控制电机资料.doc

第6章 控制电机6.1 伺服电动机6.2  步进电动机6.3 测速发电机6.4  自整角机6.5  旋转变压器小结摘要:本章主要介绍伺服电动机、步进电动机、测速发电机、自整角机、旋转变压器感、应同步器等控制电机的工作原理、运行特性、结构、和应用控制电机具有体积小，功率小，通常在几百瓦以下等特点；而驱动微电机结构简单、体积小、功率也小，主要用来驱动各种轻型负载驱动微电机与控制电机合称为微控电机在普通旋转电机的基础上产生的各种控制电机与普通电机本质上并没有差别，只是着重点不同：普通旋转电机主要是进行能量变换，要求有较高的力能指标；而控制电机主要是对控制信号进行传递和变换，要求有较高的控制性能，如要求反应快、精度高、运行可靠等等控制电机因其各种特殊的控制性能而常在自动控制系统中作为执行元件、检测元件和解算元件6.1 伺服电动机(顶部)伺服电动机又称为执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件它将输入的电压信号转变为转轴的角位移或角速度输出，改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的转速与转向，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压根据使用电源的不同，伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。

直流伺服电动机输出功率较大，功率范围为1～600瓦，有的甚至可达上千瓦；而交流伺服电动机输出功率较小，功率范围一般为0.1～100瓦6.1.1  直流伺服电动机直流伺服电动机实际上就是他励直流电动机，其结构和原理与普通的他励直流电动机相同，只不过直流伺服电动机输出功率较小而已当直流伺服电动机励磁绕组和电枢绕组都通过电流时，直流电动机转动起来，当其中的一个绕组断电时，电动机立即停转，故输入的控制信号，既可加到励磁绕组上，也可加到电枢绕组上：若把控制信号加到电枢绕组上，通过改变控制信号的大小和极性来控制转子转速的大小和方向，这种方式叫电枢控制；若把控制信号加到励磁绕组上进行控制，这种方式叫磁场控制磁场控制有严重的缺点（调节持性在某一范围不是单值函数，每个转速对应两个控制信号），使用的场合很少直流伺服电动机进行电枢控制时，电枢绕组即为控制绕组，控制电压 直接加到电枢绕组上进行控制而励磁方式则有两种：一种用励磁绕组通过直流电流进行励磁，称为电磁式直流伺    图7.1  直流伺服电动机电枢控制线路图服电动机；另一种使用永久磁铁作磁极，省去励磁绕组，称为永磁式直流伺服电动机直流伺服电动机进行电枢控制的线路如图7.1所示，励磁绕组接到电压恒定为 的直流电源上，产生励磁电流 ，从而产生励磁磁通 ，电枢绕组接控制电压 ，那么直流伺服电动机电枢回路的电压平衡方式为若不计电枢反应的影响，电机的每极气隙磁通 将保持不变，则电动机的电磁转矩公式为1. 机械特性由上面三式可得到电枢控制的直流伺服电动机的机械特性方程式为                  （7.1）改变控制电压 ，而机械特性的斜率 不变，故其机械特性是一组平行的直线，如图7.2所示。

理想空载转速为机械特性曲线与横轴的交点处的转矩就是 时的转矩，即直流伺服电动机的堵转转矩 为控制电压为 时，若负载转矩 ，则电机堵转2. 调节特性调节特性是指在一定的转矩下电机的转速 与控制电压 的关系调节特性也可由式（7-1）画出，如图7.3所示，调节特性也是一组平行线图7.2  直流伺服电动机的机械特性              图7.3  直流伺服电动机的调节特性 由调节特性可以看出，当转矩不变时，如 ，增强控制信号 ，直流伺服电动机的转速增加，且呈正比例关系；反之，减弱控制信号 减弱到某一数值 直流伺服电动机停止转动，即在控制信号 小于 时，电机堵转，要使电机能够转动，控制信号 必须大于 才行，故 叫做始动电压，实际上始动电压就是调节特性与横轴的交点所以，从原点到始动电压之间的区段，叫做某一转矩时直流伺服电动机的失灵区由图可知， 越大，始动电压也越大，反之亦然；当为理想空载时， ，始动电压为 ，即只要有信号，不管是大是小，电机都转动从上述分析可知，电枢控制时的直流伺服电动机的机械特性和调节特性都是线性的，而且不存在“自转”现象（控制信号消失后，电机仍不停止转动的现象叫“自转”现象），在自动控制系统中是一种很好的执行元件。

