電機傳動與控制第五章控制電機

1、控 制 電 機第五章第五章v1、了解控制電機的分類；、了解控制電機的分類；v2、了解交、直流伺服電機的工作原理及特點；、了解交、直流伺服電機的工作原理及特點；v3、了解各種控制電機的用途；、了解各種控制電機的用途；v4、了解控制電機與普通電機的區(qū)別；、了解控制電機與普通電機的區(qū)別；v5、了解軸角的檢測方法。、了解軸角的檢測方法。本章要求：本章要求：本章知識點：本章知識點：v1、步進電機的工作原理及驅(qū)動方式；、步進電機的工作原理及驅(qū)動方式；v2、交流伺服電機的工作原理；交流伺服電機的工作原理；v3、自轉(zhuǎn)及消除自轉(zhuǎn)的措施；自轉(zhuǎn)及消除自轉(zhuǎn)的措施；v4、力矩電機大轉(zhuǎn)矩低轉(zhuǎn)速的機理；力矩電機大轉(zhuǎn)矩低轉(zhuǎn)速

2、的機理；v5、控制系統(tǒng)的一般組成。、控制系統(tǒng)的一般組成。直流發(fā)電機直流電動機直流電機直流電機同步電機同步發(fā)電機同步電動機異步發(fā)電機異步電動機交流電機交流電機異步電機電機控制電機控制電機變壓器變壓器（也屬交流電機的一種，但它靜止不動）電機的分類：控制電機的用途與要求：控制電機的用途與要求：v1、 用途：用途： 用于自動控制、自動調(diào)節(jié)、遠程控制、伺服控用于自動控制、自動調(diào)節(jié)、遠程控制、伺服控制系統(tǒng)。制系統(tǒng)。v2、 對控制電機的一般要求對控制電機的一般要求： 動作靈敏、響應快、控制精度高、穩(wěn)定性好。動作靈敏、響應快、控制精度高、穩(wěn)定性好。5.1步進電機傳動控制系統(tǒng)步進電機傳動控制系統(tǒng)v步進電動機是一

3、種步進電動機是一種將電脈沖信號變換成相應的角將電脈沖信號變換成相應的角位移或直線位移的機電執(zhí)行元件位移或直線位移的機電執(zhí)行元件，每當輸入一個，每當輸入一個電脈沖時，它便轉(zhuǎn)過一個固定的角度，這個角度電脈沖時，它便轉(zhuǎn)過一個固定的角度，這個角度稱為稱為步距角步距角，簡稱為步距。每輸入一個脈沖電，簡稱為步距。每輸入一個脈沖電動機便轉(zhuǎn)動一步，步進電動機便因之而命名。動機便轉(zhuǎn)動一步，步進電動機便因之而命名。v當電動機不失步時，當電動機不失步時，步進電動機的位移量與輸入步進電動機的位移量與輸入脈沖數(shù)嚴格成比例，不會引起積累誤差脈沖數(shù)嚴格成比例，不會引起積累誤差，其轉(zhuǎn)速，其轉(zhuǎn)速與脈沖頻率和步距角有關(guān)。控制輸入

4、脈沖數(shù)量、與脈沖頻率和步距角有關(guān)?？刂戚斎朊}沖數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的接通次序，就可以得到頻率及電動機各相繞組的接通次序，就可以得到所需的位移、速度和轉(zhuǎn)向。通過傳動機構(gòu)，帶動所需的位移、速度和轉(zhuǎn)向。通過傳動機構(gòu)，帶動工作設備完成符合要求的動作。工作設備完成符合要求的動作。步進電機的分類步進電機的分類1、定位電磁鐵原理的步進電機；、定位電磁鐵原理的步進電機；2、反應式步進電機（變磁阻式）；、反應式步進電機（變磁阻式）；3、永磁式步進電機；、永磁式步進電機；4、混合式步進電機。、混合式步進電機。5.1.1步進電機的結(jié)構(gòu)與工作原理步進電機的結(jié)構(gòu)與工作原理v當當A相通電時，定子相通電時，定子A相的

5、齒與轉(zhuǎn)子上的齒相的齒與轉(zhuǎn)子上的齒對齊對齊(磁通具有力圖沿磁通具有力圖沿磁阻最小路徑通過的磁阻最小路徑通過的特點特點)，B相的齒與轉(zhuǎn)相的齒與轉(zhuǎn)子上的齒錯開子上的齒錯開1/3齒，齒，C相的齒與轉(zhuǎn)子上的齒相的齒與轉(zhuǎn)子上的齒錯開錯開2/3齒。若按齒。若按A、B、C相輪流導通，每通電相輪流導通，每通電一次轉(zhuǎn)過一次轉(zhuǎn)過1/3齒；若按齒；若按A、AB、B、BC、C、CA的方式，則每通電的方式，則每通電一次，轉(zhuǎn)過一次，轉(zhuǎn)過1/6齒。齒。v轉(zhuǎn)子與相之間錯開的轉(zhuǎn)子與相之間錯開的角度增量為角度增量為t/m 定子繞組按一定的規(guī)律通電；轉(zhuǎn)子鐵心在磁場作定子繞組按一定的規(guī)律通電；轉(zhuǎn)子鐵心在磁場作用下每次轉(zhuǎn)過一定的角度。用

