第05章 控制用电机

控制用电机§5-1伺服电动机§5-2自整角机§5-3测速发电机§5-5步进电动机内容简介控制电机主要用于自动控制系统中作为检测、比较、放大和执行元件。其任务是转换和传递控制信号。本章将介绍几种常用的控制电机：伺服电动机，测速发电机，自整角机，步进电动机。§5-1伺服电动机伺服电动机是一种把输入的电信号转换为转轴上的角位移或角速度来执行控制任务的电动机，又称执行电动机。按电流种类分，伺服电动机分为交流和直流两种。原理与两相交流异步电机相同，定子上装有两个绕组—励磁绕组和控制绕组，在空间相隔90。一.交流伺服电动机控制绕组励磁绕组转子励磁绕组中串联电容C的目的是为了产生两相旋转磁场。接线：励磁绕组的接线放大器控制绕组的接线检测元件控制信号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，因此便产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。1例：选择电容，可使交流伺服电机电路中的电压电流的相量关系如图所示。励磁绕组的接线放大器控制绕组的接线检测元件控制信号工作时两个绕组中产生的电流和的相位差近90°，因此便产生旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子转动起来。控制电压与电源电压两者频率相同，相位相同或反相。（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。交流伺服电动机的特点：原因：交流伺服电机R2 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 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：定子绕组产生的脉动磁场（），可用正、反两个旋转磁场合成而等效。即：+-=+-=mtm二.单相异步电动机的机械特性脉动磁场的分解④④⑥⑥⑧⑧②②-+③③⑦⑦⑨⑨⑤⑤①①+-单相异步电动机的机械特性n=ｆ(T)(或T=ｆ(s))就是同向和反向旋转磁场分别产生的机械特性的合成。当单相异步电动机的转子在外力作用下向某一方向(设向B'm的顺时针方向)转动时,转子相对于两个反向旋转磁场的转差率是不同的.转子对于与其同向旋转磁场的转差率为而与反向旋转磁场的转差率则为正反向旋转磁场的合成转矩特性合成转矩起动转矩为零。（正向）（反向）正转转反当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。交流伺服电动机的T=f(s)曲线（U2=0时）s'T210s"T"T'T021反转正转（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。（2）交流伺服电机R2设计得较大，使Sm>1，Tst大，启动迅速，稳定运行范围大。交流伺服电动机的机械特性曲线(U1=const)nTU20.8U20.6U20.4U2Tn交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100W，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。应用二.直流伺服电动机结构：与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做得细长一些。工作原理：与直流电动机相同。供电方式：他励。励磁绕组和电枢由两个独立电源供电：MU1IfIaU2放大器UU1为励磁电压，U2为电枢电压。由机械特性可知：(1)U1（即磁通）不变时，一定的负载下，U2,n。(2)U2=0时，电机立即停转。反转：电枢电压的极性改变，电机反转。直流伺服电机的机械特性公式与他励直流电机一样：机械特性曲线U20.8U20.6U20.4U2nT直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。经常用在功率稍大的系统中，它的输出功率一般为1-600W。它的用途很多，如随动系统中的位置控制等。应用：自整角机作用：测量、控制；信号传递；1、结构，型号2、连接3、工作原理4、应用例举5、提问、答疑、实物。自整角机1、结构：从结构上讲，自整角机有两种形式。一种形式是：定子是三相的，转子是单相的；另一种形式是：定子是单相的，转子是三相的。在应用中，自整角机总是成对使用，一个作为发送，一个作为接收。由于使用上的不同，有力矩式和控制式两种。其功能是同步传递角度2、原理：力矩式自整角机发送机接受机在发送机中，这三个电动势分别为，和。在接收机中，分别为，和。当两转子具有相同位置时，即时，。因而不产生电流，也没有电磁转矩，两电机静止不动。当发送机的转子转动一个角度后，。两电机绕组中的各相电动势不再平衡，因而产生电流，在磁场的将产生转矩。总是力图使两转子的位置趋向一致。接收机的转子在转矩的作用下产生了随动动作，直至，实现了转角随动的作用。控制式自整角机又称为变压器式自整角机。发送机的转子绕组作为励磁绕组接在固定交流电源上。接收机的转子绕组则作为输出绕组，其输出电压的大小和相位与失调角有关。原理：控制式自整角机由于发送机励磁绕组的脉动磁通在定子三相绕组中感应有电动势，而接收机定子三相绕组中却没有感应电动势，所以在定子三相回路中总是有电流通过。这三个电流I1，I2和I3流经接收机的定子绕组，便在接收机的转子绕组中感应出电压。理论上可以证明，假若事先将两个转子的相对轴位置置成900，那么，接收机转子单相绕组的输出电压U2的大小和相位与失调角有关。