第七章 控制电机

1、第七章第七章 控制电机控制电机电机及拖动基础电机及拖动基础控制电机控制电机 本章在已学过的常规旋转电机基本理论的基础上，简要地介绍几种有特殊性能的常用控制电机交直流伺服电动机、交直流测速发电机及步进电动机等的基本结构、工作原理、特性等。第七章第七章 控制电机控制电机电机及拖动基础电机及拖动基础控制电机控制电机第一节第一节 控制电机概述控制电机概述控制电机控制电机系统中 广泛应用于国防、航天航空技术、先进工业技术、民用领域之尖端技术与现代化装备中。运行高可靠性性能要求性能要求特性参数高精度对控制信号的快速响应 传递信息变换控制信号执行控制信号自动控制应用应用雷达的扫描雷达的扫描跟踪、飞机跟踪、飞

2、机自动驾驶、自动驾驶、数控机床控数控机床控制、遥测遥制、遥测遥控、工业机控、工业机器人控制、器人控制、宇宙飞船等宇宙飞船等都少不了控都少不了控制电机制电机。电机及拖动基础电机及拖动基础控制电机控制电机第一节第一节 控制电机概述控制电机概述控制电机按功能分类执行用控制电机 交、直流伺服电动机 步进电动机 测速用控制电机 交、直流测速发电机 测位用控制电机 自整角机 旋转变压器 （电信号控制动作）(速度信号转换为电信号) 电机及拖动基础电机及拖动基础控制电机控制电机第二节第二节 伺服电动机伺服电动机 在自动控制系统中用作执行元件，又称在自动控制系统中用作执行元件，又称执行电动机。即将接收到的控制电

3、压信号转执行电动机。即将接收到的控制电压信号转换为转轴的角位移或角速度输出。换为转轴的角位移或角速度输出。在自动控制系统中，对伺服电动机的性能要求：在自动控制系统中，对伺服电动机的性能要求：无无“自转自转”现象。现象。空载始动电压低空载始动电压低, ,灵敏度高灵敏度高机械特性和调节特性为线性机械特性和调节特性为线性, ,调速范围宽。调速范围宽。 快速响应。快速响应。电机及拖动基础电机及拖动基础控制电机控制电机一、直流伺服电动机一、直流伺服电动机结构控制方式电磁式（他励）和永磁式直流伺服电动机与对应的普通直流电动机在结构上并无本质上的差别电枢控制磁场控制电枢回路电感电枢回路电感小，响应快，小，响

4、应快，在自动控制系在自动控制系统中多采用电统中多采用电枢控制。枢控制。 UcUaUc：控制电压：控制电压Control电机及拖动基础电机及拖动基础控制电机控制电机一、直流伺服电动机一、直流伺服电动机工作原理 直流伺服电动机与普通直流电动机的工作原理是完全相同的。对于电磁式且为枢控方式，当励磁绕组施加恒压时，建立气隙磁通，电枢绕组作为控制绕组接收接收到控制电压到控制电压Uc后，后，电枢绕组内的电流与磁场作用，产生电磁转矩T，电动机转动电动机转动。当控制电压Uc=0时，时，I Ic=0，电磁转矩T=0，电动机立即停转电动机立即停转。保证了电动机无“自转”现象，所以直流伺服电动机是自动控制系统中一种

5、很好的执行元件。电枢控制电机及拖动基础电机及拖动基础控制电机控制电机一、直流伺服电动机一、直流伺服电动机特性 与他励直流电动机改变电枢电压时的人为机特相似。不同Uc时的机特族是线性的控制电压UC越大，则n=0时对应的起动转矩T也越大，越利于起动。 T一定Uc越大n越高nUCRC CTCeaeT2T一定时的n=f(Uc)机械特性调节特性不同T时的调特族是线性的控制电压UC0,与转速的方向相同，电动与转速的方向相同，电动机仍然能够转动。机仍然能够转动。变成单相后，电磁转矩变成单相后，电磁转矩0,与转速的方向相反，制动与转速的方向相反，制动作用，电动机立即停传。作用，电动机立即停传。转子电阻较大（临

