直流伺服電機工作原理演示文稿

直流伺服電機工作原理演示文稿當(dāng)前第1頁\共有39頁\編于星期日\9點第9章控制電機教學(xué)要求：1.了解交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理。2.了解直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理。3.了解交流測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和工作原理。4.了解步進電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理。當(dāng)前第2頁\共有39頁\編于星期日\9點

前面介紹的異步電動機、直流電動機等都是作為動力使用的，其主要任務(wù)是能量的轉(zhuǎn)換。各種控制電機有各自的控制任務(wù)：如:伺服電動機將電壓信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象；測速發(fā)電機將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓，并傳遞到輸入端作為反饋信號。步進電動機將脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或線位移。

本章介紹的各種控制電機的主要任務(wù)是轉(zhuǎn)換和傳遞控制信號，能量的轉(zhuǎn)換是次要的。

控制電機的種類很多，本章只討論常用的幾種:伺服電機、測速電機、步進電機。

對控制電機的主要要求：動作靈敏、準(zhǔn)確、重量輕、體積小、耗電少、運行可靠等。當(dāng)前第3頁\共有39頁\編于星期日\9點伺服電動機可分為兩類：

伺服電動機又稱執(zhí)行電動機。其功能是將輸入的電壓控制信號轉(zhuǎn)換為軸上輸出的角位移和角速度，驅(qū)動控制對象。

交流伺服電動機直流伺服電動機9.1

伺服電動機

伺服電動機可控性好，反應(yīng)迅速。是自動控制系統(tǒng)和計算機外圍設(shè)備中常用的執(zhí)行元件。當(dāng)前第4頁\共有39頁\編于星期日\9點

交流伺服電動機

交流伺服電動機就是一臺兩相交流異步電機。它的定子上裝有空間互差90的兩個繞組：勵磁繞組和控制繞組，其結(jié)構(gòu)如圖所示。勵磁繞組控制繞組杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)定子交流伺服電動機結(jié)構(gòu)圖當(dāng)前第5頁\共有39頁\編于星期日\9點放大器檢測元件控制信號+–+–控制繞組勵磁繞組+++–––1

勵磁繞組串聯(lián)電容C,是為了產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場。

適當(dāng)選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電流相位差接近90,從而產(chǎn)生所需的旋轉(zhuǎn)磁場。交流伺服電動機的接線圖和相量圖(a）接線圖1(b)相量圖當(dāng)前第6頁\共有39頁\編于星期日\9點

控制電壓與電源電壓頻率相同，相位相同或反相。放大器檢測元件控制信號+–+–控制繞組

交流伺服電動機的工作原理與單相異步電動機有相似之處。

勵磁繞組固定接在電源上，當(dāng)控制電壓為零時，電機無起動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)。

若有控制電壓加在控制繞組上，且勵磁電流和控制繞組電流不同相時，因此便產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場。在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)動起來。當(dāng)前第7頁\共有39頁\編于星期日\9點

交流伺服電動機的特點：不僅要求它在靜止?fàn)顟B(tài)下，能服從控制信號的命令而轉(zhuǎn)動，而且要求在電動機運行時如果控制電壓變?yōu)榱?，電動機立即停轉(zhuǎn)。

但如果交流伺服電動機的參數(shù)選擇和一般單相異步電動機相似，電動機一經(jīng)轉(zhuǎn)動，即使控制等于零，電動機仍繼續(xù)轉(zhuǎn)動，電動機失去控制，這種現(xiàn)象稱為“自轉(zhuǎn)”。

如何克服“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象呢？當(dāng)前第8頁\共有39頁\編于星期日\9點正反向旋轉(zhuǎn)磁場的合成轉(zhuǎn)矩特性(正向)(反向)正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)反當(dāng)單相勵磁時，在電動機運行范圍0<S1<1時，轉(zhuǎn)矩為正值，產(chǎn)生電動轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動。反轉(zhuǎn)時也同樣為電動轉(zhuǎn)矩。當(dāng)前第9頁\共有39頁\編于星期日\9點現(xiàn)增大轉(zhuǎn)子電阻，使Sm>1當(dāng)單相勵磁時，在電動機運行范圍0<S1<1時，轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)時也同樣為制動轉(zhuǎn)矩。當(dāng)前第10頁\共有39頁\編于星期日\9點

加在控制繞組上的控制電壓反相時(保持勵磁電壓不變)，由于旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化，使電動機轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。

加在控制繞組上的控制電壓大小變化時，其產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的橢圓度不同，從而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也不同，從而改變電動機的轉(zhuǎn)速。不同控制電壓下的機械特性曲線n=f(T),

U1=常數(shù)TU20.8U20.6

U20.4U2on

交流伺服電動機的機械特性如圖所示。當(dāng)前第11頁\共有39頁\編于星期日\9點

在勵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，電動機轉(zhuǎn)速隨控制電壓的下降而均勻減小。

