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1、第10章 控 制 电 机,返回总目录,伺服电动机 步进电动机 测速发电机 直线电动机 自 整 角 机 旋转变压器 本 章 小 结 习题与思考题,本章内容,控制电动机主要应用于自动控制系统中，用来实现信号的检测、转换和传递，作为测量、执行和校正等元件使用。功率一般从数毫瓦到数百瓦。 普通动力电动机的主要任务是实现能量转换，主要要求是提高电机的能量转换效率等经济指标，以及起动、调速等性能。控制电动机的主要任务是完成控制信号的检测、变换和传递，因此，对控制电动机的主要要求是快速响应、高精度、高灵敏度及高可靠性。 控制电动机种类繁多，本章主要介绍常用的控制电动机的基本工作原理。,一、直流伺服电动机,1
2、0.1 伺服电动机,1. 基本结构与工作原理 一般的直流伺服电动机的结构与普通小型直流电动机相同，按照励磁方式的不同，可分为电磁式和永磁式。电磁式直流伺服电动机的磁场由励磁电流通过励磁绕组产生，一般多用他励式励磁。永磁式直流伺服电动机的磁场由永磁铁产生，无需励磁绕组和励磁电流。 直流伺服电动机的控制方式有两种：电枢控制和磁场控制。所谓电枢控制，即磁场绕组加恒定励磁电压，电枢绕组加控制电压，当负载转矩恒定时，电枢的控制电压升高，电动机的转速就升高；反之，减小电枢控制电压，电动机的转速就降低；改变控制电压的极性，电动机就反转；控制电压为零，电动机就停转。电枢控制方式的直流伺服电动机如 图10.1所
3、示。 电动机也可采用磁场控制，即磁场绕组加控制电压，而电枢绕组加恒定电压控制方式，改变励磁电压的大小和方向，就能改变电动机的转速与转向。可见，电磁式直流伺服电动机有电枢控制和磁场控制两种控制转速的方式，而对永磁式直流伺服电动机来讲，则只有电枢控制一种方式。,10.1 伺服电动机,图10.1 电枢控制方式的直流 伺服电动机,电动机也可采用磁场控制，即磁场绕组加控制电压，而电枢绕组加恒定电压控制方式，改变励磁电压的大小和方向，就能改变电动机的转速与转向。可见，电磁式直流伺服电动机有电枢控制和磁场控制两种控制转速的方式，而对永磁式直流伺服电动机来讲，则只有电枢控制一种方式。 电枢控制的主要优点为，没
4、有控制信号时，电枢电流等于零，电枢中没有损耗，只有不大的励磁损耗。磁场控制的性能较差，其优点是控制功率小，仅用于小功率电动机中。自动控制系统中多采用电枢控制方式，因此本节只分析电枢控制方式的直流伺服电动机。 为了提高快速响应能力，必须减少转动惯量，所以直流伺服电动机的电枢通常做成盘形或空心杯形，使其具有转子轻、转动惯量小的特点。,10.1 伺服电动机,电枢控制方式的直流伺服电动机的工作原理与普通的直流电动机相似。当励磁绕组接在电压恒定的励磁电源上时，就会有励磁电流If流过，并在气隙中产生主磁通；当有控制电压Uc作用在电枢绕组上时，就有电枢电流Ic流过，电枢电流Ic与磁通相互作用，产生电磁转矩T
5、带动负载运行。当控制信号消失时，Uc= 0，Ic = 0，T = 0，电动机自行停转，不会出现自转现象。 2. 控制特性 1) 机械特性 机械特性是指励磁电压Uf恒定，电枢的控制电压UK为一个定值时，电动机的转速和电磁转矩T之间的关系，即Uf为常数时的nf(T)，如图10.2(a)所示。 已知直流电动机的机械特性是 式中 U、R、Ce、CT分别表示电枢电压、电枢回路的电阻、电动势常数和转矩常数。 在电枢控制方式的直流伺服电动机中，控制电压Uc加在电枢绕组上，即U=Uc，代入式(10.1)，得到直流伺服电动机的机械特性表达式为,(10.1),(10.2),10.1 伺服电动机,式中， 理想空载转
