直流伺服電機工作原理（課堂PPT）

1、 伺服電動機又稱執(zhí)行電動機。其伺服電動機又稱執(zhí)行電動機。其 伺服電動機可控性好，反應迅速。是自動控伺服電動機可控性好，反應迅速。是自動控制系統(tǒng)和計算機外圍設備中常用的執(zhí)行元件。制系統(tǒng)和計算機外圍設備中常用的執(zhí)行元件。 交流伺服電動機就是一臺交流伺服電動機就是一臺兩相交流異步電機。兩相交流異步電機。它的定子上裝有空間互差它的定子上裝有空間互差9090 的的兩個繞組：勵磁繞組兩個繞組：勵磁繞組和控制繞組，其結構如圖所示。和控制繞組，其結構如圖所示。勵磁繞組勵磁繞組控制繞組控制繞組杯形轉子杯形轉子內定子內定子放放大大器器檢檢測測元元件件2U2I+U+控制繞組控制繞組勵磁繞組勵磁繞組UCU1I1U+

2、勵磁繞組串聯(lián)電容勵磁繞組串聯(lián)電容C , 是為了產生兩相旋轉磁場。是為了產生兩相旋轉磁場。 適當選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電流適當選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電流相位差接近相位差接近9090 , ,從而產生所需的旋轉磁場。從而產生所需的旋轉磁場。 1UCU1I1U2UU放放大大器器檢檢測測元元件件2U2I+U+控制繞組控制繞組1I2I02 s121 sss01 s22 s21 s1T2T正正轉轉轉轉反反02 s121 sss01 s22 s21 s1T2T0.8 U20.6 U2on 交流伺服電機的輸出功率一般為交流伺服電機的輸出功率一般為0.1-100 W，電源頻率分電源頻率分5

3、0Hz、400Hz等多種。它的應用很廣等多種。它的應用很廣泛，如用泛，如用在各種自動控制、自動記錄等系統(tǒng)中。在各種自動控制、自動記錄等系統(tǒng)中。工作原理也與直流電動機工作原理也與直流電動機相同。相同。供電方式：供電方式：他勵供電。勵磁繞組和電樞分別由兩他勵供電。勵磁繞組和電樞分別由兩個獨立的電源供電。個獨立的電源供電。U1為勵磁電壓，為勵磁電壓，U2為電樞電壓為電樞電壓MU1I1I2U2U+直流伺服電動機的接線圖直流伺服電動機的接線圖 直流伺服電機的機直流伺服電機的機械特性與他勵直流電機械特性與他勵直流電機相同一樣，也可用下式相同一樣，也可用下式表示表示TKKRKUnTEE2a2 機械特性曲線如

4、圖所示。機械特性曲線如圖所示。直流伺服電動機的直流伺服電動機的n=f(T)曲線曲線(U1=常數(shù)常數(shù))U20.8U20.6U20.4U2nTO 直流伺服電機的特性較交流伺服電機硬。通常直流伺服電機的特性較交流伺服電機硬。通常應用于功率稍大的系統(tǒng)中，如隨動系統(tǒng)中的位置控應用于功率稍大的系統(tǒng)中，如隨動系統(tǒng)中的位置控制等。制等。 直流伺服電機輸出功率一般為直流伺服電機輸出功率一般為1-600W。 測速發(fā)電機是一種轉速測量傳感器。在許測速發(fā)電機是一種轉速測量傳感器。在許多自動控制系統(tǒng)中，它被用來測量旋轉裝置的多自動控制系統(tǒng)中，它被用來測量旋轉裝置的轉速，向控制電路提供與轉速大小成正比的信轉速，向控制電路

5、提供與轉速大小成正比的信號電壓。號電壓。測速發(fā)電機分為交流和直流兩種類型。測速發(fā)電機分為交流和直流兩種類型。 交流測速發(fā)電機又分為同步式和異步式兩交流測速發(fā)電機又分為同步式和異步式兩種，這里只分析異步式交流測速發(fā)電機的工作種，這里只分析異步式交流測速發(fā)電機的工作原理。原理。 1轉子轉子定子定子勵磁繞組勵磁繞組輸出繞組輸出繞組 異步式交流測速發(fā)電機的結構與杯形轉子異步式交流測速發(fā)電機的結構與杯形轉子交流伺服電機相似，它的定子上有兩個繞組，交流伺服電機相似，它的定子上有兩個繞組，一個是勵磁繞組，一個是輸出繞組。一個是勵磁繞組，一個是輸出繞組。輸出輸出繞組繞組2U+勵磁勵磁繞組繞組1U1I1+ 工作

