電機(jī)及拖動基礎(chǔ) 第5版 課件 第七章控制電機(jī)

第七章控制電機(jī)

本章在已學(xué)過的常規(guī)旋轉(zhuǎn)電機(jī)基本理論的基礎(chǔ)上，簡要地介紹幾種有特殊性能的常用控制電機(jī)

交直流伺服電動機(jī)、交直流測速發(fā)電機(jī)及步進(jìn)電動機(jī)等的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、特性等。

第七章控制電機(jī)控制電機(jī)概述控制電機(jī)系統(tǒng)中

廣泛應(yīng)用于國防、航天航空技術(shù)、先進(jìn)工業(yè)技術(shù)、民用領(lǐng)域之尖端技術(shù)與現(xiàn)代化裝備中。運(yùn)行高可靠性性能要求特性參數(shù)高精度對控制信號的快速響應(yīng)

傳遞信息變換控制信號執(zhí)行控制信號自動控制應(yīng)用雷達(dá)的掃描跟蹤、飛機(jī)自動駕駛、數(shù)控機(jī)床控制、遙測遙控、工業(yè)機(jī)器人控制、宇宙飛船等都少不了控制電機(jī)?？刂齐姍C(jī)概述控制電機(jī)按功能分類執(zhí)行用控制電機(jī)

交、直流伺服電動機(jī)

步進(jìn)電動機(jī)測速用控制電機(jī)

交、直流測速發(fā)電機(jī)

測位用控制電機(jī)

自整角機(jī)

旋轉(zhuǎn)變壓器

（電信號控制動作）(速度信號轉(zhuǎn)換為電信號)第一節(jié)伺服電動機(jī)

在自動控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，又稱執(zhí)行電動機(jī)。即將接收到的控制電壓信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出。在自動控制系統(tǒng)中，對伺服電動機(jī)的性能要求：無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象?？蛰d始動電壓低,靈敏度高機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性為線性,調(diào)速范圍寬?？焖夙憫?yīng)。一、直流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)控制方式電磁式（他勵）和永磁式直流伺服電動機(jī)與對應(yīng)的普通直流電動機(jī)在結(jié)構(gòu)上并無本質(zhì)上的差別電樞控制磁場控制電樞回路電感小，響應(yīng)快，在自動控制系統(tǒng)中多采用電樞控制。UcUaUc：控制電壓Control一、直流伺服電動機(jī)工作原理

直流伺服電動機(jī)與普通直流電動機(jī)的工作原理是完全相同的。對于電磁式且為樞控方式，當(dāng)勵磁繞組施加恒壓時(shí)，建立氣隙磁通Φ，電樞繞組作為控制繞組接收到控制電壓Uc后，電樞繞組內(nèi)的電流與磁場作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T，電動機(jī)轉(zhuǎn)動。當(dāng)控制電壓Uc=0時(shí)，Ic=0，電磁轉(zhuǎn)矩T=0，電動機(jī)立即停轉(zhuǎn)。保證了電動機(jī)無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，所以直流伺服電動機(jī)是自動控制系統(tǒng)中一種很好的執(zhí)行元件。電樞控制一、直流伺服電動機(jī)特性與他勵直流電動機(jī)改變電樞電壓時(shí)的人為機(jī)特相似。不同Uc時(shí)的機(jī)特族是線性的控制電壓UC越大，則n=0時(shí)對應(yīng)的起動轉(zhuǎn)矩T也越大，越利于起動。T一定Uc越大n越高T一定時(shí)的n=f(Uc)機(jī)械特性調(diào)節(jié)特性不同T時(shí)的調(diào)特族是線性的控制電壓UC<始動電壓Uc0，電動機(jī)不轉(zhuǎn)—“失靈區(qū)”。同樣的T下，失靈區(qū)越小，靈敏度越高。T1始動電壓一、直流伺服電動機(jī)結(jié)論

優(yōu)點(diǎn)：直流伺服電動機(jī)在電樞控制方式運(yùn)行時(shí)，特性的線性度好，調(diào)速范圍大，效率高，起動轉(zhuǎn)矩大，沒有“自轉(zhuǎn)現(xiàn)象”，可以說，具有理想的伺服性能。

缺點(diǎn)：電刷和換向器的接觸電阻數(shù)值不夠穩(wěn)定，對低速運(yùn)行的穩(wěn)定有一定影響。此外，電刷與換向器之間的火花有可能對控制系統(tǒng)產(chǎn)生有害的電磁波干擾。結(jié)論二、交流伺服電動機(jī)

