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1、4.5 控制电动机第4章 电动机及其控制4.5 4.5 控制电动机控制电动机 1伺服电动机伺服电动机2步进电动机步进电动机目录CONTENTS1 1 交流伺服电动机交流伺服电动机伺服电动机伺服电动机杯形转子伺服电动机的结构杯形转子伺服电动机的结构4.54.5常用特殊电动机常用特殊电动机步进电动机步进电动机 伺服电动机是一种服从控制信号要求而动作的电器。在信号到来之前，转子静止不动；信号到伺服电动机是一种服从控制信号要求而动作的电器。在信号到来之前，转子静止不动；信号到来后，转子立即转动；当信号消失，转子能立即停转，伺服电动机则由此而得名。来后，转子立即转动；当信号消失，转子能立即停转，伺服电动
2、机则由此而得名。 伺服电动机按其所用电源不同，分交流伺服电动机和直流伺服电动机。伺服电动机按其所用电源不同，分交流伺服电动机和直流伺服电动机。 交流伺服电动机的定子上装有两个绕组，分交流伺服电动机的定子上装有两个绕组，分别是励磁绕组和控制绕组，它们在空间相隔别是励磁绕组和控制绕组，它们在空间相隔90（电角度）。（电角度）。 交流伺服电动机的转子分两种：笼型转子和交流伺服电动机的转子分两种：笼型转子和杯形转子。笼型转子和三相笼型电动机转子的结杯形转子。笼型转子和三相笼型电动机转子的结构相似，而为了减小转动惯性而做得细长一些。构相似，而为了减小转动惯性而做得细长一些。杯形转子伺服电动机中杯形转子通
3、常用铝合金或杯形转子伺服电动机中杯形转子通常用铝合金或铜合金制成的空心薄壁圆筒。此外为了减小磁路铜合金制成的空心薄壁圆筒。此外为了减小磁路的磁阻，在空心杯形转子内放置固定的内定子。的磁阻，在空心杯形转子内放置固定的内定子。当前主要应用的是笼型转子的交流伺服电动机。当前主要应用的是笼型转子的交流伺服电动机。1 1 交流伺服电动机交流伺服电动机伺服电动机伺服电动机交流伺服电动机的控制图交流伺服电动机的控制图4.54.5常用特殊电动机常用特殊电动机步进电动机步进电动机 交流电源电压交流电源电压u一路经电容一路经电容C与励磁绕组串联移相后在励与励磁绕组串联移相后在励磁绕组中产生磁绕组中产生i1的电流；
4、另一路由的电流；另一路由u直接经控制后放大的检测直接经控制后放大的检测信号作为伺服电动机的控制信号，加到控制绕组产生控制电信号作为伺服电动机的控制信号，加到控制绕组产生控制电流流i2。适当选择电容。适当选择电容C的数值，可使励磁电流的数值，可使励磁电流i1超前于电源电超前于电源电压压u90；而控制电压；而控制电压u2与电源电压与电源电压u频率相等、相位相同或相频率相等、相位相同或相反，且反，且i2与与u2相位相同。于是在相位相同。于是在i1和和i2的两个电流作用下，便的两个电流作用下，便产生旋转磁场使转子转动起来。产生旋转磁场使转子转动起来。 当电源电压当电源电压U为一常数，而信号控制电压为一
5、常数，而信号控制电压U2的大小变化的大小变化时，则转子的转速相应变化。控制电压大，电动机转速快；时，则转子的转速相应变化。控制电压大，电动机转速快；控制电压小，电动机转速慢。当控制电压反相时，旋转磁场控制电压小，电动机转速慢。当控制电压反相时，旋转磁场和转子也都反转。由此控制电动机的转速和转向。和转子也都反转。由此控制电动机的转速和转向。 在运行时，如果控制电压为零，电动机立即停转。在运行时，如果控制电压为零，电动机立即停转。这是这是交流伺服电动机的特点。交流伺服电动机的特点。1 1 交流伺服电动机交流伺服电动机伺服电动机伺服电动机在不同控制电压下的机械特性曲线在不同控制电压下的机械特性曲线n
