控制电机定课件

1、123交交流流伺伺服服电电动动机机直直流流伺伺服服电电动动机机交交流流测测速速发发电电机机直直流流测测速速发发电电机机步步进进电电动动机机原原理理概概述述三相三相反应反应式步式步进电进电动机动机的工的工作原作原理机理机控制电机控制电机伺服电动机伺服电动机测速电动机测速电动机步进电动机步进电动机45 伺服电动机又称执行电动机。其伺服电动机又称执行电动机。其 伺服电动机可控性好，反应迅速。是自动控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。制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。6 交流伺服电动机就是一台交流伺服电动机就是一台两相交流异步两相交流异步电机。它的定子

2、上装有空间互差电机。它的定子上装有空间互差9090 的的两个绕两个绕组：励磁绕组和控制绕组。如图示：组：励磁绕组和控制绕组。如图示：励磁绕组和控制绕组它们可以有相同或不同励磁绕组和控制绕组它们可以有相同或不同的匝数。的匝数。励磁绕组运行时接到电压为励磁绕组运行时接到电压为Uf的交流电源上，的交流电源上， 另一相作为控制绕组，控制绕组输入控制信另一相作为控制绕组，控制绕组输入控制信号电压号电压Uk。 电压电压Uf和和Uk同频率，同频率， 一般为一般为50 Hz或或400 Hz。7交流伺服电动机结构交流伺服电动机结构12345交流杯形伺服电动机交流杯形伺服电动机1 1 励磁绕组励磁绕组 2 2 控

3、制绕组控制绕组 3 3 内定子内定子 4 4 外定子外定子 5 5转子转子；8 1、伺服电动机的内部结构、伺服电动机的内部结构 常用的转子结构有两种形式：常用的转子结构有两种形式： 高电阻高电阻笼型转子和非磁性空心杯转子。笼型转子和非磁性空心杯转子。 高电高电阻笼型转子的结构和普通笼型感应电动阻笼型转子的结构和普通笼型感应电动机一样，机一样， 但是为了减小转子的转动惯但是为了减小转子的转动惯量，量， 常将转子做成细而长的形状。常将转子做成细而长的形状。 笼笼型转子的导条和端环可以采用高电阻率型转子的导条和端环可以采用高电阻率的材料（如黄铜、的材料（如黄铜、 青铜等）制造，青铜等）制造， 也也可

4、采用铸铝转子。可采用铸铝转子。 目前我国生产的目前我国生产的SL系列两相交流伺服电动机就采用铸铝转系列两相交流伺服电动机就采用铸铝转子。子。9 杯型转子伺服电动机的结构如图杯型转子伺服电动机的结构如图9-1所示。所示。 电动机中除了有和一般感应电动机一样的定电动机中除了有和一般感应电动机一样的定子外，子外， 还有一个内定子。还有一个内定子。 内定子是由硅钢内定子是由硅钢片叠压而成的圆柱体，片叠压而成的圆柱体， 通常内定子上无绕组，通常内定子上无绕组， 只是代替笼形转子铁心作为磁路的一部分，只是代替笼形转子铁心作为磁路的一部分， 作用是减少主磁通磁路的磁阻。作用是减少主磁通磁路的磁阻。 在内外定

5、子在内外定子之间有一个细长的、之间有一个细长的、 装在转轴上的空心杯形装在转轴上的空心杯形转子，转子， 杯形转子通常用非磁性材料铝或铜制杯形转子通常用非磁性材料铝或铜制成，成， 壁很薄，壁很薄， 因而具有较大的转子电阻和因而具有较大的转子电阻和很小的转动惯量。很小的转动惯量。 杯形转子可以在内外定子杯形转子可以在内外定子间的气隙中自由旋转，间的气隙中自由旋转， 电动机依靠杯形转子电动机依靠杯形转子内感应的涡流与气隙磁场作用而产生电磁转内感应的涡流与气隙磁场作用而产生电磁转矩。矩。 10kfU U 、 2. 工作原理工作原理 图图9-2所示为两相交流伺服电动机的所示为两相交流伺服电动机的原理图。

