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1、单元四 常用控制电机,第一节 伺服电动机 第二节 测速发电机,单元四 常用控制电机,任务描述 随着自动控制系统和计算装置的不断发展，在普通旋转电机的基础上产生出多种具有特殊性能的小功率电机，它们在自动控制系统和计算装置中作为执行元件、检测元件和解算元件，这类电机统称为控制电机。控制电机和普通旋转电机从基本的电磁感应原理来说，并没有本质上的区别，但由于其使用场合不同，用途不一样，对其性能指标要求也不一样。普通旋转电机主要用于电力拖动系统中，用来完成机电能量的转换，着重于启动和运转状态能力指标的要求。而控制电机主要用于自动控制系统和计算装置中，着重于特性的精度和对控制信号的快速响应等。,下一页,返
2、回,单元四 常用控制电机,控制电机输出功率较小，一般从数百毫瓦到数百瓦，但在大功率的自动控制系统中，控制电机的输出功率可达数十千瓦。 控制电机已成为现代工业自动化系统、现代科学技术和现代军事装备中必不可少的重要设备。它的使用范围非常广泛，如机床加工过程的自动控制和自动显示，阀门的遥控，火炮和雷达的自动定位，舰船方向舵的自动操纵，飞机的自动驾驶，遥远目标位置的显示，以及电子计算机、自动记录仪表、医疗设备、录音、录像、摄影等方面的自动控制系统等。本单元仅讨论机械工业常用的执行用控制电动机，即交、直流伺服电动机和步进电机，以及测速用控制电机，即交、直流测速发电机。,下一页,上一页,返回,单元四 常用
3、控制电机,方法与步骤 控制电机从工作原理方面与普通电机相同。从控制电机应用场合和性能指标与普通电机不同上进行分析和学习是有帮助的。 知识与技能,上一页,返回,第一节 伺服电动机,伺服电动机又称为执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件。它将输入的电压信号转换成转矩或速度输出，以驱动控制对象。输入的电压信号称为控制信号或控制电压，改变控制电压的极性和大小，便可改变伺服电动机的转向和转速。 按伺服电动机使用电源性质不同，可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机。 一、直流伺服电动机 直流伺服电动机就是一台微型他励直流电动机，其结构与工作原理与他励直流电动机相同。按励磁方式的不同可分为他励式和永磁式两种
4、。,返回,下一页,第一节 伺服电动机,工程中采用直流电压信号控制伺服电动机的转速和转向，其控制方式有电枢控制和磁场控制。前者是通过改变电枢电压的大小和方向来达到改变伺服电动机的转速和转向;后者是通过改变励磁电压大小和方向来改变伺服电动机的转速和转向。后者只适用于他励式直流伺服电动机，且控制性能不如前者，因此工程中多采用电枢控制。 电枢控制直流伺服电动机接线图如图4一1所示。伺服电动机励磁绕组接于恒压直流电源Uf上，流过恒定励磁电流If，产生恒定磁通，将控制电压Uc加在电枢绕组上来控制电枢电流Ic，进而控制电磁转矩T，实现对电动机转速的控制。,返回,下一页,上一页,第一节 伺服电动机,采用电枢控
5、制时，直流伺服电动机机械特性与他励直流电动机改变电枢电压时的人为机械特性相似，其机械特性方程为 (4一1) 当Uc为不同值时，机械特性为一族平行直线，如图4-2所示(图中的n和T分别是转速n和电磁转矩的相对值)。在U。一定情况下，T越大时转速n越低。在负载转矩一定，磁通不变时，控制电压Uc高，转速也高，转速的增加与控制电压的增加成比;当Uc=0时，n= 0，电动机停转，要改变直流伺服电动机转向，可改变控制电压Uc 的极性。所以直流伺服电动机具有可控性。,返回,下一页,上一页,第一节 伺服电动机,直流伺服电动机在使用时应先接通励磁电源，等待控制信号。一旦控制信号一出现，电动机马上启动，快速进入运
