【精品推荐】第六章 控制电机.ppt

3自整角机,1伺服电动机,2测速发电机,4步进电动机,通常的电机是进行能量的转换的装置，其主要问题是提高能量转换的效率，而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。,6.1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。,6.1.1交流伺服电动机,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。,励磁绕组,控制绕组,杯形转子:1、减少转动惯量；2、提高电阻R2 使 Sm=R2/X20 1，避免“自转”现象。,内定子,外定子,交流杯形伺服电动机1 励磁绕组；2 控制绕组；3 内定子；4 处定子；5转子；,励磁绕组串联电容C,是为了产生两相旋转磁场。,2）工作原理,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,工作时两个绕组中产生的电流 和 的相位差近于90，因此便产生两相旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。,控制电压 与电源电压 频率相同，相位相同或反相。,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。,交流伺服电动机的特点：在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。,“自转”现象及避免“自转”现象方法：“自转”现象：当励磁电压不为零，控制电压为零时，伺服电动机相当于一台单相异步电动机，若转子电阻较小，则电机仍然旋转。避免“自转”现象方法：增大转子电阻值。,交流伺服电动机的特点：,（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。,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。,（2）交流伺服电机 R2设计得较大，使Sm1，Tst大，启动迅速，稳定运行范围大。,（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。,交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，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,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0.1-100 W，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:,6.1.2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。,U1为励磁电压，U2为电枢电压,直流伺服电动机的接线图,励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立的电源供电的他励方式,1）结构特点,2）控制方法,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.,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：,问题一：交流伺服电动机当控制电压为零 时，为什么能够迅速停止？,因为交流伺服电动机转子电阻很大，使发生最大电磁转矩的转差率m1。这样，伺服电动机单相运行产生的合成转矩将和普通鼠笼转子的情况相反。转子电阻很大时，脉振磁场分解的正、反相旋转磁场在1时产生的电磁转矩将比在1时产生的转矩大，所以运行中，若交流伺服电动机控制电压为零，伺服电动机处于单相运行状态，此时与转子同向的旋转磁场产生的转矩将小于与转子反向的旋转磁场产生的转矩。因而总的合成电磁转矩将变成制动转矩，在电磁制动转矩的作用下，电动机就能够迅速停止。,6.1.2测速发电机,测速发电机是一种转速测量传感器。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。,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。,由于 恒定，故 与被测转速 成正比,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。,工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电源U1，由 U1 4.44 f1N11 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ET和转子电流IT有：,转子电流 IT也产生磁通T，T 在输出绕组中感应出电压U2：,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。转动方向改变，输出电压 的相位改变1800。,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。,异步测速发电机的误差,主要包括幅值及相位误差和剩余电压误差,1、幅值及相位误差 产生原因：励磁绕组存在漏电感。减小该误差的方法：增大转子电阻（采用杯形）。,2、剩余电压误差 产生原因：由于加工、装配过程中存在机械上 的不对称及定子磁性材料性能的不一致性，使得测速发电机转速为零时，实际输出电压并不为零，此时的电压称为剩余电压，剩余电压引起的误差称为剩余电压误差。减小剩余电压误差的方法：选择高质量的各方向特性一致的磁性材料，在机加工和装配过程中提高机械精度以及装配补偿绕组。,问题二：交流测速发电机的转子静止时有无电压输出？转动时为何输出电压与转速成正比，但频率却与转速无关？,当交流测速发电机的转子静止时，励磁绕组在其轴线方向上产生的脉振磁通与输出绕组的轴线垂直，因而不能在输出绕组中感应电势，也就无电压输出。转动时测速发电机（杯形）转子切割励磁绕组产生的脉振磁通，将在转子导体中感应电势、产生电流；此电流所产生的转子磁通与输出绕组基本一致，输出绕组与转子这部分导体的关系就如变压器原副绕组的关系一样，因而输出绕组将有电压输出。