6、界转差转子电阻较大（临界转差 率率s sm m11）时的机械特性）时的机械特性 转子电阻较小（临界转差转子电阻较小（临界转差 率率s sm m11）时的机械特性）时的机械特性 工工作作原原理理电机及拖动基础电机及拖动基础控制电机控制电机1.交流伺服电动机的控制方法交流伺服电动机的控制方法 交流伺服电动机不仅须具有受控于控制信号而起动和起动和停转停转的伺服性，而且还须具有转速的大小及其转向转速的大小及其转向的可控性。 而交流伺服电动机的转速转速大小调节，是靠两相绕组靠两相绕组合成椭圆旋转磁场的椭圆度大小来自动调节的合成椭圆旋转磁场的椭圆度大小来自动调节的。椭圆度大，正转旋转磁场相应地会削弱，对应

7、的正向转矩减小；反转旋转磁场则加强，对应的反向转矩增大，合成转矩减小，转速降低；反之转速增大。 转向的改变转向的改变靠控制电源反相，使合成磁场反转，转子跟着反转。电机及拖动基础电机及拖动基础控制电机控制电机（1）幅值控制 改变控制电压的幅值来控制电机的转速。Uc,n ,当Uc=0，则n=0，电动机停转。cUfU与相位差始终是90因交流伺服电动机转子电阻大，临界转差率sm大，机械特性很接近线性关系，但电阻过大，机械特性变软 ，起动转矩会降低。 调节特性近似线性，调节特性更清楚地表示出伺服电动机转速随控制信号变化的关系。电机及拖动基础电机及拖动基础控制电机控制电机（2）相位控制 通过改变控制电压的

8、相位来控制交流伺服电动机的转速。 =90 ，转速最高, ,n ,当=0，则n=0，电动机停转。cU控制电压的幅值保持不变交流伺服电动机相位控制接线示意图cUfU与间的相位差为电机及拖动基础电机及拖动基础控制电机控制电机（3）幅相控制 交流伺服电动机幅相控制接线示意图移相移相电容电容由于移相电容的作用，当改变cU的幅值时，不仅相对fU改变，它们之间的相位也发生改变。因此这是一种幅值和相位复合控制方式。当的幅值cU=0时，电动机停转。幅相控制的机械特性和调节特性不如幅值控制和相位控制时的线性度好。但由于幅相控制方式的设备简单，不用移相器，并有较大的输出功率，实际应用最广泛。电机及拖动基础电机及拖动

9、基础控制电机控制电机第三节第三节 测速发电机测速发电机作用：作用：测速发电机是一种测速元件，它将输入的机械转速转换为电压信号输出。在自动控制及计算装置中，测速发电机可以作为检测元件、阻尼元件、计算元件和角加速信号元件。自控系统对测发的主要要求：自控系统对测发的主要要求：输出电压对转速的变化灵敏，即测速发电机的输出特性斜率要大。输出电压与转速保持严格的线性关系转动惯量小，响应快按照测速发电机输出信号分类：按照测速发电机输出信号分类：可分为直流、交流两大类电机及拖动基础电机及拖动基础控制电机控制电机一、一、 直流测速发电机直流测速发电机1.直流测速发电机的结构和工作原理直流测速发电机的结构和工作原

10、理结构结构 与普通小型直流发电机相同 按励磁方按励磁方式分类：式分类：永磁式永磁式 他励电磁式他励电磁式因测速发电机因测速发电机的功率较小，的功率较小，而永磁式不需而永磁式不需另加励磁电源另加励磁电源,也没有因励磁也没有因励磁绕组温度变化绕组温度变化而影响输出电而影响输出电压的问题，所压的问题，所以应用广泛。以应用广泛。 电机及拖动基础电机及拖动基础控制电机控制电机1.直流测速发电机的结构和工作原理直流测速发电机的结构和工作原理工作原理工作原理空载时Un直流测速发电机的输出特性直流测速发电机的工作原理图负载时，经推导可得nCEUe000nRRCULae10测发的负载电阻RL 斜率电机及拖动基础

