交流伺服电机的工作原理课件.ppt

1、 伺服电动机又称执行电动机。其伺服电动机又称执行电动机。其 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元件。制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。交流伺服电动机就是一台交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差它的定子上装有空间互差9090 的的两个绕组：励磁绕两个绕组：励磁绕组和控制绕组，其结构如图所示。组和控制绕组，其结构如图所示。励磁绕组励磁绕组控制绕组控制绕组杯形转子杯形转子内定子内定子放放大大器器检检测测元元件件mZr360 +NoImage+控制绕组控制绕组励磁绕组励磁绕组N

2、oImageNoImageNoImageNoImage+励磁绕组串联电容励磁绕组串联电容C,是为了产生两相旋转磁场。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。1NoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImage放放大大器器检检测测元元件件mZr360 +NoImage+控制绕组控制绕组NoImagemZr360 02 s121 sss01 s22 s21 s1T2T正正转转转转反反02 s121 sss01 s22 s

3、21 s1T2T0.8 U20.6 U2on 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 W，电源频率分电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广等多种。它的应用很广泛，如用泛，如用在各种自动控制、自动记录等系统中。在各种自动控制、自动记录等系统中。工作原理也与直流电动机工作原理也与直流电动机相同。相同。供电方式：供电方式：他励供电。励磁绕组和电枢分别由两他励供电。励磁绕组和电枢分别由两个独立的电源供电。个独立的电源供电。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动机的接线图 直流伺服电机的机直

4、流伺服电机的机械特性与他励直流电机械特性与他励直流电机相同一样，也可用下式相同一样，也可用下式表示表示NoImage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 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。通常应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控制等。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1-600W。测速发电机是一种转速测量传感器。在许测速发电机是一种转速测量传感器。在许多自动控制

5、系统中，它被用来测量旋转装置的多自动控制系统中，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转速，向控制电路提供与转速大小成正比的信号电压。号电压。测速发电机分为交流和直流两种类型。测速发电机分为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。1转子转子定子定子励磁绕组励磁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

6、，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+励磁励磁绕组绕组NoImageNoImageNoImage+工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电源源U U1 1，由，由 U U1 1 4.44 4.44 f1 1N N1 1 1 1 可知：可知：NoImage 当被测转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产生转子感应电势产生转子感应电势E Er r和转子电流和转子电流I Ir r，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 成正比：成正比：NoImage 转子电

7、流转子电流 Ir也产生磁通也产生磁通 r，r 在输出绕组在输出绕组中感应出电压中感应出电压U2 ，U2的大小与的大小与 r r成正比：成正比：NoImage 综合上述分析可知：综合上述分析可知：NoImage 当当 U U1 1恒定不变时，恒定不变时，U U2 2与与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速发电机的输出电压电压 U U2 2与与n 间存在着一定的非间存在着一定的非线性误差，使用

8、时要注意加以修正。线性误差，使用时要注意加以修正。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，。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U1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+当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时，当被测装置转动轴带动发电机电

9、枢旋转时，电枢产生电动势电枢产生电动势E，其大小为：，其大小为：NoImage发电机的发电机的输出电压为：输出电压为：2a2a2 IRnKIREUE 上式中代入：上式中代入：NoImage于是于是nRRKUEL2a1 可见，当励磁电压可见，当励磁电压U1保持恒定时（保持恒定时（亦亦恒恒定定），若，若Ra、RL不变，则输出电压不变，则输出电压U2的大小的大小与与电枢转速电枢转速 n 成正比。成正比。这样，发电机就把被测装这样，发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制系统。系统。0nU2RL2RL1RL=RL2RL1 值得注意的是，由于直流电

10、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信号，在自动控制系统和计算装置中作为检测元件、校正元件等。如在恒速控制系统中，测速发件、校正元件等。如在恒速控制系统中，测速发电机将速度转换为电压信号作为反馈

