电机学讲义第十七章控制电机

1、第十七章第十七章 控制电机控制电机控制电机：控制电机：自动控制系统中：放大、执行、检测、解算等元自动控制系统中：放大、执行、检测、解算等元件件17-1伺服电机 又被称为执行电动机 在自动控制系统中作为执行元件，将输入的电压信号变换成转轴的角位移或角速度输出 伺服电动机可控性好，反应迅速。 输入的电压信号称为控制信号或控制电压，改变控制电压可以变更伺服电动机的转速及转向控制系统的要求 宽广的调速范围 机械特性和调节特性为线性 无“自转”现象 快速响应性17.1.1直流伺服电动机 直流伺服电动机：实质上是一台他励式或永磁式直流电动机一、结构与分类 普通型直流伺服电机 盘型电枢直流伺服电动机 空心杯

2、直流伺服电动机 无槽直流伺服电动机普通型直流伺服电机 其结构型式与普通直流电动机基本相同 组成：定子、转子两大部分 分类：永磁式和电磁式 永磁式：在定子上装置由永久磁钢做成的磁极，如我国的SY系列直流伺服电动机 电磁式：定子通常由硅钢片冲制而成，磁极和磁轭整体相连，在磁极铁心上套有励磁绕组，如我国的SZ系列直流伺服电动机 两种电机的转子铁心由硅钢片冲制而成，在转子冲片的外圆上开有均布的齿槽，和普通直流电机转子冲片相同盘型电枢直流伺服电动机 定子由永久磁钢和前后磁轭所组成，磁钢可在圆盘的一侧放置，也可在两侧同时放置。电机的气隙位于圆盘的两边，圆盘上有电枢绕组，可分为印制绕组和绕线式绕组。盘型电枢

3、直流伺服电动机 电枢绕组中的电流沿径向流过圆盘表面，并与轴向磁通相互作用而产生转矩。 绕组的径向段为有效部分，弯曲段为端接部分。 常用电枢绕组有效部分的裸导体表面兼做换向器，与电刷直接接触。盘型电枢直流伺服电动机空心杯直流伺服电动机 有一个外定子和一个内定子。 通常外定子由两个半圆形的永久磁钢组成，内定子为圆柱形软磁材料制成，仅作为磁路的一部分，以减小磁路的磁阻。 也有内定子由永久磁钢做成，外定子由软磁材料做成。空心杯直流伺服电动机 绕组一般先绕成单个成型线圈，然后将它们沿圆周的轴向排列成空心杯形，再用环氧树脂热固化成型。 电枢直接装在电机轴上，在内、外定子间的气隙中旋转。 电枢绕组接到换向器

4、上，由电刷引出。 我国生产的这种控制电机的型号为：SYK无槽直流伺服电动机 电枢铁心不开槽 电枢绕组直接排列在铁心表面，再用环氧树脂将其与电枢铁心固化成整体 定子磁极可用永久磁钢做成，也可用电磁式结构 电机的转动惯量和电枢绕组的电感相较而言较大，因而其动态性能较差 工国生产的这种型号的电机为SWC控制方式 一般采用电枢控制方式 控制过程：当励磁电压恒定、负载转矩一定时，升高电枢电压，电机的转速随之升高；反之，减小电枢电压，电机的转速下降；若电枢的电压为零，电机停转；当电枢的电压极性改变时，电机的旋转方向也随之改变。因此，把电枢电压作为控制信号就可以实现对电动机转速控制MU1I1I2U2U+二、

5、直流伺服电动机的机械特性和控制特性 假设条件电机的磁路不饱和忽略负载时电枢反应磁势的影响电机的每极气隙磁通保持恒定emTeaeTCCRCUn2a 堵转转矩：当转速为零时的转矩，仅与电枢电压有关。 机械特性直流伺服电动机的调节特性（控制特性） 含义：指负载转矩恒定时，电机转速与电枢电压的关系。起始电压与失灵区emTeaeTCCRCUn2a三、直流伺服电动机的动态特性 含义:指电动机的电枢上外施阶跃电压时，电机转速从零开始的增长过程，即 或( )nf t( )f t直流伺服电动机的机电过渡过程 电机的过渡过程：电气和机械的过渡过程 电动机在电枢外施控制电压变化后，由于电枢绕组有电感，电枢电流不能突

