控制电机暂不讲课件

1、控制电机暂不讲课件 前面所讨论的三相和单相异步电动机，都是作为前面所讨论的三相和单相异步电动机，都是作为 动力电机来使用的，主要任务是能量转换。动力电机来使用的，主要任务是能量转换。 用于信号检测、变换和传递的小功率电机称为控用于信号检测、变换和传递的小功率电机称为控 制电机。控制电机在自动控制系统中是必不可少的。制电机。控制电机在自动控制系统中是必不可少的。 对控制电机的要求是：对控制电机的要求是： 可靠性高、精度高、响应速度快。可靠性高、精度高、响应速度快。 常用的控制电机有：伺服电动机、步进电动机等。常用的控制电机有：伺服电动机、步进电动机等。 它们的功率一般小于它们的功率一般小于750

2、W。 本节重点介绍它们的特点和工作原理。本节重点介绍它们的特点和工作原理。 控制电机暂不讲课件 伺服电动机是把输入的电压信号转换成角位移或角伺服电动机是把输入的电压信号转换成角位移或角 速度输出，改变输入电压信号的大小或极性（相位）可速度输出，改变输入电压信号的大小或极性（相位）可 以改变伺服电动机的转速及转向。以改变伺服电动机的转速及转向。 对于伺服电动机的基本要求是：调速范围宽，运行对于伺服电动机的基本要求是：调速范围宽，运行 特性接近线性，无自转现象（控制电压消失，伺服电动特性接近线性，无自转现象（控制电压消失，伺服电动 机能立即停止转动），能快速响应。机能立即停止转动），能快速响应。

3、伺服电动机有直流和交流之分伺服电动机有直流和交流之分, ,交流伺服电动机是两交流伺服电动机是两 相异步电动机。相异步电动机。 直流伺服电动机和交流伺服电动机的功率有所不同：直流伺服电动机和交流伺服电动机的功率有所不同： 直流伺服电动机输出功率大一些，一般可达几百瓦；直流伺服电动机输出功率大一些，一般可达几百瓦； 交流伺服电动机输出功率较小，一般为几十瓦。交流伺服电动机输出功率较小，一般为几十瓦。 控制电机暂不讲课件 直流伺服电动机是一种微型的直流电动机。直流伺服电动机是一种微型的直流电动机。 直流伺服直流伺服 电动机电动机 定子定子 转子转子( (电枢电枢)重量较轻，转动惯量小重量较轻，转动惯

4、量小 永磁式永磁式 磁极是永久磁铁磁极是永久磁铁 电磁式电磁式 磁极是电磁铁磁极是电磁铁 铁心铁心 绕组绕组 具有很好的快速响应特性具有很好的快速响应特性 控制电机暂不讲课件 T CC R C U n 2 Te a e 直流伺服电动机常采用电枢控制方式，即磁通不变，直流伺服电动机常采用电枢控制方式，即磁通不变， 通过改变电枢电压来控制直流伺服电动机的运行状态。通过改变电枢电压来控制直流伺服电动机的运行状态。 U1 U2 U3 T n1 0 n T2 n2 n3 U1 U2 U3 电压电压U 越大，转速越大，转速 n 越高。越高。 对应某一负载转矩，电动机对应某一负载转矩，电动机 有一始动电压。

5、有一始动电压。 控制电机暂不讲课件 （1）可控无自转）可控无自转 当控制电压当控制电压Uk= 0 时时, 转速转速 n = 0； （2）灵敏度高）灵敏度高 转速与转向随控制电压的大小和转速与转向随控制电压的大小和 （4）功率小）功率小 通常为零点几瓦通常为零点几瓦 几十瓦；几十瓦； （5）运行稳定）运行稳定 n在在 ( (0 n0 之间连续稳定运行；之间连续稳定运行； （6）起动电压小）起动电压小 Ust = UN (3 。 （3）响应快速）响应快速 由于转动惯量小，起动转矩大，由于转动惯量小，起动转矩大， 交流伺服电动机的控制电压为交流电压交流伺服电动机的控制电压为交流电压, 特点为：特点为

