直流伺服电机工作原理PPT学习教案

1、会计学1 直流伺服电机工作原理直流伺服电机工作原理 第1页/共40页 第2页/共40页 伺服电动机又称执行电动机。其伺服电动机又称执行电动机。其 伺服电动机可控性好，反应迅速。是自动控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。制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。 第3页/共40页 交流伺服电动机就是一台交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。两相交流异步电机。 它的定子上装有空间互差它的定子上装有空间互差9090 的的两个绕组：励磁绕两个绕组：励磁绕 组和控制绕组，其结构如图所示。组和控制绕组，其结构如图所示。 励磁绕组励磁绕组 控制绕组控制绕组 杯形

2、转子杯形转子 内定子内定子 第4页/共40页 放放 大大 器器 检检 测测 元元 件件 2 U 2 I + U + 控制绕组控制绕组 励磁绕组励磁绕组 U C U 1 I 1 U + + + 励磁绕组串联电容励磁绕组串联电容C , 是为了产生两相旋转磁场。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 相位差接近相位差接近9090 , ,从而产生所需的旋转磁场。从而产生所需的旋转磁场。 1 U C U 1 I 1 U 第5页/共40页 2 U U 放放 大大 器器 检检 测测 元元 件件 2 U 2 I + U + 控制绕组控制绕

3、组 1 I 2 I 第6页/共40页 第7页/共40页 0 2 s 1 21 ss s 0 1 s 2 2 s 2 1 s 1 T 2 T 正正 转转 转转 反反 第8页/共40页 0 2 s 1 21 ss s 0 1 s 2 2 s 2 1 s 1 T 2 T 第9页/共40页 0.8 U2 0.6 U2 o n 第10页/共40页 交流伺服电机的输出功率一般为交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W ，电源频率分电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用等多种。它的应用 很广泛，如用很广泛，如用在各种自动控制、自动记录等系统在各种自动控制、自动记录等系统 中。中。 第11页/共

4、40页 工作原理也与直流电动机工作原理也与直流电动机 相同。相同。 供电方式：供电方式：他励供电。励磁绕组和电枢分别由两他励供电。励磁绕组和电枢分别由两 个独立的电源供电。个独立的电源供电。 U1为励磁电压为励磁电压 ， U2为电枢电压为电枢电压 MU1 I1 I2 U2U + + 直流伺服电动机的接线图直流伺服电动机的接线图 第12页/共40页 直流伺服电机的直流伺服电机的 机械特性与他励直流电机械特性与他励直流电 机相同一样，也可用下机相同一样，也可用下 式表示式表示 T KK R K U n TEE 2 a2 机械特性曲线如图所示。机械特性曲线如图所示。 直流伺服电动机的直流伺服电动机的

5、 n=f(T)曲线曲线(U1=常数常数) U2 0.8U2 0.6U2 0.4U2 n T O 第13页/共40页 直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。通常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应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控 制等。制等。 直流伺服电机输出功率一般为直流伺服电机输出功率一般为1-600W。 第14页/共40页 测速发电机是一种转速测量传感器。在许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转速，向控制电

6、路提供与转速大小成正比的信 号电压。号电压。 测速发电机分为交流和直流两种类型。测速发电机分为交流和直流两种类型。 交流测速发电机又分为同步式和异步式两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种，这里只分析异步式交流测速发电机的工作 原理。原理。 第15页/共40页 1 转子转子 定子定子 励磁绕组励磁绕组 输出绕组输出绕组 异步式交流测速发电机的结构与杯形转子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，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。一个是励磁绕组，一个是输出绕组。 输出输出 绕

7、组绕组 2 U + 励磁励磁 绕组绕组 1 U 1 I 1 + 第16页/共40页 工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电 源源U U1 1，由，由 U U1 1 4.44 4.44 f1 1N N1 1 1 1 可知： 可知： 11 U 当被测转动轴带动发电机转子旋转时，转当被测转动轴带动发电机转子旋转时，转 子切割子切割 1 1产生转子感应电势产生转子感应电势E Er r和转子电流和转子电流I Ir r， 它们的大小与它们的大小与 1 1和转子转速和转子转速 n 成正比：成正比： nEI 1rr 转子电流转子电流 Ir也产生磁通也产生磁通 r ， r 在输

