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1、第9章 控制电机,9.1 伺服电机,9.2 步进电机,9.3 自动控制的基本概念,第9章 控制电机,教学要求：,1. 了解交流伺服电机的结构和工作原理;,2. 了解直流伺服电机的结构和工作原理;,3. 了解步进电机的结构和工作原理。,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： 伺服电机将电压信号转换为转矩和转速以驱动控制对象；步进电机将脉冲信号转换为角位移或线位移。,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，本章只讨论常用的伺服电机和步进电机。,对控制电机的主要要求：动作灵敏、准确度高、 重量
2、轻、体积小、耗电少、运行可靠等。,伺服电机可分为两类：,伺服电机又称执行电机。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。,9.1 伺服电机,伺服电机可控性好，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。,9.1.1 交流伺服电机,交流伺服电机就是两相交流异步电机。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。转子分为笼型转子和杯型转子。,杯型转子伺服电机的结构图,励磁绕组串联电容C , 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位差接近90, 从而产生所需的旋转磁场。,交流伺服电机的接线图和相量图,(a)
3、 接线图,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生变化，使电动机转子反转。,交流伺服电机的特点：在电机运行时如果控制电压变为零，电机立即停转。,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 0.1 100
4、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:,自动平衡电位计电路的原理图,自动平衡电位计电路的闭环控制方框图,9.1.2 直流伺服电机,直流伺服电机的结构与直流电动机基本相同。只是为减小转动惯量而做得细长一些。,直流伺服电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
5、特性与他励直流电动机一样，也可用下式表示,机械特性曲线如图所示。,直流伺服电机的n=f (T)曲线(U1=常数),直流伺服电机输出功率一般为1 600W。,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。,应用：,位置随动系统的示意图,9.2 步进电机,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。,步进电机是利用电磁铁的作用原理, 将电脉冲转换为线位移或角位移的电机。计算机每发一个电脉冲,步进电机转动一定角度, 带动机械移动一小段距离。,区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线
6、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。,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。,反应式步进电机的结构示意图,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,U相绕组通电，V ，W 两相不通电。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U1、U2 极对齐。,当V相通电时，转子会转过30角，2、4 齿和V1、V2 磁极轴线对齐。,同理，当W 相通电时，转子再转过30角，1、3 齿和W1、W2磁极轴线对齐。,这种工作方式下
7、，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。,如果按UV W U 的顺序给三相绕组轮流通电，则电机转子便顺时针方向一步一步地转动。每一步的转角为30(步距角)，每个通电循环周期 (3拍)，磁场旋转一周，转子转过一个齿距角 ( 转子四个齿时为90)。,若按U W V U 的顺序通电，则电机转子便逆时针方向转动。,U相通电，转子1、3齿与U1、U2 对齐。,U、V相同时通电， U1、U2磁极拉住1、3齿，V1、V2 磁极拉住2、4齿，转子转过15，到达左图所示位置。,2. 三相六拍,按UUV V VW W WU的顺序给三相绕组轮流通电。,V相通电
8、，转子2、4齿与V1、V2 对齐，转子又转过15。,V、W相同时通电，W1、W2磁极拉住1、3齿,V1、V2 磁极拉住 2、4齿, 转子再转过15。,三相反应式步进电机的一个通电循环周期如下：UUV V VW W WU, 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UV VW WU的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。,UV通电,VW通电,WU通电,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
9、(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：,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。步进电机的结构图如图所示，图中转子表面有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。,步进电机的应用非常广泛, 如各种数控机床、自动绘图仪、机器人等。,应用：,三相反应时步进电机的结构图,9.3 自动控制的基本概念,用某种装置代替人，按照人的意愿自动完成一系列控制过程，称作自动控制。,从结构上看，自动控制系统分为开环控制和闭环控制两类。,开环控
10、制系统结构简单，控制对象按照控制指令工作，但不能根据输出结果自动调节，仅用于对控制精度要求不高的场合。,闭环控制系统结构比较复杂。把输出信号的一部分通过反馈环节引回到输入端，与给定信号比较，得到误差信号，再送入控制对象去调节输出结果。如此反复循环，直至误差为零。这种控制是通过反馈来实现的，所以也叫做反馈控制系统。,闭环控制的方框图,闭环控制系统(反馈控制系统) 各个基本环节如图所示：,系统中各部分的作用如下：,给定元件 把控制指令变成给定值。它与被调量存在着一定的函数关系。改变给定值, 即可改变被调量。,反馈控制系统方框图,检测元件 把被调量检测出来, 按一定的函数关系反馈到输入端。,比较元件 把反馈信号 Uf 与给定信号 Ug 比较以获取误差信号 Ud。,放大元件 当误差信号太微弱时，需要用放大元件把误差信号放大到足以推动执行元件的程度。,执行元件 直接推动控制对象改变被调量。,控制对象 由执行元件推动的各种装置，如各种机械负载、发电机、加热炉、闸门等, 相应的被调量就是转速、电压、温度、位移等。,