6、時，測速發(fā)電機的勵磁繞組接交流電工作時，測速發(fā)電機的勵磁繞組接交流電源源U U1 1，由，由 U U1 1 4.44 4.44 f1 1N N1 1 1 1 可知：可知：11U 當被測轉動軸帶動發(fā)電機轉子旋轉時，轉當被測轉動軸帶動發(fā)電機轉子旋轉時，轉子切割子切割 1 1產生轉子感應電勢產生轉子感應電勢E Er r和轉子電流和轉子電流I Ir r，它們的大小與它們的大小與 1 1和轉子轉速和轉子轉速 n 成正比：成正比：nEI1rr 轉子電流轉子電流 Ir也產生磁通也產生磁通 r ， r 在輸出繞組在輸出繞組中感應出電壓中感應出電壓U2 ， U2的大小與的大小與 r r成正比：成正比：r2 U

7、綜合上述分析可知：綜合上述分析可知：nUnU112 當當 U U1 1恒定不變時，恒定不變時， U U2 2與與n 成正比，這樣，成正比，這樣，發(fā)電機就把被測裝置的轉速信號轉變成了電壓發(fā)電機就把被測裝置的轉速信號轉變成了電壓信號，輸出給控制系統(tǒng)。信號，輸出給控制系統(tǒng)。 由于鐵心線圈電感的非線性影響，交流測由于鐵心線圈電感的非線性影響，交流測速發(fā)電機的輸出速發(fā)電機的輸出電壓電壓 U U2 2與與n 間存在著一定的非間存在著一定的非線性誤差，使用時要注意加以修正。線性誤差，使用時要注意加以修正。 直流測速發(fā)電機分永磁式和他勵式兩種。直流測速發(fā)電機分永磁式和他勵式兩種。兩種電機的電樞相同，工作時電樞

8、接負載電阻兩種電機的電樞相同，工作時電樞接負載電阻RL。但永磁式的定子使用永久磁鐵產生磁場，。但永磁式的定子使用永久磁鐵產生磁場，因而沒有勵磁線圈；他勵式的結構與直流伺服因而沒有勵磁線圈；他勵式的結構與直流伺服電機相同，工作時勵磁繞組加直流電壓電機相同，工作時勵磁繞組加直流電壓U1勵磁。勵磁。他他勵式直流測速發(fā)電機接線圖勵式直流測速發(fā)電機接線圖TGRLI2U2+Ra+EI1U1+ 當被測裝置轉動軸帶動發(fā)電機電樞旋轉時，當被測裝置轉動軸帶動發(fā)電機電樞旋轉時，電樞產生電動勢電樞產生電動勢E，其大小為：，其大小為：nKE E 發(fā)電機的發(fā)電機的輸出電壓為：輸出電壓為：2a2a2 IRnKIREUE 上

9、式中代入：上式中代入：L22RUI 于是于是nRRKUEL2a1 可見，當勵磁電壓可見，當勵磁電壓U1保持恒定時（保持恒定時（ 亦亦恒恒定定），若，若Ra、RL不變，則輸出電壓不變，則輸出電壓U2的大小的大小與與電樞轉速電樞轉速 n 成正比。成正比。這樣，發(fā)電機就把被測裝這樣，發(fā)電機就把被測裝置的轉速信號轉變成了電壓信號，輸出給控制置的轉速信號轉變成了電壓信號，輸出給控制系統(tǒng)。系統(tǒng)。0nU2RL2RL1RL= RL2RL1 值得注意的是，由于直流電機中存在著電值得注意的是，由于直流電機中存在著電樞反應現(xiàn)象，使得輸出電壓樞反應現(xiàn)象，使得輸出電壓U2與轉速與轉速n 有一定有一定的線性誤差。的線性誤

