控制電機(jī)論文

1、控制電機(jī)論文學(xué)生姓名：張俊任課教師：王賢立學(xué)生學(xué)號： 130544132 專 業(yè)： 電氣工程物理與電子信息學(xué)院2016 年 6 月控制電機(jī)綜述控制電機(jī)作為微特電機(jī)的主要分支， 其結(jié)構(gòu)和原理有別于普通電機(jī)， 并且 種類眾多。 本書的編寫始終貫徹以控制電機(jī)基本結(jié)構(gòu)、 工作原理和運行特性為 主線的指導(dǎo)思想， 同時兼顧控制電機(jī)的合理選擇和實際應(yīng)用。 在控制電機(jī)種類 方面選擇了比較典型的旋轉(zhuǎn)變壓器、自整角機(jī)、測速發(fā)電機(jī)、伺服電動機(jī)、步 進(jìn)電動機(jī)和各類微特同步電動機(jī)， 對新結(jié)構(gòu)和新原理的控制電機(jī)也作了一定的 介紹。全書共分為 9 章，包括伺服電動機(jī)、測速發(fā)電機(jī)、自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓 器和步進(jìn)電動機(jī)等。1、控

2、制電機(jī)的分類控制電機(jī)根據(jù)在自動控制系統(tǒng)中的作用，分為以下幾類：（ 1）執(zhí)行元件（功率元件）直流伺服電動機(jī)交流伺服電動機(jī)步進(jìn)電動機(jī)無刷直流電動機(jī)作用是將電信號轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度以及直線位移和線速度， 并 帶動控制對象運動。（ 2）測量元件（信號元件）自整角機(jī)交、直流測速發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器作用是測量機(jī)械轉(zhuǎn)角、 轉(zhuǎn)角差和轉(zhuǎn)速， 在控制系統(tǒng)中作為敏感元件和校正 元件。執(zhí)行元件主要包括交、直流伺服電動機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等，它的任務(wù)是將輸入 的電信號轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度的變化； 測量元件主要包括交、 直流測 速發(fā)電機(jī)，自整角機(jī)等，它可以用來測量機(jī)械轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)較差和轉(zhuǎn)速等。2、各類控制電機(jī)的簡介2.1

3、旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器（ resolver ）是一種電磁式傳感器，又稱同步分解器。它是 一種測量角度用的小型交流電動機(jī)，用來測量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)軸角位移和角 速度，由錠子和轉(zhuǎn)子組成。旋轉(zhuǎn)變壓器在同步隨動系統(tǒng)及數(shù)字隨動系統(tǒng)中 可用于傳遞轉(zhuǎn)角或電信號；在解算裝置中可作為函數(shù)的解算之用， 故也稱 為解算器。旋轉(zhuǎn)變壓器一般有兩極繞組和四極繞組兩種結(jié)構(gòu)形式。兩極繞組旋轉(zhuǎn)變壓器的錠子和轉(zhuǎn)子各有一對磁極，四極繞組則各有兩隊磁極，主要用于 高精度的檢測系統(tǒng)。除此之外，還有多極式旋轉(zhuǎn)變壓器，用于高精度絕對 式檢測系統(tǒng)。按輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角間的函數(shù)關(guān)系，主要分三大類旋轉(zhuǎn)變壓器：1、正-余弦旋轉(zhuǎn)變 壓器，其輸出電壓與 轉(zhuǎn)

