程宪平-机电传动与控制(第三版)3第三章..ppt

1、目录 第3章,第3章 控制电机 3-1 伺服电动机 3-2 微型同步电动机 3-3 测速发电机 3-4 步进电动机 3-5 直线电动机 3-6 旋转变压器 3-7 感应同步器,第3章 控制电机,了解机电传动控制系统中一些常用控制电机基本结构； 掌握控制电机基本工作原理、主要运行特性及特点； 了解控制电机的应用场所，以便正确选用和使用它们。,掌握常用控制电动机基本工作原理，运行特性与特点。,交流伺服电动机“自转”现象及消除该现象的原理。,第3章 控制电机,概 述,控制电机与普通电机比较： 控制电机与普通电机的基本结构和工作原理大体相同； 普通电机的主要作用是进行能量转换， 控制电机的主要作用是完

2、成信息的传递和变换。 对控制电机的基本要求: 具有良好的可控性，即易于控制和调节； 具有快速的响应性能， 即要有较大的启动转矩和较小的转动惯量； 精确度要高，误差要小。,第3章 控制电机,交流伺服电动机的结构 是一种小型或微型 两相异步电动机。 交流伺服电动机的原理 与电容分相式 单相异步电动机相同。 交流伺服电动机特点 结构简单、运行可靠、 维护简便、转动惯量小， 广泛用于功率较小的 控制系统中。,3-1 伺服电动机,交流伺服电动机的原理图,一、交流伺服电动机,第3章 控制电机,“自转”现象 如果交流伺服电动机参数与一般的单相异步电动机一样， 那么当控制信号消失时，电机转速虽会下降些，但仍会

3、 继续不停地转动。这种失控现象称为“自转”。 “自转”现象的消除 要求交流伺服电动机的转子电阻值设计得很大，使电机 在失去控制信号而单相运行时，正转矩或负转矩的最大 值均出现在sm1的地方。 交流伺服电动机的转速控制方式 幅值控制 相位控制 幅相控制,3-1 伺服电动机,一、交流伺服电动机,第3章 控制电机,3-1 伺服电动机,交流伺服电动机的机械特性,励磁和控制绕组通电 励磁绕组通电,转子电阻 设计得 很大,运行 绕组通电,运行和起动 绕组通电,普通单相电动机的机械特性,“自转”现象 的消除,“自转” 现象,一、交流伺服电动机,第3章 控制电机,幅值控制 接线图,相位控制 接线图,幅值-相位

4、 控制接线图,交流伺服电动机 的转速控制方式,f 励磁绕组 k 控制绕组,3-1 伺服电动机,一、交流伺服电动机,第3章 控制电机,幅值控制 接线图,交流伺服电动机幅值控制时的机械特性,在一定的负载转矩下， 控制电压 Uk 大小变化时， 转速 n 与电压Uk 成正比变化， Uk=0V时，能立即停止。,Uk 的极性 改变时， 转子的转向 改变。,Uk U1U2U3 U 4,f 励磁绕组 k 控制绕组,3-1 伺服电动机,一、交流伺服电动机,第3章 控制电机,直流伺服电动机是一种小型直流电机， 它能将直流信号电压转换成转轴上的 角位移或角速度，以完成一定的控制任务。 其控制方式有电枢控制和磁场控制

5、两种。 直流伺服电动机启动转矩大、 特性较硬且线性度好、 调节范围广、体积小、效率高，因此 一般用于功率较大的控制系统中。,3-1 伺服电动机,二、直流伺服电动机,第3章 控制电机,直流伺服电动机电枢控制时的机械特性,励磁电压Uf 不变时， 在一定的负载转矩下， 电枢电压 Uk 大小变化时， 转速 n 与电压Uk 成正比变化， Uk=0V时，能立即停止。,Uk 的极性 改变时， 电枢的转向 改变。,Uk U1U2U3,直流伺服电动机 的原理图,3-1 伺服电动机,二、直流伺服电动机,优缺点比较：,直流伺服电动机：转矩大，线性度好，机械特性硬；效率高，功率大；结构复杂，维护困难，有无线干扰。 交

6、流伺服电动机：非线性特性曲线，影响系统动态精度；体积大，效率低；结构简单，运行可靠，维护方便。,第3章 控制电机,力矩电动机是一种能够长期处于启动(堵转) 状态下工作的低转速、大转矩的执行电机。 直流力矩电动机的工作原理和直流伺服电动机相同， 仅在结构上有所区别，力矩电动机一般作成扁平形。 它主要采用永磁式电枢控制方式。 它反应速度快、特性硬度大且线性度好、精度高， 能在堵转和低速下运行，特别适用于对速度和位置 的控制精度要求很高的系统中。 它与高精度的检测元件、放大元件和校正环节等组成 的闭环控制系统，其稳定运行转速低达每天转1/4转， 调速范围达几万至几十万，位置精度达到角度的秒级。,3-