6、速；,斜率。,对上式应考虑两种特殊情况：当转矩为零时，电动机的转速仅与电枢电压有关，此时的转速为直流伺服电动机的理想空载转速，理想空载转速与电枢电压成正比，即 当转速为零时，电动机的转矩仅与电枢电压有关，此时的转矩称为堵转转矩。堵转转矩与电枢电压成正比，即,(10.3),(10.4),当控制电压Uc一定时，随着转矩T的增加，转速n成正比的下降，机械特性为向下倾斜的直线，所以直流伺服电动机机械特性的线性度很好。当Uc不同时，其斜率不变，机械特性为一组平行线，随着Uc的降低，机械特性平行地向下移动。,10.1 伺服电动机,(a) 机械特性 (b) 调节特性,图10.2 直流伺服电动机的运行特性,2
7、) 调节特性 调节特性是指电磁转矩恒定时，电动机的转速随控制电压的变化关系，即T为常数时的n = f(UK)。调节特性也称为控制特性。如图10.2(b)所示。 在式(10.2)中，令Uc为常数，T为变量，n = f(T)是机械特性；若令T为常数，Uc为变量，n = f(Uc)是调节特性，如图10.2(b)所示，也是直线，所以调节特性的线性度也很好。 当转速为零时，对应不同的电磁转矩可得到不同的起动电压Uc0。当电枢电压小于起动电压时，伺服电动机将不能起动。在式(10.2)中令n = 0能方便地计算出起动电压Uc0为,(10.5),10.1 伺服电动机,一般把调节特性图上横坐标从零到起动电压这一
8、范围称为失灵区。在失灵区以内，即使电枢有外加电压，电动机也转不起来。显而易见，失灵区的大小与负载转矩成正比，负载转矩越大，失灵区也越大。 直流伺服电动机的优点是起动转矩大、机械特性和调节特性的线性度好、调速范围大。其缺点是电刷和换向器之间的火花会产生无线电干扰信号，维修比较困难。,二、交流伺服电动机,1. 基本结构和工作原理 交流伺服电动机一般是两相交流异步电动机，由定子和转子两部分组成。交流伺服电动机的转子有笼型和杯型两种。无论哪一种转子，它的转子电阻都做得比较大，其目的是使转子在转动时产生制动转矩，使它在控制绕组不加电压时，能及时制动，防止自转。交流伺服电动机的定子上嵌放着在空间相距90电
9、角度的两相分布绕组，两个定子绕组结构完全相同，使用时一个绕组作励磁用，另一个绕组作控制用。 为励磁电压， 为控制电压， 与 同频率。其结构示意图如图10.3所示。,10.1 伺服电动机,当励磁绕组和控制绕组均加互差90电角度的交流电压时，在空间形成圆形旋转磁场 (控制电压和励磁电压的幅值相等) 或椭圆形旋转磁场(控制电压和励磁电压幅值不等)，转子在旋转磁场作用下旋转。当控制电压和励磁电压的幅值相等时，控制二者的相位差也能产生旋转磁场。 普通的两相异步电动机存在着自转现象，这可以通过图10.4所示的机械特性来说明。 对异步电动机而言，临界转差率sm与转子电阻成正比，即 式中 转子电阻R2折算到定
10、子侧的折算值； 转子漏电抗X2折算到定子侧的折算值。,图10.3 交流伺服电动机结构示意图,图10.4 异步电动机的机械特性,(10.6),普通的两相异步电动机的转子电阻较小，sm也较小，机械特性如图10.4中的曲线1所示，线性变化范围较小。 当运行中的两相异步电动机中有一相绕组断电时就成为单相异步电动机。单相异步电动机中的气隙磁场为脉动磁场，可以分解为正转和反转两个旋转磁场，分别产生正转电磁转矩T+与反转电磁转矩T-，在图10.5中用虚线表示，电动机的电磁转矩T为T+与T-的代数和，在图中用实线表示。,10.1 伺服电动机,图10.5 转子电阻对交流伺服电动机机械特性的影响,10.1 伺服电
11、动机,当转子电阻较小时，从图10.5(a)中可以看出，在正转范围内，即当n0时，T0，所以当在运行中的两相异步电动机由于断开一相而成为单相异步电动机时仍有电磁转矩T，只要T大于负载转矩TL，电动机就会继续运转而形成自转现象。普通的单相异步电动机在起动时，就利用自转现象，把起动绕组串联电容器后与工作绕组并联接在交流电源上，作为两相异步电动机而起动，起动完毕后就将起动绕组切除，成为单相异步电动机，带动负载，继续运转。 交流伺服电动机必须克服自转现象，否则当控制电压为零时，电动机还会继续运转，出现失控状态。当励磁电压不为零，控制电压为零时，交流伺服电动机相当于一台单相异步电动机，若转子电阻较小，则电
