交流伺服电机的工作原理

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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。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
电机相同，工作时励磁绕组加直流电压U1励磁。
I1
I2
+
+
+
U1
–
E TG – Ra
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 KE n
发电机的输出电压为：
U2 E Ra I2 K E n Ra I2
Ir 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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U2 r
综合上述分析可知：
U2 1n U1n
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。
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。 I2
I1
放+
+
U1为励磁电压， U
大 U2 M
U1
U2为电枢电压
器–
–
直流伺服电动机的接线图
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直流伺服电机的机
n
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 KTΦ 2
T
T
过15。
B、C相同时通电，
C' 、C 磁极拉住1、3 齿，B、B' 磁极拉住
2、4齿，转子再转过 15。
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三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：AAB B BC C CA，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角），一个通电循环周期(6拍)转子转过90 (齿距角)。
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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。
交流伺服电动机直流伺服电动机
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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
交流伺服电动机结构图
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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。
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
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。
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。
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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：
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，使三相绕组轮流通入直流IA电流，观察转子的运动情况。
IC C
IB B
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1.三相单三拍动画
“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。
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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。
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”。
上式中代入：
I2
U2 RL
于是
U2
K EΦ 1 Ra
n
RL
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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=
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 9.4 自动控制的基本概念
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第9章控制电机
教学要求： 1.了解交流伺服电动机的结构和工作原理。 2.了解直流伺服电动机的结构和工作原理。 3.了解交流测速发电机的结构和工作原理。 4.了解步进电动机的结构和工作原理。
C'
C
B
A'
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。
机械特性曲线如图所示。 O
直流伺服电动机的
由机械特性可知：
n=f(T)曲线(U1=常数)
(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。
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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
A相绕组通电，B、C相
A
B' 1 C'
42
C 3B A'
不通电。气隙产生以A-A为轴线的磁场，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电动机转子受到一个反应转矩，在此转矩的作用下，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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A
B'
C'
C
B
A'
A
B'
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现增大转子电阻，使Sm>1
T1
s1 0 s2 2
s1 s2 1
s1 2 s
s2 0
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。
控制信号
+
U
检测元
放 I2
大 +U2 –
器
–
件
控制绕组
与率电相控源同制电，电压相压位U相U频2
同或反相。
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。
若有控制电压加在控制绕组上，且励磁电流 I1 和控制绕组电流 I2 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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前面介绍的异步电动机、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。
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)
s1 0 s2 2
正转
T2(反向)
s1 s2 1
反转
s1 2 s
s2 0
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。
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。 3. 三相双三拍
按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。
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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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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：
转子
IA
A
IC C
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
IB
成一相。采用Y B 连接，转子有四
个齿。
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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
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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9.2.1 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
A
B' 1 C'
42
C 3B A'
A
B'
C'ຫໍສະໝຸດ Baidu
C
B
A'
动画 A相通电，转子1、
3齿与A、A' 对齐。
A、B相同时通电，
A、A' 磁极拉住1、3齿， B、B' 磁极拉住2、4齿，
转子转过15，到达左图所示位置。
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A
B'
C'
C
B
A'
A
B'
C'
C
B
A'
B 相通电，转子2、 4齿与B、B´ 对齐,又转
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。
输出绕组励磁绕组
•1 •
定子
•
I1
+
U1
励磁绕组
Φ1
–
•
输出
绕组
转子
+ U2 –
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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 U1
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：
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。