电工学(电工技术)第七版-上册-第九章-电子教案

返回退出上一页下一页章目录第9章控制电机9.1伺服电机9.2步进电机9.3自动控制的基本概念返回退出上一页下一页章目录第9章控制电机教学要求：1.了解交流伺服电机的结构和工作原理;2.了解直流伺服电机的结构和工作原理;3.了解步进电机的结构和工作原理。返回退出上一页下一页章目录异步电动机、直流电动机等都是作为动力使用的，其主要任务是能量的转换。各种控制电机有各自的控制任务：伺服电机将电压信号转换为转矩和转速以驱动控制对象；步进电机将脉冲信号转换为角位移或线位移。各种控制电机的主要任务是转换和传递控制信号，能量的转换是次要的。控制电机的种类很多，本章只讨论常用的伺服电机和步进电机。对控制电机的主要要求：动作灵敏、准确度高、重量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。返回退出上一页下一页章目录伺服电机可分为两类：伺服电机又称执行电机。其功能是将输入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角速度，驱动控制对象。交流伺服电机直流伺服电机9.1伺服电机伺服电机可控性好，反应迅速。是自动控制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。返回退出上一页下一页章目录9.1.1交流伺服电机交流伺服电机就是两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差90的两个绕组：励磁绕组和控制绕组。转子分为笼型转子和杯型转子。杯型转子伺服电机的结构图返回退出上一页下一页章目录励磁绕组串联电容C,是为了产生两相旋转磁场。适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近90,从而产生所需的旋转磁场。交流伺服电机的接线图和相量图(a)接线图1UCU1I1U(b)相量图控制信号2U2I–UCU1I1U+++–––1检测元件电子放大器CSM2~+2控制信号2U2I–UCU1I1U+++–––1检测元件检测元件电子放大器电子放大器CSM2~SM2~+2返回退出上一页下一页章目录工作时两个绕组中产生的电流和的相位差近于90º,因此便产生两相旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。1I2I控制电压与电源电压频率相同，相位相同或反相。2UU加在控制绕组上的控制电压反相时(保持励磁电压不变)，由于旋转磁场的旋转方向发生变化，使电动机转子反转。交流伺服电机的特点：在电机运行时如果控制电压变为零，电机立即停转。控制信号2U2I–U+–检测元件电子放大器+2控制信号2U2I–U+–检测元件检测元件电子放大器电子放大器+2返回退出上一页下一页章目录不同控制电压下的机械特性曲线n=f(T),U1=常数交流伺服电机的机械特性如图所示。在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的下降,特性曲线下移。在同一负载转矩作用时，电机转速随控制电压的下降而均匀减小。TOn返回退出上一页下一页章目录交流伺服电机的输出功率一般为0.1100W,电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广泛,如用在各种自动控制、自动记录等系统中。应用:自动平衡电位计电路的原理图返回退出上一页下一页章目录自动平衡电位计电路的闭环控制方框图返回退出上一页下一页章目录9.1.2直流伺服电机直流伺服电机的结构与直流电动机基本相同。只是为减小转动惯量而做得细长一些。直流伺服电机的工作原理也与直流电动机相同。供电方式：他励供电。励磁绕组和电枢分别由两个独立的电源供电。U1为励磁电压U2为电枢电压直流伺服电机的接线图U1I2U2U++––放放大大器器+–SMU1I2U2U++––放放大大器器+–SMSM返回退出上一页下一页章目录由机械特性可知：(1)一定负载转矩下，当磁通不变时，U2n。(2)U2=0时，电机立即停转。电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机反转。直流伺服电机的机械特性与他励直流电动机一样，也可用下式表示TKKRKUnTEE2a2ΦΦ机械特性曲线如图所示。直流伺服电机的n=f(T)曲线(U1=常数)直流伺服电机输出功率一般为1600W。U20.8U20.6U20.4U2nTOU20.8U20.6U20.4U2nTU20.8U20.6U20.4U2nTO返回退出上一页下一页章目录直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。通常应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控制等。应用：位置随动系统的示意图返回退出上一页下一页章目录9.2步进电机特点:(1)来一个脉冲，转一个步距角。(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)改变脉冲顺序，可改变转动方向。步进电机是利用电磁铁的作用原理,将电脉冲转换为线位移或角位移的电机。计算机每发一个电脉冲,步进电机转动一定角度,带动机械移动一小段距离。区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。种类：励磁式和反应式两种。返回退出上一页下一页章目录下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。反应式步进电机的结构示意图定子内圆周均匀分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相。