11、电机及拖动基础控制电机控制电机2.产生的误差和改进方法产生的误差和改进方法一、一、 直流测速发电机直流测速发电机改进改进:负载电阻RL不得小于规定值，转速不得高于规定值 电枢磁阻的去磁作用 ,高速时,输出特性变成非线性电刷接触电阻的非线性,出现失灵区 温度的影响,励磁绕组长期通电而发热，电阻,励磁电流,磁通,显线性误差改进改进:选用接触压降较小的金属一石墨刷 改进改进:励磁绕组串联一个负温度系数电阻 直流测速发电机的输出特性电机及拖动基础电机及拖动基础控制电机控制电机二、交流测速发电机 交流异步测速发电机的结构与交流伺服电动机相似，为了提高系统的快速性和灵敏度，减少转动惯量，目前广泛应用的交流

12、异步测速发电机的转子都是空心杯形空心杯形结构。在机座号小的测速发电机中，定子槽内嵌放着空间相差90 角度的两相绕组，其中一相绕组作为励磁绕组励磁绕组；另一相作为输出绕组输出绕组。在机座号较大的测速发电机中，常把励磁绕组嵌放在外定子上，而把输出绕组嵌放在内定子上，以便调节内、外定子间的相对位置，使剩余电压最小。内、外定子的空气隙中，为空心杯形转子。 交流测速发电机有异步式和同步式两种，下面介绍在自动控制系统中应用较广的交流异步测速发电机。结构结构 电机及拖动基础电机及拖动基础控制电机控制电机工作原理工作原理二、交流测速发电机率为f1，其轴线就是d 轴。d 轴的脉振磁通只能在空心杯转子中感应出变压

13、器电动势，产生转子电流，根据椤次定律，此电流所产生的磁通rd和N1产生的磁通方向相反，所以合成磁通仅为沿d 轴的磁通，而N2的轴线是q轴，它与d 轴磁通没有耦合关系，故不产生感应电动势，输出电压为零。即有n n=0=0，U U2 2=0=0。励磁绕组输出绕组 q 轴合成磁通合成磁通转子电流转子电流 产生的磁通产生的磁通转子感应变压器电动势、电流方向当n=0，即转子不转时,测速发电机的气隙磁场为脉振磁场，脉振频电机及拖动基础电机及拖动基础控制电机控制电机工作原理工作原理二、交流测速发电机当n0，转子切割直轴磁通d，产生一个旋转电动势Erq，其有效值为： nCEdqrq 转子绕组中将产生转子绕组中

14、将产生 交流电流交流电流I Irqrq I Irqrq产生产生)(rqqkEqNKNf.E2212444nCE12 即即略电抗，两者同相结论：结论：异步测速发电机输出绕组N2中所产生的感应电动势E2的大小与转速n成正比。 电机及拖动基础电机及拖动基础控制电机控制电机工作原理工作原理二、交流测速发电机 结论：结论：前面已知E E2 2的大小正比于的大小正比于n n，那么对E2的频率，因d与励磁电源同频率，而 Erq与d同频率，Irq 与Erq同频率，q 与Irq 同频率，E2与q 同频率，故输出电动势E2的频率与励磁电源的频率相同，而与转速的大小无关，使负载阻抗不随转速的变化而变化。异步测速发电

15、机的这一优点使它广泛用于控制系统。 根据输出绕组的电动势平衡方程式，在理想状况下，异步测速发电机的输出电压U2也应与转速成正比，这样，交流异步测速发电机就能将转速信号转变成电压信号，实现测速的目的。 若转子反转, 输出电压将反相。电机及拖动基础电机及拖动基础控制电机控制电机第四节 步进电动机作用：作用：一种用电脉冲信号进行控制、将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。每输入一个脉冲信号转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。因此，步进电动机又称脉冲电动机。应用：应用：步进电动机作为数字量执行元件，除用于各种数控机床外，在平面绘图机、