交流伺服電動機(jī)在結(jié)構(gòu)上類似單相異步電動機(jī)。它的定子鐵心是用硅鋼片、鐵鋁合金或鐵鎳合金片疊壓而成，在其槽內(nèi)嵌放兩個(gè)空間相差90

電角度的兩個(gè)定子繞組，一個(gè)是勵磁繞組，另一個(gè)是控制繞組。結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子形式籠型轉(zhuǎn)子非磁性杯形轉(zhuǎn)子與普通三相異步電動機(jī)籠型轉(zhuǎn)子相似，只是外形上細(xì)而長，縮小直徑可使慣量降低；功率因數(shù)較高，電動機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度大，但快速響應(yīng)性能稍差，低速運(yùn)行也不夠平穩(wěn)。1.交流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本工作原理二、交流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)非磁性空心杯轉(zhuǎn)子交流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖外定子定子繞組杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)定子軸軸承用鋁或鋁合金制成。壁厚只有0.2～0.8mm，能在內(nèi)、外定子之間的間隙中運(yùn)轉(zhuǎn)。特有的由導(dǎo)磁材料制成優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)動慣量小，摩擦轉(zhuǎn)矩小，響應(yīng)快、運(yùn)行平穩(wěn)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣隙大，空載電流大，功率因數(shù)較低。二、交流伺服電動機(jī)空間相差90o電角度勵磁繞組工作原理控制繞組勵磁電壓和控制電壓分別施加于兩個(gè)繞組上，共同作用在電動機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，在籠形轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條中或杯形轉(zhuǎn)子的筒壁上感應(yīng)電動勢，產(chǎn)生電流(渦流)，再與磁場作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,使籠型或杯型轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。交流伺服電動機(jī)的原理圖當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來以后，控制信號消失，即斷開控制繞組，變成單相時(shí)，電動機(jī)仍然能夠轉(zhuǎn)動。自轉(zhuǎn)現(xiàn)象：“自轉(zhuǎn)”的消除：增加伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻。變成單相后，電磁轉(zhuǎn)矩>0,與轉(zhuǎn)速的方向相同，電動機(jī)仍然能夠轉(zhuǎn)動。變成單相后，電磁轉(zhuǎn)矩<0,與轉(zhuǎn)速的方向相反，制動作用，電動機(jī)立即停傳。轉(zhuǎn)子電阻較大（臨界轉(zhuǎn)差率sm≥1）時(shí)的機(jī)械特性轉(zhuǎn)子電阻較?。ㄅR界轉(zhuǎn)差率sm<1）時(shí)的機(jī)械特性工作原理1.交流伺服電動機(jī)的控制方法

交流伺服電動機(jī)不僅須具有受控于控制信號而起動和停轉(zhuǎn)的伺服性，而且還須具有轉(zhuǎn)速的大小及其轉(zhuǎn)向的可控性。

而交流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速大小調(diào)節(jié)，是靠兩相繞組合成橢圓旋轉(zhuǎn)磁場的橢圓度大小來自動調(diào)節(jié)的。橢圓度大，正轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場相應(yīng)地會削弱，對應(yīng)的正向轉(zhuǎn)矩減小；反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場則加強(qiáng)，對應(yīng)的反向轉(zhuǎn)矩增大，合成轉(zhuǎn)矩減小，轉(zhuǎn)速降低；反之轉(zhuǎn)速增大。

轉(zhuǎn)向的改變靠控制電源反相，使合成磁場反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子跟著反轉(zhuǎn)。（1）幅值控制改變控制電壓的幅值來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。Uc↓,n↓,當(dāng)Uc=0，則n=0，電動機(jī)停轉(zhuǎn)。與相位差始終是90

因交流伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)子電阻大，臨界轉(zhuǎn)差率sm大，機(jī)械特性很接近線性關(guān)系，但電阻過大，機(jī)械特性變軟，起動轉(zhuǎn)矩會降低。調(diào)節(jié)特性近似線性，調(diào)節(jié)特性更清楚地表示出伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)速隨控制信號變化的關(guān)系。（2）相位控制通過改變控制電壓的相位來控制交流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。β=90

