1、第9章 控制电机,9.1 伺服电动机,9.2 测速发电机,9.3 步进电动机,通过本章的学习，了解伺服电机、测速发电机、步进电动机的结构和工作原理。,从工作原理上看，控制电机和普通电机没有本质上的差异，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，功率大，其主要任务是能量的转换，侧重于电机的启动、运行和制动等方面的性能指标。 而本章介绍的各种控制电机，体积小，功率小，通常 在几百瓦以下，其主要任务是转换和传递控制信号，能量的转换是次要的，侧重于电机控制精度和响应速度。,控制电机的种类很多，本章只讨论常用的几种:伺服电机、测速电机、步进电机。,对控制电机的主要要求：由于它用来完成信息的转
2、换和传递。所以要求：体积小、重量轻、耗电少、动作灵敏、准确、运行可靠、精度要高，误差要小等。,伺服电动机,伺服电动机又称(执行电动机)。功能：将输入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移或角速度，驱动控制对象。,9.1 伺服电动机,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。,结构：主要由定子和转子构成，定子铁心用硅钢片叠压而成。定子铁心表面的槽内嵌有空间互差90的两个绕组：励磁绕组和控制绕组。,9.1.1 交流伺服电动机,励磁绕组,控制绕组,杯形转子,内定子,交流伺服电动机结构图,交流伺服电动机的转子形式有两种:1）鼠笼式转子2）空心杯转子,鼠笼式转子：其绕组
3、由高电阻率的材料制成，电阻较大，笼式转子结构简单，但其转动惯量较大。空心杯转子：由非磁性材料制成杯形，可看成是导条数很多的笼式转子，其杯壁很薄，因而其电阻值较大。 转子在内外定子之间的气隙中旋转，因空气隙较大而需要较大的励磁电流。空心杯形转子的转动惯量较小，响应迅速。,杯形转子伺服电动机结构图,1外定子铁心；2杯形转子；3内定子铁心；4转轴；5轴承； 6定子绕组,励磁绕组接交流励磁电源，控制绕组接入控制电压，两绕组在空间上互差90电角度，励磁电压和控制电压UC频率相同。,交流伺服电动机的工作原理：,无控制电压时，气隙中只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子上没有启动转矩而静止不动。 当有控制电压且控
4、制绕组电流和励磁绕组电流不同相时，则在气隙中产生一个旋转磁场并产生电磁转矩，使转子沿旋转磁场的方向旋转。把控制电压的相位改变180度，可改变伺服电动机的旋转方向。,特点：1、有控制电压时转子立即旋转，无控制电压时转子立即停转。 2、转轴转向和转速是由控制电压的方向和大小决定的。,采用三种方法控制伺服电动机的转速高低及方向！（1）幅值控制：保持控制电压与励磁电压间的相位差不变，仅改变控制电压的幅值。（2）相位控制：保持控制电压的幅值不变，仅改变控制电压与励磁电压间的相位差。（3）幅-相控制：同时改变控制电压的幅值和相位。,两相交流伺服电动机的控制方法：,不同控制电压下的机械特性曲线n=f(T),
5、 U1=常数,交流伺服电动机的机械特性：,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，电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。,9.1.2 直流伺服电动机,直流伺服电动机的结构与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。直流伺服电动机的工作原理也与直流电动机相同。 分类：按励磁方式可分为电磁式和永磁式，其中电磁式又分为他励、并励、串励等几种，一般多用他励式，而永磁式的磁场是由永久磁铁产生。,供电方式：他励供电，励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立的电源供电。,U1为励磁电压U2为电枢电压,直流伺服电动机的接线图,直流伺服电机的机械特性与他励直流电机
6、相同一样，也可用下式表示：,由此可见：改变电枢电压U2或改变磁场都可以控制直流伺服电动机的转速和转向，称为电枢控制和磁场控制。,特点：(1) 一定负载转矩下，磁通C时，U2 n。 (2) U2= 0时，电机立即停转。 (3) 改变电枢电压的极性，电动机反转。,直流伺服电动机的n=f(T)曲线(U1=常数),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，直流伺服电机输出功率一般为1-600W。,9.2 测速发电机,9.2.1 交流测速发电机,交流测速发电机又分为同步式和异步式两种，这里只分析异步式交流测速发电机的工作原理。,测速发电机是一种转速测量传感器。在许多自动控制系统中，
7、它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。 测速发电机分为交流和直流两种类型。,转子,定子,励磁绕组,输出绕组,异步式交流测速发电机的结构与杯形转子交流伺服电机相似，它的定子上有两个绕组，一个是励磁绕组，一个是输出绕组。,9.2.1 交流测速发电机,工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电源U1，由 U1 4.44 f1N11 可知：,当被测转动轴带动发电机转子旋转时，转子切割1产生转子感应电势Er和转子电流Ir，它们的大小与1和转子转速 n 成正比：,转子电流 Ir也产生磁通r ，r 在输出绕组中感应出电压U2 ， U2的大小与r成正比：,综合上述分析可知：,当U1恒
8、定不变时， U2与n 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信号，输出给控制系统。,9.2.1 直流测速发电机,直流测速发电机分永磁式和他励式两种。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电机相同，工作时励磁绕组加直流电压U1励磁。,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E，其大小为：,发电机的输出电压为：,上式中代入：,于是,可见：当励磁电压U1恒定时（ 即恒定），若Ra、RL不变，则输出电压U2的大小与电枢转速 n 成正比。实现将转速信号变成电压信号，输出给控制系统。,9.3 步进电动机,特点: (1) 来一个脉冲，转一个步距
9、角。 (2) 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。种类：励磁式和反应式两种。,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。,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。每来一个电脉冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段距离。,以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和原理！,三相反应式步进电动机的原理结构图如下：,定子内圆周均匀分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相。转子有四个齿。相数为三,定子,转子,1、三相单三拍,A相绕组通电，B、C相不通电。由于在磁场作用下，转子总是力图
10、旋转到磁阻最小的位置，故在这种情况下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与A、A极对齐。,步进电机的通电方式,同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4齿和B、B 磁极轴线对齐；当C相通电时，转子再转过30角，1、3齿和C、C磁极轴线对齐。,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，所以称为三相单三拍工作方式。,按AB C A 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30(步距角)，每个通电循环周期(3拍)转过90(一个齿距角)，因为有四个齿！,2、三相单双六拍,按AAB B BC C CA的顺序给三相绕组轮流通电，可以获得更精确的控
11、制特性。,A相通电，转子1、3齿与A、A 对齐。,A、B相同时通电，A、A 磁极拉住1、3齿，B、B 磁极拉住2、4齿，转子转过15，到达左图所示位置。,B 相通电，转子2、4齿与B、B 对齐,又转过15。,B、C相同时通电，C 、C 磁极拉住1、3齿，B、B 磁极拉住2、4齿，转子再转过15。,三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：AAB B BC C CA，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角），一个通电循环周期(6拍)转子转过90 (齿距角)。,与单三拍相比，六拍驱动方式的步距角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。,3、三相双三拍,按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。,与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍。每拍转子转过30 (步距角)，一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)。,从以上对步进电机三种驱动方式的分析可得步距角计算公式：,实用步进电机的步距角多为3和1.5 。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的。,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。,
