《常用控制电机》ppt课件

1、第四章第四章 常用控制电机常用控制电机第一节第一节 控制电机概述控制电机概述 控制电机具有体积小，控制电机具有体积小，功率小，通常在几百瓦以下功率小，通常在几百瓦以下等特点；而驱动微电机构造等特点；而驱动微电机构造简单、体积小、功率也小，简单、体积小、功率也小，主要用来驱动各种轻型负载。主要用来驱动各种轻型负载。 驱动微电机与控制电机合驱动微电机与控制电机合称为微控电机。称为微控电机。 在普通旋转电机的根底上产生的各种控制电机与普通电机本质上并没有差别，只是着重点不同：普通旋转电机主要是进展能量变换，要求有较高的力能目的；而控制电机主要是对控制信号进展传送和变换，要求有较高的控制性能，如要求反

2、响快、精度高、运转可靠等等。控制电机因其各种特殊的控制性能而常在自动控制系统中作为执行元件、检测元件和解算元件。 第二节第二节 伺服电动机伺服电动机 伺服电动机又称为执行电动机，伺服电动机又称为执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件。它在自动控制系统中作为执行元件。它将输入的电压信号转变为转轴的角位将输入的电压信号转变为转轴的角位移或角速度输出，改动输入信号的大移或角速度输出，改动输入信号的大小和极性可以改动伺服电动机的转速小和极性可以改动伺服电动机的转速与转向，故输入的电压信号又称为控与转向，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。制信号或控制电压。 一、直流伺服电动机一、直流伺服电动机

3、 当直流伺服电动机励磁绕组和电枢绕组当直流伺服电动机励磁绕组和电枢绕组都经过电流时，直流电动机转动起来，当都经过电流时，直流电动机转动起来，当其中的一个绕组断电时，电动机立刻停转，其中的一个绕组断电时，电动机立刻停转，故输入的控制信号，既可加到励磁绕组上，故输入的控制信号，既可加到励磁绕组上，也可加到电枢绕组上。也可加到电枢绕组上。 假设把控制信号加到电枢绕组上，经过假设把控制信号加到电枢绕组上，经过改动控制信号的大小和极性来控制转子转速改动控制信号的大小和极性来控制转子转速的大小和方向，这种方式叫电枢控制；假设的大小和方向，这种方式叫电枢控制；假设把控制信号加到励磁绕组上进展控制，这种把控制

4、信号加到励磁绕组上进展控制，这种方式叫磁场控制。磁场控制有严重的缺陷方式叫磁场控制。磁场控制有严重的缺陷调理持性在某一范围不是单值函数，每个调理持性在某一范围不是单值函数，每个转速对应两个控制信号，运用的场所很少。转速对应两个控制信号，运用的场所很少。 直流伺服电动机进展电枢控制时，电枢绕组即为控制绕组，控制电压直接加到电枢绕组上进展控制。而励磁方式那么有两种：一种用励磁绕组经过直流电流进展励磁，称为电磁式直流伺服电动机；另一种运用永久磁铁作磁极，省去励磁绕组，称为永磁式直流伺服电动机。 1.1.机械特性：改动控制电压，而机械特性的机械特性：改动控制电压，而机械特性的斜率不变，故其机械特性是一

5、组平行的直线，斜率不变，故其机械特性是一组平行的直线，如下图。如下图。eeNmeaNecTnTCCRCUn022.2.调理特性：当电磁转矩恒定时，电动机转速与控调理特性：当电磁转矩恒定时，电动机转速与控制电压之间的关系，即制电压之间的关系，即 常数，转速常数，转速 与控制与控制电压之间的关系电压之间的关系 。 电枢控制直流伺服电动机转速公式：电枢控制直流伺服电动机转速公式：eTn)(cUfnaeaecICRCUn 从上述分析可知，电枢控制时的直流伺服电动机的机械特性是线性的，而且不存在“自转景象控制信号消逝后，电机仍不停顿转动的景象叫“自转景象，在自动控制系统中是一种很好的执行元件。 二二 、

