第6章 控制電機

第6章控制電機目錄6.1伺服電動機6.2步進電動機6.3測速發(fā)電機6.4自整角機6.5旋轉(zhuǎn)變壓器6.6感應(yīng)同步器第6章控制電機2/996.1伺服電動機伺服電動機——執(zhí)行電動機?！窆δ埽簩㈦妷盒盘栟D(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速信號。●種類：直流伺服電動機、交流伺服電動機。伺服電動機的特點可控性好：控制信號一出現(xiàn)，電機馬上轉(zhuǎn)動；控制信號一消失，電機立即停轉(zhuǎn)具有線性的機械特性和調(diào)節(jié)特性轉(zhuǎn)動慣量小，能快速響應(yīng)(轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：細長、無鐵心、空心杯)1.直流伺服電動機(1)基本結(jié)構(gòu)與普通小型直流電動機相同。●勵磁方式：永磁式、電磁式（他勵）。稀土永磁材料：稀土鈷、稀土釹鐵硼等。SM+Ua－IaE永磁式SM+Ua－IaE+Uf－If電磁式6.1伺服電動機(2)工作原理——與普通直流電機無異施加Ua→Ia

主磁通：ΦTe→n→E電磁轉(zhuǎn)矩：

Te=CTΦ

Ia

電動勢：

E

=CEΦ

n電樞電路電壓方程：

Ua

=E+Ra

Ian=UaCEΦ－RaCECTΦ2Te

6.1伺服電動機(3)控制方式及其特性①電樞控制式：

Uf

=UfN，Ua

=Uc（控制電壓）n=UcCEΦN－RaCECTΦN2TeOTen

Uc3

Uc2Uc1Uc3＞Uc2＞Uc1機械特性O(shè)UcnT1

T2

T3T3＞T2＞T1控制特性6.1伺服電動機②磁場控制式：Ua

=UaN，

Uf

=Uc（控制電壓）忽略磁路飽和、不計電樞反應(yīng)：

Φ=CφUf=CφUcn=UaNCECφUc

－RaCECTCφ2Uc2Te

nOTe

Uc3Uc2Uc1UC3＞Uc2＞Uc1機械特性6.1伺服電動機(1)基本結(jié)構(gòu)①定子：兩相對稱繞組②轉(zhuǎn)子:籠型結(jié)構(gòu)/空心杯2.(傳統(tǒng)的)交流伺服電動機控制繞組勵磁繞組SM~c＋Uc－＋Uf

－f交流伺服電動機實際上是一種兩相異步電動機。6.1伺服電動機轉(zhuǎn)子內(nèi)定子外定子繞組轉(zhuǎn)軸空心杯轉(zhuǎn)子交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)示意圖:6.1伺服電動機對稱兩相繞組在空間上互差90

電角度繞組中對稱兩相電流在時間上互差90

電角度兩相繞組產(chǎn)生的圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢6.1伺服電動機fc1分解為兩個大小相等、轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁動勢ff1分解為兩個大小相等、轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁動勢反向旋轉(zhuǎn)磁動勢互相抵消正向旋轉(zhuǎn)磁動勢合成圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢f1兩相對稱磁動勢的合成——圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢6.1伺服電動機①兩相繞組通以相位相差90o的額定電壓●對稱兩相運行→圓形旋轉(zhuǎn)磁場●改變轉(zhuǎn)向：

uc

反相，即改變兩相繞組中電流的相序→旋轉(zhuǎn)磁場改變方向→轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向改變。(2)工作原理SM~c＋Uc－＋Uf

－f6.1伺服電動機②

當uc=0或uc≠0，但uc和uf同相位時電機處在單相狀態(tài)→脈振磁動勢F0

：靜止時：n=0，Te+

=Te－，Te

=0，不能起動；正在運行時：Te

≠0，轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)——單相自轉(zhuǎn)！TeOnn=f(TF)n=f(TR)n=f(T)普通異步電動機如果電機參數(shù)與一般的單相異步電動機一樣，當控制信號消失時，電機轉(zhuǎn)速雖會下降，但仍會繼續(xù)轉(zhuǎn)動。伺服電動機在控制信號消失后仍繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的失控現(xiàn)象稱為“自轉(zhuǎn)”。6.1伺服電動機TeOnn=f(Te+)n=f(Te-)n=f(Te)普通單相異步電動機單相繞組產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩nTeOR2↑n=f(Te+)n=f(Te-)n=f(Te)交流伺服電動機單相運行