交流伺服電機的輸出功率一般為0.1-100W，電源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應(yīng)用很廣泛，如用在各種自動控制、自動記錄等系統(tǒng)中。應(yīng)用:當(dāng)前第12頁\共有39頁\編于星期日\9點

直流伺服電動機

直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)與直流電動機基本相同。只是為減小轉(zhuǎn)動慣量，電機做得細(xì)長一些。

直流伺服電動機的工作原理也與直流電動機相同。供電方式：他勵供電。勵磁繞組和電樞分別由兩個獨立的電源供電。U1為勵磁電壓，U2為電樞電壓MU1I1I2U2放大器U++––直流伺服電動機的接線圖當(dāng)前第13頁\共有39頁\編于星期日\9點由機械特性可知：(1)一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，當(dāng)磁通不變時，U2n。(2)U2=0時，電機立即停轉(zhuǎn)。電動機反轉(zhuǎn)：改變電樞電壓的極性，電動機反轉(zhuǎn)。

直流伺服電機的機械特性與他勵直流電機相同一樣，也可用下式表示機械特性曲線如圖所示。直流伺服電動機的n=f(T)曲線(U1=常數(shù))U20.8U20.6U20.4U2nTO當(dāng)前第14頁\共有39頁\編于星期日\9點

直流伺服電機的特性較交流伺服電機硬。通常應(yīng)用于功率稍大的系統(tǒng)中，如隨動系統(tǒng)中的位置控制等。直流伺服電機輸出功率一般為1-600W。應(yīng)用：當(dāng)前第15頁\共有39頁\編于星期日\9點9.2

測速發(fā)電機

測速發(fā)電機是一種轉(zhuǎn)速測量傳感器。在許多自動控制系統(tǒng)中，它被用來測量旋轉(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電壓。測速發(fā)電機分為交流和直流兩種類型。

交流測速發(fā)電機

交流測速發(fā)電機又分為同步式和異步式兩種，這里只分析異步式交流測速發(fā)電機的工作原理。當(dāng)前第16頁\共有39頁\編于星期日\9點????1轉(zhuǎn)子定子勵磁繞組輸出繞組

異步式交流測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電機相似，它的定子上有兩個繞組，一個是勵磁繞組，一個是輸出繞組。輸出繞組+–勵磁繞組+–

交流測速發(fā)電機當(dāng)前第17頁\共有39頁\編于星期日\9點

工作時，測速發(fā)電機的勵磁繞組接交流電源U1，由U14.44f1N11可知：

當(dāng)被測轉(zhuǎn)動軸帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子切割1產(chǎn)生轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢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：當(dāng)前第18頁\共有39頁\編于星期日\9點

綜合上述分析可知：

當(dāng)U1恒定不變時，U2與n成正比，這樣，發(fā)電機就把被測裝置的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變成了電壓信號，輸出給控制系統(tǒng)。

由于鐵心線圈電感的非線性影響，交流測速發(fā)電機的輸出電壓U2與n間存在著一定的非線性誤差，使用時要注意加以修正。當(dāng)前第19頁\共有39頁\編于星期日\9點

直流測速發(fā)電機

直流測速發(fā)電機分永磁式和他勵式兩種。兩種電機的電樞相同，工作時電樞接負(fù)載電阻RL。但永磁式的定子使用永久磁鐵產(chǎn)生磁場，因而沒有勵磁線圈；他勵式的結(jié)構(gòu)與直流伺服電機相同，工作時勵磁繞組加直流電壓U1勵磁。他勵式直流測速發(fā)電機接線圖TGRLI2U2+–Ra+–EI1U1+–當(dāng)前第20頁\共有39頁\編于星期日\9點

當(dāng)被測裝置轉(zhuǎn)動軸帶動發(fā)電機電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞產(chǎn)生電動勢E，其大小為：發(fā)電機的輸出電壓為：上式中代入：于是當(dāng)前第21頁\共有39頁\編于星期日\9點

可見，當(dāng)勵磁電壓U1保持恒定時（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)電機就把被測裝置的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變成了電壓信號，輸出給控制系統(tǒng)。0nU2RL2<RL1RL=RL2RL1當(dāng)前第22頁\共有39頁\編于星期日\9點

值得注意的是，由于直流電機中存在著電樞反應(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的大小符合直流測速發(fā)電機的技術(shù)要求。

測速發(fā)電機的作用是將機械速度轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，在自動控制系統(tǒng)和計算裝置中作為檢測元件、校正元件等。如在恒速控制系統(tǒng)中，測速發(fā)電機將速度轉(zhuǎn)換為電壓信號作為反饋信號，達到調(diào)節(jié)速度的作用。當(dāng)前第23頁\共有39頁\編于星期日\9點9.3

