第九章 控制电机定稿优秀PPT.ppt

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1、第九章 控制电机定稿1第一页，本课件共有36页第第9章章 控制电机控制电机 教学要求：教学要求：1.了解交流伺服电动机的结构和工作原理了解交流伺服电动机的结构和工作原理;2.了解直流伺服电动机的结构和工作原理了解直流伺服电动机的结构和工作原理;3.了解交流测速发电机的结构和工作原理了解交流测速发电机的结构和工作原理;4.了解步进电动机的结构和工作原理。了解步进电动机的结构和工作原理。2第二页，本课件共有36页交交流流伺伺服服电电动动机机直直流流伺伺服服电电动动机机交交流流测测速速发发电电机机直直流流测测速速发发电电机机步步进进电电动动机机原原理理概概述述三相三相反应反应式步式步进电进电动机动机

2、的工的工作原作原理机理机控制电机控制电机伺服电动机伺服电动机测速电动机测速电动机步进电动机步进电动机3第三页，本课件共有36页 前前前前面面面面介介介介绍绍绍绍的的的的异异异异步步步步电电电电动动动动机机机机、直直直直流流流流电电电电动动动动机机机机等等等等都都都都是是是是作作作作为为为为动力使用的，其主要任务是能量的转换。动力使用的，其主要任务是能量的转换。动力使用的，其主要任务是能量的转换。动力使用的，其主要任务是能量的转换。各种控制电机有各自的控制任务：各种控制电机有各自的控制任务：各种控制电机有各自的控制任务：各种控制电机有各自的控制任务：如如:伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱

3、伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱动控制对象；测速发电机将转速转换为电压，并传动控制对象；测速发电机将转速转换为电压，并传递到递到递到递到 输入端作为反馈信号。步进电动机将脉冲信号输入端作为反馈信号。步进电动机将脉冲信号输入端作为反馈信号。步进电动机将脉冲信号输入端作为反馈信号。步进电动机将脉冲信号转换为角位移或线位移。转换为角位移或线位移。本章介绍的各种本章介绍的各种控制电机的主要任务是转换和控制电机的主要任务是转换和控制电机的主要任务是转换和控制电机的主要任务是转换和传递控制信号，传递控制信号，能量的转换是次要的。能量的转换是次要的。控制电机的种类很多，本章只讨论常用的几种控制电机的

4、种类很多，本章只讨论常用的几种:伺服电机、测速电机、步进电机。伺服电机、测速电机、步进电机。伺服电机、测速电机、步进电机。伺服电机、测速电机、步进电机。对控制电机的主要要求：对控制电机的主要要求：对控制电机的主要要求：对控制电机的主要要求：动作灵敏、准确、动作灵敏、准确、重量重量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。轻、体积小、耗电少、运行可靠等。4第四页，本课件共有36页伺服电动机可分为两类：伺服电动机可分为两类：伺服电动机又称执行电动机。其伺服电动机又称执行电动机。其功能是功能是将输入的电压控制信号转换为轴上输出的角位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。移和角速度，

5、驱动控制对象。交流伺服电动机交流伺服电动机 直流伺服电动机直流伺服电动机第一节第一节 伺服电动机伺服电动机 伺服电动机可控性好，反应迅速。是自动控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。制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。5第五页，本课件共有36页一、一、交流伺服电动机交流伺服电动机 交流伺服电动机就是一台交流伺服电动机就是一台两相交流异步两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差电机。它的定子上装有空间互差9090 的的两个绕两个绕组：励磁绕组和控制绕组。如图示：组：励磁绕组和控制绕组。如图示：励磁绕组和控制绕组它们可以有相同或不同的匝励磁绕组和控制绕

6、组它们可以有相同或不同的匝数。数。励磁绕组运行时接到电压为励磁绕组运行时接到电压为Uf的交流电源上，的交流电源上，另一相作为控制绕组，控制绕组输入控制信号电另一相作为控制绕组，控制绕组输入控制信号电压压Uk。电压电压Uf和和Uk同频率，同频率，一般为一般为50 Hz或或400 Hz。6第六页，本课件共有36页交流伺服电动机结构交流伺服电动机结构交流杯形伺服电动机交流杯形伺服电动机1 1 励磁绕组励磁绕组 2 2 控制绕组控制绕组 3 3 内定子内定子 4 4 外定子外定子 5 5转子转子；7第七页，本课件共有36页1、伺服电动机的内部结构、伺服电动机的内部结构 常常用用的的转转子子结结构构有有

