直流伺服电机工作原理演示文稿

直流伺服电机工作原理演示文稿现在是1页\一共有39页\编辑于星期一第9章控制电机教学要求：1.了解交流伺服电动机的结构和工作原理。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。现在是2页\一共有39页\编辑于星期一

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，其主要任务是能量的转换。各种控制电机有各自的控制任务：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、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。现在是3页\一共有39页\编辑于星期一伺服电动机可分为两类：

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中常用的执行元件。现在是4页\一共有39页\编辑于星期一

交流伺服电动机

交流伺服电动机就是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现在是5页\一共有39页\编辑于星期一放大器检测元件控制信号+–+–控制绕组励磁绕组+++–––1

励磁绕组串联电容C,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相位差接近90,从而产生所需的旋转磁场。交流伺服电动机的接线图和相量图(a）接线图1(b)相量图现在是6页\一共有39页\编辑于星期一

控制电压与电源电压频率相同，相位相同或反相。放大器检测元件控制信号+–+–控制绕组

交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机有相似之处。

励磁绕组固定接在电源上，当控制电压为零时，电机无起动转矩，转子不转。

若有控制电压加在控制绕组上，且励磁电流和控制绕组电流不同相时，因此便产生两相旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。现在是7页\一共有39页\编辑于星期一

交流伺服电动机的特点：不仅要求它在静止状态下，能服从控制信号的命令而转动，而且要求在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。

但如果交流伺服电动机的参数选择和一般单相异步电动机相似，电动机一经转动，即使控制等于零，电动机仍继续转动，电动机失去控制，这种现象称为“自转”。

如何克服“自转”现象呢？现在是8页\一共有39页\编辑于星期一正反向旋转磁场的合成转矩特性(正向)(反向)正转转反当单相励磁时，在电动机运行范围0<S1<1时，转矩为正值，产生电动转矩，使转子继续转动。反转时也同样为电动转矩。现在是9页\一共有39页\编辑于星期一现增大转子电阻，使Sm>1当单相励磁时，在电动机运行范围0<S1<1时，转矩为负值，产生制动转矩，使转子停转。反转时也同样为制动转矩。现在是10页\一共有39页\编辑于星期一

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。

加在控制绕组上的控制电压大小变化时，其产生的旋转磁场的椭圆度不同，从而产生的电磁转矩也不同，从而改变电动机的转速。不同控制电压下的机械特性曲线n=f(T),

U1=常数TU20.8U20.6

U20.4U2on

交流伺服电动机的机械特性如图所示。现在是11页\一共有39页\编辑于星期一

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。

交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100W，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:现在是12页\一共有39页\编辑于星期一

直流伺服电动机

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。

直流伺服电动机的工作原理也与直流电动机相同。供电方式：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现在是13页\一共有39页\编辑于星期一由机械特性可知：(1)一定负载转矩下，当磁通不变时，U2n。(2)U2=0时，电机立即停转。电动机反转：改变电枢电压的极性，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现在是14页\一共有39页\编辑于星期一

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：现在是15页\一共有39页\编辑于星期一9.2

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，向控制电路提供与转速大小成正比的信号电压。测速发电机分为交流和直流两种类型。

交流测速发电机

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原理。现在是16页\一共有39页\编辑于星期一••••1转子定子励磁绕组输出绕组

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+–

交流测速发电机现在是17页\一共有39页\编辑于星期一

工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电源U1，由U14.44f1N11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，U2的大小与r成正比：现在是18页\一共有39页\编辑于星期一

综合上述分析可知：

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转变成了电压信号，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。现在是19页\一共有39页\编辑于星期一

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TGRLI2U2+–Ra+–EI1U1+–现在是20页\一共有39页\编辑于星期一

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E，其大小为：发电机的输出电压为：上式中代入：于是现在是21页\一共有39页\编辑于星期一

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转变成了电压信号，输出给控制系统。0nU2RL2<RL1RL=RL2RL1现在是22页\一共有39页\编辑于星期一

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的大小符合直流测速发电机的技术要求。

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。现在是23页\一共有39页\编辑于星期一9.3

步进电动机特点:

(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。

由于步进电动机的这一工作职能正好符合数字控制系统要求，因此它在数控机床、钟表工业及自动记录仪等方面都有很广泛的应用现在是24页\一共有39页\编辑于星期一9.3

步进电动机

区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，依靠电磁转矩工作。反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。依靠变化的的磁阻生成磁阻转矩工作。反应式步进电机的应用最广泛，它有两相、三相、多相之分。这里主要讨论三相反应式步进电动机的结构和工作原理。种类：励磁式和反应式两种。现在是25页\一共有39页\编辑于星期一

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。三相反应式步进电动机的原理结构图如下：ABCIAIBIC

定子内圆周均匀分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相。采用Y连接，转子有四个齿。定子转子现在是26页\一共有39页\编辑于星期一1.工作原理

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，使转子转动。

现以ABCA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。BCIAIBIC现在是27页\一共有39页\编辑于星期一1.三相单三拍CA'BB'C'A3412

A相绕组通电，B、C相不通电。气隙产生以A-A为轴线的磁场，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电动机转子受到一个反应转矩，在此转矩的作用下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与A、A′极对齐。动画“三相”指三相步进电机；“单”指每次只能一相绕组通电；“三拍”指通电三次完成一个通电循环。现在是28页\一共有39页\编辑于星期一CA'BB'C'A3412

同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4齿和B、B´

磁极轴线对齐；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。1C'342CA'BB'A现在是29页\一共有39页\编辑于星期一

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，所以称为三相单三拍工作方式。

按ABCA……的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)磁场在空间旋转了360°而转子转过90°(一个齿距角)。2.三相六拍

按AABBBCC

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。现在是30页\一共有39页\编辑于星期一CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412

A相通电，转子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，转子转过15，到达左图所示位置。动画现在是31页\一共有39页\编辑于星期一CA'BB'C'A3412

B相通电，转子2、4齿与B、B´对齐,又转过15。3412CA'BB'C'AB、C相同时通电，C'、C

磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子再转过15。现在是32页\一共有39页\编辑于星期一

三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：AABBBCC

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，更适用于需要精确定位的控制系统中。3.三相双三拍

按ABBCCA的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。现在是33页\一共有39页\编辑于星期一AB通电CA'BB'C'A3412BC通电3412CA'BB'C'ACA通电CA'BB'C'A3412

与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍。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)。动画现在是34页\一共有39页\编辑于星期一

从以上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，如教材图所示。图中转子表面有40个齿，现在是35页\一共有39页\编辑于星期一齿距角是9；定子仍是6个磁极，但每个磁极表面加工有五个和转子一样的