6、行状态;当信号消失，电动机马上停转。所以在工作过程中，一定要防止励磁绕组断电，以防电动机因超速而损坏。 常用的有SZ系列直流伺服电动机。,返回,下一页,上一页,第一节 伺服电动机,二、交流伺服电动机 1.结构 交流伺服电动机结构类似单相异步电动机，在定子铁芯槽内嵌放两相绕组，一个是励磁绕组Nf，由给定的交流电压Uf励磁;另一个是控制绕组Nc，输入交流控制电压Uc。两相绕组在空间相差90电角度。常用的转子有两种结构，一种为笼型转子，但为减小转子转动惯量而做成细而长。转子导条和端环采用高阻值材料或采用铸铝转子，如图4-3 ( a)所示。另一种是用铝合金或紫铜等非磁性材料制成的空心杯转子。空心杯转子
7、交流伺服电动机还有一个内定子，内定子上不装绕组，仅作为磁路的一部分，相当于笼型转子的铁芯，杯形转子装在内外定子之间的转轴上，可在内外定子之间的气隙中自由旋转，如图4-3 (b)所示。,返回,下一页,上一页,第一节 伺服电动机,2.工作原理 交流伺服电动机的工作原理与具有启动绕组的单相异步电动机相似。在励磁绕组Nf中串入电容C进行移相，使励磁电流If与控制绕组Nc中的电流Ic在相位上近似相差90电角度，如图4-4所示。它们产生的磁通f与c在相位上也近似相差90 电角度，于是在空间产生一个两相旋转磁场。在旋转磁场作用下，在笼型转子的导条中或杯形转子的杯形筒壁中产生感应电动势与感应电流，该转子电流与
8、旋转磁场相互作用产生电磁转矩，从而使转子转动起来。但一旦控制电压取消，仅有励磁电压作用时，若伺服电动机仍按原转动方向旋转，且呈现“自转”现象。“自转”是不符合交流伺服电动机可控性要求的。为了防止“自转”现象的发生，必须增大转子电阻。,返回,下一页,上一页,第一节 伺服电动机,从单相异步电动机的工作原理可知，在单个绕组通入交流电流产生的单相脉动磁场可分为两个大小相等、方向相反的旋转磁场，正向旋转磁场对转子产生拖动转矩T+，反向旋转磁场对转子产生制动转矩T-。图4 -5画出了转子电阻值不同且控制电压Uc = 0时的正向转矩、反向转矩以及合成转矩T的机械特性曲线。其中图4-5( a)为电动机转子电阻
9、值大小与一般单相异步电动机相同时的T=f(s)曲线，出现最大转矩时的转差率Sm=0.2。此时控制电压消失，电动机仍沿着转子原转动方向继续转动。图4-5(b)是把交流伺服电动机的转子电阻增大到R2的T=f (s)曲线，此时Sm=0.5。若负载转矩小于最大电磁转矩，即TL R2 R2，此时Sm = 1，其合成转矩T在电动机工作状态时成为负值，即当控制电压消失后，处于单相运行状态的电动机由于电磁转矩为制动性质，使电动机迅速停下来。由此可知，交流伺服电动机在制造时，适当加大转子电阻，使T=f(s)曲线中Sml，便可克服交流伺服电动机的“自转”现象。增大转子电阻不仅可克服“自转”现象，还可改善交流伺服电
10、动机的其他性能。,返回,下一页,上一页,第一节 伺服电动机,图4 -6为交流伺服电动机的机械特性曲线。图中曲线1为一般异步电动机的机械特性，其临界转差率Sm = 0. 10. 2，其稳定运行区S=00.1，所以电动机的调速范围很小。如果增大转子电阻，使其Sm l这样电动机的机械特性曲线成为如图中曲线2、3所示，即机械特性更近于线性关系，电动机的转子转速由零到同步转速的全部范围均能稳定运行，从而打一大了调速范围和机械特性线性化。,返回,下一页,上一页,第一节 伺服电动机,3.控制方式 交流伺服电动机运行时，控制绕组上所加的控制电压Uc是变化的，改变其大小或者改变Uc与励磁电压Uf之间的相位角，都
11、能使电动机气隙中的旋转磁场发生变化，从而影响电磁转矩。当负载转矩一定可以通过调节控制电压的大小或相位来改变电动机转速或转向。其控制方式有幅值控相位控制和幅值一相位控制三种，在此不做介绍。,返回,下一页,上一页,第一节 伺服电动机,三、伺服电动机的应用 伺服电动机在自动控制系统中，作为执行元件，当输入控制电压后，伺服电动机能按照控制信号的要求驱动工作机械。伺服电动机应用十分广泛，在工业机器人、机床、各种测量仪器、办公设备以及计算机关联设备等场合获得广泛应用。下面介绍交流伺服电动机在测温仪表电子电位差计中的应用。 图4 -7为电子电位差计原理图。该系统主要由热电偶、电桥电路、变流器、电子放大器与交
