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1、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,9.4 自动控制的基本概念,第9章 控制电机,教学要求：,1.了解交流伺服电动机的结构和工作原理。,2.了解直流伺服电动机的结构和工作原理。,3.了解交流测速发电机的结构和工作原理。,4.了解步进电动机的结构和工作原理。,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。,各种控制电机有各自的控制任务：如: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，并传递到 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。,本章介绍的各种控制电机的主要任务
2、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，本章只讨论常用的几种:伺服电机、测速电机、步进电机。,对控制电机的主要要求：动作灵敏、准确、重量轻、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。,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。,9.1.1 交流伺服电动机,交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。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，其结构如图所示。,励磁绕组,控制绕组,杯形转子,内定子
3、,交流伺服电动机结构图,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。,控制电压 与电源电压 频率相同，相位相同或反相。,交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机有相似之处。,励磁绕组固定接在电源上，当控制电压为零时，电机无起动转矩，转子不转。,交流伺服电动机的特点：不仅要求它在静止状态下，能服从控制信号的命令而转动，而且要求在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。,但如果交流伺服电动机的参数选择和一般单相异步电动机相似，电动机一经转动，即使控制等于零，电动机仍继续转动，电动机失去控制，这种现象称为“自
4、转”。,如何克服“自转”现象呢？,正反向旋转磁场的合成转矩特性,当单相励磁时，在电动机运行范围0S11时，转矩为正值，产生电动转矩，使转子继续转动。反转时也同样为电动转矩。,现增大转子电阻，使Sm1,当单相励磁时，在电动机运行范围0S11时，转矩为负值，产生制动转矩，使转子停转。反转时也同样为制动转矩。,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。,加在控制绕组上的控制电压大小变化时，其产生的旋转磁场的椭圆度不同，从而产生的电磁转矩也不同，从而改变电动机的转速。,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
5、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0.1-100 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:,9.1.2 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。,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,直流伺服电动机的接线图,由机械特性可知：(1)一定负载转矩下，当
6、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,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：,9.2 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号电压。,测速发电机分为交流和直流两种类型。,交流测速发电机,交流测速发电机又分为同步式
7、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。,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。,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 4.44 f1N11 可知：,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：,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：,综合上述分析可知：,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
8、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。,直流测速发电机,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U1励磁。,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：,发电机的输出电压为：,上式中代入：,于是,可见，当励磁电压U1保持恒定时（亦恒定），若Ra、RL不变，则输出电压U2的大小与电枢转速 n 成正比。这样，发电机就把被
9、测装置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制系统。,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U2与转速n 有一定的线性误差。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。,测速发电机的作用是将机械速度转变为电压信号，在自动控制系统和计算装置中作为检测元件、校正元件等。如在恒速控制系统中，测速发电机将速度转换为电压信号作为反馈信号，达到调节速度的作用。,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。,由于步进电动机的这一工作职能正好符合数字控制系
10、统要求，因此它在数控机床、钟表工业及自动记录仪等方面都有很广泛的应用,9.3 步进电动机,区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，依靠电磁转矩工作。反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。依靠变化的的磁阻生成磁阻转矩工作。反应式步进电机的应用最广泛，它有两相、三相、多相之分。这里主要讨论三相反应式步进电动机的结构和工作原理。,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。,三相反应式步进电动机的原理结构图如下：,A,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。采用Y连接，转子有四个齿。,定子,转子,1.工作原理,由于磁力线总是要通
11、过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转矩，使转子转动。,1.三相单三拍,A相绕组通电，B、C相不通电。气隙产生以A-A为轴线的磁场，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电动机转子受到一个反应转矩，在此转矩的作用下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与A、A极对齐。,动画,“三相”指三相步进电机；“单”指每次只能一相绕组通电；“三拍”指通电三次完成一个通电循环。,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。,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
12、工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。,按AB 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)磁场在空间旋转了360而转子转过90(一个齿距角)。,2.三相六拍,按AAB 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。,A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。,动画,B 相通电，转子2、4齿与B、B 对齐,又转过15。,B、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1
13、5。,三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：AAB 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。,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：,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
14、子、转子都做成多齿的，如教材图所示。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：,步进电动机根据数控装置发出的指令带动电位器的动触电转动，使其偏离中点产生电位差，经放大后,控制伺服阀的开口量，压力油经阀口进入油缸，使机械手按照存储在数控装置中的指令动作。,9.5 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
15、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。,闭环控制系统（反馈控制系统）的各个基本环节如下图所示：,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。,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。,
