1、控制电机,第八章,8.1控制电机概述,这些电机在结构上、运行方式等方面均存在一定的差别，但均基于电磁感应原理，而且电机在应用上、性能指标等方面，均着眼于,如功率、转矩、效率等,这类电机称为动力电机。,8.1控制电机概述,原理上和前面介绍的动力电机没有本质的区别，均基于电磁感应原理，但在结构上有很多的特点，性能指标、技术指标也不相同，应用上也不再以力能指标作为关注点，而是关注于其控制性能与控制作用，如控制精度、响应速度、可靠性等方面，着眼于:,常用控制电机有：,8.1控制电机概述,故要求控制电动机具有精度高，响应快，可靠性高等,总结:,8.2伺服电动机,一、概述： 又称为执行电动机，在控制系统中
2、作为为执行元件。,8.2伺服电动机,一、概述： 又称为执行电动机，在控制系统中作为执行元件。,8.2伺服电动机,一、概述： 又称为执行电动机，在控制系统中作为执行元件。,如：各类加工机械(数控机床、)、各类机器人、自动化生产线、医疗设备、计算机(光驱、硬盘驱动器、软驱等、打印机)等,1、基本结构：类似于普通小型直流机，但一般较细长，响应速度快。（GD2小）2、原理：类似于直流电动机。,8.2伺服电动机,二、直流伺服电动机：,以电机模型来做简要分析。,3、控制方式：伺服电机是将控制信号(一般为电压信号)转变成速度信号输出，该控制信号可以加到电枢端，也可以加到励磁端。,控制电压施加的方式不同，分为
3、,8.2伺服电动机,二、直流伺服电动机：,4、机械特性：,8.2伺服电动机,二、直流伺服电动机：,采取电枢控制，且忽略电枢反应,如图。,4、机械特性：,8.2伺服电动机,二、直流伺服电动机：,如图。,4、机械特性：,8.2伺服电动机,二、直流伺服电动机：,如图。,说明：堵转转矩反应了电机对某一控制电压能作出反映的最大负载大小。反映了直流伺服电机的负载能力。对应某一控制电压，若负载转矩,则电机堵转，达不到控制作用。,4、机械特性：,8.2伺服电动机,二、直流伺服电动机：,如图。,机械特性曲线比较直观地反应出了转速随负载的变化情况，但对于控制电压UK对转速的控制作用在单条曲线中没有反应出来，而是运
4、动控制中，为了控制伺服电机的转速，需要知道电动机在带负载以后，转速随控制电压UK变化的情况。 为直观反映控制电压UK对转速的控制作用，引入调节特性的概念。,因：所以：和 之间是线性关系，且改变 ，曲线平移,、当一定(即一定)，电机稳态转速与控制电压的关系，即,5、调节特性：,8.2伺服电动机,二、直流伺服电动机：,、特点：如图：,5、调节特性：,8.2伺服电动机,二、直流伺服电动机：,如图：,始动电压：调节特性与横坐标的交点(n=0)称为某一转矩T时的始动电压，即对应于某一负载转矩，电机处于待动而未动的临界电压。其大小为：,5、调节特性：,8.2伺服电动机,二、直流伺服电动机：,如图：,、某转
5、矩对应的始动电压时，则电动机不能起动,5、调节特性：,8.2伺服电动机,二、直流伺服电动机：,如图：,、失灵区的大小与电磁转矩(负载转矩)的大小有关，为提高灵敏度，一般要求始动电压小。,8.2伺服电动机,二、直流伺服电动机：,始动电压：,是互相制约的。,反映了直流伺服电机的负载能力。,反映了直流伺服电机的灵敏度。,从对堵转转矩和始动电压的分析可知：,1、基本结构：类似于两相交流异步电动机。如图。,8.2伺服电动机,三、交流伺服电动机：,空心杯转子的结构及特点：转动惯量小非磁性材料有助于产生涡流。,1、基本结构：类似于两相交流异步电动机。如图。,8.2伺服电动机,三、交流伺服电动机：,1、基本结
6、构：类似于两相交流异步电动机。如图。,8.2伺服电动机,三、交流伺服电动机：,解释空心杯的含义。,2、工作原理：类似于单相异步电动机。,8.2伺服电动机,三、交流伺服电动机：,、原理图：,2、工作原理：,8.2伺服电动机,三、交流伺服电动机：,、原理分析：,2、工作原理：,8.2伺服电动机,三、交流伺服电动机：,、原理分析：,当控制电压消失时(即Uc=0)时，电机将如何运行？,若为普通的两相电机，当控制电压消失时，电机单相运行，转速将有所下降，但仍将能继续旋转，前面介绍的单相电机就是这样工作的。但对于控制电机，是一种失控现象，称为自转，对于控制电机是不允许的。,2、工作原理：,8.2伺服电动机
