交流伺服电机的工作原理

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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
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执行元件的种类
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开环指令输入
1 234 5 运算处理电路驱动电路
步进电动机
执行机构滚珠丝杠
半闭指令输入环 1 234 5
运算处理电路位置反馈
驱动电路速度反馈
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9.3 步进电动机
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。每来一个电脉冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段距离。特点: (1) 来一个脉冲，转一个步距角。 (2) 控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3) 改变脉冲顺序，可改变转动方向。
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9.1.1 交流伺服电动机
交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差90的两个绕组：励磁绕组和控制绕组，其结构如图所示。
控制绕组内定子
励磁绕组
杯形转子
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交流伺服电动机结构图
I1 U C
+ 控制信号检测元件放
反转
s1 2 s2 0
s
当单相励磁时，在电动机运行范围0<S1<1时，转矩为正值，产生电动转矩，使转子继续转动。反转时也同样为电动转矩。
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现增大转子电阻，使Sm>1
T1
s1 0 s2 2
s1 s 2 1
s1 2 s2 0
s
T2
当单相励磁时，在电动机运行范围0<S1<1时，转矩为负值，产生制动转矩，使转子停转。反转时也同样为制动转矩。
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加在控制绕组上的控制电压反相时(保持励磁电压不变)，由于旋转磁场的旋转方向发生变化，使电动机转子反转。
加在控制绕组上的控制电压大小变化时，其产生的旋转磁场的椭圆度不同，从而产生的电磁转矩也不同，从而改变电动机的转速。交流伺服电动机的机械特性如图所示。 n
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A B' C A'
A
C'
B
B' C A'
C' B
同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4
齿和B、B´ 磁极轴线对齐；当C相通电时，转子
再转过30角，1、3齿和C´、C磁极轴线对齐。
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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，所以称为三相单三拍工作方式。
o
不同控制电压下的机械特性曲线 T n=f(T), U1=常数
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在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时，电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。应用: 交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，电源频率分50Hz、400Hz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。
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9.1.2 直流伺服电动机
直流伺服电动机的结构与直流电动机基本相同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。直流伺服电动机的工作原理也与直流电动机相同。供电方式：他励供电。励磁绕组和电枢分别由两个独立的电源供电。 I I
2 1
放
+
U1为励磁电压， U U2为电枢电压
伺服电动机速度传感器位置检测传感器滑尺
闭指令输入环 1 234 5
运算处理电路
驱动电路
伺服电动机速度传感器
位置反馈
速度
伺服电动机控制方式的基本形式
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异步电动机、直流电动机等都是作为动力使用的，其主要任务是能量的转换。本章介绍的各种控制电机的主要任务是转换和传递控制信号，能量的转换是次要的。控制电机的种类很多，本章只讨论常用的几种: 伺服电机、测速电机、步进电机。各种控制电机有各自的控制任务：如: 伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱动控制对象；测速发电机将转速转换为电压，并传递到输入端作为反馈信号。步进电动机将脉冲信号转换为角位移或线位移。对控制电机的主要要求：动作灵敏、准确、重量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。
I r Er 1n
转子电流 Ir也产生磁通r ，r 在输出绕组中感应出电压U2 ， U2的大小与r成正比：
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U 2 r
综合上述分析可知：
U 2 1 n U 1 n
当 U1恒定不变时， U2与n 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，交流测速发电机的输出电压 U2与n 间存在着一定的非线性误差，使用时要注意加以修正。
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9.1 伺服电动机
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，驱动控制对象。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。伺服电动机可分为两类：交流伺服电动机直流伺服电动机
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若有控制电压加在控制绕组上，且励磁电流 I 1 和控制绕组电流 I 2 不同相时，因此便产生两相旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。
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交流伺服电动机的特点：不仅要求它在静止状态下，能服从控制信号的命令而转动，而且要求在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。
+
大
器
U2 M
–
U1
–
直流伺服电动机的接线图
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直流伺服电机的机械特性与他励直流电机相同一样，也可用下式表示
n U2 K EΦ Ra K E K TΦ
