伺服與步進電機

1、第9章 控制電機,教學要求：,1.了解交流伺服電動機的結構和工作原理。,2.了解直流伺服電動機的結構和工作原理。,3.了解交流測速發(fā)電機的結構和工作原理。,4.了解步進電動機的結構和工作原理。,前面介紹的異步電動機、直流電動機等都是作為動力使用的，其主要任務是能量的轉換。,各種控制電機有各自的控制任務：如: 伺服電動機將電壓信號轉換為轉矩和轉速以驅動控制對象；測速發(fā)電機將轉速轉換為電壓，并傳遞到 輸入端作為反饋信號。步進電

2、動機將脈沖信號轉換為角位移或線位移。,,本章介紹的各種控制電機的主要任務是轉換和傳遞控制信號，能量的轉換是次要的。,控制電機的種類很多，本章只討論常用的幾種:伺服電機、測速電機、步進電機。,對控制電機的主要要求：動作靈敏、準確、 重量輕、體積小、耗電少、運行可靠等。,伺服電動機可分為兩類：,伺服電動機又稱執(zhí)行電動機。其功能是將輸入的電壓控制信號轉換為軸上輸出的角位移和角速度，驅動控制對象。,9.1 伺服電動機,伺服電動機可控性好，

3、反應迅速。是自動控制系統(tǒng)和計算機外圍設備中常用的執(zhí)行元件。,9.1.1 交流伺服電動機,交流伺服電動機就是一臺兩相交流異步電機。它的定子上裝有空間互差90?的兩個繞組：勵磁繞組和控制繞組，其結構如圖所示。,勵磁繞組,控制繞組,杯形轉子,內定子,交流伺服電動機結構圖,勵磁繞組串聯電容C , 是為了產生兩相旋轉磁場。,適當選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電流相位差接近90?,從而產生所需的旋轉磁場。,控制電壓 與電源電壓

4、 頻率相同，相位相同或反相。,交流伺服電動機的工作原理與單相異步電動機有相似之處。,勵磁繞組固定接在電源上，當控制電壓為零時，電機無起動轉矩，轉子不轉。,,交流伺服電動機的特點：不僅要求它在靜止狀態(tài)下，能服從控制信號的命令而轉動，而且要求在電動機運行時如果控制電壓變?yōu)榱?，電動機立即停轉。,但如果交流伺服電動機的參數選擇和一般單相異步電動機相似，電動機一經轉動，即使控制等于零，電動機仍繼續(xù)轉動，電動機失去控制，這種現象稱為“自轉”。,

5、如何克服“自轉”現象呢？,正反向旋轉磁場的合成轉矩特性,當單相勵磁時，在電動機運行范圍0<S1<1時，轉矩為正值，產生電動轉矩，使轉子繼續(xù)轉動。反轉時也同樣為電動轉矩。,現增大轉子電阻，使Sm>1,當單相勵磁時，在電動機運行范圍0<S1<1時，轉矩為負值，產生制動轉矩，使轉子停轉。反轉時也同樣為制動轉矩。,加在控制繞組上的控制電壓反相時(保持勵磁電壓不變)，由于旋轉磁場的旋轉方向發(fā)生變化，使電動機轉子反

6、轉。,,加在控制繞組上的控制電壓大小變化時，其產生的旋轉磁場的橢圓度不同，從而產生的電磁轉矩也不同，從而改變電動機的轉速。,不同控制電壓下的機械特性曲線n=f(T), U1=常數,交流伺服電動機的機械特性如圖所示。,在勵磁電壓不變的情況下，隨著控制電壓的下降，特性曲線下移。在同一負載轉矩作用時，電動機轉速隨控制電壓的下降而均勻減小。,交流伺服電機的輸出功率一般為0.1-100 W，電源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應用很廣

7、泛，如用在各種自動控制、自動記錄等系統(tǒng)中。,應用:,9.1.2 直流伺服電動機,直流伺服電動機的結構與直流電動機基本相同。只是為減小轉動慣量，電機做得細長一些。,直流伺服電動機的工作原理也與直流電動機相同。,供電方式：他勵供電。勵磁繞組和電樞分別由兩個獨立的電源供電。,U1為勵磁電壓，U2為電樞電壓,直流伺服電動機的接線圖,,由機械特性可知：(1) 一定負載轉矩下，當磁通?不變時，U2?? n?。(2) U2=0時，電機立即停

