机电传动控制课件第五章(1)

1、第五章 控制电动机5.1 步进电动步进电动机机 5.4 测速发电机测速发电机(自学自学) 5.2 伺服电动机伺服电动机 5.5 力矩电动机力矩电动机(自学自学) 5.3 直线电动机直线电动机控制电机的用途和种类控制电机的用途和种类 控制电机是在自动控制系统和计算装置中作控制电机是在自动控制系统和计算装置中作检测、放大、执行和校正等元件使用的电机。检测、放大、执行和校正等元件使用的电机。 控制电机是构成开环控制、闭环控制、同步控制电机是构成开环控制、闭环控制、同步联结和机电模拟解算装置等系统的基础元件。联结和机电模拟解算装置等系统的基础元件。 伺服系统的示意图伺服系统的示意图检测元件执行元件校正

2、元件放大元件控制对象检测元件自整角机、旋转变压器和感应同步器等。放大元件电机放大机等。执行元件伺服电动机、力矩电动机和步进电动机等。校正元件测速发电机等。5.1 步进电动机 功能功能 将电脉冲信号转换成转角或转速信号。将电脉冲信号转换成转角或转速信号。 转角转角 脉冲信号的个数；脉冲信号的个数； 转速转速 n 脉冲信号的频率。脉冲信号的频率。 用途用途 高精度的角度控制。高精度的角度控制。 分类分类 按定子相数不同：三相、四相、五相、六相等；按定子相数不同：三相、四相、五相、六相等； 按转子材料不同：永磁式、磁阻式（反应式）。按转子材料不同：永磁式、磁阻式（反应式）。1. 基本结构基本结构2.

3、 工作原理工作原理与电源、负载、与电源、负载、环境等因素无关环境等因素无关14 231. 定子定子 2. 转子转子一、基本结构一、基本结构 U1U2V1V2W2W1三相磁阻式步进三相磁阻式步进电动机原理图电动机原理图步进电动机步进电动机步进电动机步进电动机二、步进电动机的工作原理二、步进电动机的工作原理 错齿错齿是促使步进电机旋转的根本原因。是促使步进电机旋转的根本原因。工作原理工作原理结论：结论： 通电顺序为通电顺序为A AB-B-时时，转子按顺时针方向一步一步转，转子按顺时针方向一步一步转动。动。工作原理工作原理结论：结论： 通电顺序改为通电顺序改为A A，时，转子按逆时针方向一步，时，转

4、子按逆时针方向一步一步转动。一步转动。 改变通电顺序即改变转子旋转方向。改变通电顺序即改变转子旋转方向。 14 2314 2314 2314 23U1U2V1V2W2W11. m 相单相单 m 拍运行（三相单三拍运行）拍运行（三相单三拍运行） 通电顺序：通电顺序： U 相相V 相相W 相相U 相。相。 U 相通电相通电 14 23U1U2V1V2W2W114 23 V 相通电相通电 U1U2V1V2W2W1 W 相通电相通电 14 2314 23一步一步两步两步三步三步 步距角：步距角： = 302. m 相双相双 m 拍运行（三相双三拍运行）拍运行（三相双三拍运行） 通电顺序：通电顺序： U

5、V 相相VW 相相WU 相。相。 14 23U1U2V1V2W2W1 UV 相通电相通电 14 2314 23U1U2V1V2W2W1 VW 相通电相通电 14 2314 23U1U2V1V2W2W1 WU 相通电相通电 14 23 步距角：步距角： = 3014 2314 233. m 相单双相单双 2m 拍运行拍运行 (三相单双六拍运行）三相单双六拍运行）通电顺序：通电顺序：UUV VVW W WU U。14 23U1U2V1V2W2W1114 23U1U2V1V2W2W1214 23U1U2V1V2W2W1314 23U1U2V1V2W2W1414 23U1U2V1V2W2W1514 2

6、3U1U2V1V2W2W1614 23步距角：步距角： = 15 步距角步距角 =360z Nz ：转子齿数：转子齿数N ：拍数：拍数 转速转速 一个一个 转转 (1 / zN ) 圈，圈， 脉冲频率为脉冲频率为 f 每秒转每秒转 ( f / zN ) 圈。圈。n =60 fz N例如：例如：三相步进电动机三相步进电动机 z = 40，则，则采用单采用单/双三拍双三拍时：时：采用三相六拍采用三相六拍时：时：=360z N 360403= = 3=360z N 360406= = 1.5 步进电动机的参数步进电动机的参数 脉冲脉冲放大器放大器步进步进电动机电动机脉冲脉冲分配器分配器脉冲输入脉冲输

