第七章控制电机

第七章控制电机 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 根据使用电源的不同 伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类 直流伺服电动机输出功率较大 功率范围为1 600瓦 有的甚至可达上千瓦 而交流伺服电动机输出功率较小 功率范围一般为0 1 100瓦 一 交流伺服电动机 一 工作原理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动机 如图7 1所示 电机定子上有两相绕组 一相叫励磁绕组f 接到交流励磁电源Uf上 另一相为控制绕组C 接入控制电压Uc 两绕组在空间上互差90 电角度 励磁电压Uf和控制电压Uc频率相同 图7 1交流伺服电动机原理图 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压Uf上 若控制绕组加上的控制电压UC为0V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 当控制绕组加上的控制电压UC 0V 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 若IC与If相位差为90 时 则为圆形旋转磁场 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号消失后仍继续旋转的失控现象称为 自转 从单相异步电动机理论可知 单相绕组通过电流产生的脉振磁场可以分解为正向旋转磁场和反向旋转磁场 正向旋转磁场产生正转矩T 起拖动作用 反向旋转磁场产生负转矩T 起制动作用 正转矩T 和负转矩T 与转差率S的关系如图7 2虚线所示 电机的电磁转矩T应为正转矩T 和负转矩T 的合成 在图中用实线表示 a b c 图7 2交流伺服电动机自转的消除 如果交流伺服电动机的电机参数与一般的单相异步电动机一样 那么转子电阻较小 其机械特性如图7 2 a 所示 当电机正向旋转时 S T 合成转矩即电机电磁转矩T T T 0 所以 即使控制电压消失后 即UC 0V 电机在只有励磁绕组通电的情况下运行 仍有正向电磁转矩 电机转子仍会继续旋转 只不过电机转速稍有降低而已 于是产生 自转 现象而失控 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电磁转矩 消除 自转 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 使电机UC 0V在时停止转动 可以通过增加转子电阻的办法来消除 自转 增加转子电阻后 正向旋转磁场所产生的最大转矩Tm 时的临界转差率Sm 随转子电阻的增加而增加 而反向旋转磁场所产生的最大转矩所对应的转差率sm 2 sm 相应减小 合成转矩即电机电磁转矩则相应减小 如图7 2 b 所示 如果继续增加转子电阻 使正向磁场产生最大转矩时的sm 1 使正向旋转的电机在控制电压消失后的电磁转矩为负值 即为制动转矩 使电机制动到停止 若电机反向旋转 则在控制电压消失后的电磁转矩为正值 也为制动转矩 也使电机制动到停止 从而消除 自转 现象 如图7 2 c 所示 所以要消除交流伺服电动机的 自转 现象 在设计电机时 必须满足 1即 增大转子电阻 使 不仅可以消除 自转 现象 还可以扩大交流伺服电动机的稳定运行范围 但转子电阻过大 会降低起动转矩 从而影响快速响应性能 二 基本结构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 而转子主要有两种结构形式 1 笼型转子 2 非磁性空心杯转子 1 笼型转子这种笼型转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 宜把笼型转子做成又细又长 以减小转子的转动惯量 2 非磁性空心杯转子如图7 3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 外定子铁芯槽内安放有励磁绕组和控制绕组 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 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 如图7 3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 外定子铁芯槽内安放有励磁绕组和控制绕组 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 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 由于非磁性空心杯转子的壁厚约为0 2 0 6mm 因而其转动惯量很小 故电机快速响应性能好 