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1、电机与电气控制本讲稿第一页，共十八页4.1 伺服电动机 4.2 测速发电机4.3 步进电机目录上一页下一页本讲稿第二页，共十八页概述控制电机是在普通旋转电机基础上发展起来的具有特殊用途的小功率电机，也称特种电机，控制电机的种类很多，按电流分类，可分为直流和交流两种；按用途分类，直流控制电机又可分为直流伺服电动机、直流测速发电机和直流力矩电动机等上一页下一页返回本讲稿第三页，共十八页伺服电动机亦称执行电动机，它用于把输入的电压信号变换成电动机轴的角位移或者转速输出。它具有一种服从控制信号的要求而动作的职能，在信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号消失，转子立刻自行停转。4
2、.1 伺服电动机上一页下一页返回本讲稿第四页，共十八页4.1.1 直流伺服电动机1结构特点和工作原理 普通直流伺服电动机结构与小型普通直流电动机基本相同，分为永磁式和他励式两种，其实质上就是一台他励式直流电动机。与普通直流电动机相比，直流伺服电动机有以下特点：气隙小，磁路不饱；电枢电阻大，机械特性为软特性；电枢细长，转动惯量小。2控制方式 直流伺服电动机的励磁绕组和电枢绕组分别装在定子和转子上，直流伺服电动机有电枢控制和磁场控制两种控制方式。图4-1 直流伺服电动机原理图 图4-2 电枢控制原理 上一页下一页返回本讲稿第五页，共十八页3运行特性 下面以电枢控制方式为例，简要分析其主要的机械特性
3、和调节特性，以便正确使用直流伺服电动机。1）机械特性：机械特性是指控制电压恒定时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系 2）调节特性：调节特性是指电磁转矩恒定时，电动机的转速与控制电压之间的关系 图4-3 电枢控制特性a）机械特性 b）调节特性上一页下一页返回本讲稿第六页，共十八页4.1.2 交流伺服电动机1基本结构交流伺服电动机在结构上为两相异步电动机，其定子上有空间相差90电角度的两相绕组。图4-4 杯形转子结构1端盖 2机壳 3内定子4外定子 5定子绕组 6杯形转子常用的转子结构有两种形式：高电阻笼型转子和非磁性空心杯转子。上一页下一页返回本讲稿第七页，共十八页2工作原理 交流伺服电动机的工
4、作原理与单相异步电动机相似，其原理如图4-5所示。图4-5 交流伺服电动机原理 3控制方法 伺服电动机不仅须具有起动和停止的伺服性，而且还须具有转速的大小和方向的可控性。1）幅值控制 2）相位控制 3）幅一相控制 上一页下一页返回本讲稿第八页，共十八页测速发电机在电力拖动系统中用来测量转速，即把机械转速信号变换成对应的电压信号，反馈到控制系统，实现对转速的调节和控制。测速发电机有直流和交流两大类。4.2 测速发电机上一页下一页返回本讲稿第九页，共十八页4.2.1 直流测速发电机 1基本结构及工作原理 直流测速发电机的定、转子结构与普通小型直流发电机相同。按励磁方式可分为永磁式和他励式两种。直流
5、测速发电机的工作原理与一般直流发电机相同，图4-6所示为他励测速发电机的原理图。励磁绕组中流过直流电流时，产生沿空间分布的恒定磁场，电枢由被测机械拖动旋转，以恒定速度切割磁场，在电枢绕组中感生电动势。图4-6 直流测速发电机工作原理图上一页下一页返回本讲稿第十页，共十八页2输出特性 输出特性表征电枢电压与转子转速的函数关系，即Ua=f（n）。它是测速发电机的主要特性之一。3误差 直流测速发电机输出电压U与转速n成线性关系的条件是、Ra、和RL保持不变。实际上，直流测速发电机在运行时，周围环境温度的变化、直流测速发电机有负载时电枢反应图4-7 直流测速发电机的输出特性的去磁作用、电刷与换向器接触
