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1、第四章第四章 常用控制电机常用控制电机第一节第一节 控制电机概述控制电机概述 控制电机具有体积小，功率小，通常在控制电机具有体积小，功率小，通常在几百瓦以下等特点；而驱动微电机结构简单、几百瓦以下等特点；而驱动微电机结构简单、体积小、功率也小，主要用来驱动各种轻型体积小、功率也小，主要用来驱动各种轻型负载。负载。驱动微电机与控制电机合称为微控电机。驱动微电机与控制电机合称为微控电机。在普通旋转电机的基础上产生的各种在普通旋转电机的基础上产生的各种控制电机与普通电机本质上并没有差别，控制电机与普通电机本质上并没有差别，只是着重点不同：普通旋转电机主要是进只是着重点不同：普通旋转电机主要是进行能量
2、变换，要求有较高的力能指标；而行能量变换，要求有较高的力能指标；而控制电机主要是对控制信号进行传递和变控制电机主要是对控制信号进行传递和变换，要求有较高的控制性能，如要求反应换，要求有较高的控制性能，如要求反应快、精度高、运行可靠等等。控制电机因快、精度高、运行可靠等等。控制电机因其各种特殊的控制性能而常在自动控制系其各种特殊的控制性能而常在自动控制系统中作为执行元件、检测元件和解算元件。统中作为执行元件、检测元件和解算元件。第二节第二节 伺服电动机伺服电动机 伺服电动机又称为执行电动机，在自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。它将输入的动控制系统中作为执行元件。它将输入
3、的电压信号转变为转轴的角位移或角速度输电压信号转变为转轴的角位移或角速度输出，改变输入信号的大小和极性可以改变出，改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的转速与转向，故输入的电压伺服电动机的转速与转向，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。信号又称为控制信号或控制电压。一、直流伺服电动机一、直流伺服电动机 当直流伺服电动机励磁绕组和电枢绕组都通当直流伺服电动机励磁绕组和电枢绕组都通过电流时，直流电动机转动起来，当其中的一个过电流时，直流电动机转动起来，当其中的一个绕组断电时，电动机立即停转，故输入的控制信绕组断电时，电动机立即停转，故输入的控制信号，既可加到励磁绕组上，也可加到电枢绕组
4、上。号，既可加到励磁绕组上，也可加到电枢绕组上。若把控制信号加到电枢绕组上，通过改若把控制信号加到电枢绕组上，通过改变控制信号的大小和极性来控制转子转速的变控制信号的大小和极性来控制转子转速的大小和方向，这种方式叫电枢控制；若把控大小和方向，这种方式叫电枢控制；若把控制信号加到励磁绕组上进行控制，这种方式制信号加到励磁绕组上进行控制，这种方式叫磁场控制。磁场控制有严重的缺点（调节叫磁场控制。磁场控制有严重的缺点（调节持性在某一范围不是单值函数，每个转速对持性在某一范围不是单值函数，每个转速对应两个控制信号），使用的场合很少。应两个控制信号），使用的场合很少。直流伺服电动机进行电枢控制时，电枢绕
5、组即为直流伺服电动机进行电枢控制时，电枢绕组即为控制绕组，控制电压直接加到电枢绕组上进行控制。控制绕组，控制电压直接加到电枢绕组上进行控制。而励磁方式则有两种：一种用励磁绕组通过直流电流而励磁方式则有两种：一种用励磁绕组通过直流电流进行励磁，称为电磁式直流伺服电动机；另一种使用进行励磁，称为电磁式直流伺服电动机；另一种使用永久磁铁作磁极，省去励磁绕组，称为永磁式直流伺永久磁铁作磁极，省去励磁绕组，称为永磁式直流伺服电动机。服电动机。1.1.机械特性：机械特性：改变控制电压，而机械特性的改变控制电压，而机械特性的斜率不变，故其机械特性是一组平行的直线，斜率不变，故其机械特性是一组平行的直线，如图
