机电传动与控制第3章(上)

第3章：控制电机本章基本要求和重点：1、掌握对控制电机的主要要求。它是用来完成信息的传递和变换，应具有良好的可控性，快速响应，大启动转矩，小转动惯量，精度要高，误差要小。2、了解机电传动控制系统中一些常用控制电机的基本结构。3、重点掌握各种控制电机的基本工作原理、主要运行特性及特点。4、了解各种控制电机的应用场所，以便正确选用和使用它们。5、难点是理解交流伺服电动机的自转现象及消除原理。3.1伺服电动机

伺服电动机也称为执行电动机，将电信号转换轴上的转角或转速，有直流和交流两种，最大的特点是可控。与普通电机相比：有调速范围广、能实现迅速的启和停、过载能力强，可靠性好等特点。3.1.1两相交流伺服电动机的结构其定子绕组与单相电容分相式异步电动机相似，嵌入两个相差90度的绕组，励磁绕组和控制绕组，它们分别接入两个不同的交流电源（同频率）。其转子一般分为鼠笼转子和杯形转子两种。使用最多的是鼠笼转子的交流伺服电动机。1)定子：

定子由硅钢片叠成：在定子铁心的内圆表面嵌有两套相差90度电角度的绕组：激磁绕组WF,控制绕组WC；这两套绕组分别由两个电源供电。2)转子：分为鼠笼型和杯型两种。(1)鼠笼型转子作得细而长，转子导体采用高电阻率的材料.用于小功率的自动控制系统.产品型号SL系列。(2)空心杯型转子作成薄壁圆筒形,放在内外定子之间，用于要求运行平滑的系统，产品型号SK系列。杯型转子伺服电动机结构图激磁绕组1;控制绕组2;内定子3;

外定子4;转子53.1.2基本工作原理

以单相异步电动机原理为基础。励磁绕组接到电压一定的交流电网上，当控制绕组上有控制信号输入时，两相绕组产生旋转磁场。同步转速为：把控制电压的相位改变180度，可改变伺服电动机的旋转方向。要求控制电压一但取消，电动机必须停转。但是取消控制电压后，励磁电压仍可使电动机继续旋转，既所谓“自转”现象。3.1.3消除自转现象的措施

其解决办法是，使转子导条具有较大的电阻。这样最大转矩出现在s=1附近。可得出不同转子电阻的伺服电动机机械特性曲线。设计电阻使电动机单相运行时最大转矩出现在SM大于1处。由图看出：曲线1为有控制电压时，曲线T为去掉控制电压时，此时T与n相反，成为制动转矩，它可使转子迅速停止转动，保证不会出现自转现象。而励磁绕组始终接在电源上。合成电磁转矩出现在第二和第四象限。控制方法有幅值控制、相位控制、幅值--相位控制幅值控制接线图3.1.4特性和应用不同电压下的机械特性曲线由图可见：在一定负载下，控制电压越高，S越小，转速越高。改变电压可改变转速。应用举例(1)参数：交流伺服电动机输出功率为0.1-100W(再大则用直流伺服电动机)；电源频率50-400Hz。(2)应用：雷达天线的旋转控制；飞机驾驶盘的控制；流体阀门开关控制。典型应用方框图两相交流伺服电动机应用非常广泛：

可以方便的利用控制电压的有无来进行启动、停止，利用改变电压的幅值（或相位）大小来调节转速的高低。而伺服电动机的性能直接影响着整个系统的性能。选择时要注意系统对伺服电动机的静态、动态特性的要求。一般输出功率不大。3.2交流伺服电动机

交流伺服电动机减去了直流伺服电动机中的换向器，提高了运行的可靠性。

一、三相交流永磁伺服结构

1.定子

三相绕组和铁芯组成。三相绕组直流供电，由电子换向器轮流供电，以产生旋转磁场。（同步电机）

2.转子

永磁铁芯。

二、无刷直流电动机1.结构相当于一台反装式直流电动机。定子为三相绕组和铁芯组成。三相绕组直流供电，由电子换向器轮流供电，以产生旋转磁场。转子为永磁体，转子轴上装有转子位置检测器、测速发电机和光电脉冲编码器。