10、差。 RL越小、越小、n 越大，誤差越大。因越大，誤差越大。因此，在使用中應使此，在使用中應使RL和和 n的大小符合的大小符合直流測速直流測速發(fā)電機的技術要求。發(fā)電機的技術要求。 測速發(fā)電機的作用是將機械速度轉變?yōu)殡妷簻y速發(fā)電機的作用是將機械速度轉變?yōu)殡妷盒盘?，在自動控制系統(tǒng)和計算裝置中作為檢測元信號，在自動控制系統(tǒng)和計算裝置中作為檢測元件、校正元件等。如在恒速控制系統(tǒng)中，測速發(fā)件、校正元件等。如在恒速控制系統(tǒng)中，測速發(fā)電機將速度轉換為電壓信號作為反饋信號，達到電機將速度轉換為電壓信號作為反饋信號，達到調節(jié)速度的作用。調節(jié)速度的作用。 ( 步進電機是利用電磁鐵的作用原理，將脈沖步進電機是利用電

11、磁鐵的作用原理，將脈沖信號轉換為線位移或角位移的電機。每來一個電脈信號轉換為線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，步進電機轉動一定角度，帶動機械移動一小段沖，步進電機轉動一定角度，帶動機械移動一小段距離。距離。 種類種類：勵磁式勵磁式和和兩種。兩種。 下面以反應式步進電機為例說明步進電機的下面以反應式步進電機為例說明步進電機的結構和工作原理。結構和工作原理。如下：如下：ABCIAIBIC 定子內圓周定子內圓周均勻分布著六個均勻分布著六個磁極，磁極上有磁極，磁極上有勵磁繞組，每兩勵磁繞組，每兩個相對的繞組組個相對的繞組組成一相。采用成一相。采用Y連接，轉子有四連接，轉子有四個齒。個齒。定子定子轉

12、子轉子 由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，因此會在磁力線扭曲時產生切向力，而形成磁阻轉因此會在磁力線扭曲時產生切向力，而形成磁阻轉矩，使轉子轉動。矩，使轉子轉動。 現(xiàn)以現(xiàn)以A B C A的通電順序，使三相繞組的通電順序，使三相繞組 輪流通入直流電流，觀察轉子的運動情況。輪流通入直流電流，觀察轉子的運動情況。BCIAIBICCABBCA3412 A相繞組通電，相繞組通電，B、C相相不通電。氣隙產生以不通電。氣隙產生以A-AA-A為軸線為軸線的磁場，而磁力線總是力圖從的磁場，而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過，故電動磁阻最小的路徑通過，故電動機轉子受

13、到一個反應轉矩，在機轉子受到一個反應轉矩，在此轉矩的作用下，轉子必然轉此轉矩的作用下，轉子必然轉到左圖所示位置：到左圖所示位置：1、3齒與齒與A、A極對齊。極對齊。動畫動畫CABBCA3412同理，同理，B相通電時，轉子會轉過相通電時，轉子會轉過30 角，角，2、4齒和齒和B、B 磁極軸線對齊；當磁極軸線對齊；當C相通電時，轉子相通電時，轉子再轉過再轉過30 角，角，1、3齒和齒和C 、C磁極軸線對齊。磁極軸線對齊。1C342CABBA這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個工作脈沖，一個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個工作脈

14、沖，所以稱為三相單三拍工作方式。所以稱為三相單三拍工作方式。 按按AB C A 的順序給三相繞組的順序給三相繞組輪流通電，轉子便一步一步轉動起來。每一拍轉輪流通電，轉子便一步一步轉動起來。每一拍轉過過30( (步距角步距角) )，每個通電循環(huán)周期，每個通電循環(huán)周期( (3拍拍) )磁場在磁場在空間旋轉了空間旋轉了360而轉子而轉子轉過轉過90( (一個齒距角一個齒距角) )。 按按AAB B BC C CA的順序給三相的順序給三相繞組輪流通電。繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制這種方式可以獲得更精確的控制特性。特性。CABBCA3412CABBCA3412 A相通電，相通電，轉子轉子1

