单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,10,章 控制电机,10.1,概述,10.2,步进电动机,10.2.1,结构,10.2.2,工作方式,10.2.3,小步距角的步进电动机,10.3,伺服电动机,10.3.1,交流伺服电动机,10.3.2,直流伺服电动机,第10章 控制电机 10.1 概述,1,前面介绍的异步电动机、直流电动机等都是作为动力使用的，其主要任务是能量转换，例如将电能转换为机械能。本章介绍控制电机。,10.1,概述,如：伺服机将电压信号转换为转矩和转速；,步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移。,控制电机的主要功能是转换和传递信号。,控制电机的种类很多，本章主要介绍,步进机、伺服机。,对控制电机的主要要求：,动作灵敏、准确、,重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等。,前面介绍的异步电动机、直流电动机等都是作为动力使用的，,2,10.2,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。,10.2 步进电动机机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉,3,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。,种类：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,4,10.2.1,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,10.2.1 结构 步进机主要由两部分构成：定子和转子。它,5,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。,A,B,C,定子,转子,I,A,I,B,I,C,定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。,6,10.2.2,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,10.2.2 工作方式 步进电机的工作方式可分为：三相,7,（,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。,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,（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,8,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,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,。,1,C,3,4,2,C,A,B,B,A,CABBCA3412同理，B相通电，转子2、4齿和B相,9,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。,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,10,二、三相单双六拍,三相绕组的通电顺序为：,A,AB,B,BC,C,CA,A,共六拍。,工作过程：,A,相通电，,转子,1,、,3,齿和,A,相对齐。,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,二、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：工作过程：A相通电，转,11,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,15,。,（,1,）,BB,磁场对,2,、,4,齿有磁拉力，该拉力使,转子顺时针方向转动。,A,、,B,相同时通电,（,2,）,AA,磁场继续对,1,、,3,齿有拉力。,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,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,12,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,15,。,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,B,相通电，,转子,2,、,4,齿和,B,相对齐，又转了,15,。,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,13,三、三相双三拍,三相绕组的通电顺序为：,AB,BC,CA,AB,共三拍。,AB,通电,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,BC,通电,三、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：AB通电CABBC,14,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。,工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转,30,，即,S,=30,。,CA,通电,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,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，,15,10.2.3,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,3,度和,1.5,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，图中转子,40,个齿，定子仍是,6,个磁极，但每个磁极上也有五个齿。,10.2.3 小步距角的步进电动机 实际采用的步进电机的步,16,转子的齿距,等于,360,/40=9,，齿宽、齿槽各,4.5,。,为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。,转子的齿距等于360/40=9 ，齿宽、齿槽各4.5,17,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,）。,工作原理：假设是单三拍通电工作方式。（1）A 相通电时，定子,18,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。,若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，异步机的转动方向仍,19,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,Z,r,：转子齿数,如：,Z,r,=40,m,=3,时,步距角,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,20,10.3,伺服电动机,交流伺服电动机和直流伺服电动机。,伺服电动机分类,：,伺服电动机的作用是驱动控制对象。被控对象的转距和转速受信号电压控制，信号电压的大小和极性改变时，电动机的转动速度和方向也跟着变化,。,伺服电动机的作用,10.3 伺服电动机 交流伺服电动机和直流伺服电动机。伺,21,10.3.1,交流伺服电动机,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。,励磁绕组和控制绕组在空间相隔,90,。,控制绕组,励磁绕组,转子,10.3.1 交流伺服电动机 原理与两相交流异步电机相同,22,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,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,23,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,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90,24,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。,放控制绕组的接线检控制信号 工作时两个绕组中产生的电流,25,（,1,）,U,2,=0,时，转子停止。,这时，虽然,U,2,=,0V,，,U,1,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,R,2,设计得较大。所以在,U,2,=0,时，交流伺服电机的,T=f(s),曲线如下页图：,（1）U2=0 时，转子停止。这时，虽然U2=0V，U1,26,当,U,2,=,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,U,2,=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（,U,2,=0,时）,s,T,2,1,0,s,T,T,T,0,2,1,反转,正转,当U2=0V时，脉动磁场分成的正反向旋转磁场产生的转距,27,（,3,）控制电压,U,2,大小变化时，转子转速相应变化，转速与电压,U,2,成正比。,U,2,的极性改变时，转子的转向改变。,（,2,）,交流伺服电机,R,2,设计得较大，使,S,m,1,，,T,st,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,(,U,1,=const,),n,T,U,2,0.8,U,2,0.6,U,2,0.4,U,2,T,n,（3）控制电压 U2 大小变化时，转子转速相应变化，转速与电,28,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,交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，电源频率,29,10.3.2,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：,M,U,1,I,f,I,a,U,2,放,大,器,U,U,1,为励磁电压，,U,2,为电枢电压。,10.3.2 直流伺服电动机结构：与直流电动机基本相同。为,30,由机械特性可知：,(1),U,1,（即磁通,）不变时，一定的负载下，,U,2,n,。,(2),U,2,=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,U,2,0.8U,2,0.6U,2,0.4U,2,n,T,由机械特性可知：反转：电枢电压的极性改变，电机反转。直流伺服,31,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：,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,32,