第1章 控制电机绪论

主讲教师魏佩瑜教授控制电机2/3/20231第一章绪论2/3/202321.1控制电机在自动控制系统中的作用和分类虽然从基本原理来说，控制电机与普通旋转电机没有本质上的差别，但后者着重于对电机的力能指标方面的要求，而前者则着重于对特性、高精度和快速响应方面的要求，满足系统对它提出的要求。在各类自动控制系统、遥控和解算装置中，需要用到大量的各种各样的元件。控制电机就是其中的重要元件之一。它属于机电元件，在系统中具有执行、检测和解算的功能。2/3/20233导弹的制导雷达的扫瞄跟踪舰船的方位控制和火炮的自动瞄准系统等。飞机的自动驾驶在军事方面1.1.1.控制电机的地位与作用控制电机已经成为现代工业自动化系统、现代科学技术和现代军事装备中不可缺少的重要元件。2/3/20234

在工业方面在其它方面

工业机器人的关节运动数控机床的自动控制以及遥测遥控、自动化仪表等。计算机的磁盘驱动打印机、复印机的走纸机构以及音像、医疗设备等。2/3/20235雷达天线自动控制系统中的基本接法示意图放大与控制天线方位轴U2=Umsin(-)UfUjUkZKFZKBSM~2C2/3/20236控制电机的体积和功率一般都很小：机座外径不大于130mm质量小于数千克功率低于数百瓦不过在轧钢、数控机床等自动控制系统中的执行电机，机座外径达300～400mm，质量达数十千克至数百千克，功率为数十千瓦至数百千瓦。2/3/202371.1.2.控制电机的用途与分类按用途分为两大类：

功率元件（执行元件）和信号元件（测量元件）。1.功率元件：用于转换转矩或功率。如：交、直流伺服电动机步进电动机这类控制电机能快捷而正确地执行频繁变化的位置和速度指令，带动负载完成规定的动作。力矩式自整角机火星探测器上的直流SM步进电动机力矩控制式自整角机2/3/202382.信号元件：用作转换电信号。①用于测位能将机械角度或直线位移进行直接指示、远距离传输或变换。控制式自整角机、旋转变压器还可以作为解算元件，完成坐标变换，三角运算等。自整角机与旋转变压器指变换成电压幅值信号或相位信号或数字量。如:控制式自整角机、旋转变压器、感应移相器、感应同步器、编码器。2/3/20239②用于测速1.1.3控制系统对控制电机的要求常规电机侧重于运行和起动时的力能指标和运行时的经济指标。而控制电机则主要偏重于静态和动态特性参数的

高可靠性、高精度和快速响应。其次才要求：体积小、重量轻、耗电少等。能将机械转速变换成电压幅值信号或脉冲数字信号。如：模拟型和数字型测速发电机。测速发电机也能作为解算元件，完成微积分运算。综上所述，控制电机在自动控制系统中可以作为

执行元件、检测元件

和解算元件。2/3/2023101.高可靠性可靠性常用可靠度、失效率、使用寿命或平均无故障时间等定量指标来反映。在由n

个元器件构成的串联系统中，若每个元器件的可靠度为Ri，则系统的可靠度Rs为:元器件的可靠度Ri是小于1的数。Ri

越小或元器件的数n

越多，系统可靠度Rs

越低。例如：一个由(n=)200个元器件组成的串联系统，若要保证可靠度Rs为0.95，则必须使每个元器件的可靠度Ri达到0.9997。2/3/202311由于科学技术的进步和工业生产的发展，现代自动控制系统的规模不断扩大。所以构成系统的元器件数量也不断增加。控制电机在系统相当于一个元件，有些系统所采用的控制电机多达几十台甚至几百台。对于传统的控制电机而言，电刷、换向器、滑环、轴承等最容易出故障。可见，控制电机的高可靠性是保证系统高可靠性的基础。2/3/2023122.高精度控制电机的精度对伺服系统的精度有直接影响。在雷达天线的定位跟踪、惯性导航控制系统中，用于测位的控制电机，其电气误差必须达到角秒级或更小。在加工精度为0.01m的数控机床伺服系统中，需要选用分辨率为106脉冲／r，最高转速为104r／min的精密数字检测元件来检测角位。要开发更高精度的伺服系统，必须有相应精度等级的控制电机为前提。2/3/2023133.快速响应由于伺服系统的指令信号变化极快，所以要求控制电机，特别是执行用的控制电机，必须具备快速响应的能力。如：工业机器人的关节驱动、高炮摄像系统中的物镜变焦驱动装置，对快速响应有很高的要求。表征快速响应的主要指标有机电时间常数、最大理论加速度和功率变化率等。新型无槽电枢伺服电动机的机电时间常数最小可做到0.5ms，理论加速度可做到1.6106rad／s2；功率变化率可做到7400kW／s。2/3/2023144.21世纪的控制电机技术·向轻、薄、短、小、高效率、低振动、低噪声、低价格的方向发展；·

