直流伺服电机工作原理演示幻灯片.ppt

下一页,总目录,章目录,返回,上一页,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,9.4,自动控制的基本概念,第,9,章 控制电机,教学要求：,1.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。,3.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。,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，其主要任务是能量的转换。,各种控制电机有各自的控制任务：,如: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,递到 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。,本章介绍的各种,控制电机的主要任务是转换和,传递控制信号，,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:,伺服电机、测速电机、步进电机。,对控制电机的主要要求：,动作灵敏、准确、重量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。,伺服电动机可分为两类：,伺服电动机又称执行电动机。其,功能是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。,交流伺服电动机,直流伺服电动机,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。,9.1.1,交流伺服电动机,交流伺服电动机就是一台,两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差90,的,两个绕组：励磁绕组和控制绕组，其结构如图所示。,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,放,大,器,检,测,元,件,控制信号,+,+,控制绕组,励磁绕组,+,+,+,1,励磁绕组串联电容,C,是为了产生两相旋转磁场。,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,从而产生所需的旋转磁场。,交流伺服电动机的接线图和相量图,(a）接线图,1,(b)相量图,控制电压 与电源电压 频率相同，相位相同或反相。,放,大,器,检,测,元,件,控制信号,+,+,控制绕组,交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机有相似之处。,励磁绕组固定接在电源上，当控制电压为零时，电机无起动转矩，转子不转。,若有控制电压加在控制绕组上，且励磁电流,和控制绕组电流 不同相时，,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。,交流伺服电动机的特点：不仅要求它在静止状态下，能服从控制信号的命令而转动，而且要求,在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。,但如果交流伺服电动机的参数选择和一般单相异步电动机相似，电动机一经转动，即使控制等于零，电动机仍继续转动，电动机失去控制，这种现象称为“自转”。,如何克服“自转”现象呢？,正反向旋转磁场的合成转矩特性,(正向),(反向),正,转,转,反,当单相励磁时，在电动机运行范围0S,1,1,当单相励磁时，在电动机运行范围0S,1,1时，转矩为负值，产生制动转矩，使转子停转。反转时也同样为制动转矩。,加在控制绕组上的控制电压反相时(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。,加在控制绕组上的控制电压大小变化时，其产生的旋转磁场的椭圆度不同，从而产生的电磁转矩也不同，从而改变电动机的转速。,不同控制电压下的机械特性曲线,n,=,f,(,T,),U,1,=常数,T,U,2,0.8,U,2,0.6,U,2,0.4,U,2,o,n,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,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。,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,在各种自动控制、自动记录等系统中。,应用:,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。,供电方式：,他励供电。励磁绕组和电枢分别由两个独立的电源供电。,U,1,为励磁电压，,U,2,为电枢电压,M,U,1,I,1,I,2,U,2,放,大,器,U,+,+,直流伺服电动机的接线图,由机械特性可知：,(1),一定负载转矩下，当磁通,不变时，,U,2,n,。,(2),U,2,=0,时，电机立即停转。,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与他励直流电机相同一样，也可用下式表示,机械特性曲线如图所示。,直流伺服电动机的,n=f,(,T,)曲线(,U,1,=常数),U,2,0.8U,2,0.6U,2,0.4U,2,n,T,O,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。,直流伺服电机输出功率一般为,1-600W,。,应用：,9.2,测速发电机,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，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。,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。,1,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。,输出,绕组,+,励磁,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,U,1,，由,U,1,4.44,f,1,N,1,1,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,E,r,和转子电流,I,r,，,它们的大小与,1,和转子转速,n,成正比：,转子电流,I,r,也产生磁通,r,，,r,在输出绕组中感应出电压,U,2 ，,U,2,的大小与,r,成正比：,综合上述分析可知：,当,U,1,恒定不变时，,U,2,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。,由于铁心线圈电感的非线性影响，交流测,速发电机的输出,电压,U,2,与,n,间存在着一定的非,线性误差，使用时要注意加以修正。,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。,两种电机的电枢相同，工作时电枢接负载电阻,R,L,。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,电机相同，工作时励磁绕组加直流电压,U,1,励磁。,他,励式直流测速发电机接线图,TG,R,L,I,2,U,2,+,R,a,+,E,I,1,U,1,+,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,U,1,保持恒定时（,亦,恒,定,）,，若,R,a,、,R,L,不变，则输出电压,U,2,的大小,与,电枢转速,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。