6、然增长，因而有一个电气过渡过程，即相应电磁转矩的增长也有一个过程。 另一个方面，在电磁转矩的作用下，电机从一个状态到另一个状态，由于电枢有一定的转动惯量，电机的转速从一个稳态转速变化到另一个稳态转速需要一定的时间，因此存在一个机械过渡过程 在整个机电过渡过程中，电气和机械过渡过程相互影响。表达式：TeaCnCeaTaarCUi/ )(aTemiCTdtdJTTemTCrUCdtdCJrTaaTTa)1)(121MTteTCCUTaTa2211r22rTaMCJTTCCUTaTa2222r动态特性：)1)(121MTte我国目前生产的常见直流伺服电动机的机电时间常数 SZ系列：30ms SY系列

7、: 30ms SY系列(小机座号): 35ms 快速低惯量: 10ms 空心杯式: 2-3ms17.1.2 两相交流伺服电动机它将交流信号转换为轴上的角位移或角速度。要求：控制信号的强弱能反映电动机转速的快慢；控制信号的相位能反映电动机转动的方向；无控制信号时，电动机应不转。一、功用、结构及特点定子为两相绕组，且在空间相差90的电角度。 结构一相绕组为励磁绕组 F ；另一相绕组为控制绕组 C 。2、交流伺服电动机自转的消除当 UC = 0 时，n0的现象，称为自转自转。1212msxxr，防止自转的方法：增加转子电阻，使Sm1，T与n方向相同Sm1，T与n方向相反3、 控制方法 幅值控制，称为

8、信号系数令NCfCUUUU保持控制电压 滞后励磁电压 90，且 Uf = UN ，改变控制电压的幅值来控制转速。CUfU值越小，椭圆度越大。 相位控制保持控制电压与励磁电压的幅值不变，且均为额定值，仅仅改变它们之间的相位差角 ，来控制转速。 幅值相位控制控制电压 UC 和相位差角 均变化。幅值控制时的接线图相位控制时的接线图幅值-相位控制时的接线图二、幅值控制时的 机械特性和调节特性，称为信号系数令NCfCUUUUffUUUU21,212121rUmTfm17-2 测速发电机它是一个速度元件，是将机械信号转换为电压信号。自控系统对测速发电机的要求：、线性度要好，即输出电压和转速成正比。、灵敏度

9、要高，即单位转速输出电压值要大，表现为输出特性的斜率要大。、工作稳定，温度变化对输出电压的影响要小。17-2 测速发电机17.2.1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：永磁式：永久磁铁 电磁式：他励式直流测速发电机的工作原理和直流发电机相同aaaeaRIEUnCEaLaRRUELaaRREU1nRRCLae1knconstk 呈线性关系与 nU直流测速发电机的输出特性直流测速发电机原理图2. 工作原理17.2.2异步测速发电机定子：两相绕组，一相为励磁绕组，另一相为输出绕组。 工作原理 结构rddEF2励磁绕组磁势转子：与空心杯交流伺服电机相似

10、n=0时，直轴磁场与输出绕组垂直，U=0。.Blver260DnlS60sinDnlStdmtSnDldmsin60n0，转子切割直轴磁场，产生电势同相位，与忽略转子漏电抗，则rrEI2222EFIqrqr故KnkfWEmqWkk)(244. 422222ErIEUKnEU22 结论：结论： U2 n ； u2 与与 uf 同频率、同相位。同频率、同相位。17-3 旋转变压器旋转变压器17.3.1 概述：概述：功能：将转子转角变换成与之有函数关系的电压信号。功能：将转子转角变换成与之有函数关系的电压信号。结构：相当于一台两相绕线型异步电动机。结构：相当于一台两相绕线型异步电动机。 定、转子铁心

11、上都有两个结构相同而互相垂直的定、转子铁心上都有两个结构相同而互相垂直的绕组。绕组。用途：坐标变换、三角函数运算、角度数据传输。用途：坐标变换、三角函数运算、角度数据传输。分类：分类：1. 正余弦旋转变压器正余弦旋转变压器2. 线性旋转变压器线性旋转变压器3. 特种函数旋转变压器特种函数旋转变压器17.3.2. 正余弦旋转变压器正余弦旋转变压器 将转子转角变换成与之成正将转子转角变换成与之成正 余弦函数关系的电压信号。余弦函数关系的电压信号。 定子：定子： D1D2 ：励磁绕组：励磁绕组； D3D4 ：补偿绕组：补偿绕组。 转子：转子： Z1Z2 ：余弦输出绕组；：余弦输出绕组； Z3Z4 ：