7、两两种种形形式式：高高电电阻阻笼笼型型转转子子和和非非磁磁性性空空心心杯杯转转子子。高高电电阻阻笼笼型型转转子子的的结结构构和和普普通通笼笼型型感感应应电电动动机机一一样样，但但是是为为了了减减小小转转子子的的转转动动惯惯量量，常常将将转转子子做做成成细细而而长长的的形形状状。笼笼型型转转子子的的导导条条和和端端环环可可以以采采用用高高电电阻阻率率的的材材料料（如如黄黄铜铜、青青铜铜等等）制制造造，也也可可采采用用铸铸铝铝转转子子。目目前前我我国国生生产产的的SL系系列列两两相相交交流伺服电动机就采用铸铝转子。流伺服电动机就采用铸铝转子。8第八页，本课件共有36页杯型转子伺服电动机的结构如图杯

8、型转子伺服电动机的结构如图9-1所示。所示。电动电动机中除了有和一般感应电动机一样的定子外，机中除了有和一般感应电动机一样的定子外，还还有一个内定子。有一个内定子。内定子是由硅钢片叠压而成的圆内定子是由硅钢片叠压而成的圆柱体，柱体，通常内定子上无绕组，通常内定子上无绕组，只是代替笼形转只是代替笼形转子铁心作为磁路的一部分，子铁心作为磁路的一部分，作用是减少主磁通磁作用是减少主磁通磁路的磁阻。路的磁阻。在内外定子之间有一个细长的、在内外定子之间有一个细长的、装装在转轴上的空心杯形转子，在转轴上的空心杯形转子，杯形转子通常用非磁杯形转子通常用非磁性材料铝或铜制成，性材料铝或铜制成，壁很薄，壁很薄，

9、因而具有较大的因而具有较大的转子电阻和很小的转动惯量。转子电阻和很小的转动惯量。杯形转子可以在内杯形转子可以在内外定子间的气隙中自由旋转，外定子间的气隙中自由旋转，电动机依靠杯形转电动机依靠杯形转子内感应的涡流与气隙磁场作用而产生电磁转矩。子内感应的涡流与气隙磁场作用而产生电磁转矩。9第九页，本课件共有36页2.工作原理工作原理 图图9-2所所示示为为两两相相交交流流伺伺服服电电动动机机的的原原理理图图。两两相相绕绕组组轴轴线线位位置置在在空空间间相相差差90电电角角度度，当当 两两 相相 绕绕 组组 分分 别别 加加 以以 交交 流流 电电 压压 以以后后，就就会会在在气气隙隙中中产产生生旋

10、旋转转磁磁场场。当当转转子子导导体体切切割割旋旋转转磁磁场场的的磁磁力力线线时时，便便会会感感应应电电动动势势，产产生生电电流流，转转子子电电流流与与气气隙隙磁磁场场相相互互作作用用产产生生电电磁磁转转矩矩，使使转转子子随随旋旋转转磁场的方向而旋转。磁场的方向而旋转。10第十页，本课件共有36页11第十一页，本课件共有36页 工作时两个绕组中产生的电流工作时两个绕组中产生的电流 和和 的相位差近于的相位差近于90，因此便产生两相旋转磁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。场。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。控制电压控制电压 与电源电压与电源电压 频率相同，频率相同，相

11、位相同或反相。相位相同或反相。加在控制绕组上的控制电压反相时加在控制绕组上的控制电压反相时(保持励保持励磁电压不变磁电压不变)，由于旋转磁场的旋转方向发生，由于旋转磁场的旋转方向发生变化，使电动机转子反转。变化，使电动机转子反转。交流伺服电动机的特点：交流伺服电动机的特点：在电动机运行时如在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。果控制电压变为零，电动机立即停转。12第十二页，本课件共有36页图图图图9-3 9-3 不同控制电压下的机械特性曲线不同控制电压下的机械特性曲线不同控制电压下的机械特性曲线不同控制电压下的机械特性曲线n n=f f(T T),),U U1 1=常数常数常数常数

