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(hào)：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(yùn)行特性為主線的指導(dǎo)思想，同時(shí)兼顧控制電機(jī)的合理選擇和實(shí)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(cè)速發(fā)電機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和各類微特同步電動(dòng)機(jī)，對(duì)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(dòng)機(jī)、測(cè)速發(fā)電機(jī)、自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。1、控制電機(jī)的分類控制電機(jī)根據(jù)在自

2、動(dòng)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）l 直流伺服電動(dòng)機(jī)l 交流伺服電動(dòng)機(jī)l 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)l 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作用是將電信號(hào)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(dòng)控制對(duì)象運(yùn)動(dòng)。（2）測(cè)量元件（信號(hào)元件）l 自整角機(jī) l 交、直流測(cè)速發(fā)電機(jī) l 旋轉(zhuǎn)變壓器作用是測(cè)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(dòng)機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等，它的任務(wù)是將輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度的變化；測(cè)量元件主要包括交、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，自整角機(jī)等，它可以用來(lái)測(cè)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(jiǎn)介2.1旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器

3、（resolver）是一種電磁式傳感器，又稱同步分解器。它是一種測(cè)量角度用的小型交流電動(dòng)機(jī)，用來(lái)測(cè)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(dòng)系統(tǒng)及數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)中可用于傳遞轉(zhuǎn)角或電信號(hào)；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(duì)磁極，四極繞組則各有兩隊(duì)磁極，主要用于高精度的檢測(cè)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(duì)式檢測(cè)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)子轉(zhuǎn)角的函數(shù)關(guān)系成正弦或余弦函數(shù)關(guān)系。2

4、、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(cè)裝置，適用于所有使用旋轉(zhuǎn)編碼器的場(chǎng)合，特別是高溫、嚴(yán)寒、潮濕、高速、高震動(dòng)等旋轉(zhuǎn)編碼器無(wú)法正常工作的場(chǎng)合。由于旋轉(zhuǎn)變壓器以上特點(diǎn)，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(cè)系統(tǒng)中。也可用于坐標(biāo)變換、三角運(yùn)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)

5、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(cè)量角度的位移傳感器。自整角機(jī)還可用以實(shí)現(xiàn)角度信號(hào)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(shí)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觸式自整角機(jī)；通過電磁耦合方法引出接線的為無(wú)接觸式自整角機(jī)，后者無(wú)接觸摩擦和無(wú)線電干擾,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,性能指標(biāo)和利用率低

6、。 控制式自整角接收機(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(tái)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(cè)量系統(tǒng)，也可以有差動(dòng)工作方式。 2.3測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種測(cè)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(hào)輸出，并要求輸出的電壓信號(hào)與轉(zhuǎn)速成正比。 測(cè)速發(fā)電機(jī)分為直流測(cè)速發(fā)電機(jī)和交流測(cè)速發(fā)電機(jī)兩大類 。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種測(cè)速元件，它把轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)輸出。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制、測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等裝置中。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)可分為電磁式和永磁式兩種。電磁式勵(lì)磁繞組接成他勵(lì)，永磁式采用矯頑力高的磁鋼制成磁極。交流測(cè)速發(fā)電機(jī)有空

7、心杯轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)、籠式轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)和同步測(cè)速發(fā)電機(jī)3種。測(cè)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(dòng)控制系統(tǒng)中作為檢測(cè)速度的元件，以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或通過反饋來(lái)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(hào)用或用來(lái)測(cè)量各種運(yùn)動(dòng)機(jī)械在擺動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)以及直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度。2.4伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)是用作自動(dòng)控制裝置中執(zhí)行元件的微特電機(jī)。又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。其功能是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度。伺服電動(dòng)機(jī)分交、直流兩類。交流伺服電動(dòng)機(jī)具有運(yùn)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(diǎn)。直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的線性調(diào)節(jié)特

8、性及快速的時(shí)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(dòng)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(dòng)控制、自動(dòng)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(diǎn)幾瓦到數(shù)百瓦，由于同步電動(dòng)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(bào)傳真機(jī)、磁帶錄音機(jī)和各種精密的計(jì)時(shí)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

9、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(shí)，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(dòng)式和罩極式兩種。工作時(shí)有單相電源供電。2.6無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)一種用電子換向的小功率直流電動(dòng)機(jī)。又稱無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)、無(wú)整流子直流電動(dòng)機(jī)。它是用半導(dǎo)體逆變器取代一般直流電動(dòng)機(jī)中的機(jī)械換向器，構(gòu)成沒有換向器的直流電動(dòng)機(jī)。這種電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，沒有火花，電磁噪聲低，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代生產(chǎn)設(shè)備、儀器儀表、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和高級(jí)家用電器。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由同步電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱星形接法，同三相異步電動(dòng)機(jī)十