6、下每次轉(zhuǎn)過一定的角度。實際步進電動機的步距角通常較小，這就要求轉(zhuǎn)子的齒數(shù)多。實際步進電動機的步距角通常較小，這就要求轉(zhuǎn)子的齒數(shù)多。 反應式步進電動機工作原理反應式步進電動機工作原理接線與結(jié)構(gòu)接線與結(jié)構(gòu)A相繞組通電相繞組通電B相繞組通電相繞組通電C相繞組通電相繞組通電v5.1.2步進電機的步距角、和拍的定義步進電機的步距角、和拍的定義v1、拍、拍定子由一種通電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種通電狀定子由一種通電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種通電狀態(tài)態(tài)（即磁場狀態(tài)每一次變化）稱為一拍；（即磁場狀態(tài)每一次變化）稱為一拍；v2、步距角、步距角步進電機每轉(zhuǎn)一步步進電機每轉(zhuǎn)一步（一拍）（一拍）所轉(zhuǎn)過所轉(zhuǎn)過的角度的角度。其大小取決于轉(zhuǎn)子

7、的齒數(shù)，和通電的方式。其大小取決于轉(zhuǎn)子的齒數(shù)，和通電的方式。v步距角步距角 =360 =360o o/(ZKm)/(ZKm) Z轉(zhuǎn)子齒數(shù)；轉(zhuǎn)子齒數(shù)；m定子繞組相數(shù)；定子繞組相數(shù)；K狀態(tài)系數(shù)（單狀態(tài)系數(shù)（單m拍、雙拍、雙m拍時拍時K=1，單、雙，單、雙m拍時拍時K=2）。）。v3、步進電機的、步進電機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速n=60f /2/2 顯然，顯然，齒數(shù)越多、相數(shù)越多，步距角越小，精度越高，齒數(shù)越多、相數(shù)越多，步距角越小，精度越高，但轉(zhuǎn)速越慢但轉(zhuǎn)速越慢。v5.1.3提高步進電機分辨率的方法：提高步進電機分辨率的方法：v1、增加轉(zhuǎn)子齒數(shù)增加轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z（設計成小步距角的步進電（設計成小步距角的步進電機）但

8、齒太小，容易磁飽和，力矩變小；機）但齒太小，容易磁飽和，力矩變??；v2、增加定子繞組相數(shù)增加定子繞組相數(shù)m（做成多相）；（做成多相）；v3、做成多段做成多段式結(jié)構(gòu)；式結(jié)構(gòu)；v4、采用電流細分技術(shù)采用電流細分技術(shù)（通過單片機的（通過單片機的D/A控制控制步進電機定子相鄰兩相電流的比例實現(xiàn)）。但步進電機定子相鄰兩相電流的比例實現(xiàn)）。但要注意，細分主要是改善運動性能。要注意，細分主要是改善運動性能。v5.1.4 步進電動機的分類步進電動機的分類v1按步進電動機的工作原理分按步進電動機的工作原理分v1）勵磁式勵磁式v電機的定子轉(zhuǎn)子均有繞組，靠電磁力矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。電機的定子轉(zhuǎn)子均有繞組，靠電磁力矩使轉(zhuǎn)子

9、轉(zhuǎn)動。v2）反應式反應式(變磁阻式）變磁阻式）v轉(zhuǎn)子無繞組，定子繞組勵磁后產(chǎn)生反應力矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子無繞組，定子繞組勵磁后產(chǎn)生反應力矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。這是步進電動機發(fā)展的主要類型，有較好的技術(shù)性動。這是步進電動機發(fā)展的主要類型，有較好的技術(shù)性能指標。能指標。v3）混合式混合式（即永磁感應子式）（即永磁感應子式）v它與反應式的主要區(qū)別是轉(zhuǎn)子上置有磁鋼。反應式電機它與反應式的主要區(qū)別是轉(zhuǎn)子上置有磁鋼。反應式電機轉(zhuǎn)子無磁鋼，輸入能量全靠定子勵磁電流供給，靜態(tài)電轉(zhuǎn)子無磁鋼，輸入能量全靠定子勵磁電流供給，靜態(tài)電流比永磁式大許多。永磁感應子式電機具有驅(qū)動電流小、流比永磁式大許多。永磁感應子式電機具有驅(qū)動電流

10、小、效率高、過載能力強和具有零電流力矩等優(yōu)點，是一種效率高、過載能力強和具有零電流力矩等優(yōu)點，是一種很有發(fā)展前途的步進電動機。很有發(fā)展前途的步進電動機。v還有其它的分類方法（自學）還有其它的分類方法（自學）混合式步進電機有零電流力矩混合式步進電機有零電流力矩v5.1.5環(huán)形分配器的實現(xiàn)環(huán)形分配器的實現(xiàn)v1、硬件環(huán)形分配器（隨著單片機的出現(xiàn)已、硬件環(huán)形分配器（隨著單片機的出現(xiàn)已很少使用）；很少使用）；v2、軟件環(huán)形分配器（通過查表實現(xiàn)）、軟件環(huán)形分配器（通過查表實現(xiàn)）5.1.6步進電機的驅(qū)動電路步進電機的驅(qū)動電路1、單電壓限流型驅(qū)、單電壓限流型驅(qū)動電路動電路 為了克服靜摩為了克服靜摩擦力和慣性，

11、加擦力和慣性，加大步進電機的加大步進電機的加速度，加快啟動速度，加快啟動過程，采用高低過程，采用高低壓切換電路。利壓切換電路。利用高電壓產(chǎn)生大用高電壓產(chǎn)生大力矩，利用低電力矩，利用低電壓維持靜止，從壓維持靜止，從而減少發(fā)熱。而減少發(fā)熱。 當晶體管當晶體管VT導通瞬導通瞬間，由于電容間，由于電容C兩端兩端電壓不能突變，電電壓不能突變，電容相當于短路，加容相當于短路，加在電阻在電阻R的電壓很小，的電壓很小，電流很小，電壓全電流很小，電壓全部加在繞組部加在繞組L上，電上，電流快速上升。隨著流快速上升。隨著電容充電，加在繞電容充電，加在繞組組L的電壓降低電流的電壓降低電流減少。減少。V為續(xù)流二極管，為

