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1、第8章 控制电机,8.1伺服电动机 8.2 测速发电机 8.3 无刷直流电动机 8.4 步进电动机 8.5 自整角机 8.6旋转变压器 8.7直线电动机,8.1伺服电动机,8.1.1 直流伺服电动机,直流伺服电动机的基本结构与普通小型直流电动机相同，直流伺服电动机的基本工作原理与普通直流电动机相同。 直流伺服电动机按照控制方式的不同分磁场控制和电枢控制两种。,1. 电枢控制直流伺服电动机的工作特性,图8-1 电枢控制原理图,直流伺服电动机的特性主要指机械特性和调节特性。,根据直流电动机的机械特性方程式,8.1伺服电动机,图8-2不同控制电压下的机械特性,得机械特性为一直线,n0 -理想空载转速
2、 Tk-堵转转矩 -直线斜率,图8-3 不同负载时的调节特性,由下式,得调节特性,8.1伺服电动机,2. 磁场控制直流伺服电动机的工作特性,磁场控制是指在电枢绕组加恒定电压，而励磁回路加控制电压信号，尽管磁场控制也可达到改变控制电压来改变转速的大小和旋转方向的目的，但因随着控制信号减弱其机械特性变软，而调节特性为非线性的，故这种控制方式很少采用。,由以上分析可见电枢控制时直流伺服电动机的机械特性和调节特性均为线性，这种线性特性是理想的特性曲线可实现高精度控制。,8.1伺服电动机,8.1.2 交流伺服电动机,交流伺服电动机的基本结构和普通异步电动机相似，常用的转子结构有两种，笼型转子和非磁性空心
3、杯转子。定子一般为两相绕组，它们在空间相差90电角度。其中一相绕组为励磁绕组，运行时接至电压为的交流电源上；另一相则为控制绕组，施加与同频率、大小或相位可调的控制电压，通过改变的大小或相位控制伺服电动机的起、停及运行转速。,1.交流伺服电动机的工作原理,图8-4交流伺服电动机原理图,若控制电压 为零，则电机气隙内的磁场为脉振磁场，电机无起动转矩，转子不转；若有控制信号加在控制绕组上，且控制绕组中流过的电流与励磁绕组中流过的电流不同相位，则在气隙内建立一旋转磁场电机具有起动转矩，转子就可转动。,8.1伺服电动机,（b）,(a) (b),(c),图8-5自转现象与转子电阻的关系,如消除了“自转”现
4、象电机就能达到可控目的。为了实现无“自转”现象，由单相异步电动机的工作原理可知电机必须具有足够大的转子电阻。,8.1伺服电动机,2.交流伺服电动机的控制方式,交流伺服电动机的控制方式有三种：（1）幅值控制； （2）相位控制； （3）幅值-相位控制。,（1）幅值控制时的特性,（a）原理接线图 （b）电压相量图,图8-6幅值控制,控制电压 的相位不变仅改变控制电压幅值来改变电机的转速,8.1伺服电动机,图8-7 幅值控制时的机械特性 图8-8 幅值控制时的调节特性,通常将控制电压Uc与归算到控制绕组的电源电压U1之比e称为幅值控制时的有效信号系数，即有,当改变控制电压时，有效信号系数相应改变，取e
5、=1、0.75、0.5、0.25时的一组机械特性和调节特性曲线,8.1伺服电动机,（2）相位控制时的特性,控制电压 的大小不变仅改变控制电压的相位,（a）原理电路图； （b）电压相量图,图8-9相位控制,8.1伺服电动机,图8-10相位控制时的机械特性 图8-11相位控制时的调节特性,当改变控制电压相位时，有效信号系数相应改变，得到一组相位控制的 机械特性和调节特性,8.1伺服电动机,（3）幅值-相位控制时的特性,图8-12 幅值-相位控制,这种控制方式一般是在励磁绕组串联电容Ca进行分相,8.1伺服电动机,图8-13 幅值-相位控制时的机械特性 图8-14幅值-相位控制时的调节特性,这种控制
