電工學(xué)(七版秦曾煌)控制電機(jī)

1、第9章 控制(kngzh)電機(jī) 9.1 伺服電動(dòng)機(jī)9.2 測(cè)速發(fā)電機(jī)9.3 自整角機(jī)（略）9.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)9.5 自動(dòng)控制(z dn kn zh)的基本概念共四十二頁(yè)第9章 控制(kngzh)電機(jī) 教學(xué)要求：1. 了解交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)(jigu)和工作原理;2. 了解直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理;3. 了解交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理;4. 了解步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。共四十二頁(yè) 前面介紹的異步電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)等都是作為動(dòng)力使用的，其主要(zhyo)任務(wù)是能量的轉(zhuǎn)換。各種控制電機(jī)有各自的控制任務(wù)(rn wu)：如: 伺服電動(dòng)機(jī)將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象；測(cè)速發(fā)電機(jī)

2、將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓，并傳遞到 輸入端作為反饋信號(hào)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或線(xiàn)位移。 本章介紹的各種控制電機(jī)的主要任務(wù)是轉(zhuǎn)換和傳遞控制信號(hào)，能量的轉(zhuǎn)換是次要的。 控制電機(jī)的種類(lèi)很多，本章只討論常用的幾種:伺服電機(jī)、測(cè)速電機(jī)、自整角機(jī)、步進(jìn)電機(jī)。 對(duì)控制電機(jī)的主要要求：動(dòng)作靈敏、準(zhǔn)確、 重量輕、體積小、耗電少、運(yùn)行可靠等。共四十二頁(yè)伺服電動(dòng)機(jī)可分為(fn wi)兩類(lèi)： 伺服電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。其功能是將輸入的電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為軸上輸出(shch)的角位移和角速度，驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。 交流伺服電動(dòng)機(jī) 直流伺服電動(dòng)機(jī)9.1 伺服電動(dòng)機(jī) 伺服電動(dòng)機(jī)可控性好，反應(yīng)迅速。是自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備

3、中常用的執(zhí)行元件。共四十二頁(yè)9.1.1 交流(jioli)伺服電動(dòng)機(jī) 交流伺服電動(dòng)機(jī)就是(jish)一臺(tái)兩相交流異步電機(jī)。它的定子上裝有空間互差90的兩個(gè)繞組：勵(lì)磁繞組和控制繞組，其結(jié)構(gòu)如圖所示。勵(lì)磁繞組控制繞組杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)定子交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖共四十二頁(yè) 勵(lì)磁繞組串聯(lián)電容C , 是為了(wi le)產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 適當(dāng)(shdng)選擇電容的大小，可使通入兩個(gè)繞組的電流相位差接近90,從而產(chǎn)生所需的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。勵(lì)磁繞組+1控制信號(hào)+控制繞組檢測(cè)元件放大器iti1 i20共四十二頁(yè) 工作時(shí)兩個(gè)繞組中產(chǎn)生的電流 和 的相位差近于90，因此便產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用(zuyng)下，轉(zhuǎn)

4、子便轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。 控制電壓 與電源(dinyun)電壓 頻率相同，相位相同或反相。 加在控制繞組上的控制電壓反相時(shí)(保持勵(lì)磁電壓不變)，由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。 交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)如果控制電壓變?yōu)榱?，電?dòng)機(jī)立即停轉(zhuǎn)?？刂菩盘?hào)+控制繞組檢測(cè)元件放大器共四十二頁(yè)不同(b tn)控制電壓下的機(jī)械特性曲線(xiàn)n=f(T), U1=常數(shù) 交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械(jxi)特性如圖所示。 在勵(lì)磁電壓不變的情況下，隨著控制電壓的下降，特性曲線(xiàn)下移。在同一負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨控制電壓的下降而均勻減小。TU20.8 U20.6 U20.4 U2On 交流伺服電機(jī)的輸出功

5、率一般為0.1-100 W，電源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應(yīng)用很廣泛，如用在各種自動(dòng)控制、自動(dòng)記錄等系統(tǒng)中。應(yīng)用:共四十二頁(yè)9.1.2 直流伺服電動(dòng)機(jī) 直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理(yunl)也與直流電動(dòng)機(jī)相同。供電方式(fngsh)：他勵(lì)供電。勵(lì)磁繞組和電樞分別由兩個(gè)獨(dú)立的電源供電。U1為勵(lì)磁電壓，U2為電樞電壓MU1I1I2U2放大器U+直流伺服電動(dòng)機(jī)的接線(xiàn)圖直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與直流電動(dòng)機(jī)基本相同。只是為減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電機(jī)做得細(xì)長(zhǎng)一些。共四十二頁(yè)(1) 一定(ydng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，當(dāng)磁通不變時(shí)， U2 n。(2) U2= 0時(shí)，電機(jī)立即停轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)(fn zhun)：改變電樞

