第七章微控电机

1、第七章 微控电机了解直流伺服电动机和交流伺服电动机的机械特性；了解步进电动机的矩角特性以及步进运行状态了解测速发电机的原理n微控电机在本质上和我们以前所讲的普通电机微控电机在本质上和我们以前所讲的普通电机并没有区别并没有区别,只是他们的侧重点不同而已只是他们的侧重点不同而已:普通旋普通旋转电机主要是进行能量变换，要求有较高的力能转电机主要是进行能量变换，要求有较高的力能指标；而控制电机主要是对控制信号进行传递和指标；而控制电机主要是对控制信号进行传递和变换，要求有较高的控制性能，如要求反应快、变换，要求有较高的控制性能，如要求反应快、精度高、运行可靠等等。控制电机因其各种特殊精度高、运行可靠等

2、等。控制电机因其各种特殊的控制性能而常在自动控制系统中作为执行元件、的控制性能而常在自动控制系统中作为执行元件、检测元件和解算元件。检测元件和解算元件。n微控电机微控电机:由驱动微电机和控制电机构成简称为由驱动微电机和控制电机构成简称为微控电机微控电机 .n驱动微电机驱动微电机:用来拖动各种小型负载用来拖动各种小型负载,功率一般功率一般都在都在750W以下以下,最小的不到最小的不到1W,因此外形尺寸因此外形尺寸较小较小,相应的功率也小相应的功率也小,本章主要介绍单相异步本章主要介绍单相异步电动机电动机,微型同步电动机微型同步电动机,直线电动机直线电动机.n控制电机控制电机:在自动控制系统中对信

3、号进行传递在自动控制系统中对信号进行传递和变换和变换,用做执行元件或信号元件用做执行元件或信号元件.要求有较高要求有较高的控制性能的控制性能,如如:反应快反应快,精度高精度高,运行可靠等等运行可靠等等.本章主要介绍伺服电动机本章主要介绍伺服电动机,步进电动机步进电动机,旋转变旋转变压器压器,自整角机和测速发电机自整角机和测速发电机.7.1 直流伺服电动机直流伺服电动机基本内容基本内容直流伺服电动机的控制方法、机械特性和直流伺服电动机的控制方法、机械特性和调节特性调节特性要求要求掌握电枢控制下的直流伺服电动机的机械掌握电枢控制下的直流伺服电动机的机械特性和调节特性特性和调节特性伺服电动机的作用伺

4、服电动机的作用7.1 伺服电动机伺服电动机伺服电动机（执行电动机），它将输入的伺服电动机（执行电动机），它将输入的电压信号转变为转轴的角位移或角速度输电压信号转变为转轴的角位移或角速度输出，改变输入信号的大小和极性可以改变出，改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的转速与转向，故输入的电压伺服电动机的转速与转向，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。信号又称为控制信号或控制电压。根据使用电源的不同，伺服电动机分为直根据使用电源的不同，伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机输出功率较大，功率范围直流伺服电动机输出功率较大，功

5、率范围为为1 1600600瓦，有的甚至可达上千瓦；而交瓦，有的甚至可达上千瓦；而交流伺服电动机输出功率较小，功率范围一流伺服电动机输出功率较小，功率范围一般为般为0.10.1100100瓦瓦伺服电动机的作用伺服电动机的作用一、简介一、简介直流伺服电动机实际上就是他励直流电动直流伺服电动机实际上就是他励直流电动机，机，只不过直流伺服电动机输出功率较只不过直流伺服电动机输出功率较小而已。小而已。 控制方法：输入的控制信号，既可加到控制方法：输入的控制信号，既可加到励磁绕组上，也可加到电枢绕组上：若励磁绕组上，也可加到电枢绕组上：若把控制信号加到电枢绕组上，通过改变把控制信号加到电枢绕组上，通过改

6、变控制信号的大小和极性来控制转子转速控制信号的大小和极性来控制转子转速的大小和方向，这种方式叫的大小和方向，这种方式叫电枢控制电枢控制；若把控制信号加到励磁绕组上进行控制，若把控制信号加到励磁绕组上进行控制，这种方式叫这种方式叫磁场控制磁场控制。二、特性分析：1、机械特性：2aaeeTURRnTCC C n n1 1 Uc1U c 2Uc3 n2 2 1 Uc1 n3 3 2 Uc2 3 Uc3 0 T1 T2 T2、调节特性：、调节特性：电动机在一定负载转矩下，稳态转速电动机在一定负载转矩下，稳态转速随着控制电压变化的关系为电动机随着控制电压变化的关系为电动机的调节特性的调节特性2aaeeT

