程宪平机电传动与控制第三版.pptx

机电传动控制1目录目录 第第3 3章章 第第3 3章章 控制电机控制电机3-1 3-1 伺服电动机伺服电动机3-2 3-2 微型同步电动机微型同步电动机3-3 3-3 测速发电机测速发电机3-4 3-4 步进电动机步进电动机3-5 3-5 直线电动机直线电动机3-6 3-6 旋转变压器旋转变压器3-7 3-7 感应同步器感应同步器机电传动控制2第第3 3章章 控制电机控制电机 了解机电传动控制系统中一些常用控制电机基本结构；了解机电传动控制系统中一些常用控制电机基本结构；掌握控制电机基本工作原理、主要运行特性及特点；掌握控制电机基本工作原理、主要运行特性及特点；了解控制电机的应用场所，以便正确选用和使用它们。了解控制电机的应用场所，以便正确选用和使用它们。掌握常用控制电动机基本工作原理，运行特性与特点。掌握常用控制电动机基本工作原理，运行特性与特点。交流伺服电动机交流伺服电动机“自转自转”现象及消除该现象的原理。现象及消除该现象的原理。重点重点重点重点难点难点难点难点基本要求基本要求基本要求基本要求机电传动控制3第第3 3章章 控制电机控制电机概概 述述控制电机与普通电机比较：控制电机与普通电机比较：控制电机与普通电机比较：控制电机与普通电机比较：控制电机与普通电机的基本结构和工作原理大体相同；控制电机与普通电机的基本结构和工作原理大体相同；普通电机的主要作用是进行能量转换，普通电机的主要作用是进行能量转换，控制电机的主要作用是完成信息的传递和变换。控制电机的主要作用是完成信息的传递和变换。对控制电机的基本要求对控制电机的基本要求对控制电机的基本要求对控制电机的基本要求:具有良好的可控性，即易于控制和调节；具有良好的可控性，即易于控制和调节；具有快速的响应性能，具有快速的响应性能，即要有较大的启动转矩和较小的转动惯量；即要有较大的启动转矩和较小的转动惯量；精确度要高，误差要小。精确度要高，误差要小。机电传动控制4第第3 3章章 控制电机控制电机交流伺服电动机的结构交流伺服电动机的结构 是一种小型或微型是一种小型或微型 两相异步电动机。两相异步电动机。交流伺服电动机的交流伺服电动机的原理原理 与电容分相式与电容分相式 单相异步电动机相同。单相异步电动机相同。交流伺服电动机特点交流伺服电动机特点 结构简单、运行可靠、结构简单、运行可靠、维护简便、转动惯量小，维护简便、转动惯量小，广泛用于功率较小的广泛用于功率较小的 控制系统中。控制系统中。3-1 3-1 伺服电动机伺服电动机伺服电动机伺服电动机交流伺服电动机的原理图交流伺服电动机的原理图励磁励磁绕组绕组控制控制绕组绕组SM一、交流一、交流一、交流一、交流伺服电动机伺服电动机伺服电动机伺服电动机机电传动控制5第第3 3章章 控制电机控制电机“自转自转”现象现象如果交流伺服电动机参数与一般的单相异步电动机一样，如果交流伺服电动机参数与一般的单相异步电动机一样，那么当控制信号消失时，电机转速虽会下降些，但仍会那么当控制信号消失时，电机转速虽会下降些，但仍会继续不停地转动。这种失控现象称为继续不停地转动。这种失控现象称为“自转自转”。“自转自转”现象的消除现象的消除要求要求交流伺服电动机的交流伺服电动机的转子电阻值设计得很大，使电机转子电阻值设计得很大，使电机在失去控制信号而单相运行时，正转矩或负转矩的最大在失去控制信号而单相运行时，正转矩或负转矩的最大值均出现在值均出现在sm1的地方。的地方。