7、,三、交流伺服电动机：,、原理分析：,当控制电压消失时(即Uc=0)时，电机将如何运行？,根据控制电机的可控性要求，,电机的失控又称为自转，将影响控制的可靠性。,下面来分析讨论转子电阻大()对电机性能的影响。,3、性能指标及要求：,8.2伺服电动机,三、交流伺服电动机：,无论单、三相感应电机，其稳定运行区域为，,增大转子电阻大对电机性能的影响：,3、性能指标及要求：,8.2伺服电动机,三、交流伺服电动机：,而一般的,很小，表明稳定运行区域窄。若：,4、自转现象讨论：,8.2伺服电动机,三、交流伺服电动机：,正常情况：,电机的失控又称为自转，将影响控制的可靠性。,4、自转现象讨论：,8.2伺服电
8、动机,三、交流伺服电动机：,、自转现象1：如图。,4、自转现象讨论：,8.2伺服电动机,三、交流伺服电动机：,、自转现象1：如图。,、失控现象2：如图。,以上两种自转现象均是在没有控制电压的情况下，电机仍有与原转速方向一致的电磁转矩；在交流伺服电机中如何来防止自转呢？设法产生一个与原转速方向相反的电磁转矩，使电机在控制电压为0时停止转动。,4、自转现象讨论：,8.2伺服电动机,三、交流伺服电动机：,、自转现象1：如图。,、失控现象2：如图。,、解决措施：,讨论,4、自转现象讨论：,8.2伺服电动机,三、交流伺服电动机：,、自转现象1：如图。,、失控现象2：如图。,、解决措施：,结论：在电机设计
9、时应,5、控制方式：,8.2伺服电动机,三、交流伺服电动机：,(1)、幅度控制：,(2)、相位控制：,(3)、幅相控制：,5、控制方式：,8.2伺服电动机,三、交流伺服电动机：,(1)、幅度控制：,. 接线图：. 原理：保证,信号系数,：控制信号的大小对电机的控制作用可通过幅值控制信号系数来描述。,5、控制方式：,8.2伺服电动机,三、交流伺服电动机：,(1)、幅度控制：,信号系数,控制信号的大小对电机的控制作用可通过幅值控制信号系数来描述。,一般控制绕组额定电压,，那么控制信号的,信号系数,5、控制方式：,8.2伺服电动机,三、交流伺服电动机：,(2)、相位控制：,. 接线图：通过移相器来改
10、变相位差,.原理：,5、控制方式：,8.2伺服电动机,三、交流伺服电动机：,(2)、相位控制：,. 接线图：,.原理：,改变相位差,，可改变控制绕组内的电流,和励磁电,的相位差，从而改变旋转磁场的,5、控制方式：,8.2伺服电动机,三、交流伺服电动机：,(2)、相位控制：,.信号系数：,称为相位控制的信号系数。,控制作用可通过相位控制信号系数,相位控制时的机械特性和调节特性：类似幅值控制，呈现非线性。,控制信号与励磁电压相位差,的变化对电机的,来描述。,5、控制方式：,8.2伺服电动机,三、交流伺服电动机：,(3)、幅相控制,幅值-相位复合控制，这种方法较前面两种方法输出功率大，且不用移相装置
11、，成本低，多被采用。,. 接线如图：励磁回路串电容，控制回路通过电位器调电压。,5、控制方式：,8.2伺服电动机,三、交流伺服电动机：,(3)、幅相控制,.原理：改变控制电压,也随之改变，实现转速调节。,幅相控制时的机械特性和调节特性：类似幅值控制，但线性度稍差。.优点：控制线路简单，无须复杂的移相设备，只需电容分相，成本低，输出功率大的优点，实际应用较多。,8.3步进电动机,一、概述：,下面介绍反应式步进电动机,8.3步进电动机,二、基本结构： ：,8.3步进电动机,三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）,设,8.3步进电动机,三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）,运行过程
12、分析：. A相通直流脉冲信号,，B、C相绕组不通电：,如图示：,8.3步进电动机,三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）,运行过程分析：. A相通直流脉冲信号,，B、C相绕组不通电：,说明：若二者轴线开始不重合，,转子将受到磁阻转矩（即反应转矩）的作用，使转子转到轴线重合的位置。,8.3步进电动机,三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）,运行过程分析：. A相通直流脉冲信号,，B、C相绕组不通电：,说明：,反应转矩：又称磁阻转矩， 不同于电磁转矩；反应转矩的作用：一方面可带动转子转动，另一方面，又可防止转子自由转运。分析。,8.3步进电动机,三、工作原理： 利用反应转距（不同于