12、动机还会按原来的运行方向转动，电磁转矩仍为拖动转矩，此时的机械特性如图10.5 (a)所示。 交流伺服电动机用增加转子电阻的方法来防止自转现象的发生。由式(10.6)可知，增大转子电阻可使临界转差率Sm增大，当转子电阻增大到一定值时，可使Sm1，电动机的机械特性曲线近似为线性，对应的机械特性曲线如图10.4中曲线2所示，这样可使伺服电动机的调速范围大，在大范围内能稳定运行。若在运行中控制电压Uc变为零，交流伺服电动机变为单相,10.1 伺服电动机,异步电动机，其机械特性如图10.5(b)的实线所示，在正转范围内，即n 0时，T 0，电磁转矩为负，成为制动转矩，迫使电动机自行停转而不会自转。 与
13、普通两相异步电动机相比，交流伺服电动机的特点是：具有较宽的调速范围；当励磁电压不为零，控制电压为零时，其转速也应为零；机械特性为线性并且动态特性较好。所以交流伺服电动机的转子电阻应当大，转动惯量应当小。 由上述分析可知，增加交流伺服电动机的转子电阻，既可以防止自转，又可以扩大调速范围和提高机械特性的线性度，所以一般取 比普通异步电动机转子电阻大得多。常用的增大转子电阻的办法是将笼型导条和端环用高电阻率的材料如黄铜、青铜制造，同时将转子做成细而长，这样转子电阻很大，同时转动惯量又小。 当交流伺服电动机的励磁绕组接在额定电压的交流电源上、控制绕组接在同频率的控制电压 上时，在空间成90度电角度的两
14、相绕组中就会有两相电流流过，在气隙中产生旋转磁场，切割转子，从而在转子中产生感应电动势并有转子电流产生；旋转磁场与转子电流相互作用产生电磁转矩而使交流伺服电动机运转。改变控制电压 的大小和相位，可以使气隙磁场为圆形,10.1 伺服电动机,旋转磁场或椭圆形旋转磁场。电动机中气隙磁场不同，其机械特性就不同，转速也就不同。从而实现了交流伺服电动机利用控制电压信号 的大小和相位的变化控制电动机的转速和转向的目的，完成伺服功能。 2. 控制方式 交流伺服电动机的控制方式有3种，分别是幅值控制、相位控制和幅值相位控制。 1) 幅值控制 始终保持控制电压 和励磁电压 之间的相位差为90，仅仅改变控制电压 的
15、幅值来改变交流伺服电动机的转速，这种控制方式称为幅值控制。当励磁电压为额定电压，控制电压为零时，伺服电动机转速为零，电动机不转；当励磁电压为额定电压，控制电压也为额定电压时，伺服电动机转速最大，转矩也为最大；当励磁电压为额定电压，控制电压在额定电压与零之间变化时，伺服电动机的转速在最高转速和零之间变化。幅值控制的原理图如图10.6所示，励磁绕组f接交流电源，控制绕组c 通过电压移相器接至同一电源上，使 与 始终有90的相位差，且 的大小可调，其幅值在额定值与零之间变化，励磁电压保持为额定值。改变 的幅值就改变了电动机的转速。,10.1 伺服电动机,2) 相位控制 保持控制电压和励磁电压的幅值为额定值不变，仅改变控制电压与励磁电压的相位差来改变交流伺服电动机转速，这种控制方式称为相位控制。其原理图如图10.7所示，控制绕组通过移相器与励磁绕组一同接至同一交流电源上， 的幅值不变，但 与 的相位差可以通过调节移相器在90之间变化， 与 的相位差发生变化时，交流伺服电动机的转速就随之,图10.6 幅值控制的原理图,图10.7 相位控制的原理图,10.1 伺服电动机,发生变化。设 与 的相位差为，在90范围内变化。根据的取值可得出气隙磁场的变化情况。当=0时，控制电压与励磁电压同相位，气隙总磁动势为脉动磁动势，伺服电动机转速为零，不转动；
