电机及拖动基础 第5版 课件 第七章控制电机

第七章控制电机

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。

第七章控制电机控制电机概述控制电机系统中

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雷达的扫描跟踪、飞机自动驾驶、数控机床控制、遥测遥控、工业机器人控制、宇宙飞船等都少不了控制电机。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)第一节伺服电动机

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压信号转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：无“自转”现象。空载始动电压低,灵敏度高机械特性和调节特性为线性,调速范围宽。快速响应。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小，响应快，在自动控制系统中多采用电枢控制。UcUaUc：控制电压Control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Φ，电枢绕组作为控制绕组接收到控制电压Uc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。当控制电压Uc=0时，Ic=0，电磁转矩T=0，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很好的执行元件。电枢控制一、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T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UC<始动电压Uc0，电动机不转—“失灵区”。同样的T下，失灵区越小，灵敏度越高。T1始动电压一、直流伺服电动机结论

优点：直流伺服电动机在电枢控制方式运行时，特性的线性度好，调速范围大，效率高，起动转矩大，没有“自转现象”，可以说，具有理想的伺服性能。

缺点：电刷和换向器的接触电阻数值不够稳定，对低速运行的稳定有一定影响。此外，电刷与换向器之间的火花有可能对控制系统产生有害的电磁波干扰。结论二、交流伺服电动机

交流伺服电动机在结构上类似单相异步电动机。它的定子铁心是用硅钢片、铁铝合金或铁镍合金片叠压而成，在其槽内嵌放两个空间相差90

电角度的两个定子绕组，一个是励磁绕组，另一个是控制绕组。结构转子形式笼型转子非磁性杯形转子与普通三相异步电动机笼型转子相似，只是外形上细而长，缩小直径可使惯量降低；功率因数较高，电动机的机械强度大，但快速响应性能稍差，低速运行也不够平稳。1.交流伺服电动机的结构和基本工作原理二、交流伺服电动机结构非磁性空心杯转子交流伺服电动机结构示意图外定子定子绕组杯形转子内定子轴轴承用铝或铝合金制成。壁厚只有0.2～0.8mm，能在内、外定子之间的间隙中运转。特有的由导磁材料制成优点：转动惯量小，摩擦转矩小，响应快、运行平稳缺点：结构复杂，气隙大，空载电流大，功率因数较低。二、交流伺服电动机空间相差90º电角度励磁绕组工作原理控制绕组励磁电压和控制电压分别施加于两个绕组上，共同作用在电动机内部产生了一个旋转磁场，在笼形转子的导条中或杯形转子的筒壁上感应电动势，产生电流(涡流)，再与磁场作用而产生电磁转矩,使笼型或杯型转子转动。交流伺服电动机的原理图当转子转动起来以后，控制信号消失，即断开控制绕组，变成单相时，电动机仍然能够转动。自转现象：“自转”的消除：增加伺服电动机的转子电阻。变成单相后，电磁转矩>0,与转速的方向相同，电动机仍然能够转动。变成单相后，电磁转矩<0,与转速的方向相反，制动作用，电动机立即停传。转子电阻较大（临界转差率sm≥1）时的机械特性转子电阻较小（临界转差率sm<1）时的机械特性工作原理1.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停转的伺服性，而且还须具有转速的大小及其转向的可控性。

而交流伺服电动机的转速大小调节，是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。椭圆度大，正转旋转磁场相应地会削弱，对应的正向转矩减小；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。

转向的改变靠控制电源反相，使合成磁场反转，转子跟着反转。（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。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。（2）相位控制通过改变控制电压的相位来控制交流伺服电动机的转速。β=90

，转速最高,β

↓,n↓,当β=0，则n=0，电动机停转。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与间的相位差为β（3）幅－相控制交流伺服电动机幅—相控制接线示意图移相电容由于移相电容的作用，当改变的幅值时，不仅相对改变，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=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。第二节测速发电机作用：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：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：可分为直流、交流两大类一、直流测速发电机1.直流测速发电机的结构和工作原理结构

与普通小型直流发电机相同按励磁方式分类：永磁式他励电磁式因测速发电机的功率较小，而永磁式不需另加励磁电源,也没有因励磁绕组温度变化而影响输出电压的问题，所以应用广泛。

1.直流测速发电机的结构和工作原理工作原理空载时U∝n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，经推导可得测发的负载电阻RL↓→斜率↓2.产生的误差和改进方法一、直流测速发电机改进: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:选用接触压降较小的金属一石墨刷改进: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异步测速发电机的转子都是空心杯形结构。在机座号小的测速发电机中，定子槽内嵌放着空间相差90º角度的两相绕组，其中一相绕组作为励磁绕组；另一相作为输出绕组。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

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=0，U2=0。励磁绕组输出绕组q轴合成磁通转子电流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，脉振频工作原理二、交流测速发电机当n

0，转子切割直轴磁通Φd，产生一个旋转电动势Erq，其有效值为：

转子绕组中将产生交流电流Irq

Irq产生即略电抗，两者同相结论：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。工作原理二、交流测速发电机

结论：前面已知E2的大小正比于n，那么对E2的频率，因Φd与励磁电源同频率，而

Erq与Φd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。第三节步进电动机作用：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：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、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：按励磁方式分为磁阻式、永磁式和混磁式三种；按相数分为单相、两相、三相和多相等形式。

一、三相磁阻式步进电动机的结构和工作原理结构

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(软磁)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使某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U断，V通V断，W通转子齿4、2对齐定子UU‘极转子齿4、2对齐定子V‘V极转子齿1、3对齐定子W‘W极W断，U通转子齿1、3对齐定子UU‘极三相单三拍工作原理一、三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，称为反转方法：改变通电顺序：U-W-V-U三相双三拍通电方式？UV-VW-WU-UV本例：步距角30°拍数转子齿数一、三相磁阻式步进电动机的结构和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

三相单双六拍：U-UV-V-VW-W-WU-U本例步距角为15°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每一极距对应的转子齿数不是整数。定、转子齿相对位置应依次错开1/m（m为相数）齿距t，这样才能在连续改变通电的状态下获得不断的步进运动。为满足生产中小位移量的要求，须减小步距角，实际中定子磁极和转子都加工成多齿结构,如图Zr=