交流伺服电机的工作原理

第9章控制电机 9 1伺服电动机 9 2测速发电机 9 3步进电动机 9 4自动控制的基本概念 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 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 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 9 1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 9 1 1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 其结构如图所示 励磁绕组 控制绕组 杯形转子 内定子 交流伺服电动机结构图 励磁绕组串联电容C 是为了产生两相旋转磁场 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 从而产生所需的旋转磁场 控制电压与电源电压频率相同 相位相同或反相 交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机有相似之处 励磁绕组固定接在电源上 当控制电压为零时 电机无起动转矩 转子不转 交流伺服电动机的特点 不仅要求它在静止状态下 能服从控制信号的命令而转动 而且要求在电动机运行时如果控制电压变为零 电动机立即停转 但如果交流伺服电动机的参数选择和一般单相异步电动机相似 电动机一经转动 即使控制等于零 电动机仍继续转动 电动机失去控制 这种现象称为 自转 如何克服 自转 现象呢 正反向旋转磁场的合成转矩特性 当单相励磁时 在电动机运行范围0 S1 1时 转矩为正值 产生电动转矩 使转子继续转动 反转时也同样为电动转矩 现增大转子电阻 使Sm 1 当单相励磁时 在电动机运行范围0 S1 1时 转矩为负值 产生制动转矩 使转子停转 反转时也同样为制动转矩 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 加在控制绕组上的控制电压大小变化时 其产生的旋转磁场的椭圆度不同 从而产生的电磁转矩也不同 从而改变电动机的转速 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 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 9 1 2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 直流伺服电动机的接线图 由机械特性可知 1 一定负载转矩下 当磁通 不变时 U2 n 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n f T 曲线 U1 常数 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 9 2测速发电机 测速发电机是一种转速测量传感器 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 测速发电机分为交流和直流两种类型 9 2 1交流测速发电机 交流测速发电机又分为同步式和异步式两种 这里只分析异步式交流测速发电机的工作原理 转子 定子 励磁绕组 输出绕组 异步式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 9 2 1交流测速发电机 工作时 测速发电机的励磁绕组接交流电源U1 由U1 4 44f1N1 1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 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 9 2 1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 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 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 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 测速发电机的作用是将机械速度转变为电压信号 在自动控制系统和计算装置中作为检测元件 校正元件等 如在恒速控制系统中 测速发电机将速度转换为电压信号作为反馈信号 达到调节速度的作用 9 3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 由于步进电动机的这一工作职能正好符合数字控制系统要求 因此它在数控机床 钟表工业及自动记录仪等方面都有很广泛的应用 9 3步进电动机 区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈 依靠电磁转矩工作 反应式步进电机的转子上没有励磁线圈 依靠变化的的磁阻生成磁阻转矩工作 反应式步进电机的应用最广泛 它有两相 三相 多相之分 这里主要讨论三相反应式步进电动机的结构和工作原理 种类 励磁式和反应式两种 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 A 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 采用Y连接 转子有四个齿 定子 转子 1 工作原理 由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合 因此会在磁力线扭曲时产生切向力 而形成磁阻转矩 使转子转动 1 三相单三拍 A相绕组通电 B C相不通电 气隙产生以A A为轴线的磁场 而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过 故电动机转子受到一个反应转矩 在此转矩的作用下 转子必然转到左图所示位置 1 3齿与A A 极对齐 动画 三相 指三相步进电机 单 指每次只能一相绕组通电 三拍 指通电三次完成一个通电循环 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 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A B C A 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 磁场在空间旋转了360 而转子转过90 一个齿距角 2 三相六拍 按A AB B BC C 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 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 动画 B相通电 转子2 4齿与B B 对齐 又转过15 B C相同时通电 C C磁极拉住1 3齿 B B 磁极拉住2 4齿 转子再转过15 三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下 A AB B BC C CA 每个循环周期分为六拍 每拍转子转过15 步距角 一个通电循环周期 6拍 转子转过90 齿距角 与单三拍相比 六拍驱动方式的步进角更小 更适用于需要精确定位的控制系统中 3 三相双三拍 按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通电 每拍有两相绕组同时通电 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 动画 从以上对步进电机三种驱动方式的分析可得步距角计算公式 实用步进电机的步距角多为3 和1 5 为了获得小步距角 电机的定子 转子都做成多齿的 如教材图10 4 4所示 图中转子表面有40个齿 齿距角是9 定子仍是6个磁极 但每个磁极表面加工有五个和转子一样的齿 步进电动机的应用非常广泛 如各种数控机床 自动绘图仪 机器人等 应用 步进电动机根据数控装置发出的指令带动电位器的动触电转动 使其偏离中点产生电位差 经放大后 控制伺服阀的开口量 压力油经阀口进入油缸 使机械手按照存储在数控装置中的指令动作 9 5自动控制的基本概念 用某种装置代替人 按照人的意愿自动完成一系列控制过程 称作自动控制 从结构上看 自动控制系统分为开环控制和闭环控制两类 开环控制系统结构简单 控制对象按照控制指令工作 但不能根据输出结果自动调节 仅用于对控制精度要求不高的场合 闭环控制系统结构比较复杂 把输出信号的一部分通过反馈环节引回到输入端 与给定信号比较 得到误差信号 再送入控制对象去调节输出结果 如此反复循环 直至误差为零 这种控制是通过反馈来实现的 所以也叫做反馈控制系统 闭环控制系统 反馈控制系统 的各个基本环节如下图所示 系统中各部分的作用如下 给