7、URRnTCC C n T2T10 1 T=0 n1 T1 2 n2 1 T2 3 n3 2 3 0 U1 Uc3 U2 Uc2 Uc1 Uc1）负载为常数时的调节特性）负载为常数时的调节特性 当当n=0时，时， 在在UaUa0时，电机的转速时，电机的转速n=0。Ua0成为直流伺成为直流伺服电动机的始动电压，是电动机转动的临界状服电动机的始动电压，是电动机转动的临界状态，即电动机处于待动而未动的这种临界状态态，即电动机处于待动而未动的这种临界状态时的电压。时的电压。 始动电压与电动机的负载成正比，负载越大，始动电压与电动机的负载成正比，负载越大，始动电压也越大始动电压也越大 直流伺服电动机的电

8、压在直流伺服电动机的电压在0Ua0之间，电动机不之间，电动机不转，因此，转，因此， 0Ua0成为电动机的死去，后者失成为电动机的死去，后者失灵区灵区0aaTRRUTC 称称 为直流伺服电动机调节特性的斜率为直流伺服电动机调节特性的斜率 该斜率只与电动机的本身的参数有关，与负载该斜率只与电动机的本身的参数有关，与负载无关无关 2） 可变负载时的调节特性可变负载时的调节特性此时，调节特性不再是一条直线此时，调节特性不再是一条直线1ekC 3）低转速运行时，直流伺服电动机的不稳定性）低转速运行时，直流伺服电动机的不稳定性 电动机工作在几转每分到几十转每分的范围时，就会电动机工作在几转每分到几十转每分

9、的范围时，就会出现一周内时快、时慢，甚至暂停一下的现象，这种出现一周内时快、时慢，甚至暂停一下的现象，这种现象称为直流伺服电动机低速运转的不稳定性。现象称为直流伺服电动机低速运转的不稳定性。 原因：原因： 低速时，反电动势均值不大，导致电磁转矩波动明显低速时，反电动势均值不大，导致电磁转矩波动明显 低速时，控制电压数值很小，电刷和换向器之间的接低速时，控制电压数值很小，电刷和换向器之间的接触压降不稳定性的影响增大，导致电磁转矩不稳定性触压降不稳定性的影响增大，导致电磁转矩不稳定性增加增加 低速时，电刷和换向器之间的摩擦转矩不稳定，造成低速时，电刷和换向器之间的摩擦转矩不稳定，造成电机本身阻转矩

10、不稳定，因而导致输出转矩不稳定电机本身阻转矩不稳定，因而导致输出转矩不稳定二二 交流伺服电动机交流伺服电动机 二、交流伺服电动机二、交流伺服电动机原理原理与两相交流异步电机相同，定子上装有两个绕与两相交流异步电机相同，定子上装有两个绕组组 励磁绕组和控制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励磁绕组和控制绕组在空间相隔90 。控制绕组控制绕组励磁绕组励磁绕组转子转子励磁绕组中串联电容励磁绕组中串联电容C的目的是为了产生两相旋的目的是为了产生两相旋转磁场。转磁场。接线：接线：励磁绕组的接线励磁绕组的接线UCU1I1U放放大大器器控制绕组的接线控制绕组的接线检检测测元元件件控制信号控

11、制信号2U2IU3、改变控制电压的方法：1）幅值控制：如图所示，幅值控制通过改变控制电压的大小来控制电机转速，此时控制 U=Uf 电压移相 90UcWcWfUfUc(可变) 电压与励磁电压之间的相位差始终保持90电角度。若控制绕组的额定电压 ,那么控制信号的大小可表示ccN , 称为有效信号系数，那么以cn为基值，控制电压 的标么值为： .cNfUUcU*ccncccncnfUUUUUUU 当有效信号系数时，控制电压 与 的幅值相等，相位相差90电角度，且两绕组空间相差90电角度。此时所产生的气隙磁通势为圆形旋转磁通势，产生的电磁转距最大；当时，控制电压小于励磁电压的幅值，所建立的气隙磁场为椭

12、圆形旋转磁场，产生的电磁转矩减小。越小，气隙磁场的椭圆度越大，产生的电磁转矩越小，电机转速越慢，在时，控制信号消失，气隙磁场为脉振磁场，电机不转或停转。 幅值控制的交流伺服电动机的机械特性和调节特性如下图所示。图中的转矩和转速都采用标么值。cUfU2）相位控制: 这种控制方式通过改变控制电压 与励磁电压 之间的相位差来实现对电机转速和转向的控制，而控制电压的幅值保持不变。如图所示，励磁绕组直接接到交流电源上，而控制绕组经移相器后接到同一交流电压上， 与 的频率相同。而 相位通过移相器可以改变，从而改变两者之间的相位差 ,cUfUcUfUcU Sin称为相位控制的信号系数。改变 与 相位差的大小