12、續(xù)流二極管，RD為為限流電阻防止關(guān)斷瞬限流電阻防止關(guān)斷瞬間反電勢過高，擊穿間反電勢過高，擊穿晶體管晶體管VT。電容。電容C僅僅在啟動時起作用，稱在啟動時起作用，稱為加速電容。時間常為加速電容。時間常數(shù)數(shù)=L/（r+R)為了提高為了提高速度，要加大速度，要加大R，但要，但要保證維持電流，必須保證維持電流，必須同時提高同時提高U。造成功耗。造成功耗大。大。I=U/（r+R)v2、雙電源高低壓切換型驅(qū)動電路、雙電源高低壓切換型驅(qū)動電路v開始時開始時VT1、VT2同時導通，同時導通，80V直接加在繞組直接加在繞組L上，當經(jīng)過上，當經(jīng)過t2時間，關(guān)斷時間，關(guān)斷VT2，用低壓，用低壓12V維維持。在下一步

13、開始前，把持。在下一步開始前，把VT1關(guān)斷。關(guān)斷。v引起步進電機失步的原因：引起步進電機失步的原因：v1、步進電機的力矩不夠步進電機的力矩不夠（負載力矩大于步（負載力矩大于步進電機的最大靜力矩）；進電機的最大靜力矩）；v2、加減速過快加減速過快（動態(tài)力矩不夠）；（動態(tài)力矩不夠）；v即給定角加速度即給定角加速度=（TM-TL）/Jv步進電機控制的優(yōu)缺點：步進電機控制的優(yōu)缺點：v優(yōu)點：優(yōu)點：v1、步進電機不失步時，步進電機的角位移與輸入脈沖、步進電機不失步時，步進電機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成比例，數(shù)嚴格成比例，可以用于高精度的開環(huán)控制可以用于高精度的開環(huán)控制；v2、控制方法及設備簡單，價錢便宜；

14、、控制方法及設備簡單，價錢便宜；v3、零速（堵轉(zhuǎn)）力矩大零速（堵轉(zhuǎn)）力矩大；v4、永磁式和混合式、永磁式和混合式有零電流力矩有零電流力矩；v5、體積小。、體積小。v缺點：缺點：v1、高速力矩小高速力矩?。恳徊街挥幸粋€齒出力）響應慢；（每一步只有一個齒出力）響應慢；v2、允許最高轉(zhuǎn)速低允許最高轉(zhuǎn)速低（每一步都作啟、停運動）；（每一步都作啟、停運動）；v3、精度低（受步距角限制）、精度低（受步距角限制）v4、共振點多，噪聲大；、共振點多，噪聲大；v5、功率小功率小。v在高性能的控制中步進電機正被交流伺服控制取代。在高性能的控制中步進電機正被交流伺服控制取代。只有只有A相通電相通電A相電流大于相電

15、流大于B相相B相電流大于相電流大于A 相相AA B BCC C 4321AA B BCC C 43214321AA B BCC C 5.1.7 步距角的細分技術(shù)步距角的細分技術(shù) 步距角的細分技術(shù)是利用計算機的步距角的細分技術(shù)是利用計算機的D/A控制兩相控制兩相電流的比例來實現(xiàn)細分。例電流的比例來實現(xiàn)細分。例A相電流按相電流按1、7/8、6/8、5/8 、4/8、3/8、2/8、1/8、0遞減；遞減；B相電流則按相電流則按0、1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8、7/8、1遞增。就可以遞增。就可以把把1拍細分成拍細分成8拍。拍。T步步52 交流伺服電機交流伺服電機 伺服電動機的定義：伺

16、服電動機的定義： 能對輸出信號能對輸出信號迅速迅速作出作出相應相應反應的電機反應的電機稱為伺服電動機。稱為伺服電動機。伺服電動機有交流、直流兩種。伺服電動機有交流、直流兩種。伺服：伺服： 即跟隨。輸出信號跟隨輸入控即跟隨。輸出信號跟隨輸入控制信號作相應的變化。制信號作相應的變化。伺服電機的特點伺服電機的特點v伺服電機與一般的驅(qū)動電機相比主要有如下伺服電機與一般的驅(qū)動電機相比主要有如下的特點：的特點：v1、調(diào)速范圍大調(diào)速范圍大（由幾分鐘一轉(zhuǎn)到每分鐘上萬（由幾分鐘一轉(zhuǎn)到每分鐘上萬轉(zhuǎn)）轉(zhuǎn)）v2、轉(zhuǎn)子的慣性小轉(zhuǎn)子的慣性?。崔D(zhuǎn)動慣量?。唬崔D(zhuǎn)動慣量?。籿3、控制功率小、過載能力強控制功率小、過載能

