第九章 控制电机定稿

第九章控制电机定稿1第一页，共三十六页，编辑于2023年，星期四第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。2第二页，共三十六页，编辑于2023年，星期四交流伺服电动机直流伺服电动机交流测速发电机直流测速发电机步进电动机原理概述三相反应式步进电动机的工作原理机控制电机伺服电动机测速电动机步进电动机3第三页，共三十六页，编辑于2023年，星期四

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。4第四页，共三十六页，编辑于2023年，星期四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第一节

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。5第五页，共三十六页，编辑于2023年，星期四一、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。如图示：励磁绕组和控制绕组它们可以有相同或不同的匝数。励磁绕组运行时接到电压为Uf的交流电源上，另一相作为控制绕组，控制绕组输入控制信号电压Uk。电压Uf和Uk同频率，一般为50Hz或400Hz。6第六页，共三十六页，编辑于2023年，星期四交流伺服电动机结构交流杯形伺服电动机1励磁绕组2控制绕组3内定子4外定子5转子；7第七页，共三十六页，编辑于2023年，星期四1、伺服电动机的内部结构常用的转子结构有两种形式：高电阻笼型转子和非磁性空心杯转子。高电阻笼型转子的结构和普通笼型感应电动机一样，但是为了减小转子的转动惯量，常将转子做成细而长的形状。笼型转子的导条和端环可以采用高电阻率的材料（如黄铜、青铜等）制造，也可采用铸铝转子。目前我国生产的SL系列两相交流伺服电动机就采用铸铝转子。8第八页，共三十六页，编辑于2023年，星期四杯型转子伺服电动机的结构如图9-1所示。电动机中除了有和一般感应电动机一样的定子外，还有一个内定子。内定子是由硅钢片叠压而成的圆柱体，通常内定子上无绕组，只是代替笼形转子铁心作为磁路的一部分，作用是减少主磁通磁路的磁阻。在内外定子之间有一个细长的、装在转轴上的空心杯形转子，杯形转子通常用非磁性材料铝或铜制成，壁很薄，因而具有较大的转子电阻和很小的转动惯量。杯形转子可以在内外定子间的气隙中自由旋转，电动机依靠杯形转子内感应的涡流与气隙磁场作用而产生电磁转矩。9第九页，共三十六页，编辑于2023年，星期四2.工作原理图9-2所示为两相交流伺服电动机的原理图。两相绕组轴线位置在空间相差90°电角度，当两相绕组分别加以交流电压以后，就会在气隙中产生旋转磁场。当转子导体切割旋转磁场的磁力线时，便会感应电动势，产生电流，转子电流与气隙磁场相互作用产生电磁转矩，使转子随旋转磁场的方向而旋转。10第十页，共三十六页，编辑于2023年，星期四11第十一页，共三十六页，编辑于2023年，星期四工作时两个绕组中产生的电流和的相位差近于90º，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。控制电压与电源电压频率相同，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。12第十二页，共三十六页，编辑于2023年，星期四图9-3不同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。TU20.8U20.6

U20.4U2OnTL13第十三页，共三十六页，编辑于2023年，星期四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:因此，杯形转子交流伺服电动机的优点为转动惯量小，摩擦转矩小，因此快速响应好；运行平稳，噪声小，但转速变化与控制电压是非线性的关系。14第十四页，共三十六页，编辑于2023年，星期四二、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15第十五页，共三十六页，编辑于2023年，星期四由机械特性可知：(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。直流伺服电动机的机械特性n=f(T)曲线(U1=常数)U20.8U20.6U20.4U2nTO16第十六页，共三十六页，编辑于2023年，星期四图9-7电枢控制直流伺服电动机的调节特性nOUaTL1TL2TL3TL1<TL2<TL3负载转矩T恒定时，转速n与电枢电压U也是成线性关系的。17第十七页，共三十六页，编辑于2023年，星期四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：18第十八页，共三十六页，编辑于2023年，星期四第二节测速发电机

测速发电机是一种测量转速的小型发电机。它能够将旋转机械的转速变换为电压信号输出，改输出电压的大小与转速成正比。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。测速发电机按其输出电压的性质分为交流和直流两种类型。19第十九页，共三十六页，编辑于2023年，星期四••••1转子定子励磁绕组输出绕组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+–一交流测速发电机20第二十页，共三十六页，编辑于2023年，星期四

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：21第二十一页，共三十六页，编辑于2023年，星期四综合上述分析可知：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。22第二十二页，共三十六页，编辑于2023年，星期四二、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+–23第二十三页，共三十六页，编辑于2023年，星期四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：于是该式表示：当RL为定值时，直流测速发电机的输出电压U与转速成n正比。24第二十四页，共三十六页，编辑于2023年，星期四可见，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=RL2RL125第二十五页，共三十六页，编辑于2023年，星期四值得注意的是，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。26第二十六页，共三十六页，编辑于2023年，星期四第三节步进电动机特点:

(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。又称为脉冲电动机。

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。27第二十七页，共三十六页，编辑于2023年，星期四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：

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。转子有四个齿。定子ABCIAIBIC转子28第二十八页，共三十六页，编辑于2023年，星期四1.三相单三拍CA'BB'C'A3412

A相绕组通电，B、C相不通电。由于在磁场作用下，转子总是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。二、三相反应式步进电动机的工作原理步进电动机工作时，驱动电源将脉冲信号电压按一定的顺序轮流加到定子三相绕组上，按通电的顺序不同，三相反应式步进电动机有单三拍控制、双三拍控制和六拍控制等三种方式。29第二十九页，共三十六页，编辑于2023年，星期四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'A30第三十页，共三十六页，编辑于2023年，星期四

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)转过90°(一个齿距角)。2.三相双三拍按ABBCCA的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。31第三十一页，共三十六页，编辑于2023年，星期四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)。32第三十二页，共三十六页，编辑于2023年，星期四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。3.六拍控制按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。33第三十三页，共三十六页，编辑于2023年，星期四CA'BB'C'A3412

B相通电，转子2、