电机与拖动第9章控制电机

1、Whh制作 第第 9 章章 控制电机控制电机9.2 直流力矩电动机直流力矩电动机9.3 步进电动机步进电动机9.4 测速发电机测速发电机9.5 自整角机自整角机9.6 旋转变压器旋转变压器*9.7 感应同步器感应同步器9.1 伺服电动机伺服电动机9.2 直流力矩电动机直流力矩电动机9.3 步进电动机步进电动机9.4 测速发电机测速发电机9.5 自整角机自整角机9.6 旋转变压器旋转变压器*9.7 感应同步器感应同步器9.1 伺服电动机伺服电动机电机与拖动电机与拖动Whh制作 控制电机概述控制电机概述 在普通旋转电机的基础上，产生的具有特殊性能的在普通旋转电机的基础上，产生的具有特殊性能的小功率

2、电机。小功率电机。不以能量转换、传递功率为主要功能，而主要任务不以能量转换、传递功率为主要功能，而主要任务是是完成控制信号的传递和转换完成控制信号的传递和转换在系统中起在系统中起检测、放大、执行和校正检测、放大、执行和校正作用，经常用作用，经常用作作执行元件和检测元件执行元件和检测元件1.什么是什么是 控制电机控制电机Whh制作 2. 控制电机的特点控制电机的特点 普通电机普通电机:主要任务是主要任务是能量转换能量转换， 它们的主要问题是提高它们的主要问题是提高能量转换的效率。能量转换的效率。 体积小、体积小、 重量轻、重量轻、 耗电少；耗电少；高可靠性；高精度；快速响应；高可靠性；高精度；快

3、速响应；控制电机控制电机:在自动控制系统中，在自动控制系统中， 只起一个元件的作用，只起一个元件的作用， 其其主要任务是完成主要任务是完成控制信号的传递和转换控制信号的传递和转换， 而能量转换是次而能量转换是次要的。要的。 输出功率较小，一般从数百毫瓦到几百瓦；输出功率较小，一般从数百毫瓦到几百瓦；系列产品的外径，一般由系列产品的外径，一般由12.5mm到到130mm；重量从数十克到数千克；重量从数十克到数千克；Whh制作 3. 控制电机的种类控制电机的种类控制电机控制电机测量元件测量元件（信号元件）（信号元件）旋转变压器旋转变压器交直流测速发电机交直流测速发电机自整角机自整角机感应同步机感应

4、同步机执行执行元件元件（功率功率元件）元件）步进电动机步进电动机交直流伺服电动机交直流伺服电动机力矩电机力矩电机无刷直流电动机无刷直流电动机Whh制作 （1）. 执行元件（功率元件）执行元件（功率元件）任务任务:将将电信号电信号转换成轴上的转换成轴上的角位移或角速度角位移或角速度以及以及直线位直线位移和线速度移和线速度， 并带动控制对象运动。并带动控制对象运动。控制控制 特性特性:电机的电机的转速转速和和控制信号控制信号（如控制电压、脉冲频率）（如控制电压、脉冲频率）之间的关系。之间的关系。执行元件执行元件（功率元件）（功率元件）步进电动机步进电动机交直流伺服电动机交直流伺服电动机力矩电机力矩

5、电机无刷直流电动机无刷直流电动机Whh制作 图图 1 伺服电动机的控制特性伺服电动机的控制特性 图图 2 步进电动机的控制特性步进电动机的控制特性 Whh制作 （2）. 测量元件测量元件(信号元件信号元件)测量元件测量元件（信号元件）（信号元件）旋转变压器旋转变压器交直流测速发电机交直流测速发电机自整角机自整角机感应同步机感应同步机 用来测量用来测量机械转角机械转角、 转角差转角差和和转速转速， 一般在自动控制系统中作为一般在自动控制系统中作为敏感元件敏感元件和和校正元件校正元件。任务任务:控制控制 特性特性:自整角机、测速发电机、旋转变压器自整角机、测速发电机、旋转变压器Whh制作 图图 3

6、 自整角机的控制特性自整角机的控制特性 图图 4 测速发电机的控制特性测速发电机的控制特性 图图 5 旋转变压器的控制特性旋转变压器的控制特性 Whh制作 4. 控制电机的发展概况控制电机的发展概况（1）. 国外国外20世纪世纪30年代：迅速发展，规模和使用领域日益壮大；年代：迅速发展，规模和使用领域日益壮大；40年代以后：逐步形成基本系列；年代以后：逐步形成基本系列；60年代以后：品种日益增多；年代以后：品种日益增多；（2）. 我国我国60年代前后：全面发展，仿制为主；年代前后：全面发展，仿制为主；60年代后期：自行设计与研发；年代后期：自行设计与研发； 初具规模的专业生产体系。初具规模的专