它们的关系是Um为输出电压最大值应用举例1、力矩：舵角指示器2、变压器：自动舵多级测量与反馈§5-3测速发电机测速发电机有交流和直流两种。测速发电机是一种把机械上的旋转角速度转变成电信号的发电机。它的定子上有两个绕组，一个作励磁用，称为励磁绕组1；另一个输出电压，称为输出绕组2。两个绕组的轴线互相垂直，一、交直流测速发电机的要求介绍1、测速发电机是一种把机械上的旋转角速度转变成电信号的发电机。控制系统对测速发电机的基本要求时：输出电压与转速保持原格的线性好关系电机的转动惯量要小，以保持测速电机的响应速度灵敏度要搞，及输出电压对转速的变化反应要灵敏抗外界环境温度、无线通讯信号、噪声干扰的能力强。结构简单，工作可靠体积小，重量轻。2、测速发电机有交流和直流两种。测速发电直流测速发电机交流测速发电机霍尔效应发电机测速发电机测速发电机直流测速发电机交流测速发电机霍尔效应发电机一、直流测速发电机直流测速发电机永磁式电磁式直流测速发电机工作原理与他里直流电机相同电磁式测速发电机工作原理与直流伺服电机相同二、交流测速发电机目前应用较多的是空心环型异步转自测速发电机，结构与环形转子交流电动机相同。1、结构特点：非磁性环形薄避，两定子绕组互成90度。2、工作原理：当发电机静止时，输出电压为零。当测速发电机由被测转轴带动而旋转时，输出绕组2就有电压输出。的频率与电源电压的频率相同，它的大小与发电机的转速n成正比。转子中感应出电动势和相应的转子电流与磁通及转速n成正比，转子电流也要产生磁通，两者也成正比，即磁通与输出绕组的轴线一致，因而在其中感应出电动势，两端就有一个输出电压。正比于，即该式表明：当励磁电压U1一定时，输出绕组输出电压U2的大小与n成正比。转向改变时，U2的相位角也随之改变。3、交流测速发电机选用原则交流测速发电机主要用于交流伺服系统和模拟解算装置中，根据系统的频率、电压、转速范围和用途选择。与直流测速电机相比，交流电机：优点：结构简单，维护容易，运行可靠，无刷，输出稳定，精度高，摩擦力矩小转动惯量小，正反相电压对称性好。缺点：存在相位误差和剩余电压；输出特性随负载性质不同。§5-5步进电动机机理：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。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。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，改变方向。种类：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上没有励磁线圈。应用：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。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。1.结构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。定子转子定子绕组定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。注意：这里的相和三相交流电中的“相”的概念不同。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。ABC定子转子IAIBIC2.工作方式步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。一.三相单三拍（1）三相绕组联接方式：Y型（2）三相绕组中的通电顺序为：A相B相C相通电顺序也可以为：A相C相B相（3）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阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A相通电，A方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁A相通电使转子1、3齿和AA'对齐。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412同理，B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30；C相通电再转30。1C'342CA'BB'A这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过30。此角称为步距角，用S表示。（2）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。工作原理：假设是单三拍通电工作方式。（1）A相通电时，定子A相的五个小齿和转子对齐。此时，B相和A相空间差120，含120/9=齿A相和C相差240，含240/9=个齿。所以，A相的转子、定子的五个小齿对齐时，B相、C相不能对齐，B相的转子、定子相差1/3个齿（3），C相的转子、定子相差2/3个齿（6）。若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转1.5。异步机的转动方向仍由相序决定。同理，C相通电再转3……（2）A相断电、B相通电后，转子只需转过1/3个齿（3），使B相转子、定子对齐。f：电脉冲的频率转速步进机通过一个电脉冲,转子转过的角度,称为步距角。m:一个周期的运行拍数Zr：转子齿数如：Zr=40,m=3时步距角