6、 交流伺服电动机交流伺服电动机1. 任务原理：交流伺服电动机实践上任务原理：交流伺服电动机实践上就是两相异步电动机，所以有时也叫就是两相异步电动机，所以有时也叫两相伺服电动机。如下图，电机定子两相伺服电动机。如下图，电机定子上有两相绕组，一相叫励磁绕组，接上有两相绕组，一相叫励磁绕组，接到交流励磁电源上，另一相为控制绕到交流励磁电源上，另一相为控制绕组，接入控制电压，两绕组在空间上组，接入控制电压，两绕组在空间上互差互差90电角度，励磁电压电角度，励磁电压Uf和控制和控制电压电压Uc频率一样。频率一样。 交流伺服电动机的任务原理与单相异步电动机有类似之处。当交流伺服电动机的励磁绕组接到励磁电流

7、上，假设控制绕组加上的控制电压为0时即无控制电压，所产生的是脉振磁通势，所建立的是脉振磁场，电机无起动转矩；当控制绕组加上的控制电压不为0，且产生的控制电流与励磁电流的相位不同时，建立起椭圆形旋转磁场，于是产生起动力矩，电机转子转动起来。假设电机参数与普通的单相异步电动机一样，那么当控制信号消逝时，电机转速虽会下降些，但仍会继续不停地转动。伺服电动机在控制信号消逝后仍继续旋转的失控景象称为“自转。 “自转的缘由是控制电压消逝后，电机仍有与原转速方向一致的电磁转矩。消除“自转的方法是消除与原转速方向一致的电磁转矩，同时产生一个与原转速方向相反的电磁转矩，使电机在控制电压消逝时停顿转动。可以经过添

8、加转子电阻的方法来消除“自转。 2. 2. 根本构造根本构造 交流伺服电动机的定子与异步电动机类似，交流伺服电动机的定子与异步电动机类似，在定子槽中装有励磁绕组和控制绕组，而转子在定子槽中装有励磁绕组和控制绕组，而转子主要有两种构造方式：主要有两种构造方式：1 1高电阻笼型转子高电阻笼型转子 这种笼型转子和三相异步电动机的笼型转这种笼型转子和三相异步电动机的笼型转子一样，但笼型转子的导条采用高电阻率的导子一样，但笼型转子的导条采用高电阻率的导电资料制造，如青铜、黄铜。另外，为了提高电资料制造，如青铜、黄铜。另外，为了提高交流伺服电动机的快速呼应性能，宜把笼型转交流伺服电动机的快速呼应性能，宜把

9、笼型转子做成又细又长，以减小转子的转动惯量。子做成又细又长，以减小转子的转动惯量。 2 2非磁性空心杯转子非磁性空心杯转子 如下图，非磁性空心杯转子交流伺服如下图，非磁性空心杯转子交流伺服电动机有两个定子：外定子和内定子，外电动机有两个定子：外定子和内定子，外定子铁芯槽内安放有励磁绕组和控制绕组，定子铁芯槽内安放有励磁绕组和控制绕组，而内定子普通不放绕组，仅作磁路的一部而内定子普通不放绕组，仅作磁路的一部分；空心杯转子位于内外绕组之间，通常分；空心杯转子位于内外绕组之间，通常用非磁性材如铜、铝或铝合金制成，用非磁性材如铜、铝或铝合金制成，在电机旋转磁场作用下，杯形转子内感应在电机旋转磁场作用下

10、，杯形转子内感应产生涡流，涡流再与主磁场作用产生电磁产生涡流，涡流再与主磁场作用产生电磁转矩，使杯形转子转动起来。转矩，使杯形转子转动起来。 3 3控制方法控制方法交流伺服电动机的控制方法：交流伺服电动机的控制方法：幅值控制：即坚持控制电压幅值控制：即坚持控制电压UcUc的相位不变，使的相位不变，使UcUc和和UfUf的相位差一直坚持的相位差一直坚持9090电角度，仅仅改动其电角度，仅仅改动其幅值来控制电动机的转速。幅值来控制电动机的转速。相位控制：即坚持控制电压相位控制：即坚持控制电压UcUc的幅值不变，仅仅的幅值不变，仅仅改动其相位来控制电动机的转速。改动其相位来控制电动机的转速。幅幅相控

11、制：即同时改动控制电压相控制：即同时改动控制电压UcUc的幅值和相的幅值和相位来进展控制。位来进展控制。第三节第三节 测速发电机测速发电机 测速发电机是一种丈量转速的微型发测速发电机是一种丈量转速的微型发电机，它把输入的机械转速变换为电压信电机，它把输入的机械转速变换为电压信号输出，并要求输出的电压信号与转速成号输出，并要求输出的电压信号与转速成正比。测速发电机分直流测速发电机和交正比。测速发电机分直流测速发电机和交流测速发电机两大类。流测速发电机两大类。一、直流测速发电机一、直流测速发电机1. 任务原理：直流测速发电机实践就是一任务原理：直流测速发电机实践就是一种微型直流发电机，按定子磁极的

