電工學(七版秦曾煌)控制電機

1、第9章 控制(kngzh)電機 9.1 伺服電動機9.2 測速發(fā)電機9.3 自整角機（略）9.4 步進電動機9.5 自動控制(z dn kn zh)的基本概念共四十二頁第9章 控制(kngzh)電機 教學要求：1. 了解交流伺服電動機的結構(jigu)和工作原理;2. 了解直流伺服電動機的結構和工作原理;3. 了解交流測速發(fā)電機的結構和工作原理;4. 了解步進電動機的結構和工作原理。共四十二頁 前面介紹的異步電動機、直流電動機等都是作為動力使用的，其主要(zhyo)任務是能量的轉換。各種控制電機有各自的控制任務(rn wu)：如: 伺服電動機將電壓信號轉換為轉矩和轉速以驅動控制對象；測速發(fā)電機

2、將轉速轉換為電壓，并傳遞到 輸入端作為反饋信號。步進電動機將脈沖信號轉換為角位移或線位移。 本章介紹的各種控制電機的主要任務是轉換和傳遞控制信號，能量的轉換是次要的。 控制電機的種類很多，本章只討論常用的幾種:伺服電機、測速電機、自整角機、步進電機。 對控制電機的主要要求：動作靈敏、準確、 重量輕、體積小、耗電少、運行可靠等。共四十二頁伺服電動機可分為(fn wi)兩類： 伺服電動機又稱執(zhí)行電動機。其功能是將輸入的電壓控制信號轉換為軸上輸出(shch)的角位移和角速度，驅動控制對象。 交流伺服電動機 直流伺服電動機9.1 伺服電動機 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

3、中常用的執(zhí)行元件。共四十二頁9.1.1 交流(jioli)伺服電動機 交流伺服電動機就是(jish)一臺兩相交流異步電機。它的定子上裝有空間互差90的兩個繞組：勵磁繞組和控制繞組，其結構如圖所示。勵磁繞組控制繞組杯形轉子內(nèi)定子交流伺服電動機結構圖共四十二頁 勵磁繞組串聯(lián)電容C , 是為了(wi le)產(chǎn)生兩相旋轉磁場。 適當(shdng)選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電流相位差接近90,從而產(chǎn)生所需的旋轉磁場。勵磁繞組+1控制信號+控制繞組檢測元件放大器iti1 i20共四十二頁 工作時兩個繞組中產(chǎn)生的電流 和 的相位差近于90，因此便產(chǎn)生兩相旋轉磁場。在旋轉磁場的作用(zuyng)下，轉

4、子便轉動起來。 控制電壓 與電源(dinyun)電壓 頻率相同，相位相同或反相。 加在控制繞組上的控制電壓反相時(保持勵磁電壓不變)，由于旋轉磁場的旋轉方向發(fā)生變化，使電動機轉子反轉。 交流伺服電動機的特點：在電動機運行時如果控制電壓變?yōu)榱?，電動機立即停轉?？刂菩盘?控制繞組檢測元件放大器共四十二頁不同(b tn)控制電壓下的機械特性曲線n=f(T), U1=常數(shù) 交流伺服電動機的機械(jxi)特性如圖所示。 在勵磁電壓不變的情況下，隨著控制電壓的下降，特性曲線下移。在同一負載轉矩作用時，電動機轉速隨控制電壓的下降而均勻減小。TU20.8 U20.6 U20.4 U2On 交流伺服電機的輸出功

5、率一般為0.1-100 W，電源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應用很廣泛，如用在各種自動控制、自動記錄等系統(tǒng)中。應用:共四十二頁9.1.2 直流伺服電動機 直流伺服電動機的工作原理(yunl)也與直流電動機相同。供電方式(fngsh)：他勵供電。勵磁繞組和電樞分別由兩個獨立的電源供電。U1為勵磁電壓，U2為電樞電壓MU1I1I2U2放大器U+直流伺服電動機的接線圖直流伺服電動機的結構與直流電動機基本相同。只是為減小轉動慣量，電機做得細長一些。共四十二頁(1) 一定(ydng)負載轉矩下，當磁通不變時， U2 n。(2) U2= 0時，電機立即停轉。電動機反轉(fn zhun)：改變電樞

6、電壓的極性，電動機反轉。 直流伺服電機的機械特性與他勵直流電機相同一樣，也可用下式表示機械特性曲線如圖所示。直流伺服電動機的n=f(T)曲線(U1=常數(shù))U20.8U20.6U20.4U2nTO由機械特性可知： 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)中的位置控制等。 直流伺服電機輸出功率一般為1-600W。應用：共四十二頁9.2 測速發(fā)電機 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轉速，向控制電路提供(tgng)與轉速大小成正比的信號電壓。測速發(fā)電機分為(fn wi)交流和直流兩種類型。9.2.1 交流測速發(fā)電機 交流測速