,0,n,U,2,R,L2,R,L1,R,L,=,R,L2,R,L1,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,U,2,与转速,n,有一定,的线性误差。,R,L,越小、,n,越大，误差越大。因,此，在使用中应使,R,L,和,n,的大小符合,直流测速,发电机的技术要求。,测速发电机的作用是将机械速度转变为电压信号，在自动控制系统和计算装置中作为检测元件、校正元件等。如在恒速控制系统中，测速发电机将速度转换为电压信号作为反馈信号，达到调节速度的作用。,9.3,步进电动机,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，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,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。,由于步进电动机的这一工作职能正好符合数字控制系统要求，因此它在数控机床、钟表工业及自动记录仪等方面都有很广泛的应用,9.3,步进电动机,区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，依靠电磁转矩工作。反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。依靠变化的的磁阻生成磁阻转矩工作。反应式步进电机的应用最广泛，它有两相、三相、多相之分。这里主要讨论三相反应式步进电动机的结构和工作原理。,种类,：,励磁式,和,反应式,两种。,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。,三相反应式步进电动机的原理结构图,如下：,A,B,C,I,A,I,B,I,C,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。采用Y连接，转子有四个齿。,定子,转子,1.工作原理,由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转矩，使转子转动。,现以A B C A的通电顺序，使三相绕组,轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。,B,C,I,A,I,B,I,C,1.三相单三拍,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,A,相绕组通电，,B、C,相,不通电。气隙产生以A-A为轴线的磁场，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电动机转子受到一个反应转矩，在此转矩的作用下，转子必然转到左图所示位置：,1,、,3,齿与,A、A,极对齐。,动画,“三相”指三相步进电机；“单”指每次只能一相绕组通电；“三拍”指通电三次完成一个通电循环。,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,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。,1,C,3,4,2,C,A,B,B,A,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,A,B 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)磁场在空间旋转了,360而转子,转过,90,(一个齿距角)。,2.,三相六拍,按,A,AB B BC C,CA,的顺序给三相绕组轮流通电。,这种方式可以获得更精确的控制特性。,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,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。,动画,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,B,相通电，,转子,2、,4,齿与,B,、,B,对齐,又转,过,15,。,3,4,1,2,C,A,B,B,C,A,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：A,AB 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，六拍驱动方式的步进角更,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,。,AB,通电,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,BC,通电,3,4,1,2,C,A,B,B,C,A,CA,通电,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,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)。,动画,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：,步距角,Z,r,转子齿数,m,每个通电循环周期的拍数,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，如教材图,10.4.4,所示。图中转子表面有40个齿，,齿距角是9,；,定子仍是 6个磁极，但每个磁极表面加工有五个和转子一样的齿。,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。,应用：,数控装置,步进,电动机,电位器,放大器,液压缸,机械手,电液,伺服阀,步进电动机根据数控装置发出的指令带动电位器的动触电转动，使其偏离中点产生电位差，经放大后,控制伺服阀的开口量，压力油经阀口进入油缸，使机械手按照存储在数控装置中的指令动作。,9.5,自动控制的基本概念,用某种装置代替人，按照人的意愿自动完,成一系列控制过程，称作自动控制。,从结构上看，自动控制系统分为开环控制,和闭环控制两类。,控制对象,控制,指令,输出,开环控制系统结构,简单，控制对象按照控,制指令工作，但不能根,据输出结果自动调节，,仅用于对控制精度要求,不高的场合。,控制对象,反馈环节,误差,输出,给定反馈,闭环控制系统结构比较复杂。把输出信号的,一部分通过反馈环节引回到输入端，与给定信号,比较，得到误差信号，再送入控制对象去调节输出结果。如此反复循环，直至误差为零。这种控制是通过反馈来实现的，所以也叫做反馈控制系统。,给定元件,放大元件,执行元件,控制对象,检测元件,被调量,控制指令,+,U,g,U,d,U,f,闭环控制系统（反馈控制系统）的各个基,本环节如下图所示：,系统中各部分的作用如下：,给定元件,把控制指令变成给定值。它,与被调量存在着一定的函数关系。改变给定值，,即可改变被调量。,检测元件,把被调量检测出来，按一定的函数关系反馈到输入端。,比较元件,把反馈信号,U,f,与给定信号,U,g,比较以获取误差信号,U,d,。,放大元件,当误差信号太微弱时，需要用放大元件把误差信号放大到足以推动执行元件的程度。,执行元件,直接推动控制对象改变被调量。,控制对象,由执行元件推动的各种装置，,如各种机械负载、发电机、加热炉、闸门等，相,应的被调量就是转速、电压、温度、位移等。,