直流伺服電機(jī)工作原理演示文稿

直流伺服電機(jī)工作原理演示文稿現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一第9章控制電機(jī)教學(xué)要求：1.了解交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。2.了解直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。3.了解交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。4.了解步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理?，F(xiàn)在是2頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一

前面介紹的異步電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)等都是作為動(dòng)力使用的，其主要任務(wù)是能量的轉(zhuǎn)換。各種控制電機(jī)有各自的控制任務(wù)：如:伺服電動(dòng)機(jī)將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象；測(cè)速發(fā)電機(jī)將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓，并傳遞到輸入端作為反饋信號(hào)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或線位移。

本章介紹的各種控制電機(jī)的主要任務(wù)是轉(zhuǎn)換和傳遞控制信號(hào)，能量的轉(zhuǎn)換是次要的。

控制電機(jī)的種類(lèi)很多，本章只討論常用的幾種:伺服電機(jī)、測(cè)速電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)。

對(duì)控制電機(jī)的主要要求：動(dòng)作靈敏、準(zhǔn)確、重量輕、體積小、耗電少、運(yùn)行可靠等?，F(xiàn)在是3頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一伺服電動(dòng)機(jī)可分為兩類(lèi)：

伺服電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。其功能是將輸入的電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為軸上輸出的角位移和角速度，驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。

交流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)9.1

伺服電動(dòng)機(jī)

伺服電動(dòng)機(jī)可控性好，反應(yīng)迅速。是自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中常用的執(zhí)行元件?，F(xiàn)在是4頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一

交流伺服電動(dòng)機(jī)

交流伺服電動(dòng)機(jī)就是一臺(tái)兩相交流異步電機(jī)。它的定子上裝有空間互差90的兩個(gè)繞組：勵(lì)磁繞組和控制繞組，其結(jié)構(gòu)如圖所示。勵(lì)磁繞組控制繞組杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)定子交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一放大器檢測(cè)元件控制信號(hào)+–+–控制繞組勵(lì)磁繞組+++–––1

勵(lì)磁繞組串聯(lián)電容C,是為了產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

適當(dāng)選擇電容的大小，可使通入兩個(gè)繞組的電流相位差接近90,從而產(chǎn)生所需的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。交流伺服電動(dòng)機(jī)的接線圖和相量圖(a）接線圖1(b)相量圖現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一

控制電壓與電源電壓頻率相同，相位相同或反相。放大器檢測(cè)元件控制信號(hào)+–+–控制繞組

交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與單相異步電動(dòng)機(jī)有相似之處。

勵(lì)磁繞組固定接在電源上，當(dāng)控制電壓為零時(shí)，電機(jī)無(wú)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)。

若有控制電壓加在控制繞組上，且勵(lì)磁電流和控制繞組電流不同相時(shí)，因此便產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)?，F(xiàn)在是7頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一

交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：不僅要求它在靜止?fàn)顟B(tài)下，能服從控制信號(hào)的命令而轉(zhuǎn)動(dòng)，而且要求在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)如果控制電壓變?yōu)榱?，電?dòng)機(jī)立即停轉(zhuǎn)。

但如果交流伺服電動(dòng)機(jī)的參數(shù)選擇和一般單相異步電動(dòng)機(jī)相似，電動(dòng)機(jī)一經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，即使控制等于零，電動(dòng)機(jī)仍繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)失去控制，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“自轉(zhuǎn)”。

如何克服“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象呢？現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一正反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的合成轉(zhuǎn)矩特性(正向)(反向)正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)反當(dāng)單相勵(lì)磁時(shí)，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍0<S1<1時(shí)，轉(zhuǎn)矩為正值，產(chǎn)生電動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。反轉(zhuǎn)時(shí)也同樣為電動(dòng)轉(zhuǎn)矩?，F(xiàn)在是9頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一現(xiàn)增大轉(zhuǎn)子電阻，使Sm>1當(dāng)單相勵(lì)磁時(shí)，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍0<S1<1時(shí)，轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)時(shí)也同樣為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩?，F(xiàn)在是10頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一

加在控制繞組上的控制電壓反相時(shí)(保持勵(lì)磁電壓不變)，由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。

加在控制繞組上的控制電壓大小變化時(shí)，其產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的橢圓度不同，從而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也不同，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。不同控制電壓下的機(jī)械特性曲線n=f(T),

U1=常數(shù)TU20.8U20.6

U20.4U2on

交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖所示?，F(xiàn)在是11頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一

在勵(lì)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(fù)載轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨控制電壓的下降而均勻減小。

交流伺服電機(jī)的輸出功率一般為0.1-100W，電源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應(yīng)用很廣泛，如用在各種自動(dòng)控制、自動(dòng)記錄等系統(tǒng)中。應(yīng)用:現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一