17、力強；交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)：交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)：q實質(zhì)：實質(zhì)：兩相異步電動機（與單相異步機相似）。兩相異步電動機（與單相異步機相似）。 組成：組成：定子（勵磁繞組、控制繞組），轉(zhuǎn)子（細定子（勵磁繞組、控制繞組），轉(zhuǎn)子（細長形，或杯型，減小轉(zhuǎn)動慣量）長形，或杯型，減小轉(zhuǎn)動慣量） 。 杯形轉(zhuǎn)子：杯形轉(zhuǎn)子：可看成無數(shù)導條組成的鼠籠轉(zhuǎn)子可看成無數(shù)導條組成的鼠籠轉(zhuǎn)子 ?？v橫剖面圖縱橫剖面圖511 兩相交流伺服電機兩相交流伺服電機v 兩相交流伺服電機結(jié)構(gòu)兩相交流伺服電機結(jié)構(gòu)與普通異步電機差不多，與普通異步電機差不多，為為提高響應的快速性，轉(zhuǎn)子做提高響應的快速性，轉(zhuǎn)子做成細長形或空心杯形。成細長形或空心杯

18、形。定子定子繞組與單相電容式異步電動繞組與單相電容式異步電動機類似，把機類似，把兩個繞組在空間兩個繞組在空間上布置成互成上布置成互成900電角度電角度(空空間角度與電角度的關(guān)系：為間角度與電角度的關(guān)系：為空間角度空間角度=電角度電角度/極對數(shù)極對數(shù))，其中一個為勵磁繞組其中一個為勵磁繞組WF，另一個為控制繞組另一個為控制繞組WC（提（提供動力），供動力），分別接在兩個頻分別接在兩個頻率相同但頻率可變的電源上，率相同但頻率可變的電源上，形成旋轉(zhuǎn)磁場。形成旋轉(zhuǎn)磁場。v 其其工作原理以分相式單工作原理以分相式單相異步電動機的原理為基相異步電動機的原理為基礎礎，勵磁繞組接到電壓一，勵磁繞組接到電壓一定

19、的交流電網(wǎng)上，控制繞定的交流電網(wǎng)上，控制繞組接到控制電壓組接到控制電壓UC上，當上，當有控制信號輸入時，兩相有控制信號輸入時，兩相繞組便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。該繞組便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。該磁場與轉(zhuǎn)子中的感應電流磁場與轉(zhuǎn)子中的感應電流相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子跟著旋轉(zhuǎn)磁場以一定的子跟著旋轉(zhuǎn)磁場以一定的轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)動起來，轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)動起來，v其其同步轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)速 n060fpv 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場的方向相同，轉(zhuǎn)磁場的方向相同，把控制電壓的相位改把控制電壓的相位改變變180180。則可改變。則可改變伺服電動機的旋轉(zhuǎn)方伺服電動機的旋轉(zhuǎn)方向。向。例如給下圖的控例如給下圖的控制電壓，電機作

20、連續(xù)制電壓，電機作連續(xù)的正反轉(zhuǎn)。的正反轉(zhuǎn)。v 對伺服電動機的對伺服電動機的要求是：要求是：控制電壓一控制電壓一旦取消，電動機必須旦取消，電動機必須立即停轉(zhuǎn)。立即停轉(zhuǎn)。但根據(jù)單但根據(jù)單相異步電動機的原理，相異步電動機的原理，電動機轉(zhuǎn)子一旦轉(zhuǎn)動電動機轉(zhuǎn)子一旦轉(zhuǎn)動以后，再取消控制電以后，再取消控制電壓，僅勵磁電壓單相壓，僅勵磁電壓單相供電，電機仍將繼續(xù)供電，電機仍將繼續(xù)轉(zhuǎn)動，即存在轉(zhuǎn)動，即存在“自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，這意味著失去現(xiàn)象，這意味著失去控制作用，這是不允控制作用，這是不允許的。許的。 5 513 消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象的措施消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象的措施 從三相異步電動機從三相異步電動機的人為機械特性可知，的人為機械

21、特性可知，加大轉(zhuǎn)子電阻可改變電加大轉(zhuǎn)子電阻可改變電動機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性動機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性（見圖（見圖63），），轉(zhuǎn)子電轉(zhuǎn)子電阻增大到一定程度，可阻增大到一定程度，可使最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在使最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在s1附近。附近。v 為此目的，通常把為此目的，通常把伺服電動機的轉(zhuǎn)子電伺服電動機的轉(zhuǎn)子電阻阻R2設計得很大設計得很大，使，使電動機在失去控制電電動機在失去控制電壓時，亦即成單相運壓時，亦即成單相運行時，行時，正轉(zhuǎn)矩或負轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)矩或負轉(zhuǎn)矩的最大值均出現(xiàn)在矩的最大值均出現(xiàn)在S1的地方的地方，這樣可得，這樣可得出圖出圖64所示的機械特所示的機械特性曲線。性曲線。 v 圖圖64中曲線中曲線1為有控為有控制電壓時伺

22、服電機的機械制電壓時伺服電機的機械特性曲線，曲線特性曲線，曲線T和和T為去掉控制電壓后，脈動為去掉控制電壓后，脈動磁場分解為正、反兩個旋磁場分解為正、反兩個旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)磁場Bm1、Bm2對應產(chǎn)生對應產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩曲線。的轉(zhuǎn)矩曲線。曲線曲線T為去為去掉控制電壓掉控制電壓Uc 后單相供后單相供電時的合成轉(zhuǎn)矩曲線。電時的合成轉(zhuǎn)矩曲線。從從圖看出，它與單相供電的圖看出，它與單相供電的異步電機合成轉(zhuǎn)矩的機械異步電機合成轉(zhuǎn)矩的機械特性曲線不同，特性曲線不同，合成力矩合成力矩T在第二和和第四象限內(nèi)。在第二和和第四象限內(nèi)。v 當速度為正時，當速度為正時，電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩T為負，當為負，當速度為負時，電磁轉(zhuǎn)速度為負時