4、子轉(zhuǎn) 角的函數(shù)關(guān) 系成正 弦或 余弦函數(shù)關(guān)系。2、線性旋轉(zhuǎn)變壓器，其輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成線性函數(shù)關(guān)系。線性旋轉(zhuǎn)變壓器按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又分成隱極式和凸極式兩種。3、比例式旋轉(zhuǎn)變壓器， 其輸出電壓與轉(zhuǎn)角成比例關(guān)系。旋 轉(zhuǎn)變壓器 是一種精密 角度、位 置、速度檢 測裝置， 適用于所有 使用 旋轉(zhuǎn)編碼器的場合，特別是高溫、嚴(yán)寒、潮濕、高速、高震動等旋轉(zhuǎn)編碼 器無法正常工作的場合。由于旋轉(zhuǎn)變壓器以上特點，可完全替代光電編碼 器，被廣泛應(yīng)用在伺服控制系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、機(jī)械工具、 汽車、電力、 冶金、紡織、印刷、航空航天、船舶、兵器、電子、冶金、礦山、油田、 水利、化工、輕工、建筑等領(lǐng)域的角度、位置檢測系統(tǒng)中。也

5、可用于坐標(biāo) 變換、三 角運 算和 角度 數(shù)據(jù)傳 輸、 作為 兩相 移相器 用在 角度 -數(shù)字 轉(zhuǎn)換裝 置中。2.2 自整角機(jī)利用自整步特性將轉(zhuǎn)角變?yōu)榻涣麟妷夯蛴赊D(zhuǎn)角變?yōu)檗D(zhuǎn)角的感應(yīng)式微型 電機(jī)，在 伺服系統(tǒng)中被用作測量角度的位移傳感器。自整角機(jī)還可用以實 現(xiàn)角度信號的遠(yuǎn)距離傳輸、變換、接收和指示 。自整角機(jī)按用途分為力矩式和控制式（ 變壓器式 ）兩種。力矩式自整角機(jī)大多數(shù)采用兩極凸極式結(jié)構(gòu)，只在頻率較高、尺寸較 大時才采用隱極式結(jié)構(gòu)。定、轉(zhuǎn)子鐵芯上分別裝嵌單相激磁繞組和三相整 步繞組。 三相整步繞組為分布式星形接線 ,各相軸心線在空間相差 120°。轉(zhuǎn)子繞組通過滑環(huán)和電刷引出接線的為接

6、觸式自整角機(jī)；通過電磁耦合方法 引出接線的為無接觸式自整角機(jī)， 后者無接觸摩擦和無線電干擾,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜 , 性能指標(biāo)和利用率低?？刂剖阶哉墙邮諜C(jī)（自整角變壓器）多采用隱極式結(jié)構(gòu)，并在轉(zhuǎn)子 上裝設(shè)高精度的正弦繞組。兩臺控制式自整角機(jī)與力矩式自整角機(jī)相似可 組成角度測量系統(tǒng)，也可以有差動工作方式。2.3 測速發(fā)電機(jī)測速發(fā)電機(jī)是一種測量轉(zhuǎn)速的微型發(fā)電機(jī)，他把輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)速變換 為電壓信號輸出，并要求輸出的電壓信號與轉(zhuǎn)速成正比。測速發(fā)電機(jī)分為直流 測速發(fā)電機(jī)和交流測速發(fā)電機(jī)兩大類 。直流測速發(fā)電機(jī)是一種測速元件，它把轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成直流電壓信號 輸出。直流測速發(fā)電機(jī)廣泛地應(yīng)用于自動控制、測量技術(shù)和計算

7、機(jī)技術(shù)等 裝置中。直流測速發(fā)電機(jī)可分為電磁式和永磁式兩種。電磁式勵磁繞組接 成他勵，永磁式采用矯頑力高的磁鋼制成磁極。交流測速發(fā)電機(jī)有空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機(jī)、籠式轉(zhuǎn)子異步測速發(fā) 電機(jī)和同步測速發(fā)電機(jī) 3 種。測速發(fā)電機(jī)廣泛用于各種速度或位置控制系統(tǒng)。在自動控制系統(tǒng)中作 為檢測速度的元件，以調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速或通過反饋來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和精 度；在解算裝置中可作為微分、積 分元件，也可作為加速或延遲信號用或 用來測量各種運動機(jī)械在擺動或轉(zhuǎn)動以及直線運動時的速度。2.4 伺服電動機(jī)伺服電動機(jī)是用作自動控制裝置中執(zhí)行元件 的微特電機(jī)。又稱執(zhí)行電 動機(jī)。其功能是將電信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度。伺服電動