6、电阻的变化都将在输出特性上引起线性误差。图4-7 直流测速发电机的输出特性a)理想特性 b)实际特性上一页下一页返回本讲稿第十一页，共十八页4.2.2 交流测速发电机交流测速发电机又分为同步机和异步机两种。同步测速发电机，由于输出电压频率随转速而改变，不适用于自动控制系统，通常交流测速发电机就是指异步测速发电机。本节介绍应用日益广泛的空心杯转子交流异步测速发电机。1基本结构 异步测速发电机的基本结构与普通异步电动机相似。定子上安装两对称绕组，转子为笼形或杯形两种结构。相比之下，笼形转子的惯性大、特性较差。因此，对精度要求较高的控制系统多采用杯形转子。空心杯转子交流测速发电机的结构和杯形转子交流
7、伺服电动机的结构相同，见图4-4。定子上有两相互相垂直的绕组，其中一相为励磁绕组，另一相为输出绕组。转子为空心杯结构，用高电阻率的硅锰青铜或铝锌青铜制成，是非磁性材料，壁厚0.20.3mm。杯子里还有一个内定子，目的是减小磁路的磁阻。上一页下一页返回本讲稿第十二页，共十八页2基本原理 空心杯形转子异步测速发电机的工作原理如图4-8所示。图中，励磁绕组的轴线为d轴，输出绕组的轴线为q轴。工作时，励磁绕组接单相交流电源，频率为f，d轴方向的脉振磁通为，发电机转子逆时针方向旋转，转速为n。图4-8 交流测速发电机工作原理上一页下一页返回本讲稿第十三页，共十八页4.3 步进电机步进电动机是一种将输入脉
8、冲信号转换成输出轴的角位移或直线位移的执行元件。这种电动机每输入一个脉冲信号，输出轴便转过一个固定的角度，即向前迈进一步，故称为步进电动机或脉冲电动机。因而，步进电动机输出轴转过的角位移量与输入脉冲数量成正比，而输出轴的转速或线速度与脉冲频率成正比。步进电动机的种类很多，按工作原理分，有反应式、永磁式和永磁感应子式三种。其中反应式步进电动机具有步距小、响应速度快、结构简单等优点，广泛应用于数控机床、自动记录仪、计算机外围设备等数控设备。上一页下一页返回本讲稿第十四页，共十八页4.3.1 反应式步进电动机的结构及工作原理1反应式步进电动机的结构和工作原理 图4-9是反应式步进电动机的结构原理。定
9、子和转子均为叠片式结，定子上有六个磁极均匀分布，每个极上都绕有控制绕组，由两个相对的磁极组成一相，同一相的控制绕组可以串联或并联，组成三个独立的绕组，称为三相绕组，独立绕组数称为步进电动机的相数。除三相以外，步进电动机还可以做成四、五、六等相数。为简单方便，假设转子上只有四个齿，齿上不装绕组，只构成主磁路。由图4-9可见，由于结构的原因，沿转子圆周表面各处气隙不同，因而磁阻不相等，齿部磁阻小，两齿之间磁阻大。当控制绕组中流过脉冲电流时，产生的主磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，即经转子齿、铁心形成闭合回路。因此，转子齿会受到切向磁拉力而转过一定的机械角度，称步距角s。如果控制绕组按一定的脉冲分配方
10、式连续通电，电机就按一定的角频率运行。改变控制绕组的通电顺序，电机就可反转。图4-9 反应式步进电动机的原理图上一页下一页返回本讲稿第十五页，共十八页1）三相单三拍运行方式：三相步进电动机最简单的运行方式为三相单三拍。所谓“三相”是指三相步进电动机具有三相定子绕组；“单”是指每次只有一相绕组通电；“三拍”指通电三次完成一个通电循环。也就是说，这种运行方式是按UVWU或相反顺序通电的。其工作过程如图4-10所示。图4-10 三相单三拍运行方式 上一页下一页返回本讲稿第十六页，共十八页2）三相双三拍运行方式：这种运行方式是按UVVWWUUV或相反的顺序通电的，即每次同时给两相绕组通电。其工作原理如图4-11所示。图4-11 三相双三拍运行方式 3）单、双六拍运行方式：这种运行方式是按UUVVVWWWUU或相反顺序通电的，即需要六拍才完成一个循环。上一页下一页返回本讲稿第十七页，共十八页4.3.2 步进电动机的驱动电源步进电动机应由专用的驱动电源来供电，由驱动电源和步进电动机组成一套伺服装置来图4-13 步进电动机的驱动电源驱动负载工作。步进电动机的驱动电源主要包括变频信号源、脉冲分配器和脉冲放大器三个部分，如图4-13所示。图4-13 步进电动机的驱动电源 上一页返回本讲稿第十八页，共十八页