23、，電磁轉(zhuǎn)矩矩T為正，即為正，即去掉控去掉控制電壓后，單相供電制電壓后，單相供電時的電磁轉(zhuǎn)矩的方向時的電磁轉(zhuǎn)矩的方向總是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，總是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，是一制動轉(zhuǎn)矩。是一制動轉(zhuǎn)矩。因此，因此，可使轉(zhuǎn)子迅速停止?？墒罐D(zhuǎn)子迅速停止。v 若去掉控制電壓時，同時去掉勵磁，則電若去掉控制電壓時，同時去掉勵磁，則電機失去制動轉(zhuǎn)矩，因此，機失去制動轉(zhuǎn)矩，因此，兩相交流伺服電機兩相交流伺服電機工作時，勵磁繞組始終與電源連接。工作時，勵磁繞組始終與電源連接。加大轉(zhuǎn)加大轉(zhuǎn)子電阻還帶來穩(wěn)定調(diào)速段加寬，啟動轉(zhuǎn)矩提子電阻還帶來穩(wěn)定調(diào)速段加寬，啟動轉(zhuǎn)矩提高，的好處，有利于提高電機的啟動性能。高，的好處，有利于提高電機的

24、啟動性能。 沒有啟沒有啟動轉(zhuǎn)矩動轉(zhuǎn)矩有啟有啟動轉(zhuǎn)矩動轉(zhuǎn)矩調(diào)速范調(diào)速范圍小圍小n0ns調(diào)速范調(diào)速范圍大圍大0n0513兩相交流伺服電機的控制方法兩相交流伺服電機的控制方法 兩相交流伺服電機的控制方法主要采用調(diào)幅控兩相交流伺服電機的控制方法主要采用調(diào)幅控制，即改變控制電壓制，即改變控制電壓UC的控制方式。的控制方式。其特性見圖其特性見圖66。圖中。圖中n0 為什么隨控制電壓變化，而不是象圖為什么隨控制電壓變化，而不是象圖524那樣，保持那樣，保持n0不變，是因為轉(zhuǎn)子電阻很大，不變，是因為轉(zhuǎn)子電阻很大，Sm1，單勵磁繞組工作產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩的原因。，單勵磁繞組工作產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩的原因。 其它交流伺服電機其它交

25、流伺服電機 （多為三相電機）（多為三相電機）514 伺服電機在控制系統(tǒng)中的應用伺服電機在控制系統(tǒng)中的應用 v伺服控制分為：伺服控制分為：v位置伺服：位置伺服： 以保證位置精度為控制目標；以保證位置精度為控制目標；v速度伺服：速度伺服： 以保證速度精度為控制目標；以保證速度精度為控制目標； v加速度伺服：加速度伺服： 以保證加速度精度為控制目標；以保證加速度精度為控制目標；v力伺服：力伺服： 以保證力或力矩精度為控制目標；以保證力或力矩精度為控制目標；v 不管伺服控制的最終對象是什么，但對不管伺服控制的最終對象是什么，但對電機而言，不外乎是位置、速度、加速度、電機而言，不外乎是位置、速度、加速度

26、、力矩控制。力矩控制。通過閥門控制流量其實質(zhì)是控制通過閥門控制流量其實質(zhì)是控制電機轉(zhuǎn)角（位置伺服）；自動瞄準火炮控制電機轉(zhuǎn)角（位置伺服）；自動瞄準火炮控制是速度伺服；振動試驗臺是加速度伺服；造是速度伺服；振動試驗臺是加速度伺服；造紙生產(chǎn)中的紙厚控制，是力矩控制（恒張力紙生產(chǎn)中的紙厚控制，是力矩控制（恒張力控制）；用機械手夾剛性較軟的薄壁件、或控制）；用機械手夾剛性較軟的薄壁件、或硬度強度較差的物體，例如雞蛋、玻璃杯等硬度強度較差的物體，例如雞蛋、玻璃杯等需要控制力的大小，也是力矩控制。需要控制力的大小，也是力矩控制?？刂葡到y(tǒng)組成的一般框圖控制系統(tǒng)組成的一般框圖速度、位置雙閉環(huán)的控制系統(tǒng)速度、位

27、置雙閉環(huán)的控制系統(tǒng)v這是一個速度、位置雙閉環(huán)的控制系統(tǒng)。速度環(huán)是內(nèi)環(huán)，位置這是一個速度、位置雙閉環(huán)的控制系統(tǒng)。速度環(huán)是內(nèi)環(huán)，位置環(huán)是外環(huán)。環(huán)是外環(huán)。多環(huán)的控制系統(tǒng)，最終要保證的物理量放在最外環(huán)。多環(huán)的控制系統(tǒng)，最終要保證的物理量放在最外環(huán)。內(nèi)環(huán)是改善動態(tài)品質(zhì)，外話環(huán)是保證控制目標的精度。內(nèi)環(huán)是改善動態(tài)品質(zhì)，外話環(huán)是保證控制目標的精度。當把外當把外環(huán)傳感器換成力傳感器，則系統(tǒng)成為力伺服控制系統(tǒng)。在圖環(huán)傳感器換成力傳感器，則系統(tǒng)成為力伺服控制系統(tǒng)。在圖6 67 7中在位置傳感器的輸出端加一微分電路就成為速度反饋，系統(tǒng)中在位置傳感器的輸出端加一微分電路就成為速度反饋，系統(tǒng)則成為速度伺服；在此基礎上再