6.1.2  交流伺服电动机1. 工作原理交流伺服电动机实际上就是两相异步电动机，所以有时也叫两相伺服电动机如图7.4所示，电机定子上有两相绕组，一相叫励磁绕组 ，接到交流励磁电源 上，另一相为控制绕组 ，接入控制电压 ，两绕组在空间上互差90°电角度，励磁电压 和控制电压Uc频率相同图7.4   交流伺服电动机原理图交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机有相似之处当交流伺服电动机的励磁绕组接到励磁电流 上，若控制绕组加上的控制电压 为 时（即无控制电压），所产生的是脉振磁通势，所建立的是脉振磁场，电机无起动转矩；当控制绕组加上的控制电压 ，且产生的控制电流与励磁电流的相位不同时，建立起椭圆形旋转磁场（若 与 相位差为90°时，则为圆形旋转磁场），于是产生起动力矩，电机转子转动起来如果电机参数与一般的单相异步电动机一样，那么当控制信号消失时，电机转速虽会下降些，但仍会继续不停地转动伺服电动机在控制信号消失后仍继续旋转的失控现象称为“自转”那么，怎么样消除“自转”这种失控现象呢？从单相异步电动机理论可知，单相绕组通过电流产生的脉振磁场可以分解为正向旋转磁场和反向旋转磁场，正向旋转磁场产生正转矩 ，起拖动作用，反向旋转磁场产生负转矩 ，起制动作用，正转矩 和负转矩 与转差率 的关系如图7.5虚线所示，电机的电磁转矩T应为正转矩T+和负转矩T-的合成，在图中用实线表示。

如果交流伺服电动机的电机参数与一般的单相异步电动机一样，那么转子电阻较小，其机械特性如图7.5（a）所示，当电机正向旋转时， ，合成转矩即电机电磁转矩 ，所以，即使控制电压消失后，即 ，电机在只有励磁绕组通电的情况下运行，仍有正向电磁转矩，电机转子仍会继续旋转，只不过电机转速稍有降低而已，于是产生“自转”现象而失控              (a)                              (b)                              (c)图7.5  交流伺服电动机自转的消除“自转”的原因是控制电压消失后，电机仍有与原转速方向一致的电磁转矩消除“自转”的方法是消除与原转速方向一致的电磁转矩，同时产生一个与原转速方向相反的电磁转矩，使电机在 时停止转动可以通过增加转子电阻的办法来消除“自转”增加转子电阻后，正向旋转磁场所产生的最大转矩 时的临界转差率 为    随转子电阻 的增加而增加，而反向旋转磁场所产生的最大转矩所对应的转差率 相应减小，合成转矩即电机电磁转矩则相应减小，如图7.5（b）所示如果继续增加转子电阻，使正向磁场产生最大转矩时的 ，使正向旋转的电机在控制电压消失后的电磁转矩为负值，即为制动转矩，使电机制动到停止；若电机反向旋转，则在控制电压消失后的电磁转矩为正值，也为制动转矩，也使电机制动到停止，从而消除“自转”现象，如图7.5（c）所示，所以要消除交流伺服电动机的“自转”现象，在设计电机时，必须满足：即                               增大转子电阻 ，使 不仅可以消除“自转”现象，还可以扩大交流伺服电动机的稳定运行范围。