12、励磁方种微型直流发电机，按定子磁极的励磁方式分为他励式和永磁式。式分为他励式和永磁式。 直流测速发电机的任务原理与普通直流发电机一样，直流测速发电机的任务原理与普通直流发电机一样，如以下图所示。在恒定的磁场中，外部的机械转轴带动电如以下图所示。在恒定的磁场中，外部的机械转轴带动电枢旋转，电枢绕组切割磁场从而在电刷间产生感应电动势。枢旋转，电枢绕组切割磁场从而在电刷间产生感应电动势。 产生的感应电动势：产生的感应电动势： ：电动势系数：电动势系数 当直流测速发电机在空载时，其电枢电当直流测速发电机在空载时，其电枢电流流 ，输出电压和电枢感应电动势相等，输出电压和电枢感应电动势相等，即即 。因此，

13、空载时的输出电压与转速成。因此，空载时的输出电压与转速成正比。正比。 nKnCEeeaeeCK 0aIaaEU 当直流测速发电机带负载时，其电枢电流当直流测速发电机带负载时，其电枢电流 ， 中流过电枢电流，并在电枢回路产生电中流过电枢电流，并在电枢回路产生电阻压降，使输出电压减小。阻压降，使输出电压减小。0aILRLaaRUI aaaaRIEUnRRCRREULaeLaaa11 2. 2.输出特性输出特性 输出特性指电枢电压与转子转速的函输出特性指电枢电压与转子转速的函数关系，即数关系，即 。 由上式可知，理想情况由上式可知，理想情况下，下， ， ， 均为常数，输出电压与转均为常数，输出电压与

14、转速成正比。速成正比。)(nfUanRRCRREULaeLaaa11aRLR3.3.误差分析误差分析 直流测速发电机的输出电压与转速要严厉直流测速发电机的输出电压与转速要严厉坚持正比关系在实践中是难以做到的，其实践坚持正比关系在实践中是难以做到的，其实践的输出特性为图中实线，呵斥这种非线性误差的输出特性为图中实线，呵斥这种非线性误差的缘由主要有以下三个方面：的缘由主要有以下三个方面：1 1电枢反响电枢反响 直流测速发电机负载时电枢电流会产生电直流测速发电机负载时电枢电流会产生电枢反响，电枢反响的去磁作用使气隙磁通枢反响，电枢反响的去磁作用使气隙磁通00减小，使输出电压减小。从输出特性看，斜率减

15、小，使输出电压减小。从输出特性看，斜率将减小，而且电枢电流越大，电枢反响的去磁将减小，而且电枢电流越大，电枢反响的去磁作用越显著，输出特性斜率减小越明显，输出作用越显著，输出特性斜率减小越明显，输出特性直线变为曲线。特性直线变为曲线。 2 2温度的影响温度的影响 假设直流测速发电机长期运用，其励磁假设直流测速发电机长期运用，其励磁绕组会发热，其绕组阻值随温度的升高而增绕组会发热，其绕组阻值随温度的升高而增大，励磁电流因此而减小，从而引起气隙磁大，励磁电流因此而减小，从而引起气隙磁通减小，输出电压减小，特性斜率减小。温通减小，输出电压减小，特性斜率减小。温度升得越高，斜率减小越明显，使特性向下度

16、升得越高，斜率减小越明显，使特性向下弯曲。弯曲。 可在励磁回路中串接一个阻值较大而温可在励磁回路中串接一个阻值较大而温度系数较小的锰铜或康铜电阻，以减小由于度系数较小的锰铜或康铜电阻，以减小由于温度的变化而引起的电阻变化，从而减小因温度的变化而引起的电阻变化，从而减小因温度而产生的线性误差。温度而产生的线性误差。 3 3接触电阻接触电阻 假设电枢电路总电阻包括电刷与换向器的假设电枢电路总电阻包括电刷与换向器的接触电阻，那么输出电压受接触电阻压降影响接触电阻，那么输出电压受接触电阻压降影响总是随负载电流变化而变化，当输入的转速较总是随负载电流变化而变化，当输入的转速较低时，接触电阻较大，使此时本

