電機(jī)及拖動(dòng)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(dòng)機(jī)、交直流測速發(fā)電機(jī)及步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)控制應(yīng)用雷達(dá)的掃描跟蹤、飛機(jī)自動(dòng)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)。控制電機(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(dòng)機(jī)

步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)作）(速度信號轉(zhuǎn)換為電信號)第一節(jié)伺服電動(dòng)機(jī)

在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，又稱執(zhí)行電動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)中，對伺服電動(dòng)機(jī)的性能要求：無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象?？蛰d始動(dòng)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)控制方式電磁式（他勵(lì)）和永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)與對應(yīng)的普通直流電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)工作原理

直流伺服電動(dòng)機(jī)與普通直流電動(dòng)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(lì)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)控制電壓Uc=0時(shí)，Ic=0，電磁轉(zhuǎn)矩T=0，電動(dòng)機(jī)立即停轉(zhuǎn)。保證了電動(dòng)機(jī)無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，所以直流伺服電動(dòng)機(jī)是自動(dòng)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(dòng)機(jī)特性與他勵(lì)直流電動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩T也越大，越利于起動(dòng)。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(dòng)電壓Uc0，電動(dòng)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(dòng)電壓一、直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)論

優(yōu)點(diǎn)：直流伺服電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)

交流伺服電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上類似單相異步電動(dòng)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(lì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本工作原理二、交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)非磁性空心杯轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)空間相差90o電角度勵(lì)磁繞組工作原理控制繞組勵(lì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)。交流伺服電動(dòng)機(jī)的原理圖當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)機(jī)仍然能夠轉(zhuǎn)動(dòng)。自轉(zhuǎn)現(xiàn)象：“自轉(zhuǎn)”的消除：增加伺服電動(dòng)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(dòng)機(jī)仍然能夠轉(zhuǎn)動(dòng)。變成單相后，電磁轉(zhuǎn)矩<0,與轉(zhuǎn)速的方向相反，制動(dòng)作用，電動(dòng)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)子電阻較小（臨界轉(zhuǎn)差率sm<1）時(shí)的機(jī)械特性工作原理1.交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方法

交流伺服電動(dòng)機(jī)不僅須具有受控于控制信號而起動(dòng)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(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)的。橢圓度大，正轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場相應(yīng)地會(huì)削弱，對應(yīng)的正向轉(zhuǎn)矩減??；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(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。與相位差始終是90

因交流伺服電動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)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(dòng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。β=90

，轉(zhuǎn)速最高,β

↓,n↓,當(dāng)β=0，則n=0，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)?？刂齐妷旱姆当３植蛔兘涣魉欧妱?dòng)機(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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(lì)磁方式分類：永磁式他勵(lì)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(lì)磁電源,也沒有因勵(lì)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(lì)磁繞組長期通電而發(fā)熱，電阻↑,勵(lì)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(lì)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(dòng)機(jī)相似，為了提高系統(tǒng)的快速性和靈敏度，減少轉(zhuǎn)動(dòng)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(lì)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(lì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)勢，輸出電壓為零。即有n=0，U2=0。勵(lì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(lì)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(dòng)勢E2的頻率與勵(lì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)。每輸入一個(gè)脈沖信號，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。應(yīng)用：步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)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(lì)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(dòng)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(dòng)機(jī)模型的結(jié)構(gòu)示意圖三相磁阻式步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)。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=