《电工技术》课程教学课件（PPT电子教案讲稿）第9章 控制电机（李中发）

电工技术

电工技术 •主编 李中发 •制作 李中发 •2005年1月

第9章控制电机 学习要点 了解同服电动机的基本结 物和二作原理 ·解测没电机的基本结 和工作原理 了解少进电动机的基本结 物和二作原理

第9章 控制电机 • 了解伺服电动机的基本结 构和工作原理 • 了解测速发电机的基本结 构和工作原理 • 了解步进电动机的基本结 构和工作原理 学习要点

第9章控制电机 ·9,1侗服电动机 ·92测速发电机 93步进电动机

第9章 控制电机 • 9.1 伺服电动机 • 9.2 测速发电机 • 9.3 步进电动机

91伺服电动机 伺服电动机又称为执行电动机,在自动控制系统中作为 执行元件,把输入的电压信号变换成转轴的角位栘或角 速度输出。输入的电压信号又称为控制信号或控制电压 ,改变控制电压可以改变伺服电动机的转速或转向。 自动控制系统对伺服电动机的主要要求有 (1)调速范围宽。即要求伺服电动机的转速随着控制 电压的改变能在宽广的范围内连续调节。 (2)响应速度快。即要求伺服电动机通电后能立即运 转,控制电压改变时伺服电动机的转速能非常灵敏和准 确地跟着变化。 (3)机械特性的线性度好。即要求伺服电动机在控制 电压一定时其转速能随转矩线性变化,这样有利于提高 自动控制系统的动态精度。 4)无“自转”现象。即要求伺服电动机在控制电压 降为零时能立即自行停转

9.1 伺服电动机 伺服电动机又称为执行电动机，在自动控制系统中作为 执行元件，把输入的电压信号变换成转轴的角位栘或角 速度输出。输入的电压信号又称为控制信号或控制电压 ，改变控制电压可以改变伺服电动机的转速或转向。 自动控制系统对伺服电动机的主要要求有： （1）调速范围宽。即要求伺服电动机的转速随着控制 电压的改变能在宽广的范围内连续调节。 （2）响应速度快。即要求伺服电动机通电后能立即运 转，控制电压改变时伺服电动机的转速能非常灵敏和准 确地跟着变化。 （3）机械特性的线性度好。即要求伺服电动机在控制 电压一定时其转速能随转矩线性变化，这样有利于提高 自动控制系统的动态精度。 （4）无“自转”现象。即要求伺服电动机在控制电压 降为零时能立即自行停转

911交流伺服电动机 结构:交流伺服电动机就是两相异步电动机,定子装有两个 绕组,一个是励磁绕组,另一个是控制绕组,两个绕组在空 间相距90°;转子有鼠笼式转子和杯形转子两种,为了减小 转动惯量,转子做成细长形,且电阻较大。 工作原理:没有控制信号时, 定子内只有励磁绕组产生的脉 动磁场,转子静止不动;有控 制电压时,定子内便产生一个 SM 旋转磁场,转子沿旋转磁场的 方向旋转,在负载恒定的情况 下,电动机的转速将随控制电 压的大小而变化;控制电压的 相位相反时,电动机反转

结构：交流伺服电动机就是两相异步电动机，定子装有两个 绕组，一个是励磁绕组，另一个是控制绕组，两个绕组在空 间相距90° ；转子有鼠笼式转子和杯形转子两种，为了减小 转动惯量，转子做成细长形，且电阻较大。 9.1.1 交流伺服电动机 C + Uf  － + U c  － SM ～ 工作原理：没有控制信号时， 定子内只有励磁绕组产生的脉 动磁场，转子静止不动；有控 制电压时，定子内便产生一个 旋转磁场，转子沿旋转磁场的 方向旋转，在负载恒定的情况 下，电动机的转速将随控制电 压的大小而变化；控制电压的 相位相反时，电动机反转

当运行中的伺服电动机失去控制电压后,处于单相运行状 态。合成转矩的方向与转子旋转的方向相反,是制动转矩 因此,正常运转的伺服电动机,只要失去控制电压便会迅 速停止运转,即无“自转”现象。 机械特性:负载一定时,控制 电压从愈高,转速也愈高;在 控制电压一定时,负载增加则 转速下降。 特点:起动转矩较大,调速范 围宽广,运行平稳,噪音小; 但控制特性非线性,且转子电 04U0.6U080U 阻大,损耗大,效率低,体积 大,重量重,只适用于0.5 100w的小功率控制系统

机械特性：负载一定时，控制 电压从愈高，转速也愈高；在 控制电压一定时，负载增加则 转速下降。 n T 0 Uc 0.4U 0.6Uc 0.8Uc c 特点：起动转矩较大，调速范 围宽广，运行平稳，噪音小； 但控制特性非线性，且转子电 阻大，损耗大，效率低，体积 大，重量重，只适用于0.5～ 100W的小功率控制系统。 当运行中的伺服电动机失去控制电压后，处于单相运行状 态。合成转矩的方向与转子旋转的方向相反，是制动转矩。 因此，正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压便会迅 速停止运转，即无“自转”现象

912直流伺服电动机 结构:直流伺服电动机实质上是一台P 他励式直流电动机。按结构可分为传 伺服电动机的结构与普通直流电动机(M 统型和低惯量型两大类。传统型直流 U 基本相同,也是由定子和转子两大部 分组成,分为永磁式和电磁式两种。 工作原理:采用电枢控制方式时,U保「An 持恒值,当电枢电压U(即信号电压 改变时,得到一组平行的机械特性。 R e f C CAU 特点:起动转矩大,调速范围宽,无自转现象,但易产生火花, 可靠性差,易产生无线电干扰