6、所示如图所示。eeNmeaNecTnTCCRCUn022.2.调节特性：调节特性：当电磁转矩恒定时，电动机转速与控当电磁转矩恒定时，电动机转速与控制电压之间的关系，即制电压之间的关系，即 常数，转速常数，转速 与控制与控制电压之间的关系电压之间的关系 。电枢控制直流伺服电动机转速公式：电枢控制直流伺服电动机转速公式：eTn)(cUfnaeaecICRCUn 从上述分析可知，电枢控制时的直流伺从上述分析可知，电枢控制时的直流伺服电动机的机械特性是线性的，而且不存在服电动机的机械特性是线性的，而且不存在“自转自转”现象（控制信号消失后，电机仍不现象（控制信号消失后，电机仍不停止转动的现象叫停止转动
7、的现象叫“自转自转”现象），在自动现象），在自动控制系统中是一种很好的执行元件。控制系统中是一种很好的执行元件。二二、交流伺服电动机交流伺服电动机1.1.工作原理：工作原理：交流伺服电动机实际上就是交流伺服电动机实际上就是两相异步电动机，所以有时也叫两相伺服电两相异步电动机，所以有时也叫两相伺服电动机。如图所示，电机定子上有两相绕组，动机。如图所示，电机定子上有两相绕组，一相叫励磁绕组，接到交流励磁电源上，另一相叫励磁绕组，接到交流励磁电源上，另一相为控制绕组，接入控制电压，两绕组在一相为控制绕组，接入控制电压，两绕组在空间上互差空间上互差9090电角度，励磁电压电角度，励磁电压U Uf f和
8、控制和控制电压电压U Uc c频率相同。频率相同。交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机有相似交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机有相似之处。当交流伺服电动机的励磁绕组接到励磁电流上，若之处。当交流伺服电动机的励磁绕组接到励磁电流上，若控制绕组加上的控制电压为控制绕组加上的控制电压为0 0时（即无控制电压），所产生时（即无控制电压），所产生的是脉振磁通势，所建立的是脉振磁场，电机无起动转矩；的是脉振磁通势，所建立的是脉振磁场，电机无起动转矩；当控制绕组加上的控制电压不为当控制绕组加上的控制电压不为0 0，且产生的控制电流与励，且产生的控制电流与励磁电流的相位不同时，建立起椭圆形旋转磁场，
9、于是产生磁电流的相位不同时，建立起椭圆形旋转磁场，于是产生起动力矩，电机转子转动起来。如果电机参数与一般的单起动力矩，电机转子转动起来。如果电机参数与一般的单相异步电动机一样，那么当控制信号消失时，电机转速虽相异步电动机一样，那么当控制信号消失时，电机转速虽会下降些，但仍会继续不停地转动。伺服电动机在控制信会下降些，但仍会继续不停地转动。伺服电动机在控制信号消失后仍继续旋转的失控现象称为号消失后仍继续旋转的失控现象称为“自转自转”。“自转自转”的原因是控制电压消失后，电机仍有与原转速方向一致的的原因是控制电压消失后，电机仍有与原转速方向一致的电磁转矩。消除电磁转矩。消除“自转自转”的方法是消除
10、与原转速方向一致的方法是消除与原转速方向一致的电磁转矩，同时产生一个与原转速方向相反的电磁转矩，的电磁转矩，同时产生一个与原转速方向相反的电磁转矩，使电机在控制电压消失时停止转动。可以通过增加转子电使电机在控制电压消失时停止转动。可以通过增加转子电阻的办法来消除阻的办法来消除“自转自转”。2.2.基本结构基本结构 交流伺服电动机的定子与异步电动机类似，交流伺服电动机的定子与异步电动机类似，在定子槽中装有励磁绕组和控制绕组，而转子在定子槽中装有励磁绕组和控制绕组，而转子主要有两种结构形式：主要有两种结构形式：（1 1）高电阻笼型转子）高电阻笼型转子 这种笼型转子和三相异步电动机的笼型转这种笼型转
11、子和三相异步电动机的笼型转子一样，但笼型转子的导条采用高电阻率的导子一样，但笼型转子的导条采用高电阻率的导电材料制造，如青铜、黄铜。另外，为了提高电材料制造，如青铜、黄铜。另外，为了提高交流伺服电动机的快速响应性能，宜把笼型转交流伺服电动机的快速响应性能，宜把笼型转子做成又细又长，以减小转子的转动惯量。子做成又细又长，以减小转子的转动惯量。（2 2）非磁性空心杯转子）非磁性空心杯转子 如图所示，非磁性空心杯转子交流伺如图所示，非磁性空心杯转子交流伺服电动机有两个定子：外定子和内定子，服电动机有两个定子：外定子和内定子，外定子铁芯槽内安放有励磁绕组和控制绕外定子铁芯槽内安放有励磁绕组和控制绕组，
