交流测速发电机交流测速发电机 交流测速发电机又分为同步式和异步式两交流测速发电机又分为同步式和异步式两种，这里只分析异步式交流测速发电机的工作种，这里只分析异步式交流测速发电机的工作原理。原理。 1转子转子定子定子励磁绕组励磁绕组输出绕组输出绕组 异步式交流测速发电机的结构与杯形转子异步式交流测速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，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，
16、一个是输出绕组。一个是励磁绕组，一个是输出绕组。输出输出绕组绕组+励磁励磁绕组绕组+10.2.1 交流测速发电机交流测速发电机 工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电源源U U1 1，由，由 U U1 1 4.44 4.44 f1 1N N1 1 1 1 可知：可知： 当被测转动轴带动发电机转子旋转时，转当被测转动轴带动发电机转子旋转时，转子切割子切割 1 1产生转子感应电势产生转子感应电势E Er r和转子电流和转子电流I Ir r，它们的大小与它们的大小与 1 1和转子转速和转子转速 n 成正比：成正比： 转子电流转子电流 Ir也产生磁通也产生磁通 r ，
17、 r 在输出绕组在输出绕组中感应出电压中感应出电压U2 ， U2的大小与的大小与 r r成正比：成正比： 综合上述分析可知：综合上述分析可知： 当当 U U1 1恒定不变时，恒定不变时， U U2 2与与n 成正比，这样，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。信号，输出给控制系统。 由于铁心线圈电感的非线性影响，交流测由于铁心线圈电感的非线性影响，交流测速发电机的输出速发电机的输出电压电压 U U2 2与与n 间存在着一定的非间存在着一定的非线性误差，使用时要注意加以修正。线性误差，使用时要注意加以修正。10.2.1
18、 直流测速发电机直流测速发电机 直流测速发电机分永磁式和他励式两种。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，。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电机相同，工作时励磁绕组加直流电压U1励磁。励磁。他他励式直流测速发电机接线图励式直流测速发电机接线图TGRLI2U2+Ra+EI1U1+ 当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时，当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时，电枢产
19、生电动势电枢产生电动势E，其大小为：，其大小为：发电机的发电机的输出电压为：输出电压为：上式中代入：上式中代入：于是于是 可见，当励磁电压可见，当励磁电压U1保持恒定时（保持恒定时（ 亦恒亦恒定），若定），若Ra、RL不变，则输出电压不变，则输出电压U2的大小的大小与与电枢转速电枢转速 n 成正比。成正比。这样，发电机就把被测装这样，发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制系统。系统。0nU2RL2RL1RL= RL2RL1 值得注意的是，由于直流电机中存在着电值得注意的是，由于直流电机中存在着电枢反应现象，使得输出电压枢反应现象，使得输
20、出电压U2与转速与转速n 有一定有一定的线性误差。的线性误差。 RL越小、越小、n 越大，误差越大。因越大，误差越大。因此，在使用中应使此，在使用中应使RL和和 n的大小符合的大小符合直流测速直流测速发电机的技术要求。发电机的技术要求。10.4 步进电动机步进电动机特点特点特点特点: : : : (1) 1) 来一个脉冲，转一个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。 (2) (2) 控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3) (3) 改变脉冲顺序，可改变转动方向
21、。改变脉冲顺序，可改变转动方向。改变脉冲顺序，可改变转动方向。改变脉冲顺序，可改变转动方向。 步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段距离。距离。 区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，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。反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。
22、反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。种类种类：励磁式励磁式和和反应式反应式反应式反应式两种。两种。 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。结构和工作原理。三相反应式步进电动机的原理结构图三相反应式步进电动机的原理结构图三相反应式步进电动机的原理结构图三相反应式步进电动机的原理结构图如下：如下：ABCIAIBIC 定子内圆周定子内圆周均匀分布着六个均匀分布着六个磁极，磁极上有磁极，磁极上有励磁绕组，每两励磁绕组，每两个相对的绕组组个相对的绕组组成一相。转子有成一相。转子有四个齿。四个齿。定子定子转子转子1.