工作原理：采用电枢控制方式时，Uf保 持恒值，当电枢电压Uc（即信号电压） 改变时，得到一组平行的机械特性。 9.1.2 直流伺服电动机 结构：直流伺服电动机实质上是一台 他励式直流电动机。按结构可分为传 统型和低惯量型两大类。传统型直流 伺服电动机的结构与普通直流电动机 基本相同，也是由定子和转子两大部 分组成，分为永磁式和电磁式两种。 + Uf － + Uc － M — n T 0 Uc1 Uc2 Uc3 Uc4 Uc1> Uc2>Uc3>Uc4 T C C C U R C C U U n 2 f 2 e m a e f c   = − 特点：起动转矩大，调速范围宽，无自转现象，但易产生火花， 可靠性差，易产生无线电干扰

92测速发电机 测速发电机是一种测量转速的信号元件,它将输入的机 械转速变换为电压信号输出,广泛应用于各种速度和位 置控制系统中 测速发电机分为交流和直流两大类。交流测速发电机又 分为同步和异步两种,直流测速发电机分为水磁式和电 磁式两种。 自动控制系统对测速发电机的主要要求有: 1)输出特性呈正比关系并保持稳定。即要求测速发电 机的输出电压与转速应保持严格的正比关系,且不随外 界条件的变化而发生改变。 (2)电机的转动惯量要小,以保证反应迅速 (3)电机的灵敏度高。即要求测速发电机的输出电压对 转速的变化反应灵敏

测速发电机是一种测量转速的信号元件，它将输入的机 械转速变换为电压信号输出，广泛应用于各种速度和位 置控制系统中。 测速发电机分为交流和直流两大类。交流测速发电机又 分为同步和异步两种，直流测速发电机分为永磁式和电 磁式两种。 自动控制系统对测速发电机的主要要求有： （1）输出特性呈正比关系并保持稳定。即要求测速发电 机的输出电压与转速应保持严格的正比关系，且不随外 界条件的变化而发生改变。 （2）电机的转动惯量要小，以保证反应迅速。 （3）电机的灵敏度高。即要求测速发电机的输出电压对 转速的变化反应灵敏。 9.2 测速发电机

921交流测速发电机 励磁绕组通入正弦电流时,在绕组的轴 线方向上产生了一个随时间按正弦规律 变化的脉动磁通Φ1。①1在转子中感应出 电流产生,并由此产生转子磁通Φ2 测速发电机静止时,Φ2也沿励磁绕组的 励磁 轴线方向,忽略励磁绕组的电阻和漏抗 绕组 合成磁通Φ在励磁绕组中产生的感应 电动势E1与励磁电压U1的关系为 U1≈E1≈4.441N1Φ 可见,当和不变时,合成磁通的大备组 小基本保持不变,仍为原来的磁通Φ1 由于Φ1的方向与输出绕组的轴线垂直, 在输出绕组中不产生感应电动势,因此 测速发电机静止时 ,当测速发电机静止不动时,输出电压 为零

9.2.1 交流测速发电机 励磁绕组通入正弦电流时，在绕组的轴 线方向上产生了一个随时间按正弦规律 变化的脉动磁通Φ1。Φ1在转子中感应出 电流产生，并由此产生转子磁通Φ2。 1 I  × × · + U1  － Φ1 · Φ2 励 磁 绕 组 输出绕组 测速发电机静止时 测速发电机静止时，Φ2也沿励磁绕组的 轴线方向，忽略励磁绕组的电阻和漏抗 ，合成磁通Φ在励磁绕组中产生的感应 电动势E1与励磁电压U1的关系为： U1≈E1≈4.44f1N1Φm 可见，当U1和f1不变时，合成磁通Φ的大 小基本保持不变，仍为原来的磁通Φ1。 由于Φ1的方向与输出绕组的轴线垂直， 在输出绕组中不产生感应电动势，因此 ，当测速发电机静止不动时，输出电压 为零

测速发电机旋转时,转子导体因 切割磁通Φ而产生电动势和电流 。E2和2与磁通Φ1及转子转速n 成正比,转子电流l2产生磁通Φ2 d ,两者也成正比,磁通Φ2的方向 与输出绕组的轴线方向一致,因 而在输出绕组中产生与励磁电压 频率相同的感应电动势,输出绕 组两端得到频率相同的输出电压 ,其大小与磁通Φ2成正比,输出 电压U2与励磁电压U1及转子转速 测速发电机旋转时 成正比。 空心杯转子测速发电机与直流测速发电机相比,具有结构简 单、工作可靠等优点,是目前较为理想的测速元件

测速发电机旋转时，转子导体因 切割磁通Φ1而产生电动势和电流 。E2和I2与磁通Φ1及转子转速n 成正比，转子电流I2产生磁通Φ2 ，两者也成正比，磁通Φ2的方向 与输出绕组的轴线方向一致，因 而在输出绕组中产生与励磁电压 频率相同的感应电动势，输出绕 组两端得到频率相同的输出电压 ，其大小与磁通Φ2成正比，输出 电压U2与励磁电压U1及转子转速 成正比。 1 I  × × · · + U1  － －U2  + Φ1 × · Φ2 n 测速发电机旋转时 空心杯转子测速发电机与直流测速发电机相比，具有结构简 单、工作可靠等优点，是目前较为理想的测速元件