28、加一級微分電路，就成為加速則成為速度伺服；在此基礎上再加一級微分電路，就成為加速度反饋，系統(tǒng)則成為加速度伺服。當反饋元件選用了位置、速度反饋，系統(tǒng)則成為加速度伺服。當反饋元件選用了位置、速度、加速度傳感器中的任一種，經(jīng)過適當?shù)碾娐诽幚恚伎傻枚?、加速度傳感器中的任一種，經(jīng)過適當?shù)碾娐诽幚?，都可得到另外兩個物理量。到另外兩個物理量。 力傳感器力傳感器二階微分二階微分更詳細的方框圖更詳細的方框圖v 采用復雜的控制采用復雜的控制系統(tǒng)系統(tǒng) 其目的是為了其目的是為了改善系統(tǒng)的動態(tài)品改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。質(zhì)。所謂改善動態(tài)所謂改善動態(tài)品質(zhì)是指：提高響品質(zhì)是指：提高響應速度；減少震蕩應速度；減少震蕩次數(shù)；減小超

29、調(diào)量；次數(shù)；減小超調(diào)量；縮短調(diào)整時間。例縮短調(diào)整時間。例如定位控制，如定位控制，1的的控制就比控制就比2好。好。12原理：原理： 與普通直流電機完全相同。與普通直流電機完全相同。所不同的是電樞電阻大，機械特所不同的是電樞電阻大，機械特性軟、線性（電阻大，可弱磁起性軟、線性（電阻大，可弱磁起動、可直接起動）。動、可直接起動）。控制方式：控制方式： 1.電樞控制（常用）；電樞控制（常用）； 2.勵磁控制（少用）。勵磁控制（少用）。直流伺服電動機直流伺服電動機的兩種控制方式的兩種控制方式52直流伺服電動機（自學）直流伺服電動機（自學） 電樞控制電樞控制勵磁控制勵磁控制 與交流伺服電動機（電壓控制）的

30、特性與交流伺服電動機（電壓控制）的特性相比，相比，直流伺服電動機的直流伺服電動機的nT特性是一直線，特性是一直線，特性硬。特性硬。缺點是有電刷。見圖缺點是有電刷。見圖68、圖、圖6953力矩電機力矩電機 v伺服電動機都要求轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，這是基于兩點：伺服電動機都要求轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，這是基于兩點：1 1、相同功率的電動機轉(zhuǎn)速越高電機體積越小、重量越相同功率的電動機轉(zhuǎn)速越高電機體積越小、重量越輕、價格越低輕、價格越低；采用高速電機與大減速比的減速器配采用高速電機與大減速比的減速器配合，以滿足執(zhí)行機構(gòu)所需的轉(zhuǎn)速和力矩，比直接采用合，以滿足執(zhí)行機構(gòu)所需的轉(zhuǎn)速和力矩，比直接采用低速電機，無論體積、重量

31、、價格都有優(yōu)勢。（因為低速電機，無論體積、重量、價格都有優(yōu)勢。（因為減速器材料可通過熱處理、和選用合金材料提高性能，減速器材料可通過熱處理、和選用合金材料提高性能，減小體積減輕重量，而電機必須用矽鋼片；此外，普減小體積減輕重量，而電機必須用矽鋼片；此外，普通鋼材比電機材料如：矽鋼片、銅、鋁便宜）；通鋼材比電機材料如：矽鋼片、銅、鋁便宜）；v2、由于、由于采用大減速器比，負載及執(zhí)行機構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣采用大減速器比，負載及執(zhí)行機構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量量JL折算到電機軸上很小折算到電機軸上很小、（電機所需克服靜負載的（電機所需克服靜負載的力矩也?。?。而電機的轉(zhuǎn)動慣量成為系統(tǒng)的主要慣量。力矩也?。?。而電機的轉(zhuǎn)動慣量成

32、為系統(tǒng)的主要慣量。 v例如：某負載的轉(zhuǎn)動慣量是電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣例如：某負載的轉(zhuǎn)動慣量是電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的量的10倍，若取減速比為倍，若取減速比為5，折算到電機軸上，折算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量僅為電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的的等效轉(zhuǎn)動慣量僅為電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的2/5）。在第二章曾經(jīng)提過，）。在第二章曾經(jīng)提過，要使系統(tǒng)響應最要使系統(tǒng)響應最快，動態(tài)電流最小，必須使負載的轉(zhuǎn)動慣量快，動態(tài)電流最小，必須使負載的轉(zhuǎn)動慣量折算到電機軸上的等效慣量折算到電機軸上的等效慣量J/L等于電機轉(zhuǎn)子等于電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量的轉(zhuǎn)動慣量JD。因此，必須減小電機轉(zhuǎn)子的。因此，必須減小電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。轉(zhuǎn)動慣量。 帶減速機構(gòu)傳動存在的問

33、題帶減速機構(gòu)傳動存在的問題v 伺服系統(tǒng)對間隙非伺服系統(tǒng)對間隙非常敏感，會造成控制常敏感，會造成控制死區(qū)，引起振蕩。死區(qū)，引起振蕩。采采用減速器減速傳動難用減速器減速傳動難免存在間隙免存在間隙,因此容易因此容易產(chǎn)生振蕩。產(chǎn)生振蕩。間隙引起間隙引起振蕩的原因是執(zhí)行機振蕩的原因是執(zhí)行機構(gòu)對控制信號響應滯構(gòu)對控制信號響應滯后后引起的。引起的。v 例如例如A、B分別是一對齒分別是一對齒輪的主動輪和從動輪，在從輪的主動輪和從動輪，在從動輪上裝有速度傳感器，動輪上裝有速度傳感器，A、B之間有間隙之間有間隙X，當控制系，當控制系統(tǒng)通過速度傳感器測得轉(zhuǎn)速統(tǒng)通過速度傳感器測得轉(zhuǎn)速過快時，控制主動輪過快時，控制主動