采用新材料；·驱动电路与控制电路向集成化、专用化和机电一体化方向发展；·

无刷化、无铁心化、永磁化；·新原理电机的开发与应用。当然，一个高可靠性、高精度、反映迅速的控制系统，不仅要靠高质量的控制电机，组成整个系统的其它元器件也必须是优秀的。另外，控制理论也很重要。2/3/2023151.1.4如何学习“控制电机”这门课程因此在“控制电机”这门课程中，将给大家介绍直流电机、变压器和交流异步电动机这三种最典型基本的电机，比较深入地研究和分析其中的电磁关系和它们的基本原理及特性。控制电机的种类虽然很多，可以列举出数十种，但是这些电机的基本原理都是建立在以下两个基本规律的基础上的：一是电磁转化规律，就是在一定条件下电和磁可以相互转化；二是电流在磁场中要受到力的作用。2/3/202316由于各种控制电机的原理都是建立在基本的电磁规律基础上的，因而它们之间不是孤立的，它们既有共性，也有个性。在以后学习中就会发现，一种电机与另一种电机之间在电磁关系上、在基本特性上有很多相同之处，但它们各自又具有与众不同的特点。在学习时也要用辩证法的观点来学，将各种控制电机联系起来，着重分析和掌握一些共同规律，同时也要研究每个电机所具有的特殊性质。其中将补充交流异步电动机的工作原理和基本电磁关系。2/3/202317要通过学习电机的基本原理，了解电机内部的基本矛盾，这样才能正确而主动地掌握控制电机的使用方法。通过本门课程主要是学习控制电机的特性和使用方法，但同时我们还需要学习电机的基本原理。因为对电机来说，其使用时的条件只是外因，电机之所以有各种特性的根本原因是在于电机本身的内部矛盾。2/3/2023181.2磁场的基本物理量1.2.1.磁感应强度磁感应强度B

表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。磁感应强度B的大小磁感应强度B的方向

与电流的方向之间符合右手螺旋定则。磁感应强度B的单位:特斯拉(T)，1T=1Wb/m2

均匀磁场:各点磁感应强度大小相等，方向相同的

磁场，也称匀强磁场。2/3/2023191.2.2磁通磁通：穿过垂直于B方向的面积A中的磁力线总数。

说明:

如果不是均匀磁场，则取B的平均值。在均匀磁场中=BA或B=/A磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通,故又称磁通密度。磁通的单位:韦[伯](Wb)1Wb=1T·m22/3/202320

H与B的区别①H∝I，与介质的性质无关。②

B与电流的大小和介质的性质均有关。磁场强度H的单位：安培/米（A/m)1.2.3磁场强度磁场强度H：表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。是计算磁场时所引用的一个物理量，通过它来确定磁场与电流之间的关系。2/3/202321由实验可测得：真空的磁导率为：真空磁导率是一个常数，将其它物质的磁导率和它比较是很方便的。1.2.4磁导率磁导率：表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质的导磁能力。它与磁场强度的乘积就等于磁感应强度，即：磁导率的单位：亨/米（H/m）2/3/202322也即当磁场媒质是某种物质时某点的磁感应强度B与在同样电流下真空时该点的磁感应强度B0之比的倍数。自然界的所有物质按磁导率的大小，大体上可分为磁性材料和非磁性材料。相对磁导率

r：

任一种物质的磁导率和真空的磁导率0的比值。2/3/2023231.3磁性材料的磁性能1.3.1.高导磁性磁性材料的磁导率通常都很高，即r1(如坡莫合金，其r可达2105)

