機電控制技術(shù)第四章課件

1、機電控制技術(shù)第四章 控制電機24 七月 2022機電控制技術(shù)目 錄4.1 控制電機的種類和特點4.2 步進電動機 4.3 自整角機4.4 伺服電動機4.5 旋轉(zhuǎn)變壓器24 七月 2022機電控制技術(shù) 控制電機是在普通旋轉(zhuǎn)電機基礎上改進的具有特殊功能的小型旋轉(zhuǎn)電機?？刂齐姍C在控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件、檢測元件和運算元件。 從工作原理上看，控制電機和普通電機沒有本質(zhì)上的差異；從功能上看，普通電機功率大，側(cè)重于電機的啟動、運行和制動等方面的性能指標，而控制電機輸出功率較小，側(cè)重于電機控制精度和響應速度。 由于各種控制電機的原理都是建立在基本的電磁規(guī)律基礎上，因而它們之間不是孤立的，而是既有共性，又有個

2、性。在以后學習中就會發(fā)現(xiàn)一種電機與另一種電機之間在電磁關(guān)系和基本特性上有很多相同之處，但它們各自又具有不同的特點。24 七月 2022機電控制技術(shù)4.1.1 控制電機的種類 控制電機的種類很多，除了自整角機、直流伺服電動機和直流測速發(fā)電機外，還包含交流伺服電動機、交流測速發(fā)電機、旋轉(zhuǎn)變壓器和步進電動機等。根據(jù)它們在自動控制系統(tǒng)中的作用，可以將它們分成執(zhí)行元件和測量元件。4.1 控制電機的種類和特點1.執(zhí)行元件 執(zhí)行元件主要包括直流伺服電動機、交流伺服電動機、步進電動機等。這些電動機的任務是將電信號轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度以及線位移或線速度，并帶動控制對象運動。 理想的直流伺服電動機和交流伺服

3、電動機的電信號（控制電壓、脈沖電壓等）與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖4-1所示?？刂齐妷汉娃D(zhuǎn)速的關(guān)系是正比關(guān)系，而轉(zhuǎn)速的方向是由控制電壓的極性來決定的。24 七月 2022機電控制技術(shù)2.測量元件 測量元件包括自整角機，交、直流測速發(fā)電機和旋轉(zhuǎn)變壓器等。它們能夠用來測量機械轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)角差和轉(zhuǎn)速，一般在自動控制系統(tǒng)中作為敏感元件和校正元件。 自整角機可以把發(fā)送機和接收機之間的轉(zhuǎn)角差轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)角差成正弦關(guān)系的電信號；交、直流測速發(fā)電機可以把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電信號，它的輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比；旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓與轉(zhuǎn)子相對于定子的轉(zhuǎn)角呈正余弦或線性關(guān)系。 24 七月 2022機電控制技術(shù)4.1.2 控制電機的特點 日常生活

4、和工作中遇到的電機一般是作為動力來使用的，它們的主要任務是能量轉(zhuǎn)換，發(fā)電機是把機械能轉(zhuǎn)換成電能，電動機是把電能轉(zhuǎn)換成機械能。而控制電機在自動控制系統(tǒng)中，只起一個元件的作用，其主要任務是完成控制信號的傳遞和轉(zhuǎn)換，而完成能量轉(zhuǎn)換則是次要的。它們使用的場合及所要完成的任務，要求它們具有運行可靠、動作迅速和準確度高的特點?？刂齐姍C的種類很多，但是這些電機的基本原理都是建立在以下兩個基本規(guī)律的基礎上：（1）電磁轉(zhuǎn)化規(guī)律是指在一定條件下電和磁可以相互轉(zhuǎn)化。（2）通電導體在磁場中要受到力的作用。24 七月 2022機電控制技術(shù)步進電動機一般是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)執(zhí)行元件。在非超載的情況下，

5、對步進電動機施加一個電脈沖信號后，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一定的角度，這稱為一步。隨著脈沖數(shù)增加，角位移或線位移也隨之增加，脈沖頻率高則步進電動機的旋轉(zhuǎn)速度就高，反之則低。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電動機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得它在速度和位置等控制領域的應用非常廣泛。4.2 步進電動機4.2.1 步進電動機的基本結(jié)構(gòu) 步進電動機的結(jié)構(gòu)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，如圖4-2所示。定子由硅鋼片疊成，裝上一定相數(shù)的控制繞組，工作時由環(huán)形分配器送來的電脈沖對多相定子繞組輪流進行勵磁。轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊成或由軟磁性材料制作成凸極結(jié)構(gòu)。24 七月 2022機電控制技術(shù)圖4-2 步進電動機的外形及結(jié)構(gòu)24