6、原理图。 两相绕组轴线位置在空间相差两相绕组轴线位置在空间相差90电角度，电角度， 当两相绕组分别加以交流电当两相绕组分别加以交流电压压 以后，以后， 就会在气隙中产生旋转就会在气隙中产生旋转磁场。磁场。 当转子导体切割旋转磁场的磁力线当转子导体切割旋转磁场的磁力线时，时， 便会感应电动势，便会感应电动势， 产生电流，产生电流， 转子电转子电流与气隙磁场相互作用产生电磁转矩，流与气隙磁场相互作用产生电磁转矩， 使使转子随旋转磁场的方向而旋转。转子随旋转磁场的方向而旋转。 11fNnKNKURfU090移相U121I2I2UU130.8 U20.6 U2OnT TL L14 交流伺服电机的输出功

7、率一般为交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，电源频率分电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广泛，如用等多种。它的应用很广泛，如用在各在各种自动控制、自动记录等系统中。种自动控制、自动记录等系统中。 因此，因此， 杯形转子交流伺服电动机的杯形转子交流伺服电动机的优点为转动惯量小，优点为转动惯量小， 摩擦转矩小，摩擦转矩小， 因此快速响应好；运行平稳，噪声小，因此快速响应好；运行平稳，噪声小，但转速变化与控制电压是非线性的关但转速变化与控制电压是非线性的关系。系。15工作原理也与直流电动机工作原理也与直流电动机相同。相同。供电方式：供电方式：他励供电。励磁绕组和电枢分别由两

8、他励供电。励磁绕组和电枢分别由两个独立的电源供电。个独立的电源供电。U1为励磁电压为励磁电压U2为电枢电压为电枢电压MU1I1I2U2U+直流伺服电动机的接线图直流伺服电动机的接线图16 直流伺服电机的机直流伺服电机的机械特性与他励直流电机械特性与他励直流电机相同一样，也可用下式相同一样，也可用下式表示表示TCCRCUnTEEa2a机械特性曲线如图所示。机械特性曲线如图所示。直流伺服电动机的机械特性直流伺服电动机的机械特性n=f(T)曲线曲线(U1=常数常数)U20.8U20.6U20.4U2nTO17图图9-7 电枢控制直流伺服电动机的调节特性电枢控制直流伺服电动机的调节特性 nOUaT L

9、1T L2T L3T L1T L2 T L3负载转矩负载转矩T恒恒定时，转速定时，转速n与电枢电压与电枢电压U也是成线性也是成线性关系的。关系的。18 直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。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。中的位置控制等。 直流伺服电机输出功率一般为直流伺服电机输出功率一般为1-600W。19 测速发电机是一种测量转速的小型发电机。测速发电机是一种测量转速的小型发电机。它能够将旋转机械的转速变换为电压信号输出，它能够将旋转机械的转速变换为电压信号输出，改输出电压的大小与转速成正比。在许

10、多自动控改输出电压的大小与转速成正比。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。制电路提供与转速大小成正比的信号电压。测速发电机按其输出电压的性质分为交流和直流测速发电机按其输出电压的性质分为交流和直流两种类型。两种类型。20 1转子转子定子定子励磁绕组励磁绕组输出绕组输出绕组交流测速发电机的结构与杯形转子交流伺服电机相似，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，一个是输它的定子上有两个绕组，一个是励磁绕组，一个是输出绕组。出绕组。输出输出绕组绕组2U+励磁

11、励磁绕组绕组1U1I1+21 工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电源源U1，由，由 U1 4.44 f1N1 1 可知：可知：11U 当被测转动轴带动发电机转子旋转时，转当被测转动轴带动发电机转子旋转时，转子切割子切割 1产生转子感应电势产生转子感应电势Er和转子电流和转子电流Ir，它们的大小与它们的大小与 1和转子转速和转子转速 n 成正比：成正比：nEI1rr 转子电流转子电流 Ir也产生磁通也产生磁通 r ， r 在输出绕组在输出绕组中感应出电压中感应出电压U2 ， U2的大小与的大小与 r r成正比：成正比：22r2 U 综合上述分析可知：综合上述分

12、析可知：nUnU112 当当 U U1 1恒定不变时，恒定不变时， U U2 2与与n 成正比，这样，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。信号，输出给控制系统。 由于铁心线圈电感的非线性影响，交流测由于铁心线圈电感的非线性影响，交流测速发电机的输出速发电机的输出电压电压 U U2 2与与n 间存在着一定的非间存在着一定的非线性误差，使用时要注意加以修正。线性误差，使用时要注意加以修正。23 直流测速发电机分永磁式和他励式两种。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两种电机的电枢