6、電壓的極性，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。 直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性與他勵(lì)直流電機(jī)相同一樣，也可用下式表示機(jī)械特性曲線(xiàn)如圖所示。直流伺服電動(dòng)機(jī)的n=f(T)曲線(xiàn)(U1=常數(shù))U20.8U20.6U20.4U2nTO由機(jī)械特性可知： 直流伺服電機(jī)的特性較交流伺服電機(jī)硬。通常應(yīng)用于功率稍大的系統(tǒng)中，如隨動(dòng)系統(tǒng)中的位置控制等。 直流伺服電機(jī)輸出功率一般為1-600W。應(yīng)用：共四十二頁(yè)9.2 測(cè)速發(fā)電機(jī) 測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器。在許多自動(dòng)控制系統(tǒng)中，它被用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)速，向控制電路提供(tgng)與轉(zhuǎn)速大小成正比的信號(hào)電壓。測(cè)速發(fā)電機(jī)分為(fn wi)交流和直流兩種類(lèi)型。9.2.1 交流測(cè)速發(fā)電機(jī) 交流測(cè)速

7、發(fā)電機(jī)又分為同步式和異步式兩種，這里只分析異步式交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理。共四十二頁(yè)1轉(zhuǎn)子(zhun z)定子(dngz)勵(lì)磁繞組輸出繞組 異步式交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電機(jī)相似，它的定子上有兩個(gè)繞組，一個(gè)是勵(lì)磁繞組，一個(gè)是輸出繞組。輸出繞組+勵(lì)磁繞組+9.2.1 交流測(cè)速發(fā)電機(jī)共四十二頁(yè) 工作時(shí)，測(cè)速發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁(l c)繞組接交流電源U1，由 U1 4.44 f1N11 可知： 當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子切割1產(chǎn)生轉(zhuǎn)子感應(yīng)(gnyng)電勢(shì)Er和轉(zhuǎn)子電流Ir，它們的大小與1和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 成正比： 轉(zhuǎn)子電流 Ir也產(chǎn)生磁通r ，r 在輸出繞組中感應(yīng)出電壓U2 ，

8、U2的大小與r成正比：共四十二頁(yè) 綜合(zngh)上述分析可知： 當(dāng) U1恒定不變時(shí)， U2與n 成正比，這樣，發(fā)電機(jī)就把被測(cè)裝置的轉(zhuǎn)速信號(hào)(xnho)轉(zhuǎn)變成了電壓信號(hào)(xnho)，輸出給控制系統(tǒng)。 由于鐵心線(xiàn)圈電感的非線(xiàn)性影響，交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓 U2與n 間存在著一定的非線(xiàn)性誤差，使用時(shí)要注意加以修正。共四十二頁(yè)9.2.1 直流測(cè)速發(fā)電機(jī) 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)分永磁式和他勵(lì)式兩種。兩種電機(jī)的電樞相同，工作時(shí)電樞接負(fù)載電阻RL。但永磁式的定子使用永久磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，因而沒(méi)有勵(lì)磁線(xiàn)圈；他勵(lì)式的結(jié)構(gòu)(jigu)與直流伺服電機(jī)相同，工作時(shí)勵(lì)磁繞組加直流電壓U1勵(lì)磁。他勵(lì)式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)接線(xiàn)圖TGRL

9、I2U2+Ra+EI1U1+共四十二頁(yè) 當(dāng)被測(cè)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)電樞旋轉(zhuǎn)(xunzhun)時(shí)，電樞產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E，其大小為：發(fā)電機(jī)的輸出(shch)電壓為：上式中代入：于是共四十二頁(yè) 可見(jiàn)，當(dāng)勵(lì)磁電壓U1保持恒定時(shí)（ 亦恒定），若Ra、RL不變，則輸出電壓U2的大小與電樞轉(zhuǎn)速 n 成正比。這樣，發(fā)電機(jī)就把被測(cè)裝置的轉(zhuǎn)速信號(hào)(xnho)轉(zhuǎn)變成了電壓信號(hào)(xnho)，輸出給控制系統(tǒng)。0nU2RL2RL1RL=RL2RL1 值得注意的是，由于(yuy)直流電機(jī)中存在著電樞反應(yīng)現(xiàn)象，使得輸出電壓U2與轉(zhuǎn)速n 有一定的線(xiàn)性誤差。 RL越小、n 越大，誤差越大。因此，在使用中應(yīng)使RL和 n的大小符合直流測(cè)

