第六章控制电机资料PPT课件.ppt

制制制信信信信号号号号，能能能能量量量量的的的的转转转转换是次要的。换是次要的。换是次要的。换是次要的。控制电机的主要要求：控制电机的主要要求：控制电机的主要要求：控制电机的主要要求：动作灵敏、准确、动作灵敏、准确、动作灵敏、准确、动作灵敏、准确、重量重量重量重量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。轻、体积小、耗电少、运行可靠等。轻、体积小、耗电少、运行可靠等。轻、体积小、耗电少、运行可靠等。第六章 控制电机第六章 控制电机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。其功能是将输功能是将输功能是将输功能是将输入的入的入的入的电压控制信号电压控制信号电压控制信号电压控制信号转换为轴上输出的转换为轴上输出的转换为轴上输出的转换为轴上输出的角位移和角角位移和角角位移和角角位移和角速度速度速度速度，驱动控制对象。，驱动控制对象。，驱动控制对象。，驱动控制对象。交流伺服电动机交流伺服电动机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直流伺服电动机直流伺服电动机6.16.1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。第六章 控制电机6.1.16.1.1交流伺服电动机交流伺服电动机 两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差9090 的两个绕组：励磁绕组和控制绕组。的两个绕组：励磁绕组和控制绕组。励磁绕组励磁绕组控制绕组控制绕组杯形转子杯形转子杯形转子杯形转子:1 1 1 1、减少转动惯量；、减少转动惯量；、减少转动惯量；、减少转动惯量；2 2 2 2、提高电阻、提高电阻、提高电阻、提高电阻R R R R2 2 2 2 使使使使 S S S Sm m m m=R=R=R=R2 2 2 2/X/X/X/X20 20 20 20 1111，避免避免避免避免“自转自转自转自转”现象现象现象现象。内定子内定子外定子外定子第六章 控制电机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 处定子；处定子；5 5转子转子；第六章 控制电机 励磁绕组串联电容励磁绕组串联电容C,是是为了产生两相旋转磁场。为了产生两相旋转磁场。2 2 2 2）工作原理）工作原理）工作原理）工作原理放放大大器器检检测测元元件件控制信号控制信号控制信号控制信号+控制绕组控制绕组励磁绕组励磁绕组+1 1(a(a）接线图）接线图）接线图）接线图 1(b)(b)相量图相量图相量图相量图适当选择电容的大小，可使适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差通入两个绕组的电流相位差接近接近90,第六章 控制电机 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 和和和和 的相位差近于的相位差近于的相位差近于的相位差近于9090，因此便产生两相旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子便因此便产生两相旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子便因此便产生两相旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子便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。转动起来。转动起来。转动起来。控制电压控制电压控制电压控制电压 与电源电压与电源电压与电源电压与电源电压 频频频频率相同，相位相同率相同，相位相同率相同，相位相同率相同，相位相同或反相。或反相。或反相。或反相。放放大大器器检检测测元元件件控制信号控制信号控制信号控制信号+控制绕组控制绕组 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(保持励磁电压不变保持励磁电压不变保持励磁电压不变保持励磁电压不变)，由于旋转磁场的旋转方向发生变化，使电动机转子反转。由于旋转磁场的旋转方向发生变化，使电动机转子反转。由于旋转磁场的旋转方向发生变化，使电动机转子反转。由于旋转磁场的旋转方向发生变化，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：交流伺服电动机的特点：交流伺服电动机的特点：在电动机运行时如果控制电压在电动机运行时如果控制电压在电动机运行时如果控制电压在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。变为零，电动机立即停转。变为零，电动机立即停转。