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1、,,,,,,,,,海南風(fēng)光,第15講,第10章 控制電機,第10章 控制電機,10.1 概述 10.2 步進電動機 10.2.1 結(jié)構(gòu) 10.2.2 工作方式 10.2.3 小步距角的步進電動機 10.3 伺服電動機 10.3.1 交流伺服電動機 10.3.2 直流伺服電動機,前面介紹的異步電動機、直流電動機等都是作為動力使用的，其主要任務(wù)是能量轉(zhuǎn)換，例如將電能轉(zhuǎn)換為機械能。本章介紹控制電機。,10.1 概述,控制電機的種類很多，本章主要介紹步進機、伺服機。,對控制電機的主要要求：動作靈敏、準(zhǔn)確、 重量輕、體積小、運行可靠、耗電少等。,10.2 步進電動機,機理：步進電機是利用電磁鐵

2、原理，將脈沖信號 轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機。每來一個 電脈沖，電機轉(zhuǎn)動一個角度，帶動機械移 動一小段距離。,特點：(1)來一個脈沖，轉(zhuǎn)一個步距角。 (2)控制脈沖頻率，可控制電機轉(zhuǎn)速。 (3)改變脈沖順序，改變方向。,種類： 有勵磁式和反應(yīng)式兩種。兩種的區(qū)別在于勵磁式步進電機的轉(zhuǎn)子上有勵磁線圈，反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子上沒有勵磁線圈。,應(yīng)用： 步進機的應(yīng)用非常廣泛。如：在數(shù)控機床、自動 繪圖儀等設(shè)備中都得到應(yīng)用。,下面以反應(yīng)式步進電機為例說明步進電機的結(jié)構(gòu)和工作原理。,10.2.1 結(jié)構(gòu),步進機主要由兩部分構(gòu)成：定子和轉(zhuǎn)子。它們均由磁性材料構(gòu)成，其上分別有六個、四個磁極 。,定子,轉(zhuǎn)子

3、,定子繞組,定子的六個磁極上有控制繞組，兩個相對的磁極組成一相。,,注意：這里的相和三相交流電中的“相”的概念不同。步進機通的是直流電脈沖，這主要是指線圖的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。,,IA,IB,IC,,,10.2.2 工作方式,步進電機的工作方式可分為：三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。,一、三相單三拍,（1）三相繞組聯(lián)接方式：Y 型,,（3）工作過程,A 相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和 AA 對齊。,同理，B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相軸線對齊，相對A相通電位置轉(zhuǎn)30；C相通電再轉(zhuǎn)30。,這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個循環(huán)周期共包括三個脈沖，所以稱三相單三拍。,三相單三拍的特

4、點：,（1）每來一個電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 30。此角稱為步距角，用S表示。,（2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序，改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。,二、三相單雙六拍,三相繞組的通電順序為： AABBBCCCAA 共六拍。,工作過程：,A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒和A相對齊。,所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對AA 通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了15。,（1）BB 磁場對 2、4 齒有磁拉力，該拉力使 轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動。,A、B相同時通電,（2）AA 磁場繼續(xù)對1、3齒有拉力。,總之，每個循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱為三相六拍，步距角為15。,B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相對齊，又轉(zhuǎn)了15。,三、三相雙

5、三拍,三相繞組的通電順序為： AB BC CA AB 共三拍。,工作方式為三相雙三拍時，每通入一個電脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)30，即 S = 30。,10.2.3 小步距角的步進電動機,實際采用的步進電機的步距角多為3度和1.5度，步距角越小，機加工的精度越高。,為產(chǎn)生小步距角，定、轉(zhuǎn)子都做成多齒的，圖中轉(zhuǎn)子40個齒，定子仍是 6個磁極，但每個磁極上也有五個齒。,轉(zhuǎn)子的齒距等于360/ 40=9 ，齒寬、齒槽各4.5 。,為使轉(zhuǎn)、定子的齒對齊，定子磁極上的小齒，齒寬和齒槽和轉(zhuǎn)子相同。,工作原理：假設(shè)是單三拍通電工作方式。,（1）A 相通電時，定子A 相的五個小齒和轉(zhuǎn)子對齊。此時，B 相和 A 相空