6、： 所以电动机起动快；所以电动机起动快； 极性而改变；极性而改变； 控制电机暂不讲课件 交流交流 伺服伺服 电动机电动机 定子定子 转子转子 定子绕组定子绕组 转子铁心转子铁心 定子铁心定子铁心 转子绕组转子绕组 转轴转轴 机座机座 笼形转子笼形转子 杯形转子杯形转子 励磁绕组励磁绕组 控制绕组控制绕组 特点：特点：笼型转子结构同普通笼型异笼型转子结构同普通笼型异 步电动机，只是转子细而长，并采用高步电动机，只是转子细而长，并采用高 电阻率的导电材料作导条，以获得较小电阻率的导电材料作导条，以获得较小 的转动惯量和较大电阻。的转动惯量和较大电阻。 杯型转子可看成由无数导条并联而成。杯型转子可看

7、成由无数导条并联而成。 两种转子伺服电动机的分析方法相同。两种转子伺服电动机的分析方法相同。 控制电机暂不讲课件 当只当只在励磁绕组上加入交流电压在励磁绕组上加入交流电压 转子转子 产生电流产生电流 if 产生产生脉振脉振磁场磁场 f 。 ifik t 0 当控制绕组也接入电源，即加上当控制绕组也接入电源，即加上 控制电压控制电压, , 电流电流 ik 滞后滞后 if 90 产生产生 的磁场的磁场 k 滞后滞后 f 90。因此。因此可建立可建立 起旋转磁场。这时电动机就可产生起旋转磁场。这时电动机就可产生 起动转矩，转子也就转动起来了。起动转矩，转子也就转动起来了。 工作原理与单相异步电动机相

8、似。工作原理与单相异步电动机相似。 控制绕组控制绕组 励磁励磁 绕组绕组 if Q C ik S f k 电动机无起动转矩，转子不能转动。电动机无起动转矩，转子不能转动。 励磁绕组与励磁绕组与控制绕组在空间位置控制绕组在空间位置 相差相差90。 控制电机暂不讲课件 交流伺服电动机的机械特性曲线与单相异步电动机相似。交流伺服电动机的机械特性曲线与单相异步电动机相似。 有两点不同：有两点不同： 由于转子电阻大，使临界转差率由于转子电阻大，使临界转差率 sm= 1， 交流伺服电动机的机械特性曲线的形状接近一条直线；交流伺服电动机的机械特性曲线的形状接近一条直线； n T T T T + 0 1 n

9、T T T T + 0 1 由机械特性，加之转子的转动惯量小，使交流伺服由机械特性，加之转子的转动惯量小，使交流伺服 电动机可以克服电动机可以克服“自转自转”。 单相异步单相异步 电动机电动机 交流伺服电交流伺服电 动机动机(sm=1) ss 控制电机暂不讲课件 T 与与伺服伺服电动机的转向相反，成为电动机的转向相反，成为，且转子，且转子 转动惯量小，所以电动机能转动惯量小，所以电动机能立即停转立即停转。 一旦控制电压消失，电动机应能立即停转。若电一旦控制电压消失，电动机应能立即停转。若电 动机还继续转动，称这种现象为动机还继续转动，称这种现象为“自转自转”。 交流伺服电动机可以克服交流伺服电

10、动机可以克服“自转自转”的原因解释如下：的原因解释如下： 由由交流伺服电动机的机械特性曲线交流伺服电动机的机械特性曲线合成合成电磁转矩，电磁转矩， 0.4UkN UkN 0.8 UkN 0.6UkN n 0T UkN n T 0 1 s a a 控制电机暂不讲课件 ( (a) ) 幅值控制幅值控制 控制绕组电压和励磁绕组电压之间的相位控制绕组电压和励磁绕组电压之间的相位 差保持不变，改变加在控制绕组上电压幅值的大小；差保持不变，改变加在控制绕组上电压幅值的大小； ( (b) )相位控制相位控制 保持控制电压的幅值不变，仅改变其相位；保持控制电压的幅值不变，仅改变其相位； ( (c) ) 幅幅

11、- 相控制相控制 同时改变控制电压的幅值和相位。同时改变控制电压的幅值和相位。 在三种控制方法中，幅值控制和相位控制方法都需要在三种控制方法中，幅值控制和相位控制方法都需要 较复杂的装置，而幅值较复杂的装置，而幅值 - 相位控制方法所需设备简单，成相位控制方法所需设备简单，成 本较低，因而是最常用的一种控制方法。本较低，因而是最常用的一种控制方法。 交流伺服电动机的控制电压交流伺服电动机的控制电压 Uk 可以控制电机转速的可以控制电机转速的 大小和方向。在交流伺服电动机运行时，通常保持励磁绕大小和方向。在交流伺服电动机运行时，通常保持励磁绕 组所接电压组所接电压Uf 的大小和相位不变，只改变控