变为零，电动机立即停转。（1）U2=0=0 时，转子停止。时，转子停止。这时，虽然这时，虽然U2=0V，U1仍存在，似乎成单仍存在，似乎成单相运行状态，但和单相异步机不同。相运行状态，但和单相异步机不同。若单若单相电机启动运行后，出现单相后仍转。伺相电机启动运行后，出现单相后仍转。伺服电机不同，单相电压时设备不能转。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：交流伺服电动机的特点：原因：原因：交流伺服电机交流伺服电机 R2设计得较大。所以在设计得较大。所以在U2=0时，交流伺服电机的时，交流伺服电机的T=f(s)曲线如下页曲线如下页图：图：9.当当U2=0V时，脉动磁场分成的正反向旋转磁场产生时，脉动磁场分成的正反向旋转磁场产生的转距的转距T、T 的合成转矩的合成转矩 T 与单相异步机不同。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时，能立即停止，体现了控制信号的作用(有控制电有控制电压时转动，无控制电压时不转压时转动，无控制电压时不转)，以免失控。，以免失控。交流伺服电动机的交流伺服电动机的T=f(s)T=f(s)曲线（曲线（U U2 2=0=0时）时）sT210sTTT021反转反转正转正转10.（3 3）控制电压）控制电压 U2 大小变化时，转子转速相应变大小变化时，转子转速相应变化，转速与电压化，转速与电压 U2 成正比。成正比。U2 的极性改变的极性改变时，转子的转向改变。时，转子的转向改变。（2）交流伺服电机交流伺服电机 R2设计得较大，使设计得较大，使Sm1，Tst大，大，启动迅速，稳定运行范围大。启动迅速，稳定运行范围大。11.第六章 控制电机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T TU U2 20.8 U20.6 U20.40.4 U U2 2on 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。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，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。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。第六章 控制电机 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，电电源频率分源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广泛，如等多种。它的应用很广泛，如用用在各种自动控制、自动记录等系统中。在各种自动控制、自动记录等系统中。应用应用应用应用:第六章 控制电机6.1.26.1.2直流伺服电动机直流伺服电动机 直流伺服电动机的直流伺服电动机的直流伺服电动机的直流伺服电动机的结构结构结构结构与与与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。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。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 励磁绕组和电枢绕组励磁绕组和电枢绕组励磁绕组和电枢绕组励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立的电源供分别由两个独立的电源供分别由两个独立的电源供分别由两个独立的电源供电的他励方式电的他励方式电的他励方式电的他励方式1 1）结构特点）结构特点）结构特点）结构特点第六章 控制电机2）控制方法）控制方法由机械特性可知：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，当磁通一定负载转矩下，当磁通一定负载转矩下，当磁通一定负载转矩下，当磁通 不变时，不变时，不变时，不变时，U U2 2 n n 。(2)(2)U U2 2=0=0时，电机立即停转。时，电机立即停转。时，电机立即停转。时，电机立即停转。电动机反转：电动机反转：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。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。直流伺服电机的机械特性直流伺服电机的机械特性与他励直流电机相同一样与他励直流电机相同一样.直流伺服电动机的直流伺服电动机的n=f(T)曲线曲线(U1=常数常数)U20.8U20.6U20.4U2nTO第六章 控制电机 直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。