伺服與步進(jìn)電機(jī)

1、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。,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

2、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。,伺服電動(dòng)機(jī)可分為兩類：,伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(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。,9.1 伺服電動(dòng)機(jī),伺服電動(dòng)機(jī)可控性好，

3、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。,9.1.1 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,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)。,控制電壓 與電源電壓

4、 頻率相同，相位相同或反相。,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)無起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)。,,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)榱悖妱?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)象稱為“自轉(zhuǎn)”。,

5、如何克服“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象呢？,正反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的合成轉(zhuǎn)矩特性,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。,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。,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

6、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),交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖所示。,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0.1-100 W，電源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應(yīng)用很廣

7、泛，如用在各種自動(dòng)控制、自動(dòng)記錄等系統(tǒng)中。,應(yīng)用:,9.1.2 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,直流伺服電動(dòng)機(jī)的接線圖,,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)，U2?? n?。(2) U2=0時(shí)，電機(jī)立即停

8、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)),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：,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，它被用來測(cè)量旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)

9、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型。,9.2.1 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。,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。,9.2.1 交流測(cè)速發(fā)電機(jī),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 U1 ? 4.

10、44 f1N1?1 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：,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

11、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。,9.2.1 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。,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,可見，當(dāng)勵(lì)磁電壓U

12、1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)。,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

13、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。,9.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī),特點(diǎn): (1) 來一個(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。,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,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)

14、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：勵(lì)磁式和反應(yīng)式兩種。,下面以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說明步進(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：,A,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

15、有四個(gè)齒。,定子,轉(zhuǎn)子,1.工作原理,由于磁力線總是要通過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)。,1.三相單三拍,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，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,“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

16、一個(gè)通電循環(huán)。,同理，B相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過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30?角，1、3齒和C´、C磁極軸線對(duì)齊。,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，所以稱為三相單三拍工作方式。,按A?B ?C ?A ? ……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。每一拍轉(zhuǎn)過30°(步距角)，每個(gè)通電循環(huán)周期(3拍)磁場(chǎng)在

17、空間旋轉(zhuǎn)了360°而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90°(一個(gè)齒距角)。,2. 三相六拍,按A?AB ?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。,,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15?，到達(dá)左圖所示位置。,動(dòng)畫,B 相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒與B、B´ 對(duì)齊,又轉(zhuǎn)過

18、15?。,B、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15?。,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：A?AB ?B ?BC ?C ? CA，每個(gè)循環(huán)周期分為六拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15?（步距角），一個(gè)通電循環(huán)周期(6拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過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AB ?BC ?

19、CA的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時(shí)通電。,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30? (步距角)，一個(gè)通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90?(齒距角)。,動(dòng)畫,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：,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10.4.4所示。圖中轉(zhuǎn)子表面有40個(gè)齒，,齒距角是9?；定子仍是 6個(gè)磁

20、極，但每個(gè)磁極表面加工有五個(gè)和轉(zhuǎn)子一樣的齒。,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，如各種數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)繪圖儀、機(jī)器人等。,應(yīng)用：,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)出的指令帶動(dòng)電位器的動(dòng)觸電轉(zhuǎn)動(dòng)，使其偏離中點(diǎn)產(chǎn)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(jìn)入油缸，使機(jī)械手按照存儲(chǔ)在數(shù)控裝置中的指令動(dòng)作。,9.5 自動(dòng)控制的基本概念,用某種裝置代替人，按照人的意愿自動(dòng)完成一系列控制過程，稱作自動(dòng)控制。,從結(jié)構(gòu)上看，自動(dòng)控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制和閉

21、環(huán)控制兩類。,開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制對(duì)象按照控制指令工作，但不能根據(jù)輸出結(jié)果自動(dòng)調(diào)節(jié)，僅用于對(duì)控制精度要求不高的場(chǎng)合。,閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。把輸出信號(hào)的一部分通過反饋環(huán)節(jié)引回到輸入端，與給定信號(hào)比較，得到誤差信號(hào)，再送入控制對(duì)象去調(diào)節(jié)輸出結(jié)果。如此反復(fù)循環(huán)，直至誤差為零。這種控制是通過反饋來實(shí)現(xiàn)的，所以也叫做反饋控制系統(tǒng)。,閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)）的各個(gè)基本環(huán)節(jié)如下圖所示：,系統(tǒng)中各部分的作用如下：,給定元

22、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(guān)系。改變給定值，即可改變被調(diào)量。,精品課件！,精品課件！,檢測(cè)元件——把被調(diào)量檢測(cè)出來，按一定的函數(shù)關(guān)系反饋到輸入端。,比較元件——把反饋信號(hào)Uf與給定信號(hào)Ug比較以獲取誤差信號(hào)Ud。,放大元件——當(dāng)誤差信號(hào)太微弱時(shí)，需要用放大元件把誤差信號(hào)放大到足以推動(dòng)執(zhí)行元件的程度。,執(zhí)行元件——直接推動(dòng)控制對(duì)象改變被調(diào)量。,控制對(duì)象——由執(zhí)行元件推動(dòng)的各種裝置，如各種機(jī)械負(fù)載、發(fā)電機(jī)、