8、機(jī)分交、直流兩 類。交流伺服電動機(jī)具有運行穩(wěn)定、可控性 好、響應(yīng)快速、靈敏度高以及機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的非線性度指標(biāo)嚴(yán)格等 特點。直流伺服電動機(jī)具有良好的線性調(diào)節(jié)特性及快速的時間響應(yīng)。直流伺服電機(jī)的特性較交流伺服電機(jī)硬。通常應(yīng)用于功率稍大的系統(tǒng) 中，如隨動系統(tǒng)中的位置控制等。交流伺服電機(jī)的輸出功率一般為 0.1-100 W ，電源頻率分 50Hz 、400Hz 等多種。它的應(yīng)用很廣泛，如用在各種自動控制、自動記錄等系統(tǒng)中 。2.5 微型同步電機(jī)微型同步電機(jī)的額定功率從零點幾瓦到數(shù)百瓦，由于同步電動機(jī)的轉(zhuǎn) 速在一定的輸出功率范圍內(nèi)是不 隨負(fù)載變化的這種恒速特性使得微型同步 電機(jī)在諸如電報傳真機(jī)、磁

9、帶錄音機(jī)和各種精密的計時或是記錄裝置中得 到了廣泛的應(yīng)用。微型同步電機(jī)按定子繞組所接電源相數(shù)不同，可分為三相和單相同步 電機(jī)兩大類。三相微型同步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與普通三相同步電機(jī)相同。在 定子鐵芯槽內(nèi)嵌放有彼此相差120°電度角的三相繞組。工作時，由三相電源供電。單相微型同步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與單相異步電機(jī)相同，又分為兩相 起動式和罩極式兩種。工作時有單相電源供電。2.6 無刷直流電動機(jī)一種用電子換向的小功率直流電動機(jī)。 又稱無換向器電動機(jī)、 無整流子直 流電動機(jī)。 它是用半導(dǎo)體逆變器取代一般直流電動機(jī)中的機(jī)械換向器， 構(gòu)成沒 有換向器的直流電動機(jī)。這種電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，沒有火花，電

10、磁噪聲 低，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代生產(chǎn)設(shè)備、儀器儀表、計算機(jī)外圍設(shè)備和高級家用電器。無刷直流電動機(jī)由同步電動機(jī)和驅(qū)動器組成， 是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn) 品。同步電動機(jī)的定子繞組多做成三相對稱星形接法， 同三相異步電動機(jī)十分 相似。而轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動機(jī) 內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接 受電動機(jī)的啟動、停止、制動信號，以控制電動機(jī)的啟動、停止和制動；接受 位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號， 用來控制逆變橋各功率管的通斷， 產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn) 矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等 等。2.7 步進(jìn)電動機(jī)步進(jìn)電動

11、機(jī) 把電脈沖信號變換成角位移以控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的 微特電機(jī)。 在自動控制裝置中作為 執(zhí)行元件 。每輸入一個脈沖信號，步進(jìn)電動機(jī)前進(jìn) 一步，故又稱脈沖電動機(jī)。步進(jìn)電動機(jī)分為機(jī)電式及磁電式兩種基本類型。 機(jī)電式步進(jìn)電動機(jī)由鐵心、線圈、齒輪機(jī)構(gòu)等組成。螺線管線圈通電 時將產(chǎn)生磁力， 推動其鐵心心子運動， 通過齒輪機(jī)構(gòu)使輸出軸轉(zhuǎn)動一角度， 通過抗旋轉(zhuǎn)齒輪使輸出轉(zhuǎn)軸保持在新的工作位置；線圈再通電，轉(zhuǎn)軸又轉(zhuǎn) 動一角度，依次進(jìn)行步進(jìn)運動。磁電式步進(jìn)電動機(jī)主要有永磁式、 反應(yīng)式和永磁感應(yīng)子式 3 種形式。 步進(jìn)電機(jī) 主要用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，精度高，運行可靠。如采用位置 檢測和速度反饋，亦可實現(xiàn)閉環(huán)控制。步進(jìn)電動機(jī)

