电工学：9.控制电机.ppt

返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录第第9章章 控制电机控制电机 9.1 伺服电机伺服电机9.2 步进电机步进电机9.3 自动控制的基本概念自动控制的基本概念返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录第第9章章 控制电机控制电机 教学要求：教学要求：教学要求：教学要求：1. 1. 了解交流伺服电机的结构和工作原理了解交流伺服电机的结构和工作原理了解交流伺服电机的结构和工作原理了解交流伺服电机的结构和工作原理; ;2. 2. 了解直流伺服电机的结构和工作原理了解直流伺服电机的结构和工作原理了解直流伺服电机的结构和工作原理了解直流伺服电机的结构和工作原理; ;3. 3. 了解步进电机的结构和工作原理了解步进电机的结构和工作原理了解步进电机的结构和工作原理了解步进电机的结构和工作原理返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录 异异异异步步步步电电电电动动动动机机机机、、、、直直直直流流流流电电电电动动动动机机机机等等等等都都都都是是是是作作作作为为为为动动动动力力力力使使使使用的，其主要任务是能量的转换。

用的，其主要任务是能量的转换用的，其主要任务是能量的转换用的，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：各种控制电机有各自的控制任务：各种控制电机有各自的控制任务：各种控制电机有各自的控制任务： 伺服电机将电压信号转换为转矩和转速以驱伺服电机将电压信号转换为转矩和转速以驱伺服电机将电压信号转换为转矩和转速以驱伺服电机将电压信号转换为转矩和转速以驱动控制对象；步进电机将脉冲信号转换为角位移或线动控制对象；步进电机将脉冲信号转换为角位移或线动控制对象；步进电机将脉冲信号转换为角位移或线动控制对象；步进电机将脉冲信号转换为角位移或线位移 各种各种各种各种控制电机的主要任务是转换和传递控制信号，控制电机的主要任务是转换和传递控制信号，控制电机的主要任务是转换和传递控制信号，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能量的转换是次要的能量的转换是次要的能量的转换是次要的 控制电机的种类很多，本章只讨论常用的控制电机的种类很多，本章只讨论常用的控制电机的种类很多，本章只讨论常用的控制电机的种类很多，本章只讨论常用的伺服伺服伺服伺服电机和步进电机。

电机和步进电机电机和步进电机电机和步进电机 对控制电机的主要要求：对控制电机的主要要求：对控制电机的主要要求：对控制电机的主要要求：动作灵敏、准确度高、动作灵敏、准确度高、动作灵敏、准确度高、动作灵敏、准确度高、 重量轻、体积小、耗电少、运行可靠等重量轻、体积小、耗电少、运行可靠等重量轻、体积小、耗电少、运行可靠等重量轻、体积小、耗电少、运行可靠等返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录伺服电机可分为两类：伺服电机可分为两类：伺服电机可分为两类：伺服电机可分为两类： 伺服电机又称执行电机其伺服电机又称执行电机其功能是将输入的电压功能是将输入的电压功能是将输入的电压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，驱动控控制信号转换为轴上输出的角位移和角速度，驱动控控制信号转换为轴上输出的角位移和角速度，驱动控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 交流伺服电机交流伺服电机交流伺服电机交流伺服电机 直流伺服电机直流伺服电机直流伺服电机直流伺服电机9.1 伺服电机伺服电机 伺服电机可控性好，反应迅速。

是自动控制系统伺服电机可控性好，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和计算机外围设备中常用的执行元件返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录9.1.1 交流伺服电机交流伺服电机 交流伺服电机就是交流伺服电机就是两相交流异步电机它的定子两相交流异步电机它的定子上装有空间互差上装有空间互差 90  的的两个绕组：励磁绕组和控制绕两个绕组：励磁绕组和控制绕组转子分为笼型转子和杯型转子转子分为笼型转子和杯型转子杯型转子伺服电机的结构图杯型转子伺服电机的结构图杯型转子伺服电机的结构图杯型转子伺服电机的结构图返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录 励磁绕组串联电容励磁绕组串联电容C , 是为了产生两相旋转磁场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位差接近90 , 从而产生所需的旋转磁场从而产生所需的旋转磁场交流伺服电机的接线图和相量图交流伺服电机的接线图和相量图(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返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录 工作时两个绕组中产生的工作时两个绕组中产生的工作时两个绕组中产生的工作时两个绕组中产生的电流电流电流电流 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9090º º, ,因此便产生两相旋转磁场。

