第六章 控制电机

控制电机第六章1、了解控制电机的分类；2、了解交、直流伺服电机的工作原理及特点；3、了解各种控制电机的用途；4、了解控制电机与普通电机的区别；5、了解轴角的检测方法。本章要求：本章知识点：1、交流伺服电机的工作原理；2、自转及消除自转的措施；3、力矩电机大转矩低转速的机理；4、控制系统的一般组成。直流发电机直流电动机直流电机同步电机同步发电机同步电动机异步发电机异步电动机交流电机异步电机电机控制电机变压器（也属交流电机的一种，但它静止不动）电机的分类：控制电机的用途与要求：1、

用途：用于自动控制、自动调节、远程控制、伺服控制系统。2、

对控制电机的一般要求：动作灵敏、响应快、控制精度高、稳定性好。6·1交流伺服电机

伺服电动机的定义：能对输出信号迅速作出相应反应的电机称为伺服电动机。伺服电动机有交流、直流两种。伺服：——即跟随。输出信号跟随输入控制信号作相应的变化。伺服电机的特点伺服电机与一般的驱动电机相比主要有如下的特点：1、调速范围大（由几分钟一转到每分钟上万转）2、转子的惯性小（即转动惯量小）；3、控制功率小、过载能力强；交流伺服电动机的结构：实质：两相异步电动机（与单相异步机相似）。

组成：定子（励磁绕组、控制绕组），转子（细长形，或杯型，减小转动惯量）。

杯形转子：可看成无数导条组成的鼠笼转子。纵横剖面图6·1·1两相交流伺服电机两相交流伺服电机结构与普通异步电机差不多，为提高响应的快速性，转子做成细长形或空心杯形。定子绕组与单相电容式异步电动机类似，把两个绕组在空间上布置成互成900电角度(空间角度与电角度的关系：为空间角度=电角度/极对数)，其中一个为励磁绕组WF，另一个为控制绕组WC（提供动力），分别接在两个频率相同但频率可变的电源上，形成旋转磁场。其工作原理以分相式单相异步电动机的原理为基础，励磁绕组接到电压一定的交流电网上，控制绕组接到控制电压UC上，当有控制信号输入时，两相绕组便产生旋转磁场。该磁场与转子中的感应电流相互作用产生转矩，使转子跟着旋转磁场以一定的转差率转动起来，其同步转速n0＝60f／p转子的转向与旋转磁场的方向相同，把控制电压的相位改变180°。则可改变伺服电动机的旋转方向。例如给下图的控制电压，电机作连续的正反转。对伺服电动机的要求是：控制电压一旦取消，电动机必须立即停转。但根据单相异步电动机的原理，电动机转子一旦转动以后，再取消控制电压，仅励磁电压单相供电，电机仍将继续转动，即存在“自转”现象，这意味着失去控制作用，这是不允许的。

6．1．3消除自转现象的措施

从三相异步电动机的人为机械特性可知，加大转子电阻可改变电动机的转速转矩特性（见图6．3），转子电阻增大到一定程度，可使最大转矩出现在s＝1附近。为此目的，通常把伺服电动机的转子电阻R2设计得很大，使电动机在失去控制电压时，亦即成单相运行时，正转矩或负转矩的最大值均出现在S＞1的地方，这样可得出图6·4所示的机械特性曲线。

图6．4中曲线1为有控制电压时伺服电机的机械特性曲线，曲线T＋和T－为去掉控制电压后，脉动磁场分解为正、反两个旋转磁场Bm1、Bm2对应产生的转矩曲线。曲线T为去掉控制电压Uc