12、已廣泛地應(yīng)用于數(shù)字控 制系統(tǒng)中，如數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)控機(jī)床、計算機(jī)外圍設(shè)備、自動記錄儀、 鐘表等之中，另外在工業(yè)自動化生產(chǎn)線、印刷設(shè)備等中亦有應(yīng)用 。2.8 直線電動機(jī)直線電動機(jī)也稱線性電機(jī)，線性馬達(dá)，直線馬達(dá)，推桿馬達(dá)。最常用 的直線電機(jī)類型是平板式和 U 型槽式， 和管式。 線圈的典型組成是三相， 有霍爾元件實現(xiàn)無刷換相。直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機(jī)械能，而不 需要任何中 間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動裝置。它可以看成是一臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)按徑向剖開，并展成 平面而成。直線電機(jī)主要應(yīng)用于三個方面：一是應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)，這類應(yīng)用場合 比較多；其次是作為長期連續(xù)運行的驅(qū)動電機(jī)；三是應(yīng)用在需要短時間、短距

13、 離內(nèi)提供巨大的直線運動能的裝置中。3.自整角機(jī)的基本結(jié)構(gòu)自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)和一般旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似， 主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。 定子鐵心的內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子鐵心的外圓之間存在有很小的氣隙。 定子和轉(zhuǎn)子也分 別有各自的電磁部分和機(jī)械部分。 自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖 1 所示。 定子 鐵心是由沖有若干槽數(shù)的簿硅鋼片疊壓而成， 圖 2 表示定子鐵心沖片。 圖 表示轉(zhuǎn)子 （ 有隱極和凸極兩種 ）剖視圖。 定子鐵心槽內(nèi)布置有三相對稱繞組， 轉(zhuǎn)子鐵心上布置有單相繞組 （ 差動式自整角機(jī)為三相繞組 ）。456I一定子餓心2三相繞斷 U子鐵心；4轉(zhuǎn)了繞組匸搟壞6-軸圖3自整角機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖圖2定子鐵心沖片圖3自整角機(jī)轉(zhuǎn)子直流

14、測速發(fā)電機(jī)應(yīng)用案例有關(guān)直流測速發(fā)電機(jī)特點、應(yīng)用、控制的研究摘要：直流測速發(fā)電機(jī)是一種測速元件，它把轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成直流電壓信號輸出。直流測速 發(fā)電機(jī)廣泛地應(yīng)用于自動控制、測量技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等裝置中。直流測速發(fā)電機(jī)可分 為電磁式和永磁式兩種。電磁式勵磁繞組接成他勵，永磁式采用矯頑力高的磁鋼制成磁 極。由于永磁式不需另加勵磁電源，也不因勵磁繞組溫度變化而影響輸出電壓，故應(yīng)用 較廣。關(guān)鍵詞：直流測速發(fā)電機(jī) 特點應(yīng)用控制研究0引言:直流測速發(fā)電機(jī)是一種微型直流發(fā)電機(jī)，實質(zhì)是一種轉(zhuǎn)速測量傳感器，將機(jī)械速度轉(zhuǎn) 變?yōu)殡妷盒盘枺谧詣涌刂葡到y(tǒng)和計算裝置中作為檢測元件、校正元件等。在恒速控制 系統(tǒng)中，測量旋轉(zhuǎn)裝