在因此便产生两相旋转磁场在因此便产生两相旋转磁场在因此便产生两相旋转磁场在旋转磁场的作用下，转子便转旋转磁场的作用下，转子便转旋转磁场的作用下，转子便转旋转磁场的作用下，转子便转动起来 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 频率相同，相位相同或反相频率相同，相位相同或反相频率相同，相位相同或反相频率相同，相位相同或反相 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( (保持励磁电压保持励磁电压保持励磁电压保持励磁电压不变不变不变不变) )，由于旋转磁场的旋转方向发生变化，使电动机，由于旋转磁场的旋转方向发生变化，使电动机，由于旋转磁场的旋转方向发生变化，使电动机，由于旋转磁场的旋转方向发生变化，使电动机转子反转转子反转转子反转转子反转 交流伺服电机的特点：交流伺服电机的特点：交流伺服电机的特点：交流伺服电机的特点：在电机运行时如果控制电在电机运行时如果控制电在电机运行时如果控制电在电机运行时如果控制电压变为零，电机立即停转。

压变为零，电机立即停转压变为零，电机立即停转压变为零，电机立即停转返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录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 交流伺服电机的机械特性如图所示交流伺服电机的机械特性如图所示交流伺服电机的机械特性如图所示交流伺服电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在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的下降在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的下降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，电机转速随特性曲线下移在同一负载转矩作用时，电机转速随特性曲线下移在同一负载转矩作用时，电机转速随特性曲线下移在同一负载转矩作用时，电机转速随控制电压的下降而均匀减小控制电压的下降而均匀减小控制电压的下降而均匀减小控制电压的下降而均匀减小T TU U2 20.8 U20.6 U20.40.4 U U2 2On返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录 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。

它的应用很广泛等多种它的应用很广泛, , 如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: : : :自动平衡电位计电路的原理图自动平衡电位计电路的原理图返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录自动平衡电位计电路的闭环控制方框图自动平衡电位计电路的闭环控制方框图返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录9.1.2 直流伺服电机直流伺服电机 直流伺服电机的结构与直流伺服电机的结构与直流电动机基本相同只直流电动机基本相同只是为减小转动惯量而做得细长一些是为减小转动惯量而做得细长一些 直流伺服电机的直流伺服电机的工作原理也与直流电动机相同工作原理也与直流电动机相同供电方式：供电方式：他励供电励磁绕组和电枢分别由两个独他励供电励磁绕组和电枢分别由两个独立的电源供电立的电源供电U1为励磁电压为励磁电压U2为电枢电压为电枢电压直流伺服电机的接线图直流伺服电机的接线图返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录由机械特性可知：由机械特性可知：(1) 一定负载转矩下，当磁通不变时，一定负载转矩下，当磁通不变时，U2 n 。

2) U2= 0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直流伺服电机的机械特性与他励直流电动机一特性与他励直流电动机一样，也可用下式表示样，也可用下式表示机械特性曲线如图所示机械特性曲线如图所示直流伺服电机的直流伺服电机的n=f (T)曲线曲线(U1=常数常数) 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返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录 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 应用：应用：应用：应用：位置随动系统的示意图位置随动系统的示意图返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录9.2 步进电机步进电机特点特点特点特点: : : : (1) 1) 来一个脉冲，转一个步距角。