交流伺服电动机的转速控制方式交流伺服电动机的转速控制方式 幅值控制幅值控制 相位控制相位控制 幅相控制幅相控制3-1 3-1 伺服电动机伺服电动机伺服电动机伺服电动机一、交流一、交流一、交流一、交流伺服电动机伺服电动机伺服电动机伺服电动机机电传动控制6第第3 3章章 控制电机控制电机3-1 3-1 伺服电动机伺服电动机伺服电动机伺服电动机交流伺服电动机的机械特性交流伺服电动机的机械特性交流伺服电动机的机械特性交流伺服电动机的机械特性励磁和控制绕组通电励磁和控制绕组通电励磁绕组通电励磁绕组通电转子电阻转子电阻转子电阻转子电阻设计得设计得设计得设计得很大很大很大很大运行运行 绕组通电绕组通电运行和起动运行和起动 绕组通电绕组通电普通单相电动机的机械特性普通单相电动机的机械特性普通单相电动机的机械特性普通单相电动机的机械特性“自转自转”现象现象的消除的消除T TL LT TL LT TL L“自转自转”现象现象B B控制信号控制信号控制信号控制信号0 0转速转速转速转速0 0A AA A0 0一、交流一、交流一、交流一、交流伺服电动机伺服电动机伺服电动机伺服电动机A A0 0 A A正常工作点正常工作点正常工作点正常工作点B B0 0控制信号控制信号控制信号控制信号0 0转速转速转速转速0 0机电传动控制7第第3 3章章 控制电机控制电机幅值控制幅值控制接线图接线图相位控制相位控制接线图接线图幅值幅值-相位相位控制接线图控制接线图交流伺服电动机交流伺服电动机交流伺服电动机交流伺服电动机的转速控制方式的转速控制方式的转速控制方式的转速控制方式 f f 励磁绕组励磁绕组励磁绕组励磁绕组k k 控制绕组控制绕组控制绕组控制绕组3-1 3-1 伺服电动机伺服电动机伺服电动机伺服电动机一、交流一、交流一、交流一、交流伺服电动机伺服电动机伺服电动机伺服电动机机电传动控制8第第3 3章章 控制电机控制电机幅值控制幅值控制接线图接线图交流伺服电动机交流伺服电动机幅值控制时幅值控制时的机械特性的机械特性l 在一定的负载转矩下，在一定的负载转矩下，控制电压控制电压 Uk 大小变化时，大小变化时，转速转速 n 与电压与电压Uk 成正比变化，成正比变化，Uk=0V时，能立即停止。时，能立即停止。l l U Uk k 的极性的极性的极性的极性 改变时，改变时，改变时，改变时，转子的转向转子的转向转子的转向转子的转向 改变。改变。改变。改变。l l U Uk k U U1 1U U2 2U U3 3 U U 4 4 f f 励磁绕组励磁绕组励磁绕组励磁绕组k k 控制绕组控制绕组控制绕组控制绕组3-1 3-1 伺服电动机伺服电动机伺服电动机伺服电动机一、交流一、交流一、交流一、交流伺服电动机伺服电动机伺服电动机伺服电动机机电传动控制9第第3 3章章 控制电机控制电机 直流伺服电动机是一种小型直流电机，直流伺服电动机是一种小型直流电机，它能将直流信号电压转换成转轴上的它能将直流信号电压转换成转轴上的 角位移或角速度，以完成一定的控制任务。角位移或角速度，以完成一定的控制任务。其控制方式有其控制方式有电枢控制电枢控制和和磁场控制磁场控制两种。两种。直流伺服电动机启动转矩大、直流伺服电动机启动转矩大、特性较硬且线性度好、特性较硬且线性度好、调节范围广、体积小、效率高，因此调节范围广、体积小、效率高，因此 一般用于功率较大的控制系统中。一般用于功率较大的控制系统中。3-1 3-1 伺服电动机伺服电动机伺服电动机伺服电动机二、直流二、直流二、直流二、直流伺服电动机伺服电动机伺服电动机伺服电动机机电传动控制10第第3 3章章 控制电机控制电机SM励磁励磁电压电压电枢电枢电压电压直流伺服电动机直流伺服电动机电枢控制时电枢控制时电枢控制时电枢控制时的机械特性的机械特性l 励磁电压励磁电压Uf 不变时，不变时，在一定的负载转矩下，在一定的负载转矩下，电枢电压电枢电压电枢电压电枢电压 U Uk k 大小变化时，大小变化时，大小变化时，大小变化时，转速转速转速转速 n n 与电压与电压与电压与电压U Uk k 成正比变化，成正比变化，成正比变化，成正比变化，U Uk k=0V=0V时，能立即停止。时，能立即停止。时，能立即停止。时，能立即停止。l l U Uk k 的极性的极性的极性的极性 改变时，改变时，改变时，改变时，电枢的转向电枢的转向电枢的转向电枢的转向 改变。改变。改变。改变。