后单相供电时的合成转矩曲线。从图看出，它与单相供电的异步电机合成转矩的机械特性曲线不同，合成力矩T在第二和和第四象限内。当速度为正时，电磁转矩T为负，当速度为负时，电磁转矩T为正，即去掉控制电压后，单相供电时的电磁转矩的方向总是与转子转向相反，是一制动转矩。因此，可使转子迅速停止。若去掉控制电压时，同时去掉励磁，则电机失去制动转矩，因此，两相交流伺服电机工作时，励磁绕组始终与电源连接。加大转子电阻还带来稳定调速段加宽，启动转矩提高，的好处，有利于提高电机的启动性能。没有启动转矩有启动转矩调速范围小n0~ns调速范围大0~n06·13两相交流伺服电机的控制方法

两相交流伺服电机的控制方法主要采用调幅控制，即改变控制电压UC的控制方式。其特性见图6·6。图中n0

为什么随控制电压变化，而不是象图5·24那样，保持n0不变，是因为转子电阻很大，Sm＞1，单励磁绕组工作产生负转矩的原因。

其它交流伺服电机（多为三相电机）6·14伺服电机在控制系统中的应用

伺服控制分为：位置伺服：以保证位置精度为控制目标；速度伺服：以保证速度精度为控制目标；加速度伺服：以保证加速度精度为控制目标；力伺服：以保证力或力矩精度为控制目标；不管伺服控制的最终对象是什么，但对电机而言，不外乎是位置、速度、加速度、力矩控制。通过阀门控制流量其实质是控制电机转角（位置伺服）；自动瞄准火炮控制是速度伺服；振动试验台是加速度伺服；造纸生产中的纸厚控制，是力矩控制（恒张力控制）；用机械手夹刚性较软的薄壁件、或硬度强度较差的物体，例如鸡蛋、玻璃杯等需要控制力的大小，也是力矩控制。控制系统组成的一般框图速度、位置双闭环的控制系统这是一个速度、位置双闭环的控制系统。速度环是内环，位置环是外环。多环的控制系统，最终要保证的物理量放在最外环。内环是改善动态品质，外话环是保证控制目标的精度。当把外环传感器换成力传感器，则系统成为力伺服控制系统。在图6·7中在位置传感器的输出端加一微分电路就成为速度反馈，系统则成为速度伺服；在此基础上再加一级微分电路，就成为加速度反馈，系统则成为加速度伺服。当反馈元件选用了位置、速度、加速度传感器中的任一种，经过适当的电路处理，都可得到另外两个物理量。

力传感器二阶微分更详细的方框图

采用复杂的控制系统其目的是为了改善系统的动态品质。所谓改善动态品质是指：提高响应速度；减少震荡次数；减小超调量；缩短调整时间。例如定位控制，1的控制就比2好。12原理：

与普通直流电机完全相同。所不同的是电枢电阻大，机械特性软、线性（电阻大，可弱磁起动、可直接起动）。控制方式：

1.电枢控制（常用）；

2.励磁控制（少用）。直流伺服电动机的两种控制方式6·2直流伺服电动机（自学）

电枢控制励磁控制

与交流伺服电动机（电压控制）的特性相比，直流伺服电动机的n—T特性是一直线，特性硬。缺点是有电刷。见图6·8、图6·96·3力矩电机

伺服电动机都要求转子转动惯量小，这是基于两点：1、相同功率的电动机转速越高电机体积越小、重量越轻、价格越低；采用高速电机与大减速比的减速器配合，以满足执行机构所需的转速和力矩，比直接采用低速电机，无论体积、重量、价格都有优势。（因为减速器材料可通过热处理、和选用合金材料提高性能，减小体积减轻重量，而电机必须用矽钢片；此外，普通钢材比电机材料如：矽钢片、铜、铝便宜）；2、由于采用大减速器比，负载及执行机构的转动惯量JL折算到电机轴上很小、（电机所需克服静负载的力矩也小）。而电机的转动惯量成为系统的主要惯量。

例如：某负载的转动惯量是电机转子转动惯量的10倍，若取减速比为5，折算到电机轴上的等效转动惯量仅为电机转子转动惯量的2/5）。在第二章曾经提过，要使系统响应最快，动态电流最小，必须使负载的转动惯量折算到电机轴上的等效惯量J/L等于电机转子的转动惯量JD。因此，必须减小电机转子的转动惯量。