来一个脉冲，转一个步距角来一个脉冲，转一个步距角来一个脉冲，转一个步距角 (2) (2) 控制脉冲频率，可控制电机转速控制脉冲频率，可控制电机转速控制脉冲频率，可控制电机转速控制脉冲频率，可控制电机转速 (3) (3) 改变脉冲顺序，可改变转动方向改变脉冲顺序，可改变转动方向改变脉冲顺序，可改变转动方向改变脉冲顺序，可改变转动方向 步步进进电电机机是是利利用用电电磁磁铁铁的的作作用用原原理理, , 将将电电脉脉冲冲转转换换为为线线位位移移或或角角位位移移的的电电机机计计算算机机每每发发一一个个电电脉脉冲冲, ,步进电机转动一定角度步进电机转动一定角度, , 带动机械移动一小段距离带动机械移动一小段距离 区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈反应式步进电机的转子上没有励磁线圈反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。

反应式步进电机的转子上没有励磁线圈种类种类：：励磁式励磁式和和反应式反应式反应式反应式两种返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录 下下面面以以反反应应式式步步进进电电机机为为例例说说明明步步进进电电机机的的结结构构和工作原理和工作原理反应式步进电机的结构示意图反应式步进电机的结构示意图反应式步进电机的结构示意图反应式步进电机的结构示意图 定子内圆周定子内圆周均匀分布着六个均匀分布着六个磁极，磁极上有磁极，磁极上有励磁绕组，每两励磁绕组，每两个相对的绕组组个相对的绕组组成一相转子有成一相转子有四个齿定子定子转子转子返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录1.1.1.1.三相单三拍三相单三拍三相单三拍三相单三拍 U相绕组通电，相绕组通电，V ，，W 两两相不通电由于在磁场作相不通电由于在磁场作用下用下, , 转子总是力图旋转到转子总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种磁阻最小的位置，故在这种情况下，转子必然转到左图情况下，转子必然转到左图所示位置：所示位置：1、、3齿与齿与U1、、U2 极对齐返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录 当当当当V相通电时，转子相通电时，转子会转过会转过30 角，角，2、、4 齿齿和和V1、、V2 磁极轴线对磁极轴线对齐。

齐 同理，当同理，当W 相通电相通电时，转子再转过时，转子再转过30 角，角，1、、3 齿和齿和W1、、W2磁极磁极轴线对齐轴线对齐返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录 这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个这种工作方式下，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为三相单三拍工作方式 如果按如果按UV W U …的顺序给三相绕组轮的顺序给三相绕组轮流通电，则电机转子便顺时针方向一步一步地转动流通电，则电机转子便顺时针方向一步一步地转动每一步的转角为每一步的转角为30°(步距角步距角)，每个通电循环周期，每个通电循环周期 (3拍拍)，磁场旋转一周，转子转过一个齿距角，磁场旋转一周，转子转过一个齿距角 ( 转子四个齿转子四个齿时为时为90°) 若按若按U W V U …的顺序通电，则电机转的顺序通电，则电机转子便逆时针方向转动子便逆时针方向转动返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录 U相通电，相通电，转子转子1、、3齿与齿与U1、、U2 对齐。

对齐 U、、V相同时通电，相同时通电， U1、、U2磁极拉住磁极拉住1、、3齿，齿，V1、、V2 磁极拉住磁极拉住2、、4齿，转子转齿，转子转过过15 ，，到达左图所示位置到达左图所示位置2. 2. 三相六拍三相六拍三相六拍三相六拍 按按UUV V VW W  WU的顺序给三相的顺序给三相绕组轮流通电绕组轮流通电返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录 V相通电，相通电，转子转子2、、4齿与齿与V1、、V2 对齐，对齐，转转子子又转过又转过15  V、、W相同时通电，相同时通电，W1、、W2磁极拉住磁极拉住1、、3齿齿,V1、、V2 磁极拉住磁极拉住 2、、4齿齿, 转子再转转子再转过过15 返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录 三相反应式步进电机的一个通电循环周期如下：三相反应式步进电机的一个通电循环周期如下：UUV V VW W  WU, 每个循环周期分为六每个循环周期分为六拍每拍转子转过拍每拍转子转过 15 ( (步距角步距角) )，，一一个通电循环周期个通电循环周期 ( (6拍拍) )转子转过转子转过90  ( (齿距角齿距角) )。

