第五章控制用电机

1、第六章第六章 控制用电机控制用电机61伺服电动机伺服电动机62测速发电机测速发电机63自整角机自整角机64旋转变压器旋转变压器65步进电动机步进电动机学习第六章应该注意的点学习第六章应该注意的点第六章学习应注意的几个问题第六章学习应注意的几个问题： 1.控制电机的特点和要求是什么控制电机的特点和要求是什么 ？ 2.伺服电动机是怎么工作的？它与单相异步电动机有什么差异伺服电动机是怎么工作的？它与单相异步电动机有什么差异？ 3.测速发电机的用途是什么？如何工作？测速发电机的用途是什么？如何工作？ 4.自整角机的结构如何？控制式和力矩式自整角机分别是怎样自整角机的结构如何？控制式和力矩式自整角机分别

2、是怎样工作的工作的 ？整步绕组的电流是单相还是三相？整步绕组的电流是单相还是三相？ 5.各种控制电机在什么场合使用？有什么特点？各种控制电机在什么场合使用？有什么特点？本章主要是原理性的概念不要求计算本章主要是原理性的概念不要求计算。相对比较难的点相对比较难的点： 1.交流伺服电机交流伺服电机“自转自转”问题的克服；问题的克服；2.自整角机的工作原理。自整角机的工作原理。控制用电机：控制用电机： 用途：用途： 主要用于自动控制系统，检测、比较、放达和执行。主要用于自动控制系统，检测、比较、放达和执行。 要求：要求： 精度、灵敏度、稳定、可靠高，体小重轻，耗电少。精度、灵敏度、稳定、可靠高，体小

3、重轻，耗电少。 特点：特点： 尺寸相对较大（不饱和），电流密度小（误差小），尺寸相对较大（不饱和），电流密度小（误差小），功率小（不是以能量转换为主，而是以控制为主）。功率小（不是以能量转换为主，而是以控制为主）。6- -1.伺服电动机伺服电动机本节主要内容有两大部分：本节主要内容有两大部分：l 交流伺服电动机：交流伺服电动机： 主要点：结构、特点，主要点：结构、特点，“自转自转”现象的克服。现象的克服。l 直流伺服电动机：直流伺服电动机： 主要点：结构、特点。主要点：结构、特点。伺服电动机定义：伺服电动机定义： 伺服：伺服： 跟随（执行用），输出信号跟跟随（执行用），输出信号跟随控制输入信号

4、。也叫执行电动机。随控制输入信号。也叫执行电动机。 控制系统根据对系统的检测、比较后按照控制系统根据对系统的检测、比较后按照一定的控制规律进行调节，输出所需进行的调一定的控制规律进行调节，输出所需进行的调节信号就是通过伺服电动机实现的。节信号就是通过伺服电动机实现的。 伺服电动机有交流、直流两种。伺服电动机有交流、直流两种。 伺服电动机的定义伺服电动机的定义一、交流伺服电动机一、交流伺服电动机q结构：结构： 实质：实质：两单相异步电动机（与单相异步机相似）。两单相异步电动机（与单相异步机相似）。 组成：组成：定子（励磁、控制绕组），转子（细长形，定子（励磁、控制绕组），转子（细长形，减小转动惯

5、量）减小转动惯量） 。 杯形转子：杯形转子：可看成无数导条组成的鼠笼转子可看成无数导条组成的鼠笼转子 。纵横剖面图纵横剖面图系统的组成系统的组成 在单相异步电动机工作原理中，在单相异步电动机工作原理中，当起动结束后，当起动结束后，单相电流产生的脉振单相电流产生的脉振磁场仍然使电机产生电磁转矩。磁场仍然使电机产生电磁转矩。如果如果交流伺服电机工作时将控制绕组断电，交流伺服电机工作时将控制绕组断电，此时按伺服电机用途要求电机停止转此时按伺服电机用途要求电机停止转动，但动，但若电机的结构与单相异步电动若电机的结构与单相异步电动机完全相同时，伺服电机就不可能停机完全相同时，伺服电机就不可能停止转动，这

6、就是所谓止转动，这就是所谓“自转自转”问题。问题。 “自转自转”问题问题单相异步电动单相异步电动机的机械特性机的机械特性单相则单相则“自转自转” 通过对机械特性的分析，当通过对机械特性的分析，当转子电阻足够大转子电阻足够大时，则时，则Sm1。此时，单相脉振磁场分解成两个此时，单相脉振磁场分解成两个旋转磁场，其中反向磁场产生的旋转磁场，其中反向磁场产生的电磁转矩比正向磁场产生的大，电磁转矩比正向磁场产生的大，因此，电机总的电磁转矩就为负因此，电机总的电磁转矩就为负值（制动转矩），电机就能快速值（制动转矩），电机就能快速停转。停转。 “自转自转”问题的克服问题的克服二、直流伺服电动机二、直流伺服电

7、动机原理：原理： 与普通直流电机完全相同。与普通直流电机完全相同。所不同的是电枢电阻大，机械特所不同的是电枢电阻大，机械特性软、线性（电阻大，可弱磁起性软、线性（电阻大，可弱磁起动、可直接起动）。动、可直接起动）。控制方式：控制方式： 1.电枢控制（主要）；电枢控制（主要）；2.磁磁极控制（少用）。极控制（少用）。直流伺服电动机的两直流伺服电动机的两种控制方式种控制方式直流伺服电动机的特点：直流伺服电动机的特点：电阻大，电阻大，机机械特性软。与交流比较，特性是线性的。械特性软。与交流比较，特性是线性的。交流与直流伺服电动机的特点：交流与直流伺服电动机的特点：交流：交流： 非线性（由控制解决）；

8、非线性（由控制解决）；反应灵敏；体小；便宜；用广。反应灵敏；体小；便宜；用广。 直流：直流： 线性；滑动接触；火花线性；滑动接触；火花干扰；惯性大；体大；相对价高。干扰；惯性大；体大；相对价高。 伺服电机特点：伺服电机特点：. 反应迅速；反应迅速；. 精度高。精度高。 第一节要点第一节要点 ：要求；结构原理（交流：要求；结构原理（交流“自转自转”的的克服）；特点。克服）；特点。 机械特性机械特性6- -2.测速发电机测速发电机本节主要内容有两大部分：本节主要内容有两大部分：l 交流测速发电机：交流测速发电机： 主要点：测速原理（转动才有电压），结构、特点。主要点：测速原理（转动才有电压），结构

9、、特点。l 直流测速发电机：直流测速发电机： 主要点：测速原理（主要点：测速原理（n与与U的关系），结构、特点。的关系），结构、特点。测速发电机现在有被单片机系统取代的趋势。测速发电机现在有被单片机系统取代的趋势。一、交流测速发电机一、交流测速发电机 结构：结构： 原理：原理： 结构与交流伺服电动机相同，只是绕组结构与交流伺服电动机相同，只是绕组名称不同：名称不同：1. 励磁绕组；励磁绕组；2. 输出绕组。输出绕组。转子静止：转子静止： 励磁绕组产生的磁通在转励磁绕组产生的磁通在转子绕组上感应电势，产生电流。子绕组上感应电势，产生电流。转子磁势不与输出绕组交链，转子磁势不与输出绕组交链，所以，

10、输出绕组不感应电势，所以，输出绕组不感应电势，即：即：输出电压为零，输出电压为零，U2=0。转子正向转动：转子正向转动：转子反向转动：转子反向转动： 交流测速发电机的特点：交流测速发电机的特点：简单简单 、便宜便宜 ，但精度较低，但精度较低 。 转子转动：转子转动：转子绕组不仅转子绕组不仅有（静止感应）的变压器电势，有（静止感应）的变压器电势，还存在（切割产生）的电动机还存在（切割产生）的电动机电势，电动机电势产生电流和电势，电动机电势产生电流和磁势与定子的输出绕组交链，磁势与定子的输出绕组交链，使使输出输出U2n ； 转子反转：转子反转：电动机电势相电动机电势相位变反，输出绕组感应的电压，位

11、变反，输出绕组感应的电压，U2相位也变反。相位也变反。 转子转动后的情况转子转动后的情况电压反向电压反向二、直流测速发电机二、直流测速发电机 直流测速发电机结构：与普通直直流测速发电机结构：与普通直流发电机的结构相同。不同点：磁路流发电机的结构相同。不同点：磁路不饱和，电枢绕组电阻较大。不饱和，电枢绕组电阻较大。 原理：励磁绕组接电源，当转子转动时，电枢绕原理：励磁绕组接电源，当转子转动时，电枢绕组感应电动势正比于转速，若测速发电机的输出绕组组感应电动势正比于转速，若测速发电机的输出绕组（电枢）接上负载，则发电机将向负载提供电压信号，（电枢）接上负载，则发电机将向负载提供电压信号，输出电压输出

12、电压U2与转速成正比（磁路不饱和）。与转速成正比（磁路不饱和）。特点：精度高，线性；但价格较贵特点：精度高，线性；但价格较贵 。 第二节要点第二节要点 ：工作原理，了解误差原因及影响。：工作原理，了解误差原因及影响。 6- -3.自整角机自整角机本节主要内容有两大部分：本节主要内容有两大部分：l 力矩式自整角机：力矩式自整角机： 主要点：工作原理（如何跟随），结构、特点。主要点：工作原理（如何跟随），结构、特点。l 控制式自整角机：控制式自整角机： 主要点：工作原理（输出什么）主要点：工作原理（输出什么） ，结构、特点。，结构、特点。自整角机在船上主要用作舵角指示器、车钟等。自整角机在船上主要

13、用作舵角指示器、车钟等。 自整角机又称为自整角机又称为“软轴软轴”或或 “电轴电轴”，接收机跟，接收机跟随发送机转动。主要有力矩式和控制式两种（此外还随发送机转动。主要有力矩式和控制式两种（此外还有差动式）。有差动式）。自整角机都是成对配合使用的自整角机都是成对配合使用的。结构：结构：定子三相定子三相(整步整步)绕组，转子单相绕组，转子单相(励磁励磁)绕组。绕组。 协调位置：协调位置：工作时两个转子都不受力（或无输出）工作时两个转子都不受力（或无输出）所处的位置。所处的位置。 失调角：失调角：两个转子与协调位置相差的电角度。两个转子与协调位置相差的电角度。注意注意 ：力矩式输出力矩；控：力矩式

14、输出力矩；控制式输出包含相位的电压信号。制式输出包含相位的电压信号。 需要大转矩的系统应选用需要大转矩的系统应选用控制式自整角机。控制式自整角机。 概述概述一、力矩式自整角机一、力矩式自整角机 接线：接线：将两机的三相整步绕组对应相互连接，两将两机的三相整步绕组对应相互连接，两机的励磁绕组与同一个单相电源连接。机的励磁绕组与同一个单相电源连接。接交流电源接交流电源三相整步绕组三相整步绕组对应相连对应相连发送机发送机接收机接收机 A A1 1X X1 1，B B1 1Y Y1 1，C C1 1Z Z1 1分别是发分别是发送机的定子三送机的定子三相整步绕组。相整步绕组。 I I1 1IIII1 1

15、是发是发送机的转子励送机的转子励磁绕组。磁绕组。 A A2 2X X2 2，B B2 2Y Y2 2，C C2 2Z Z2 2分别是接分别是接收机的定子三收机的定子三相整步绕组。相整步绕组。 I I2 2IIII2 2是接是接收机的转子励收机的转子励磁绕组。磁绕组。 协调位置：协调位置：两机的三相整步绕组感应电势大小两机的三相整步绕组感应电势大小相等、方向相反，整步绕组没有电流流过，整步绕相等、方向相反，整步绕组没有电流流过，整步绕组不产生磁场，转子励磁绕组不受力。组不产生磁场，转子励磁绕组不受力。 失调时：失调时：两机的三相整步绕组感应电势不相等，两机的三相整步绕组感应电势不相等，整步绕组流

16、过电流，产生磁场，并与励磁磁场相互整步绕组流过电流，产生磁场，并与励磁磁场相互作用（合成磁场），使转子励磁绕组受力。作用（合成磁场），使转子励磁绕组受力。发送发送机转子由操作设备控制，其转子不动，只有接收机机转子由操作设备控制，其转子不动，只有接收机转子转动，转动方向为减小失调角的方向。转子转动，转动方向为减小失调角的方向。 力矩式机工作原理力矩式机工作原理注意注意 ：三相整步绕组中的电流是单相电流。：三相整步绕组中的电流是单相电流。两机处于协调位置两机处于协调位置发送机偏转造成失调发送机偏转造成失调失调时两机的受力情况失调时两机的受力情况 处于协调位置时，两机处于协调位置时，两机的三相整步绕

17、组感应电势的三相整步绕组感应电势对应相等，整步绕组中没对应相等，整步绕组中没有电流流过，气隙只有励有电流流过，气隙只有励磁磁场，转子都不受力。磁磁场，转子都不受力。 失调后整步绕组有电失调后整步绕组有电流，流，磁场变化，转子受力。磁场变化，转子受力。二、控制式自整角机二、控制式自整角机 接线：接线：两机三相整步绕组对应相连，发送机励磁两机三相整步绕组对应相连，发送机励磁绕组连接单相电源，接收机转子绕组为输出绕组。绕组连接单相电源，接收机转子绕组为输出绕组。接交流电源接交流电源三相整步绕组对应相连三相整步绕组对应相连发送机发送机接收机接收机作为输出绕组作为输出绕组 控制式机工作原理控制式机工作原

18、理 协调位置：协调位置：接收机的输出接收机的输出绕组与整步绕组产生的磁场平绕组与整步绕组产生的磁场平行，输出电压为零。行，输出电压为零。 失调时：失调时：接收机的输出绕接收机的输出绕组与整步绕组产生的磁场不平组与整步绕组产生的磁场不平行，输出电压不为零。如果失行，输出电压不为零。如果失调方向发生变化，则输出电压调方向发生变化，则输出电压的相位变反（相差的相位变反（相差180）。）。 输出与控制：输出与控制：控制式自整控制式自整角机可通过伺服电动机对所控角机可通过伺服电动机对所控制的机械进行驱动。制的机械进行驱动。协调位置协调位置正、反向失调位置正、反向失调位置 第三节要点第三节要点 ：原理；概

19、念：协：原理；概念：协调、失调、整步绕组的单相电流。调、失调、整步绕组的单相电流。 6- -4.旋转变压器旋转变压器旋转变压器内容只要求了解：作用原理。旋转变压器内容只要求了解：作用原理。 作用：作用：将输入的角度信号转换成高精度的电压信号输出。将输入的角度信号转换成高精度的电压信号输出。 结构：结构：定、转子各有一套两相绕组。转角一般定、转子各有一套两相绕组。转角一般180。 定子：正、余弦输入绕组（一个输入，一个补偿）；定子：正、余弦输入绕组（一个输入，一个补偿）； 转子：正、余弦输出绕组（也是一个输出，一个补偿）。转子：正、余弦输出绕组（也是一个输出，一个补偿）。 原理：原理：输入电压固

20、定时，输出输入电压固定时，输出绕组的电压幅值是转角的正绕组的电压幅值是转角的正(余余)弦函数。早期控制系统作为模拟弦函数。早期控制系统作为模拟计算机的解算元件，现可用作角计算机的解算元件，现可用作角度的线性放大。度的线性放大。定子定子转子转子旋转变压器的精度比自整角机高。旋转变压器的精度比自整角机高。 将旋转变压器进行线性连接，其输出电压幅值与将旋转变压器进行线性连接，其输出电压幅值与转角呈现线性关系：转角呈现线性关系： 当当60时，时，线性误差线性误差0.1% 。 旋转变压器的线性连接旋转变压器的线性连接输出电压幅值与转角的关系曲线输出电压幅值与转角的关系曲线 旋转变压器内容只要求了解作旋转

21、变压器内容只要求了解作用原理即可。用原理即可。6- -5.步进电动机步进电动机 作用：作用： 输入一个信号，转轴转过一个角度，又称脉冲电输入一个信号，转轴转过一个角度，又称脉冲电动机。步进电动机广泛用于数控机床，作为执行电动机。动机。步进电动机广泛用于数控机床，作为执行电动机。用许多种，书中只介绍反应式步进电动机。用许多种，书中只介绍反应式步进电动机。 结构：结构：定子定子6个磁极，分为个磁极，分为3相，每个磁极上都套有一个绕相，每个磁极上都套有一个绕组；转子作成齿状铁心。组；转子作成齿状铁心。 名词解释：名词解释： 拍：拍： 一个工作周期定子绕组通电改变的次数。一个工作周期定子绕组通电改变的次数。 单拍：单拍： 只有单个绕组通电为单拍。只有单个绕组通电为单拍。 双拍：双拍： 须且只须两个绕组通电为双拍。须且只须两个绕组通电为双拍。 步距角：步距角： 每拍转子转过的角度。每拍转子转过的角度。步进电动机内容只要求了解：作用原理。步进电动机内容只要求了解：作用原理。 定子绕组按一定的规律通电；转子铁心在磁场作定子绕组按一定的规律通电；转子铁心在磁场作用下每次转过一定的角