l l U Uk k U U1 1U U2 2U U3 3 直流伺服电动机直流伺服电动机的原理图的原理图3-1 3-1 伺服电动机伺服电动机伺服电动机伺服电动机二、直流二、直流二、直流二、直流伺服电动机伺服电动机伺服电动机伺服电动机机电传动控制11优缺点比较：n直流伺服电动机：转矩大，线性度好，机械特性硬；效率高，功率大；结构复杂，维护困难，有无线干扰。n交流伺服电动机：非线性特性曲线，影响系统动态精度；体积大，效率低；结构简单，运行可靠，维护方便。机电传动控制12第第3 3章章 控制电机控制电机 力矩电动机是一种能够长期处于启动力矩电动机是一种能够长期处于启动(堵转堵转)状态下工作的低转速、大转矩的执行电机。状态下工作的低转速、大转矩的执行电机。直流力矩电动机的工作原理和直流伺服电动机相同，直流力矩电动机的工作原理和直流伺服电动机相同，仅在结构上有所区别，力矩电动机一般作成扁平形。仅在结构上有所区别，力矩电动机一般作成扁平形。它主要采用永磁式电枢控制方式。它主要采用永磁式电枢控制方式。它反应速度快、特性硬度大且线性度好、精度高，它反应速度快、特性硬度大且线性度好、精度高，能在堵转和低速下运行，特别适用于对速度和位置能在堵转和低速下运行，特别适用于对速度和位置 的控制精度要求很高的系统中。的控制精度要求很高的系统中。它与高精度的检测元件、放大元件和校正环节等组成它与高精度的检测元件、放大元件和校正环节等组成 的闭环控制系统，其稳定运行转速低达每天转的闭环控制系统，其稳定运行转速低达每天转1/41/4转，转，调速范围达几万至几十万，位置精度达到角度的秒级。调速范围达几万至几十万，位置精度达到角度的秒级。3-1 3-1 伺服电动机伺服电动机伺服电动机伺服电动机三、力矩三、力矩三、力矩三、力矩电动机电动机电动机电动机机电传动控制13第第3 3章章 控制电机控制电机直流力矩电动机直流力矩电动机(a)分装式分装式(b)内装式内装式3-1 3-1 伺服电动机伺服电动机伺服电动机伺服电动机三、力矩三、力矩三、力矩三、力矩电动机电动机电动机电动机机电传动控制14第第3 3章章 控制电机控制电机3-2 3-2 微型同步微型同步微型同步微型同步电动机电动机电动机电动机 微型同步电动机的微型同步电动机的 定子与异步电动机基本相同，有三相或单相之分；定子与异步电动机基本相同，有三相或单相之分；转子有永磁式、磁阻式和磁滞式之分；转子有永磁式、磁阻式和磁滞式之分；工作原理与一般同步电动机基本相同；工作原理与一般同步电动机基本相同；永磁式和磁阻式的启动也常采用异步启动法。永磁式和磁阻式的启动也常采用异步启动法。永磁式的可用于高速或低速的自动装置中，永磁式的可用于高速或低速的自动装置中，磁阻式电磁减速同步电动机常用于低速的场合，磁阻式电磁减速同步电动机常用于低速的场合，广泛应用于仪器仪表及无线电设备中。广泛应用于仪器仪表及无线电设备中。机电传动控制15第第3 3章章 控制电机控制电机3-3 3-3 测速发测速发测速发测速发电机电机电机电机 测速发电机是一种将转速信号变换成电信号的元件，测速发电机是一种将转速信号变换成电信号的元件，输出电压与转速成正比。在自动控制系统中应用广泛。输出电压与转速成正比。在自动控制系统中应用广泛。交流测速发电机主要是异步测速发电机，它的结构与交流测速发电机主要是异步测速发电机，它的结构与 交流伺服电动机基本相同，区别仅在于定子上有一交流伺服电动机基本相同，区别仅在于定子上有一 个绕组是作为感应电势的输出绕组；个绕组是作为感应电势的输出绕组；直流测速发电机结构和原理与普通直流发电机基本相同。直流测速发电机结构和原理与普通直流发电机基本相同。交流异步测速发电机和直流测速发电机各有优缺点，交流异步测速发电机和直流测速发电机各有优缺点，选用时应根据系统的实际要求综合考虑。选用时应根据系统的实际要求综合考虑。机电传动控制16第第3 3章章 控制电机控制电机3-4 3-4 步进电动机步进电动机步进电动机步进电动机一、基本结构一、基本结构一、基本结构一、基本结构 步进电动机与一般电动机相比，步进电动机与一般电动机相比，它们的结构相似，由定子和转子两大部分组成。