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电工与电子技术第9章控制电机
发布时间:电工与电子技术第9章控制电机

  电工与电子技术第9章控制电机_幼儿读物_幼儿教育_教育专区。第9章 控制电机 9.1 伺服电动机 9.2 测速发电机 9.3 自整角机(略) 9.4 步进电动机 9.5 自动控制的基本概念 章目录 上一页 下一页 返回 退出 第9章 控制电机 教学要求:

  第9章 控制电机 9.1 伺服电动机 9.2 测速发电机 9.3 自整角机(略) 9.4 步进电动机 9.5 自动控制的基本概念 章目录 上一页 下一页 返回 退出 第9章 控制电机 教学要求: 1. 了解交流伺服电动机的结构和工作原理; 2. 了解直流伺服电动机的结构和工作原理; 3. 了解交流测速发电机的结构和工作原理; 4. 了解步进电动机的结构和工作原理。 章目录 上一页 下一页 返回 退出 前面介绍的异步电动机、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。 本章介绍的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,本章只讨论常用的几种: 伺服电机、测速电机、自整角机、步进电机。 各种控制电机有各自的控制任务: 如: 伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱 动控制对象;测速发电机将转速转换为电压,并传 递到 输入端作为反馈信号。步进电动机将脉冲信号 转换为角位移或线位移。 对控制电机的主要要求:动作灵敏、准确、 重 量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。 章目录 上一页 下一页 返回 退出 9.1 伺服电动机 伺服电动机又称执行电动机。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。 伺服电动机可控性好,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。 伺服电动机可分为两类: 交流伺服电动机 直流伺服电动机 章目录 上一页 下一页 返回 退出 9.1.1 交流伺服电动机 交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。 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,其结构如图所示。 控制绕组 内定子 励磁绕组 杯形转子 交流伺服电动机结构图 章目录 上一页 下一页 返回 退出 I1 UC +– + + 控制信号 检 + U 测 元 放 大 U U1 I2 – – 励磁绕组 + U2 – 1 U1 1 I1 U – 件 器 控制绕组 (a)接线图 UC (b) 相量图 交流伺服电动机的接线图和相量图 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。 章目录 上一页 下一页 返回 退出 控制信号 + U 检 测 元 放 I2 大 +U2 – 器 – 件 控制绕组 控制电压 U2 与电源电压 U 频 率相同,相位相 同或反相。 工作时两个绕组中产生的电流 I1 和 I2 的相 位差近于90?,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。 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。 交流伺服电动机的特点:在电动机运行时如果 控制电压变为零,电动机立即停转。 章目录 上一页 下一页 返回 退出 交流伺服电动机的机械特性如图所示。 n O T 不同控制电压下的机械特性曲线=常数 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, 电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。 章目录 上一页 下一页 返回 退出 应用: 交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W, 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。 章目录 上一页 下一页 返回 退出 9.1.2 直流伺服电动机 直流伺服电动机的结构与直流电动机基本相 同。只是为减小转动惯量,电机做得细长一些。 直流伺服电动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。 I2 I1 放+ + U1为励磁电压, U 大 U2 M U1 U2为电枢电压 器– – 直流伺服电动机的接线图 章目录 上一页 下一页 返回 退出 直流伺服电机的机 n 械特性与他励直流电机 相同一样,也可用下式 表示 nKUEΦ 2 KEK RaTΦ2T 机械特性曲线如图所示。 O 由机械特性可知: T 直流伺服电动机的 n=f(T)曲线) 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。 章目录 上一页 下一页 返回 退出 应用: 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。 直流伺服电机输出功率一般为1-600W。 章目录 上一页 下一页 返回 退出 9.2 测速发电机 测速发电机是一种转速测量传感器。在许 多自动控制系统中,它被用来测量旋转装置的 转速,向控制电路提供与转速大小成正比的信 号电压。 测速发电机分为交流和直流两种类型。 9.2.1 交流测速发电机 交流测速发电机又分为同步式和异步式两种, 这里只分析异步式交流测速发电机的工作原理。 章目录 上一页 下一页 返回 退出 9.2.1 交流测速发电机 异步式交流测速发电机的结构与杯形转子 交流伺服电机相似,它的定子上有两个绕组, 一个是励磁绕组,一个是输出绕组。 输出绕组 励磁绕组 ?1 ? 定子 ? I1 + U1 励磁 绕组 Φ1 – ? 输出 绕组 转子 + U2 – 章目录 上一页 下一页 返回 退出 工作时,测速发电机的励磁绕组接交流电 源U1,由 U1 4.44 f1N11 可知: 1 U1 当被测转动轴带动发电机转子旋转时,转 子切割1产生转子感应电势Er和转子电流Ir, 它们的大小与1和转子转速 n 成正比: IrEr1n 转子电流 Ir也产生磁通r ,r 在输出绕组 中感应出电压U2 , U2的大小与r成正比: 章目录 上一页 下一页 返回 退出 U2 r 综合上述分析可知: U 21n U 1n 当 U1恒定不变时, U2与n 成正比,这样, 发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压 信号,输出给控制系统。 由于铁心线圈电感的非线性影响,交流测 速发电机的输出电压 U2与n 间存在着一定的非 线性误差,使用时要注意加以修正。 章目录 上一页 下一页 返回 退出 9.2.1 直流测速发电机 直流测速发电机分永磁式和他励式两种。 两种电机的电枢相同,工作时电枢接负载电阻 RL。但永磁式的定子使用永久磁铁产生磁场, 因而没有励磁线圈;他励式的结构与直流伺服 电机相同,工作时励磁绕组加直流电压U1励磁。 I1 I2 + + + U1 – E TG – Ra U2 – RL 他励式直流测速发电机接线图 章目录 上一页 下一页 返回 退出 当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时, 电枢产生电动势E,其大小为: EKEn 发电机的输出电压为: U 2 E R a I 2 K E Φ n R a I 2 上式中代入: I 2 U2 RL 于是 U 2 K EΦ 1 Ra n RL 章目录 上一页 下一页 返回 退出 可见,当励磁电压U1保持恒定时( 亦恒 定),若Ra、RL不变,则输出电压U2的大小与 电枢转速 n 成正比。这样,发电机就把被测装 置的转速信号转变成了电压信号,输出给控制 系统。 U2 RL2RL1 RL= RL1 RL2 0 n 章目录 上一页 下一页 返回 退出 值得注意的是,由于直流电机中存在着电 枢反应现象,使得输出电压U2与转速n 有一定 的线性误差。 RL越小、n 越大,误差越大。因 此,在使用中应使RL和 n的大小符合直流测速 发电机的技术要求。 章目录 上一页 下一页 返回 退出 9.4 步进电动机 步进电机是利用电磁铁的作用原理,将脉冲 信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉 冲,步进电机转动一定角度,带动机械移动一小段 距离。 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。 种类:励磁式和反应式两种。 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。 章目录 上一页 下一页 返回 退出 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。 三相反应式步进电动机的原理结构图如下: 转子 IA A IC C 定子 IB B 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。 章目录 上一页 下一页 返回 退出 1.三相单三拍 A B 1 C 42 C 3B A A相绕组通电,B、C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A、A′极对齐。 章目录 上一页 下一页 返回 退出 A B C C B A A B C C B A 同理,B相通电时,转子会转过30角,2、4 齿和B、B? 磁极轴线对齐;当C相通电时,转子 再转过30角,1、3齿和C?、C磁极轴线对齐。 章目录 上一页 下一页 返回 退出 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。 按AB C A ……的顺序给三相绕组 轮流通电,转子便一步一步转动起来。每一拍转 过30°(步距角),每个通电循环周期(3拍)转过 90°(一个齿距角)。 2. 三相六拍 按AAB B BC C CA的顺序给三相 绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制 特性。 章目录 上一页 下一页 返回 退出 A B 1 C 42 C 3B A A B C C B A A相通电,转子1、 3齿与A、A 对齐。 A、B相同时通电, A、A 磁极拉住1、3齿, B、B 磁极拉住2、4齿, 转子转过15,到达左图 所示位置。 章目录 上一页 下一页 返回 退出 A B C C B A A B C C B A B 相通电,转子2、 4齿与B、B? 对齐,又转 过15。 B、C相同时通电, C 、C 磁极拉住1、3 齿,B、B 磁极拉住 2、4齿,转子再转过 15。 章目录 上一页 下一页 返回 退出 三相反应式步进电动机的一个通电循环周 期如下:AAB B BC C CA,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AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通 电。每拍有两相绕组同时通电。 章目录 上一页 下一页 返回 退出 A B C C B A A B C C B A A B C C B A AB通电 BC通电 CA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)。 章目录 上一页 下一页 返回 退出 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: 360 Zrm —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, 如教材图10.4.4所示。图中转子表面有40个齿, 章目录 上一页 下一页 返回 退出 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。 应用: 步进电动机的应用非常广泛,如各种数控 机床、自动绘图仪、机器人等。 章目录 上一页 下一页 返回 退出 9.5 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 控制 简单,控制对象按照控 指令 输出 制指令工作,但不能根 控制对象 据输出结果自动调节, 仅用于对控制精度要求 不高的场合。 章目录 上一页 下一页 返回 退出 给定 反 馈 误差 控制对象 反馈环节 输出 ? 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。 章目录 上一页 下一页 返回 退出 闭环控制系统(反馈控制系统)的各个基 本环节如下图所示: 控制指令 给 定 Ug + 放 Ud 大 执 行 控 制 被调量 元 件 – 元 元 对 件 件 象 Uf 检测元件 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。 章目录 上一页 下一页 返回 退出 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。 章目录 上一页 下一页 返回 退出