6、七月 2022機電控制技術(shù)4.2.2 步進電動機的工作原理 步進電動機的結(jié)構(gòu)形式很多，但其工作原理都大同小異，下面以三相反應式步進電動機為例說明其工作原理。如圖4-3所示為一臺三相反應式步進電動機的結(jié)構(gòu)簡圖。步進電動機轉(zhuǎn)子的圓周上均勻的分布著4個凸齒，定子有6個磁極，每個相對的磁極上繞有一相控制繞組，共有三個勵磁繞阻（U1和U2、V1和V2、W1和W2）。圖4-3 三相反應式步進電動機的結(jié)構(gòu)簡圖24 七月 2022機電控制技術(shù)4.2.3 步進電動機的分類 步進電動機按轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理分可分為反應式步進電動機、永磁式步進電動機和混合式步進電動機；按控制繞組的數(shù)量分可分為二相步進電動機、三相步進電動

7、機、四相步進電動機、五相步進電動機和六相步進電動機；按電流的極性可分為單極性步進電動機和雙極性步進電動機；按運動的形式分可分為旋轉(zhuǎn)步進電動機、直線步進電動機和平面步進電動機。1.反應式步進電動機 反應式步進電動機又稱為變磁阻式步進電動機，它根據(jù)相數(shù)、磁路結(jié)構(gòu)的不同可形成很多種類，但其工作原理是一樣的。如圖4-4所示為反應式步進電動機的外形。24 七月 2022機電控制技術(shù)2.永磁式步進電動機 永磁式步進電動機的磁極必須做得比較寬，這樣步矩角才能比較大，同時由于它工作時所需要的激磁電流比較小，因而斷電后永磁材料能產(chǎn)生一定程度的定位轉(zhuǎn)矩。由于結(jié)構(gòu)的原因，永磁式步進電動機只適用于大步距的應用場合，其

8、特點是電感小，可用較低電壓驅(qū)動，但步距角大，靜剛度小。3.混合式步進電動機 混合式步進電動機的轉(zhuǎn)子上嵌有永久磁鋼可以看成永磁式步進電動機，但是從定子和轉(zhuǎn)子的導磁體上來看，它又和反應式步進電動機相似，因此，混合式步進電動機是永磁式步進電動機和反應式步進電動機相結(jié)合的一種形式，故稱為混合式步進電動機。該步進電動機的特點是輸出轉(zhuǎn)矩大、動態(tài)性能好、步距角小、驅(qū)動電源電流小、功率低，但結(jié)構(gòu)稍復雜，成本相對較高。由于混合式步進電動機的性價比較高，因而目前得到了廣泛的應用。24 七月 2022機電控制技術(shù)4.2.4 步進電動機的驅(qū)動電源 步進電動機需配置一個專用的電源供電，電源的作用是讓步進電動機的控制繞組

9、按照特定的順序通電，即受輸入的電脈沖控制而動作，這個專用電源稱為驅(qū)動電源。步進電動機及其驅(qū)動電源是一個互相聯(lián)系的整體，步進電動機的運行性能是由電動機和驅(qū)動電源兩者配合所形成的綜合效果。步進電動機對驅(qū)動電源的基本要求包含以下幾點： （1）驅(qū)動電源的相數(shù)、通電方式、電壓和電流都要滿足步進電動機的需要。 （2）驅(qū)動電源要滿足步進電動機的啟動頻率和運行頻率的要求。 （3）驅(qū)動電源能最大限度地抑制步進電動機的振蕩。 （4）驅(qū)動電源應具有工作可靠、抗干擾能力強的特點。 （5）選用驅(qū)動電源要保證成本低、效率高、安裝和維護方便。步進電動機的驅(qū)動電源基本上由脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器和功率放大器（也稱脈沖放大器）三

10、部分組成。24 七月 2022機電控制技術(shù)1.脈沖發(fā)生器 脈沖發(fā)生器是指一個脈沖頻率由幾赫茲到幾十千赫茲可連續(xù)變化的脈沖信號發(fā)生器。如圖4-5所示為脈沖發(fā)生器的外形。脈沖發(fā)生器都是通過調(diào)節(jié)電阻和電容的大小來改變電容器充放電的時間常數(shù)，以達到改變脈沖信號頻率的目的。24 七月 2022機電控制技術(shù)2.環(huán)形分配器 環(huán)形分配器是根據(jù)指令把電脈沖信號按一定的邏輯關(guān)系加到放大器上，使各相繞組按一定的順序和時間導通和關(guān)斷，并根據(jù)指令使電動機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)確定的運行方式。環(huán)形分配器有硬件和軟件兩種方式。24 七月 2022機電控制技術(shù)4.2.5 步進電動機的主要性能指標和使用的基本原則 1.步進電動機的主