15、置的轉(zhuǎn)速，向控制電路提供與轉(zhuǎn)速成正比的信號電壓作為反饋信號以調(diào)節(jié)速度。工作原理如圖。foUf11當(dāng)被測裝置帶動發(fā)電機(jī)電樞旋轉(zhuǎn)，電樞產(chǎn)生電動勢Ea,其大小為Ea=KE $ n發(fā)電機(jī)的輸出電壓為：U=Ea-Rala=KE $ n-RaIa又：la=U/RL故: U=(KE $ /1+ (Ra/RL)n可見，當(dāng)勵磁電壓 Uf保持恒定時，$亦恒定，若 Ra、RL不變，輸出電壓U的大小與轉(zhuǎn)速n成正比(U=k n )。對于不同的負(fù)載電阻RL ,測速發(fā)電機(jī)輸出特性的斜率有所不同，如圖2。由于電機(jī)電樞反應(yīng)，使輸出電壓與轉(zhuǎn)速有一定的線性誤差。RL越小、n越大，誤差越大。因此，應(yīng)使RL和n的大小符合直流測速發(fā)電機(jī)

16、的技術(shù)要求，以確?？刂葡到y(tǒng)的精度。直流測速發(fā)電機(jī)的輸出特性圖為直流測速發(fā)電機(jī)在恒速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用圖。其中，直流伺服電動機(jī)S M拖動機(jī)械TG，將 TG負(fù)載，要求負(fù)載轉(zhuǎn)矩變動時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速不變。SM同軸連接直流測速發(fā)電機(jī)輸出電壓送入系統(tǒng)的輸入端作為反饋電壓Uf ,且Uf與給定電壓恒速控制系統(tǒng)原理圖1直流測速發(fā)電機(jī)特點:自動控制系統(tǒng)對其元件的要求，主要是精確度高、靈敏度高、可靠性好等。據(jù)此，直流 測速發(fā)電機(jī)在電氣性能方面具有以下幾項特點：1.1輸出電壓和轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線(即為輸出特性)應(yīng)為線性；1.2溫度變化對輸出特性的影響要?。?.3輸出特性的斜率要大；1.4輸出電壓的紋波要小，即要求在一定的轉(zhuǎn)速下

17、輸出電壓要穩(wěn)定，波動要??；3.61.5正，反轉(zhuǎn)兩個方向的輸出特性要一致，實際應(yīng)用中一般都是不一致的，稍有差別;體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、對無線電通信的干擾小、噪聲小等特點。2直流測速發(fā)電機(jī)的控制研究:實際上直流測速發(fā)電機(jī)的輸出特性Ua=f(n)并不是嚴(yán)格的線性塔形，而與線性特性之間存在有誤差，下面討論產(chǎn)生誤差的主要愿意及減小誤差的方法。直流測速發(fā)電機(jī)的輸出特性誤差分析：直流測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓與轉(zhuǎn)速要嚴(yán)格保持正比關(guān)系在實際中是難以做 到的，其實際的輸出特性為圖中實線，造成這種非線性誤差的原因主要有以下三個方面：2.1溫度影響：電機(jī)周圍環(huán)境溫度的變化以及電機(jī)本身發(fā)熱都會引起電機(jī)繞組電阻的變化。當(dāng)溫度升高 時，激磁繞阻電阻增大，激磁電流減小，磁通也隨之減小，輸出電壓就降低。反之，當(dāng) 溫度下降時，輸出電壓便升高。處理方法：在激磁回路中串聯(lián)一個阻值比激磁繞阻電阻大幾倍的附加電阻來穩(wěn)流，這樣，盡管溫度升高將引起激磁繞組電阻增大，但整個激 磁回路的總電阻增加不多。附加電阻可以用溫度系數(shù)較低的合金材料制成。2.2電樞反應(yīng)：測速運行時，其電樞繞組的電流產(chǎn)生電樞磁場，它對激磁繞組磁場有去磁效應(yīng)。而且 負(fù)載電阻越小或是轉(zhuǎn)速越高，負(fù)載電流就越大，去磁作用就越明顯，造成輸出特性曲線 非線性誤差增加。處理方法：為了減小電樞反應(yīng)對輸出特性的影響，在直流測速發(fā)電機(jī)的技術(shù)條件中標(biāo) 有最大轉(zhuǎn)速和最小負(fù)