克服自轉(zhuǎn)加大轉(zhuǎn)子電阻，使sm>1，單相運行時:n>0,Te<06.1伺服電動機①兩相控制：保持

=90o和Uc=Uf

，同時改變

Uc和Uf的大?。ㄊ冀K為對稱運行）。②幅值控制：保持

=90o和Uf=UN，改變Uc

和Uf的大小。③相位控制：保持Uc=Uf

=UN

，改變

的大小。④幅相控制：同時改變uc的大小和相位?！窠涣魉欧妱訖C的功率和頻率：

0.1~100W，50、400Hz等。(3)控制方式6.1伺服電動機6.2步進電動機●功能：將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速信號。轉(zhuǎn)角θ∝脈沖信號的個數(shù)；轉(zhuǎn)速n∝脈沖信號的頻率?！裼猛荆焊呔鹊慕嵌瓤刂啤！癜炊ㄗ酉鄶?shù)不同：三相、四相、五相、六相等；按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同：永磁式、磁阻式、混合式與電源、負載、環(huán)境等因素無關(guān)1.基本結(jié)構(gòu)2.工作原理1.定子：一、結(jié)構(gòu)2.轉(zhuǎn)子：1423U1U2V1V2W2W1三相磁阻式步進電動機原理圖6.2步進電動機2.工作原理●一拍：從一次通電到另一次通電?！癫骄嘟牵好恳慌霓D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。(1)m相單m拍運行（三相單三拍運行）(2)m相雙m拍運行（三相雙三拍運行）(3)m相單-雙m拍運行（三相雙三拍運行）6.2步進電動機1423U1U2V1V2W2W1(1)m相單m拍運行（三相單三拍運行）

通電順序：U相→V相→W

相→U相。1423(1)U相通電1423U1U2V1V2W2W11423(2)V相通電1423U1U2V1V2W2W11423(3)W相通電●

步距角：θ=30°6.2步進電動機(2)m相雙m拍運行（三相雙三拍運行）

通電順序：UV相→VW相→WU相。1423U1U2V1V2W2W1(1)UV相通電14231423U1U2V1V2W2W1(2)VW相通電14231423U1U2V1V2W2W1(3)WU相通電1423●

步距角：θ=30°6.2步進電動機(3)m相單-雙2m拍運行(三相單-雙六拍運行）通電順序：U→UV→V→VW→W→WU→U。1423U1U2V1V2W2W11423U1U2V1V2W2W11423U1U2V1V2W2W11423U1U2V1V2W2W11423U1U2V1V2W2W11423U1U2V1V2W2W11423●θ=15°6.2步進電動機●步距角：θ=360°zNz

：轉(zhuǎn)子齒數(shù)N：拍數(shù)●

轉(zhuǎn)速：一個θ→轉(zhuǎn)(1/

zN)圈，脈沖頻率為f→每秒轉(zhuǎn)(f

/

zN)圈。n=60fzN例如：三相步進電動機z=40，則①采用單/雙三拍時：②采用三相六拍時：θ=360°zN360°40×3==3°θ=360°zN360°40×6==1.5°6.2步進電動機●

步進電動機的參數(shù)：脈沖放大器步進電動機脈沖分配器脈沖輸入負載驅(qū)動電源

最大靜轉(zhuǎn)矩、起動頻率、運行頻率?！?/p>

步進電動機的控制方式：6.2步進電動機●

步進電動機的典型結(jié)構(gòu)U2U1W2W1V1V26.2步進電動機6.3測速發(fā)電機功能：將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓信號。用途：校正元件、計算元件。種類：直流測速發(fā)電機、交流測速發(fā)電機。1.直流測速發(fā)電機2.交流測速發(fā)電機1.直流測速發(fā)電機(1)基本結(jié)構(gòu)：與普通小型直流發(fā)電機相同。勵磁方式：電磁式（他勵）和永磁式。EI＋

