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1、第6章 控 制 电 机,6.1 伺服电动机 6.2 步进电动机 6.3 测速发电机 6.4 自整角机 6.5 旋转变压器 6.6 感应同步器,6.1 伺服电动机,6.1.1 交流伺服电动机 6.1.2 直流伺服电动机,6.1.1 交流伺服电动机,1.两相交流伺服电动机的基本结构 2.两相交流伺服电动机的工作原理 3.两相交流伺服电动机的控制方式,1.两相交流伺服电动机的基本结构,两相交流伺服电动机是一种小型两相异步电动机，其基本结构与单相交流电动机相类似，主要分为定子和转子两大部分。 两相交流伺服电动机的定子与三相异步电动机的定子相似，所不同的是在交流伺服电动机的定子铁心中安放着空间互成90电
2、角度的两相定子绕组，其中一相称为励磁绕组，另外一相称为控制绕组。运行时，励磁绕组始终接在交流电源上，而控制绕组则加上大小、相位均可能变化的同频率的交流控制信号。,2.两相交流伺服电动机的工作原理,图6-2 交流伺服电动机的原理图,控制绕组有信号电压，一般情况下，两相绕组中电流产生的磁动势Ff和Ff是不对称的，则电动机内部便建立起椭圆形旋转磁场。一个椭圆形旋转磁场分解为两个速度相等、转向相反的圆形旋转磁场，但它们大小不等，因此转子上两个电磁转矩也大小不等，方向相反，合成转矩不为零，这样转子就不再保持静止状态，而随着正转磁场的方向转动起来。,2.两相交流伺服电动机的工作原理,两相交流伺服电动机在转
3、子转动后，当控制信号电压UK消失时，按照可控性的要求，伺服电动机应立即停转，但此时电动机内部建立的是单相脉振磁场，根据单相异步电动机工作原理，电动机将继续旋转，这种现象称之“自转”。,“自转”现象在自动控制系统中是不允许存在的，解决的办法是增大转子电阻。,由图中曲线中知，随着转子电阻增大，机械特性更接近线性关系。因此，为了使两相并流伺服电动机达到调速范围大和机械特性线性的要求，也必须使其转子具有足够大的电阻值。,一般的异步电动机，其机械特性如图中曲线1所示它的稳定运行区仅在转差率S从0到Sm这一区间，因Sm约为0.10.2，所以电动机的转速可调范围很小。,如果增大转子电阻，使其产生最大转矩的转
4、差率Sm1，这样，电动机的机械特性就如图中,曲线2所示，相应于电动机的转速由零到同步转速的全部范围内均能稳定运行。,3.两相交流伺服电动机的控制方式,作为控制系统执行元件的交流伺服电动机，在运行中转速通常不是恒定不变的，而是随着控制电压的改变不断变化的。两相交流伺服电动机的运行由控制电压的大小和相位来控制。因此其控制方式有幅值控制、相位控制和幅相控制三种。幅值控制是保持两相电压相位差为90，通过调节控制电压的幅值实现控制；相位控制则是保持控制电压的幅值不变，通过调节其相位实现控制；幅相控制则是同时调节控制电压幅值和相位实现控制。,一、幅值控制 调节控制电压的大小来改变电动机的转速，而控制电压U
5、K与励磁电压Uf之间的相位角保持90电角度，通常UK滞后于Uf。当控制电压UK=0时，电动机停转，即n=0。,二、相位控制 调节控制电压的相位（即调节控制电压与励磁电压之间的相位角）来改变电动机的转速，而控制电压的幅值保持不变，当=0时，电动机停转。,三、幅值一相位控制（或称电容移相控制） 将励磁绕组上仍外施励磁电压Uf=U1-Uca，控制绕组上仍外施控制电压UK，而UK的相位始终与U1同相。当调节控制电压UK的幅值来改变电动机的转速时，使励磁绕组的电流If也发生变化，致使励磁绕组的电压Uf及电容C上的电压Uca也随之改变。这就是说，电压UK及Uf的大小及它们之间的相位角也都随之改变。所以这是