。磁性材料能被强烈的磁化，具有很高的导磁性能。磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。2/3/202324

磁性物质内部存在着很多很小的“磁畴”。磁畴（磁化前）磁畴（磁化后）在外磁场的作用下，磁畴顺着外磁场方向转向，排列整齐，显示出磁性。2/3/202325磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。1.3.2.磁饱和性BJ

磁场内磁性物质的磁化磁场的磁感应强度曲线；B0

磁场内不存在磁性物质时的磁感应强度直线；B

BJ曲线和B0直线的纵坐标相加即磁场的B-H磁化曲线。OHBB0BJB•a•b磁化曲线当外磁场增大到一定程度时，磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值，如图。2/3/202326

B-H磁化曲线的特征：

Oa段：B与H几乎成正比地增加；

ab段：B的增加缓慢下来；

b点以后：B增加很少，达到饱和。OHBB0BJB•a•b有磁性物质存在时，B与H不成正比，磁性物质的磁导率不是常数，随H而变。

有磁性物质存在时，与I不成正比。

磁性物质的磁化曲线在磁路计算上极为重要，其为非线性曲线，实际中通过实验得出。

OHB,B磁化曲线B和与H的关系2/3/2023271.3.3.磁滞性磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲线是一条回形闭合曲线，称为磁滞回线。磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于外磁场变化的性质。磁滞回线OHB••••BrHc剩磁感应强度Br(剩磁)：当线圈中电流减小到零(H=0)时，铁心中的磁感应强度。例如:永久磁铁的磁性就是由剩磁产生的；自励直流发电机的磁极，为了使电压能建立，也必须具有剩磁。

2/3/202328磁滞回线OHB••••BrHc但剩磁也存在着有害的一面，例如，当工件在平面磨床上加工完毕后，由于电磁吸盘有剩磁，还将工件吸住。为此要通入反向去磁电流，去掉剩磁，才能取下工件。矫顽磁力Hc：使B=0所需的H值。磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。2/3/202329几种常见磁性物质的磁化曲线a铸铁b铸钢c硅钢片O0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0103H/(A/m)H/(A/m)12345678910103B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2ababcc2/3/202330按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型：(1)软磁材料具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等。(2)永磁材料具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。(3)矩磁材料具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等。2/3/2023311.磁滞损耗（pch）由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗(Pch

)。磁滞损耗的大小：单位体积内的磁滞损耗正比与磁滞回线的面积和磁场交变的频率f。OHB磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。减少磁滞损耗的措施：选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。变压器和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。设计时应选择适当的磁感应强度值以减小铁心饱和程度。1.3.4.铁心损耗pFe2/3/2023322.涡流损耗（pwh）涡流损耗:由涡流所产生的功率损耗。涡流：交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流，称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。涡流损耗转化为热能，引起铁心发热。减少涡流损耗措施：提高铁心的电阻率（通常由于硅钢片）。铁心用彼此绝缘的钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内。3.铁耗pFe：铁心中的铁耗等于磁滞损耗和涡流损耗之和。2/3/202333磁通所通过的路径称为磁路。＋u－ΦΦ主磁通漏磁通磁路i1.4控制电机中常用的基本定律2/3/2023341.4.1全电流安培环路定律沿任何一条闭合回线L，磁场强度H的线积分等于该闭合回线所包围的电流的代数和

如果在均匀磁场中，沿着回线L

磁场强度H处处相等，则1.4.2磁路的欧姆定律作用在磁路上的磁动势F等于磁路内的磁通量Φ乘以磁阻RmF称为磁动势2/3/202335磁通量Φ等于磁通密度乘以面积

磁场强度等于磁通密度除以磁导率

于是2/3/2023361.4.3磁路的基尔霍夫定律1.磁路的基尔霍夫第一定律或闭合面i1i2Φ1Φ2Φ32/3/2023372.磁路的基尔霍夫第二定律2/3/2023381.4.4电磁感应定律在我们回顾的所有定律中这将是最重要的一个。简单的说电磁感应定律就是变化的电场附近会产