与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更与单三拍相比，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适用于需要精确定位的控制系统中3. 3. 三相双三拍三相双三拍三相双三拍三相双三拍 按按UV VW WU的顺序给三相绕组轮流通电的顺序给三相绕组轮流通电每拍有两相绕组同时通电每拍有两相绕组同时通电返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录UV通电通电VW通电通电WU通电通电 与单三拍方式相似与单三拍方式相似, 双三拍驱动时每个通电双三拍驱动时每个通电循环循环周期也分为三拍每拍转子转过周期也分为三拍每拍转子转过30  ( (步距角步距角) )，，一一个通电循环周期个通电循环周期( (3拍拍) )转子转过转子转过90 ( (齿距角齿距角) )返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录 从以上对步进电机三种驱动方式的分析，可得步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：距角计算公式：  —步距角步距角Zr —转子齿数转子齿数m —每个通电循环周期的拍数每个通电循环周期的拍数 实用步进电机的步距角多为实用步进电机的步距角多为 3  和和 1.5 。

为了为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的步获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的步进电机的结构图如图所示，图中转子表面有进电机的结构图如图所示，图中转子表面有40个齿，个齿，齿距角是齿距角是 9 ；；定子仍是定子仍是 6 个磁极个磁极, 但每个磁极表面但每个磁极表面加工有五个和转子一样的齿加工有五个和转子一样的齿返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录 步进电机的应用非常广泛步进电机的应用非常广泛, , 如各种数控机床、自如各种数控机床、自动绘图仪、机器人等动绘图仪、机器人等应用：应用：三相反应时步进电机的结构图三相反应时步进电机的结构图返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录9.3 自动控制的基本概念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两类 开环控制系统结构简开环控制系统结构简单，控制对象按照控制指单，控制对象按照控制指令工作，但不能根据输出令工作，但不能根据输出结果自动调节，仅用于对结果自动调节，仅用于对控制精度要求不高的场合。

控制精度要求不高的场合控制指令控制指令输出输出控制对象控制对象返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录 闭环控制系统结构比较复杂把输出信号的一部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现的，所以也叫做反馈控制系统闭环控制的方框图闭环控制的方框图返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录 闭环控制系统闭环控制系统(反馈控制系统反馈控制系统) 各个基本环节如图各个基本环节如图所示：所示：系统中各部分的作用如下：系统中各部分的作用如下：　　　　给定元件给定元件给定元件给定元件 — 把控制指令变成给定值它与被调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量存在着一定的函数关系改变给定值, 即可改变被即可改变被调量反馈控制系统方框图反馈控制系统方框图返回返回退出退出上一页上一页 下一页下一页章目录章目录　　　　检测元件检测元件检测元件检测元件 — 把被调量检测出来把被调量检测出来, 按一定的函数关系按一定的函数关系反馈到输入端。

反馈到输入端　　　　比较元件比较元件比较元件比较元件 — 把反馈信号把反馈信号 Uf 与给定信号与给定信号 Ug 比较以比较以获取误差信号获取误差信号 Ud　　　　放大元件放大元件放大元件放大元件 — 当误差信号太微弱时，需要用放大元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件把误差信号放大到足以推动执行元件的程度　　　　执行元件执行元件执行元件执行元件 — 直接推动控制对象改变被调量直接推动控制对象改变被调量　　　　控制对象控制对象控制对象控制对象 — 由执行元件推动的各种装置，如各种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、闸门等机械负载、发电机、加热炉、闸门等, 相应的被调量就相应的被调量就是转速、电压、温度、位移等是转速、电压、温度、位移等。