6、一种幅值和相位的复合控制方式。若控制电压UK=0，电动机就停转。 这种控制方式是利用串联电容器来分相的，它不需要复杂的移相装置，所以设备简单，成本较低，成为最常用的一种控制方式。,3.两相交流伺服电动机的控制方式,10,直流伺服电动机的工作原理 和普通直流电动机相同。,1、电枢控制时直流伺服电动机的特性,6.1.2 直流伺服电动机,6.2 步进电动机,6.2.1 基本工作原理 6.2.2 反应式步进电动机,右图是一个三相反应式步进电动机，定、转子铁心由硅钢片叠成。定子有六个磁极，每两个相对的极绕有一相控制绕组，转子只有四个齿，齿宽等于定子极靴宽，上面没有绕组。,如图a所示,当U相控制绕组通电，
7、而V相、W相都不通电时，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，所以转子齿1和3的轴线与定子U极轴线对齐。,如图b所示,U相断电、V相通电时，转子便逆时针方向转过30，使转子齿2和4的轴线与定子V极轴线对齐。,如图c所示,V相断电、接通W相，转子再过30，转子齿1和3的轴线与W极轴线对齐。,三相单三拍运行时反应式 步进电动机工作原理图,6.2.1 基本工作原理,如此按U-V-W-U顺序不断接通和断开控制绕组，转子就会一步一步地按逆时针方向转动。,步进电动机转速取决于控制绕组通电和断电的频率（即输入的脉冲频率），旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序，若步进电动机通电次序改为U-W-V-U则步进电动
8、机反向转动。,上述通电方式，称为三相单三拍。 “单”是指每次只有一相控制绕组通电， “三拍”是指三次切换通电状况为一个循环， 第四拍就反复第一拍通电的情况。,步进电动机每拍转子所转过的角位移称为步距角。 三相单三拍通电方式时，步距角为30。,如图a所示,当U相控制绕组通电时，和单三拍运行的情况相同，转子齿1和3的轴线与定子U极轴线对齐。,如图c所示，当断开U相使V相单独接通时，在磁拉力作用下，转子继续逆时针方向转动，直到转子齿2和4的轴线与定子V极轴线对齐为止，这时转子又转过15角度。,如图b所示,当U、V相控制绕组同时接通时，转子的位置，应兼顾到使U、V两对极所形成的两路磁通，在气隙中所遇到
9、的磁阻同样程度地达到最小。这时相邻两个U、V磁极与转子齿相作用的磁拉力大小相等且方向相反，使转子处于平衡。这样，当U相通电转到U、V两相通电时，转子只能逆时针方向转过15。,单、双六拍运行时三相反应式步进电动机,如通电顺序改为U-UW-W-WV-V-VU-U时，电动机将按顺时针方向转动。,对这种通电方式，定子三相控制绕组需经过六次换接才能完成一个循环，故称为“六拍”。同时这种通电，有时是单个控制绕组接通，有时又是两个控制绕组同时接通，因此称为单、双六拍。,采用单、双拍通电方式时，步距角要比单拍通电方式减小一半（即=15）。,上述简单的三相反应式步进电动机的步距角太大，即每一步转过的角度太大，很
10、难满足生产中所提出位移量要小的要求。 下面介绍三相反应式步进电动机的一种典型结构。,在右图中，三相反应式步进电动机定子上有六个极，上面装有控制绕组联成U、V、W三相。转子圆周上均匀分布若干个小齿，定子每个磁极靴上也有若干个小齿。,以转子齿数zr=40，相数m=3，一相绕组通电时，在气隙圆周上形成的磁极数2p=2，三相单三拍运行为例：,6.2.2 反应式步进电动机,6.3 测速发电机,6.3.1 直流测速发电机 6.3.2 交流异步测速发电机,6.3.1 直流测速发电机,1.直流测速发电机工作原理 2.直流测速发电机的误差分析,直流测速发电机结构与普通小型直流发电机相同，按励磁方式可分为他励式和
11、永磁式两种。,其原理图如图，在恒定磁场中，电枢以转速n旋转时，电枢上的导体切割磁通0，在电刷间产生空载感应电动势E0。,在空载时，即电枢电流Ia=0,其输出电压就是空载感应电动势，即U0=E0，因而输出电压与转速成正比。,在负载时，因电枢电流Ia0，若不讲电枢反应的影响，直流测速发电机的输出电压为U=E0-IaRa,电枢电流为,以上三式整理得,1.直流测速发电机工作原理,在理想情况下，Ra、Rz和 均为常数，直流测速发电机的输出电压U与转速n仍成线性关系。对于不同的负载电阻，测速发电机的输出特性的斜率也有所不同，它随负载电阻的减小而降低，如图。,直流测速发电机输出电压U与转速n成线性关系的条件