12、正弦输出绕组。：正弦输出绕组。D1D2D3D4Z1Z2Z3Z4基准位置基准位置（初始位置）（初始位置）1.空载运行空载运行定义：励磁绕组轴线为直轴。定义：励磁绕组轴线为直轴。余弦绕组轴线与直轴之夹角为余弦绕组轴线与直轴之夹角为转子位置角转子位置角。D1D2D3D4Z1Z2Z3Z4UfUcos Usin 转子处在基准位置时转子处在基准位置时ID121.空载运行空载运行定义：励磁绕组轴线为直轴。定义：励磁绕组轴线为直轴。余弦绕组轴线与直轴之夹角为余弦绕组轴线与直轴之夹角为转子位置角转子位置角。mWfkfWE1144. 4转子偏离基准位置转子偏离基准位置 角角D1D2D3D4Z1Z2Z3Z4UfUc

13、os Usin ID12Z1Z3Z4Z2Ucos Usin cos44. 422mWckfWE 1122WWekWkWk sin44. 422mWskfWE 1.空载运行空载运行定义：励磁绕组轴线为直轴。定义：励磁绕组轴线为直轴。余弦绕组轴线与直轴之夹角为余弦绕组轴线与直轴之夹角为转子位置角转子位置角。转子偏离基准位置转子偏离基准位置 角角D1D2D3D4Z1Z2Z3Z4UfUcos Usin ID12Z1Z3Z4Z2Ucos Usin cosfecEkE sinfesEkE cosfecEkU sinfesEkU 2. 负载运行负载运行cossfsincf副边补偿csZZ 3.原边补偿原边补

14、偿 D1D2D3D4UfID12Z1Z3Z4Z2Ucos Usin ZCZLIZ12IZ34iqZZ 4.原边和副边同时补偿原边和副边同时补偿 17.3.3. 磁阻式旋转变压器磁阻式旋转变压器17.3.3. 磁阻式旋转变压器磁阻式旋转变压器23) 1(cos10iZRi23) 1(cos10iZxxxRMMiM）（)cos(211311RMMMcZxIjxxjIE）（）（)sin(211RMsZxIjE)cos(RmcZEE )sin(RmsZEE 17.3.4. 线性旋转变压器线性旋转变压器KU cosfefcffEkEEEUcos1effkUEfeefesUkkEkEUcos1sinsin

15、KUke范围：60,52. 017-4 步进电动机步进电动机功能：将电脉冲信号转换成转角或转速信号。功能：将电脉冲信号转换成转角或转速信号。 转角转角 脉冲信号的个数；脉冲信号的个数； 转速转速 n 脉冲信号的频率。脉冲信号的频率。 用途：高精度的角度控制。用途：高精度的角度控制。 按定子相数不同：三相、四相、五相、六相等；按定子相数不同：三相、四相、五相、六相等； 按转子结构不同：按转子结构不同： 反应式（磁阻式）反应式（磁阻式）永磁式永磁式永磁感应子式（混合式）永磁感应子式（混合式）17-4 步进电动机步进电动机脉冲脉冲放大器放大器步进步进电动机电动机脉冲脉冲分配器分配器脉冲输入脉冲输入负

16、载负载 驱动电源驱动电源 步进电动机的控制方式：步进电动机的控制方式：1. 定子：定子：17.4.1 磁阻式步进电机磁阻式步进电机一、一、 结构结构2. 转子：转子：二二. 工作原理工作原理 一拍：从一次通电到另一次通电。一拍：从一次通电到另一次通电。步距角：每一拍转子转过的角度。步距角：每一拍转子转过的角度。(1) m 相单相单 m 拍运行（三相单三拍运行）拍运行（三相单三拍运行）(2) m 相双相双 m 拍运行（三相双三拍运行）拍运行（三相双三拍运行）(3) m 相单相单-双双 m 拍运行（三相双三拍运行）拍运行（三相双三拍运行）14 23U1U2V1V2W2W1(1) m 相单相单 m

17、拍运行（三相单三拍运行）拍运行（三相单三拍运行） 通电顺序：通电顺序： U 相相V 相相W 相相U 相。相。14 23(1) U 相通电相通电14 23U1U2V1V2W2W114 23(2) V 相通电相通电14 23U1U2V1V2W2W114 23(3) W 相通电相通电 步距角：步距角： = 30(2) m 相双相双 m 拍运行（三相双三拍运行）拍运行（三相双三拍运行） 通电顺序：通电顺序： UV 相相VW 相相WU 相。相。14 23U1U2V1V2W2W1(1) UV 相通电相通电14 2314 23U1U2V1V2W2W1(2) VW 相通电相通电14 2314 23U1U2V1V2W2W1(3) WU 相通电相通电14 23 步距角：步距角： = 30(3) m 相单相单-双双 2m