7、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)電機的工作原理。共四十二頁1轉子(zhun z)定子(dngz)勵磁繞組輸出繞組 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。輸出繞組+勵磁繞組+9.2.1 交流測速發(fā)電機共四十二頁 工作時，測速發(fā)電機的勵磁(l c)繞組接交流電源U1，由 U1 4.44 f1N11 可知： 當被測轉動軸帶動發(fā)電機轉子旋轉時，轉子切割1產(chǎn)生轉子感應(gnyng)電勢Er和轉子電流Ir，它們的大小與1和轉子轉速 n 成正比： 轉子電流 Ir也產(chǎn)生磁通r ，r 在輸出繞組中感應出電壓U2 ，

8、U2的大小與r成正比：共四十二頁 綜合(zngh)上述分析可知： 當 U1恒定不變時， U2與n 成正比，這樣，發(fā)電機就把被測裝置的轉速信號(xnho)轉變成了電壓信號(xnho)，輸出給控制系統(tǒng)。 由于鐵心線圈電感的非線性影響，交流測速發(fā)電機的輸出電壓 U2與n 間存在著一定的非線性誤差，使用時要注意加以修正。共四十二頁9.2.1 直流測速發(fā)電機 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，工作時電樞接負載電阻RL。但永磁式的定子使用永久磁鐵產(chǎn)生磁場，因而沒有勵磁線圈；他勵式的結構(jigu)與直流伺服電機相同，工作時勵磁繞組加直流電壓U1勵磁。他勵式直流測速發(fā)電機接線圖TGRL

9、I2U2+Ra+EI1U1+共四十二頁 當被測裝置轉動軸帶動發(fā)電機電樞旋轉(xunzhun)時，電樞產(chǎn)生電動勢E，其大小為：發(fā)電機的輸出(shch)電壓為：上式中代入：于是共四十二頁 可見，當勵磁電壓U1保持恒定時（ 亦恒定），若Ra、RL不變，則輸出電壓U2的大小與電樞轉速 n 成正比。這樣，發(fā)電機就把被測裝置的轉速信號(xnho)轉變成了電壓信號(xnho)，輸出給控制系統(tǒng)。0nU2RL2RL1RL=RL2RL1 值得注意的是，由于(yuy)直流電機中存在著電樞反應現(xiàn)象，使得輸出電壓U2與轉速n 有一定的線性誤差。 RL越小、n 越大，誤差越大。因此，在使用中應使RL和 n的大小符合直流測

10、速發(fā)電機的技術要求。共四十二頁9.4 步進電動機特點(tdin): (1) 來一個脈沖，轉一個步距角。 (2) 控制脈沖頻率，可控制電機轉速。 (3) 改變脈沖順序，可改變轉動方向。 步進電機是利用電磁鐵的作用原理，將脈沖信號轉換(zhunhun)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距離。 區(qū)別在于勵磁式步進電機的轉子上有勵磁線圈，反應式步進電機的轉子上沒有勵磁線圈。種類：勵磁式和反應式兩種。共四十二頁 下面以反應式步進電機為例說明步進電機的結構(jigu)和工作原理。三相反應式步進電動機的原理(yunl)結構圖如下： 定子內(nèi)圓周均勻分布著六個磁極，

11、磁極上有勵磁繞組，每兩個相對的繞組組成一相。轉子有四個齒。定子ABCIAIBIC轉子共四十二頁1.三相(sn xin)單三拍CABBCA3412 A相繞組通電，B、C相不通電。由于在磁場作用下，轉子總是(zn sh)力圖旋轉到磁阻最小的位置，故在這種情況下，轉子必然轉到左圖所示位置：1、3齒與A、A極對齊。共四十二頁CABBCA3412 同理，B相通電時，轉子會轉過30角，2、4齒和B、B 磁極軸線(zhu xin)對齊；當C相通電時，轉子再轉過30角，1、3齒和C、C磁極軸線對齊。1C342CABBA共四十二頁 這種工作方式下，三個繞組依次(yc)通電一次為一個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個

12、工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。 按AB C A 的順序給三相繞組(roz)輪流通電，轉子便一步一步轉動起來。每一拍轉過30(步距角)，每個通電循環(huán)周期(3拍)轉過90(一個齒距角)。2. 三相六拍 按AAB B BC C CA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制特性。共四十二頁CABBCA3412CABBCA3412 A相通電，轉子(zhun z)1、3齒與A、A 對齊。 A、B相同時通電，A、A 磁極拉住1、3齒，B、B 磁極拉住2、4齒，轉子(zhun z)轉過15，到達左圖所示位置。共四十二頁CABBCA3412 B 相通電，轉子(zhun z)2、4齒與B、B

