交流伺服电机的工作原理.ppt

下一页总目录 章目录返回上一页 第第9 9章章 控制电机控制电机 9. 9.1 1 伺服电动机伺服电动机 9. 9.2 2 测速发电机测速发电机 9.39.3 步进电动机步进电动机 9.49.4 自动控制的基本概念自动控制的基本概念 下一页总目录 章目录返回上一页 第第9 9章章 控制电机控制电机 教学要求：教学要求： 1. 1.了解交流伺服电动机的结构和工作原理。了解交流伺服电动机的结构和工作原理。 2. 2.了解直流伺服电动机的结构和工作原理。了解直流伺服电动机的结构和工作原理。 3. 3.了解交流测速发电机的结构和工作原理。了解交流测速发电机的结构和工作原理。 4. 4.了解步进电动机的结构和工作原理。了解步进电动机的结构和工作原理。 下一页总目录 章目录返回上一页 前面介绍的异步电动机、直流电动机等都是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。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： 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 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 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。转换为角位移或线位移。 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 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。 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、步进电机。伺服电机、测速电机、步进电机。 对控制电机的主要要求：对控制电机的主要要求：动作灵敏、准确、动作灵敏、准确、 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。 下一页总目录 章目录返回上一页 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。 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 9.19.1 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 制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。 下一页总目录 章目录返回上一页 9.1.9.1.1 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 交流伺服电动机结构图交流伺服电动机结构图 下一页总目录 章目录返回上一页 放 大 器 检 测 元 件 控制信号控制信号 + + 控制绕组 励磁绕组 + + + 1 1 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 1 ( (b) b) 相量图相量图 下一页总目录 章目录返回上一页 控制电压控制电压 与电源电压与电源电压 频频 率相同，相位相率相同，相位相 同或反相。同或反相。 放 大 器 检 测 元 件 控制信号控制信号 + + 控制绕组 交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机有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。相似之处。 励磁绕组固定接在电源上，当控制电压为零时，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。电机无起动转矩，转子不转。 若有控制电压加在控制绕组上，且励磁电流若有控制电压加在控制绕组上，且励磁电流 和控制绕组电流和控制绕组电流 不同相时，不同相时，因此便产生两相旋转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。磁场。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。 下一页总目录 章目录返回上一页 交流伺服电动机的特点：不仅要求它在静止状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，而且要求态下，能服从控制信号的命令而转动，而且要求在在 电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停 转。转。 但如果交流伺服电动机的参数选择和一般单相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，这种现零，电动机仍继续转动，电动机失去控制，这种现 象称为象称为“ “自转自转” ”。 如何克服如何克服“ “自转自转” ”现象呢？现象呢？ 下一页总目录 章目录返回上一页 正反向旋转磁场的合成转矩特性正反向旋转磁场的合成转矩特性 ( (正向正向) ) ( (反向反向) ) 正 转 转 反 当单相当单相励磁时，在电动机运行范围励磁时，在电动机运行范围01 1 当单相当单相励磁时，在电动机运行范围励磁时，在电动机运行范围00S S 1 1 11时，转矩时，转矩 为负值，产生制动转矩，使转子停转。反转时也同为负值，产生制动转矩，使转子停转。反转时也同 样为制动转矩。样为制动转矩。 下一页总目录 章目录返回上一页 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 磁电压不变磁电压不变) )，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。 加在控制绕组上的控制电压大小变化时，其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。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不同控制电压下的机械特性曲线 n n= =f f( (T T), ), U U 1 1 = =常数常数 T T U U2 2 0.8 U2 0.6 U2 0.40.4 U U 2 2 o n 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。 下一页总目录 章目录返回上一页 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， 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。 应用应用: : 下一页总目录 章目录返回上一页 9.1.9.1.2 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电动机基本相直流电动机基本相 同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。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 M U1 I1 I2 U2 放放 大大 器器 U + + 直流伺服电动机的接线图 下一页总目录 章目录返回上一页 由机械特性可知：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 不变时，不变时，U U 2 2 n n 。 (2) (2) U U 2 2 =0=0时，电机立即停转。时，电机立即停转。 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。 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) U2 0.8U2 0.6U2 0.4U2 n T O 下一页总目录 章目录返回上一页 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：应用： 下一页总目录 章目录返回上一页 9. 9.2 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 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。 9.2.19.2.1 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 种，这里只分析异步式交流测速发电机的工作 原理。 下一页总目录 章目录返回上一页 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 + 励磁 绕组 + 9.2.19.2.1 交流测速发电机交流测速发电机 下一页总目录 章目录返回上一页 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： 下一页总目录 章目录返回上一页 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。 下一页总目录 章目录返回上一页 9.2.19.2.1 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。 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。 他励式直流测速发电机接线图 TGRL I2 U2 + Ra + E I1 U1 + 下一页总目录 章目录返回上一页 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 下一页总目录 章目录返回上一页 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，发电机就把被测装 置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制 系统。 0 n U2 RL2RL1 RL= RL2 RL1 下一页总目录 章目录返回上一页 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。 下一页总目录 章目录返回上一页 9.39.3 步进电动机步进电动机 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。 (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。 (3) (3) 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 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。 由于步进电动机的这一工作职能正好符合由于步进电动机的这一工作职能正好符合 数字控制系统要求，因此它在数控机床、钟表工数字控制系统要求，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业及自动记录仪等方面都有很广泛的应用 下一页总目录 章目录返回上一页 9.39.3 步进电动机步进电动机 区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，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。作原理。 种类：励磁式和反应式反应式两种。 下一页总目录 章目录返回上一页 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三相反应式步进电动机的原理结构图如下： A B C IA IB IC 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 下一页总目录 章目录返回上一页 1.1.工作原理工作原理 由于磁力线总是要通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。 现以A B C A的通电顺序，使三相绕组 轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。 B C IA IB IC 下一页总目录 章目录返回上一页 1.1.三相单三拍三相单三拍 C A B BC A 3 4 1 2 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 “三相三相”指三相步进电机；指三相步进电机；“单单”指每次只能一相指每次只能一相 绕组通电；绕组通电；“三拍三拍”指通电三次完成一个通电循环指通电三次完成一个通电循环 。 下一页总目录 章目录返回上一页 C A B BC A 3 4 1 2 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。 1 C 3 42 C A B B A 下一页总目录 章目录返回上一页 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. 2. 三相六拍三相六拍 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。 下一页总目录 章目录返回上一页 C A B BC A 3 4 1 2 C A B BC A 3 4 1 2 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 下一页总目录 章目录返回上一页 C A B BC A 3 4 1 2 B 相通电，转子2、 4齿与B、B 对齐,又转 过15。 3 4 1 2 C A B BC A 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 15。 下一页总目录 章目录返回上一页 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. 3. 三相双三拍三相双三拍 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。 下一页总目录 章目录返回上一页 AB通电 C A B BC A 3 4 1 2 BC通电 3 4 1 2 C A B BC A CA通电 C A B BC A 3 4 1 2 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 下一页总目录 章目录返回上一页 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： 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 ，如教材图10.4.4所示。图中转子表面有40个齿 ， 下一页总目录 章目录返回上一页 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。 应用： 数控数控 装置装置 步进步进 电动机电动机 电位器电位器放大器放大器 液压缸液压缸 机械手机械手 电液电液 伺