13、电磁转距）,运行过程分析：. A相通直流脉冲信号,，B、C相绕组不通电：,说明：,图中位置转子只受到径向力作用，反映转矩为零。,运行过程分析：.A、C相绕组断电，B相加脉冲信号，如图,8.3步进电动机,三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）,切换瞬间，磁力线以B相磁极轴线对称分布，如图。,因,产生反应转矩,使转子逆时针转过30,所以,运行过程分析：.B、A相绕组断电，C相加脉冲信号，如图,8.3步进电动机,三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）,切换瞬间，磁力线以C相磁极轴线对称分布，如图。,磁力线路径：,类似上述分析，可知转子又转过30,使,轴线重合。,运行过程分析：. C、
14、B相绕组断电，A相加脉冲信号，如图,8.3步进电动机,三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）,切换瞬间，磁力线以A相磁极轴线对称分布，如图。,磁力线路径：,类似上述分析，可知转子又转过30,使,轴线重合。,运行过程分析：,8.3步进电动机,三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）,结论：（1）,顺序轮流加电脉冲,（2）若改变通电顺序，转子转向改变。,信号，则转子齿按逆时针方向一步步地转运。,8.3步进电动机,三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）,2、基本概念：一拍：控制绕组从一种通电状态切换到另一种通电状态，称为一拍。即改变一次通电方式为一拍。步距角：每一拍转过的角度。
15、,三拍：经过三次通电状态的转换完成一次通电状态的循环。转过一个转子齿对应的空间角度。三相：定子有三相绕组。单：每次只有一相绕组通电。双：每次有两相绕组通电。,3、控制方式：三相单三拍：每次只有一相绕组单独通电，控制绕组每换接三次通电状态构成一个通电状态的循环的控制方式。上例中通电方式为,8.3步进电动机,三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）,对应的步距角,为30,3、控制方式：三相双三拍：每次有两相绕组同时通电，控制绕组每换接三次通电状态构成一个通过状态的循环的控制方式。其通电方式为,8.3步进电动机,三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）,可知其步距角,为30,分析,分析,
16、3、控制方式：三相双三拍：,8.3步进电动机,三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）,当A、B两相绕组同时加电脉冲信号时,3、控制方式：三相双三拍：,8.3步进电动机,三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）,当A、B两相绕组同时加电脉冲信号时,3、控制方式：三相单双六拍：,8.3步进电动机,三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）,其通电方式为：,控制绕组每换接六次通电状态构成一个通过状态的循环的控制方式。,为15,由图可见，其两拍转过的角度刚好和三相单三拍运行方式一拍转过的角度一致。可知其步距角,3、控制方式：三相单双六拍：,8.3步进电动机,三、工作原理： 利用反应转