转子位置检测器：输出信号控制电子换向器，实现对电动机的换向，即电子换向器中的晶体管的导通和截止由转子位置检测器的输出信号控制。

转子位置检测器的种类：光电式、电磁式、接近开关式。

测速发电机：检测转子的运行速度，用于速度反馈。

光电编码器：检测转子的旋转角度，输出信号反馈给CNC实现位置控制。2.工作原理

三相绕组直流供电，由电子换向器轮流供电，以产生旋转磁场。3.3

直流伺服电动机1.基本结构:与普通他激直流电动机相同.(有换向器)2.分类:电磁式(他激式);

永磁式,3.电气原理图:如右图.其中(a)为电磁式(b)为永磁式.4.参数:输出功率1-600W.

它的基本结构和工作原理与普通直流他励电动机相同，不同点在于做的细长一点，以便满足快速响应的要求。

由上式可以看出：改变控制电压和改变磁通都可以控制伺服电机的转速和转向。前者是电枢控制（常用），后者是磁场控制。

在磁通不变的情况下，在一定的负载转矩下，升高电压，电机转速就上升。反之就下降，电机无自转现象。

直流伺服电动机与两相交流伺服电动机的机械特性相比较，前者堵转矩大，特性曲线线性度好，机械特性较硬，但缺点是有换向器，结构复杂，易产生无线电干扰。通常用于功率稍大的系统中。3.4

力矩电动机结构特点:扁平状.工作原理:同电磁式伺服电动机.1.定子2.电枢3.电刷架是能与负载直接连接产生大转矩低转速(或堵转)下运转的电动机3.4.1永磁式直流力矩电动机的结构特点3.4.2直流力矩电动机转矩大、转速低的原因1.转矩大的原因由直流电动机的基本原理可知：每根导体所受的电磁力为：电磁转矩为：在电枢体积相同条件下，保持不变，在相同电流和相同用铜量条件下，应保持不变。所以满足上述条件，转矩与直径近似成正比关系。2.转速低的原因导体在磁场中运动切割磁力线产生感应电势为：线速度为：设在一对电刷之间的并联支路数为2，N/2根导体串联后总感应电势为Ea，理想空载下则：在上式中，保持NL不变下，理想空载转速和电枢铁心直径成反比关系。综述：在其他条件相同下，增大电动机直径，减少轴向长度，可满足要求。（扁平状结构）。由于保证了能在低速或堵转下运行，加上它有精度高、反应速度快、线性度好等特点，应用较广。卫星天线驱动；雷达天线驱动；数控机床驱动；X-Y纪录仪传动。与测速发电机配合可组成高精度,宽调速伺服系统.直流力矩电动机的型号为LY系列.其调速可达0.00017r/min,即4天才转一圈.3.3.3直流力矩电动机的特点和应用3.5

小功率同步电动机

小功率同步电动机为连续运转的同步电动机,用于传动及作执行元件1)结构特点：定子绕组可通入三相或两相交流电；转子包括永久磁铁1和装在转子铁心3槽中的起动绕组2。转子结构示意图见下图。2)工作原理负载不能超过一定限度,否则电动机可能“失步”。3.5.1永磁式同步电动机

对于一些控制设备和自动装置，（如传真机、电钟等）往往需要速度恒定不变，使用之。

它是交流同步电动机，定子结构与异步电动机无本质区别，转子上无绕组，结构简单。它的结构特点是，转子中包括永久磁铁和置于转子铁心中的鼠笼绕组。（与大功率同步电动机不同）它的工作原理与普通同步电动机的原理相似。它也存在启动困难问题，为此转子上的鼠笼绕组起了启动绕组的作用（即采用异步启动）。当负载转矩超过一定限度，电动机将“失步”。适合于轻载启动。3.5.2磁阻式电磁减速同步电动机1)结构特点

圆环形的定子装有三相或单相供电的绕组，转子为圆盘形，不嵌绕组；转子齿数大于定子齿数。2)工作原理磁力线总是使经过的磁路磁阻最小，磁阻转矩使转子朝着磁导最大的方向转动。磁阻转矩总是力图使转子朝磁导最大的方向转动。而定子和转子的齿数不等，使它们在空间上相差一个角度。

是常用的一种低速电动机。错齿