它们的结构相似，由定子和转子两大部分组成。但步进电动机是一种将但步进电动机是一种将电脉冲信号电脉冲信号电脉冲信号电脉冲信号 转换为角位移或直线运动的执行部件。转换为角位移或直线运动的执行部件。步进电动机定子上装有一定相数的励磁绕组，步进电动机定子上装有一定相数的励磁绕组，转子本身没有励磁绕组的叫转子本身没有励磁绕组的叫“反应式步进电动机反应式步进电动机”，用永久磁铁做转子的叫用永久磁铁做转子的叫“永磁式步进电动机永磁式步进电动机”。机电传动控制17第第3 3章章 控制电机控制电机小步距角小步距角三相反应式三相反应式步进电动机步进电动机三相反应式三相反应式步进电动机步进电动机结构简图结构简图3-4 3-4 步进电动机步进电动机步进电动机步进电动机一、基本结构一、基本结构一、基本结构一、基本结构 机电传动控制18第第3 3章章 控制电机控制电机3-4 3-4 步进电动机步进电动机步进电动机步进电动机二、工作原理二、工作原理二、工作原理二、工作原理 步进电动机的工作原理就是步进电动机的工作原理就是电磁铁的工作原理电磁铁的工作原理电磁铁的工作原理电磁铁的工作原理。每当定子绕组接收一个电脉冲时，每当定子绕组接收一个电脉冲时，转子便转过一个固定的角度，这个角度即称为步距角。转子便转过一个固定的角度，这个角度即称为步距角。因为每通电一次，即运行一拍，转子就走一步，故因为每通电一次，即运行一拍，转子就走一步，故 步距角：步距角：b b步距步距步距步距/拍数拍数拍数拍数360360/Z Z 拍数拍数拍数拍数360360/KmzKmz 式中，式中，K K 为状态系数为状态系数 （如单三拍、双三拍时（如单三拍、双三拍时K=1，单、双六拍时，单、双六拍时K=2）；）；m m 表示电动机的相数；表示电动机的相数；z z 为转子的齿数。为转子的齿数。当电动机相数当电动机相数m和转子齿数和转子齿数z一定（即电机结构一定）时，一定（即电机结构一定）时，则步进电机的转速取决于输入电脉冲的频率和通电方式，则步进电机的转速取决于输入电脉冲的频率和通电方式，即：即：n n6060f f/KmzKmz (r/min)，其中，其中，f f 为电脉冲的频率。为电脉冲的频率。机电传动控制19第第3 3章章 控制电机控制电机3-4 3-4 步进电动机步进电动机步进电动机步进电动机二、工作原理二、工作原理二、工作原理二、工作原理 反应式步进电机工作原理图反应式步进电机工作原理图三相单三拍运行方式三相单三拍运行方式机电传动控制20第第3 3章章 控制电机控制电机03060反应式步进电机工作原理图反应式步进电机工作原理图01530三相单、双六拍三相单、双六拍AABB CACBC三相单三拍三相单三拍 ABC3-4 3-4 步进电动机步进电动机步进电动机步进电动机二、工作原理二、工作原理二、工作原理二、工作原理 思考思考思考思考：相数相数相数相数mm为二相、为二相、为二相、为二相、四相、五相、六相四相、五相、六相四相、五相、六相四相、五相、六相机电传动控制21第第3 3章章 控制电机控制电机3-4 3-4 步进电动机步进电动机步进电动机步进电动机二、工作原理二、工作原理二、工作原理二、工作原理 电动机的定、转子展开图电动机的定、转子展开图小步距角小步距角三相反应式三相反应式步进电动机步进电动机机电传动控制22第第3 3章章 控制电机控制电机3-4 3-4 步进电动机步进电动机步进电动机步进电动机二、工作原理二、工作原理二、工作原理二、工作原理 电动机的定、转子展开图电动机的定、转子展开图步进电动机的步进电动机的转矩与失调角的关系转矩与失调角的关系机电传动控制23第第3 3章章 控制电机控制电机3-4 3-4 步进电动机步进电动机步进电动机步进电动机二、工作原理二、工作原理二、工作原理二、工作原理 静态运行特性静态运行特性：不改变通电情况的运行状态称为静态运行。