10、速發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求。共四十二頁(yè)9.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)(tdin): (1) 來(lái)一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。 (2) 控制脈沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 (3) 改變脈沖順序，可改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向。 步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵的作用原理，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換(zhunhun)為線(xiàn)位移或角位移的電機(jī)。每來(lái)一個(gè)電脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，帶動(dòng)機(jī)械移動(dòng)一小段距離。 區(qū)別在于勵(lì)磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有勵(lì)磁線(xiàn)圈，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒(méi)有勵(lì)磁線(xiàn)圈。種類(lèi)：勵(lì)磁式和反應(yīng)式兩種。共四十二頁(yè) 下面以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)(jigu)和工作原理。三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理(yunl)結(jié)構(gòu)圖如下： 定子內(nèi)圓周均勻分布著六個(gè)磁極，

11、磁極上有勵(lì)磁繞組，每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的繞組組成一相。轉(zhuǎn)子有四個(gè)齒。定子ABCIAIBIC轉(zhuǎn)子共四十二頁(yè)1.三相(sn xin)單三拍CABBCA3412 A相繞組通電，B、C相不通電。由于在磁場(chǎng)作用下，轉(zhuǎn)子總是(zn sh)力圖旋轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置，故在這種情況下，轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置：1、3齒與A、A極對(duì)齊。共四十二頁(yè)CABBCA3412 同理，B相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)30角，2、4齒和B、B 磁極軸線(xiàn)(zhu xin)對(duì)齊；當(dāng)C相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過(guò)30角，1、3齒和C、C磁極軸線(xiàn)對(duì)齊。1C342CABBA共四十二頁(yè) 這種工作方式下，三個(gè)繞組依次(yc)通電一次為一個(gè)循環(huán)周期，一個(gè)循環(huán)周期包括三個(gè)

12、工作脈沖，所以稱(chēng)為三相單三拍工作方式。 按AB C A 的順序給三相繞組(roz)輪流通電，轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。每一拍轉(zhuǎn)過(guò)30(步距角)，每個(gè)通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)過(guò)90(一個(gè)齒距角)。2. 三相六拍 按AAB B BC C CA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制特性。共四十二頁(yè)CABBCA3412CABBCA3412 A相通電，轉(zhuǎn)子(zhun z)1、3齒與A、A 對(duì)齊。 A、B相同時(shí)通電，A、A 磁極拉住1、3齒，B、B 磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子(zhun z)轉(zhuǎn)過(guò)15，到達(dá)左圖所示位置。共四十二頁(yè)CABBCA3412 B 相通電，轉(zhuǎn)子(zhun z)2、4齒與B、B

13、 對(duì)齊,又轉(zhuǎn)過(guò)15。3412CABBCA B、C相同時(shí)通電(tng din)，C 、C 磁極拉住1、3齒，B、B 磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過(guò)15。共四十二頁(yè) 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)通電循環(huán)(xnhun)周期如下：AAB B BC C CA，每個(gè)循環(huán)周期分為六拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)15（步距角），一個(gè)通電循環(huán)周期(6拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90 (齒距角)。 與單三拍相比，六拍驅(qū)動(dòng)方式的步進(jìn)角更小，更適用(shyng)于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。3. 三相雙三拍 按AB BC CA的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時(shí)通電。共四十二頁(yè)AB通電CABBCA3412BC通電3412CABBCACA通電CA

14、BBCA3412 與單三拍方式相似，雙三拍驅(qū)動(dòng)時(shí)每個(gè)通電循環(huán)(xnhun)周期也分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)30 (步距角)，一個(gè)通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90(齒距角)。共四十二頁(yè) 從以上(yshng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)三種驅(qū)動(dòng)方式的分析可得步距角計(jì)算公式： 步距角Zr 轉(zhuǎn)子齒數(shù)m 每個(gè)通電循環(huán)周期的拍數(shù) 實(shí)用步進(jìn)電機(jī)(dinj)的步距角多為3和1.5 。為了獲得小步距角，電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子都做成多齒的，如教材圖10.4.4所示。圖中轉(zhuǎn)子表面有40個(gè)齒，共四十二頁(yè)齒距角是9；定子(dngz)仍是 6個(gè)磁極，但每個(gè)磁極表面加工有五個(gè)和轉(zhuǎn)子一樣的齒。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，如各種數(shù)控機(jī)床(sh kn j