8、轉。,電動機反轉：改變電樞電壓的極性，電動機反轉。,直流伺服電機的機械特性與他勵直流電機相同一樣，也可用下式表示,機械特性曲線如圖所示。,直流伺服電動機的n=f(T)曲線(U1=常數),直流伺服電機的特性較交流伺服電機硬。通常應用于功率稍大的系統(tǒng)中，如隨動系統(tǒng)中的位置控制等。 直流伺服電機輸出功率一般為1-600W。,應用：,9.2 測速發(fā)電機,測速發(fā)電機是一種轉速測量傳感器。在許多自動控制系統(tǒng)中，它被用來測量旋轉裝置的轉

9、速，向控制電路提供與轉速大小成正比的信號電壓。,測速發(fā)電機分為交流和直流兩種類型。,9.2.1 交流測速發(fā)電機,交流測速發(fā)電機又分為同步式和異步式兩種，這里只分析異步式交流測速發(fā)電機的工作原理。,轉子,定子,勵磁繞組,輸出繞組,異步式交流測速發(fā)電機的結構與杯形轉子交流伺服電機相似，它的定子上有兩個繞組，一個是勵磁繞組，一個是輸出繞組。,9.2.1 交流測速發(fā)電機,工作時，測速發(fā)電機的勵磁繞組接交流電源U1，由 U1 ? 4.

10、44 f1N1?1 可知：,當被測轉動軸帶動發(fā)電機轉子旋轉時，轉子切割?1產生轉子感應電勢Er和轉子電流Ir，它們的大小與?1和轉子轉速 n 成正比：,轉子電流 Ir也產生磁通?r ，?r 在輸出繞組中感應出電壓U2 ， U2的大小與?r成正比：,綜合上述分析可知：,當 U1恒定不變時， U2與n 成正比，這樣，發(fā)電機就把被測裝置的轉速信號轉變成了電壓信號，輸出給控制系統(tǒng)。,由于鐵心線圈電感的非線性影響，交流測速發(fā)電機的輸

11、出電壓 U2與n 間存在著一定的非線性誤差，使用時要注意加以修正。,9.2.1 直流測速發(fā)電機,直流測速發(fā)電機分永磁式和他勵式兩種。兩種電機的電樞相同，工作時電樞接負載電阻RL。但永磁式的定子使用永久磁鐵產生磁場，因而沒有勵磁線圈；他勵式的結構與直流伺服電機相同，工作時勵磁繞組加直流電壓U1勵磁。,當被測裝置轉動軸帶動發(fā)電機電樞旋轉時，電樞產生電動勢E，其大小為：,發(fā)電機的輸出電壓為：,上式中代入：,于是,可見，當勵磁電壓U

12、1保持恒定時（ ?亦恒定），若Ra、RL不變，則輸出電壓U2的大小與電樞轉速 n 成正比。這樣，發(fā)電機就把被測裝置的轉速信號轉變成了電壓信號，輸出給控制系統(tǒng)。,值得注意的是，由于直流電機中存在著電樞反應現象，使得輸出電壓U2與轉速n 有一定的線性誤差。 RL越小、n 越大，誤差越大。因此，在使用中應使RL和 n的大小符合直流測速發(fā)電機的技術要求。,測速發(fā)電機的作用是將機械速度轉變?yōu)殡妷盒盘?，在自動控制系統(tǒng)和計算裝置中作為

13、檢測元件、校正元件等。如在恒速控制系統(tǒng)中，測速發(fā)電機將速度轉換為電壓信號作為反饋信號，達到調節(jié)速度的作用。,9.3 步進電動機,特點: (1) 來一個脈沖，轉一個步距角。 (2) 控制脈沖頻率，可控制電機轉速。 (3) 改變脈沖順序，可改變轉動方向。,由于步進電動機的這一工作職能正好符合數字控制系統(tǒng)要求，因此它在數控機床、鐘表工業(yè)及自動記錄儀等方面都有很廣泛的應用,9.3 步進電動機,區(qū)別在于勵磁式步進電機的轉

14、子上有勵磁線圈，依靠電磁轉矩工作。反應式步進電機的轉子上沒有勵磁線圈。依靠變化的的磁阻生成磁阻轉矩工作。反應式步進電機的應用最廣泛，它有兩相、三相、多相之分。這里主要討論三相反應式步進電動機的結構和工作原理。,種類：勵磁式和反應式兩種。,下面以反應式步進電機為例說明步進電機的結構和工作原理。,三相反應式步進電動機的原理結構圖如下：,A,定子內圓周均勻分布著六個磁極，磁極上有勵磁繞組，每兩個相對的繞組組成一相。采用Y連接，轉子