34、輪A減速，減速，而從動輪而從動輪B由于存在間隙并由于存在間隙并未跟著減速，這時，從速度未跟著減速，這時，從速度傳感器檢測到的速度不變，傳感器檢測到的速度不變，當主動輪減到速度合適時控當主動輪減到速度合適時控制系統(tǒng)仍誤認為減速不夠制系統(tǒng)仍誤認為減速不夠,命令主動輪命令主動輪A進一步減速，進一步減速，經(jīng)過經(jīng)過t=X/ (v2-v1) 的時間，的時間，間隙已經(jīng)消除，間隙已經(jīng)消除，v 從動輪從動輪B開始隨著開始隨著A減速，減速，這時速度傳感器檢測到實際這時速度傳感器檢測到實際速度已比所需的速度低，控速度已比所需的速度低，控制系統(tǒng)控制主動輪制系統(tǒng)控制主動輪A加速，加速，而從動輪而從動輪B同樣由于存在間同

35、樣由于存在間隙并未跟隨，這時，從速度隙并未跟隨，這時，從速度傳感器檢測到的速度不變，傳感器檢測到的速度不變，控制系統(tǒng)誤認為加速不夠控制系統(tǒng)誤認為加速不夠,命令主動輪命令主動輪A進一步加速，進一步加速，經(jīng)過經(jīng)過t=X/(v1-v2)的時間，間的時間，間隙消除，從動輪隙消除，從動輪B開始隨著開始隨著A加速，這時，實際速度又加速，這時，實際速度又已超過合適的速度，如此反已超過合適的速度，如此反復，形成振蕩。復，形成振蕩。 v反向時則引起滯后反向時則引起滯后。當主動輪當主動輪A反向時，由反向時，由于存在間隙從動輪于存在間隙從動輪B并并未跟隨反向，經(jīng)過未跟隨反向，經(jīng)過t=X/（v1+v2）的時間，的時間

36、，間隙消除，從動輪間隙消除，從動輪B才才開始隨著主動輪開始隨著主動輪A反向。反向。此外，此外，間隙還引起沖間隙還引起沖擊和噪聲擊和噪聲。解決間隙引起的振蕩的方法解決間隙引起的振蕩的方法1 1、在控制系統(tǒng)中加入延時時間、在控制系統(tǒng)中加入延時時間t=X/v，當控，當控制系統(tǒng)發(fā)出控制指令后，延時制系統(tǒng)發(fā)出控制指令后，延時t=X/ v再進行再進行速度比較（速度比較（ X是是間隙，間隙， v是速度差）；是速度差）；2 2、把速度傳感器裝在主動輪、把速度傳感器裝在主動輪A上，但影響控制上，但影響控制精度，有大小為精度，有大小為X的誤差；的誤差；3 3、采用直接傳動，消除間隙。、采用直接傳動，消除間隙。 采

37、用直接傳動要解決兩個問題：采用直接傳動要解決兩個問題： 1 1、大力矩大力矩 由于沒有減速器的增力作用，一由于沒有減速器的增力作用，一般的控制電機力矩不夠；般的控制電機力矩不夠；2 2、低轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)速 由于沒有減速器，一般的電機達由于沒有減速器，一般的電機達不到所需的低轉(zhuǎn)速。不到所需的低轉(zhuǎn)速。 力矩電機是基于這一要求而設計的。力矩電機是基于這一要求而設計的。 力矩電機的特點：力矩電機的特點： 1 1、力矩大；、力矩大；2、轉(zhuǎn)速低；、轉(zhuǎn)速低；3、結(jié)構(gòu)上直徑、結(jié)構(gòu)上直徑D D大大, ,長度長度L L短（轉(zhuǎn)動慣量大）。短（轉(zhuǎn)動慣量大）。v 力矩電機做成大直力矩電機做成大直徑，一方面是采用直徑，一方面是

38、采用直接傳動，電機的轉(zhuǎn)動接傳動，電機的轉(zhuǎn)動慣量比負載的轉(zhuǎn)動慣慣量比負載的轉(zhuǎn)動慣量小得多。仍以上面量小得多。仍以上面的例子的例子分析分析，電機轉(zhuǎn)，電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量僅為負子的轉(zhuǎn)動慣量僅為負載的載的1/101/10；另一方面從電機力矩與直徑關(guān)系：另一方面從電機力矩與直徑關(guān)系：T=BIaNLD/2 當當BIa NL/2 不變時，不變時，TD，而由運動電動勢公式：而由運動電動勢公式：ea =BLv ea 感應電動勢；感應電動勢； v轉(zhuǎn)子導體線速度；轉(zhuǎn)子導體線速度；v=D n/60 n0 = v60/D= U60/BLD ea =U （空載時）（空載時） n01/D 加大直徑加大直徑D有利于增加電機力矩