12、流伺服电动机等组成。 在测温前，将开关SA扳向a位，将电动势为E0的标准电池接入;然后调节R3，使I0(R1+R2)=E0，U=0，此时的电流I0为标准值。在测温时，要保持I0为恒定的标准值。,返回,下一页,上一页,第一节 伺服电动机,在测量温度时，将开关SA扳向b位，将热电偶接入。热电偶将被测的温度转换成热电动势E1，而电桥电路中电阻R2上的电压I0R2是用以平衡Et的，当两者不相等时将产生不平衡电压U。而U经过变流器变换为交流电压，再经过电子放大器放大，用以驱动伺服电动机SM。电动机经减速后带动测温仪指针偏转，同时驱动滑线电阻器的滑动端移动。当滑线电阻器R2达到一定值时，电桥达到平衡，伺服
13、电动机停转，指针停留在一个转角处。由于测温仪的指针被伺服电动机所驱动，而偏转角度与被测温度之间存在着对应的关系，因此，可从测温仪刻度盘上直接读得被测温度的值。,返回,下一页,上一页,第一节 伺服电动机,当被测温度上升或下降时， U的极性不同，即控制电压的相位不同，从而使得伺服电动机正向或反向运转，电桥电路重新达到平衡，测得相应的温度。,返回,上一页,第二节 测速发电机,测速发电机是一种测速装置，它将输入的机械转速转换为电压信号输出。这就要求测速发电机的输出电压与转速成正比，且对转速的变化反应灵敏。按照测速发电机输出信号的不同，可分为直流和交流两大类。这里介绍直流测速发电机的工作过程。 直流测速
14、发电机是一种微型直流发电机，其定子和转子结构与直流发电机基本相同，按励磁方式可分为他励式和永磁式两种，其中以永磁式直流测速发电机应用最为广泛。,返回,下一页,第二节 测速发电机,直流测速发电机工作原理图如图4-8所示。在恒定磁场0中，当发电机以转速n旋转时，发电机空载电动势为 E0=Ce0n (4-2) 可见空载运行时，直流测速发电机空载电动势与转速成正比，电动势的极性与转动方向有关。空载时直流测速发电机输出电压U 0 = E 0，因此空载输出电压与转速也成正比。 当负载电阻为RL时，其输出电压U为 U=E0 IR0 (4-3) 而I=U/ RL 则可以导出 U=kn (4-4),返回,下一页
15、,上一页,第二节 测速发电机,可见，直流测速发电机输出电压U与转速n仍成正比。只不过对于不同的负载电阻RL ，测速发电机的输出特性的斜率有所不同，它随负载电阻RL的减小而降低，如图4 -9所示使用时RL尽可能取大些。在直流测速发电机技术数据中给出了“最小负载电阻和最高转速”，以确保控制系统的精度。,返回,下一页,上一页,第二节 测速发电机,测速发电机的应用 图4-10为直流测速发电机在恒速控制系统中的应用原理图。图中直流伺服电动机SM拖动旋转的机械负载。要求当负载转矩变动时，系统车，速不变。若采用直流伺服电动机拖动机械负载，由于直流伺服电动机转速是随负载转矩的大小而变化的，不能达到负载转速恒定
16、的要求。为此与伺服电动机同轴连接一台直流测速发电机，并将直流测速发电机TG的输出电压送入系统的输入端，称为反馈电压Uf，且Uf与给定电压Ug反向连接，成为负反馈。,返回,下一页,上一页,第二节 测速发电机,系统工作时，先调节给定电压Ug ，使直流伺服电动机的转速恰为负载要求的转速。若负载转矩由于某种因素减小时，伺服电动机的转速上升，与其同轴的测速发电机转速也将上升，输出电压Uf增大， Uf将反馈送入系统输入端，并与Ug比较，使差值电压Ud= Ug - Uf减小，经放大器放大后的输出电压随之减小，且作为伺服电动机电枢电压，从而使直流伺服电动机转速下降，使系统转速基本不变。反之当负载转矩由于某种原因有所增加时，系统的转速将下降，测速发电机的输出电压Uf减小，因而差值电压Ud= Ug - Uf增大，经放大后加在伺服电动机上的电枢电压也增大，电动机转速上升。
