PPT《海南风光》

海南风光 第15讲第10章控制电机 第10章 控制电机 §10.

1 概述§10.2 步进电动机 10.2.1 结构 10.2.2 工作方式 10.2.3 小步距角的步进电动机§10.3 伺服电动机 10.3.1 交流伺服电动机 10.3.2 直流伺服电动机 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,其主要任务是能量转换,例如将电能转换为机械能.本章介绍控制电机. §10.1 概述 如:伺服机将电压信号转换为转矩和转速;

步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移. 控制电机的主要功能是转换和传递信号. 控制电机的种类很多,本章主要介绍步进机、伺服机. 对控制电机的主要要求:动作灵敏、准确、重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等. §10.2 步进电动机 机理:步进电机是利用电磁铁原理,将脉冲信号 转换成线位移或角位移的电机.每来一个 电脉冲,电机转动一个角度,带动机械移 动一小段距离. 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,改变方向. 种类: 有励磁式和反应式两种.两种的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. 应用: 步进机的应用非常广泛.如:在数控机床、自动 绘图仪等设备中都得到应用. 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. 10.2.1 结构 步进机主要由两部分构成:定子和转子.它们均由磁性材料构成,其上分别有六个、四个磁极 . 定子 转子 定子绕组 定子的六个磁极上有控制绕组,两个相对的磁极组成一相. 注意:这里的相和三相交流电中的"相"的概念不同.步进机通的是直流电脉冲,这主要是指线图的联接和组数的区别. A B C 定子 转子 IA IB IC 10.2.2 工作方式 步进电机的工作方式可分为:三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等.

一、三相单三拍 (1)三相绕组联接方式:Y 型(2)三相绕组中的通电顺序为: A 相?B相?C相通电顺序也可以为: A 相?C相? B 相(3)工作过程 化,吸引转子,使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小,使转、定子的齿对齐停止转动. A 相通电,A 方向的磁通经转子形成闭合回路.若转子和磁场轴线方向原有一定角度,则在磁场的作用下,转子被磁 A 相通电使转子

1、3齿和 AA' 对齐. C A' B B' C' A

3 4

1 2 C A' B B' C' A

3 4

1 2 同理,B相通电,转子

2、4齿和B相轴线对齐,相对A相通电位置转30?;

C相通电再转30?.

1 C'

3 4

2 C A' B B' A 这种工作方式,因三相绕组中每次只有一相通电,而且,一个循环周期共包括三个脉冲,所以称三相单三拍. 三相单三拍的特点: (1)每来一个电脉冲,转子转过 30?.此角称为步距角,用?S表示. (2)转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序,改变通电顺序即可改变转向.

二、三相单双六拍 三相绕组的通电顺序为:A?AB?B?BC?C?CA?A 共六拍. 工作过程: A相通电,转子

1、3齿和A相对齐. C A' B B' C' A

3 4

1 2 所以转子转到两磁拉力平衡的位置上.相对AA' 通电,转子转了15°. (1)BB' 磁场对

2、4 齿有磁拉力,该拉力使 转子顺时针方向转动. A、B相同时通电 (2)AA' 磁场继续对

1、3齿有拉力. C A' B B' C' A

3 4

1 2 总之,每个循环周期,有六种通电状态,所以称为三相六拍,步距角为15?. C A' B B' C' A

3 4

1 2 B相通电,转子

2、4齿和B相对齐,又转了15?.

三、三相双三拍 三相绕组的通电顺序为:AB ? BC ? CA ? AB 共三拍. AB通电 C A' B B' C' A

3 4

1 2 C A' B B' C' A

3 4

1 2 BC通电 以上三种工作方式,三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定,因此较常采用. 工作方式为三相双三拍时,每通入一个电脉冲,转子也是转30?,即?S = 30?. CA通电 C A' B B' C' A