11、信号，达到电机将速度转换为电压信号作为反馈信号，达到调节速度的作用。调节速度的作用。(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。种类种类：励磁式励磁式和和两种。两种。下面以反应式步进电机为例说明步进电机的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。结构和工作原理。如下：如下：ABCIAIBIC 定子内圆周定子内圆周均匀分布着六个均匀分布着六个磁极，磁极上有磁极，磁极

12、上有励磁绕组，每两励磁绕组，每两个相对的绕组组个相对的绕组组成一相。采用成一相。采用Y连接，转子有四连接，转子有四个齿。个齿。定子定子转子转子 由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转因此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。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。BCIAIBICCABBCA3412 A相绕组通电，相绕组通电，B、C相相不通电。气隙产生以不通电。气隙产生以A

13、-AA-A为轴线为轴线的磁场，而磁力线总是力图从的磁场，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电动磁阻最小的路径通过，故电动机转子受到一个反应转矩，在机转子受到一个反应转矩，在此转矩的作用下，转子必然转此转矩的作用下，转子必然转到左图所示位置：到左图所示位置：1、3齿与齿与A、A极对齐。极对齐。动画动画CABBCA3412同理，同理，B相通电时，转子会转过相通电时，转子会转过30 角，角，2、4齿和齿和B、B 磁极轴线对齐；当磁极轴线对齐；当C相通电时，转子相通电时，转子再转过再转过30 角，角，1、3齿和齿和C、C磁极轴线对齐。磁极轴线对齐。1C342CABBA这种工作方式下，三个绕组依次

14、通电一次为这种工作方式下，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，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。所以称为三相单三拍工作方式。按按AB C A 的顺序给三相绕组的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过过30(步距角步距角)，每个通电循环周期，每个通电循环周期(3拍拍)磁场在磁场在空间旋转了空间旋转了360而转子而转子转过转过90(一个齿距角一个齿距角)。按按AAB B BC C CA的顺序给三相的顺序给三相绕组轮流通电。绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制这种方

15、式可以获得更精确的控制特性。特性。CABBCA3412CABBCA3412 A相通电，相通电，转子转子1 1、3 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，齿，转子转转子转过过15，到达左图到达左图所示位置。所示位置。动画动画CABBCA3412 B B 相通电，相通电，转子转子2、4齿与齿与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，转子再转齿，转子再转过过15。三相反应式步进电动机的一个

16、通电循环周三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：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），一一个通电循环周期个通电循环周期(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，更适用于需要精确定位的控制系统中。小，更适用于需要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。AB通电通电CABBCA3412BC通电通电3412CABBCAC

17、A通电通电CABBCA3412 与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循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)，一一个通电循环周期个通电循环周期(3拍拍)转子转过转子转过90(齿距角齿距角)。动画动画 从以上对步进电机三种驱动方式的分析可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：得步距角计算公式：NoImage 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 和和1.5 。为了。为了获得小步距角，电机的定子、转子

18、都做成多齿的，获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的，如教材图如教材图10.4.4所示。图中转子表面有所示。图中转子表面有4040个齿，个齿，齿距角是齿距角是9 9；定子仍是定子仍是 6 6个磁极，但每个磁极表个磁极，但每个磁极表面加工有五个和转子一样的齿。面加工有五个和转子一样的齿。应用：应用：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

19、作。机械手按照存储在数控装置中的指令动作。用某种装置代替人，按照人的意愿自动完用某种装置代替人，按照人的意愿自动完成一系列控制过程，称作自动控制。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从结构上看，自动控制系统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。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

20、反馈 闭环控制系统结构比较复杂。把输出信号的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制是通过反馈来实现的，所以也叫做反馈控制系统。统。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（反馈控制系统）的各个基闭环控制

21、系统（反馈控制系统）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如下：系统中各部分的作用如下：把控制指令变成给定值。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。把被调量检测出来，按一定的把被调量检测出来，按一定的函数关系反馈到输入端。函数关系反馈到输入端。把反馈信号把反馈信号Uf与给定信号与给定信号Ug比比较以获取误差信号较以获取误差信号Ud。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执行元件的放大元件把误差信号放大到足以推动执行元件的程度。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。