12、制绕组所加电的大小和相位不变，只改变控制绕组所加电 压压Uk的大小和相位，实现对交流伺服电动机的转速和转向的大小和相位，实现对交流伺服电动机的转速和转向 的控制。的控制。 主要有以下三种控制方法：主要有以下三种控制方法： 控制电机暂不讲课件 位置位置 调节器调节器 功率功率 放大器放大器 交流交流伺服伺服 电动机电动机 机械机械 负载负载 位置指位置指 令装置令装置 位置反位置反 馈装置馈装置 位置随动位置随动 系统框图系统框图 交流伺服系统常应用于位置随动系统中，如数控机床的交流伺服系统常应用于位置随动系统中，如数控机床的 定位控制及加工轨迹控制、火炮的瞄准、雷达天线的跟踪等。定位控制及加工

13、轨迹控制、火炮的瞄准、雷达天线的跟踪等。 位置指令装置位置指令装置 将希望的位移量转换成给定电信号；将希望的位移量转换成给定电信号； 位置反馈装置位置反馈装置 将机械负载的实际位置转换成电信号；将机械负载的实际位置转换成电信号； 比较环节比较环节 将位置信号与给定信号比较，得到偏差信号；将位置信号与给定信号比较，得到偏差信号； 位置调节器位置调节器 保证系统稳定并具有满意的动态品质；保证系统稳定并具有满意的动态品质； 功率放大器功率放大器 控制伺服电动机，向消除偏差的方向旋转。控制伺服电动机，向消除偏差的方向旋转。 位置随动系统是一个位置反馈系统：位置随动系统是一个位置反馈系统： 控制电机暂不

14、讲课件 步进电动机可将输入的电脉冲信号转变成直线位步进电动机可将输入的电脉冲信号转变成直线位 移或角位移，移或角位移，即每输入一个脉冲，步进电动机就转动一个即每输入一个脉冲，步进电动机就转动一个 角度或前进一步。显然步进电动机的位移与输入脉冲的数角度或前进一步。显然步进电动机的位移与输入脉冲的数 目成正比，它的速度与脉冲频率成正比。目成正比，它的速度与脉冲频率成正比。 反应式、永磁式、永磁反应式；反应式、永磁式、永磁反应式； 单相、两相、多相。单相、两相、多相。 本节只介绍反应式步进电动机的结构和工作原理。本节只介绍反应式步进电动机的结构和工作原理。 速起动和制动的特点。被广泛用于数控机床、绘

15、图机和自速起动和制动的特点。被广泛用于数控机床、绘图机和自 动记录仪表等场合。动记录仪表等场合。 可以通过改变输入脉冲的频率进行调速，具有快可以通过改变输入脉冲的频率进行调速，具有快 控制电机暂不讲课件 1 3 24 转子转子 定子定子 A A C C B B 绕组绕组 定子定子 转子：有四个齿转子：有四个齿 (或多个齿或多个齿) 无磁性也无绕组无磁性也无绕组 三对磁极三对磁极 每对磁极上有一相绕组每对磁极上有一相绕组 磁极磁极 定子和转子都由硅钢片叠成。定子和转子都由硅钢片叠成。 定子磁极上绕组的数目定子磁极上绕组的数目 即是步进电动机的相数。即是步进电动机的相数。 工作时将脉冲信号电压按工

16、作时将脉冲信号电压按 一定的顺序加到三相绕组一定的顺序加到三相绕组A - A 、B - B 、C - C上。上。 控制电机暂不讲课件 1 3 24 转子转子 定子定子 A A C C B B 绕组绕组 磁极磁极 三种运行方式：三种运行方式： t t t uAA uBB uCC 根据绕组根据绕组通电通电的的顺序，步进电动机顺序，步进电动机有以下有以下 A相相 B相相 C相相 通电顺序：通电顺序：A-B-C-A- 输入绕组的脉冲信号电压波形，通电三次为一个循环输入绕组的脉冲信号电压波形，通电三次为一个循环。 控制电机暂不讲课件 1 3 24 转子转子 定子定子 A A C C B B 绕组绕组 磁

