电工学(七版秦曾煌)控制电机

1、第9章 控制(kngzh)电机 9.1 伺服电动机9.2 测速发电机9.3 自整角机（略）9.4 步进电动机9.5 自动控制(z dn kn zh)的基本概念共四十二页第9章 控制(kngzh)电机 教学要求：1. 了解交流伺服电动机的结构(jigu)和工作原理;2. 了解直流伺服电动机的结构和工作原理;3. 了解交流测速发电机的结构和工作原理;4. 了解步进电动机的结构和工作原理。共四十二页 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(zhyo)任务是能量的转换。各种控制电机有各自的控制任务(rn wu)：如: 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

2、将转速转换为电压，并传递到 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。 本章介绍的各种控制电机的主要任务是转换和传递控制信号，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:伺服电机、测速电机、自整角机、步进电机。 对控制电机的主要要求：动作灵敏、准确、 重量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。共四十二页伺服电动机可分为(fn wi)两类： 伺服电动机又称执行电动机。其功能是将输入的电压控制信号转换为轴上输出(shch)的角位移和角速度，驱动控制对象。 交流伺服电动机 直流伺服电动机9.1 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

3、中常用的执行元件。共四十二页9.1.1 交流(jioli)伺服电动机 交流伺服电动机就是(jish)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共四十二页 励磁绕组串联电容C , 是为了(wi le)产生两相旋转磁场。 适当(shdng)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。励磁绕组+1控制信号+控制绕组检测元件放大器iti1 i20共四十二页 工作时两个绕组中产生的电流 和 的相位差近于90，因此便产生两相旋转磁场。在旋转磁场的作用(zuyng)下，转

4、子便转动起来。 控制电压 与电源(dinyun)电压 频率相同，相位相同或反相。 加在控制绕组上的控制电压反相时(保持励磁电压不变)，由于旋转磁场的旋转方向发生变化，使电动机转子反转。 交流伺服电动机的特点：在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。控制信号+控制绕组检测元件放大器共四十二页不同(b tn)控制电压下的机械特性曲线n=f(T), U1=常数 交流伺服电动机的机械(jxi)特性如图所示。 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，电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。TU20.8 U20.6 U20.4 U2On 交流伺服电机的输出功

5、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:共四十二页9.1.2 直流伺服电动机 直流伺服电动机的工作原理(yunl)也与直流电动机相同。供电方式(fngsh)：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MU1I1I2U2放大器U+直流伺服电动机的接线图直流伺服电动机的结构与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。共四十二页(1) 一定(ydng)负载转矩下，当磁通不变时， U2 n。(2) U2= 0时，电机立即停转。电动机反转(fn zhun)：改变电枢

6、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)U20.8U20.6U20.4U2nTO由机械特性可知： 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：共四十二页9.2 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(tgng)与转速大小成正比的信号电压。测速发电机分为(fn wi)交流和直流两种类型。9.2.1 交流测速发电机 交流测速

7、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。共四十二页1转子(zhun z)定子(dngz)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+9.2.1 交流测速发电机共四十二页 工作时，测速发电机的励磁(l c)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(gnyng)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 ，

8、U2的大小与r成正比：共四十二页 综合(zngh)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(xnho)转变成了电压信号(xnho)，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。共四十二页9.2.1 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(jigu)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

9、I2U2+Ra+EI1U1+共四十二页 当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转(xunzhun)时，电枢产生电动势E，其大小为：发电机的输出(shch)电压为：上式中代入：于是共四十二页 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(xnho)转变成了电压信号(xnho)，输出给控制系统。0nU2RL2RL1RL=RL2RL1 值得注意的是，由于(yuy)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

10、速发电机的技术要求。共四十二页9.4 步进电动机特点(tdin): (1) 来一个脉冲，转一个步距角。 (2) 控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3) 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(zhunhun)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。 区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。种类：励磁式和反应式两种。共四十二页 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构(jigu)和工作原理。三相反应式步进电动机的原理(yunl)结构图如下： 定子内圆周均匀分布着六个磁极，

11、磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相。转子有四个齿。定子ABCIAIBIC转子共四十二页1.三相(sn xin)单三拍CABBCA3412 A相绕组通电，B、C相不通电。由于在磁场作用下，转子总是(zn sh)力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种情况下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与A、A极对齐。共四十二页CABBCA3412 同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4齿和B、B 磁极轴线(zhu xin)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。1C342CABBA共四十二页 这种工作方式下，三个绕组依次(yc)通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个

12、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(roz)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)转过90(一个齿距角)。2. 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。共四十二页CABBCA3412CABBCA3412 A相通电，转子(zhun z)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(zhun z)转过15，到达左图所示位置。共四十二页CABBCA3412 B 相通电，转子(zhun z)2、4齿与B、B

13、 对齐,又转过15。3412CABBCA B、C相同时通电(tng din)，C 、C 磁极拉住1、3齿，B、B 磁极拉住2、4齿，转子再转过15。共四十二页 三相反应式步进电动机的一个通电循环(xnhun)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(shyng)于需要精确定位的控制系统中。3. 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。共四十二页AB通电CABBCA3412BC通电3412CABBCACA通电CA

14、BBCA3412 与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循环(xnhun)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)。共四十二页 从以上(yshng)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(dinj)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，共四十二页齿距角是9；定子(dngz)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，如各种数控机床(sh kn j

15、chun)、自动绘图仪、机器人等。应用：共四十二页9.5 自动控制(z dn kn zh)的基本概念 用某种装置(zhungzh)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。 从结构上看，自动控制系统分为开环控制和闭环控制两类。 控制对象控制指令输出 开环控制系统结构简单，控制对象按照控制指令工作，但不能根据输出结果自动调节，仅用于对控制精度要求不高的场合。共四十二页控制对象反馈环节误差输出给定反馈 闭环控制(kngzh)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，与给定信号比较，得到误差信号，再送入控制(kngzh)对象去调节输出结果。如此反复循环，直至误差为

16、零。这种控制(kngzh)是通过反馈来实现的，所以也叫做反馈控制(kngzh)系统。共四十二页 给定元件 放大元件 执行元件 控制对象检测元件被调量控制指令+UgUdUf 闭环控制系统（反馈(fnku)控制系统）的各个基本环节如下图所示：系统(xtng)中各部分的作用如下：给定元件把控制指令变成给定值。它与被调量存在着一定的函数关系。改变给定值，即可改变被调量。共四十二页检测(jin c)元件把被调量检测出来，按一定的函数关系反馈到输入端。比较元件(yunjin)把反馈信号Uf与给定信号Ug比较以获取误差信号Ud。放大元件当误差信号太微弱时，需要用放大元件把误差信号放大到足以推动执行元件的程度

17、。执行元件直接推动控制对象改变被调量。控制对象由执行元件推动的各种装置，如各种机械负载、发电机、加热炉、闸门等，相应的被调量就是转速、电压、温度、位移等。共四十二页步进电机(dinj)下一页返 回共四十二页步进电机(dinj)上一页下一页返 回第六章 异步电动机共四十二页步进电机(dinj)第六章 异步电动机上一页下一页返 回共四十二页步进电机(dinj)上一页下一页返 回共四十二页 步进电机(dinj)上一页返 回共四十二页 交流(jioli)伺服电机下一页返 回共四十二页 交流(jioli)伺服电机上一页下一页返 回共四十二页 交流(jioli)伺服电机上一页下一页返 回共四十二页 交流(jioli)伺服电机上一页下一页返 回共四十二页内容摘要第9章 控制电机。各种控制电机有各自的控制任务：。伺服电动机又称执行电动机。交流伺服电动机