7、业生产体系。Whh制作 （3）. 发展趋势发展趋势提高精度、可靠性和适应性；提高精度、可靠性和适应性；小型化；小型化；发展发展特殊用途特殊用途和和特殊性能特殊性能的控制电机；的控制电机；开展开展新原理新原理、新结构新结构电机的研制工作；电机的研制工作；Whh制作 火炮和雷达的自动定位；火炮和雷达的自动定位； 舰船方向舵的自动操纵；舰船方向舵的自动操纵； 飞机的自动驾驶；飞机的自动驾驶； 遥远目标位置的显示；遥远目标位置的显示； 机床加工过程的自动控制和自动显示；机床加工过程的自动控制和自动显示； 阀门的遥控；阀门的遥控；机器人、机器人、 电子计算机、电子计算机、 自动记录仪表、自动记录仪表、

8、医疗设备、医疗设备、 录音录像设备等中的自动控制系统。录音录像设备等中的自动控制系统。 5. 控制电机的使用范围控制电机的使用范围Whh制作 以以3个控制系统为实例个控制系统为实例放大器放大器KA速度传感器速度传感器负载负载伺服电动机伺服电动机w0VR+_图图1：简单的速度控制系统原理图：简单的速度控制系统原理图KS w0Whh制作 图图2：机床的数控系统原理图：机床的数控系统原理图可控制编程器可控制编程器刀具刀具测测 速速发电机发电机数模数模转换器转换器放大器放大器电动机电动机模数模数转换器转换器脉冲脉冲反馈反馈传感器传感器输出量输出量刀具位置刀具位置PWhh制作 图图3 雷达天线控制系统原

9、理线路雷达天线控制系统原理线路Whh制作 v雷达的搜索过程雷达的搜索过程： 当雷达还没有捕捉到飞机时，当雷达还没有捕捉到飞机时， 要由雷达操纵手要由雷达操纵手操作，操作， 使天线旋转去搜索飞机，使天线旋转去搜索飞机， 这时图这时图 1 - 1 上的上的闸刀闸刀S合在位置合在位置。 v自动跟踪状态自动跟踪状态： 当天线捕捉到目标时，当天线捕捉到目标时， 把闸刀立即合向位置把闸刀立即合向位置。 这时雷达天线作自动跟踪飞机的运动。这时雷达天线作自动跟踪飞机的运动。两种工作状态：两种工作状态：Whh制作 （1） 雷达天线控制系统的搜索状态雷达天线控制系统的搜索状态雷达天线的转动：雷达天线的转动：摇动手

10、把摇动手把7自整角发送机自整角发送机1的转子旋转的转子旋转通过自动控制系统的作用通过自动控制系统的作用雷达天线雷达天线 3 跟着自整角发送机的转角跟着自整角发送机的转角自动地旋转自动地旋转Whh制作 雷达天线方位角手控原理图雷达天线方位角手控原理图自整角自整角变压器变压器减速箱减速箱c变换与放大变换与放大功放功放伺服电动机伺服电动机方位角误差信号方位角误差信号同步发送机同步发送机r手柄转角手柄转角天线方位天线方位轴转角轴转角Whh制作 已知发送机的转角已知发送机的转角；接收机的转角；接收机的转角当当时：时： 转角差转角差=- 0， 接收机的输出电压接收机的输出电压U10。 当当时：转角差时：转

11、角差0， U10（与（与 成正比）。成正比）。 自整角机敏感元件自整角机敏感元件这样：这样： 自整角自整角接收机接收机就好像自动控制系统的眼睛一样，就好像自动控制系统的眼睛一样， 可以很可以很灵敏地感觉出天线的转角是否跟上自整角灵敏地感觉出天线的转角是否跟上自整角发送机发送机的转角。的转角。Whh制作 雷达手向某一方向摇动手轮雷达手向某一方向摇动手轮产生一个转角差产生一个转角差自整角接收机就有交流电压自整角接收机就有交流电压U1输出输出U1经过交流放大器放大经过交流放大器放大由环形解调器转换成直流电压由环形解调器转换成直流电压U2U2送入直流放大器放大为送入直流放大器放大为U3U3去控制差动放

12、大器的可控硅的导通和截止去控制差动放大器的可控硅的导通和截止可控硅可控硅VD1和和VD2导通，直流伺服电动机导通，直流伺服电动机 5旋转。旋转。另一个方向另一个方向U1极性相反极性相反U2极性相反极性相反U3极性相反极性相反直流伺服电动机直流伺服电动机 5反向旋转反向旋转 伺服电动机执行元件伺服电动机执行元件Whh制作 直流伺服电动机转动直流伺服电动机转动变速箱变速箱 4带动天线带动天线 3 旋转旋转带动自整角接收机带动自整角接收机转角差转角差减小减小转角转角=转角转角伺服电动机停止转动伺服电动机停止转动Whh制作 测速发电机的输出电压测速发电机的输出电压U4与它的转速与它的转速n成正比，成正