11、要性能指標1）步距角步距角是指每給一個電脈沖信號，電動機轉(zhuǎn)子所應轉(zhuǎn)過角度的理論值。2）精度步進電動機精度有兩種表示方法：一種是用步距角誤差的最大值來表示；另一種是用步距累積誤差的最大值來表示。3）轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩包括保持轉(zhuǎn)矩、靜轉(zhuǎn)矩和動轉(zhuǎn)矩。 （1）保持轉(zhuǎn)矩。保持轉(zhuǎn)矩(或定位轉(zhuǎn)矩)是指步進電動機繞組不通電時電磁轉(zhuǎn)矩的最大值或轉(zhuǎn)角不超過一定值時的轉(zhuǎn)距值。 （2）靜轉(zhuǎn)矩。靜轉(zhuǎn)矩是指步進電動機不改變控制繞組通電狀態(tài)，即轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)情況下的電磁轉(zhuǎn)矩。 （3）動轉(zhuǎn)矩。動轉(zhuǎn)矩是指步進電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動情況下的最大輸出轉(zhuǎn)矩值，它與運行的頻率有關(guān)。24 七月 2022機電控制技術(shù) （1）為使步進電動機正常運行(不失步、不越步

12、)、正常啟動并滿足對轉(zhuǎn)速要求，必須保證步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩大于負載所需的轉(zhuǎn)矩。 （2）應使步進電動機的步矩角與機械負載相匹配，以得到步進電動機所需的脈沖當量。 （3）驅(qū)動電源的優(yōu)劣對步進電動機控制系統(tǒng)的運行影響極大，使用時要特別注意，需要根據(jù)運動要求，盡量采用先進的驅(qū)動電源，以滿足步進電動機的運行性能。 （4）若所帶負載轉(zhuǎn)動慣量較大，則應在低頻下啟動。在工作過程中應盡量避免由于負載突變而引起的誤差。 （5）若在工作中發(fā)生丟步現(xiàn)象，首先應檢查負載是否過大，電源電壓是否正常，電源輸出波形是否正確。2.步進電動機使用的基本原則24 七月 2022機電控制技術(shù)4.2.6 步進電動機的控制系統(tǒng) 步進電動

13、機是由電脈沖控制而動作的，通過環(huán)形分配器按一定的順序加到步進電動機的各相繞組上。步進電動機控制系統(tǒng)框圖，如圖4-7所示。24 七月 2022機電控制技術(shù)1.步進電動機的開環(huán)控制 使用計算機對步進電動機進行控制有串行控制和并行控制兩種控制方式。 1）串行控制 具有串行控制功能的單片機系統(tǒng)與步進電動機驅(qū)動電源之間具有較少的連線。在這種系統(tǒng)中驅(qū)動電源必須含有環(huán)行分配器。這種控制方式的功能框圖如圖4-8所示。24 七月 2022機電控制技術(shù)2）并行控制 用計算機的數(shù)條端口線直接去控制步進電動機各相驅(qū)動電路的方法稱為并行控制。在步進電動機的電源內(nèi)，不包括環(huán)形分配器，其功能必須由計算機系統(tǒng)完成。 （1）軟

14、件法。軟件法是指全用編程來實現(xiàn)相序的分配，直接輸出各相導通或截止的控制信號。其主要有寄存器移位法和查表法。 （2）軟件、硬件結(jié)合的方法。并行控制的功能框圖如圖4-9所示。 24 七月 2022機電控制技術(shù) 3）步進電動機速度控制 控制步進電動機的運行速度，實際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖頻率或者換相的周期。系統(tǒng)可用兩種方法來確定脈沖的周期：一種是用軟件延時，另一種是用定時器。 4）步進電動機的加減速控制 對于步進電動機的點位控制系統(tǒng)，從起點至終點的運行速度都有一定要求。在點位控制過程中，運行速度都需要有一個“加速恒速減速低恒速停止”的加減速過程，如圖4-10所示。24 七月 2022機電控制技術(shù)2