，轉(zhuǎn)速最高,β

↓,n↓,當(dāng)β=0，則n=0，電動機(jī)停轉(zhuǎn)?？刂齐妷旱姆当３植蛔兘涣魉欧妱訖C(jī)相位控制接線示意圖與間的相位差為β（3）幅－相控制交流伺服電動機(jī)幅—相控制接線示意圖移相電容由于移相電容的作用，當(dāng)改變的幅值時(shí)，不僅相對改變，它們之間的相位也發(fā)生改變。因此這是一種幅值和相位復(fù)合控制方式。當(dāng)?shù)姆?0時(shí)，電動機(jī)停轉(zhuǎn)。幅—相控制的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性不如幅值控制和相位控制時(shí)的線性度好。但由于幅—相控制方式的設(shè)備簡單，不用移相器，并有較大的輸出功率，實(shí)際應(yīng)用最廣泛。第二節(jié)測速發(fā)電機(jī)作用：測速發(fā)電機(jī)是一種測速元件，它將輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。在自動控制及計(jì)算裝置中，測速發(fā)電機(jī)可以作為檢測元件、阻尼元件、計(jì)算元件和角加速信號元件。自控系統(tǒng)對測發(fā)的主要要求：輸出電壓對轉(zhuǎn)速的變化靈敏，即測速發(fā)電機(jī)的輸出特性斜率要大。輸出電壓與轉(zhuǎn)速保持嚴(yán)格的線性關(guān)系轉(zhuǎn)動慣量小，響應(yīng)快按照測速發(fā)電機(jī)輸出信號分類：可分為直流、交流兩大類一、直流測速發(fā)電機(jī)1.直流測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)

與普通小型直流發(fā)電機(jī)相同按勵磁方式分類：永磁式他勵電磁式因測速發(fā)電機(jī)的功率較小，而永磁式不需另加勵磁電源,也沒有因勵磁繞組溫度變化而影響輸出電壓的問題，所以應(yīng)用廣泛。

1.直流測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理工作原理空載時(shí)U∝n直流測速發(fā)電機(jī)的輸出特性直流測速發(fā)電機(jī)的工作原理圖負(fù)載時(shí)，經(jīng)推導(dǎo)可得測發(fā)的負(fù)載電阻RL↓→斜率↓2.產(chǎn)生的誤差和改進(jìn)方法一、直流測速發(fā)電機(jī)改進(jìn):負(fù)載電阻RL不得小于規(guī)定值，轉(zhuǎn)速不得高于規(guī)定值電樞磁阻的去磁作用,高速時(shí),輸出特性變成非線性電刷接觸電阻的非線性,出現(xiàn)失靈區(qū)溫度的影響,勵磁繞組長期通電而發(fā)熱，電阻↑,勵磁電流,磁通↓,顯線性誤差改進(jìn):選用接觸壓降較小的金屬一石墨刷改進(jìn):勵磁繞組串聯(lián)一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)電阻直流測速發(fā)電機(jī)的輸出特性二、交流測速發(fā)電機(jī)

交流異步測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與交流伺服電動機(jī)相似，為了提高系統(tǒng)的快速性和靈敏度，減少轉(zhuǎn)動慣量，目前廣泛應(yīng)用的交流異步測速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子都是空心杯形結(jié)構(gòu)。在機(jī)座號小的測速發(fā)電機(jī)中，定子槽內(nèi)嵌放著空間相差90o角度的兩相繞組，其中一相繞組作為勵磁繞組；另一相作為輸出繞組。在機(jī)座號較大的測速發(fā)電機(jī)中，常把勵磁繞組嵌放在外定子上，而把輸出繞組嵌放在內(nèi)定子上，以便調(diào)節(jié)內(nèi)、外定子間的相對位置，使剩余電壓最小。內(nèi)、外定子的空氣隙中，為空心杯形轉(zhuǎn)子。

交流測速發(fā)電機(jī)有異步式和同步式兩種，下面介紹在自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用較廣的交流異步測速發(fā)電機(jī)。結(jié)構(gòu)

工作原理二、交流測速發(fā)電機(jī)率為f1，其軸線就是d軸。d軸的脈振磁通只能在空心杯轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出變壓器電動勢，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流，根據(jù)欏次定律，此電流所產(chǎn)生的磁通

rd和N1產(chǎn)生的磁通方向相反，所以合成磁通僅為沿d軸的磁通，而N2的軸線是q軸，它與d軸磁通沒有耦合關(guān)系，故不產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，輸出電壓為零。即有n=0，U2=0。勵磁繞組輸出繞組q軸合成磁通轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁通轉(zhuǎn)子感應(yīng)變壓器電動勢、電流方向當(dāng)n=0，即轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí),測速發(fā)電機(jī)的氣隙磁場為脈振磁場，脈振頻工作原理二、交流測速發(fā)電機(jī)當(dāng)n

0，轉(zhuǎn)子切割直軸磁通Φd，產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)電動勢Erq，其有效值為：