6、方式简单方便不需要移相装置，利用串联电容就能在单相交流电源上获得控制电压和励磁电压的分相，是实际应用中最常见的一种控制方式。,8.1伺服电动机,8.1.3交流伺服电动机与直流伺服电动机的性能比较,1、机械特性和调节特性 直流伺服电动机的机械特性和调节特性都是线性的，且在不同控制电压下机械特性是平行的，斜率不变。而交流伺服电动机的机械特性和调节特性都是非线性的，这种非线性特性将影响系统的动态精度。 2、“自转”现象 交流伺服电动机可能 出现“自转”现象，而直流不存在“自转”问题。 3、体积、重量和效率 交流伺服电动机的转子电阻很大，因此其损耗大、效率低。它只适用于小功率系统，对于功率较大的控制系
7、统则多地采用直流伺服电动机。 4、结构、运行可靠性及对系统的干扰等 直流伺服电动机结构复杂，而且维护比较麻烦；存在换向火花问题，会对其它仪器和无线电通讯等产生干扰。 交流伺服电动机结构简单，运行可靠，维护方便，使用寿命长，特别适宜于在不易检修的场合使用。,8.2测速发电机,测速发电机是一种把转子转速转换为电压信号的机电式元件。它的输出电压与转速成正比关系，即,按励磁方式不同，直流测速发电机可分为电磁式和永磁式两大类。其结构和工作原理与普通直流发电机基本相同。,8.2.1直流测速发电机,图8-15 直流测速发电机原理 图,空载时,1、输出特性,8.2测速发电机,由于负载电流 ，可得,可见，当磁通
8、不变时Ua与n之间就成正比关系。当负载RL变化时，将使输出特性斜率发生变化。,图8-16 不同负载时的理想输出特性,当接负载时，电压平衡方程式为,8.2测速发电机,2、误差分析,测速发电机在实际运行中，输出电压与转速之间并不能严格地保持正比关系，即出现线性误差。产生误差的主要原因有以下几点。,图8-17输出特性曲线,（1）电枢反应的影响 因电枢反应对主磁场有去磁效应，所以即使电机励磁电流不变，负载后气隙合成磁通将减小。使输出特性偏离直线。 （2） 电刷接触压降的影响 接触电阻是随着负载电流变化而变化的，因此接触电阻也是破坏线性关系的因素之一。 （3） 温度的影响 在电磁式测速发电机中，因励磁绕
9、组长期通电，其阻值也相应增大，使励磁电流减小，从而引起磁通下降，造成线性误差。,8.2测速发电机,8.2.2 交流测速发电机,交流测速发电机分同步测速发电机和异步测速发电机两大类。因异步测速发电机定子输出绕组感应电动势频率恒为励磁电源的频率，与转速无关，其大小与转速成正比，所以交流测速发电机广泛应用在自动控制系统中。因此本节只介绍交流异步测速发电机。,1、基本结构及工作原理,图8-18 杯形转子交流测速发电机结构图,交流测速发电机的结构与交流伺服电动机相同，定子上有两相正交绕组，其中一相接电源励磁，另一相则用来输出电压信号。转子有鼠笼式和非磁性空心杯式两种。,8.2测速发电机,（a）转子静止
10、（b）转子旋转 图8-19 交流测速发电机工作原理,当励磁绕组外加恒定的交流电压 时，便有电流流过，产生频率为的直轴脉振磁通。由图8-19（a）可见当转子静止时，电机气隙中只有直轴磁通，而输出绕组与直轴磁通无匝链,输出电压为零，没有信号电压输出。,8.2测速发电机,当转子以转速n旋转时，转子导体切割励磁磁场还产生旋转电动势，方向由右手定则判断如图8-19（b）所示，为分析方便上、下半个圆周上的导条分别用一根导体代替，则转子导体切割励磁磁场产生的旋转电动势为,式中 为常数； 为转子直径； 为旋转电动势有效值,在输出绕组中产生感应电动势为,而且,则,8.2测速发电机,2、交流测速发电机的误差分析,
11、（1） 线性误差 由式上式可见， 当磁通不变时输出电压与转速成严格的线性关系，但推得此公式是忽略了定子漏阻抗，以及忽略转子杯导条的漏阻抗，若考虑这些因素，直轴磁通的大小是变化的，因此产生了线性误差。 （2） 相位误差 输出电压与励磁电压之间的相移也随转速的变化而变化。 （3） 剩余电压 理想的测速发电机在转速为零时输出电压应为零，但实际上即使转速为零输出电压并不为零，这时输出绕组中所产生的电压称为剩余电压。 产生剩余电压产生的原因很多主要有两个方面：一是制造工艺问题，二是导磁材料的磁导率不均匀以及非线性产生高次谐波磁场，这些谐波磁场将在输出绕组中感应高次谐波电势。,8.3无刷直流电动机,无刷直