15、chun)、自動(dòng)繪圖儀、機(jī)器人等。應(yīng)用：共四十二頁(yè)9.5 自動(dòng)控制(z dn kn zh)的基本概念 用某種裝置(zhungzh)代替人，按照人的意愿自動(dòng)完成一系列控制過(guò)程，稱(chēng)作自動(dòng)控制。 從結(jié)構(gòu)上看，自動(dòng)控制系統(tǒng)分為開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制兩類(lèi)。 控制對(duì)象控制指令輸出 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制對(duì)象按照控制指令工作，但不能根據(jù)輸出結(jié)果自動(dòng)調(diào)節(jié)，僅用于對(duì)控制精度要求不高的場(chǎng)合。共四十二頁(yè)控制對(duì)象反饋環(huán)節(jié)誤差輸出給定反饋 閉環(huán)控制(kngzh)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。把輸出信號(hào)的一部分通過(guò)反饋環(huán)節(jié)引回到輸入端，與給定信號(hào)比較，得到誤差信號(hào)，再送入控制(kngzh)對(duì)象去調(diào)節(jié)輸出結(jié)果。如此反復(fù)循環(huán)，直至誤差為

16、零。這種控制(kngzh)是通過(guò)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以也叫做反饋控制(kngzh)系統(tǒng)。共四十二頁(yè) 給定元件 放大元件 執(zhí)行元件 控制對(duì)象檢測(cè)元件被調(diào)量控制指令+UgUdUf 閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋(fnku)控制系統(tǒng)）的各個(gè)基本環(huán)節(jié)如下圖所示：系統(tǒng)(xtng)中各部分的作用如下：給定元件把控制指令變成給定值。它與被調(diào)量存在著一定的函數(shù)關(guān)系。改變給定值，即可改變被調(diào)量。共四十二頁(yè)檢測(cè)(jin c)元件把被調(diào)量檢測(cè)出來(lái)，按一定的函數(shù)關(guān)系反饋到輸入端。比較元件(yunjin)把反饋信號(hào)Uf與給定信號(hào)Ug比較以獲取誤差信號(hào)Ud。放大元件當(dāng)誤差信號(hào)太微弱時(shí)，需要用放大元件把誤差信號(hào)放大到足以推動(dòng)執(zhí)行元件的程度

17、。執(zhí)行元件直接推動(dòng)控制對(duì)象改變被調(diào)量?？刂茖?duì)象由執(zhí)行元件推動(dòng)的各種裝置，如各種機(jī)械負(fù)載、發(fā)電機(jī)、加熱爐、閘門(mén)等，相應(yīng)的被調(diào)量就是轉(zhuǎn)速、電壓、溫度、位移等。共四十二頁(yè)步進(jìn)電機(jī)(dinj)下一頁(yè)返 回共四十二頁(yè)步進(jìn)電機(jī)(dinj)上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第六章 異步電動(dòng)機(jī)共四十二頁(yè)步進(jìn)電機(jī)(dinj)第六章 異步電動(dòng)機(jī)上一頁(yè)下一頁(yè)返 回共四十二頁(yè)步進(jìn)電機(jī)(dinj)上一頁(yè)下一頁(yè)返 回共四十二頁(yè) 步進(jìn)電機(jī)(dinj)上一頁(yè)返 回共四十二頁(yè) 交流(jioli)伺服電機(jī)下一頁(yè)返 回共四十二頁(yè) 交流(jioli)伺服電機(jī)上一頁(yè)下一頁(yè)返 回共四十二頁(yè) 交流(jioli)伺服電機(jī)上一頁(yè)下一頁(yè)返 回共四十二頁(yè) 交流(jioli)伺服電機(jī)上一頁(yè)下一頁(yè)返 回共四十二頁(yè)內(nèi)容摘要第9章 控制電機(jī)。各種控制電機(jī)有各自的控制任務(wù)：。伺服電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。交流伺服電動(dòng)機(jī)