第九章 控制電機(jī)定稿

第九章控制電機(jī)定稿1第1頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第9章控制電機(jī)教學(xué)要求：1.了解交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)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。2第2頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三交流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)交流測(cè)速發(fā)電機(jī)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原理概述三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理機(jī)控制電機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)測(cè)速電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)3第3頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三

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)：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)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)的種類很多，本章只討論常用的幾種:伺服電機(jī)、測(cè)速電機(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。4第4頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三伺服電動(dòng)機(jī)可分為兩類：伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(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)第一節(jié)

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)備中常用的執(zhí)行元件。5第5頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三一、交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)就是一臺(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。如圖示：勵(lì)磁繞組和控制繞組它們可以有相同或不同的匝數(shù)。勵(lì)磁繞組運(yùn)行時(shí)接到電壓為Uf的交流電源上，另一相作為控制繞組，控制繞組輸入控制信號(hào)電壓Uk。電壓Uf和Uk同頻率，一般為50Hz或400Hz。6第6頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)交流杯形伺服電動(dòng)機(jī)1勵(lì)磁繞組2控制繞組3內(nèi)定子4外定子5轉(zhuǎn)子；7第7頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三1、伺服電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)常用的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式：高電阻籠型轉(zhuǎn)子和非磁性空心杯轉(zhuǎn)子。高電阻籠型轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和普通籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一樣，但是為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，常將轉(zhuǎn)子做成細(xì)而長的形狀?；\型轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條和端環(huán)可以采用高電阻率的材料（如黃銅、青銅等）制造，也可采用鑄鋁轉(zhuǎn)子。目前我國生產(chǎn)的SL系列兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)就采用鑄鋁轉(zhuǎn)子。8第8頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三杯型轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖9-1所示。電動(dòng)機(jī)中除了有和一般感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一樣的定子外，還有一個(gè)內(nèi)定子。內(nèi)定子是由硅鋼片疊壓而成的圓柱體，通常內(nèi)定子上無繞組，只是代替籠形轉(zhuǎn)子鐵心作為磁路的一部分，作用是減少主磁通磁路的磁阻。在內(nèi)外定子之間有一個(gè)細(xì)長的、裝在轉(zhuǎn)軸上的空心杯形轉(zhuǎn)子，杯形轉(zhuǎn)子通常用非磁性材料鋁或銅制成，壁很薄，因而具有較大的轉(zhuǎn)子電阻和很小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。杯形轉(zhuǎn)子可以在內(nèi)外定子間的氣隙中自由旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)依靠杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)感應(yīng)的渦流與氣隙磁場(chǎng)作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。9第9頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三2.工作原理圖9-2所示為兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)的原理圖。兩相繞組軸線位置在空間相差90°電角度，當(dāng)兩相繞組分別加以交流電壓以后，就會(huì)在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁力線時(shí)，便會(huì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生電流，轉(zhuǎn)子電流與氣隙磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向而旋轉(zhuǎn)。10第10頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三11第11頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三工作時(shí)兩個(gè)繞組中產(chǎn)生的電流和的相位差近于90o，因此便產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)動(dòng)起來?？刂齐妷号c電源電壓頻率相同，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)。12第12頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三圖9-3不同控制電壓下的機(jī)械特性曲線n=f(T),

U1=常數(shù)交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖所示。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。TU20.8U20.6

U20.4U2OnTL13第13頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三交流伺服電機(jī)的輸出功率一般為0.1-100W，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:因此，杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，摩擦轉(zhuǎn)矩小，因此快速響應(yīng)好；運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲小，但轉(zhuǎn)速變化與控制電壓是非線性的關(guān)系。14第14頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三二、直流伺服電動(dòng)機(jī)