8、出绕组在输出绕组 中感应出电压中感应出电压U2 ， ， U2的大小与 的大小与 r r成正比：成正比： 第17页/共40页 r2 U 综合上述分析可知：综合上述分析可知： nUnU 112 当当 U U1 1恒定不变时，恒定不变时， U U2 2与与n 成正比，这样，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。信号，输出给控制系统。 由于铁心线圈电感的非线性影响，交流测由于铁心线圈电感的非线性影响，交流测 速发电机的输出速发电机的输出电压电压 U U2 2与与n 间存在着一定的非间存在着一定的非 线性误差，使用时要注意

9、加以修正。线性误差，使用时要注意加以修正。 第18页/共40页 直流测速发电机分永磁式和他励式两种。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，。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电机相同，工作时励磁绕组加直流电压U1励磁。励磁。 他他励式直流测速发电机接线图励式直流测速发电机接线图 TG R L I2 U 2 + Ra + E I1 U1 + 第19页/共4

10、0页 当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时，当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时， 电枢产生电动势电枢产生电动势E，其大小为：，其大小为： nKE E 发电机的发电机的输出电压为：输出电压为： 2a2a2 IRnKIREU E 上式中代入：上式中代入： L 2 2 R U I 于是于是n R R K U E L 2 a 1 第20页/共40页 可见，当励磁电压可见，当励磁电压U1保持恒定时（保持恒定时（ 亦亦恒恒 定定），若，若Ra、RL不变，则输出电压不变，则输出电压U2的大小的大小与与 电枢转速电枢转速 n 成正比。成正比。这样，发电机就把被测装这样，发电机就把被测装 置的转速信号转变成了

11、电压信号，输出给控制置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制 系统。系统。 0 n U2 RL2RL1 RL= RL2 RL1 第21页/共40页 值得注意的是，由于直流电机中存在着电值得注意的是，由于直流电机中存在着电 枢反应现象，使得输出电压枢反应现象，使得输出电压U2与转速与转速n 有一定有一定 的线性误差。的线性误差。 RL越小、越小、n 越大，误差越大。因越大，误差越大。因 此，在使用中应使此，在使用中应使RL和和 n的大小符合的大小符合直流测速直流测速 发电机的技术要求。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

12、制系统和计算装置中作为检测元信号，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。调节速度的作用。 第22页/共40页 ( 步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲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冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段 距离。距离。 第23页/共40页 种类种

13、类：励磁式励磁式和和两种。两种。 第24页/共40页 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的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。结构和工作原理。 如下：如下： A B C IA IB IC 定子内圆周定子内圆周 均匀分布着六个均匀分布着六个 磁极，磁极上有磁极，磁极上有 励磁绕组，每两励磁绕组，每两 个相对的绕组组个相对的绕组组 成一相。采用成一相。采用Y 连接，转子有四连接，转子有四 个齿。个齿。 定子定子 转子转子 第25页/共40页 由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此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，会

14、在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转矩， 使转子转动。使转子转动。 现以现以A B C A的通电顺序，使三相绕组的通电顺序，使三相绕组 轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。 B C IA IB IC 第26页/共40页 C A B B C A 3 4 1 2 A相绕组通电，相绕组通电，B、C相相 不通电。气隙产生以不通电。气隙产生以A-AA-A为轴为轴 线的磁场，而磁力线总是力图线的磁场，而磁力线总是力图 从磁阻最小的路径通过，故电从磁阻最小的路径通过，故电 动机转子受到一个反应转矩，动机转子受到一个反应转矩， 在此转矩的作用下，转子必然在此转矩的作用

15、下，转子必然 转到左图所示位置：转到左图所示位置：1、3齿与齿与 A、A极对齐。极对齐。 动画动画 第27页/共40页 C A B B C A 3 4 1 2 同理，同理，B相通电时，转子会转过相通电时，转子会转过30 角，角，2、4 齿和齿和B、B 磁极轴线对齐；当磁极轴线对齐；当C相通电时，转子相通电时，转子 再转过再转过30 角，角，1、3齿和齿和C 、C磁极轴线对齐。磁极轴线对齐。 1 C 3 42 C A B B A 第28页/共40页 这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为这种工作方式下，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一个循环周期，一个循环周期包