23、1.1.1.三相单三拍三相单三拍三相单三拍三相单三拍CABBCA3412 A相绕组通电，相绕组通电，B、C相相不通电。由于在磁场作用下，不通电。由于在磁场作用下，转子总是力图旋转到磁阻最转子总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种情况下，小的位置，故在这种情况下，转子必然转到左图所示位置：转子必然转到左图所示位置：1、3齿与齿与A、A极对齐。极对齐。CABBCA3412 同理，同理，B相通电时，转子会转过相通电时，转子会转过30 角，角，2、4齿和齿和B、B 磁极轴线对齐；当磁极轴线对齐；当C相通电时，转子相通电时，转子再转过再转过30 角，角，1、3齿和齿和C、C磁极轴线对齐。磁极轴线对齐。1
24、C342CABBA 这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一这种工作方式下，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。以称为三相单三拍工作方式。 按按AB C A 的顺序给三相绕组的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过过30( (步距角步距角) )，每个通电循环周期，每个通电循环周期( (3拍拍) )转过转过90( (一个齿距角一个齿距角) )。2. 2. 三相六拍三相六拍三相六拍三相六拍 按按AAB B BC C CA的顺序给三相的顺
25、序给三相绕组轮流通电。绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制这种方式可以获得更精确的控制特性。特性。CABBCA3412CABBCA3412 A相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿与齿与A、A 对齐。对齐。 A、B相同时通电，相同时通电，A、A 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，齿，转子转转子转过过15 ，到达左图到达左图所示位置。所示位置。CABBCA3412 B B 相通电，相通电，转子转子2、4齿与齿与B、B 对齐对齐, ,又转又转过过15 。3412CABBCA B、C相同时通电，相同时通电，C 、C 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住
26、磁极拉住2、4齿，转子再转齿，转子再转过过15 。 三相反应式步进电动机的一个通电循环周三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：期如下：AAB B BC C CA，每个循每个循环周期分为六拍。每拍转子转过环周期分为六拍。每拍转子转过15 （步距角），（步距角），一一个通电循环周期个通电循环周期( (6拍拍) )转子转过转子转过90 ( (齿距角齿距角) )。 与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更与单三拍相比，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。小，更适用于需要精确定位的控制系统中。3. 3. 三相双三拍三相双三拍三相双三拍三相双三拍 按按AB BC CA的顺序给三相
27、绕组轮流通的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电电。每拍有两相绕组同时通电。AB通电通电CABBCA3412BC通电通电3412CABBCACA通电通电CABBCA3412 与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循循环周期也分为三拍。每拍转子转过环周期也分为三拍。每拍转子转过30 ( (步距角步距角) )，一一个通电循环周期个通电循环周期( (3拍拍) )转子转过转子转过90 ( (齿距角齿距角) )。 从以上对步进电机三种驱动方式的分析可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：得步距角计算公式： 步距角步距角Zr 转子齿数转子齿数
28、m 每个通电循环周期的拍数每个通电循环周期的拍数 实用步进电机的步距角多为实用步进电机的步距角多为3 和和1.5 。为。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的，如教材图的，如教材图10.4.4所示。图中转子表面有所示。图中转子表面有4040个个齿，齿，齿距角是齿距角是9 9 ；定子仍是；定子仍是 6 6个磁极，但每个磁极个磁极，但每个磁极表面加工有五个和转子一样的齿。表面加工有五个和转子一样的齿。 步进电动机的应用非常广泛，如各种数控步进电动机的应用非常广泛，如各种数控步进电动机的应用非常广泛，如各种数控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。机床、自动绘图仪、机器人等。机床、自动绘图仪、机器人等。机床、自动绘图仪、机器人等。应用：应用：