U－TGRL＋Uf－If電磁式TGRLEI＋

U－永磁式(2)工作原理空載時：U=E

=CEΦ

n負載時：U=E

－Ra

I6.3測速發(fā)電機U=CEΦ

n－RaURLU=nCEΦ

1+RaRLU∝

nRL→∞

RL2

RL1UnORL2＞RL1①電樞反應(yīng)——采用較大RL②環(huán)境溫度的變化，引起繞組的電阻值變化——勵磁串低溫度系數(shù)電阻③負載變化，引起電刷與換向器接觸電阻的變化?！徒佑|電阻電刷6.3測速發(fā)電機2.交流測速發(fā)電機(1)基本結(jié)構(gòu)定子：

定子鐵心上有兩相對稱繞組。轉(zhuǎn)子：籠型、杯型。輸出繞組勵磁繞組(2)工作原理Φd正弦交流uf→if→Φd

Φd=Φdm

sinωt①

轉(zhuǎn)子靜止時：勵磁繞組:一次繞組轉(zhuǎn)子繞組:二次繞組－Uf＋IfEf××··Ed→Ef→Ed→Id6.3測速發(fā)電機IfId→Ff→Fd→Φd××··－Uf＋IfEfΦdEd忽略勵磁繞組的漏阻抗，則：Uf=－Ef=

j

4.44fkwfNfΦdm輸出繞組：與Φd

無交鏈，不會產(chǎn)生E0。＋

U0－Ed=－j

4.44fkwrNrΦdm即：n=0時，U0

=0。勵磁繞組：轉(zhuǎn)子繞組：6.3測速發(fā)電機②轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時：Φd－Uf＋IfEfΦd＋

U0－交變感應(yīng)旋轉(zhuǎn)切割（右手定則）

Ed→Id

Eq→IqEq·×××··→ΦqΦq

eq=

C1Φd

n（轉(zhuǎn)子繞組的q軸電動勢）=

C1n

Φdm

sinωtΦq

=C2eq（q軸氣隙磁通）=

C1C2n

Φdm

sinωt=

Φqm

sinωtC1、C2——電機常數(shù)。Φqm

=

C1C2n

Φdm6.3測速發(fā)電機輸出繞組：U0=－E0=j4.44fkw0N0Φqm=j4.44fkw0

N0C1C2n

Φdm

=C1C2n

Uf

kw0

N0kwfNfΦq→E0→U0輸出空載電壓：－Uf＋IfEfΦd＋

U0－Eq·×××··ΦqE0

結(jié)論：①U0

∝n；②

u0與uf同頻率、同相位。6.3測速發(fā)電機6.4自整角機

功能：將轉(zhuǎn)角信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，或反之。通過兩個或兩個以上的組合，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)角的傳輸、轉(zhuǎn)換和接收。

同步聯(lián)接系統(tǒng)：無機械聯(lián)接的兩個系統(tǒng)同步轉(zhuǎn)動。

種類：①按作用的不同：力矩式、控制式；②按相數(shù)的不同：單相、三相。

結(jié)構(gòu)：

定子、轉(zhuǎn)子。單相：定子為三相繞組、轉(zhuǎn)子為單相繞組；三相：定子、轉(zhuǎn)子均為三相繞組。自整角機的結(jié)構(gòu)示意圖轉(zhuǎn)子鐵心單相繞組定子鐵心三相繞組電刷1.力矩式自整角機2.控制式自整角機6.4自整角機1.力矩式自整角機UVWUVWa發(fā)送機b接收機~ΦΦEUaEVaEWaEUbEVbEWb(1)轉(zhuǎn)子處在協(xié)調(diào)位置時