13、 對齊,又轉過15。3412CABBCA B、C相同時通電(tng din)，C 、C 磁極拉住1、3齒，B、B 磁極拉住2、4齒，轉子再轉過15。共四十二頁 三相反應式步進電動機的一個通電循環(huán)(xnhun)周期如下：AAB B BC C CA，每個循環(huán)周期分為六拍。每拍轉子轉過15（步距角），一個通電循環(huán)周期(6拍)轉子轉過90 (齒距角)。 與單三拍相比，六拍驅動方式的步進角更小，更適用(shyng)于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。3. 三相雙三拍 按AB BC CA的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時通電。共四十二頁AB通電CABBCA3412BC通電3412CABBCACA通電CA

14、BBCA3412 與單三拍方式相似，雙三拍驅動時每個通電循環(huán)(xnhun)周期也分為三拍。每拍轉子轉過30 (步距角)，一個通電循環(huán)周期(3拍)轉子轉過90(齒距角)。共四十二頁 從以上(yshng)對步進電機三種驅動方式的分析可得步距角計算公式： 步距角Zr 轉子齒數(shù)m 每個通電循環(huán)周期的拍數(shù) 實用步進電機(dinj)的步距角多為3和1.5 。為了獲得小步距角，電機的定子、轉子都做成多齒的，如教材圖10.4.4所示。圖中轉子表面有40個齒，共四十二頁齒距角是9；定子(dngz)仍是 6個磁極，但每個磁極表面加工有五個和轉子一樣的齒。 步進電動機的應用非常廣泛，如各種數(shù)控機床(sh kn j

15、chun)、自動繪圖儀、機器人等。應用：共四十二頁9.5 自動控制(z dn kn zh)的基本概念 用某種裝置(zhungzh)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。 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。 控制對象控制指令輸出 開環(huán)控制系統(tǒng)結構簡單，控制對象按照控制指令工作，但不能根據(jù)輸出結果自動調(diào)節(jié)，僅用于對控制精度要求不高的場合。共四十二頁控制對象反饋環(huán)節(jié)誤差輸出給定反饋 閉環(huán)控制(kngzh)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，與給定信號比較，得到誤差信號，再送入控制(kngzh)對象去調(diào)節(jié)輸出結果。如此反復循環(huán)，直至誤差為

16、零。這種控制(kngzh)是通過反饋來實現(xiàn)的，所以也叫做反饋控制(kngzh)系統(tǒng)。共四十二頁 給定元件 放大元件 執(zhí)行元件 控制對象檢測元件被調(diào)量控制指令+UgUdUf 閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋(fnku)控制系統(tǒng)）的各個基本環(huán)節(jié)如下圖所示：系統(tǒng)(xtng)中各部分的作用如下：給定元件把控制指令變成給定值。它與被調(diào)量存在著一定的函數(shù)關系。改變給定值，即可改變被調(diào)量。共四十二頁檢測(jin c)元件把被調(diào)量檢測出來，按一定的函數(shù)關系反饋到輸入端。比較元件(yunjin)把反饋信號Uf與給定信號Ug比較以獲取誤差信號Ud。放大元件當誤差信號太微弱時，需要用放大元件把誤差信號放大到足以推動執(zhí)行元件的程度

17、。執(zhí)行元件直接推動控制對象改變被調(diào)量?？刂茖ο笥蓤?zhí)行元件推動的各種裝置，如各種機械負載、發(fā)電機、加熱爐、閘門等，相應的被調(diào)量就是轉速、電壓、溫度、位移等。共四十二頁步進電機(dinj)下一頁返 回共四十二頁步進電機(dinj)上一頁下一頁返 回第六章 異步電動機共四十二頁步進電機(dinj)第六章 異步電動機上一頁下一頁返 回共四十二頁步進電機(dinj)上一頁下一頁返 回共四十二頁 步進電機(dinj)上一頁返 回共四十二頁 交流(jioli)伺服電機下一頁返 回共四十二頁 交流(jioli)伺服電機上一頁下一頁返 回共四十二頁 交流(jioli)伺服電機上一頁下一頁返 回共四十二頁 交流(jioli)伺服電機上一頁下一頁返 回共四十二頁內(nèi)容摘要第9章 控制電機。各種控制電機有各自的控制任務：。伺服電動機又稱執(zhí)行電動機。交流伺服電動機