15、 1、3 3齒與齒與A、A 對齊。對齊。 A、B相同時通電，相同時通電，A、A 磁極拉住磁極拉住1、3齒，齒，B、B 磁極拉住磁極拉住2、4齒，齒，轉子轉轉子轉過過15 ，到達左圖到達左圖所示位置。所示位置。動畫動畫CABBCA3412 B B 相通電，相通電，轉子轉子2、4齒與齒與B、B 對齊對齊, ,又轉又轉過過15 。3412CABBCA B、C相同時通電，相同時通電，C 、C 磁極拉住磁極拉住1、3齒，齒，B、B 磁極拉住磁極拉住2、4齒，轉子再轉齒，轉子再轉過過15 。 三相反應式步進電動機的一個通電循環(huán)周三相反應式步進電動機的一個通電循環(huán)周期如下：期如下：AAB B BC C CA

16、，每個循每個循環(huán)周期分為六拍。每拍轉子轉過環(huán)周期分為六拍。每拍轉子轉過15 （步距角），（步距角），一一個通電循環(huán)周期個通電循環(huán)周期( (6拍拍) )轉子轉過轉子轉過90 ( (齒距角齒距角) )。 與單三拍相比，六拍驅動方式的步進角更與單三拍相比，六拍驅動方式的步進角更小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。 按按AB BC CA的順序給三相繞組輪流通的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時通電電。每拍有兩相繞組同時通電。AB通電通電CABBCA3412BC通電通電3412CABBCACA通電通電CABBCA3412 與單三拍方式相似，雙三拍驅動時每個

17、通電與單三拍方式相似，雙三拍驅動時每個通電循循環(huán)周期也分為三拍。每拍轉子轉過環(huán)周期也分為三拍。每拍轉子轉過30 ( (步距角步距角) )，一一個通電循環(huán)周期個通電循環(huán)周期( (3拍拍) )轉子轉過轉子轉過90 ( (齒距角齒距角) )。動畫動畫 從以上對步進電機三種驅動方式的分析可從以上對步進電機三種驅動方式的分析可得步距角計算公式：得步距角計算公式：mZr360 步距角步距角Zr 轉子齒數(shù)轉子齒數(shù)m 每個通電循環(huán)周期的拍數(shù)每個通電循環(huán)周期的拍數(shù) 實用步進電機的步距角多為實用步進電機的步距角多為3 和和1.5 。為了。為了獲得小步距角，電機的定子、轉子都做成多齒的，獲得小步距角，電機的定子、轉

18、子都做成多齒的，如教材圖如教材圖10.4.4所示。圖中轉子表面有所示。圖中轉子表面有4040個齒，個齒，齒距角是齒距角是9 9 ；定子仍是定子仍是 6 6個磁極，但每個磁極表個磁極，但每個磁極表面加工有五個和轉子一樣的齒。面加工有五個和轉子一樣的齒。應用：應用：步進電動機根據(jù)數(shù)控裝置步進電動機根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)出的指令帶動電位器的發(fā)出的指令帶動電位器的動觸電轉動，使其偏離中動觸電轉動，使其偏離中點產生電位差，經(jīng)放大后點產生電位差，經(jīng)放大后控制伺服閥的開口量，壓力油經(jīng)閥口進入油缸，使控制伺服閥的開口量，壓力油經(jīng)閥口進入油缸，使機械手按照存儲在數(shù)控裝置中的指令動作。機械手按照存儲在數(shù)控裝置中的指令動作

19、。 用某種裝置代替人，按照人的意愿自動完用某種裝置代替人，按照人的意愿自動完成一系列控制過程，稱作自動控制。成一系列控制過程，稱作自動控制。 從結構上看，自動控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制從結構上看，自動控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩類。和閉環(huán)控制兩類。 控制對象控制對象控制控制指令指令輸出輸出 開環(huán)控制系統(tǒng)結構開環(huán)控制系統(tǒng)結構簡單，控制對象按照控簡單，控制對象按照控制指令工作，但不能根制指令工作，但不能根據(jù)輸出結果自動調節(jié)，據(jù)輸出結果自動調節(jié)，僅用于對控制精度要求僅用于對控制精度要求不高的場合。不高的場合。控制對象控制對象反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)誤差誤差輸出輸出給定給定反饋反饋 閉環(huán)控制系統(tǒng)結構比較復雜。把輸出信號的閉環(huán)控制系統(tǒng)結構比較復雜。把輸出信號的一部分通過反饋環(huán)節(jié)引回到輸入端，與給定信號一部分通過反饋環(huán)節(jié)引回到輸入端，與給定信號比較，得到誤差信號，再送入控制對象