6、=f(T),U1= n=f(T),U1= 常数常数4.54.5常用特殊电动机常用特殊电动机步进电动机步进电动机 右图是交流伺服电动机在不同控制电压下右图是交流伺服电动机在不同控制电压下的机械特性曲线，的机械特性曲线，U2为额定控制电压。为额定控制电压。 由图可见：在一定负载转矩下，控制电压由图可见：在一定负载转矩下，控制电压愈高，则转速也愈高；在一定控制电压下，负愈高，则转速也愈高；在一定控制电压下，负载增加，转速下降。此外，由于转子电阻较大，载增加，转速下降。此外，由于转子电阻较大，机械特性曲线陡降较快，特性很软，不利于系机械特性曲线陡降较快，特性很软，不利于系统的稳定。统的稳定。2 2 直
7、流伺服电动机直流伺服电动机直流伺服电动机的接线图直流伺服电动机的接线图伺服电动机伺服电动机4.54.5常用特殊电动机常用特殊电动机步进电动机步进电动机 直流伺服电动机的励磁绕组和电枢分别由两个独立电源供电。直流伺服电动机的励磁绕组和电枢分别由两个独立电源供电。通常采用电枢控制，就是励磁电压通常采用电枢控制，就是励磁电压U1一定，建立的磁通是定值，而一定，建立的磁通是定值，而将控制电压将控制电压U2加在电枢上，其接线图如图所示。直流伺服电动机也加在电枢上，其接线图如图所示。直流伺服电动机也有永磁式（磁极是永久磁铁），常采用稀土钴或稀土钕铁硼等稀土有永磁式（磁极是永久磁铁），常采用稀土钴或稀土钕铁
8、硼等稀土永磁材料。因为稀土材料的矫顽磁力和剩磁性很高，永磁体可以做永磁材料。因为稀土材料的矫顽磁力和剩磁性很高，永磁体可以做得很薄使电动机的体积小，重量轻。同时永磁材料抗磁能力强，使得很薄使电动机的体积小，重量轻。同时永磁材料抗磁能力强，使电动机不会因振动、冲击、多次拆装而退磁，提高了磁稳定性。电动机不会因振动、冲击、多次拆装而退磁，提高了磁稳定性。 直流伺服电动机的直流伺服电动机的机械特性机械特性。由图可见：在一定负载转矩下，。由图可见：在一定负载转矩下，当磁通不变时，如果升高电枢电压，电机的转速就升高；反之转速当磁通不变时，如果升高电枢电压，电机的转速就升高；反之转速就下降；当电枢电压为零
9、时，电动机立即停转。如要电动机反转，就下降；当电枢电压为零时，电动机立即停转。如要电动机反转，可改变电枢电压的极性。它的机械特性较硬。直流伺服电动机通常可改变电枢电压的极性。它的机械特性较硬。直流伺服电动机通常应用于功率稍大的系统中，其输出功率一般为应用于功率稍大的系统中，其输出功率一般为1600W。在不同控制电压下的机械特性在不同控制电压下的机械特性曲线曲线n=f(T),U1= n=f(T),U1= 常数常数伺服电动机伺服电动机4.54.5常用特殊电动机常用特殊电动机步进电动机步进电动机 步进电动机步进电动机是一种利用电磁铁的作用原理将电脉冲信号转换成线位移或角位移的电机，每输是一种利用电磁
10、铁的作用原理将电脉冲信号转换成线位移或角位移的电机，每输入一个脉冲，电动机就转过一个固定的角度，称作步矩。入一个脉冲，电动机就转过一个固定的角度，称作步矩。反应式步进电动机的结构示意图反应式步进电动机的结构示意图 反应式步进电动机的定子具有均匀分布的六个磁反应式步进电动机的定子具有均匀分布的六个磁极，磁极上绕有绕组。绕组的连接方法如图所示。设极，磁极上绕有绕组。绕组的连接方法如图所示。设转子具有均匀分布的四个齿。于是，步进电动机便有转子具有均匀分布的四个齿。于是，步进电动机便有单三拍、六拍及双三拍等三种工作方式。单三拍、六拍及双三拍等三种工作方式。伺服电动机伺服电动机4.54.5常用特殊电动机
