3控制电机

第3章控制电机3.1测速发电机3.2伺服电动机3.3自整角机3.4步进电动机3.5旋转变压器3.6盘式电动机旋转电机动力电机控制电机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。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。控制电机的分类：控制电机（按电流分类）直流控制电机交流控制电机控制电机（按功能和用途分类）信号元件（将其它信号转换成电信号）功率元件（将电信号转换成其它信号）各种控制电机有各自的控制任务：如:测速发电机将转速转换为电压，并传递到输入端作为反馈信号；伺服电动机将电压信号转换为角位移或角速度以驱动控制对象；步进电动机将脉冲信号转换为角位移或线位移。控制电机的种类很多，本章只讨论常用的几种:测速电机、伺服电机、步进电机。对控制电机的主要要求：运行可靠、动作灵敏、准确、重量轻、体积小、耗电少等。对动力电机的主要分析：运行状态的指标（调速、启动、制动特性等）。3.1测速发电机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转速，向控制电路提供与转速大小成正比的信电压信号。测速发电机分为交流和直流两种类型。一、直流测速发电机直流测速发电机分永磁式和电磁式两种。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Uf励磁。他励式直流测速发电机接线图TGRLIaU+–Ra+–EI1Uf+–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：nCEE发电机的输出电压为：aEIRnCIREUaaa上式中代入：LRUIa得：nRRCULaE1他励式直流测速发电机接线图TGRLIaU+–Ra+–EI1Uf+–当励磁电压Uf保持恒定时（亦恒定），若Ra、RL不变，则输出电压U的大小与电枢转速n成正比。发电机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。0nURL2RL1RL=RL2RL1nRRCULaE1U与n不完全是线性关系的原因：1.环境温度的变化引起励磁绕组电阻发生改变，使励磁磁通变化。2.电枢反应的去磁作用使气隙磁通发生变化。3.电刷与换向器接触电阻随负载电流变化。误差特性：⑴一般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。⑵存在不灵敏区(转速较小时无电压输出).二、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种，这里只分析异步式交流测速发电机的工作原理。直流测速发电机的性能指标：⑴线性误差⑵最大线性工作转速⑶最小负载电阻⑷不灵敏区⑸不对称度⑹静态放大系数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，一个是励磁绕组，一个是输出绕组。输出绕组2U+–励磁绕组1U1I1Φ+–1.交流测速发电机的工作原理•••1••定子输出绕组励磁绕组转子工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电源U1，由U14.44f1N11可知：11U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：nEI1rr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：r2U综合上述分析可知：nUnU112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。技术指标：1.线性误差。减少误差的方法：减少励磁漏抗和提高电源频率。2.相位误差1～2度。3.剩余电压：转子停转时应无输出电压。4.输出斜率。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。交流伺服电动机直流伺服电动机3.2伺服电动机自控系统对伺服电动机的要求：1.调速范围宽；2.机电时间常数小，灵敏度高，响应快；3.机械特性和调节特性是线性的；4.无自转现象（无电压时电机不应转）。一、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MU1I1I2U2++––直流伺服电动机的接线图由机械特性可知：(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TCCRCUnTEE2a2ΦΦnT机械特性曲线如图所示。直流伺服电动机的n=f(T)曲线(U1=常数)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：调节特性：输出转速控制电压的关系。机械特性和调节特性的线性关系与电枢电阻无关。二、交流伺服电动机交流伺服电动机又称为两相伺服电动机。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，其结构如图所示。励磁绕组控制绕组杯形转子内定子交流伺服电动机结构图2I+–控制绕组励磁绕组1I++–UcUfUc与Uf频率相同，相位相差900。当控制电压为零时，仅有励磁电压产生脉动磁场，电机静止不转；控制电压加上以后，由于Uc与Uf相位相差900，产生旋转磁场，转子就会随旋转磁场的方向旋转起来。当厉磁电压不变，控制电压反相时，转子就会反方向旋转。伺服电动机的控制方式：1.幅值控制2.相位控制3.幅－相控制工作原理：2I+–控制绕组励磁绕组UCU1I1U++––1控制电压Uc与电源电压U始终保持同相。适当选择电容的大小，可使Uc与U1相位差接近90(如图b),从而产生所需的旋转磁场。当改变控制电压的幅值来改变电动机的转速时，由于转子绕组的耦合作用U1的大小及它与电源电压的相位差也随之变化。幅－相控制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。伺服电动机的自转：如果控制电压变为零电动机不停转。解决伺服电动机自转的方法：增大转子回路电阻。机械特性Ton不同控制电压下的机械特性曲线n=f(T),U1=常数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。交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100W，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:3.3自整角机自整角机是一种感应式机电元件，在系统中一般两个或三个组合使用。其作用是在自控系统中，将转轴上的转角信号变成电信号，或将电信号变为转角。目的是使机械上互不相连的几个转轴同步偏转或旋转。广泛应用于远距离指示装置和伺服系统。3.4步进电动机特点:(1)来一个脉冲，转一个步距角。直线位移或角位移与脉冲数成正比。(2)转速与脉冲频率成正比。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。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。每来一个电脉冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段距离。又称为脉冲电动机。步进电机的分类：按运动形式：旋转式直线式按工作原理：反应式永磁式永磁感应子式按定子数目：单定子式多定子式按相数：单相多相两相三相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。三相反应式步进电动机的原理结构图如下：ABCIAIBIC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1.三相单三拍CA'BB'C'A3412A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。CA'BB'C'A同理，B相通电时，转子会转过30角，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。C'CA'BB'A动画这种工作方式下，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AB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)。2.三相六拍按AAB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。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'AA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。CA'BB'C'AB相通电，转子2、4齿与B、B´对齐,又转过15。CA'BB'C'AB、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。动画三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：AABBBCCCA，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。3.三相双三拍按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。AB通电CA'BB'C'ABC通电CA'BB'C'ACA通电CA'BB'C'A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)。动画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：r360mKZ—步距角（步进电机每步转过的角度）Zr—转子齿数m—定子绕组相数K—通电方式系数相邻两次通电相数相同，则K=1相邻两次通电相数不同，则K=2图例中三相三拍，m=3；Z=4；K=10030143360360mZK三相六拍，m=3；Z=4；K=20015243360360mZK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。应用：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。3.5旋转变压器旋转变压器是一种输出电压随转子转角的变化而变化的信号元件。其定子绕组接单相交流电源励磁，转子绕组的输出电压与转子转速的正弦或余弦成正比。旋转变压器在控制系统中作为计算元件用于三角运算和坐标变换；在随动系统中用于传输与转角对应的电信号。