带减速机构传动存在的问题

伺服系统对间隙非常敏感，会造成控制死区，引起振荡。采用减速器减速传动难免存在间隙,因此容易产生振荡。间隙引起振荡的原因是执行机构对控制信号响应滞后引起的。例如A、B分别是一对齿轮的主动轮和从动轮，在从动轮上装有速度传感器，A、B之间有间隙X，当控制系统通过速度传感器测得转速过快时，控制主动轮A减速，而从动轮B由于存在间隙并未跟着减速，这时，从速度传感器检测到的速度不变，当主动轮减到速度合适时控制系统仍误认为减速不够,命令主动轮A进一步减速，经过t=X/v的时间，间隙已经消除，从动轮B开始随着A减速，这时速度传感器检测到实际速度已比所需的速度低，控制系统控制主动轮A加速，而从动轮B同样由于存在间隙并未跟随，这时，从速度传感器检测到的速度不变，控制系统误认为加速不够,命令主动轮A进一步加速，经过t=X/v的时间，间隙消除，从动轮B开始随着A加速，这时，实际速度又已超过合适的速度，如此反复，形成振荡。

反向时则引起滞后。当主动轮A反向时，由于存在间隙从动轮B并未跟随反向，经过t=X/（v1+v2）的时间，间隙消除，从动轮B才开始随着主动轮A反向。此外，间隙还引起冲击和噪声。解决间隙引起的振荡的方法1、在控制系统中加入延时时间t=X/v，当控制系统发出控制指令后，延时t=X/v再进行速度比较（X是间隙，v是速度）；2、把速度传感器装在主动轮A上，但影响控制精度，有大小为X的误差；3、采用直接传动，消除间隙。

采用直接传动要解决两个问题：

1、大力矩由于没有减速器的增力作用，一般的控制电机力矩不够；2、低转速由于没有减速器，一般的电机达不到所需的低转速。力矩电机是基于这一要求而设计的。

力矩电机的特点：

1、力矩大；2、转速低；3、结构上直径D大,长度L短（转动惯量大）。力矩电机做成大直径，一方面是采用直接传动，电机的转动惯量比负载的转动惯量小得多。仍以上面的例子分析，电机转子的转动惯量仅为负载的1/10；另一方面从电机力矩与直径关系：T=BIaNLD/2当BIa

NL/2不变时，T∝D，而由运动电动势公式：ea=BLvea——感应电动势；

v——转子导体线速度；v=ЛDn/60n0=v60Л/D=U60Л/BLDea=U（空载时）n0∝1/D

加大直径D有利于增加电机力矩和降低空载转速。且对系统响应的快速性影响不大。这是为什么力矩电机做成大直径的原因。6·4、小功率同步电机

（自学）

6·5测速发电机

测速发电机工作原理与一般的发电机相同，是一种微型发电机，在控制系统中作速度传感器用，因此对测速发电机有如下要求：1、

没有剩余电压（转速为零时输出电压为零）；2、

线性度好；3、

灵敏度高（K=V/n大）；4、

惯性小，响应快。测速发电机有交流、直流两种。测速发电机正被增量式光电编码器（旋转光栅）取代，把光电编码器输出脉冲（脉冲频率与转速成正比f∝n）通过频压变换（f/V变换，已有专门的芯片）即可得到与转速成正比的电压。6·6自整角机（用于位置反馈控制）

自整角机是把两台结构完全相同的发电机的定子绕组串接起来，两个转子分别接在两台被控电机A、B的转轴上，当一台电机A（主动）自主变化时，若另一台B（从动）未能及时变化，两台发电机发出的电压不相等，产生电压差，从动电机B以此电压差为反馈控制量，通过从动电机控制器放大，驱动从动电机B，使之跟随主动电机A变化。