12、而内定子一般不放绕组，仅作磁路的组，而内定子一般不放绕组，仅作磁路的一部分；空心杯转子位于内外绕组之间，一部分；空心杯转子位于内外绕组之间，通常用非磁性材（如铜、铝或铝合金）制通常用非磁性材（如铜、铝或铝合金）制成，在电机旋转磁场作用下，杯形转子内成，在电机旋转磁场作用下，杯形转子内感应产生涡流，涡流再与主磁场作用产生感应产生涡流，涡流再与主磁场作用产生电磁转矩，使杯形转子转动起来。电磁转矩，使杯形转子转动起来。（3 3）控制方法）控制方法交流伺服电动机的控制方法：交流伺服电动机的控制方法：幅值控制：即保持控制电压幅值控制：即保持控制电压U Uc c的相位不变，使的相位不变，使U Uc c和和
13、U Uf f的相位差始终保持的相位差始终保持9090电角度，仅仅改变其电角度，仅仅改变其幅值来控制电动机的转速。幅值来控制电动机的转速。相位控制：即保持控制电压相位控制：即保持控制电压U Uc c的幅值不变，仅仅的幅值不变，仅仅改变其相位来控制电动机的转速。改变其相位来控制电动机的转速。幅幅相控制：即同时改变控制电压相控制：即同时改变控制电压U Uc c的幅值和相的幅值和相位来进行控制。位来进行控制。第三节第三节 测速发电机测速发电机 测速发电机是一种测量转速的微型发电机，测速发电机是一种测量转速的微型发电机，它把输入的机械转速变换为电压信号输出，并它把输入的机械转速变换为电压信号输出，并要求
14、输出的电压信号与转速成正比。测速发电要求输出的电压信号与转速成正比。测速发电机分直流测速发电机和交流测速发电机两大类。机分直流测速发电机和交流测速发电机两大类。一、直流测速发电机一、直流测速发电机1.工作原理：工作原理：直流测速发电机实际就是一种微直流测速发电机实际就是一种微型直流发电机，按定子磁极的励磁方式分为他型直流发电机，按定子磁极的励磁方式分为他励式和永磁式。励式和永磁式。直流测速发电机的工作原理与一般直流发电直流测速发电机的工作原理与一般直流发电机相同，如下图所示。在恒定的磁场中，外部的机相同，如下图所示。在恒定的磁场中，外部的机械转轴带动电枢旋转，电枢绕组切割磁场从而机械转轴带动电
15、枢旋转，电枢绕组切割磁场从而在电刷间产生感应电动势。在电刷间产生感应电动势。产生的感应电动势：产生的感应电动势：电动势系数：电动势系数 当直流测速发电机在空载时，其电枢电当直流测速发电机在空载时，其电枢电流流 ，输出电压和电枢感应电动势相等，输出电压和电枢感应电动势相等，即即 。因此，空载时的输出电压与转速成。因此，空载时的输出电压与转速成正比。正比。nKnCEeeaeeCK 0aIaaEU 当直流测速发电机带负载时，其电枢电流当直流测速发电机带负载时，其电枢电流 ，中流过电枢电流，并在电枢回路产生电中流过电枢电流，并在电枢回路产生电阻压降，使输出电压减小。阻压降，使输出电压减小。0aILRL
16、aaRUI aaaaRIEUnRRCRREULaeLaaa11 2.2.输出特性输出特性 输出特性指电枢电压与转子转速的函数关输出特性指电枢电压与转子转速的函数关系，即系，即 。由上式可知，理想情况下，由上式可知，理想情况下，均为均为常数，输出电压与转速成正比。常数，输出电压与转速成正比。)(nfUanRRCRREULaeLaaa11aRLR3.3.误差分析误差分析 直流测速发电机的输出电压与转速要严格直流测速发电机的输出电压与转速要严格保持正比关系在实际中是难以做到的，其实际保持正比关系在实际中是难以做到的，其实际的输出特性为图中实线，造成这种非线性误差的输出特性为图中实线，造成这种非线性误差的原因主要有以下三个方面：的原因主要有以下三个方面：（1 1）电枢反应）电枢反应 直流测速发电机负载时电枢电流会产生电直流测速发电机负载时电枢电流会产生电枢反应，电枢反应的去磁作用使气隙磁通枢反应，电枢反应的去磁作用使气隙磁通0 0减减小，使输出电压减小。从输出特性看，斜率将小，使输出电压减小。从输出特性看，斜率将减小，而且电枢电流越大，电枢反应的去磁作减小，而且电枢电流越大，电枢反应的去磁作用