11、常用特殊电动机步进电动机步进电动机 六拍工作方式的原理如下：六拍工作方式的原理如下： 设设U相首先通电（相首先通电（V、W两相不通电），转子位置如图（两相不通电），转子位置如图（a）所示。）所示。 然后在然后在U相继续通电的情况下接通相继续通电的情况下接通V相，转子的位置如图（相，转子的位置如图（b）所示，即转子从图（）所示，即转子从图（a）的）的位置顺时针转过了位置顺时针转过了15。 接着接着U相断电，相断电，V相继续通电，如图（相继续通电，如图（c），转子从图（），转子从图（b）的位置又转过了）的位置又转过了15。而后接通。而后接通W相，相，V相继续通电，这时转子又相继续通电，这时转子又1
12、5，其位置如图（，其位置如图（d）所示。）所示。三相六拍通电方式时转子的位置三相六拍通电方式时转子的位置伺服电动机伺服电动机4.54.5常用特殊电动机常用特殊电动机步进电动机步进电动机 不难理解，当脉冲信号一个一个发来，如果按不难理解，当脉冲信号一个一个发来，如果按UUVVVWWWUU的顺序轮流通电，则步进电动机的转子便顺时针方向一步一步地转动。每转动一步的角度的顺序轮流通电，则步进电动机的转子便顺时针方向一步一步地转动。每转动一步的角度为为15，称步距角。电流换接六次，称步距角。电流换接六次， 磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角（转子四个齿时为磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角（转子四个齿时
13、为90）。这样，如果按上述顺）。这样，如果按上述顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角为序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角为15。如果接。如果接UUWW WVVVUU的顺序通电，则转子逆时针方向转动。这种通电方式称为的顺序通电，则转子逆时针方向转动。这种通电方式称为六拍六拍方式方式。伺服电动机伺服电动机4.54.5常用特殊电动机常用特殊电动机步进电动机步进电动机 单三拍工作方式是单相通电，即每次按单三拍工作方式是单相通电，即每次按UVWU的顺序通电。即从转子图的顺序通电。即从转子图 (a)顺时针转顺时针转动到图动到图，可见步距角是，可见步距角是30；如每次按；
14、如每次按UWVU的顺序通电，则转子逆时针转动。双三拍的顺序通电，则转子逆时针转动。双三拍工作方式是两相通电，即每次按工作方式是两相通电，即每次按UVVWWUUV的顺序通电。即转子从图的顺序通电。即转子从图 (b)顺时针转动顺时针转动到图（到图（d），可见步距角也是），可见步距角也是30；如每次按；如每次按UWWVVUUW 的顺序通电，则转子逆时针的顺序通电，则转子逆时针转动。转动。 三相六拍通电方式时转子的位置三相六拍通电方式时转子的位置伺服电动机伺服电动机4.54.5常用特殊电动机常用特殊电动机步进电动机步进电动机 按指令输入的电脉冲不能直接用来控制步进电动机，必须采用脉冲分配器先将电脉冲按通按指令输入的电脉冲不能直接用来控制步进电动机，必须采用脉冲分配器先将电脉冲按通电方式进行分配，而后经脉冲放大器放大到具有足够的功率，才能驱动步进电动机工作。电方式进行分配，而后经脉冲放大器放大到具有足够的功率，才能驱动步进电动机工作。 其中脉冲分配器和脉冲放大器称为步进电动机的驱动电源；步进电动机可带动多种负载，其中脉冲分配器和脉冲放大器称为步进电动机的驱动电源；步进电动机可带动多种负载，如由丝杆传动机床工作台等。如由丝杆传动机床工作台等。步进电动机的控制电路框图步进电动机的控制电路框图