17、极磁极 三种运行方式：三种运行方式： t t t uAA uBB uCC 根据绕组根据绕组通电通电的的顺序，步进电动机顺序，步进电动机有以下有以下 输入绕组的脉冲信号电压波形，通电三次为一个循环输入绕组的脉冲信号电压波形，通电三次为一个循环。 通电顺序：通电顺序：AB-BC-CA-AB - 控制电机暂不讲课件 1 3 24 转子转子 定子定子 A A C C B B 绕组绕组 磁极磁极 三种运行方式：三种运行方式： t t t uAA uBB uCC 根据绕组根据绕组通电通电的的顺序，步进电动机顺序，步进电动机有以下有以下 输入绕组的脉冲信号电压波形，通电六次为一个循环输入绕组的脉冲信号电压波

18、形，通电六次为一个循环。 通电顺序：通电顺序： A-AB-B-BC-C-CA-A- 控制电机暂不讲课件 1 24 3 A C C B B A C C B B A A C C B B AA 1 24 3 1 24 3 定子绕组通电顺序：定子绕组通电顺序：A-B-C-A 转子总是力图转到磁阻最小的位置。转子总是力图转到磁阻最小的位置。 定子每个绕组通电一次，转子在空间转过定子每个绕组通电一次，转子在空间转过30 角。角。 定子绕组通电三次完成一个循环定子绕组通电三次完成一个循环。 控制电机暂不讲课件 1 24 3 A C C B B A C C B B A A C C B B AA 1 24 3

19、1 24 3 定子绕组通电顺序：定子绕组通电顺序：A-C-B-A 定子绕组的通电顺序相反，转子的转向也相反定子绕组的通电顺序相反，转子的转向也相反。 定子绕组通电频率的大小，决定转子转速的快慢定子绕组通电频率的大小，决定转子转速的快慢。 控制电机暂不讲课件 1 24 3 A C C B B A C C B B A A C C B B AA 1 24 3 1 24 3 定子绕组通电顺序：定子绕组通电顺序：AB-BC-CA-AB 转子总是力图转到磁阻最小的位置。转子总是力图转到磁阻最小的位置。 定子绕组每通电一次，转子在空间转过定子绕组每通电一次，转子在空间转过 30 角。角。 定子绕组每通电一次

20、，转子在空间转过定子绕组每通电一次，转子在空间转过 15 角。角。 定子绕组通电六次完成一个循环定子绕组通电六次完成一个循环。 控制电机暂不讲课件 Z 齿数，齿数，N 拍数拍数 定子每输入一个脉冲，转子转过的角度称为步距角，定子每输入一个脉冲，转子转过的角度称为步距角， 用用 表示，计算公式为表示，计算公式为 转速单位转速单位 转转/分（分（r/min） f 输入脉冲的频率（输入脉冲的频率（Hz） 控制电机暂不讲课件 小步距角步进电机是通过增加齿数来实现的。定子每个极上小步距角步进电机是通过增加齿数来实现的。定子每个极上 也要相应地开几个齿，定转子上齿距相同。也要相应地开几个齿，定转子上齿距相

21、同。 A C A B CB 若若 Z = 40，三相三拍，三相三拍 N = 3，则有，则有 3 340 360360 NZ minr/500 340 10006060 NZ f n 若采用三相六拍若采用三相六拍 N = 6，则有，则有 5 . 1 640 360360 NZ minr/250 640 10006060 NZ f n 步距角步距角 转速转速 步距角步距角 转速转速 控制电机暂不讲课件 环形环形 分配器分配器 功率功率 放大器放大器 步进步进 电动机电动机 负负 载载 输入脉冲输入脉冲 ： 决定步进电动机定子绕组通电顺序和电机转速。决定步进电动机定子绕组通电顺序和电机转速。 ： 分

22、配器输出的脉冲信号必须经过功率放大，才能作为分配器输出的脉冲信号必须经过功率放大，才能作为 励磁电流送到步进电动机定子绕组。励磁电流送到步进电动机定子绕组。 方向指令方向指令 步进电动机的正常工作需要有一个驱动电源，为电机提供步进电动机的正常工作需要有一个驱动电源，为电机提供 一定频率的脉冲信号，并按一定的通电顺序提供足够的功率。一定频率的脉冲信号，并按一定的通电顺序提供足够的功率。 输入脉冲决定转动的速度，方向指令决定通电顺序输入脉冲决定转动的速度，方向指令决定通电顺序 (转向转向)。 控制电机暂不讲课件 （1）相数）相数 定子绕组的数目定子绕组的数目 （2）额定电压额定电压 通电时，每相定