2
n
T
T
O 直流伺服电动机的 n=f(T)曲线(U1=常数)
机械特性曲线如图所示。
由机械特性可知： (1) 一定负载转矩下，当磁通不变时，U2 n。 (2) U2=0时，电机立即停转。电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机反转。
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)磁场在空间旋转了360°而转子转过90°(一个齿距角)。 2. 三相六拍按AAB B BC C CA的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。
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控制信号检测元件放大器
I2
+
U
+U –
2
–
控制电压 U 2 与电源电压 U 频率相同，相位相同或反相。
控制绕组
交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机有相似之处。励磁绕组固定接在电源上，当控制电压为零时，电机无起动转矩，转子不转。
TG
U2
–
RL
他励式直流测速发电机接线图
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当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时，电枢产生电动势E，其大小为：
E K E n
发电机的输出电压为：
U 2 E Ra I 2 K E n Ra I 2
上式中代入： I 2 于是 U 2
U2 RL
由于步进电动机的这一工作职能正好符合数字控制系统要求，因此它在数控机床、钟表工业及自动记录仪等方面都有很广泛的应用
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9.3 步进电动机
种类：励磁式和反应式两种。
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。这里主要讨论三相反应式步进电动机的结构和工作原理。
I2
Uห้องสมุดไป่ตู้
+
–
U1 1
+
–
– 励磁绕组
U1
1
I1
+
U
大
器
+ – U2
U
UC
–
控制绕组 (a）接线图
(b) 相量图
交流伺服电动机的接线图和相量图
励磁绕组串联电容C , 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相位差接近90,从而产生所需的旋转磁场。
但如果交流伺服电动机的参数选择和一般单相异步电动机相似，电动机一经转动，即使控制等于零，电动机仍继续转动，电动机失去控制，这种现象称为“自转”。
如何克服“自转”现象呢？
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正反向旋转磁场的合成转矩特性 T1(正向)
正转
s1 0 s2 2
T2(反向)
s1 s 2 1
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应用：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制等。直流伺服电机输出功率一般为1-600W。
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9.2 测速发电机
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。
测速发电机分为交流和直流两种类型。
9.2.1 交流测速发电机
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原理。
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9.2.1 交流测速发电机
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，一个是励磁绕组，一个是输出绕组。
K EΦ 1 Ra RL
n
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可见，当励磁电压U1保持恒定时（亦恒定），若Ra、RL不变，则输出电压U2的大小与电枢转速 n 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信号，输出给控制系统。 U2 RL2<RL1 RL= RL1 RL2
0
n
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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U2与转速n 有一定的线性误差。 RL越小、n 越大，误差越大。因此，在使用中应使RL和 n的大小符合直流测速发电机的技术要求。
测速发电机的作用是将机械速度转变为电压信号，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。
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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。
三相反应式步进电动机的原理结构图如下： IA A 定子内圆周定子均匀分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相。采用Y IB B 连接，转子有四个齿。
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+ 定子
输出绕组
I1
励磁绕组
1 •
U1
Φ 1
•
•
– 输出绕组 U –
2
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•
转子 +
励磁绕组
工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电源U1，由 U1 4.44 f1N11 可知：
1 U 1 当被测转动轴带动发电机转子旋转时，转子切割1产生转子感应电势Er和转子电流Ir，它们的大小与1和转子转速 n 成正比：
转子
IC C
1.工作原理
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，而形成磁阻转矩，使转子转动。
现以A B C A的通电顺序，使三相绕组 IA 轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。
IC C
IB
B
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1.三相单三拍 “三相”指三相步进电机；“单”指每次只能一相绕组通电；“三拍”指通电三次完成一个通电循环。 A相绕组通电，B、C相不通电。气隙产生以A-A为轴线 A 的磁场，而磁力线总是力图从 B' C' 1 磁阻最小的路径通过，故电动 4 2 3 B C 机转子受到一个反应转矩，在 A' 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。
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9.2.1 直流测速发电机
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 RL。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电机相同，工作时励磁绕组加直流电压U1励磁。 I1 I2
+
+
+
U1
–
E
– Ra