6、間差120，含 120/9 = 齒 A 相和 C 相差240，含240/ 9 = 個齒。所以，A 相的轉(zhuǎn)子、定子的五個小齒對齊時，B 相、C 相不能對齊，B相的轉(zhuǎn)子、定子相差 1/3 個齒（3），C相的轉(zhuǎn)子、定子相差2/3個齒（6）。,若工作方式改為三相六拍，則每通一個電脈沖， 轉(zhuǎn)子只轉(zhuǎn) 1.5 。,異步機的轉(zhuǎn)動方向仍由相序決定。,同理，C 相通電再轉(zhuǎn)3 ,（2）A 相斷電、B 相通電后，轉(zhuǎn)子只需轉(zhuǎn)過1/3個 齒（3），使 B 相轉(zhuǎn)子、定子對齊。,步進機通過一個電脈沖,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度,稱為 步距角。,10.3 伺服電動機,伺服電動機的作用是驅(qū)動控制對象。被控對象的轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速受信號電壓

7、控制，信號電壓的大小和極性改變時，電動機的轉(zhuǎn)動速度和方向也跟著變化。,伺服電動機的作用,10.3.1 交流伺服電動機,原理與兩相交流異步電機相同，定子上裝有兩個繞組 勵磁繞組和控制繞組。,勵磁繞組和控制繞組在空間相隔90。,勵磁繞組中串聯(lián)電容C的目的是為了產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場。,接線：,勵磁繞組的接線,,,,,,,,,,,適當(dāng)選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電流相位差接近90，因此便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)動起來。,例：選擇電容，可使交流伺服電機電路中的電壓電流的相量關(guān)系如圖所示。,工作時兩個繞組中產(chǎn)生的電流 和 的相位差近90，因此便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，轉(zhuǎn)子

8、轉(zhuǎn)動起來。,控制電壓 與電源電壓 兩者頻率相同，相位相同或反相。,（1）U2= 0 時，轉(zhuǎn)子停止。,這時，雖然U2 =0V，U1仍存在，似乎成單相運行狀態(tài)，但和單相異步機不同。若單相電機啟動運行后，出現(xiàn)單相后仍轉(zhuǎn)。伺服電機不同，單相電壓時設(shè)備不能轉(zhuǎn)。,交流伺服電動機的特點：,原因：交流伺服電機 R2設(shè)計得較大。所以在U2=0時，交流伺服電機的T=f(s)曲線如下頁圖：,當(dāng)U2=0V時，脈動磁場分成的正反向旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)距T、T 的合成轉(zhuǎn)矩 T 與單相異步機不同。合成轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，所以電機在U2=0V時，能立即停止，體現(xiàn)了控制信號的作用(有控制電壓時轉(zhuǎn)動，無控制電壓時不轉(zhuǎn))

9、，以免失控。,（3）控制電壓 U2 大小變化時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相應(yīng)變化，轉(zhuǎn)速與電壓 U2 成正比。U2 的極性改變時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向改變。,（2）交流伺服電機 R2設(shè)計得較大，使Sm1，Tst大，啟動迅速，穩(wěn)定運行范圍大。,交流伺服電機的輸出功率一般為0.1-100 W，電源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應(yīng)用很廣泛，如用在自動控制、溫度自動記錄等系統(tǒng)中。,應(yīng)用,10.3.2 直流伺服電動機,結(jié)構(gòu)：與直流電動機基本相同。為減小轉(zhuǎn)動慣量做得細長一些。,工作原理：與直流電動機相同。,供電方式：他勵。勵磁繞組和電樞由兩個獨立電源供電：,由機械特性可知： (1)U1（即磁通）不變時，一定的負載下，U2,n。 (2)U2=0時，電機立即停轉(zhuǎn)。,反轉(zhuǎn)：電樞電壓的極性改變，電機反轉(zhuǎn)。,直流伺服電機的機械特性公式與他勵直流電機一樣：,直流伺服電機的特性較交流伺服電機硬。經(jīng)常用在功率稍大的系統(tǒng)中，它的輸出功率一般為1-600W。它的用途很多，如隨動系統(tǒng)中的位置控制等。,應(yīng)用：,