23、子绕组上的直流电压值通电时，每相定子绕组上的直流电压值 （3）静态电流静态电流 静态时供给电动机定子每相绕组的最大电流静态时供给电动机定子每相绕组的最大电流 （4）最大静转矩）最大静转矩 一相绕组通电时转矩的最大值一相绕组通电时转矩的最大值 最大转矩最大转矩Tmax与负载转矩与负载转矩T2的关系为的关系为 5 . 03 . 0 2 max T T （5）分配方式分配方式 步进电动机的通电运行方式步进电动机的通电运行方式 （6）步距角步距角 每输入一个脉冲时，转子转过的机械角度每输入一个脉冲时，转子转过的机械角度 （7）步）步距距角误差角误差 空载时实际步距角与理论步矩角之差，空载时实际步距角与

24、理论步矩角之差， 是步进电是步进电动机的重要精度指标动机的重要精度指标 控制电机暂不讲课件 （1）：步进电动机的转速直接受脉冲频率的影步进电动机的转速直接受脉冲频率的影 响，不会受响，不会受电源波动、负载变化及温度变化等外部条电源波动、负载变化及温度变化等外部条 件的影响。件的影响。 （2）：在一定频率范围内，能按要求起动、：在一定频率范围内，能按要求起动、运行、运行、 反转和停止，能在比较宽的范围内通过改变脉冲频率反转和停止，能在比较宽的范围内通过改变脉冲频率 进行调速。进行调速。 （3）：转子每转一圈后，累积误差等于零。：转子每转一圈后，累积误差等于零。 （4）：步进电动机不用负反馈就能实

25、现高精度的角：步进电动机不用负反馈就能实现高精度的角 度和转速控度和转速控制，特别适用于开环控制系统，从而降低制，特别适用于开环控制系统，从而降低 了成本。但在定位精度要求很高时，也可用于闭环控了成本。但在定位精度要求很高时，也可用于闭环控 制系统。制系统。 控制电机暂不讲课件 步进电动机已成为很多数控系统中的主要执行元件。步进电动机已成为很多数控系统中的主要执行元件。 机床工作时，数控装置按照运行程序的数据和指令，机床工作时，数控装置按照运行程序的数据和指令， 经过运算发出脉冲信号，驱动电源将脉冲信号放大，并以经过运算发出脉冲信号，驱动电源将脉冲信号放大，并以 一定方式提供给步进电动机，从而

26、带动丝杠系统，使工作一定方式提供给步进电动机，从而带动丝杠系统，使工作 台以一定的速度移动，完成加工任务。台以一定的速度移动，完成加工任务。 数控数控 装置装置 驱动驱动 电源电源 步进步进 电动机电动机 工作台工作台 丝杠丝杠 数控机床控制系统示意图数控机床控制系统示意图 控制电机暂不讲课件 测量转速：它把转速输入转换为电压信号输出，测量转速：它把转速输入转换为电压信号输出， 且输出电压与转速成正比。电机测速发电机主要应用于且输出电压与转速成正比。电机测速发电机主要应用于 速度和位置控制系统中。速度和位置控制系统中。 测速发电机有直流和交流两大类：测速发电机有直流和交流两大类： 输出特性是线

27、性的；转动惯量要小；灵敏度要高。输出特性是线性的；转动惯量要小；灵敏度要高。 直流测速发电机直流测速发电机 交流测速发电机交流测速发电机 永磁式永磁式 电磁式电磁式 同步同步 异步异步 空心杯转子交流空心杯转子交流 异步测速发电机异步测速发电机 控制电机暂不讲课件 空心杯转子交流异步测速发电机与杯型转子空心杯转子交流异步测速发电机与杯型转子 伺服电动机的结构基本相同，由外定子、空心杯转子和伺服电动机的结构基本相同，由外定子、空心杯转子和 内定子三部分组成内定子三部分组成 。 励磁绕组励磁绕组W1 输出绕组输出绕组 W2 + U1 + U2 W2 W1 Ir Er n r 1 测速发电机测速发电机 n = 0 时