縱向脈振Φ

→EUa=EUb，EVa=EVb，EWa=EWb;IUIVIWIU=IV=

IW=0

→Te

=0，轉(zhuǎn)子靜止。定同子步繞組6.4自整角機UVWUVWa發(fā)送機b接收機~EUaEVaEWaEUbEVbEWbIUIVIW(2)轉(zhuǎn)子處在非協(xié)調(diào)位置時Φ

Φ

→EUa≠EUb，EVa≠EVb，EWa≠EWb;IU、IV、IW≠0

Φ→Te

≠

0，6.4自整角機UVWUVWa發(fā)送機b接收機~EUaEVaEWaEUbEVbEWbIUIVIW(2)轉(zhuǎn)子處在非協(xié)調(diào)位置時Φ→EUa≠EUb，EVa≠EVb，EWa≠EWb;ΦIU、IV、IW≠0

→Te≠

0，接收機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)

角。

Φ從新達到協(xié)調(diào)位置，使IU=IV=

IW=0，

Te=0。6.4自整角機2.控制式自整角機UVWa控制式發(fā)送機UVWb自整角變壓器ΦΦ'EUaEVaEWaIUIVIW＋Uf－＋U0－(1)轉(zhuǎn)子處在協(xié)調(diào)位置時

Φ→EU、EV、EW

不同大小同相位，則IU、IV、IW不同大小同相位→產(chǎn)生縱向脈振磁場→與輸出繞組不交鏈→U0=0。6.4自整角機UVWa控制式發(fā)送機UVWb自整角變壓器＋Uf－＋U0－(2)轉(zhuǎn)子處在非協(xié)調(diào)位置時EUaEVaEWa

ΦIUIVIWΦ'Φ→EU、EV、EW→IU、IV、IW→Φ'→Φ'與輸出繞組交鏈E0→產(chǎn)生E0∝sin

。即U0∝sin

。6.4自整角機6.5旋轉(zhuǎn)變壓器

功能：將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變換成與之有函數(shù)關(guān)系的電壓信號。

結(jié)構(gòu)：相當于一臺兩相繞線型異步電動機。定、轉(zhuǎn)子鐵心上都有兩個結(jié)構(gòu)相同而互相 垂直的繞組。

種類：計算用和數(shù)據(jù)傳輸用旋轉(zhuǎn)變壓器。1.正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器2.線性旋轉(zhuǎn)變壓器3.比例式旋轉(zhuǎn)變壓器4.數(shù)據(jù)傳輸用旋轉(zhuǎn)變壓器1.正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器

將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變換成與之成正余弦函數(shù)關(guān)系的電壓信號。

定子：

D1D2：勵磁繞組；

D3D4

：補償繞組。

轉(zhuǎn)子：

Z1Z2：余弦輸出繞組；

Z3Z4：正弦輸出繞組。D1D2D3D4Z1Z2Z3Z4基準位置（初始位置）6.5旋轉(zhuǎn)變壓器(1)空載運行D1D2D3D4Z1Z2Z3Z4＋Uf－＋Ucos－＋Usin－轉(zhuǎn)子處在基準位置時ID12Uf

→ID12→FDd→Φd

轉(zhuǎn)子處在基準位置時：在D1D2中：Φd→ED

在Z1Z2中：Φd→EZ

在Z3Z4中：沒有感應(yīng)。

ED=

4.44fkw1N1ΦdmEZ=

4.44fkw2N2Φdmk==EZEDkw2N2kw1N16.5旋轉(zhuǎn)變壓器

轉(zhuǎn)子偏離基準位置

角時：轉(zhuǎn)子偏離基準位置

角D1D2D3D4Z1Z2Z3Z4＋Uf－＋Ucos－＋Usin－ID12Z1Z3Z4Z2＋Ucos－＋Usin－

ΦZ12=Φdcos

ΦZ34=Φdsin

EZ12=EZcos

=kEDcos

=kUfcos

EZ34=EZsin

=kEDsin

=kUfsin

空載輸出電壓：

Ucos=kU