转子有四个齿。U1V1W1IUIVIWU1V1W1IUIVIW定子转子返回退出上一页下一页章目录1.三相单三拍U相绕组通电，V，W两相不通电。由于在磁场作用下,转子总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种情况下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与U1、U2极对齐。W1U2V1V2W2U13412W1U2V1V2W2U1W1U2V1V2W2U134123412返回退出上一页下一页章目录当V相通电时，转子会转过30角，2、4齿和V1、V2磁极轴线对齐。同理，当W相通电时，转子再转过30角，1、3齿和W1、W2磁极轴线对齐。1342W1U2V1V2W2U11342W1U2V1V2W2U1W1U2V1V2W2U13412W1U2V1V2W2U1W1U2V1V2W2U13412返回退出上一页下一页章目录这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。如果按UVWU…的顺序给三相绕组轮流通电，则电机转子便顺时针方向一步一步地转动。每一步的转角为30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)，磁场旋转一周，转子转过一个齿距角(转子四个齿时为90°)。若按UWVU…的顺序通电，则电机转子便逆时针方向转动。返回退出上一页下一页章目录U相通电，转子1、3齿与U1、U2对齐。U、V相同时通电，U1、U2磁极拉住1、3齿，V1、V2磁极拉住2、4齿，转子转过15，到达左图所示位置。2.三相六拍按UUVVVWWWU的顺序给三相绕组轮流通电。3412W1U2V1V2W2U134123412W1U2V1V2W2U1W1U2V1V2W2U1W1U2V1V2W2U13412W1U2V1V2W2U1W1U2V1V2W2U134123412返回退出上一页下一页章目录V相通电，转子2、4齿与V1、V2对齐，转子又转过15。V、W相同时通电，W1、W2磁极拉住1、3齿,V1、V2磁极拉住2、4齿,转子再转过15。3412W1U2V1V2W2U13412W1U2V1V2W2U1W1U2V1V2W2U13412W1U2V1V2W2U134123412W1U2V1V2W2U1W1U2V1V2W2U1返回退出上一页下一页章目录三相反应式步进电机的一个通电循环周期如下：UUVVVWWWU,每个循环周期分为六拍。每拍转子转过15(步距角)，一个通电循环周期(6拍)转子转过90(齿距角)。与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。3.三相双三拍按UVVWWU的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。返回退出上一页下一页章目录UV通电VW通电WU通电与单三拍方式相似,双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍。每拍转子转过30(步距角)，一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)。3412W1U2V1V2W2U1341234123412W1U2V1V2W2U1W1U2V1V2W2U13412W1U2V1V2W2U13412W1U2V1V2W2U1W1U2V1V2W2U13412W1U2V1V2W2U134123413412W1U2V1V2W2U1W1U2V1V2W2U1返回退出上一页下一页章目录从以上对步进电机三种驱动方式的分析，可得步距角计算公式：mZr360—步距角Zr—转子齿数m—每个通电循环周期的拍数实用步进电机的步距角多为3和1.5。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的。步进电机的结构图如图所示，图中转子表面有40个齿，齿距角是9；定子仍是6个磁极,但每个磁极表面加工有五个和转子一样的齿。返回退出上一页下一页章目录步进电机的应用非常广泛,如各种数控机床、自动绘图仪、机器人等。应用：三相反应时步进电机的结构图返回退出上一页下一页章目录9.3自动控制的基本概念用某种装置代替人，按照人的意愿自动完成一系列控制过程，称作自动控制。从结构上看，自动控制系统分为开环控制和闭环控制两类。开环控制系统结构简单，控制对象按照控制指令工作，但不能根据输出结果自动调节，仅用于对控制精度要求不高的场合。控制指令输出控制对象返回退出上一页下一页章目录闭环控制系统结构比较复杂。把输出信号的一部分通过反馈环节引回到输入端，与给定信号比较，得到误差信号，再送入控制对象去调节输出结果。如此反复循环，直至误差为零。这种控制是通过反馈来实现的，所以也叫做反馈控制系统。闭环控制的方框图差值输入输出给定反馈控制对象反馈环节差值输入输出给定反馈控制对象反馈环节返回退出上一页下一页章目录闭环控制系统(反馈控制系统)各个基本环节如图所示：系统中各部分的作用如下：给定元件—把控制指令变成给定值。它与被调量存在着一定的函数关系。改变给定值,即可改变被调量。反馈控制系统方框图给定元件放大元件执行元件控制对象被调量控制指令UgUdUf–检测元件θ比较元件给定元件放大元件执行元件控制对象被调量控制指令UgUdUf–检测元件θ比较元件返回退出上一页下一页章目录检测元件—把被调量检测出来,按一定的函数关系反馈到输入端。比较元件—把反馈信号Uf与给定信号Ug比较以获取误差信号Ud。放大元件—当误差信号太微弱时，需要用放大元件把误差信号放大到足以推动执行元件的程度。执行元件—直接推动控制对象改变被调量。控制对象—由执行元件推动的各种装置，如各种机械负载、发电机、加热炉、闸门等,相应的被调量就是转速、电压、温度、位移等。