轉(zhuǎn)子繞組中將產(chǎn)生交流電流Irq

Irq產(chǎn)生即略電抗，兩者同相結(jié)論：異步測速發(fā)電機(jī)輸出繞組N2中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E2的大小與轉(zhuǎn)速n成正比。工作原理二、交流測速發(fā)電機(jī)

結(jié)論：前面已知E2的大小正比于n，那么對E2的頻率，因Φd與勵磁電源同頻率，而

Erq與Φd同頻率，Irq與Erq同頻率，

q

與Irq

同頻率，E2與

q

同頻率，故輸出電動勢E2的頻率與勵磁電源的頻率相同，而與轉(zhuǎn)速的大小無關(guān)，使負(fù)載阻抗不隨轉(zhuǎn)速的變化而變化。異步測速發(fā)電機(jī)的這一優(yōu)點(diǎn)使它廣泛用于控制系統(tǒng)。

根據(jù)輸出繞組的電動勢平衡方程式，在理想狀況下，異步測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓U2也應(yīng)與轉(zhuǎn)速成正比，這樣，交流異步測速發(fā)電機(jī)就能將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，實(shí)現(xiàn)測速的目的。

若轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn),輸出電壓將反相。第三節(jié)步進(jìn)電動機(jī)作用：一種用電脈沖信號進(jìn)行控制、將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動機(jī)。每輸入一個(gè)脈沖信號，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一個(gè)角度或前進(jìn)一步，其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。因此，步進(jìn)電動機(jī)又稱脈沖電動機(jī)。應(yīng)用：步進(jìn)電動機(jī)作為數(shù)字量執(zhí)行元件，除用于各種數(shù)控機(jī)床外，在平面繪圖機(jī)、自動記錄儀表、航空航天系統(tǒng)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換裝置等，也得到廣泛應(yīng)用。

分類：按勵磁方式分為磁阻式、永磁式和混磁式三種；按相數(shù)分為單相、兩相、三相和多相等形式。

一、三相磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)

三相磁阻式步進(jìn)電動機(jī)模型的結(jié)構(gòu)示意圖三相磁阻式步進(jìn)電動機(jī)模型的結(jié)構(gòu)：定、轉(zhuǎn)子鐵心都由硅鋼片(軟磁)疊成。定子上有六個(gè)磁極，每兩個(gè)相對的磁極繞有同一相繞組，三相繞組接成星形作為控制繞組；轉(zhuǎn)子鐵心上沒有繞組，只有四個(gè)齒，齒寬等于定子極靴寬。定子鐵心定子磁極、控制繞組轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子齒工作原理一、三相磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理磁力線力圖通過磁阻最小路徑閉合，在控制信號切換時(shí)，磁力線扭斜，其切向分力形成磁阻轉(zhuǎn)矩驅(qū)動使某轉(zhuǎn)子齒與定子某相極軸線對齊，而轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。U相通電U斷，V通V斷，W通轉(zhuǎn)子齒4、2對齊定子UU‘極轉(zhuǎn)子齒4、2對齊定子V‘V極轉(zhuǎn)子齒1、3對齊定子W‘W極W斷，U通轉(zhuǎn)子齒1、3對齊定子UU‘極三相單三拍工作原理一、三相磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理控制繞組從一種通電狀態(tài)變換到另一種通電狀態(tài)叫做“一拍”，每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，這個(gè)角度叫步距角“三相單三拍”運(yùn)行

三相繞組每次一相通電每個(gè)通電循環(huán)有三拍“U-V-W-U”上述三相依次單相通電方式，稱為反轉(zhuǎn)方法：改變通電順序：U-W-V-U三相雙三拍通電方式？UV-VW-WU-UV本例：步距角30°拍數(shù)轉(zhuǎn)子齒數(shù)一、三相磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理工作原理三相磁阻式步進(jìn)電動機(jī)模型三相六拍運(yùn)行方式

三相單雙六拍：U-UV-V-VW-W-WU-U本例步距角為15°二、小步距角三相磁阻式步進(jìn)電動機(jī)1.結(jié)構(gòu)和步進(jìn)原理結(jié)構(gòu)每一極距對應(yīng)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)不是整數(shù)。定、轉(zhuǎn)子齒相對位置應(yīng)依次錯(cuò)開1/m（m為相數(shù)）齒距t，這樣才能在連續(xù)改變通電的狀態(tài)下獲得不斷的步進(jìn)運(yùn)動。為滿足生產(chǎn)中小位移量的要求，須減小步距角，實(shí)際中定子磁極和轉(zhuǎn)子都加工成多齒結(jié)構(gòu),如圖Zr=