但转子电阻过大，会降低起动转矩，从而影响快速响应性能2. 基本结构交流伺服电动机的定子与异步电动机类似，在定子槽中装有励磁绕组和控制绕组，而转子主要有两种结构形式：（1）笼型转子这种笼型转子和三相异步电动机的笼型转子一样，但笼型转子的导条采用高电阻率的导电材料制造，如青铜、黄铜另外，为了提高交流伺服电动机的快速响应性能，宜把笼型转子做成又细又长，以减小转子的转动惯量2）非磁性空心杯转子如图7.6所示，非磁性空心杯转子交流伺服电动机有两个定子：外定子和内定子，外定子铁芯槽内安放有励磁绕组和控制绕组，而内定子一般不放绕组，仅作磁路的一部分；空心杯转子位于内外绕组之间，通常用非磁性材（如铜、铝或铝合金）制成，在电机旋转磁场作用下，杯形转子内感应产生涡流，涡流再与主磁场作用产生电磁转矩，使杯形转子转动起来图7.6  非磁性空心杯转子结构图1-空心杯转子；2-外定子；3-内定子；4-机壳；5-端盖由于非磁性空心杯转子的壁厚约为0.2～0.6mm，因而其转动惯量很小，故电机快速响应性能好，而且运转平稳平滑，无抖动现象由于使用内外定子，气隙较大，故励磁电流较大，体积也较大如果在交流伺服电动机的励磁绕组和控制绕组上分别加以两个幅值相等、相位差90°电角度的电压，那么电机的气隙磁场是一个圆形旋转磁场。

如果改变控制电压 的大小或相位，那么气隙磁场是一个椭圆形旋转磁场，控制电压 的大小或相位不同，气隙的椭圆形旋转磁场的椭圆度不同，产生的电磁转矩也不同，从而调节电机的转速；当 的幅值为0V或者 与 相位差为0°电角度时，气隙磁场为脉振磁场，无起动转矩，因此，交流伺服电动机的控制方式有三种：１）幅值控制如图7.7所示，幅值控制通过改变控制电压 的大小来控制电机转速，此时控制电压 与励磁电压 之间的相位差始终保持90°电角度若控制绕组的额定电压 = ，那么控制信号的大小可表示 ， 称为有效信号系数，那么以 为基值，控制电压 的标么值为图7.7  幅值控制接线图及向量图当有效信号系数 时，控制电压 与 的幅值相等，相位相差90°电角度，且两绕组空间相差90°电角度此时所产生的气隙磁通势为圆形旋转磁通势，产生的电磁转距最大；当 时，控制电压小于励磁电压的幅值，所建立的气隙磁场为椭圆形旋转磁场，产生的电磁转矩减小 越小，气隙磁场的椭圆度越大，产生的电磁转矩越小，电机转速越慢，在 时，控制信号消失，气隙磁场为脉振磁场，电机不转或停转幅值控制的交流伺服电动机的机械特性和调节特性如图7.8所示图中的转矩和转速都采用标么值。

图7.8  幅值控制时的特性2）相位控制这种控制方式通过改变控制电压 与励磁电压 之间的相位差来实现对电机转速和转向的控制，而控制电压的幅值保持不变如图7.9所示，励磁绕组直接接到交流电源上，而控制绕组经移相器后接到同一交流电压上， 与 的频率相同而 相位通过移相器可以改变，从而改变两者之间的相位差 ， 称为相位控制的信号系数图7.9  相位控制接线图  改变 与 相位差 的大小，可以改变电机的转速，还可以改变电机的转向：将交流伺服电动机的控制电压 的相位改变180°电角度时（即极性对换），若原来的控制绕组内的电流 超前于励磁电流 ，相位改变180°电角度后， 反而滞后 ，从而电机气隙磁场的旋转方向与原来相反，从而使交流伺服电动机反转相位控制的机械特性和调节特性与幅值控制相似，也为非线性    （3）幅值—相位控制交流伺服电动机的幅值—相位线路图如图7.10所示励磁绕组串接电容 后再接到交流电源上，控制电压 与电源同相位，但幅值可以调节，当 的幅值可以改变时，转子绕组的耦合作用，使励磁绕组的电流 也变化，从而使励磁绕组上的电压 及电容 上的电压 也跟随改变， 与 的相位差b也随之改变，即改变 的大小， 与 的相位差也随之改变，从而改变电机的转速。

幅度—相位控制线路简单，不需要复杂的移相装置，只需电容进行分相，具有线路简单、成本低廉、输出功率较大的优点，因而成为使用最多的控制方式6.2  步进电动机(顶部)步进电动机是一种把电脉冲转换成角位移的电动机用专用的驱动电源向步进电动机供给一系列的且有。