直流伺服電動(dòng)機(jī)

直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與直流電動(dòng)機(jī)基本相同。只是為減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電機(jī)做得細(xì)長(zhǎng)一些。

直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理也與直流電動(dòng)機(jī)相同。供電方式：他勵(lì)供電。勵(lì)磁繞組和電樞分別由兩個(gè)獨(dú)立的電源供電。U1為勵(lì)磁電壓，U2為電樞電壓MU1I1I2U2放大器U++––直流伺服電動(dòng)機(jī)的接線圖現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一由機(jī)械特性可知：(1)一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，當(dāng)磁通不變時(shí)，U2n。(2)U2=0時(shí)，電機(jī)立即停轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)：改變電樞電壓的極性，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。

直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性與他勵(lì)直流電機(jī)相同一樣，也可用下式表示機(jī)械特性曲線如圖所示。直流伺服電動(dòng)機(jī)的n=f(T)曲線(U1=常數(shù))U20.8U20.6U20.4U2nTO現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一

直流伺服電機(jī)的特性較交流伺服電機(jī)硬。通常應(yīng)用于功率稍大的系統(tǒng)中，如隨動(dòng)系統(tǒng)中的位置控制等。直流伺服電機(jī)輸出功率一般為1-600W。應(yīng)用：現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一9.2

測(cè)速發(fā)電機(jī)

測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器。在許多自動(dòng)控制系統(tǒng)中，它被用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)速，向控制電路提供與轉(zhuǎn)速大小成正比的信號(hào)電壓。測(cè)速發(fā)電機(jī)分為交流和直流兩種類(lèi)型。

交流測(cè)速發(fā)電機(jī)

交流測(cè)速發(fā)電機(jī)又分為同步式和異步式兩種，這里只分析異步式交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理?，F(xiàn)在是16頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一????1轉(zhuǎn)子定子勵(lì)磁繞組輸出繞組

異步式交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電機(jī)相似，它的定子上有兩個(gè)繞組，一個(gè)是勵(lì)磁繞組，一個(gè)是輸出繞組。輸出繞組+–勵(lì)磁繞組+–

交流測(cè)速發(fā)電機(jī)現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一

工作時(shí)，測(cè)速發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組接交流電源U1，由U14.44f1N11可知：

當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子切割1產(chǎn)生轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)Er和轉(zhuǎn)子電流Ir，它們的大小與1和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n

成正比：

轉(zhuǎn)子電流Ir也產(chǎn)生磁通r，r在輸出繞組中感應(yīng)出電壓U2，U2的大小與r成正比：現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一

綜合上述分析可知：

當(dāng)U1恒定不變時(shí)，U2與n成正比，這樣，發(fā)電機(jī)就把被測(cè)裝置的轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)變成了電壓信號(hào)，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(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓U2與n間存在著一定的非線性誤差，使用時(shí)要注意加以修正?，F(xiàn)在是19頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一

直流測(cè)速發(fā)電機(jī)

直流測(cè)速發(fā)電機(jī)分永磁式和他勵(lì)式兩種。兩種電機(jī)的電樞相同，工作時(shí)電樞接負(fù)載電阻RL。但永磁式的定子使用永久磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，因而沒(méi)有勵(lì)磁線圈；他勵(lì)式的結(jié)構(gòu)與直流伺服電機(jī)相同，工作時(shí)勵(lì)磁繞組加直流電壓U1勵(lì)磁。他勵(lì)式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)接線圖TGRLI2U2+–Ra+–EI1U1+–現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一

當(dāng)被測(cè)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E，其大小為：發(fā)電機(jī)的輸出電壓為：上式中代入：于是現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一

可見(jiàn)，當(dāng)勵(lì)磁電壓U1保持恒定時(shí)（亦恒定），若Ra、RL不變，則輸出電壓U2的大小與電樞轉(zhuǎn)速n成正比。這樣，發(fā)電機(jī)就把被測(cè)裝置的轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)變成了電壓信號(hào)，輸出給控制系統(tǒng)。0nU2RL2<RL1RL=RL2RL1現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一

值得注意的是，由于直流電機(jī)中存在著電樞反應(yīng)現(xiàn)象，使得輸出電壓U2與轉(zhuǎn)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(yīng)使RL和n的大小符合直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求。

測(cè)速發(fā)電機(jī)的作用是將機(jī)械速度轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算裝置中作為檢測(cè)元件、校正元件等。如在恒速控制系統(tǒng)中，測(cè)速發(fā)電機(jī)將速度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)作為反饋信號(hào)，達(dá)到調(diào)節(jié)速度的作用。現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一9.3

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特點(diǎn):

(1)來(lái)一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。

(2)控制脈沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

(3)改變脈沖順序，可改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵的作用原理，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的電機(jī)。每來(lái)一個(gè)電脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，帶動(dòng)機(jī)械移動(dòng)一小段距離。

