电工基础及技术应用15

海南风光 第15讲 第10章控制电机 第10章控制电机 10 1概述 10 2步进电动机10 2 1结构10 2 2工作方式10 2 3小步距角的步进电动机 10 3伺服电动机10 3 1交流伺服电动机10 3 2直流伺服电动机 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 其主要任务是能量转换 例如将电能转换为机械能 本章介绍控制电机 10 1概述 控制电机的种类很多 本章主要介绍步进机 伺服机 对控制电机的主要要求 动作灵敏 准确 重量轻 体积小 运行可靠 耗电少等 10 2步进电动机 机理 步进电机是利用电磁铁原理 将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机 每来一个电脉冲 电机转动一个角度 带动机械移动一小段距离 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 改变方向 种类 有励磁式和反应式两种 两种的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 应用 步进机的应用非常广泛 如 在数控机床 自动绘图仪等设备中都得到应用 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 10 2 1结构 步进机主要由两部分构成 定子和转子 它们均由磁性材料构成 其上分别有六个 四个磁极 定子 转子 定子绕组 定子的六个磁极上有控制绕组 两个相对的磁极组成一相 注意 这里的相和三相交流电中的 相 的概念不同 步进机通的是直流电脉冲 这主要是指线图的联接和组数的区别 IA IB IC 10 2 2工作方式 步进电机的工作方式可分为 三相单三拍 三相单双六拍 三相双三拍等 一 三相单三拍 1 三相绕组联接方式 Y型 3 工作过程 A相通电使转子1 3齿和AA 对齐 同理 B相通电 转子2 4齿和B相轴线对齐 相对A相通电位置转30 C相通电再转30 这种工作方式 因三相绕组中每次只有一相通电 而且 一个循环周期共包括三个脉冲 所以称三相单三拍 三相单三拍的特点 1 每来一个电脉冲 转子转过30 此角称为步距角 用 S表示 2 转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序 改变通电顺序即可改变转向 二 三相单双六拍 三相绕组的通电顺序为 A AB B BC C CA A共六拍 工作过程 A相通电 转子1 3齿和A相对齐 所以转子转到两磁拉力平衡的位置上 相对AA 通电 转子转了15 1 BB 磁场对2 4齿有磁拉力 该拉力使转子顺时针方向转动 A B相同时通电 2 AA 磁场继续对1 3齿有拉力 总之 每个循环周期 有六种通电状态 所以称为三相六拍 步距角为15 B相通电 转子2 4齿和B相对齐 又转了15 三 三相双三拍 三相绕组的通电顺序为 AB BC CA AB共三拍 工作方式为三相双三拍时 每通入一个电脉冲 转子也是转30 即 S 30 10 2 3小步距角的步进电动机 实际采用的步进电机的步距角多为3度和1 5度 步距角越小 机加工的精度越高 为产生小步距角 定 转子都做成多齿的 图中转子40个齿 定子仍是6个磁极 但每个磁极上也有五个齿 转子的齿距等于360 40 9 齿宽 齿槽各4 5 为使转 定子的齿对齐 定子磁极上的小齿 齿宽和齿槽和转子相同 工作原理 假设是单三拍通电工作方式 1 A相通电时 定子A相的五个小齿和转子对齐 此时 B相和A相空间差120 含120 9 齿A相和C相差240 含240 9 个齿 所以 A相的转子 定子的五个小齿对齐时 B相 C相不能对齐 B相的转子 定子相差1 3个齿 3 C相的转子 定子相差2 3个齿 6 若工作方式改为三相六拍 则每通一个电脉冲 转子只转1 5 异步机的转动方向仍由相序决定 同理 C相通电再转3 2 A相断电 B相通电后 转子只需转过1 3个齿 3 使B相转子 定子对齐 步进机通过一个电脉冲 转子转过的角度 称为步距角 10 3伺服电动机 伺服电动机的作用是驱动控制对象 被控对象的转距和转速受信号电压控制 信号电压的大小和极性改变时 电动机的转动速度和方向也跟着变化 伺服电动机的作用 10 3 1交流伺服电动机 原理与两相交流异步电机相同 定子上装有两个绕组 励磁绕组和控制绕组 励磁绕组和控制绕组在空间相隔90 励磁绕组中串联电容C的目的是为了产生两相旋转磁场 接线 励磁绕组的接线 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 因此便产生旋转磁场 在旋转磁场的作用下 转子便转动起来 例 选择电容 可使交流伺服电机电路中的电压电流的相量关系如图所示 工作时两个绕组中产生的电流和的相位差近90 因此便产生旋转磁场 在旋转磁场的作用下 转子转动起来 控制电压与电源电压两者频率相同 相位相同或反相 1 U2 0时 转子停止 这时 虽然U2 0V U1仍存在 似乎成单相运行状态 但和单相异步机不同 若单相电机启动运行后 出现单相后仍转 伺服电机不同 单相电压时设备不能转 交流伺服电动机的特点 原因 交流伺服电机R2设计得较大 所以在U2 0时 交流伺服电机的T f s 曲线如下页图 当U2 0V时 脉动磁场分成的正反向旋转磁场产生的转距T T 的合成转矩T与单相异步机不同 合成转矩的方向与旋转方向相反 所以电机在U2 0V时 能立即停止 体现了控制信号的作用 有控制电压时转动 无控制电压时不转 以免失控 3 控制电压U2大小变化时 转子转速相应变化 转速与电压U2成正比 U2的极性改变时 转子的转向改变 2 交流伺服电机R2设计得较大 使Sm 1 Tst大 启动迅速 稳定运行范围大 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 如用在自动控制 温度自动记录等系统中 应用 10 3 2直流伺服电动机 结构 与直流电动机基本相同 为减小转动惯量做得细长一些 工作原理 与直流电动机相同 供电方式 他励 励磁绕组和电枢由两个独立电源供电 由机械特性可知 1 U1 即磁通 不变时 一定的负载下