《控制电机》论文

1、控制电机论文信息技术学院2012 年 4 月控制电机论文第一章 控制电机综述控制电机作为微特电机的主要分支，而它的结构和工作原理都有别于普通电机，并且种类很多，应用也很广泛。本课程主要介绍了比较典型的旋转变压器、自整角机、测速发电机、伺服电动机、步进电机以及各类微特同步电动机以及新结构和新原理的无刷直流电动机、直线电动机等。以下我分别对每种电机作下说明。1.1 旋转变压器旋转变压器（resolver）是一种电磁式传感器，又称同步分解器。它是一种测量角度用的小型交流电动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，由锭子和转子组成。其中锭子绕组作为变压器的原边，接受励磁电压，励磁频率通常用400、3

2、000及5000HZ等。转子绕组作为变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压。旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似，区别在于普通变压器的原边、副边绕组是相对固定的，所以输出电压和输入电压之比是常数，而旋转变压器的原边、副边绕组则随转子的角位移发生相对位置的改变，因而其输出电压的大小随转子角位移而发生变化,输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。旋转变压器在同步随动系统及数字随动系统中可用于传递转角或电信号；在解算装置中可作为函数的解算之用，故也称为解算器。1.2 自整角机利用自整步特性将转角变为交流电压或由转角变为转角的感应式

3、微型电机，在伺服系统中被用作测量角度的位移传感器。自整角机还可用以实现角度信号的远距离传输、变换、接收和指示。两台或多台电机通过电路的联系，使机械上互不相连的两根或多根转轴自动地保持相同的转角变化，或同步旋转。电机的这种性能称为自整步特性。在伺服系统中，产生信号一方所用的自整角机称为发送机，接收信号一方所用自整角机称为接收机。自整角机广泛应用于冶金、航海等位置和方位同步指示系统和火炮、雷达等伺服系统中。1.3 测速发电机选用测速发电机时，应根据系统的频率、电压、工作速度范围和在系统中所起的作用来选。当使用直流或交流测速发电机都能满足系统要求时，则需考虑到它们的优缺点，全面权衡，合理选用。交流感

4、应测速发电机的优缺点主要优点是：不需要电刷和换向器，构造简单，维护方便，运行可靠；无滑动接触，输出特性稳定，精度高；摩擦力矩小，惯量小；不产生干扰无线电的火花；正、反转输出电压对称。主要缺点是：存在相位误差和剩余电压；输出斜率小；输出特性随负载性质改变（电阻性、电感性、电容性）。直流测速发电机的优缺点不存在输出电压相位移；无剩余电压；输出功率较大，可带较大负载；温度补偿也比较容易。因有电刷换向器，故结构复杂，维护困难，且摩擦转矩较大，对无线电有干扰，存在不灵敏区1.4 伺服电动机一般分为直流伺服和交流伺服. 对于直流伺服马达 优点:精确的速度控制,转矩速度特性很硬,原理简单、使用方便,价格优势

5、 缺点:电刷换向,速度限制,附加阻力,产生磨损微粒(对于无尘室) 对于交流伺服马达 优点:良好的速度控制特性，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡;高效率，90%以上，不发热;高速控制;高精确位置控制（取决于何种编码器）;额定运行区域内，实现恒力矩;低噪音;没有电刷的磨损，免维护;不产生磨损颗粒、没有火花，适用于无尘间、易暴环境 惯量低; 缺点:控制较复杂,驱动器参数需要现场调整PID参数整定,需要更多的连线直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。通常应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控制等。交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用

6、很广泛，如用在各种自动控制、自动记录等系统中1.5 微特同步电动机微型同步电机的额定功率从零点几瓦到数百瓦，由于同步电动机的转速在一定的输出功率范围内是不随负载变化的这种恒速特性使得微型同步电机在诸如电报传真机、磁带录音机和各种精密的计时或是记录装置中得到了广泛的应用。微型同步电机按定子绕组所接电源相数不同，可分为三相和单相同步电机两大类。三相微型同步电机的定子结构与普通三相同步电机相同。在定子铁芯槽内嵌放有彼此相差120°电度角的三相绕组。工作时，由三相电源供电。单相微型同步电机的定子结构与单相异步电机相同，又分为两相起动式和罩极式两种。工作时有单相电源供电。1.6 无刷直流电动机