7、1 伺服电动机,三、力矩电动机,第3章 控制电机,直流力矩电动机,(a)分装式,(b)内装式,3-1 伺服电动机,三、力矩电动机,第3章 控制电机,3-2 微型同步电动机,微型同步电动机的 定子与异步电动机基本相同，有三相或单相之分； 转子有永磁式、磁阻式和磁滞式之分； 工作原理与一般同步电动机基本相同； 永磁式和磁阻式的启动也常采用异步启动法。 永磁式的可用于高速或低速的自动装置中， 磁阻式电磁减速同步电动机常用于低速的场合， 广泛应用于仪器仪表及无线电设备中。,第3章 控制电机,3-3 测速发电机,测速发电机是一种将转速信号变换成电信号的元件， 输出电压与转速成正比。在自动控制系统中应用广

8、泛。 交流测速发电机主要是异步测速发电机，它的结构与 交流伺服电动机基本相同，区别仅在于定子上有一 个绕组是作为感应电势的输出绕组； 直流测速发电机结构和原理与普通直流发电机基本相同。 交流异步测速发电机和直流测速发电机各有优缺点， 选用时应根据系统的实际要求综合考虑。,第3章 控制电机,3-4 步进电动机,一、基本结构,步进电动机与一般电动机相比， 它们的结构相似，由定子和转子两大部分组成。 但步进电动机是一种将电脉冲信号 转换为角位移或直线运动的执行部件。 步进电动机定子上装有一定相数的励磁绕组， 转子本身没有励磁绕组的叫“反应式步进电动机”， 用永久磁铁做转子的叫“永磁式步进电动机”。,

9、第3章 控制电机,小步距角 三相反应式 步进电动机,三相反应式 步进电动机 结构简图,3-4 步进电动机,一、基本结构,第3章 控制电机,3-4 步进电动机,二、工作原理,步进电动机的工作原理就是电磁铁的工作原理。 每当定子绕组接收一个电脉冲时， 转子便转过一个固定的角度，这个角度即称为步距角。 因为每通电一次，即运行一拍，转子就走一步，故 步距角：b步距/拍数360/Z拍数360/Kmz 式中，K 为状态系数 （如单三拍、双三拍时K=1，单、双六拍时K=2）； m 表示电动机的相数；z 为转子的齿数。 当电动机相数m和转子齿数z一定（即电机结构一定）时， 则步进电机的转速取决于输入电脉冲的频

10、率和通电方式， 即：n60f /Kmz (r /min) ，其中，f 为电脉冲的频率。,第3章 控制电机,3-4 步进电动机,二、工作原理,反应式步进电机工作原理图,三相单三拍运行方式,第3章 控制电机,反应式步进电机工作原理图,三相单、双六拍 AABB CACBC,3-4 步进电动机,二、工作原理,第3章 控制电机,3-4 步进电动机,二、工作原理,电动机的定、转子展开图,小步距角 三相反应式 步进电动机,第3章 控制电机,3-4 步进电动机,二、工作原理,电动机的定、转子展开图,步进电动机的 转矩与失调角的关系,第3章 控制电机,3-4 步进电动机,二、工作原理,静态运行特性：不改变通电情

11、况的运行状态称为静态运行。 失调角 ：定子齿与转子齿中心线之间的夹角(电角度)。 矩角特性：静转矩和失调角之间的特性曲线，,步进电动机的工作过程 就是实现失调角为零的过程,步进电动机的 转矩与失调角的关系,第3章 控制电机,3-4 步进电动机,二、工作原理,步进电动机 的矩角特性,步进电动机的 转矩与失调角的关系,第3章 控制电机,步进电动机空载运行状态,静稳定区：正在通电的绕组的静稳定区 称之为静稳定区 A相通电时 为静稳定区,动稳定区： 下一个通电绕组 的静稳定区 称之为动稳定区,在换接的瞬间转子的 位置只要停留在此区域内 就能趋向新的稳定平衡点b,3-4 步进电动机,二、工作原理,第3章

12、 控制电机,3-4 步进电动机,二、工作原理,步进电动机负载运行状态,负载运行时，转子每一步 必须停留在动稳定区内 而且在每一步的平衡点 下一相通电的 静转矩 T TL,能带负载 作步进运行的 最大值TLmax 即是两相矩角曲线 交点处的电机静转矩,第3章 控制电机,3-4 步进电动机,二、工作原理,在实际应用中，对于三相步进电动机来说， 由于单三拍通电方式容易失步，稳定性差，一般很少采用。 三相六拍通电方式比三相单三拍通电方式步距角小一半， 在切换时保持一相绕组通电，工作稳定， 比单三拍增大了稳定区。 所以三相步进电动机常采用三相六拍的控制方式。,三、性能指标, 步距角 最大静转矩TSmax 空载启动频率fost 精度。,第3章 控制电机,3-5 直线电动机,直线电动机是一种能直接将电能转换为直线运动的 伺服驱动部件，与普通直流电动机、异步电动机等 的工作原理相同； 在结构