通常应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，如随动系统中的位置控制等。用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控制等。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：应用：应用：第六章 控制电机问题一：交流伺服电动机当控制电压为零 时，为什么能够迅速停止？因为交流伺服电动机转子电阻很大，使发生最大因为交流伺服电动机转子电阻很大，使发生最大电磁转矩的转差率电磁转矩的转差率m m1 1。这样，伺服电动机单相运行产。这样，伺服电动机单相运行产生的合成转矩将和普通鼠笼转子的情况相反。转子电阻很生的合成转矩将和普通鼠笼转子的情况相反。转子电阻很大时，脉振磁场分解的正、反相旋转磁场在大时，脉振磁场分解的正、反相旋转磁场在1 1时产生的时产生的电磁转矩将比在电磁转矩将比在1 1时产生的转矩大，所以运行中，若交时产生的转矩大，所以运行中，若交流伺服电动机控制电压为零，伺服电动机处于单相运行状流伺服电动机控制电压为零，伺服电动机处于单相运行状态，此时与转子同向的旋转磁场产生的转矩将小于与转子态，此时与转子同向的旋转磁场产生的转矩将小于与转子反向的旋转磁场产生的转矩。因而总的合成电磁转矩将变反向的旋转磁场产生的转矩。因而总的合成电磁转矩将变成制动转矩，在电磁制动转矩的作用下，电动机就能够迅成制动转矩，在电磁制动转矩的作用下，电动机就能够迅速停止。速停止。第六章 控制电机6.1.26.1.2测速发电机测速发电机 测速发电机是一种测速发电机是一种转速测量传感器转速测量传感器。用来测量旋。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。信号电压。测速发电机分为交流和直流两种类型。交流测速发电机又分为同步式和异步式两种，这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。里只分析异步式交流测速发电机的工作原理。由于 恒定，故 与被测转速 成正比第六章 控制电机 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 异步式交流测速发电机的结构与杯形转子交流伺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，它的定子上有服电机相似，它的定子上有两个绕组两个绕组，一个是励磁绕一个是励磁绕组，一个是输出绕组。组，一个是输出绕组。输出输出绕组绕组+励磁励磁绕组绕组+第六章 控制电机 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U U1 1，由，由 U U1 1 4.44 4.44 f1 1N N1 1 1 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 1产生转子感应电势产生转子感应电势E ET T和转子电流和转子电流I IT T有：有：转子电流转子电流 IT也产生磁通也产生磁通 T，T 在输出绕组在输出绕组中感应出电压中感应出电压U2 ：第六章 控制电机 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。转动方向改变，输出信号，输出给控制系统。转动方向改变，输出电压电压 的相位改变的相位改变1800。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，使用时要注意加以修正。第六章 控制电机异步测速发电机的误差异步测速发电机的误差主要包括幅值及相位误差和剩余电压误差主要包括幅值及相位误差和剩余电压误差1、幅值及相位误差幅值及相位误差 产生原因：产生原因：励磁绕组存在漏电感。励磁绕组存在漏电感。减小该误差的方法：减小该误差的方法：增大转子电阻增大转子电阻（采用杯形）。（采用杯形）。第六章 控制电机2 2、剩余电压误差、剩余电压误差 产生原因：由于加工、装配过程中存在机械上产生原因：由于加工、装配过程中存在机械上 的不对称及定子磁性材料性能的不一致性，使得测的不对称及定子磁性材料性能的不一致性，使得测速发电机转速为零时，实际输出电压并不为零，此速发电机转速为零时，实际输出电压并不为零，此时的电压称为剩余电压，剩余电压引起的误差称为时的电压称为剩余电压，剩余电压引起的误差称为剩余电压误差。剩余电压误差。减小剩余电压误差的方法：选择高质量的各方向减小剩余电压误差的方法：选择高质量的各方向特性一致的磁性材料，在机加工和装配过程中提高特性一致的磁性材料，在机加工和装配过程中提高机械精度以及装配补偿绕组。机械精度以及装配补偿绕组。第六章 控制电机问题二：交流测速发电机的转子静止时有无电压输出？转问题二：交流测速发电机的转子静止时有无电压输出？转动时为何输出电压与转速成正比，但频率却与转速无关？