15、.步進電動機的閉環(huán)控制 步進電動機的閉環(huán)控制是直接或間接地檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋和適當?shù)奶幚碜詣咏o出驅(qū)動的脈沖串。采用閉環(huán)控制不僅可以獲得更加精確的位置控制和更高、更平衡的轉(zhuǎn)速，還可以在步進電動機的許多其他領域中獲得更大的通用性。 根據(jù)不同的使用要求，步進電動機的閉環(huán)控制也有不同的方案。采用光電脈沖編碼器作為位置檢測元件的步進電動機的閉環(huán)控制功能框圖如圖4-11所示。其分辨率必須與步進電動機的步矩角相匹配。24 七月 2022機電控制技術(shù) 自整角機是一種對角位移或角速度的偏差能自動整步的控制電機，在自動控制系統(tǒng)中自整角機總是兩個以上組合使用。這種組合方式能將轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)角變換為電信號

16、，或者再將電信號變換為轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)角，使機械上互不相連的兩根或幾根轉(zhuǎn)軸同步偏轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)角度的傳輸、變換和接收。4.3 自整角機 在伺服系統(tǒng)中，產(chǎn)生信號所用的自整角機稱為發(fā)送機，接收信號所用的自整角機稱為接收機。自整角機廣泛應用于冶金、航海等位置和方位同步指示系統(tǒng)，以及火炮、雷達等伺服系統(tǒng)中。 自整角機按工作原理分可分為力矩式自整角機和控制式自整角機。力矩式自整角機主要用在指示系統(tǒng)中，以實現(xiàn)角度的傳輸。控制式自整角機主要用在傳輸系統(tǒng)中，做檢測元件用，其任務是將角度信號變換為電壓信號。24 七月 2022機電控制技術(shù)4.3.1 力矩式自整角機的工作原理 力矩式自整角機的接線圖如圖4-12所示。

17、圖中左邊的是發(fā)送機，右邊的是接收機，它們的轉(zhuǎn)子勵磁繞組Z1Z2和Z1Z2接到同一單相電源上，同步繞組的出線端按順序依次連接，當發(fā)送機和接收機的勵磁繞組相對于本身同步繞組的偏轉(zhuǎn)角分別為1和2時，兩者的相對偏轉(zhuǎn)角為=12，這個相對偏轉(zhuǎn)角稱為失調(diào)角。24 七月 2022機電控制技術(shù)4.3.2 控制式自整角機的工作原理 若把發(fā)送機和接收機的轉(zhuǎn)子繞組(勵磁繞組)互相垂直的位置作為諧調(diào)位置，并將接收機的轉(zhuǎn)子繞組Z1Z2從電源斷開，如圖4-13所示，具有這樣的接線方式的自整角機稱為控制式自整角機。當發(fā)送機的轉(zhuǎn)子由主令軸轉(zhuǎn)過角，即出現(xiàn)失調(diào)角時，接收機的轉(zhuǎn)子繞組即輸出一個與失調(diào)角具有一定函數(shù)關(guān)系的電壓信號，這樣

18、就實現(xiàn)了轉(zhuǎn)角信號的變換。此時，接收機是變壓器狀態(tài)，故在控制式自整角機系統(tǒng)中的接收機也稱為自整角變壓器。24 七月 2022機電控制技術(shù) 伺服電動機又稱為執(zhí)行電動機。伺服電動機是自動控制系統(tǒng)和計算機外圍設備中常用的執(zhí)行元件，它的作用是將輸入的電壓信號(即控制電壓)轉(zhuǎn)換成軸上的角位移和角速度輸出，以驅(qū)動控制對象。其最大的特點是有控制電壓時轉(zhuǎn)子立即旋轉(zhuǎn)，無控制電壓時轉(zhuǎn)子立即停轉(zhuǎn)。伺服電動機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由控制電壓的方向和大小決定的。其容量一般在0.1100 W，常用的是30 W以下。伺服電動機可分為交流伺服電動機和直流伺服電動機。4.4 伺服電動機4.4.1 交流伺服電動機 1.交流伺服電動機的

19、基本結(jié)構(gòu) 交流伺服電動機就是一臺兩相交流異步電動機，但其轉(zhuǎn)子的電阻比一般交流異步電動機大得多。為了使交流伺服電動機對輸入信號能有快速地反應，必須盡量減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，所以轉(zhuǎn)子一般做得細而長。24 七月 2022機電控制技術(shù)近年來，為了進一步提高交流伺服電動機的快速反應性，采用了如圖4-14所示24 七月 2022機電控制技術(shù)2.交流伺服電動機的工作原理 當沒有控制信號電壓時，氣隙中只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場，轉(zhuǎn)子上由于沒有啟動轉(zhuǎn)矩而靜止不動；當有控制信號電壓且控制繞組電流和勵磁繞組電流相位不同時，則在氣隙中產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)。交流伺服電動機在控制信號消