17、距（不同于电磁转距）,3、控制方式：三相单双六拍：,8.3步进电动机,三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）,若改变通电顺序，转向改变,3、控制方式：,8.3步进电动机,三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）,4、总结：.采用双相通电方式运行，其稳定性要比单相方式好.采用单、双拍通电方式，其步距角是单拍方式或双拍方式的一半；.一个通电状态的循环，转子转过的角度为转子齿对应的空间角度，为提高控制精度，需要增加转子齿数。,小步距角反应式步进电动机。,8.3步进电动机,四、小步距角反应式步进电动机分析：,的反应式步进电动机为例。,定、转子的齿宽、齿距相等，齿距是指：相邻两齿的中心线的
18、距离，用对应的空间角度,8.3步进电动机,四、小步距角反应式步进电动机分析：,表示，本例中为,=,= 9,相应的展开图如下：,图中为定子磁极，每个磁极上有5个小齿，下面为转子齿。t表示一个齿距。,8.3步进电动机,四、小步距角反应式步进电动机分析：,8.3步进电动机,四、小步距角反应式步进电动机分析：,1、动作过程分析：.A相加脉冲信号：,反应转矩使B相磁极下定、转子齿正对齐，即相当于转子转过,8.3步进电动机,四、小步距角反应式步进电动机分析：,1、动作过程分析：.B相加脉冲信号：,此时A、C下各错开,，此时转子转过,8.3步进电动机,四、小步距角反应式步进电动机分析：,2、步距角：,根据每
19、个通电循环(N拍)转子转过一个齿距(对应的机械角度为,)的原则，可知,（Zr：转子齿，N：一个循环拍数）,8.3步进电动机,四、小步距角反应式步进电动机分析：,2、控制方式：,8.3步进电动机,五、运行特性：,步进电动机的运行可分为,不同的运行状态具有不同的运行特性。,8.3步进电动机,五、运行特性：,静态运行状态：.概念：不改变步进电机通电状态，转子固定于某一位置时的运行状态。 该运行状态的特性通过矩角特性来反映。.矩角特性：转子静态转矩与失调角之间的关系，即,8.3步进电动机,五、运行特性：,静态运行状态：.矩角特性：转子静态转矩与失调角之间的关系，即,8.3步进电动机,五、运行特性：,静
20、态运行状态：.矩角特性：,8.3步进电动机,五、运行特性：,静态运行状态：.矩角特性曲线：,正方向规定：,分析,如图。其中：C为常数，与控制绕组、控制电流、磁阻等有关,当时，为不稳定平衡点。因为：此时静转矩为0，但只要转子向左或向右稍微有一点偏离，转子受到 左右两个方向的磁拉力不再相等而失去平衡。,静态运行时，当有外力作用使转子偏离平衡位置(即转子齿与定子齿位置对齐位置)时，只要在,8.3步进电动机,五、运行特性：,静态运行状态：,.特点：,范围内，当外力去掉后，转子在静转矩的作用下，能自动回到初始平衡位置。,8.3步进电动机,五、运行特性：,静态运行状态：,.特点：,.结论：,8.3步进电动
21、机,五、运行特性：,静态运行状态：,2.步进运行状态：. 概念：当脉冲频率较低时，加一个脉冲，转子走完一步，达到新的平衡位置以后，再加第二个脉冲，走第二步，电机呈现出一转一停的状态，这种运行状态称为步进运行状态.。 该运行状态的特性通过动稳定区概念来反映。,假定理想空载。A相通电时的稳定平衡点为 ，B相通电时的稳定平衡点为 ，从 转到 为一拍，转子转过角度为： ，即静稳定运行区相隔一个步距角。,8.3步进电动机,五、运行特性：,2.步进运行状态：,从一种稳定通电状态(A相通电)，转换到另一种稳定通电状态(如B相通电)，不会引起失步的区域。,.动稳定区：,8.3步进电动机,五、运行特性：,2.步
22、进运行状态：,.动稳定区：,8.3步进电动机,五、运行特性：,2.步进运行状态：,.动稳定区：,从以上的分析可知：在通电状态换接的瞬间，只要转子位置位于后一相的静态稳定区域内，转子就能在静态转矩的作用下趋向新的稳定平衡点。,结论：,当通电很高时，在通电状态改变时，可能造成转子位置位于动稳定区之外时，转子将转不到点，即这一次的脉冲信号不起作用，转子将少走一步， 相当于丢失了一个信号。称为失步。,8.3步进电动机,五、运行特性：,2.步进运行状态：,.动稳定区：,. 失步：,这一现象说明步进电机的脉冲频率有一定的限制。,8.3步进电动机,五、运行特性：,2.步进运行状态：,. 起动转矩：相邻矩角特性交点对应的转矩称为起动转矩。,又称为步进电机的最大负载转矩。它反映了步进电机从静止状态突然起动并不失步运行所能带动的最大负载转矩。显然，步距角越小，最大负载转矩越大。,3、高频恒频运行状态： 又称为连续运行状态。,