7、无刷直流电机在办公自动化设备及信息处理设备中的应用广泛 这些设备对驱动马达的电磁干扰和噪声的要求特别高，且需要稳速、调速、定位等特性。同时，无刷直流电动机大量被采用，如计算机硬、软盘驱动，光盘驱动，应急盘驱动，激光打字机棱镜驱动，复印机鼓驱动，冷却风扇等等。而且，在工业自动化设备和在汽车和电动车辆中应用也很多。1.7 步进电机把电脉冲信号变换成角位移以控制转子转动的微特电机。在自动控制装置中作为执行元件。每输入一个脉冲信号，步进电动机前进一步，故又称脉冲电动机。步进电动机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘等装置。1磁电式步进电动机主要有永磁式、反应式和永磁感应子式3种形式。

8、永磁式步进电动机由四相绕组组成。A相绕组通电时，转子磁钢将转向该相绕组所确定的磁场方向;A相断电、B相绕组通电时，就产生一个新的磁场方向，这时，转子就转动一角度而位于新的磁场方向上，被激励相的顺序决定了转子运动方向。永磁式步进电动机消耗功率较小，步矩角较大。缺点是起动频率和运行频率较低。2反应式步进电动机在定、转子铁心的内外表面上设有按一定规律分布的相近齿槽，利用这两种齿槽相对位置变化引起磁路磁阻的变化产生转矩。这种步进电动机步矩角可做到1°15°，甚至更小，精度容易保证，起动和运行频率较高，但功耗较大，效率较低。3永磁感应子式步进电动机又称混合式步进电动机。是永磁式步进电

9、动机和反应式步进电动机两者的结合，并兼有两者的优点。1.8 直线电动机直线电动机是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需要任何中间转换机构的装置；结构多样，可以根据需要制成扁平型、圆筒型或盘型等各种形式；可以采用交流电源、直流电源或脉冲电源等各种电源进行工作；不同种类具有截然不同的工作特点，可以根据需要选择。能满足高速、大推力的驱动要求，也能满足低速、精细的要求，如步进直线电动机。 它的应用领域也很广泛军事领域。利用直线电机制成各种电磁炮，并试图将它用于导弹、火箭的发射； 交通运输业。利用直线电机制成时速达500km以上的磁悬浮列车； 工业领域。用于生产输送线，以及各种横向或垂直运动的机械设

10、备中； 精密仪器设备。例如计算机的磁头驱动装置、照相机的快门、自动绘图仪、医疗仪器、航天航空仪器、各种自动化仪器设备等； 民用装置。如门、窗、桌、椅的移动，门锁、电动窗帘的开、闭等。第二章 控制电机的应用2.1自整角机的工作原理自整角机是一种感应式机电元件，可以把它看成是二次侧可以自由旋转的变压器。它广泛应用于随动系统中，作为角度或角度偏差的检测、传输和指示装置。在随动系统中，通常将两个或者两个以上的自整角机组合使用，在电路上互有联系，在机械上各自独立，但各电机的转轴又能保持相同的转角变化或同步旋转。自整角机的上述特性称为自整步特性。在系统中产生和发出角度位置信号的自整角机成为自整角发送机，接

11、收并跟随动作的自整角机称为自整角接收机。本次课程设计中采用的是控制式自整角机，原理图见图21图21控制式自整角机工作原理图图中左边为自整角机发送机，右边为自整角机接收机。发送机的转子绕组接交流激磁电压Uj，称激磁绕组。接收机的转子绕组输出电压，称为输出绕组。发送机激磁绕组对定子D1相的夹角用m*表示，接收机输出绕组对定子D1'相的夹角用m表示。m*-m就是发送机、接收机激磁绕组轴线的夹角差值。经推导后可得出输出绕组中产生的感应电势的有效值为 E=Emaxcos式中=m*-m，通常把=900的位置作为协调位置，把偏离此位置的角度叫做失调角，可见=900-，故 E=Emaxcos=Emax

12、sin （1）当接收机输出绕组接上交流放大器时，可认为输出绕组电压Ubs=Ubsmaxsin，在 角很小时，sin= ；即可以认为Ubs=U2max，即输出电压的幅值近似于角差（失调角）成正比，其传递函数为比例环节（见图22）放大系数为Kbs=UbsUbsmax100V/rad=Ubsmax57.3V/(°)通常在100的区间里，Kbs可认为是一个恒值，常用的自整角机放大系数Kbs值约为0.61.2V/(°)。图22 自整角机动态结构图控制式自整角机的质量指标：零位电压当发送机和接收机达到协调位置时，输出绕组的电压只能减小到一个相当小的电压，这个电压称为零位电压或残余电压。

13、它的存在使系统灵敏度降低，所以零位电压越小自整角机的质量越好。比电压输出电压和差角的关系为Ubs=Ubsmaxsin在角很小时，sin= ；即可以认为Ubs=Ubsmax；即此时可以用正弦曲线在=0处的切线来近似代替该曲线，如图23所示。图23输出电压和差角的关系曲线图这条切线的斜率称为比电压，其值等于在协调位置附近失调角变化一度时输出电压的增量，单位为：伏/弧度，由图可见，切线的斜率大，比电压也大，也就是失调同样的角度，所获得的信号电压大，因此系统的灵敏度就高。2.2 自整角机位置随动系统的设计自整角机位置随动系统原理图如图24所示。由式（1）可知，自整角机接收机输出的正弦交流电压幅值为Ub

14、s=Ubsmaxsinm*-m式中 Ubsmax自整角机接收机输出的正弦交流电压的最大值； m*发送机机械转角； m接收机机械转角。当m*>m时，Ubs为正值；当m*<m，Ubs为负值。为了根据Ubs的正负值来控制执行电机朝着消除角差的方向运动，自整角机输出电压首先要经过相敏整流放大器鉴别角差的极性，在经过功率放大环节将信号增强，以推动执行发电机运转。此外，为了使系统稳定并保证所需的动态品质，在相敏放大器与功率放大器之间还应增设各种形式的串并联校正装置。在执行电机与负载之间还应有减速器，这样就得到了较完整的自角机位置随动系统。图24 自整角机位置随动系统原理图下面简单分析下系统中各

15、部分的工作原理及传递函数。自整角机本次设计所采用的关于作为发送信号和接收信号用的自整角机，其工作原理及传递函数在第1节自整角机的工作原理中已有介绍这里就不再重复。相敏整流器（放大器）的功能及传递函数相敏整流器的功能是是将交流电压换为与之成正比的直流电压，并使它的极性与输入的交流电压的相位相适应。其动态结构图如图25所示图25 相敏整流器的动态结构图相敏整流器传递函数的表达式为WURPS= KphTphs+1 式中 Kph相敏整流器的放大系数 Tph电阻电容的滤波时间常数,Tph=R1C1可逆功率放大器对于大功率随动系统，功率放大器多采用可逆的晶闸管可控整流器；对小功率随动系统，为了进一步提高系

16、统的快速性，常采用晶体管脉冲宽度调制（PWM）开关放大器。本次设计采用晶闸管整流电路，则其传递函数可近似表达为KsTss+1执行机构作为执行电机，可选用直流伺服电动机或交流两项异步电动机，在要求高性能时，可采用小惯性直流电动机或宽调速力矩电机。本次设计的执行机构采用直流伺服电机，则其传递函数仍可表达成一个二阶环节 1CeTmTlS2+TmS+1 ,由于在随动系统中一般不串联平波电抗器，因此电枢回路的电感很小，所以电磁时间常数Tl就很小，在一定条件下，可近似为一阶惯性环节，则传递函数就成 1CeTmS+1 。减速器减速器对随动系统的工作有重大影响，减速器速比的选择和分配将影响到系统的惯性矩，并影

17、响到快速性。减速器的传递函数可以表示为Wg=6is=Kgs式中 Kg=6i 减速器的放大系数。 这样，把转速与转角的关系包含在内，减速器可当成一个积分环节，其动态框图见图2-6图2-6 减速器的动态结构框图整个系统的动态结构图如图2-7所示，其中APR表示位置调节器，本设计中位置调节器采用PID调节器。图2-7 自整角机位置随动系统的动态结构图由图2-7可以看出自整角机位置随动系统的开环传递函数为Ws=KbsKphKsKgCesTphs+1Ts+1TmTls2+Tms+1WAPRs （2）式中WAPRs位置调节器的传递函数。2.3 自整角机位置随动系统的稳态误差分析位置随动系统稳态运行时，希望

18、其输出量尽量复现输入量，即要求系统具有一定的稳态精度，产生的位置误差越小越好。影响随动系统稳态精度，导致系统产生稳态误差的因素有以下几点：由检测元件引起的检测误差；由系统的结构和输入信号引起的原理误差；负载扰动引起的扰动误差。下面分别讨论这三种误差。（1）检测误差检测误差取决于检测元件本身的精度，位置随动系统中常用的位置检测元件如自整角机、旋转变压器、感应同步器等都有一定的精度等级，系统的精度不可能高于所用位置检测元件的精度。检测误差是稳态误差的主要部分，这是系统无法克制的。本次所采用的测量元件为自整角机，自整角机的误差范围为1度°。（2） 原理误差（又称系统误差）原理误差是由系统自

19、身的结构形式、系统特征参数和输入信号的形式决定的。用m或es表示，根据原理误差的拉氏变换Ess=m*s-ms=m*s-Ws1+Wsm*s=m*s11+Ws （3）可知输入信号是影响原理误差的主要方面。比较常见的随动系统输入信号有位置输入、速度输入和加速度输入三种形式，三种输入信号分别见图2-8。图2-8 典型输入型号a)位置输入 b)速度输入 c)加速度输入式（3）中的Ws为自整角机位置随动系统的开环传递函数，可以简写成如式（4）形式Ws=KobjSDsWAPRs （4）式中Kobj=KbsKphKsKgCe控制对象的总放大系数。若位置调节器选用P调节器，则 Ws=KNsSDs式中Ns、Ds常

20、数项为1的多项式。显然，这时的Ws为型系统。若位置调节器选用PI或PID调节器时 ，则 Ws=KNss2Ds这时的Ws为型系统。这是位置随动系统中开环传递函数常用的两种结构形式，统一用图2-9表示图2-9 随动系统的结构本次设计由于设定的是位置调节器采用PID调节器，且负载为雷达天线（见图2-4），所以本次设计的自整角机位置随动系统为II型系统，输入信号为加速度输入。单位加速度输入时m*s=1s3原理误差 esa=lims0s1s3s2Dss2Ds+KNs=1k由上分析可看出，对于加速度输入，型系统同样适用，稳态原理误差与开环增益成反比。（3）扰动误差在分析原理误差时，仅考虑了给定输入信号的影

21、响，实际上随动系统所承受的各种扰动都会影响到系统的跟踪精度。位置随动系统中常见的扰动如图2-10所示。这些扰动可分为负载扰动、系统参数发生变化时引起的增益变化以及电源电压波动、噪声干扰三类，三种扰动都作用在系统的前向通道上，只是作用点不同，所以它们的影响是相似的。下面以恒值负载扰动为例来分析它对稳态误差的影响图2-10位置随动系统的扰动设作用在电动机轴上的负载转矩为TL，TL=CmIdL。其影响如图2-11所示的负载电流IdL。其中W1s表示在IdL作用点以前的传递函数，W2s表示在IdL作用点以后的传递函数，其中包含一个积分环节。因此，对于型系统，W1s中不会再有积分环节；对于型系统W1s中

22、还有一个积分环节。图2-11 负载扰动对随动系统的影响当m*=0时，只有负载扰动输入，则随动系统的输出量只剩下负载扰动误差，可将图2-11的动态结构图改成图2-13形式图2-13负载扰动下的动态结构图利用结构图的反馈连接等效变换，可得-IdLsRTls+1=W2s1+W1sW2s令et表示由负载转矩引起的扰动误差，则et= 。取拉氏变换，则 Ets=W2s1+W1sW2s-IdLsRTls+1对于单位恒值负载电流扰动，IdLs=1s，此时 Ets=W2s1+W1sW2s-1sRTls+1本次设计为II系统，所以可认为 W1s=K1N1ssD1s ，W2s=K2N2ssD2s这时的扰动误差 et

23、=lims0-RTls+1K2N2ssD2s1+K1K2N1sN2ss2D1sD2s=0这表明，在II型系统中，由于调节器具有积分环节，使得恒值负载扰动不再产生扰动误差。综上可以看出本次设计的自整角机位置随动的系统的稳态误差主要来自于检测误差和原理误差。选择检测误差小的自整角机和增大开环增益都可以减小系统稳态误差，但是不能完全消除误差。2.4 位置随动系统的动态校正对稳态误差的分析也仅仅可以解决系统的稳态精度问题。当系统具有足够的开环放大倍数可以保证所要求的稳态精度，但放大倍数的增大又会影响到系统的动态稳定性；另外，随动系统对快速跟随给定能力的要求很高，而系统中一些固有的小时间常数又限制着截止频率的提高，因而也限制了系