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)長一些。直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理也與直流電動(dòng)機(jī)相同。供電方式：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)的接線圖15第15頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三由機(jī)械特性可知：(1)一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，當(dāng)磁通不變時(shí)，U2n。(2)U2=0時(shí)，電機(jī)立即停轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)：改變電樞電壓的極性，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)械特性曲線如圖所示。直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性n=f(T)曲線(U1=常數(shù))U20.8U20.6U20.4U2nTO16第16頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三圖9-7電樞控制直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性nOUaTL1TL2TL3TL1<TL2<TL3負(fù)載轉(zhuǎn)矩T恒定時(shí)，轉(zhuǎn)速n與電樞電壓U也是成線性關(guān)系的。17第17頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三直流伺服電機(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：18第18頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)測(cè)速發(fā)電機(jī)

測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種測(cè)量轉(zhuǎn)速的小型發(fā)電機(jī)。它能夠?qū)⑿D(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速變換為電壓信號(hào)輸出，改輸出電壓的大小與轉(zhuǎn)速成正比。在許多自動(dòng)控制系統(tǒng)中，它被用來測(cè)量旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)速，向控制電路提供與轉(zhuǎn)速大小成正比的信號(hào)電壓。測(cè)速發(fā)電機(jī)按其輸出電壓的性質(zhì)分為交流和直流兩種類型。19第19頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三????1轉(zhuǎn)子定子勵(lì)磁繞組輸出繞組交流測(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+–一交流測(cè)速發(fā)電機(jī)20第20頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三

工作時(shí)，測(cè)速發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組接交流電源U1，由U14.44f1N11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)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，U2的大小與r成正比：21第21頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三綜合上述分析可知：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)轉(zhuǎn)變成了電壓信號(hào)，輸出給控制系統(tǒng)。由于鐵心線圈電感的非線性影響，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性誤差，使用時(shí)要注意加以修正。22第22頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三二、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)，因而沒有勵(lì)磁線圈；他勵(lì)式的結(jié)構(gòu)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)接線圖TGRLI2U2+–Ra+–EI1U1+–23第23頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三當(dāng)被測(cè)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E，其大小為：發(fā)電機(jī)的輸出電壓為：上式中代入：于是該式表示：當(dāng)RL為定值時(shí)，直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓U與轉(zhuǎn)速成n正比。24第24頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三可見，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)轉(zhuǎn)變成了電壓信號(hào)，輸出給控制系統(tǒng)。0nU2RL2<RL1RL=RL2RL125第25頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三值得注意的是，由于直流電機(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)速發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求。26第26頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特點(diǎn):

(1)來一個(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)換為線位移或角位移的電機(jī)。每來一個(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。又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。

區(qū)別在于勵(lì)磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有勵(lì)磁線圈，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有勵(lì)磁線圈。種類：勵(lì)磁式和反應(yīng)式兩種。27第27頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三下面以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理結(jié)構(gòu)圖如下：

定子內(nèi)圓周均勻分布著六個(gè)磁極，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28第28頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三1.三相單三拍CA'BB'C'A3412

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。二、三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)電源將脈沖信號(hào)電壓按一定的順序輪流加到定子三相繞組上，按通電的順序不同，三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有單三拍控制、雙三拍控制和六拍控制等三種方式。29第29頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三CA'BB'C'A3412

同理，B相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過30角，2、4齒和B、B′

磁極軸線對(duì)齊；當(dāng)C相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過30角，1、3齒和C′、C磁極軸線對(duì)齊。1C'342CA'BB'A30第30頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三

這種工作方式下，三個(gè)繞組依次通電一次為一個(gè)循環(huán)周期，一個(gè)循環(huán)周期包括三個(gè)工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。

按ABCA……的順序給三相繞組輪流通電，轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)起來。每一拍轉(zhuǎn)過30°(步距角)，每個(gè)通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)過90°(一個(gè)齒距角)。2.三相雙三拍按ABBCCA的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時(shí)通電。31第31頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三AB通電CA'BB'C'A3412BC通電3412CA'BB'C'ACA通電CA'BB'C'A3412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)周期也分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30(步距角)，一個(gè)通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90(齒距角)。32第32頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412

A相通電，轉(zhuǎn)子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)子轉(zhuǎn)過15，到達(dá)左圖所示位置。3.六拍控制按AABBBCC

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。33第33頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三CA'BB'C'A3412

B相通電，轉(zhuǎn)子2