13、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，。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电机相同，工作时励磁绕组加直流电压U1励磁。励磁。他他励式直流测速发电机接线图励式直流测速发电机接线图TGRLI2U2+Ra+EI1U1+24 当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时，当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时，电枢产生电动势电枢产生电动势E，其大小为：，其大小为：nKE E 发电机的发电机的输出电压为：输出电压为：2a2a2 IRnKIREUE 上式中代入：上式中代入

14、：L22RUI 于是于是nRRKUEL2a1 该式表示：当该式表示：当RL为定值时，为定值时，直流测速发电机直流测速发电机的输出电压的输出电压U与与转速成转速成n正比。正比。25 可见，当励磁电压可见，当励磁电压U1保持恒定时（保持恒定时（ 亦亦恒恒定定），若，若Ra、RL不变，则输出电压不变，则输出电压U2的大小的大小与与电枢转速电枢转速 n 成正比。成正比。这样，发电机就把被测装这样，发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制系统。系统。0nU2RL2RL1RL= RL2RL126 值得注意的是，由于直流电机中存在着电值得注意的是，由于

15、直流电机中存在着电枢反应现象，使得输出电压枢反应现象，使得输出电压U2与转速与转速n 有一定有一定的线性误差。的线性误差。 RL越小、越小、n 越大，误差越大。因越大，误差越大。因此，在使用中应使此，在使用中应使RL和和 n的大小符合的大小符合直流测速直流测速发电机的技术要求。发电机的技术要求。27 ( 步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段距离。又称为脉冲电动机。距离。又称为脉冲电

16、动机。 种类种类：励磁式励磁式和和两种。两种。28 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的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。结构和工作原理。如下：如下： 定子内圆周定子内圆周均匀分布着六个均匀分布着六个磁极，磁极上有磁极，磁极上有励磁绕组，每两励磁绕组，每两个相对的绕组组个相对的绕组组成一相。转子有成一相。转子有四个齿。四个齿。定子定子ABCIAIBIC转子转子29CABBCA3412 A相绕组通电，相绕组通电，B、C相相不通电。由于在磁场作用下，不通电。由于在磁场作用下，转子总是力图旋转到磁阻最转子总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种情况下，小的位置，故在这种情况下，转

17、子必然转到左图所示位置：转子必然转到左图所示位置：1、3齿与齿与A、A极对齐。极对齐。二、三相反应式步进电动机的工作原理二、三相反应式步进电动机的工作原理步进电动机工作时，驱动电源将脉冲信号电压按步进电动机工作时，驱动电源将脉冲信号电压按一定的顺序轮流加到定子三相绕组上，按通电的一定的顺序轮流加到定子三相绕组上，按通电的顺序不同，三相反应式步进电动机有单三拍控制、顺序不同，三相反应式步进电动机有单三拍控制、双三拍控制和六拍控制等三种方式。双三拍控制和六拍控制等三种方式。30CABBCA3412同理，同理，B相通电时，转子会转过相通电时，转子会转过30 角，角，2、4齿和齿和B、B 磁极轴线对齐

18、；当磁极轴线对齐；当C相通电时，转子相通电时，转子再转过再转过30 角，角，1、3齿和齿和C 、C磁极轴线对齐。磁极轴线对齐。1C342CABBA31这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为这种工作方式下，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，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。所以称为三相单三拍工作方式。 按按AB C A 的顺序给三相绕组的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过过30( (步距角步距角) )，每个通电循环周期，每个通电循环周期( (3拍拍) )转过转过

19、90( (一个齿距角一个齿距角) )。按按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电电。每拍有两相绕组同时通电。32AB通电通电CABBCA3412BC通电通电3412CABBCACA通电通电CABBCA3412 与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循循环周期也分为三拍。每拍转子转过环周期也分为三拍。每拍转子转过30 ( (步距角步距角) )，一一个通电循环周期个通电循环周期( (3拍拍) )转子转过转子转过90 ( (齿距角齿距角) )。33CABBCA3412CABBCA3412 A相通电，相通电，转子转子1、3齿与齿与A、A 对齐。对齐。 A、B相同时通电，相同时通电，A、A 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，齿，转子转转子转过过15 ，到达左图到达左图所示位置。所示位置。按按AAB B BC C CA的顺序给三相绕组的顺序给三相绕组轮流通电。轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。这种方式可以获得更精确的控制特性。34CABBCA3412 B 相通电，相通电，转子转子2、4齿与齿与B、B 对齐对齐, ,又转又转过过15 。3412CABBCA B