7、入负载负载驱动电源驱动电源 最大静转矩、起动频率、运行频率。最大静转矩、起动频率、运行频率。 步进电动机的控制方式步进电动机的控制方式 三、步距角的细分三、步距角的细分 单相或双相通电时，称为整步运行；整步又称自然步。单相或双相通电时，称为整步运行；整步又称自然步。 单、双相通电时，称为半步运行。单、双相通电时，称为半步运行。 整步或半步运行时，因单步增量都比较大，而运行振动直接与整步或半步运行时，因单步增量都比较大，而运行振动直接与步增量有关。步增量有关。 细分的目的就是将自然步进行细分，得到微步距，以得到较好细分的目的就是将自然步进行细分，得到微步距，以得到较好的运行性能。的运行性能。不细

8、分时 A相绕组通电：转子停在A-A位置 A、B相绕组通电：转子停在位置，转角300 B相绕组通电：转子停在B-B位置 ，转角300细分时： A相绕组额定电流：转子停在A-A位置 A相绕组额定电流、B相绕组1/2额定电流：转子停在位置，转角150 A相绕组额定电流、B相绕组额定电流时：转子停在位置 ，转角150 A相绕组1/2额定电流、B相绕组额定电流：转子停在位置 ，转角150 B相绕组额定电流：转子停在位置B-B，转角150这就是4细分，即一步分成4步。目前常用细分系数有2、4、8、16、32、645.2 伺服电动机 伺服电动机伺服电动机 执行电动机。执行电动机。n 功能功能 将电压信号转换

9、成转角或转速信号。将电压信号转换成转角或转速信号。n 种类种类 直流伺服电动机、交流伺服电动机。直流伺服电动机、交流伺服电动机。1. 直流伺服电动机直流伺服电动机2. 交流伺服电动机交流伺服电动机一、直流伺服电动机一、直流伺服电动机 1. 基本结构基本结构 与普通小型直流电动机相同。与普通小型直流电动机相同。 励磁方式励磁方式 电磁式：电磁式： 永磁式：永磁式： +Ua 电磁式电磁式If+Uf 他励式、并励式、串励式。他励式、并励式、串励式。稀土永磁材料稀土永磁材料 +Ua 永磁式永磁式（如稀土钴、稀土钕铁硼）。（如稀土钴、稀土钕铁硼）。 SMIaE E SMIa2. 工作原理工作原理 施加施

10、加 UaIa主磁通：主磁通： TnE电磁转矩：电磁转矩： T = CT Ia 电动势：电动势： E = CE n电枢电路电压方程：电枢电路电压方程： Ua = E + Ra Ian =UaCERaCECT2T3. 控制方式及其特性控制方式及其特性 (1) 电枢控制式电枢控制式 Uf = UfN ， Ua = Uc（控制电压）（控制电压） n =UcCENRaCECTN2TOTn Uc3 Uc2Uc1Uc3Uc2Uc1 机械特性机械特性T1 T2 T3 T3T2T1 控制特性控制特性OUcn (2) 磁场控制式磁场控制式 Ua = UaN ， Uf = Uc（控制电压）（控制电压）忽略磁路饱和、

11、不计电枢反应，则忽略磁路饱和、不计电枢反应，则 = C Uf = C Ucn =UaNCECUc Ra CECT C2Uc2 T Uc3Uc2 Uc1Uc3Uc2Uc1 机械特性机械特性 控制特性控制特性 非线性。非线性。 直流伺服电动机的功率直流伺服电动机的功率 1 600 W。OTn二、二、 交流伺服电动机交流伺服电动机 交流伺服电动机减去了直流伺服电动机中的换向器，交流伺服电动机减去了直流伺服电动机中的换向器，提高了运行的可靠性。提高了运行的可靠性。 ( (一一) )、结构、结构 1. 1.定子定子 三相绕组和铁芯组三相绕组和铁芯组成。三相绕组直流供电，成。三相绕组直流供电，由电子换向器