步進電動機特點:

(1)來一個脈沖，轉(zhuǎn)一個步距角。

(2)控制脈沖頻率，可控制電機轉(zhuǎn)速。

(3)改變脈沖順序，可改變轉(zhuǎn)動方向。

步進電機是利用電磁鐵的作用原理，將脈沖信號轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，步進電機轉(zhuǎn)動一定角度，帶動機械移動一小段距離。

由于步進電動機的這一工作職能正好符合數(shù)字控制系統(tǒng)要求，因此它在數(shù)控機床、鐘表工業(yè)及自動記錄儀等方面都有很廣泛的應(yīng)用當(dāng)前第24頁\共有39頁\編于星期日\9點9.3

步進電動機

區(qū)別在于勵磁式步進電機的轉(zhuǎn)子上有勵磁線圈，依靠電磁轉(zhuǎn)矩工作。反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子上沒有勵磁線圈。依靠變化的的磁阻生成磁阻轉(zhuǎn)矩工作。反應(yīng)式步進電機的應(yīng)用最廣泛，它有兩相、三相、多相之分。這里主要討論三相反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理。種類：勵磁式和反應(yīng)式兩種。當(dāng)前第25頁\共有39頁\編于星期日\9點

下面以反應(yīng)式步進電機為例說明步進電機的結(jié)構(gòu)和工作原理。三相反應(yīng)式步進電動機的原理結(jié)構(gòu)圖如下：ABCIAIBIC

定子內(nèi)圓周均勻分布著六個磁極，磁極上有勵磁繞組，每兩個相對的繞組組成一相。采用Y連接，轉(zhuǎn)子有四個齒。定子轉(zhuǎn)子當(dāng)前第26頁\共有39頁\編于星期日\9點1.工作原理

由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，因此會在磁力線扭曲時產(chǎn)生切向力，而形成磁阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。

現(xiàn)以ABCA的通電順序，使三相繞組

輪流通入直流電流，觀察轉(zhuǎn)子的運動情況。BCIAIBIC當(dāng)前第27頁\共有39頁\編于星期日\9點1.三相單三拍CA'BB'C'A3412

A相繞組通電，B、C相不通電。氣隙產(chǎn)生以A-A為軸線的磁場，而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過，故電動機轉(zhuǎn)子受到一個反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，在此轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置：1、3齒與A、A′極對齊。動畫“三相”指三相步進電機；“單”指每次只能一相繞組通電；“三拍”指通電三次完成一個通電循環(huán)。當(dāng)前第28頁\共有39頁\編于星期日\9點CA'BB'C'A3412

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

磁極軸線對齊；當(dāng)C相通電時，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過30角，1、3齒和C′、C磁極軸線對齊。1C'342CA'BB'A當(dāng)前第29頁\共有39頁\編于星期日\9點

這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個工作脈沖，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)動起來。每一拍轉(zhuǎn)過30°(步距角)，每個通電循環(huán)周期(3拍)磁場在空間旋轉(zhuǎn)了360°而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90°(一個齒距角)。2.三相六拍

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。當(dāng)前第30頁\共有39頁\編于星期日\9點CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412

A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒與A、A'對齊。

A、B相同時通電，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，到達左圖所示位置。動畫當(dāng)前第31頁\共有39頁\編于星期日\9點CA'BB'C'A3412

B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒與B、B′對齊,又轉(zhuǎn)過15。3412CA'BB'C'AB、C相同時通電，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15。當(dāng)前第32頁\共有39頁\編于星期日\9點

三相反應(yīng)式步進電動機的一個通電循環(huán)周期如下：AABBBCC

CA，每個循環(huán)周期分為六拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15（步距角），一個通電循環(huán)周期(6拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90(齒距角)。

與單三拍相比，六拍驅(qū)動方式的步進角更小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。3.三相雙三拍

按ABBCCA的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時通電。當(dāng)前第33頁\共有39頁\編于星期日\9點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)動時每個通電循環(huán)周期也分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30(步距角)，一個通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90(齒距角)。動畫當(dāng)前第34頁\共有39頁\編于星期日\9點

從以上對步進電機三種驅(qū)動方式的分析可得步距角計算公式：—步距角Zr

—轉(zhuǎn)子齒數(shù)m—每個通電循環(huán)周期的拍數(shù)

實用步進電機的步距角多為3和1.5

。為了獲得小步距角，電機的定子、轉(zhuǎn)子都做成多齒的，如教材圖所示。圖中轉(zhuǎn)子表面有40個齒，當(dāng)前第35頁\共有39頁\編于星期日\9點齒距角是9；定子仍是6個磁極，但每個磁極表面加工有五個和轉(zhuǎn)子一樣的