12、 交流伺服电动机的机械特性如图所示。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，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。电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。T TU U2 20.8 U20.6 U20.40.4 U U2 2OnT TL L13第十三页，本课件共有36页 交流伺服电机的输出功率一般为交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，电源频率分电源频率分50Hz、400Hz等等多种。它的应用很广泛，如用多种。它的应用很广泛，如用在各种

13、自在各种自动控制、自动记录等系统中。动控制、自动记录等系统中。应用应用应用应用:因此，因此，杯形转子交流伺服电动机的优杯形转子交流伺服电动机的优点为转动惯量小，点为转动惯量小，摩擦转矩小，摩擦转矩小，因此因此快速响应好；运行平稳，噪声小，但快速响应好；运行平稳，噪声小，但转速变化与控制电压是非线性的关系。转速变化与控制电压是非线性的关系。14第十四页，本课件共有36页二、二、直流伺服电动机直流伺服电动机 直流伺服电动机的结构与直流伺服电动机的结构与直流伺服电动机的结构与直流伺服电动机的结构与直流电动机基本相直流电动机基本相直流电动机基本相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

14、。同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。直流伺服电动机的直流伺服电动机的工作原理也与直流电动机工作原理也与直流电动机相同。相同。供电方式：供电方式：他励供电。励磁绕组和电枢分别由两个独立他励供电。励磁绕组和电枢分别由两个独立的电源供电。的电源供电。U1为励磁电压为励磁电压U2为电枢电压为电枢电压MU1I1I2U2放放放放大大大大器器器器U+直流伺服电动机的接线图直流伺服电动机的接线图15第十五页，本课件共有36页由机械特性可知：由机械特性可知：由机械特性可知：由机械特性可知：(1)(1)一定负载转矩下，当磁

15、通不变时，一定负载转矩下，当磁通不变时，U2 n n 。(2)(2)U U2=0时，电机立即停转。时，电机立即停转。电动机反转：电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机反转。改变电枢电压的极性，电动机反转。直流伺服电机的机直流伺服电机的机械特性与他励直流电机械特性与他励直流电机相同一样，也可用下式相同一样，也可用下式表示表示机械特性曲线如图所示。机械特性曲线如图所示。直流伺服电动机的机械特性直流伺服电动机的机械特性n=f(T)曲线曲线(U1=常数常数)U20.8U20.6U20.4U2nTO16第十六页，本课件共有36页图图9-7 电枢控制直流伺服电动机的调节特性电枢控制直流伺服电动机的调节特性

16、 nOUaT L1T L2T L3T L1T L2 T L3负载转矩负载转矩T恒恒定时，转速定时，转速n与与电枢电压电枢电压U也也是成线性关系是成线性关系的。的。17第十七页，本课件共有36页 直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。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。中的位置控制等。直流伺服电机输出功率一般为直流伺服电机输出功率一般为1-600W。应用：应用：18第十八页，本课件共有36页第二节第二节 测速发电机测速发电机 测速发电机是一种测量转速的小型发电机。它能测速发电机是一种测量转速的小型发电机。它

17、能够将旋转机械的转速变换为电压信号输出，改输出电够将旋转机械的转速变换为电压信号输出，改输出电压的大小与转速成正比。在许多自动控制系统中，它压的大小与转速成正比。在许多自动控制系统中，它被用来测量旋转装置的转速，向控制电路提供与转速被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。大小成正比的信号电压。测速发电机按其输出电压的性质分为交流和直流测速发电机按其输出电压的性质分为交流和直流两种类型。两种类型。19第十九页，本课件共有36页 1转子转子定子定子励磁绕组励磁绕组输出绕组输出绕组交流测速发电机的结构与杯形转子交流伺服电机相似，交流测速发电机的结构与杯形转子交流伺服电机相

18、似，它的定子上有两个绕组，一个是励磁绕组，一个是输它的定子上有两个绕组，一个是励磁绕组，一个是输出绕组。出绕组。输出输出绕组绕组+励磁励磁绕组绕组+一一 交流测速发电机交流测速发电机20第二十页，本课件共有36页 工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电源源U1，由，由 U1 4.44 f1N1 1 可知：可知：当被测转动轴带动发电机转子旋转时，转当被测转动轴带动发电机转子旋转时，转子切割子切割 1产生转子感应电势产生转子感应电势Er和转子电流和转子电流Ir，它们的大小与它们的大小与 1和转子转速和转子转速 n 成正比：成正比：转子电流转子电流 Ir也产生磁通也