20、失后仍繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的失控現(xiàn)象稱為自轉(zhuǎn)。為了消除交流伺服電動機的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，必須加大轉(zhuǎn)子的電阻，這是因為當控制信號電壓消失后，伺服電動機仍處于單相運行狀態(tài)，若轉(zhuǎn)子電阻很大，臨界轉(zhuǎn)差率則會大于1，這時正負旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是一個制動轉(zhuǎn)矩，這就保證了當控制信號電壓消失后轉(zhuǎn)子仍轉(zhuǎn)動時，電動機將被迅速制動而停下。轉(zhuǎn)子電阻加大后，不僅可以消除自傳，還具有擴大調(diào)速范圍，改善調(diào)節(jié)特性，提高反應速度等優(yōu)點。24 七月 2022機電控制技術(shù)（1）幅值控制。保持控制電壓與勵磁電壓間的相位不變，僅改變控制電壓的幅值。（2）相位控制。保持控制電壓與勵磁電壓的幅值不變，僅改變控制電壓的相位。（3）幅相控制同時改變控

21、制信號電壓的幅值和相位。3.交流伺服電動機的控制方法及特點 一般采用下列3種方法來控制交流伺服電動機的轉(zhuǎn)速高低及旋轉(zhuǎn)方向。24 七月 2022機電控制技術(shù)交流伺服電動機的工作原理與分相式單相異步電動機雖然相似，但前者的轉(zhuǎn)子電阻比后者大得多，所以交流伺服電動機與分相式單相異步電動機相比，有以下三個顯著特點：（1）啟動轉(zhuǎn)矩大。（2）運行范圍較寬。（3）無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。24 七月 2022機電控制技術(shù)4.交流伺服電動機的應用舉例 下面介紹交流伺服電動機在電子電位差計中的應用。如圖4-15所示為電子電位差計電路原理圖。電子電位差計主要由測量橋路、變流器、電子放大器、交流伺服電動機、指示記錄機構(gòu)以及調(diào)節(jié)機構(gòu)

22、所組成。24 七月 2022機電控制技術(shù)4.4.2 直流伺服電動機 1.直流伺服電動機的基本結(jié)構(gòu) 直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)、原理與普通直流電動機基本相同。但直流伺服電動機與普通直流電動機相比又有其本身的特點，即氣隙較小、電樞電阻較大、機械特性為軟特性、電樞比較細長、轉(zhuǎn)動慣量小、換向性能較好以及不需換向極等。直流伺服電動機可分為他勵式直流伺服電動機和永磁式直流伺服電動機，其轉(zhuǎn)速由信號電壓控制。若信號電壓加在電樞繞組兩端，則稱為電樞控制；若信號電壓加在勵磁繞組兩端，則稱為磁極控制。 由于電樞控制的直流伺服電動機的線性度較好、損耗較小、電樞回路中的電感較小，使其電磁慣性較小，其響應速度比磁極控制的直流伺

23、服電動機快，所以在工程上多采用電樞控制。24 七月 2022機電控制技術(shù)4.5.1 旋轉(zhuǎn)變壓器的基本結(jié)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種旋轉(zhuǎn)式的小型交流電動機，它由定子和轉(zhuǎn)子組成。如圖4-20所示為一種無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)。圖中左邊為分解器，右邊為旋轉(zhuǎn)變壓器。旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，維護方便，輸出信號的幅度大，抗干擾性強，工作可靠，是數(shù)控機床經(jīng)常使用的位移檢測元件之一。 4.5旋轉(zhuǎn)變壓器24 七月 2022機電控制技術(shù)24 七月 2022機電控制技術(shù)4.5.2 旋轉(zhuǎn)變壓器的基本工作原理 旋轉(zhuǎn)變壓器是根據(jù)互感原理工作的。它的結(jié)構(gòu)設計與制造保證了定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙內(nèi)的磁通分布呈正(余)弦規(guī)律，當定子繞組上加交流勵磁電壓(交變電壓，頻率為24 kHz)時，通過互感在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應電動勢，如圖4-21所示。24 七月 2022機電控制技術(shù)4.5.3 旋轉(zhuǎn)變壓器的檢測方法 一般采用的是正弦、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子