16、自动记录仪表、航空航天系统和数/模转换装置等，也得到广泛应用。 分类分类：按励磁方式励磁方式分为磁阻式、永磁式和混磁式三种；按相数相数分为单相、两相、三相和多相等形式。 电机及拖动基础电机及拖动基础控制电机控制电机一、三相磁阻式步进电动机的结构和工作原理一、三相磁阻式步进电动机的结构和工作原理结构结构 三相磁阻式步进电动机模型的结构示意图 三相磁阻式步进电动机模型的结构：定、转子铁心都由硅钢片叠成。定子上有六个磁极，每两个相对的磁极绕有同一相绕组，三相绕组接成星形作为控制绕组；转子铁心上没有绕组，只有四个齿，齿宽等于定子极靴宽。定子铁心定子磁极、控制绕组转子铁心、转子齿电机及拖动基础电机及拖动

17、基础控制电机控制电机工作原理工作原理一、三相磁阻式步进电动机的结构和工作原理一、三相磁阻式步进电动机的结构和工作原理磁力线力图通过磁阻最小路径闭合，在控制信号切换时，磁力线扭斜，其切向分力形成磁阻转矩驱动某使转子齿与定子某相极轴线对齐，而转过一个步距角。U相通电相通电U断，断，V通通V断，断，W通通转子齿转子齿4、2对对齐定子齐定子UU极极转子齿转子齿4、2对对齐定子齐定子VV极极转子齿转子齿1、3对对齐定子齐定子WW极极W断，断，U通通转子齿转子齿1、3对对齐定子齐定子UU极极三相单三拍电机及拖动基础电机及拖动基础控制电机控制电机工作原理工作原理一、三相磁阻式步进电动机的结构和工作原理一、三

18、相磁阻式步进电动机的结构和工作原理控制绕组从一种通电状态变换到另一种通电状态叫做“一拍”，每一拍转子转过一个角度，这个角度叫步距角“三相 单 三拍 ”运行 三相绕组每次一相通电每个通电循环有三拍“U-V-W-U”上述三相依次单相通电方式，称为S反转方法：反转方法：改变通电顺序：U-W-V-UNZrs360三相双三拍三相双三拍通电方式？通电方式？UV-VW-WU-UV本例：步距角303034360拍数转子齿数电机及拖动基础电机及拖动基础控制电机控制电机一、三相磁阻式步进电动机的结构和工作原理一、三相磁阻式步进电动机的结构和工作原理工作原理工作原理三相磁阻式步进电动机模型三相六拍运行方式 三相单双

19、六拍：U-UV-V-VW-W-WU-U本例步距角为15电机及拖动基础电机及拖动基础控制电机控制电机二、小步距角三相磁阻式步进电动机二、小步距角三相磁阻式步进电动机1.结构和步进原理结构和步进原理结构结构每一极距对应每一极距对应的转子齿数不的转子齿数不是整数。定、是整数。定、转子齿相对位转子齿相对位置应依次错开置应依次错开1/m（m为相为相数）齿距数）齿距t，这，这样才能在连续样才能在连续改变通电的状改变通电的状态下获得不断态下获得不断的步进运动。的步进运动。为满足生产中小为满足生产中小位移量的要求，位移量的要求，须减小步距角，须减小步距角，实际中定子磁极实际中定子磁极和转子都加工成和转子都加工成多齿结构多齿结构,如图如图Zr=40。注意：注意：三相磁阻式步进电动机断面接线图 电机及拖动基础电机及拖动基础控制电机控制电机步进原理步进原理二、小步距角三相磁阻式步进电动机二、小步距角三相磁阻式步进电动机3340360360NZrs三相单三拍运行三相单三拍运行 U相通