不改变通电情况的运行状态称为静态运行。失调角失调角 ：定子齿与转子齿中心线之间的夹角定子齿与转子齿中心线之间的夹角(电角度电角度)。矩角特性矩角特性：静转矩和失调角之间的特性曲线，静转矩和失调角之间的特性曲线，步进电动机的工作过程步进电动机的工作过程步进电动机的工作过程步进电动机的工作过程 就是实现失调角为零的过程就是实现失调角为零的过程就是实现失调角为零的过程就是实现失调角为零的过程步进电动机的步进电动机的转矩与失调角的关系转矩与失调角的关系机电传动控制24第第3 3章章 控制电机控制电机3-4 3-4 步进电动机步进电动机步进电动机步进电动机二、工作原理二、工作原理二、工作原理二、工作原理 步进电动机步进电动机的矩角特性的矩角特性步进电动机的步进电动机的转矩与失调角的关系转矩与失调角的关系机电传动控制25第第3 3章章 控制电机控制电机步进电动机空载运行状态步进电动机空载运行状态步进电动机空载运行状态步进电动机空载运行状态静稳定区静稳定区静稳定区静稳定区：正在通电的绕组的静稳定区正在通电的绕组的静稳定区正在通电的绕组的静稳定区正在通电的绕组的静稳定区 称之为静稳定区称之为静稳定区称之为静稳定区称之为静稳定区A A A A相通电时相通电时相通电时相通电时 T T T TL L L L能带负载能带负载能带负载能带负载作步进运行的作步进运行的作步进运行的作步进运行的最大值最大值最大值最大值T T T TLmaxLmaxLmaxLmax即是两相矩角曲线即是两相矩角曲线即是两相矩角曲线即是两相矩角曲线交点处的电机静转矩交点处的电机静转矩交点处的电机静转矩交点处的电机静转矩机电传动控制27第第3 3章章 控制电机控制电机3-4 3-4 步进电动机步进电动机步进电动机步进电动机二、工作原理二、工作原理二、工作原理二、工作原理 在实际应用中，对于三相步进电动机来说，在实际应用中，对于三相步进电动机来说，由于单三拍通电方式容易失步，稳定性差，一般很少采用。由于单三拍通电方式容易失步，稳定性差，一般很少采用。三相六拍通电方式比三相单三拍通电方式步距角小一半，三相六拍通电方式比三相单三拍通电方式步距角小一半，在切换时保持一相绕组通电，工作稳定，在切换时保持一相绕组通电，工作稳定，比单三拍增大了稳定区。比单三拍增大了稳定区。所以三相步进电动机常采用三相六拍的控制方式。所以三相步进电动机常采用三相六拍的控制方式。所以三相步进电动机常采用三相六拍的控制方式。所以三相步进电动机常采用三相六拍的控制方式。三、性能指标三、性能指标三、性能指标三、性能指标 步距角步距角 最大静转矩最大静转矩TSmax 空载启动频率空载启动频率fost 精度精度。机电传动控制28第第3 3章章 控制电机控制电机3-5 3-5 直线电动机直线电动机直线电动机直线电动机 直线电动机是一种能直接将电能转换为直线运动的直线电动机是一种能直接将电能转换为直线运动的 伺服驱动部件，与普通直流电动机、异步电动机等伺服驱动部件，与普通直流电动机、异步电动机等 的工作原理相同；的工作原理相同；在结构型式上一般把定子与转子作成初级与次级在结构型式上一般把定子与转子作成初级与次级 长度不等的平面，把一方固定不动，而另一方在长度不等的平面，把一方固定不动，而另一方在 电磁力的推动下作直线运动。电磁力的推动下作直线运动。机械特性、调速特性等均与普通电动机相同。机械特性、调速特性等均与普通电动机相同。在一些作直线运动的场所，采用直线电动机作驱动在一些作直线运动的场所，采用直线电动机作驱动 部件，可简化机构、提高精度、减少振动和噪声，部件，可简化机构、提高精度、减少振动和噪声，加快过渡过程、改善散热条件，加快过渡过程、改善散热条件，但它有效率与功率因数较低等缺点。但它有效率与功率因数较低等缺点。机电传动控制29第第3 3章章 控制电机控制电机由旋转式异步电动机由旋转式异步电动机展开的直线异步电动机展开的直线异步电动机3-5 3-5 直线电动机直线电动机直线电动机直线电动机