自整角机又称为“软轴”或“电轴”，接收机跟随发送机转动。主要有力矩式和控制式两种，自整角机都是成对配合使用的。结构：定子三相(整步)绕组，转子单相(励磁)绕组。

协调位置：工作时两个转子都不受力（或无输出）所处的位置。

失调角：两个转子与协调位置相差的电角度。[注意]：力矩式输出力矩；控制式输出包含相位的电压信号。

需要大转矩的系统应选用控制式自整角机。接线：将两机的三相整步绕组对应相互连接，两机的励磁绕组与同一个单相电源连接。接交流电源三相整步绕组对应相连发送机接收机

A1X1，B1Y1，C1Z1分别是发送机的定子三相整步绕组。

I1II1是发送机的转子励磁绕组。

A2X2，B2Y2，C2Z2分别是接收机的定子三相整步绕组。

I2II2是接收机的转子励磁绕组。一、力矩式自整角机接线：两机三相整步绕组对应相连，发送机励磁绕组连接单相电源，接收机转子绕组为输出绕组。接交流电源三相整步绕组对应相连发送机接收机作为输出绕组二、控制式自整角机自整角机，正被绝对位置光电编码器取代。把两台电机上的光电编码器输出编码DA、DB（二进制或其他进制编码）进行数值比较，即可求出两者的角度差，再加以放大，用于驱动从动电机。

U=K（DA－DB）

，相当于U=K（EA－EB

）被绝对位置光电编码器6．7直线电动机（自学）

直线电动机的原理，相当于把旋转电机沿着半径方向剖开，把定、转子展成平面而成。直线电机可以直接带动机械作直线运动。

异步直线电机工作原理滚珠丝杆驱动与直线电机驱动的比较滑板的结构机床立柱直线电动机滑板万向铰链杆件介绍几种新电机球电动机工作原理这是一种概念电机，还没有正式产品。电滚珠丝杆

（转子做成丝杆）采用先进电机驱动的并行机床目前常用的轴角速度的检测方法光电编码器是轴角速度检测最常用的方法。分增量式和绝对式两种。增量式只能确定相对位置且有累积误差，绝对式可确定绝对位置，且没有累积误差。前者简单后者复杂。光电编码器

绝对式编码器（a）二进制码盘（b）葛雷码盘光电编码器测速方法：1、测单位时间的脉冲个数（称为M法），转速越高精度越高，适合测高速；2、测量两脉冲之间的时间（称为T法），转速越低精度越高，适合低速。3、既测单位时间的脉冲个数又测两脉冲之间的时间（称为M-T法）适合大调速范围的转速测量。f

c—时钟脉冲；T

g—规定的测量时间；T

tach—编码器脉冲周期；T—检测时间；nM—被测转速；m1—规定的测量时间内计数器对编码器的脉冲计数值；m2—计数器对时钟脉冲频率f

c的脉冲计数值；P—编码器每转脉冲数；三种测速方法的比较：在转动盘上开出一等进螺线栅缝，光源通过螺线状栅缝和固定栅缝后变成一光点，随着轴的转动，光点在感光面上上下移动。在感光面上安装位置检测元件，即可测出轴的转角及角速度。光电式角度传感器旋转变压器作用：将输入的角度信号转换成高精度的电压信号输出。结构：定、转子均有两个在空间上互相垂直的绕组。原理：当给定子绕组输入一交流参考电压（励磁电压)，则转子绕组也会感应出一个交变电压，且当转子绕组与定子绕组平行时，电压最大，与定子绕组垂直时，电压为零。随着转子的转动，转子的一个绕组感应电压为正弦波，则另一绕组感应波为余弦波。e

s=kU

msinωtsinθ;e

c=k

U

msinωtconθ(ω为载波频率），对上两式进行相敏解调后得：e

s=U

msinθ;

e

c=Um