而且运转平稳平滑 无抖动现象 由于使用内外定子 气隙较大 故励磁电流较大 体积也较大 图7 3非磁性空心杯转子结构图1 空心杯转子 2 外定子 3 内定子 4 机壳 5 端盖 三 控制方式如果在交流伺服电动机的励磁绕组和控制绕组上分别加以两个幅值相等 相位差90 电角度的电压 那么电机的气隙磁场是一个圆形旋转磁场 如果改变控制电压Uc的大小或相位 那么气隙磁场是一个椭圆形旋转磁场 控制电压Uc的大小或相位不同 气隙的椭圆形旋转磁场的椭圆度不同 产生的电磁转矩也不同 从而调节电机的转速 当的幅值为0V或者Uc与Uf相位差为0 电角度时 气隙磁场为脉振磁场 无起动转矩 因此 交流伺服电动机的控制方式有三种 幅值控制幅值控制通过改变控制电压的大小来控制电机转速 2 相位控制这种控制方式通过改变控制电压Uc与励磁电压Uf之间的相位差来实现对电机转速和转向的控制 而控制电压的幅值保持不变 3 幅值 相位控制励磁绕组串接电容C后再接到交流电源上 控制电压Uc与电源同相位 但幅值可以调节 当Uc的幅值可以改变时 转子绕组的耦合作用 使励磁绕组的电流If也变化 从而使励磁绕组上的电压Uf及电容C上的电压uc也跟随改变 Uc与Uf的相位差b也随之改变 即改变Uc的大小 Uc与Uf的相位差也随之改变 从而改变电机的转速 幅度 相位控制线路简单 不需要复杂的移相装置 只需电容进行分相 具有线路简单 成本低廉 输出功率较大的优点 因而成为使用最多的控制方式 四 机械特性和调节特性1 机械特性机械特性是指控制电信号一定时电磁转矩随转速变化的关系在一个表征控制电信号的系数为一定值的条件 控制电机转矩和转速间的关系 这个系数对于 a 幅值控制方式ae Uc Us Uc Uf 式1 b 相位控制方式ae Ucsinb Us Ucsinb Uc sinb 式2 c 幅 相控制方式ae0 Uco Us 式3 具体机械特性见下图 图7 4机械特性a幅值控制b相位控制c幅 相控制 2 调节特性所谓调节特性 就是表示输出转矩一定的情况下 转速与控制电信号变化的关系调节特性就是表示在不同的输出转矩下 电机转速随控制信号而改变的关系曲线的 见下图 图7 5调节特性a幅值控制b相位控制c幅 相控制 二 直流伺服电动机直流伺服电动机实际上就是他励直流电动机 其结构和原理与普通的他励直流电动机相同 只不过直流伺服电动机输出功率较小而已 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 也可加到电枢绕组上 a 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大小和方向 这种方式叫电枢控制 b 若把控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 1 电枢控制时直流伺服电动机的特性机械特性表达式Tem CTFUc ra CeCTF2n ra或T Tem TemB a n nB a V从上式可看出 直流伺服电动机的机械特性是线性的见下图 图7 6电枢控制线路图 图7 7电枢控制时的机械特性 2 磁场控制时直流伺服电动机的特性机械特性表达式Tem CMCf Uf2a ra CMCenCf 2a2Uf2 ra或T a a2VV a T a2 控制线路 见图7 9 机械特性可见图7 10 第二节测速发电机 测速发电机是一种检测元件 主要用途有1 产生加速或减速的信号2 在计算装置中作计算元件3 对旋转机械作恒速控制 交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机 1 交流异步测速发电机 1 结构及工作原理交流异步测速发电机与交流伺服电动机的结构相似 其转子结构有笼型的 也有杯型的 在自动控制系统中多用空心杯转子异步测速发电机 空心杯转子异步测速发电机定子上有两个在空间上互差90 电角度的绕组 一为励磁绕组 另一为输出绕组 如图所示 就信号转换而言 交流侧其输出绕组中所感应产生的电动势E与转速n成正比E 4 44f1N2KCFdn 2 C n这样 异步测速发电机将转速信号变成电压信号 实现测速的目的 2 主要误差 1 线性误差转子杯回路中除变压器电动势E r2外 又出现旋转电动势End 引起Ir2及I1的变化 使U2 C n遭到破坏 从而造成线性误差 2 相位误差输出电压与励磁电压之间的相位误差是励磁绕组以及杯形转子内的漏阻抗压降引起的所谓相位误差是指在规定的转速范围内输出电压与励磁电压之间的相位的变化量 3 剩余误差交流异步测速发电机加上励磁电压以后 虽转子停止 往往还会有输出电压 使控制系统的准确度大为降低 其原因一是制作工艺不良 二是导磁材料不均匀以及非线性所致 二 直流测速发电机1 结构和工作原理直流测速发电机的结构与普通小型直流发电机相同 磁极由永久磁铁制成 励磁方式采用他励式直流测速发电机的工作原理和直流发电机相同 见下图 感应电动势的公式为Eo pZFon 60a CeFon 1 p 极对数Z 