17、来就不大的输低时，接触电阻较大，使此时本来就不大的输出电压变得更小，呵斥的线性误差很大；当电出电压变得更小，呵斥的线性误差很大；当电流较大的，接触电阻较小而且根本上趋于稳定流较大的，接触电阻较小而且根本上趋于稳定的数值，线性误差相对而言小得多。的数值，线性误差相对而言小得多。 另外，直流测速发电机输出的是一个脉动另外，直流测速发电机输出的是一个脉动电压，其交变分量对速度反响控制系统、高精电压，其交变分量对速度反响控制系统、高精度的解算安装有较明显的影响。度的解算安装有较明显的影响。 二、交流测速发电机二、交流测速发电机 交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发交流测速发电机分为同步测速发电

18、机和异步测速发电机。在实践运用中异步测速发电机运用较广泛。电机。在实践运用中异步测速发电机运用较广泛。1. 交流异步测速发电机任务原理交流异步测速发电机任务原理 交流异步测速发电机与交流伺服电动机的构造类似，交流异步测速发电机与交流伺服电动机的构造类似，其转子构造有笼型的，也有杯型的。因笼型转子惯性较其转子构造有笼型的，也有杯型的。因笼型转子惯性较大，特性较差，所以，在自动控制系统中多用空心杯转大，特性较差，所以，在自动控制系统中多用空心杯转子异步测速发电机。子异步测速发电机。 空心杯转子异步测速发电机定子上有两个在空间上空心杯转子异步测速发电机定子上有两个在空间上互差互差90电角度的绕组，一

19、为励磁绕组，另一为输出绕电角度的绕组，一为励磁绕组，另一为输出绕组，如以下图所示。组，如以下图所示。 在转子不动时，脉振磁通在空心杯转子中感应出在转子不动时，脉振磁通在空心杯转子中感应出变压器电势空心杯转子可以看成有无数根导条的笼变压器电势空心杯转子可以看成有无数根导条的笼式转子，相当于变压器短路时的二次绕组，而励磁绕式转子，相当于变压器短路时的二次绕组，而励磁绕组相当于变压器的一次绕组，产生的磁场与励磁电组相当于变压器的一次绕组，产生的磁场与励磁电源同频率的脉振磁场，在转子转动时，转子切割直轴源同频率的脉振磁场，在转子转动时，转子切割直轴磁通，在杯型转子中感应产生旋转电势，其大小正比磁通，在

20、杯型转子中感应产生旋转电势，其大小正比于转子转速，并以励磁磁场的脉振频率交变，又因空于转子转速，并以励磁磁场的脉振频率交变，又因空心杯转子相当于短路绕组，故旋转电势在杯型转子中心杯转子相当于短路绕组，故旋转电势在杯型转子中产生交流短路电流，假设忽视杯型转子的漏抗的影响，产生交流短路电流，假设忽视杯型转子的漏抗的影响，那么此短路电流所产生的脉振磁通在空间位置上与输那么此短路电流所产生的脉振磁通在空间位置上与输出绕组的轴线一致，因此转子脉振磁场与输出绕组相出绕组的轴线一致，因此转子脉振磁场与输出绕组相交链而产生感应电势。输出绕组感应产生的电势实践交链而产生感应电势。输出绕组感应产生的电势实践就是交

21、流异步测速发电机输出的空载电压，其大小正就是交流异步测速发电机输出的空载电压，其大小正比于转速，其频率为励磁电源的频率。比于转速，其频率为励磁电源的频率。 三、三、 测速发电机的运用测速发电机的运用 测速发电机的作用是将机械速度转换为测速发电机的作用是将机械速度转换为电气信号，常用作测速无件、校正元件、解电气信号，常用作测速无件、校正元件、解算元件，与伺服电机配合，广泛运用于许多算元件，与伺服电机配合，广泛运用于许多速度控制或位置控制系统中，如在稳速控制速度控制或位置控制系统中，如在稳速控制系统中，测速发电机将速度转换为电压信号系统中，测速发电机将速度转换为电压信号作为速度反响信号，可到达较高

22、的稳定性和作为速度反响信号，可到达较高的稳定性和较高的精度，在计算解答安装中，常作为微较高的精度，在计算解答安装中，常作为微分、积分元件。分、积分元件。第四节第四节 步进电动机步进电动机 步进电动机是一种把输入脉冲信号转换步进电动机是一种把输入脉冲信号转换成输出轴角位移或线位移的电动机。用公用成输出轴角位移或线位移的电动机。用公用的驱动电源向步进电动机供应一系列的且有的驱动电源向步进电动机供应一系列的且有一定规律的电脉冲信号，每输入一个电脉冲，一定规律的电脉冲信号，每输入一个电脉冲，步进电机就前进一步，其角位移与脉冲数成步进电机就前进一步，其角位移与脉冲数成正比，电机转速与脉冲频率成正比，而且