12、流电动机利用电子开关线路和位置传感器取代了电刷和换向器使得无刷直流电动机既具有直流电动机机械特性和调节特性，又具有交流电动机运行的可靠性、维护方便等优点，现已得到越来越广泛的应用，如用于军事工业、家用电器、精密机床，载人飞船等高精度伺服控制系统中。 无刷直流电动机是由电动机、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成，其原理框图为图8-21。,图8-21无刷直流电动机原理框图,8.3无刷直流电动机,8.3.1 无刷直流电动机的基本结构,图8-22 嵌入式转子结构,无刷直流电动机就电动机本体而言是一种采用永磁体励磁的同步电动机，所以也称为无刷永磁直流伺服电动机，它的定子结构与普通同步电动机基本相同，
13、铁心中嵌有多相对称绕组，而转子则由永磁体取代了电励磁同步电动机的转子励磁绕组。图8-22为嵌入式转子结构，永磁体嵌入转子铁心表面的槽中。,8.3无刷直流电动机,8.3.2. 无刷直流电动机的工作原理,图8-23直流电动机工作原理图,无刷直流电动机本质上类似一台反装式直流电动机。在直流电动机中，通常磁极装在定子上，电枢绕组位于转子上。由电源向电枢绕组提供的电流为直流，通过电刷和换向器使转子绕组电流方向随时改变即所谓换向。图8-23为直流电动机工作原理图，由于电刷位于几何中性线处，使与始终相互垂直，保证电动机在最大电磁转矩下运行。,8.3无刷直流电动机,无刷直流电动机是将直流电动机反装，即将永磁体
14、磁极放在转子上，而电枢绕组成为静止的定子绕组，为了使定子绕组中的电流方向能随其线圈边所在处的磁场极性交替变化，需将定子绕组与电力电子器件构成的逆变器连接，并安装转子位置检测器，以检测转子磁极的空间位置，根据转子磁极的空间位置控制逆变器中功率开关器件的通断，从而控制电枢绕组的导通情况及绕组电流的方向，使电枢绕组产生的磁势与主极磁势保持一定角度从而产生电磁转矩。完成换向器直流电动机的换向功能。 电子开关线路的作用是根据转子位置适时地给相应的定子绕组通电。目前最常见的无刷直流电动机定子绕组为三相。当绕组为星形连接时，其逆变器可以采用桥式电路，也可以采用半桥电路；当绕组为角形连接时，逆变器只能采用桥式
15、电路。以三相无刷直流电动机为例，三种连接方式如图8-24所示。目前应用做多的是图8-24（b）所示三相星形桥式电路。,8.3无刷直流电动机,（a） （b）,（c）,图8-24三相无刷直流电动机绕组连接方式,8.3无刷直流电动机,下面以图8-25所示的星形全桥接法三相无刷直流电动机为例，对无刷直流电动机的具体工作情况作进一步分析。,图8-25三相无刷直流电动机原理图,8.3无刷直流电动机,图8-26表示出电机转子在几个不同位置时，定子绕组的通电情况，根据电枢磁势与转子磁势的相互作用，分析电机所产生的转矩。,（a）1、6导通 （b）3、2导通,（c）5、4导通,图8-26电枢磁势与转子磁势的相互关系,8.3无刷直流电动机,为方便起见上述分析只是给出了几个瞬间的情况，实际的导通顺序为V6V1V1V2V2V3V3V4V4V5 V5V6，是按照转子每转过60电角度，就进行一次换相，一个循环通电状态完成后，转子转过一对磁极，对应于360电角度，即一个循环需进行6次换相，相应地定子绕组有6种导通状态，而在每个60区间都只有两相绕组同时导通，这种工作方式常称为二相导通三相六状态。 无刷直流电动机中的位置传感器是用来检测转子磁极的空间位置，并发出相应的信号控制可控硅元件的通断，使定子绕组产生的磁势与转子主极磁势之间呈一定角度，产生电磁转矩使转子产生连续转动。所以位置传感器是