12、轮流供电，由电子换向器轮流供电，以产生旋转磁场。以产生旋转磁场。 2. 2.转子转子 永磁铁芯。永磁铁芯。 ( (二二) )、无刷直流电动机、无刷直流电动机 1. 1.结构结构 相当于一台反相当于一台反装式直流电动机。装式直流电动机。定子为三相绕组和定子为三相绕组和铁芯组成。三相绕铁芯组成。三相绕组直流供电，由电组直流供电，由电子换向器轮流供电，子换向器轮流供电，以产生旋转磁场。以产生旋转磁场。 转子为永磁体，转子轴上装有转子位置检测器、测速发转子为永磁体，转子轴上装有转子位置检测器、测速发电机和光电脉冲编码器。电机和光电脉冲编码器。 转子位置检测器：转子位置检测器：输出信号控制电子换向器，实

13、现对电输出信号控制电子换向器，实现对电动机的换向，即电子换向器中的晶体管的导通和截止由转子动机的换向，即电子换向器中的晶体管的导通和截止由转子位置检测器的输出信号控制。位置检测器的输出信号控制。 转子位置检测器的种类：光电式、电磁式、接近开关式。转子位置检测器的种类：光电式、电磁式、接近开关式。 测速发电机：测速发电机：检测转子的运行速度，用于速度反馈。检测转子的运行速度，用于速度反馈。 光电编码器：光电编码器：检测转子的旋转角度，输出信号反馈给检测转子的旋转角度，输出信号反馈给CNCCNC实现位置控制。实现位置控制。 2. 2.工作原理工作原理 三相绕组直流供电，由电子换向器轮流供电，以产生

14、旋转三相绕组直流供电，由电子换向器轮流供电，以产生旋转磁场。磁场。5.3 5.3 直线电动机直线电动机 直线电动机是一种直接将电能转换为直线运动的伺服驱动元件。直线电动机是一种直接将电能转换为直线运动的伺服驱动元件。 直线电动机由旋转电动机演变而来。直线电动机由旋转电动机演变而来。 旋转电动机：旋转电动机：11定子定子 22转子转子 直线电动机：直线电动机：3 3 初级初级 44次级次级一、结构一、结构 直线电动机初级、次级应为长短不同。直线电动机初级、次级应为长短不同。 短初级短初级 11初级初级 22次级次级长初级长初级 33初级初级 44次级次级 二、工作原理二、工作原理 电源频率电源频

15、率极距极距运动速度运动速度同步线速同步线速 fvfv 2 s )1(2 )1( sfvSvs 运运动动速速度度三、三、 特点特点 1.1.使用直线电动机驱动直线运动机构不需要中间传动机构使用直线电动机驱动直线运动机构不需要中间传动机构 2.2.响应快速响应快速 3.3.散热性好散热性好 4.4.装配灵活性大装配灵活性大5.4 测速发电机（TG）n 功能功能 将转速信号转换成与之成正比的电压信号。将转速信号转换成与之成正比的电压信号。n 用途用途 校正元件、计算元件。校正元件、计算元件。n 种类种类1. 直流测速发电机直流测速发电机2. 交流测速发电机交流测速发电机一、直流测速发电机一、直流测速

16、发电机1. 基本结构基本结构 与普通小型直流发电机相同。与普通小型直流发电机相同。 励磁方式：电磁式（他励）和永磁式。励磁方式：电磁式（他励）和永磁式。Uf If电磁式电磁式永磁式永磁式2. 工作原理工作原理 空载时：空载时： U = E = CE n负载时：负载时：U = E Ra ITGRLI UE TGRLE I U U = CE nRaURLU = n CE 1 +RaRLU n二、交流测速发电机二、交流测速发电机 1. 基本结构基本结构 定子：定子： 转子：转子：2. 工作原理工作原理 定子铁心上有两相对称绕组。定子铁心上有两相对称绕组。 笼型、杯型。笼型、杯型。输出绕组输出绕组 励

17、磁绕组励磁绕组 Uf Ifd 正弦交流正弦交流 uf if d d =dm sint(1) 转子静止时转子静止时励磁绕组励磁绕组一次绕组一次绕组转子绕组转子绕组二次绕组二次绕组EdEfEd Id Ef IfIdFf Fdd Uf Ifd Ed忽略励磁绕组的漏阻抗，则忽略励磁绕组的漏阻抗，则 Uf =Ef = j 4.44 f kwf Nfdm 输出绕组：输出绕组： 与与d 无交链，不会产生无交链，不会产生 E0。 即：即：n = 0 时，时，U0 = 0 。 U0 Ed =j 4.44 f kwr Nrdm Ef Uf Ifd Ed(2) 转子旋转时转子旋转时 d 交变感应交变感应旋转切割旋转切割 Ed Id Eq Iq Eq q q eq = C1d n = C1