19、产生磁通 r，r 在输出绕组中感在输出绕组中感应出电压应出电压U2 ，U2的大小与的大小与 r r成正比：成正比：21第二十一页，本课件共有36页 综合上述分析可知：综合上述分析可知：当当 U U1 1恒定不变时，恒定不变时，U U2 2与与n 成正比，这样，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。信号，输出给控制系统。由于铁心线圈电感的非线性影响，交流测由于铁心线圈电感的非线性影响，交流测速发电机的输出速发电机的输出电压电压 U U2 2与与n 间存在着一定的非间存在着一定的非线性误差，使用时要注意加以修正。线性误差

20、，使用时要注意加以修正。22第二十二页，本课件共有36页二、二、直流测速发电机直流测速发电机 直流测速发电机分永磁式和他励式两种。直流测速发电机分永磁式和他励式两种。两种电机的电枢相同，工作时电枢接负载电阻两种电机的电枢相同，工作时电枢接负载电阻RL。但永磁式的定子使用永久磁铁产生磁场，。但永磁式的定子使用永久磁铁产生磁场，因而没有励磁线圈；他励式的结构与直流伺服因而没有励磁线圈；他励式的结构与直流伺服电机相同，工作时励磁绕组加直流电压电机相同，工作时励磁绕组加直流电压U1励磁。励磁。他他励式直流测速发电机接线图励式直流测速发电机接线图TGRLI2U2+Ra+EI1U1+23第二十三页，本课件

21、共有36页 当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时，当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时，电枢产生电动势电枢产生电动势E，其大小为：，其大小为：发电机的发电机的输出电压为：输出电压为：上式中代入：上式中代入：于是于是该式表示：当该式表示：当RL为定值时，直流为定值时，直流测速发电机的输测速发电机的输出电压出电压U与转速与转速成成n正比。正比。24第二十四页，本课件共有36页 可见，当励磁电压可见，当励磁电压U1保持恒定时（保持恒定时（亦亦恒恒定定），若，若Ra、RL不变，则输出电压不变，则输出电压U2的大小的大小与与电枢转速电枢转速 n 成正比。成正比。这样，发电机就把被测装这样，发电机就把被测

22、装置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制系统。系统。0nU2RL2RL1RL=RL2RL125第二十五页，本课件共有36页 值得注意的是，由于直流电机中存在着电值得注意的是，由于直流电机中存在着电枢反应现象，使得输出电压枢反应现象，使得输出电压U2与转速与转速n 有一定有一定的线性误差。的线性误差。RL越小、越小、n 越大，误差越大。因越大，误差越大。因此，在使用中应使此，在使用中应使RL和和 n的大小符合的大小符合直流测速直流测速发电机的技术要求。发电机的技术要求。26第二十六页，本课件共有36页第三节第三节 步进电动机步进电动机特点特点特点特点:(

23、1)1)来一个脉冲，转一个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。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。控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。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。改变脉冲顺序，可改变转动方向。步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段距离。又称为脉冲电动机。距离。又称为脉冲电动

24、机。区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应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。式步进电机的转子上没有励磁线圈。式步进电机的转子上没有励磁线圈。式步进电机的转子上没有励磁线圈。种类种类：励磁式励磁式和和反应式反应式反应式反应式两种。两种。27第二十七页，本课件共有36页 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的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。结构和工作原理。三相反应式步进电动机的原理结构图三相反应式步进电动机的原理结构图如下：如下：定子

25、内圆周定子内圆周均匀分布着六个均匀分布着六个磁极，磁极上有磁极，磁极上有励磁绕组，每两励磁绕组，每两个相对的绕组组个相对的绕组组成一相。转子有成一相。转子有四个齿。四个齿。定子定子ABCIAIBIC转子转子28第二十八页，本课件共有36页1.1.三相单三拍三相单三拍CABBCA3412 A相绕组通电，相绕组通电，B、C相相不通电。由于在磁场作用下，不通电。由于在磁场作用下，转子总是力图旋转到磁阻最转子总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种情况下，小的位置，故在这种情况下，转子必然转到左图所示位置：转子必然转到左图所示位置：1、3齿与齿与A、A极对齐。极对齐。二、三相反应式步进电动机的工作原理二