13、，可以改变电机的转速。相位控制的机械特性和调节特性与幅值控制相似，也为非线性。cUfU U f nUcWcUf移 相 器（3）幅值相位控制: 如图所示,我们还可以通过同时改变幅值和相位的方法来实现对控制电压的改变: U f nUcWcUf移 相 器 幅度相位控制线路简单，不需要复杂的移相装置，只需电容进行分相，具有线路简单、成本低廉、输出功率较大的优点，因而成为使用最多的控制方式。 交流伺服电机的输出功率一般为交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，电，电源频率分源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广泛，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。如用在自动

14、控制、温度自动记录等系统中。应用应用7.2 步步 进进 电电 动动 机机一、定义：是一种把电脉冲信号转换为角位移的电动机。简单的理解：给一个电脉冲信号，电机前进一步，因此被称之为步进电动机。相对与模拟的电压信号，步进电机的控制信号是数字量，因此，更广泛的应用在数字控制场合，例如，计算机的外围控制系统等。二、结构：如图所示，7.3 步进电动机步进电动机机理机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号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，带动机械移电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移 动一小段距离。动

15、一小段距离。特点特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。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。控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变方向。改变脉冲顺序，改变方向。种类种类： 有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步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。上没有励磁线圈。应用：应用： 步进机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动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。绘图仪等设备中都得到应用。 下面以反应式步进电

16、机为例说明步进电机的结构和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。工作原理。一一 结构结构 步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均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、四个磁极由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极 。定子定子转子转子定子绕组定子绕组 定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。组成一相。 注意：注意：这里的相和三相交流电中的这里的相和三相交流电中的“相相”的概念的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图不同。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

17、。的联接和组数的区别。ABC定子定子转子转子IAIBIC二二 工作方式工作方式 步进电机的工作方式可分为：步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。双六拍、三相双三拍等。1 1、三相单三拍、三相单三拍（1 1）三相绕组联接方式：）三相绕组联接方式：Y 型型（2 2）三相绕组中的通电顺序为：）三相绕组中的通电顺序为：A 相相 B 相相 C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为： A 相相 C 相相 B 相相 （3）工作过程）工作过程化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止

18、转动。阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A 相通电，相通电，A 方向的磁通方向的磁通经转子形成闭合回路。若经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁用下，转子被磁A A 相通电使转子相通电使转子1 1、3 3齿和齿和 AA 对齐。对齐。CABBCA3412CABBCA3412同理，同理，B相通电，转子相通电，转子2、4齿和齿和B相轴线对齐，相轴线对齐，相对相对A相通电位置转相通电位置转30 ；C相通电再转相通电再转30 。1C342CABBA 这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，这种工作方式，因三相绕组

19、中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。单三拍。三相单三拍的特点：三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过）每来一个电脉冲，转子转过 30 。此角称为。此角称为步距角，用步距角，用 S表示。表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，）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。改变通电顺序即可改变转向。2 2、三相单双六拍、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。共六拍。工作过程：工作过程：A相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿

20、和齿和A相对齐。相对齐。CABBCA3412所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了通电，转子转了15。（1）BB 磁场对磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向转动。转子顺时针方向转动。A、B相同时通电相同时通电（2）AA 磁场继续对磁场继续对1、3齿有拉力。齿有拉力。CABBCA3412总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为为三相六拍，步距角为15 。CABBCA3412B相通电，相通电，转子转子2、4齿和齿和B相对齐，又转了相对齐，又转

21、了15 。3 3、三相双三拍、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为： AB BC CA AB 共三拍。共三拍。AB通电通电CABBCA3412CABBCA3412BC通电通电以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。工作方式为三相双三工作方式为三相双三拍时，每通入一个电拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转脉冲，转子也是转30 ，即，即 S = 30 。CA通电通电CABBCA3412三三 小步距角的步进电动机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实际采用的步进电机的步距角多为3度和度和1.5度，步距角越小，机加工的精度越高。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，为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子图中转子40个齿，定子仍是个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁个磁极，但每个磁极上也有五个齿。极上也有五个齿。转子的齿距等于转子的齿距等于360 / 40=9 ，齿宽、齿槽各，齿宽、齿槽各4.5 。 为使转、