电枢绕组总导体数a 电枢绕组的并联支路对数在有负载时 输出电压为U Eo IRa Eo URa RL 2 把式2代入式3可得U CdFon 1 Ra RL 2 误差直流测速发电机在无信号输入时 直流测速发电机中不会出现剩余电压 又无相位误差 而线性误差还是存在的 即输出特性不是严格的曲线关系 造成这种非线性误差的原因主要有以下三个方面 1 电枢反应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 0减小 输出特性斜率减小越明显 输出特性直线变为曲线 2 温度的影响如果直流测速发电机长期使用 其励磁绕组会发热 其绕组阻值随温度的升高而增大 励磁电流因此而减小 从而引起气隙磁通减小 输出电压减小 特性斜率减小 3 接触电阻电枢电路总电阻包括电刷与换向器的接触电阻 第三节自整角机 自整角机广泛应用于随动系统中 能对角位移或角速度的偏差进行自动地整步 自整角机通常是两台或两台以上组合使用 产生信号的自整角机称为发送机 它将轴上的转角变换为电信号 接收信号的自整角机称为接收机 它将发送机发送的电信号变换为转轴的转角 从而实现角度的传输 变换和接收 在随动系统中主令轴只有一根 而从动轴可以是一根 也可以是多根 主令轴安装发送机 从动轴安装接受机 故而一台发送机带一台或多台接受机 主令轴与从动轴之间的角位差 称为失调角 自整角机的基本结构如图所示 通常做成两极电机 自整角机的定子铁芯嵌有三相对称分布绕组 称为整步绕组 也叫同步绕组 联结为星形接法 图7 18自整角机基本结构示意图1 定子2 转子3 阻尼绕组4 电刷5 接线柱6 集电环 转子上放置单相励磁绕组 可以做成凸极结构 如图7 18a 也可做成隐极结构 如图7 18c 这两种方式都是励磁绕组经集电环和电刷后接励磁电源 另外 也可把定子做成凸极式 转子做成隐极式 如图7 26b 三相整步绕组嵌入转子铁芯槽内 并经集电环和电刷引出 而单相励磁绕组安装在定子凸极上 a b c 图7 18自整角机定子转子结构形式 二 工作原理1 力矩式自整角机的工作原理力矩式自整角机主要用在指示系统中 以实现角度的传输接线图 见图7 19 在随动系统中 不需放大器和伺服电动机的配合 两台力矩式自整角机就可进行角度传递 因而常用以转角指示 两台自整角机是相同的 左边的一台作发送机 右边的一台作接收机 两台电机的励磁绕组接到同一单相交流电源上 三相整步绕组对应相接 同步绕组中出现差额电动势 E 及 E 它们各自在同步绕组回路中产生对称的三相环流I E 2Z I I E 2Z I 式1 Z为自整角机的短路阻抗由此产生的四个电磁转矩Tem CmE I cos 0Tem CmE I cos 0 式2 在发送机中 Tem 和Tem 促使同步绕组向缩小 角方向转动 在接收机中 Tem 和Tem 促使同步绕组与励磁绕组产生偏转角 这样 四个电磁转矩都力图使两转子转到同一位置起整步作用 2 控制式自整角机的工作原理把发送机和接收机的转子绕组互相垂直的位置作为协调位置 将接收机的转子绕组Z 1Z 2从电源断开 这样接线的自整角机系统便成为控制式的自整角机接线图见图7 21 控制式自整角机的工作原理如图7 21所示 左边的是自整角发送机 右边的是自整角接收机 自整角发送机的励磁绕组接单相交流电源 其三相整步绕组与自整角接收机的整步绕组一一对应相接 自整角接收机工作在变压器状态 故又称为自整角变压器 其输出绕组接交流伺服电动机的控制绕组 自整角发送机的转子转角 1等于自整角变压器的转子转角 2时 失调角 1 2 0 自整角机此时的位置叫协调位置 当出现失调角时 发送机同步绕组的正 反转旋转磁通势的表达式为f x t 0 Fsin wt px t f x t 0 Fsin wt px t 式3 而接收机同步绕组脉振磁场的磁通就会穿链其转子绕组而感应产生变压器电动势为U2 U2msin 式4 这个电动势U2只与失调角 即发送机和接收机之间的差角 有关 而与发送机的接收机转子本身位置无关 三 误差概述力矩式自整角机的发送机和接收机之间必然保存一定的失调角 这个角差便为误差 解决办法是将力矩式自整角机的转子制成凸极式控制式自整角机的误差主要由速度电动势引起 解决办法是将其频率设计为400Hz四 自整角机的应用自整角机的应用越来越广泛 常用于位置和角度的远距离指示 如在飞机 舰船之中常用于角度位置 高度的指示 雷达系统中用于无线定位等等 另一方面常用于远距离控制系统中 如轧钢机轧辊控制和指示系统 核反应堆的控制棒指示等等 第四节旋转变压器 旋转变压器是自动装置中较常用的精密控制电机 当旋转变压器的定子绕组施加单相交流电时 其转子绕组输出的电压与转子转角成正弦余弦关系或线性关系等函数关系 旋转变压器结构与绕线式异步电动机类似 其定子 转子铁芯通常采用高磁导率的铁镍硅钢片冲叠而成 在定子铁芯和转子铁芯上分别冲有均匀分布的槽 里边分别安装有两个在空间上互相垂直的绕组 通常设计为2极 转子绕组经电刷和集电环引出 旋转变压器的种类很多 其中正余弦旋转变