23、转正比，电机转速与脉冲频率成正比，而且转速和转向与各相绕组的通电方式有关。速和转向与各相绕组的通电方式有关。 根据励磁方式的不同，步进电动机分为根据励磁方式的不同，步进电动机分为反响式、永磁式和感应式又叫混合式，反响式、永磁式和感应式又叫混合式，因反响式步进电动机具有步距小，呼应速度因反响式步进电动机具有步距小，呼应速度快，构造简单等优点，运用较多，下面以此快，构造简单等优点，运用较多，下面以此为例来论述步进电动机的原理。为例来论述步进电动机的原理。 1、任务原理、任务原理 以下图为一台三相六拍反响式步进电动机，定子上有以下图为一台三相六拍反响式步进电动机，定子上有三对磁极，每对磁极上绕有一相

24、控制绕组，转子有四个分三对磁极，每对磁极上绕有一相控制绕组，转子有四个分布均匀的齿，齿上没有绕组。布均匀的齿，齿上没有绕组。 当当 A相控制绕组通电，而相控制绕组通电，而B相和相和 C相不通电时，相不通电时，步进电动机的气隙磁场与步进电动机的气隙磁场与 A相绕组轴线重合，而磁相绕组轴线重合，而磁力线总是力图从磁阻最小的途径经过，故电机转子力线总是力图从磁阻最小的途径经过，故电机转子遭到一个反响转矩，在步进电机中称之为静转矩。遭到一个反响转矩，在步进电机中称之为静转矩。在此转矩的作用下，使转子的齿在此转矩的作用下，使转子的齿1和齿和齿3旋转到与旋转到与 A相绕组轴线一样的位置上，如下图，此时整个

25、磁路相绕组轴线一样的位置上，如下图，此时整个磁路的磁阻最小，此时转子只遭到径向力的作用而反响的磁阻最小，此时转子只遭到径向力的作用而反响转矩为零。假设转矩为零。假设B相通电，相通电，A相和相和 C相断电，那转子相断电，那转子受反响转矩而转动，使转子齿受反响转矩而转动，使转子齿2齿齿4与定子极与定子极 B、 B对齐，此时，转子在空间上逆时针转过的空间角对齐，此时，转子在空间上逆时针转过的空间角q为为30，即前进了一步，转过这个角叫做步距角，即前进了一步，转过这个角叫做步距角.如如此按顺序不断地接通和断开控制绕组，电机便按一此按顺序不断地接通和断开控制绕组，电机便按一定的方向一步一步地转动，假设按

26、反向序顺序通电，定的方向一步一步地转动，假设按反向序顺序通电，那么电机反向一步一步转动。那么电机反向一步一步转动。 步进电机的三相单、双六拍运转方式步进电机的三相单、双六拍运转方式 2、步进电机的静态目的术语、步进电机的静态目的术语: 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电形状用形状用N表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运转方式即以四相电机为例，有四相四拍运转方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运转方式即，四相八拍运转方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-

27、A. 步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用移用s表示。表示。 s =360度度/转子齿数转子齿数z*运转拍数，以运转拍数，以常规四相，转子齿为常规四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运转时步距角齿电机为例。四拍运转时步距角为为s =360度度/50*4=1.8度俗称整步，八拍运转度俗称整步，八拍运转时步距角为时步距角为s =360度度/50*8=0.9度俗称半步。度俗称半步。 静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积几动时，电机转轴的锁定力矩。

28、此力矩是衡量电机体积几何尺寸的规范，与驱动电压及驱动电源等无关。何尺寸的规范，与驱动电压及驱动电源等无关。 步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实践值与步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实践值与实际值的误差。用百分比表示：误差实际值的误差。用百分比表示：误差/步距角步距角*100%。不同。不同运转拍数其值不同，四拍运转时应在运转拍数其值不同，四拍运转时应在5%之内，八拍运转时之内，八拍运转时应在应在15%以内。以内。 失步：电机运转时运转的步数，不等于实际上的步数。失步：电机运转时运转的步数，不等于实际上的步数。称之为失步。称之为失步。 失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能处理的。不能处理的。 最大空载起动频率：电机在