39、和降有利于增加電機力矩和降低空載轉(zhuǎn)速。且對系統(tǒng)響應的快速性影低空載轉(zhuǎn)速。且對系統(tǒng)響應的快速性影響不大。響不大。這是為什么力矩電機做成大直這是為什么力矩電機做成大直徑的原因。徑的原因。v自整角機，正被絕對位置光電編碼器取代。自整角機，正被絕對位置光電編碼器取代。把兩把兩臺電機上的光電編碼器輸出編碼臺電機上的光電編碼器輸出編碼D DA A、D DB B（二進制（二進制或其他進制編碼）進行數(shù)值比較，即可求出兩者或其他進制編碼）進行數(shù)值比較，即可求出兩者的角度差，再加以放大，用于驅(qū)動從動電機。的角度差，再加以放大，用于驅(qū)動從動電機。 U=KU=K（D DA AD DB B ） ，相當于，相當于U= K

40、U= K（E EA AE EB B ）5 55 5 直線電動機直線電動機 （自學）（自學） v直線電動機的原直線電動機的原理，相當于把旋轉(zhuǎn)理，相當于把旋轉(zhuǎn)電機沿著半徑方向電機沿著半徑方向剖開，把定、轉(zhuǎn)子剖開，把定、轉(zhuǎn)子展成平面而成。展成平面而成。直直線電機可以直接帶線電機可以直接帶動機械作直線運動機械作直線運動動 。 異步直線電機工作原理異步直線電機工作原理滾珠絲桿驅(qū)動與直線電機驅(qū)動的比較滾珠絲桿驅(qū)動與直線電機驅(qū)動的比較滑板的結(jié)構(gòu)SchlittenAntriebssuleLinearmotorStabgelenk介紹幾種新電機介紹幾種新電機球電動機工作原理球電動機工作原理這是一種概念這是一種概

41、念電機，還沒有電機，還沒有正式產(chǎn)品。正式產(chǎn)品。電滾珠絲桿電滾珠絲桿（轉(zhuǎn)子做成絲桿）（轉(zhuǎn)子做成絲桿）采用先進電機驅(qū)動的并行機床采用先進電機驅(qū)動的并行機床5.6目前常用的軸角速度的檢測方法目前常用的軸角速度的檢測方法v光電編碼器是軸角速光電編碼器是軸角速度檢測最常用的方法。度檢測最常用的方法。分增量式和絕對式兩分增量式和絕對式兩種。種。增量式增量式只能確定只能確定相對位置且有累積誤相對位置且有累積誤差差，絕對式絕對式可確定絕可確定絕對位置，且沒有累積對位置，且沒有累積誤差。誤差。前者簡單后者前者簡單后者復雜。復雜。光電編碼器光電編碼器 絕對式編碼器絕對式編碼器（a）二進制碼盤）二進制碼盤 （b）葛

42、雷碼盤）葛雷碼盤v光電編碼器測速方法：光電編碼器測速方法：v1、測單位時間的脈沖個測單位時間的脈沖個數(shù)數(shù)（稱為（稱為M法），轉(zhuǎn)速越法），轉(zhuǎn)速越高精度越高，適合測高速；高精度越高，適合測高速；v2、測量兩脈沖之間的時測量兩脈沖之間的時間間（稱為（稱為T法），轉(zhuǎn)速越法），轉(zhuǎn)速越低精度越高，適合低速。低精度越高，適合低速。v3、既測單位時間的脈沖既測單位時間的脈沖個數(shù)又測兩脈沖之間的時個數(shù)又測兩脈沖之間的時間間（稱為（稱為M-T法）適合大法）適合大調(diào)速范圍的轉(zhuǎn)速測量。調(diào)速范圍的轉(zhuǎn)速測量。vf c時鐘脈沖；時鐘脈沖；vT g規(guī)定的測量時規(guī)定的測量時間；間；vT tach編碼器脈沖編碼器脈沖周期；周期；

43、vT檢測時間；檢測時間；vnM被測轉(zhuǎn)速；被測轉(zhuǎn)速；vm1規(guī)定的測量時規(guī)定的測量時間內(nèi)計數(shù)器對編碼器間內(nèi)計數(shù)器對編碼器的脈沖計數(shù)值；的脈沖計數(shù)值；vm2計數(shù)器對時鐘計數(shù)器對時鐘脈沖頻率脈沖頻率f c的脈沖計的脈沖計數(shù)值；數(shù)值；vP編碼器每轉(zhuǎn)脈沖編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)；數(shù)；三種測速方法的比較：三種測速方法的比較：v在轉(zhuǎn)動盤上開在轉(zhuǎn)動盤上開出一等進螺線柵出一等進螺線柵縫，光源通過螺縫，光源通過螺線狀柵縫和固定線狀柵縫和固定柵縫后變成一光柵縫后變成一光點，隨著軸的轉(zhuǎn)點，隨著軸的轉(zhuǎn)動，光點在感光動，光點在感光面上上下移動。面上上下移動。在感光面上安裝在感光面上安裝位置檢測元件，位置檢測元件，即可測出軸的轉(zhuǎn)即可測出軸的轉(zhuǎn)角及角速度。角及角速度。光電式角度傳感器光電式角度傳感器旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 作用：作用：將輸入的角度信號轉(zhuǎn)換成高精度的電壓信號輸出。將輸入的角度信號轉(zhuǎn)換成高精度的電壓信號輸出。 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：定、轉(zhuǎn)子均有兩個在空間上互相垂直的繞組。定、轉(zhuǎn)子均有兩個在空間上互相垂直的繞組。原理：原理：當給定子繞組輸入一交流參考電壓（勵磁電壓當給定子繞組輸入一交流參考電壓（勵磁電壓)，則，則轉(zhuǎn)子繞組也會感應出一個交變電壓，且當轉(zhuǎn)子繞組與定子繞轉(zhuǎn)子繞組也會感應出一個交變電壓，且當