15、有四個齒。,定子,轉子,1.工作原理,由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，因此會在磁力線扭曲時產生切向力，而形成磁阻轉矩，使轉子轉動。,1.三相單三拍,A相繞組通電，B、C相不通電。氣隙產生以A-A為軸線的磁場，而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過，故電動機轉子受到一個反應轉矩，在此轉矩的作用下，轉子必然轉到左圖所示位置：1、3齒與A、A′極對齊。,動畫,“三相”指三相步進電機；“單”指每次只能一相繞組通電；“三拍”指通電三次完成

16、一個通電循環(huán)。,同理，B相通電時，轉子會轉過30?角，2、4齒和B、B´ 磁極軸線對齊；當C相通電時，轉子再轉過30?角，1、3齒和C´、C磁極軸線對齊。,這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。,按A?B ?C ?A ? ……的順序給三相繞組輪流通電，轉子便一步一步轉動起來。每一拍轉過30°(步距角)，每個通電循環(huán)周期(3拍)磁場在

17、空間旋轉了360°而轉子轉過90°(一個齒距角)。,2. 三相六拍,按A?AB ?B ?BC ?C ? CA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制特性。,,A相通電，轉子1、3齒與A、A' 對齊。,A、B相同時通電，A、A' 磁極拉住1、3齒，B、B' 磁極拉住2、4齒，轉子轉過15?，到達左圖所示位置。,動畫,B 相通電，轉子2、4齒與B、B´ 對齊,又轉過

18、15?。,B、C相同時通電，C' 、C 磁極拉住1、3齒，B、B' 磁極拉住2、4齒，轉子再轉過15?。,三相反應式步進電動機的一個通電循環(huán)周期如下：A?AB ?B ?BC ?C ? CA，每個循環(huán)周期分為六拍。每拍轉子轉過15?（步距角），一個通電循環(huán)周期(6拍)轉子轉過90? (齒距角)。,與單三拍相比，六拍驅動方式的步進角更小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。,3. 三相雙三拍,按AB ?BC ?

19、CA的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時通電。,與單三拍方式相似，雙三拍驅動時每個通電循環(huán)周期也分為三拍。每拍轉子轉過30? (步距角)，一個通電循環(huán)周期(3拍)轉子轉過90?(齒距角)。,動畫,從以上對步進電機三種驅動方式的分析可得步距角計算公式：,實用步進電機的步距角多為3?和1.5? 。為了獲得小步距角，電機的定子、轉子都做成多齒的，如教材圖10.4.4所示。圖中轉子表面有40個齒，,齒距角是9?；定子仍是 6個磁

20、極，但每個磁極表面加工有五個和轉子一樣的齒。,步進電動機的應用非常廣泛，如各種數控機床、自動繪圖儀、機器人等。,應用：,步進電動機根據數控裝置發(fā)出的指令帶動電位器的動觸電轉動，使其偏離中點產生電位差，經放大后,控制伺服閥的開口量，壓力油經閥口進入油缸，使機械手按照存儲在數控裝置中的指令動作。,9.5 自動控制的基本概念,用某種裝置代替人，按照人的意愿自動完成一系列控制過程，稱作自動控制。,從結構上看，自動控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制和閉

21、環(huán)控制兩類。,開環(huán)控制系統(tǒng)結構簡單，控制對象按照控制指令工作，但不能根據輸出結果自動調節(jié)，僅用于對控制精度要求不高的場合。,閉環(huán)控制系統(tǒng)結構比較復雜。把輸出信號的一部分通過反饋環(huán)節(jié)引回到輸入端，與給定信號比較，得到誤差信號，再送入控制對象去調節(jié)輸出結果。如此反復循環(huán)，直至誤差為零。這種控制是通過反饋來實現的，所以也叫做反饋控制系統(tǒng)。,閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)）的各個基本環(huán)節(jié)如下圖所示：,系統(tǒng)中各部分的作用如下：,給定元

22、件——把控制指令變成給定值。它與被調量存在著一定的函數關系。改變給定值，即可改變被調量。,精品課件！,精品課件！,檢測元件——把被調量檢測出來，按一定的函數關系反饋到輸入端。,比較元件——把反饋信號Uf與給定信號Ug比較以獲取誤差信號Ud。,放大元件——當誤差信號太微弱時，需要用放大元件把誤差信號放大到足以推動執(zhí)行元件的程度。,執(zhí)行元件——直接推動控制對象改變被調量。,控制對象——由執(zhí)行元件推動的各種裝置，如各種機械負載、發(fā)電機、