动时为何输出电压与转速成正比，但频率却与转速无关？当交流测速发电机的转子静止时，励磁绕组在其轴线方向上产生的当交流测速发电机的转子静止时，励磁绕组在其轴线方向上产生的脉振磁通与输出绕组的轴线垂直，因而不能在输出绕组中感应电势，脉振磁通与输出绕组的轴线垂直，因而不能在输出绕组中感应电势，也就无电压输出。转动时测速发电机（杯形）转子切割励磁绕组产也就无电压输出。转动时测速发电机（杯形）转子切割励磁绕组产生的脉振磁通，将在转子导体中感应电势、产生电流；此电流所产生的脉振磁通，将在转子导体中感应电势、产生电流；此电流所产生的转子磁通与输出绕组基本一致，输出绕组与转子这部分导体的生的转子磁通与输出绕组基本一致，输出绕组与转子这部分导体的关系就如变压器原副绕组的关系一样，因而输出绕组将有电压输出。关系就如变压器原副绕组的关系一样，因而输出绕组将有电压输出。由于切割历次的转子导体感应的电势大小与励磁磁通和转子转速成由于切割历次的转子导体感应的电势大小与励磁磁通和转子转速成正比，励磁磁通是脉振磁通（幅值不变，频率为励磁电源频率），正比，励磁磁通是脉振磁通（幅值不变，频率为励磁电源频率），所以感应的电势为交变电势，大小正比于转速，交变频率为励磁电所以感应的电势为交变电势，大小正比于转速，交变频率为励磁电源频率。再者，输出绕组的输出电压与此感应电势（按变压器原理）源频率。再者，输出绕组的输出电压与此感应电势（按变压器原理）成正比。于是，结论为：输出电压幅值与转速成正比，电压的频率成正比。于是，结论为：输出电压幅值与转速成正比，电压的频率为励磁电源频率与转速无关。为励磁电源频率与转速无关。第六章 控制电机自整角机被广泛用于角度的传输、变换、和指示。自整角机被广泛用于角度的传输、变换、和指示。6.3 自整角机自整角机 一般成对或多台组合使用：力矩式自整角机：一个是发送器，另一个是接收机力矩式自整角机：一个是发送器，另一个是接收机控制式自整角机：一个是发送机，另一个是变压器控制式自整角机：一个是发送机，另一个是变压器第六章 控制电机自整角机的结构自整角机的结构1.1.三相整步绕组；三相整步绕组；2.2.定子铁心；定子铁心；3.3.转子铁心；转子铁心；4 4转子励磁转子励磁绕组；绕组；5 5 转轴；转轴；6 6 滑环滑环第六章 控制电机接交流电源接交流电源三相整步绕组对应相连三相整步绕组对应相连发送机发送机接收机接收机作为输出绕组作为输出绕组 接线：接线：两机三相整步绕组对应相连，发送机励磁两机三相整步绕组对应相连，发送机励磁绕组连接单相电源，接收机转子绕组为输出绕组。绕组连接单相电源，接收机转子绕组为输出绕组。6.3.1 6.3.1控制式自整角机控制式自整角机第六章 控制电机 6.3.1 6.3.1控制式自整角机控制式自整角机第六章 控制电机发送机侧发送机侧:6.3.1 6.3.1控制式自整角机控制式自整角机第六章 控制电机自整角变压器的定子绕组中流过电流：自整角变压器的定子绕组中流过电流：自整角变压器的定子绕组中流过电流：自整角变压器的定子绕组中流过电流：6.3.1 6.3.1控制式自整角机控制式自整角机单相输出绕组中感应电动势：单相输出绕组中感应电动势：单相输出绕组中感应电动势：单相输出绕组中感应电动势：第六章 控制电机输出电压的一般式：输出电压的一般式：最大输出：最大输出：最大输出：最大输出：失调角：失调角：失调角：失调角：当 时，；当 时，6.3.1 6.3.1控制式自整角机控制式自整角机第六章 控制电机 6.3.1 6.3.1控制式自整角机控制式自整角机应用第六章 控制电机 接线：接线：将两机的三相整步绕组对应相互连接，两将两机的三相整步绕组对应相互连接，两机的励磁绕组与同一个单相电源连接。机的励磁绕组与同一个单相电源连接。6.3.2 6.3.2 6.3.2 6.3.2力矩式自整角机力矩式自整角机力矩式自整角机力矩式自整角机第六章 控制电机 6.3.2 6.3.2 6.3.2 6.3.2力矩式自整角机力矩式自整角机力矩式自整角机力矩式自整角机发送机与接收机的发送机与接收机的同步绕组对应相连同步绕组对应相连接，它们的励磁绕接，它们的励磁绕组同接在一单相交组同接在一单相交流源。发送机转子流源。发送机转子与接收机转子基准与接收机转子基准零位都设在与零位都设在与D D1 1轴轴线重合的位置。接线重合的位置。接收机转子带动负载。收机转子带动负载。第六章 控制电机 6.3.2 6.3.2 6.3.2 6.3.2力矩式自整角机力矩式自整角机力矩式自整角机力矩式自整角机应用：应用：第六章 控制电机总结：力矩式自整角机和控制式自整角机的区别在于:自整角机控制系统中，当失调角产生时，力矩自整角接收机输出与失调角成正弦关系的转矩，直接带动接收机轴上的机械负载，直至消除失调角。但力矩式自整角机力矩不大，如果机械负载较大，则采用控制式自整角机系统，控制式自整角机把失调角转换为正弦关系的电压输出，经过电压放大器放大后送到交流伺服电动机的控制绕组中，使伺服电机转动，再经齿轮减速后带动机械负载转动，直到消除失调角。