26、、三相反应式步进电动机的工作原理步进电动机工作时，驱动电源将脉冲信号电压按一步进电动机工作时，驱动电源将脉冲信号电压按一定的顺序轮流加到定子三相绕组上，按通电的顺序定的顺序轮流加到定子三相绕组上，按通电的顺序不同，三相反应式步进电动机有单三拍控制、双三不同，三相反应式步进电动机有单三拍控制、双三拍控制和六拍控制等三种方式。拍控制和六拍控制等三种方式。29第二十九页，本课件共有36页CABBCA3412 同理，同理，B相通电时，转子会转过相通电时，转子会转过30 角，角，2、4齿和齿和B、B 磁极轴线对齐；当磁极轴线对齐；当C相通电时，转子相通电时，转子再转过再转过30 角，角，1、3齿和齿和C

27、、C磁极轴线对齐。磁极轴线对齐。1C342CABBA30第三十页，本课件共有36页 这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循这种工作方式下，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。相单三拍工作方式。按按AB C A 的顺序给三相绕组轮的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30(步步距角距角)，每个通电循环周期，每个通电循环周期(3拍拍)转过转过90(一个齿距角一个齿距角)。2.2.三相双三拍三相双三拍按按AB BC CA的顺序

28、给三相绕组轮流通的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电电。每拍有两相绕组同时通电。31第三十一页，本课件共有36页AB通电通电CABBCA3412BC通电通电3412CABBCACA通电通电CABBCA3412 与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循循环周期也分为三拍。每拍转子转过环周期也分为三拍。每拍转子转过30 (步距角步距角)，一一个通电循环周期个通电循环周期(3拍拍)转子转过转子转过90(齿距角齿距角)。32第三十二页，本课件共有36页CABBCA3412CABBCA3412 A相通电，相通电，转子转子1、3齿与齿与A、A 对齐。对齐。

29、A、B相同时通电，相同时通电，A、A 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，转子齿，转子转转过过15，到达左图所示位到达左图所示位置。置。3.六拍控制六拍控制六拍控制六拍控制按按AAB B BC C CA的顺序给三相绕组轮的顺序给三相绕组轮流通电。流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。这种方式可以获得更精确的控制特性。33第三十三页，本课件共有36页CABBCA3412 B 相通电，相通电，转子转子2、4齿与齿与B、B 对齐对齐,又转又转过过15。3412CABBCA B、C相同时通电，相同时通电，C、C 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、

30、4齿，转子再转齿，转子再转过过15。结论：三相反应式步进电动机的结论：三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：一个通电循环周期如下：AAB B BC C A，每个循环周期，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过分为六拍。每拍转子转过15（步（步距角），距角），一个通电循环周期一个通电循环周期(6拍拍)转子转过转子转过90 (齿距角齿距角)。与单三拍与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，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。更适用于需要精确定位的控制系统中。34第三十四页，本课件共有36页 从以上对步进电机三种驱动方式的分析可从以上对步进电机三种驱动方式的分析可得步

31、距角计算公式：得步距角计算公式：步距角步距角Zr 转子齿数转子齿数m 每个通电循环周期的拍数每个通电循环周期的拍数 实用步进电机的步距角多为实用步进电机的步距角多为3 和和1.5 。为了获得。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的，如教材图小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的，如教材图9-11所示。图中转子有所示。图中转子有40个齿，齿距角是个齿，齿距角是9 9；定子仍定子仍是是 6 6个磁极，但每个磁极表面加工有五个和转子一样个磁极，但每个磁极表面加工有五个和转子一样的齿。的齿。35第三十五页，本课件共有36页步步步步进电动机也可制成四相、五相、六相或更多相数，进电动机也可制成四相、五相、六相或更多相数，以减小步距角，改善运行性能，但相数越多，电动以减小步距角，改善运行性能，但相数越多，电动机的结构和它的驱动电源就越复杂。机的结构和它的驱动电源就越复杂。步进电动机的应用非常广泛，如各种数控机床、自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。动绘图仪、机器人等。当采用单三拍控制时：当采用单三拍控制时：采用六拍控制时：采用六拍控制时：36第三十六页，本课件共有36页