由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的這一工作職能正好符合數(shù)字控制系統(tǒng)要求，因此它在數(shù)控機(jī)床、鐘表工業(yè)及自動(dòng)記錄儀等方面都有很廣泛的應(yīng)用現(xiàn)在是24頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一9.3

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

區(qū)別在于勵(lì)磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有勵(lì)磁線圈，依靠電磁轉(zhuǎn)矩工作。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒(méi)有勵(lì)磁線圈。依靠變化的的磁阻生成磁阻轉(zhuǎn)矩工作。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最廣泛，它有兩相、三相、多相之分。這里主要討論三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。種類(lèi)：勵(lì)磁式和反應(yīng)式兩種?，F(xiàn)在是25頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一

下面以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理結(jié)構(gòu)圖如下：ABCIAIBIC

定子內(nèi)圓周均勻分布著六個(gè)磁極，磁極上有勵(lì)磁繞組，每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的繞組組成一相。采用Y連接，轉(zhuǎn)子有四個(gè)齒。定子轉(zhuǎn)子現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一1.工作原理

由于磁力線總是要通過(guò)磁阻最小的路徑閉合，因此會(huì)在磁力線扭曲時(shí)產(chǎn)生切向力，而形成磁阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

現(xiàn)以ABCA的通電順序，使三相繞組

輪流通入直流電流，觀察轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)情況。BCIAIBIC現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一1.三相單三拍CA'BB'C'A3412

A相繞組通電，B、C相不通電。氣隙產(chǎn)生以A-A為軸線的磁場(chǎng)，而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過(guò)，故電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子受到一個(gè)反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，在此轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置：1、3齒與A、A′極對(duì)齊。動(dòng)畫(huà)“三相”指三相步進(jìn)電機(jī)；“單”指每次只能一相繞組通電；“三拍”指通電三次完成一個(gè)通電循環(huán)?，F(xiàn)在是28頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一CA'BB'C'A3412

同理，B相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)30角，2、4齒和B、B′

磁極軸線對(duì)齊；當(dāng)C相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過(guò)30角，1、3齒和C′、C磁極軸線對(duì)齊。1C'342CA'BB'A現(xiàn)在是29頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一

這種工作方式下，三個(gè)繞組依次通電一次為一個(gè)循環(huán)周期，一個(gè)循環(huán)周期包括三個(gè)工作脈沖，所以稱(chēng)為三相單三拍工作方式。

按ABCA……的順序給三相繞組輪流通電，轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。每一拍轉(zhuǎn)過(guò)30°(步距角)，每個(gè)通電循環(huán)周期(3拍)磁場(chǎng)在空間旋轉(zhuǎn)了360°而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90°(一個(gè)齒距角)。2.三相六拍

按AABBBCC

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?，F(xiàn)在是30頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412

A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒與A、A'對(duì)齊。

A、B相同時(shí)通電，A、A'磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)15，到達(dá)左圖所示位置。動(dòng)畫(huà)現(xiàn)在是31頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一CA'BB'C'A3412

B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒與B、B′對(duì)齊,又轉(zhuǎn)過(guò)15。3412CA'BB'C'AB、C相同時(shí)通電，C'、C

磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過(guò)15?，F(xiàn)在是32頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一

三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)通電循環(huán)周期如下：AABBBCC

CA，每個(gè)循環(huán)周期分為六拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)15（步距角），一個(gè)通電循環(huán)周期(6拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90(齒距角)。

與單三拍相比，六拍驅(qū)動(dòng)方式的步進(jìn)角更小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。3.三相雙三拍

按ABBCCA的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時(shí)通電?，F(xiàn)在是33頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一AB通電CA'BB'C'A3412BC通電3412CA'BB'C'ACA通電CA'BB'C'A3412

與單三拍方式相似，雙三拍驅(qū)動(dòng)時(shí)每個(gè)通電循環(huán)周期也分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)30(步距角)，一個(gè)通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90(齒距角)。動(dòng)畫(huà)現(xiàn)在是34頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一

從以上對(duì)步進(jìn)電機(jī)三種驅(qū)動(dòng)方式的分析可得步距角計(jì)算公式：—步距角Zr

—轉(zhuǎn)子齒數(shù)m—每個(gè)通電循環(huán)周期的拍數(shù)

實(shí)用步進(jìn)電機(jī)的步距角多為3和1.5

。為了獲得小步距角，電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子都做成多齒的，如教材圖所示。圖中轉(zhuǎn)子表面有40個(gè)齒，現(xiàn)在是35頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期一齒距角是9；定子仍是6個(gè)磁極，但每個(gè)磁極表面加工有五個(gè)和轉(zhuǎn)子一樣的