16、括三个工作脉冲 ，所以称为三相单三拍工作方式。，所以称为三相单三拍工作方式。 按按AB C A 的顺序给三相绕的顺序给三相绕 组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍 转过转过30( (步距角步距角) )，每个通电循环周期，每个通电循环周期( (3拍拍) )磁磁 场在空间旋转了场在空间旋转了360而转子而转子转过转过90( (一个齿距一个齿距 角角) )。 按按AAB B BC C CA的顺序给三的顺序给三 相绕组轮流通电。相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控这种方式可以获得更精确的控 制特性。制特性。 第29页/共40页 C A B B C

17、A 3 4 1 2 C A B B C A 3 4 1 2 A相通电，相通电，转子转子1 1、 3 3齿与齿与A、A 对齐。对齐。 A、B相同时通电，相同时通电， A、A 磁极拉住磁极拉住1、3齿齿 ，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4 齿，转子转齿，转子转过过15 ，到达到达 左图所示位置。左图所示位置。 动画动画 第30页/共40页 C A B B C A 3 4 1 2 B B 相通电，相通电，转子转子2、 4齿与齿与B、B 对齐对齐, ,又转又转 过过15 。 3 4 1 2 C A B B C A B、C相同时通电，相同时通电， C 、C 磁极拉住磁极拉住1、3 齿，齿，B、B 磁极拉住

18、磁极拉住 2、4齿，转子再转齿，转子再转过过 15 。 第31页/共40页 三相反应式步进电动机的一个通电循环周三相反应式步进电动机的一个通电循环周 期如下：期如下：AAB B BC C CA，每个循每个循 环周期分为六拍。每拍转子转过环周期分为六拍。每拍转子转过15 （步距角），（步距角）， 一一个通电循环周期个通电循环周期( (6拍拍) )转子转过转子转过90 ( (齿距角齿距角) )。 与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更与单三拍相比，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。小，更适用于需要精确定位的控制系统中。 按按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通的顺序给三

19、相绕组轮流通 电。每拍有两相绕组同时通电电。每拍有两相绕组同时通电。 第32页/共40页 AB通电通电 C A B B C A 3 4 1 2 BC通电通电 3 4 1 2 C A B B C A CA通电通电 C A B B C A 3 4 1 2 与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循循 环周期也分为三拍。每拍转子转过环周期也分为三拍。每拍转子转过30 ( (步距角步距角) )， 一一个通电循环周期个通电循环周期( (3拍拍) )转子转过转子转过90 ( (齿距角齿距角) )。 动画动画 第33页/共40页 从以上对步进电机三种驱动方式的分析可从以上

20、对步进电机三种驱动方式的分析可 得步距角计算公式：得步距角计算公式： mZr 360 步距角步距角 Zr 转子齿数转子齿数 m 每个通电循环周期的拍数每个通电循环周期的拍数 实用步进电机的步距角多为实用步进电机的步距角多为3 和和1.5 。为。为 了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿 的，如教材图的，如教材图10.4.4所示。图中转子表面有所示。图中转子表面有4040个个 齿，齿， 第34页/共40页 齿距角是齿距角是9 9 ；定子仍是定子仍是 6 6个磁极，但每个磁极个磁极，但每个磁极 表面加工有五个和转子一样的齿。表面加工有五个和转子一样的齿

21、。 应用：应用： 步进电动机根据数控装置步进电动机根据数控装置 发出的指令带动电位器的发出的指令带动电位器的 动触电转动，使其偏离中动触电转动，使其偏离中 点产生电位差，经放大后点产生电位差，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。机械手按照存储在数控装置中的指令动作。 第35页/共40页 用某种装置代替人，按照人的意愿自动完用某种装置代替人，按照人的意愿自动完 成一系列控制过程，称作自动控制。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从结构上看，自动控制系统分为开环控制 和闭环控制两类。和闭环控制两类。 控制对象控制对象 控制控制 指令指令 输出输出 开环控制系统结构开环控制系统结构 简单，控制对象按照控简单，控制对象按照控 制指令工作，但不能根制指令工作，但不能根 据输出结果自动调节，据输出结果自动调节， 仅用于对控制精度要求仅用于对控制精度要求 不高的场合。不高的场合。 第36页/共40页 控制对象控制对象 反馈环节反馈环节 误差误差输出输出给定给定 反馈反馈 闭环控制系统结构比较复杂。把输出信号的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，与给定信号一部分通过反馈