电机与电气控制 作者 周元一 第4章.pptVIP

第4章 常用控制电机 目录 4.1 伺服电动机 4.2 测速发电机 4.3 步进电机 概述 控制电机是在普通旋转电机基础上发展起来的具有特殊用途的小功率电机，也称特种电机，控制电机的种类很多，按电流分类，可分为直流和交流两种；按用途分类，直流控制电机又可分为直流伺服电动机、直流测速发电机和直流力矩电动机等 4.1 伺服电动机 4.2 测速发电机 4.2.1 直流测速发电机 1．基本结构及工作原理 直流测速发电机的定、转子结构与普通小型直流发电机相同。按励磁方式可分为永磁式和他励式两种。 直流测速发电机的工作原理与一般直流发电机相同，图4-6所示为他励测速发电机的原理图。励磁绕组中流过直流电流时，产生沿空间分布的恒定磁场，电枢由被测机械拖动旋转，以恒定速度切割磁场，在电枢绕组中感生电动势。 2．输出特性 输出特性表征电枢电压与转子转速的函数关系，即Ua=f（n）。它是测速发电机的主要特性之一。 3．误差 直流测速发电机输出电压U与转速n成线性关系的条件是、Ra、和RL保持不变。实际上，直流测速发电机在运行时，周围环境温度的变化、直流测速发电机有负载时电枢反应图4-7 直流测速发电机的输出特性的去磁作用、电刷与换向器接触电阻的变化都将在输出特性上引起线性误差 。 4.2.2 交流测速发电机 交流测速发电机又分为同步机和异步机两种。同步测速发电机，由于输出电压频率随转速而改变，不适用于自动控制系统，通常交流测速发电机就是指异步测速发电机。本节介绍应用日益广泛的空心杯转子交流异步测速发电机。 1．基本结构 异步测速发电机的基本结构与普通异步电动机相似。定子上安装两对称绕组，转子为笼形或杯形两种结构。相比之下，笼形转子的惯性大、特性较差。因此，对精度要求较高的控制系统多采用杯形转子。空心杯转子交流测速发电机的结构和杯形转子交流伺服电动机的结构相同，见图4-4。定子上有两相互相垂直的绕组，其中一相为励磁绕组，另一相为输出绕组。转子为空心杯结构，用高电阻率的硅锰青铜或铝锌青铜制成，是非磁性材料，壁厚0.2～0.3mm。杯子里还有一个内定子，目的是减小磁路的磁阻。 2．基本原理 空心杯形转子异步测速发电机的工作原理如图4-8所示。图中，励磁绕组的轴线为d轴，输出绕组的轴线为q轴。工作时，励磁绕组接单相交流电源，频率为f，d轴方向的脉振磁通为，发电机转子逆时针方向旋转，转速为n。 4.3 步进电机 步进电动机是一种将输入脉冲信号转换成输出轴的角位移或直线位移的执行元件。这种电动机每输入一个脉冲信号，输出轴便转过一个固定的角度，即向前迈进一步，故称为步进电动机或脉冲电动机。因而，步进电动机输出轴转过的角位移量与输入脉冲数量成正比，而输出轴的转速或线速度与脉冲频率成正比。 步进电动机的种类很多，按工作原理分，有反应式、永磁式和永磁感应子式三种。其中反应式步进电动机具有步距小、响应速度快、结构简单等优点，广泛应用于数控机床、自动记录仪、计算机外围设备等数控设备。 4.3.1 反应式步进电动机的结构及工作原理 1．反应式步进电动机的结构和工作原理 图4-9是反应式步进电动机的结构原理。定子和转子均为叠片式结，定子上有六个磁极均匀分布，每个极上都绕有控制绕组，由两个相对的磁极组成一相，同一相的控制绕组可以串联或并联，组成三个独立的绕组，称为三相绕组，独立绕组数称为步进电动机的相数。除三相以外，步进电动机还可以做成四、五、六等相数。为简单方便，假设转子上只有四个齿，齿上不装绕组，只构成主磁路。 由图4-9可见，由于结构的原因，沿转子圆周表面各处气隙不同，因而磁阻不相等，齿部磁阻小，两齿之间磁阻大。当控制绕组中流过脉冲电流时，产生的主磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，即经转子齿、铁心形成闭合回路。因此，转子齿会受到切向磁拉力而转过一定的机械角度，称步距角s。如果控制绕组按一定的脉冲分配方式连续通电，电机就按一定的角频率运行。改变控制绕组的通电顺序，电机就可反转。 1）三相单三拍运行方式：三相步进电动机最简单的运行方式为三相单三拍。所谓“三相”是指三相步进电动机具有三相定子绕组；“单”是指每次只有一相绕组通电；“三拍”指通电三次完成一个通电循环。也就是说，这种运行方式是按U→V→W→U…或相反顺序通电的。其工作过程如图4-10所示。 2）三相双三拍运行方式：这种运行方式是按UV→VW→WU→UV或相反的顺序通电的，即每次同时给两相绕组通电。其工作原理如图4-11所示。 4.3.2 步进电动机的驱动电源 步进电动机应由专用的驱动电源来供电，由驱动电源和步进电动机组成一套伺服装置来图4-13 步进电动机的驱动电源驱动负载工作。步进电动机的驱动电源主要包括变频信号源、脉冲分配器和脉冲放大器三个部分，如图