3 4

1 2 10.2.3 小步距角的步进电动机 实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5度,步距角越小,机加工的精度越高. 为产生小步距角,定、转子都做成多齿的,图中转子40个齿,定子仍是 6个磁极,但每个磁极上也有五个齿. 转子的齿距等于360?/ 40=9 ? ,齿宽、齿槽各4.5 ?. 为使转、定子的齿对齐,定子磁极上的小齿,齿宽和齿槽和转子相同. 工作原理:假设是单三拍通电工作方式. (1)A 相通电时,定子A 相的五个小齿和转子对齐.此时,B 相和 A 相空间差120?,含120?/9? = 齿A相和 C 相差240?,含240?/ 9? = 个齿.所以,A 相的转子、定子的五个小齿对齐时,B 相、C 相不能对齐,B相的转子、定子相差 1/3 个齿(3?),C相的转子、定子相差2/3个齿(6?). 若工作方式改为三相六拍,则每通一个电脉冲,转子只转 1.5? . 异步机的转动方向仍由相序决定. 同理,C 相通电再转3 ? …… (2)A 相断电、B 相通电后,转子只需转过1/3个齿(3?),使B相转子、定子对齐. f:电脉冲的频率 转速 步进机通过一个电脉冲,转子转过的角度,称为步距角. m:一个周期的运行拍数Zr:转子齿数 如:Zr=40 , m=3 时 步距角 §10.3 伺服电动机 交流伺服电动机和直流伺服电动机. 伺服电动机分类: 伺服电动机的作用是驱动控制对象.被控对象的转距和转速受信号电压控制,信号电压的大小和极性改变时,电动机的转动速度和方向也跟着变化. 伺服电动机的作用 10.3.1 交流伺服电动机 原理与两相交流异步电机相同,定子上装有两个绕组 ― 励磁绕组和控制绕组. 励磁绕组和控制绕组在空间相隔90?. 控制绕组 励磁绕组 转子 励磁绕组中串联电容C的目的是为了产生两相旋转磁场. 接线: 励磁绕组的接线 放大器 控制绕组的接线 检测元件 控制信号 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?,因此便产生旋转磁场,在旋转磁场的作用下,转子便转动起来. ?1 例:选择电容,可使交流伺服电机电路中的电压电流的相量关系如图所示. 励磁绕组的接线 放大器 控制绕组的接线 检测元件 控制信号 工作时两个绕组中产生的电流 和 的相位差近90°,因此便产生旋转磁场.在旋转磁场的作用下,转子转动起来. 控制电压 与电源电压 两者频率相同,相位相同或反相. (1)U2=

0 时,转子停止. 这时,虽然U2 =0V,U1仍存在,似乎成单相运行状态,但和单相异步机不同.若单相电机启动运行后,出现单相后仍转.伺服电机不同,单相电压时设备不能转. 交流伺服电动机的特点: 原因:交流伺服电机 R2设计得较大.所以在U2=0时,交流伺服电机的T=f(s)曲线如下页图: 当U2=0V时,脉动磁场分成的正反向旋转磁场产生的转距T?、T? 的合成转矩 T 与单相异步机不同.合成转矩的方向与旋转方向相反,所以电机在U2=0V时,能立即停止,体现了控制信号的作用(有控制电压时转动,无控制电压时不转),以免失控. 交流伺服电动机的T=f(s)曲线(U2=0时) s' T

2 1

0 s" T" T' T

0 2

1 反转 正转 (3)控制电压 U2 大小变化时,转子转速相应变化,转速与电压 U2 成正比.U2 的极性改变时,转子的转向改变. (2)交流伺服电机 R2设计得较大,使Sm>1,Tst大,启动迅速,稳定运行范围大. 交流伺服电动机的机械特性曲线( U1=const ) n T U2 0.8 U2 0.6 U2 0.4 U2 T n 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,如用在自动控制、温度自动记录等系统中. 应用 10.3.2 直流伺服电动机 结构:与直流电动机基本相同.为减小转动惯量做得细长一些. 工作原理:与直流电动机相同. 供电方式:他励.励磁绕组和电枢由两个独立电源供电: M U1 If Ia U2 放大器 U U1为励磁电压,U2为电枢电压. 由机械特性可知:(1)U1(即磁通?)不变时,一定的负载下,U2?,n?.(2)U2=0时,电机立即停转. 反转:电枢电压的极性改变,电机反转. 直流伺服电机的机械特性公式与他励直流电机一样: 机械特性曲线 U2 0.8U2 0.6U2 0.4U2 n T 直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬.经常用在功率稍大的系统中,它的输出功率一般为1-600W.它的用途很多,如随动系统中的位置控制等. 应用: