直流伺服电机工作原理实用教案

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1、会计学1直流伺服电机工作直流伺服电机工作(gngzu)原理原理第一页，共40页。第1页/共40页第二页，共40页。第2页/共40页第三页，共40页。 伺服电动机又称执行电动机。其功能是将输入的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，驱电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角速度，驱动动(q dn)(q dn)控制对象。控制对象。 伺服电动机可控性好，反应迅速。是自动控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制系统和计算机外围设备中常用的执行(zhxng)(zhxng)元件。元件。第3页/共40页第四页，共40页。 交流

2、伺服电动机就是交流伺服电动机就是(jish)(jish)一台两相交流异一台两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差步电机。它的定子上装有空间互差9090的两个绕组的两个绕组：励磁绕组和控制绕组，其结构如图所示。：励磁绕组和控制绕组，其结构如图所示。励磁励磁(l c)(l c)绕组绕组控制绕组控制绕组杯形转子杯形转子内定子内定子第4页/共40页第五页，共40页。放放大大器器检检测测元元件件2U2I+U+控制绕组控制绕组励磁绕组励磁绕组UCU1I1U+ 励磁绕组串联电容励磁绕组串联电容(dinrng)C , (dinrng)C , 是为了产生两相是为了产生两相旋转磁场。旋转磁场。 适当适当(shd

3、ng)(shdng)选择电容的大小，可使通入两个绕选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近组的电流相位差接近9090, ,从而产生所需的旋转磁场从而产生所需的旋转磁场。 1UCU1I1U第5页/共40页第六页，共40页。2UU放放大大器器检检测测元元件件2U2I+U+控制绕组控制绕组1I2I第6页/共40页第七页，共40页。第7页/共40页第八页，共40页。02 s121 sss01 s22 s21 s1T2T正正转转转转反反第8页/共40页第九页，共40页。02 s121 sss01 s22 s21 s1T2T第9页/共40页第十页，共40页。0.8 U20.6 U2on第10页/共

4、40页第十一页，共40页。 交流伺服电机的输出功率一般为交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W0.1-100 W，电，电源频率源频率(pnl)(pnl)分分50Hz50Hz、400Hz400Hz等多种。它的应用很广等多种。它的应用很广泛，如用在各种自动控制、自动记录等系统中。泛，如用在各种自动控制、自动记录等系统中。第11页/共40页第十二页，共40页。供电方式：他励供电。励磁绕组和电枢分别由两个供电方式：他励供电。励磁绕组和电枢分别由两个(lin )独立的电源供电。独立的电源供电。U1为励磁电压为励磁电压，U2为电枢电压为电枢电压MU1I1I2U2U+直流伺服电动机的接线图直流伺服电

5、动机的接线图第12页/共40页第十三页，共40页。 直流伺服电机的直流伺服电机的机械机械(jxi)特性与他励特性与他励直流电机相同一样，也直流电机相同一样，也可用下式表示可用下式表示TKKRKUnTEE2a2 机械特性曲线如图所示。机械特性曲线如图所示。直流伺服电动机的直流伺服电动机的n=f(T)曲线曲线(U1=常数常数)U20.8U20.6U20.4U2nTO第13页/共40页第十四页，共40页。 直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。通常直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。通常应用应用(yngyng)(yngyng)于功率稍大的系统中，如随动系统于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控制等。

6、中的位置控制等。 直流伺服电机输出功率一般为直流伺服电机输出功率一般为1-600W1-600W。第14页/共40页第十五页，共40页。 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(xunzhun)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。测速发电机分为测速发电机分为(fn wi)交流和直流两种类型。交流和直流两种类型。 交流测速发电机又分为同步式和异步式两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种，这里只分析异步式交流测速发电机的工作原理。原理。第15页/共40页第十六页，共40页。 1转子转子(zhun z)(zhu

7、n z)定子定子(dngz)(dngz)励磁励磁(l c)(l c)绕组绕组输出绕组输出绕组 异步式交流测速发电机的结构与杯形转子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，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。一个是励磁绕组，一个是输出绕组。输出输出绕组绕组2U+励磁励磁绕组绕组1U1I1+第16页/共40页第十七页，共40页。 工作时，测速发电机的励磁绕组工作时，测速发电机的励磁绕组(roz)(roz)接交流电接交流电源源U1U1，由，由 U1 U1 4.44 f1N1 4.44 f1N11 1 可知：可知：11U 当被测转

8、动轴带动发电机转子旋转时，转当被测转动轴带动发电机转子旋转时，转子切割子切割1 1产生产生(chnshng)(chnshng)转子感应电势转子感应电势ErEr和转子电流和转子电流IrIr，它们的大小与它们的大小与1 1和转子转速和转子转速 n n 成正比：成正比：nEI1rr 转子电流转子电流(dinli) Ir也产生磁通也产生磁通r ，r 在输出在输出绕组中感应出电压绕组中感应出电压U2 ， U2的大小与的大小与r成正比：成正比：第17页/共40页第十八页，共40页。r2U 综合上述分析综合上述分析(fnx)(fnx)可知：可知：nUnU112 当当 U1 U1恒定不变时，恒定不变时， U2

9、 U2与与n n 成正比，这样，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发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压(diny)(diny)信号，输出给控制系统。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速发电机的输出电压 U2与与n 间存在着一定间存在着一定(ydng)的非的非线性误差，使用时要注意加以修正。线性误差，使用时要注意加以修正。第18页/共40页第十九页，共40页。 直流测速发电机分永磁式和他励式两种。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两种电机的电枢相同，工

10、作时电枢接负载电阻RLRL。但永磁式的定子使用永久磁铁产生磁场。但永磁式的定子使用永久磁铁产生磁场(cchng)(cchng)，因而没有励磁线圈；他励式的结构与直流伺服因而没有励磁线圈；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电机相同，工作时励磁绕组加直流电压U1U1励磁。励磁。他他励式直流测速发电机接线图励式直流测速发电机接线图TGRLI2U2+Ra+EI1U1+第19页/共40页第二十页，共40页。 当被测装置转动轴带动当被测装置转动轴带动(didng)(didng)发电机电枢旋转时，发电机电枢旋转时，电枢产生电动势电枢产生电动势E E，其大小为：，其大小为：nKE E 发

11、电机的输出发电机的输出(shch)(shch)电压为：电压为：2a2a2 IRnKIREUE 上式中代入：上式中代入：L22RUI 于是于是(ysh)nRRKUEL2a1 第20页/共40页第二十一页，共40页。 可见，当励磁电压可见，当励磁电压U1U1保持恒定时（保持恒定时（ 亦恒亦恒定），若定），若RaRa、RLRL不变，则输出电压不变，则输出电压U2U2的大小与的大小与电枢转速电枢转速 n n 成正比。这样，发电机就把被测装成正比。这样，发电机就把被测装置的转速信号置的转速信号(xnho)(xnho)转变成了电压信号转变成了电压信号(xnho)(xnho)，输出给控制，输出给控制系统。系

12、统。0nU2RL2RL1RL= RL2RL1第21页/共40页第二十二页，共40页。 值得注意的是，由于直流电机中存在着电值得注意的是，由于直流电机中存在着电枢反应现象，使得输出电压枢反应现象，使得输出电压U2与转速与转速n 有一定有一定的线性误差。的线性误差。 RL越小、越小、n 越大，误差越大。因越大，误差越大。因此，在使用中应使此，在使用中应使RL和和 n的大小符合的大小符合(fh)直流测速直流测速发电机的技术要求。发电机的技术要求。 测速发电机的作用是将机械速度转变为电压信号测速发电机的作用是将机械速度转变为电压信号，在自动控制系统和计算装置中作为检测元件、校正，在自动控制系统和计算装

13、置中作为检测元件、校正元件等。如在恒速控制系统中，测速发电机将速度转元件等。如在恒速控制系统中，测速发电机将速度转换换(zhunhun)为电压信号作为反馈信号，达到调节为电压信号作为反馈信号，达到调节速度的作用。速度的作用。第22页/共40页第二十三页，共40页。 步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲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冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段距离。距离。第23页/共40页第二十四页，共40页。 区别在于励磁式步进电机的转子

14、上有励磁线圈，依靠电磁区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，依靠电磁转矩工作。反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。依靠变化转矩工作。反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。依靠变化的的磁阻生成磁阻转矩工作。反应式步进电机的应用最广泛，的的磁阻生成磁阻转矩工作。反应式步进电机的应用最广泛，它有两相、三相、多相之分。这里它有两相、三相、多相之分。这里(zhl)(zhl)主要讨论三相反应主要讨论三相反应式步进电动机的结构和工作原理。式步进电动机的结构和工作原理。种类种类(zhngli)(zhngli)：励磁式和反应式两种。：励磁式和反应式两种。第24页/共40页第二十五页，共40页。 下面以反应式步

15、进电机为例说明下面以反应式步进电机为例说明(shumng)(shumng)步进电机步进电机的的结构和工作原理。结构和工作原理。ABCIAIBIC 定子内圆周均匀分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组(roz)，每两个相对的绕组(roz)组成一相。采用Y连接，转子有四个齿。定子定子转子转子第25页/共40页第二十六页，共40页。 由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此(ync)会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转矩，使转子转动。 现以现以A B C A的通电顺序，使三相绕组的通电顺序，使三相绕组 轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。BCIAIBIC第2

16、6页/共40页第二十七页，共40页。CABBCA3412 A相绕组通电，B、C相不通电。气隙产生以A-A为轴线的磁场(cchng)，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电动机转子受到一个反应转矩，在此转矩的作用下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与A、A极对齐。动画动画第27页/共40页第二十八页，共40页。CABBCA34121C342CABBA第28页/共40页第二十九页，共40页。 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)磁场(cchng)在空间旋转了360而转子转过90(一个齿距角)。 按按AAB B B

17、C C CA的顺序给三相绕的顺序给三相绕组轮流通电。组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。这种方式可以获得更精确的控制特性。第29页/共40页第三十页，共40页。CABBCA3412CABBCA3412 A相通电，转子相通电，转子(zhun z)1、3齿与齿与A、A 对齐。对齐。 A、B相同时通电，相同时通电，A、A 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，转子齿，转子(zhun z)转过转过15，到达左，到达左图所示位置。图所示位置。动画动画第30页/共40页第三十一页，共40页。CABBCA3412 B 相通相通(xingtng)电，转子电，转子2、4齿与齿

18、与B、B 对齐对齐,又转又转过过15。3412CABBCA B、C相同时通电，相同时通电，C 、C 磁极磁极(cj)拉住拉住1、3齿，齿，B、B 磁极磁极(cj)拉住拉住2、4齿，转子再转过齿，转子再转过15。第31页/共40页第三十二页，共40页。 三相反应式步进电动机的一个通电循环三相反应式步进电动机的一个通电循环(xnhun)周周期如下：期如下：AAB B BC C CA，每个循，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角），（步距角），一个通电循环一个通电循环(xnhun)周期周期(6拍拍)转子转过转子转过90 (齿距角齿距角)。 与单三拍相比，六拍驱动

19、方式的步进角更与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要小，更适用于需要(xyo)精确定位的控制系统中。精确定位的控制系统中。 按按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电电。每拍有两相绕组同时通电。第32页/共40页第三十三页，共40页。AB通电通电CABBCA3412BC通电通电3412CABBCACA通电通电CABBCA3412 与单三拍方式相似，双三拍驱动与单三拍方式相似，双三拍驱动(q dn)时每时每个通电循个通电循环周期也分为三拍。每拍转子转过环周期也分为三拍。每拍转子转过30 (步距角步距角)，一个通电循环周期一个通电循环周

20、期(3拍拍)转子转过转子转过90(齿距角齿距角)。动画动画第33页/共40页第三十四页，共40页。 从以上对步进电机(dinj)三种驱动方式的分析可得步距角计算公式：mZr360 步距角步距角Zr 转子齿数转子齿数m 每个通电循环周期的拍数每个通电循环周期的拍数 实用步进电机的步距角多为实用步进电机的步距角多为3 3和和1.51.5 。为了获得为了获得(hud)(hud)小步距角，电机的定子、转子小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的，如教材图都做成多齿的，如教材图10.4.410.4.4所示。图中转子所示。图中转子表面有表面有4040个齿，个齿，第34页/共40页第三十五页，共40页。齿距角

21、是齿距角是9 9；定子仍是；定子仍是 6 6个磁极，但每个磁极个磁极，但每个磁极表面加工表面加工(ji gng)(ji gng)有五个和转子一样的齿。有五个和转子一样的齿。应用应用(yngyng)(yngyng)：步进电动机根据数控装置步进电动机根据数控装置发出的指令带动电位器的发出的指令带动电位器的动触电转动，使其偏离中动触电转动，使其偏离中点产生电位差，经放大后点产生电位差，经放大后控制伺服阀的开口量，压力油经阀口进入油缸，使控制伺服阀的开口量，压力油经阀口进入油缸，使机械手按照存储在数控装置中的指令动作。机械手按照存储在数控装置中的指令动作。第35页/共40页第三十六页，共40页。 用某

22、种装置代替人，按照(nzho)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，自动控制系统从结构上看，自动控制系统(kn zh x tn)分为开环控制分为开环控制和闭环控制两类。和闭环控制两类。 控制对象控制对象控制控制指令指令输出输出 开环控制系统结构开环控制系统结构简单，控制对象按照控简单，控制对象按照控制指令工作，但不能根制指令工作，但不能根据输出结果自动调节，据输出结果自动调节，仅用于对控制精度要求仅用于对控制精度要求不高的场合。不高的场合。第36页/共40页第三十七页，共40页。控制对象控制对象反馈环节反馈环节误差误差输出输出给定给定反馈反馈 闭环控制系统结构比较复杂。把

23、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(rc)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。第37页/共40页第三十八页，共40页。 给定元件给定元件 放大元件放大元件 执行元件执行元件 控制对象控制对象检测元件检测元件被调量被调量控制指令控制指令+UgUdUf 闭环控制系统闭环控制系统(xtng)（反馈控制系统（反馈控制系统(xtng)）的各个基）的各个基本环节如下图所示：本环节如下图所示：系统中各部分的作用系统中各部分的作用(zuyng)如下：如下：给定元件给定元件(yunjin)把控制指令变

24、成给定值。它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，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。即可改变被调量。第38页/共40页第三十九页，共40页。检测元件检测元件把被调量检测出来，按一定的函数关系把被调量检测出来，按一定的函数关系(gun x)反馈到输入端。反馈到输入端。比较比较(bjio)元件元件把反馈信号把反馈信号Uf与给定信号与给定信号Ug比较比较(bjio)以获取误差信号以获取误差信号Ud。放大元件放大元件当误差信号太微弱时，需要用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放大元件把误差信号放大到足以推动(tu dng)执执行元件的程度。行元件的程度。直接推动控制对象改变被调量。直接推动控制对象改变被调量。由执行元件推动的各种装置，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。应的被调量就是转速、电压、温度、位移等。第39页/共40页第四十页，共40页。