由于切割历次的转子导体感应的电势大小与励磁磁通和转子转速成正比，励磁磁通是脉振磁通（幅值不变，频率为励磁电源频率），所以感应的电势为交变电势，大小正比于转速，交变频率为励磁电源频率。再者，输出绕组的输出电压与此感应电势（按变压器原理）成正比。于是，结论为：输出电压幅值与转速成正比，电压的频率为励磁电源频率与转速无关。,自整角机被广泛用于角度的传输、变换、和指示。,6.3 自整角机,一般成对或多台组合使用：,力矩式自整角机：一个是发送器，另一个是接收机控制式自整角机：一个是发送机，另一个是变压器,自整角机的结构,1.三相整步绕组；2.定子铁心；3.转子铁心；4转子励磁绕组；5 转轴；6 滑环,接线：两机三相整步绕组对应相连，发送机励磁绕组连接单相电源，接收机转子绕组为输出绕组。,6.3.1控制式自整角机,6.3.1控制式自整角机,发送机侧:,6.3.1控制式自整角机,自整角变压器的定子绕组中流过电流：,6.3.1控制式自整角机,单相输出绕组中感应电动势：,输出电压的一般式：,最大输出：,失调角：,当 时，；当 时，,6.3.1控制式自整角机,6.3.1控制式自整角机,应用,接线：将两机的三相整步绕组对应相互连接，两机的励磁绕组与同一个单相电源连接。,6.3.2力矩式自整角机,6.3.2力矩式自整角机,发送机与接收机的同步绕组对应相连接，它们的励磁绕组同接在一单相交流源。发送机转子与接收机转子基准零位都设在与D1轴线重合的位置。接收机转子带动负载。,6.3.2力矩式自整角机,应用：,当发送机的转子转角为1，接收机转子转角为2，在上述假设条件下，力矩式自整角机工作时电机内磁势情况可以看成发送机励磁绕组与接收机励磁绕组分别单独接电源时所产生的磁势的线性叠加。力矩式自整角机的转矩是定子磁势与转子磁势相互作用而产生的。为分析自整角机的力矩，我们先来看看直轴、交轴磁势是如何产生转矩的。,综上所述，同轴磁势不产生转矩，直轴磁势与交轴磁势能够产生转矩，转矩的方向是使两磁势磁轴线靠拢。2）、力矩自整角机的力矩及方向：在接收机中，F2与励磁磁势Ff是同轴磁势，故不会产生力矩，而F1与Ff轴线的夹角即失调角=1-2，不同轴的磁势则产生转矩：若把F2作直轴，那么可把F1分为直轴分量F1cos交轴分量F1sin，如图所示。直轴分量与Ff同轴不产生转矩，交轴分量F1sin则与Ff产生转矩，此转矩称为整步转矩。若=90时产生的最大整步转矩为Tm，那接收机所产生的整步转矩可以表达为T=Tmsin,当失调角越大，自整角接收机产生的整步转矩越大，转矩的方向是使Ff和F1靠拢，即转子往失调角减小的方向旋转，如为空载，最终会消除失调角，此时，两个力矩式自整角机的转子转角相等1=2，=1-2=0，随动系统处于协调位置。但实际上，由于机械摩擦等原因的影响，使空载时失调角并不为0，而存在着一个较小的，误差叫做静态误差，即自整角发送机和接受机转子停止不转时的失调角。,总结：力矩式自整角机和控制式自整角机的区别在于:自整角机控制系统中，当失调角产生时，力矩自整角接收机输出与失调角成正弦关系的转矩，直接带动接收机轴上的机械负载，直至消除失调角。但力矩式自整角机力矩不大，如果机械负载较大，则采用控制式自整角机系统，控制式自整角机把失调角转换为正弦关系的电压输出，经过电压放大器放大后送到交流伺服电动机的控制绕组中，使伺服电机转动，再经齿轮减速后带动机械负载转动，直到消除失调角。,6.4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。,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。,种类：励磁式和反应式两种。,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。转子有四个齿。,定子,转子,1)三相单三拍,A相绕组通电，B、C相不通电。由于在磁场作用下，转子总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种情况下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与A、A极对齐。,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AB 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)转过90(一个齿距角)。,2.三相六拍,按AAB 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。,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：AAB 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)。,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：,运行特性：1、静态运行特性：步进电动机不改变通电情况的运行状态称为静态运行。,2、步进运行状态：当电脉冲频率较低，电机转子完成一步之后，下一个脉冲才到来，电机一步一停的转动，这种状态称之为步进运行状态。,3、连续运行状态：当脉冲的频率f增高，前一个脉冲还未结束，下一个脉冲已经到来，此时，步进电动机已经不是一步一步地转动，而是呈连续运转状态，脉冲频率升高，电机转速增加。,步进电机的应用 步进电动机是用脉冲信号控制的，一周的步数是固定的，只要不丢步，角位移误差不存在长期积累的情况，主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。步进电动机已广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、自动记录仪、钟表等之中，另外在工业自动化生产线、印刷设备等中亦有应用。,问题三：什么是步进电动机的步距角？什么是单三拍通电方式？,步进电动机每次通电工作其转子都将相应转动一个角度，这一过程称为称为一步，工作时每一步步进电动机转子转过的角度称为步进电动机的步距角。步进电动机从一相绕组通电换接到另一相绕组通电称为“一拍”，每次只有一个绕组通电用“单”以示区别于每次有两个的“双”。所谓“单三拍”通电方式是指：步进电动机每次只有一个绕组通电，且完成一个轮流通电的周期需要三拍的工作方式。,