10、分相似。而轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來(lái)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(hào)，用來(lái)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(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)把電脈沖信號(hào)變換成角位移以控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的微特電機(jī)。在自動(dòng)控制裝置中作為執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)前進(jìn)一步，故又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)機(jī)由鐵心、線圈、齒輪機(jī)構(gòu)等組成。螺

11、線管線圈通電時(shí)將產(chǎn)生磁力，推動(dòng)其鐵心心子運(yùn)動(dòng)，通過齒輪機(jī)構(gòu)使輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)一角度，依次進(jìn)行步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。磁電式步進(jìn)電動(dòng)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(yùn)行可靠。如采用位置檢測(cè)和速度反饋，亦可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、自動(dòng)記錄儀、鐘表等之中，另外在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線、印刷設(shè)備等中亦有應(yīng)用。2.8直線電動(dòng)機(jī)直線電動(dòng)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。

12、線圈的典型組成是三相，有霍爾元件實(shí)現(xiàn)無(wú)刷換相。直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。它可以看成是一臺(tái)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(gè)方面：一是應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)，這類應(yīng)用場(chǎng)合比較多；其次是作為長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)電機(jī)；三是應(yīng)用在需要短時(shí)間、短距離內(nèi)提供巨大的直線運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)圖如圖 1 所示。 定子鐵心是由沖有若干槽數(shù)的

13、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(duì)稱繞組， 轉(zhuǎn)子鐵心上布置有單相繞組(差動(dòng)式自整角機(jī)為三相繞組)。圖3自整角機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖 2 定子鐵心沖片圖3 自整角機(jī)轉(zhuǎn)子直流測(cè)速發(fā)電機(jī)應(yīng)用案例  有關(guān)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)特點(diǎn)、應(yīng)用、控制的研究 摘要：   直流測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種測(cè)速元件，它把轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)輸出。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制、測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等裝置中。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)可分為電磁式和永磁式兩種。電磁式勵(lì)磁繞組接成他勵(lì)，永磁式采用矯頑力高的磁鋼制成磁

14、極。由于永磁式不需另加勵(lì)磁電源，也不因勵(lì)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(cè)速發(fā)電機(jī) 特點(diǎn) 應(yīng)用 控制研究  0引言:   直流測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種微型直流發(fā)電機(jī)，實(shí)質(zhì)是一種轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器，將機(jī)械速度轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算裝置中作為檢測(cè)元件、校正元件等。在恒速控制系統(tǒng)中，測(cè)量旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)速，向控制電路提供與轉(zhuǎn)速成正比的信號(hào)電壓作為反饋信號(hào)，以調(diào)節(jié)速度。工作原理如圖。    當(dāng)被測(cè)裝置帶動(dòng)發(fā)電機(jī)電樞

15、旋轉(zhuǎn)，電樞產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)Ea，其大小為 Ea=KEn 發(fā)電機(jī)的輸出電壓為： U=Ea-RaIa=KEn-RaIa  又：Ia=U/RL  故：U=(KE/1+ (Ra/RL)n  可見，當(dāng)勵(lì)磁電壓Uf保持恒定時(shí)， 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(duì)于不同的負(fù)載電阻RL，測(cè)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(cè)速發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求

16、，以確保控制系統(tǒng)的精度。                                                 

17、;                                     直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性    圖為直流測(cè)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(dòng)機(jī)S M拖

18、動(dòng)機(jī)械負(fù)載，要求負(fù)載轉(zhuǎn)矩變動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速不變。SM同軸連接直流測(cè)速發(fā)電機(jī)TG，將TG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(cè)速發(fā)電機(jī)特點(diǎn)： 自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)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(cè)速發(fā)電機(jī)在電氣性能方面具有以下幾項(xiàng)特點(diǎn)：  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(duì)輸出特性的影響要?。?#160;1.3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)速下輸出電壓要穩(wěn)定，波動(dòng)要?。?

19、#160;1.5正，反轉(zhuǎn)兩個(gè)方向的輸出特性要一致，實(shí)際應(yīng)用中一般都是不一致的，稍有差別； 3.6體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、對(duì)無(wú)線電通信的干擾小、噪聲小等特點(diǎn)。      2直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的控制研究：      實(shí)際上直流測(cè)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(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性     &#

20、160; 誤差分析：直流測(cè)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(shí)際中是難以做到的，其實(shí)際的輸                                                                出特性為圖中實(shí)線，造成這種非線性誤差的原因主要有以下三個(gè)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(huì)引起電機(jī)繞組電阻的變化。當(dāng)溫度升高時(shí)，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(shí)，輸出電壓便升高。