12、是、Ra、Rz保持不变，实际上，在运行时，有一些因素会引起这些量发生变化，这些因素是：,周围环境温度的变化，特别是励磁绕组长期通电热而引起的励磁绕组电阻的变化，将引起励磁电流及磁通0的变化，从而造成线性误差。,直流测速发电机有负载时电枢反应的去磁作用，使测速发电机气隙磁通减小，引起线性误差。,因为电枢电路总电阻中包括电刷与换向器的接触电阻，而这种接触电阻是随负载电流变化而变化的。当发电机转速较低时，相应的电枢电流较小，而接触电阻较大，这时测速发电机虽然有输入信号（转速），但输出电压却很小，因而在输出特性上引起线性误差。,2.直流测速发电机的误差分析,空心杯形转子异步测速发电机结构和杯形转子伺服
13、电动机相似，转子是一个薄壁非磁性杯，通常用高电阻率的硅锰青铜或铝锌青铜制成。定子的两相绕组在空间位置上严格保持90电角度，其中一相作为励磁绕组，外施稳频稳压的交流电源励磁；另一相作为输出绕组，其两端的电压即为测速发电机的输出电压，如图。,6.3.2 交流异步测速发电机,6.4 自整角机,6.4.1 自整角机的结构 6.4.2 力矩式自整角机的工作原理 6.4.3 控制式自整角机,自整角机的定子结构与一般小型绕线转子感应电动机相似。 定子铁心上嵌有三相星形联结对称分布绕组，通常称为整步绕组。 转子结构则按不同类型采用凸极式或隐极式，放置单相或三相励磁绕组。转子绕组通过滑环、电刷装置与外电路联接，
14、滑环是由银铜合金制成，电刷采用焊银触点，以保证接触可靠。接触式自整角机结构如图。,1-定子 2-转子 3-阻尼绕组 4-电刷 5-接线柱 6-滑环,6.4.1 自整角机的结构,6.4.2 力矩式自整角机的工作原理,1.接线方式 2.力矩式自整角机工作原理,1.接线方式,力矩式自整角机接线图,2.力矩式自整角机工作原理,(1)初始状态 发送机和接收机的转子绕组接于单相交流电源，在各自的气隙中产生脉振磁场，该磁场在各自的定子三相绕组中感应变压器电动势、和、。 (2)发送机转子逆时针转过一个角度 发送机与接收机同时励磁，且发送机转子逆时针转过一个角瞬间，接收机转子不会立即跟着转动。,力矩式自整角机的
15、接线图如图，两台自整角机结构完全相同，一台作为发送机，另一台作为接收机。它们的转子励磁绕组接到同一单相交流电源，定子整步绕组则按相序对应联接。,当发送机和接收机的转子位置一致时，大小相等，方向相反，所以回路中无电流流过，因而不产生整步转矩，此时两机处于稳定的平衡位置。,当发送机的转子从一致位置转一角度1时，则在整步绕组回路中将出现电动势，从而引起均衡电流。此均衡电流与励磁绕组所建立的磁场相互作用产生转矩，使接收机也偏转相同角度。对于这一过程，分析如下。,2.力矩式自整角机工作原理,设转子励磁绕组轴线与定子整步绕组第一相的轴线重合时的位置为起始位置，转子偏离起始位置的角度称为位置角，则在起始位置
16、时，位置角等于零。 当发送机转子从起始位置逆时针方向偏转1时，三相整步绕组的电动势应为,整步绕组最大相电动势有效值,同理可写出接收机整步绕组电动势为,接收机转子从起始位置逆时针方向偏转的角度。,由于发送机和接收机是由同一励磁电源励磁的，因此两机定子绕组电动势在时间上是同成电动势为两机定子电动势之差,，称为失调角，是发送机与接收机的位置角之差。,设两机定子绕组的阻抗相等，并以Z表示，则每相总阻抗为2Z，于是各相回路电流的有效值为,整步绕组各相回路中最大电流的有效值,可见,当整步绕组中有电流通过，将产生磁动势，为便于分析计算，通常将三相整步绕组 中的三个空间脉动磁动势，分解为直轴（d轴）即励磁绕组轴线方向，交轴（q轴）直轴在空间按逆时针方向前移90。电角度。,由交流电机绕组磁动势知单相基波磁动势的振幅值,把上式代入得,三相合成磁动势的交轴分量：,整步绕组的合成磁动势：,合成磁动势与交轴夹角,接收机和发送机的整步绕组是相对应联接的，它们的电流方向相反，数值相等，因此相应
