控制电机课件

第9章控制电机9.1伺服电动机9.2测速发电机9.3步进电动机通过本章的学习，了解伺服电机、测速发电机、步进电动机的结构和工作原理。从工作原理上看，控制电机和普通电机没有本质上的差异，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，功率大，其主要任务是能量的转换，侧重于电机的启动、运行和制动等方面的性能指标。而本章介绍的各种控制电机，体积小，功率小，通常在几百瓦以下，其主要任务是转换和传递控制信号，能量的转换是次要的，侧重于电机控制精度和响应速度。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：由于它用来完成信息的转换和传递。所以要求：体积小、重量轻、耗电少、动作灵敏、准确、运行可靠、精度要高，误差要小等。伺服电动机伺服电动机又称(执行电动机)。功能：将输入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移或角速度，驱动控制对象。交流伺服电动机直流伺服电动机9.1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。结构：主要由定子和转子构成，定子铁心用硅钢片叠压而成。定子铁心表面的槽内嵌有空间互差90的两个绕组：励磁绕组和控制绕组。9.1.1交流伺服电动机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交流伺服电动机的转子形式有两种:1）鼠笼式转子2）空心杯转子※鼠笼式转子：其绕组由高电阻率的材料制成，电阻较大，笼式转子结构简单，但其转动惯量较大。※空心杯转子：由非磁性材料制成杯形，可看成是导条数很多的笼式转子，其杯壁很薄，因而其电阻值较大。转子在内外定子之间的气隙中旋转，因空气隙较大而需要较大的励磁电流。空心杯形转子的转动惯量较小，响应迅速。杯形转子伺服电动机结构图1—外定子铁心；2—杯形转子；3—内定子铁心；4—转轴；5—轴承；6—定子绕组励磁绕组接交流励磁电源，控制绕组接入控制电压，两绕组在空间上互差90°电角度，励磁电压和控制电压UC频率相同。交流伺服电动机的工作原理：无控制电压时，气隙中只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子上没有启动转矩而静止不动。当有控制电压且控制绕组电流和励磁绕组电流不同相时，则在气隙中产生一个旋转磁场并产生电磁转矩，使转子沿旋转磁场的方向旋转。把控制电压的相位改变180度，可改变伺服电动机的旋转方向。特点：1、有控制电压时转子立即旋转，无控制电压时转子立即停转。2、转轴转向和转速是由控制电压的方向和大小决定的。采用三种方法控制伺服电动机的转速高低及方向！（1）幅值控制：保持控制电压与励磁电压间的相位差不变，仅改变控制电压的幅值。（2）相位控制：保持控制电压的幅值不变，仅改变控制电压与励磁电压间的相位差。（3）幅-相控制：同时改变控制电压的幅值和相位。两相交流伺服电动机的控制方法：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：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。TOn9.1.2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。分类：按励磁方式可分为电磁式和永磁式，其中电磁式又分为他励、并励、串励等几种，一般多用他励式，而永磁式的磁场是由永久磁铁产生。供电方式：他励供电，励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立的电源供电。U1为励磁电压U2为电枢电压SMU1I1I2U2放大器U++––直流伺服电动机的接线图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：a22EEMRUnTCCC由此可见：改变电枢电压U2或改变磁场Φ都可以控制直流伺服电动机的转速和转向，称为电枢控制和磁场控制。特点：(1)一定负载转矩下，磁通≡C时，U2n。(2)U2=0时，电机立即停转。(3)改变电枢电压的极性，电动机反转。nTO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，直流伺服电机输出功率一般为1-600W。9.2测速发电机9.2.1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。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号电压。测速发电机分为交流和直流两种类型。••••1转子定子励磁绕组输出绕组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+–9.2.1交流测速发电机工作时，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。9.2.1直流测速发电机直流测速发电机分永磁式和他励式两种。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。他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，电枢产生电动势E，其大小为：nKEE发电机的输出电压为：2a2a2IRnΦKIREUE上式中代入：L22RUI于是nRRΦKUEL2a1TGRLI2U2+–Ra+–EI1U1+–0nU2RL2RL1RL=RL2RL1nRRΦKUEL2a1可见：当励磁电压U1恒定时（即恒定），若Ra、RL不变，则输出电压U2的大小与电枢转速n成正比。实现将转速信号变成电压信号，输出给控制系统。9.3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。种类：励磁式和反应式两种。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。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。以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和原理！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。相数为三定子ABCIAIBIC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。步进电机的通电方式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)，因为有四个齿！2、三相单双六拍按AABBBCCCA的顺序给三相绕组轮流通电，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。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，六拍驱动方式的步距角更小，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)。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：mZr360—步距角Zr—转子齿数m—每个通电循环周期的拍数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。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。