13、比， 并把它反馈到直流放大器中。并把它反馈到直流放大器中。 直流测速发电机校正元件直流测速发电机校正元件 为了改善自动控制系统的品质，为了改善自动控制系统的品质，确保系统的稳定性，确保系统的稳定性，达到规定的精度要求等性能指标。达到规定的精度要求等性能指标。 Whh制作 校正元件校正元件直流测速发电机。直流测速发电机。雷达天线控制系统方框图雷达天线控制系统方框图 控制对象控制对象雷达天线。雷达天线。放大元件放大元件直流放大器和可控硅控制线路。直流放大器和可控硅控制线路。敏感元件敏感元件自整角发送机和接收机。自整角发送机和接收机。转换元件转换元件放大器和解调器。放大器和解调器。执行元件执行元件直

14、流伺服电动机。直流伺服电动机。Whh制作 （2） 雷达天线控制系统的自动跟踪状态雷达天线控制系统的自动跟踪状态雷达接收机收到从飞机反射回来的回波雷达接收机收到从飞机反射回来的回波转换成电信号转换成电信号输入到放大器输入到放大器控制天线旋转控制天线旋转Whh制作 雷达天线自动控制系统原理框图雷达天线自动控制系统原理框图减速箱减速箱c误差误差检测检测高低角高低角放放 大大执执 行行电动机电动机天天线线轴轴线线指指向向r误差误差分析分析减速箱减速箱方位角方位角放放 大大执执 行行电动机电动机目目标标Whh制作 上述控制系统中所用的上述控制系统中所用的自整角发送机自整角发送机、 自整角接自整角接收机收

15、机、 直流伺服电动机直流伺服电动机、 直流测速发电机直流测速发电机都属于都属于控制电机控制电机。 可以看出，可以看出， 这些电机在自动控制系统这些电机在自动控制系统中起到了很重要的作用，中起到了很重要的作用， 是必不可少的元件。是必不可少的元件。小结小结9.1 伺服电动机（伺服电动机（servo motor） 伺服电动机伺服电动机 执行电动机。执行电动机。 功能功能 将电压信号转换成将电压信号转换成转角转角或或转速转速信号。信号。 种类种类 直流伺服电动机、交流伺服电动机。直流伺服电动机、交流伺服电动机。1. 直流伺服电动机直流伺服电动机2. 交流伺服电动机交流伺服电动机第第9 章章 控制电机

16、控制电机 转速和转向转速和转向应方便地受应方便地受控制信号控制信号的控制，的控制， 调速调速范围要大范围要大； 整个运行范围内的特性应具有整个运行范围内的特性应具有线性关系线性关系， 保证运行的保证运行的稳定稳定性性； 当控制信号消除时，当控制信号消除时， 伺服电动机应立即停转，伺服电动机应立即停转， 也就是要求也就是要求伺服电动机伺服电动机无无“自转自转”现象现象； 控制功率控制功率要小，要小， 启动转矩启动转矩应大；应大； 机电时间常数要小机电时间常数要小， 始动电压要低始动电压要低。 当控制信号变化时，当控制信号变化时， 反应应快速反应应快速灵敏灵敏。 自动控制系统提出的要求：自动控制系

17、统提出的要求：伺服电动机可控性好，反应迅速。是自动控伺服电动机可控性好，反应迅速。是自动控制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。一、直流伺服电动机一、直流伺服电动机 1. 基本结构基本结构 与普通小型直流电动机相同。与普通小型直流电动机相同。 直流伺服电动机的功率直流伺服电动机的功率 1 600 W。 励磁方式励磁方式 电磁式：电磁式： 永磁式：永磁式： +Ua 电磁式电磁式9.1 伺服电动机伺服电动机 If+Uf 他励式、并励式、串励式。他励式、并励式、串励式。稀土永磁材料稀土永磁材料 +Ua 永磁式永磁式（如稀土钴、稀土钕铁硼）。（如稀土钴、稀土钕

18、铁硼）。 SMIaE E SMIa按结构可分成按结构可分成传统型传统型和和低惯量型低惯量型两大类。两大类。低惯量型直流伺服电动低惯量型直流伺服电动机机传统型直流伺服电动传统型直流伺服电动机机这种电动机的结构和普通直流同基本相同，也是由这种电动机的结构和普通直流同基本相同，也是由定子和转子两大部分组成。定子和转子两大部分组成。一般有一般有杯形电枢杯形电枢、圆盘电枢圆盘电枢、无槽电枢无槽电枢等结构形式。等结构形式。低惯量型直流伺服电动机的特点是低惯量型直流伺服电动机的特点是转子轻，转动惯量转子轻，转动惯量小，响应快速。小，响应快速。2. 工作原理工作原理 施加施加 UaIa主磁通：主磁通： TnE

19、电磁转矩：电磁转矩： T = CT Ia 电动势：电动势： E = CE n电枢电路电压方程：电枢电路电压方程： Ua = E + Ra Ian =UaCERaCECT2T9.1 伺服电动机伺服电动机 3. 控制方式及其特性控制方式及其特性 (1) 电枢控制式电枢控制式 Uf = UfN ， Ua = Uc（控制电压）（控制电压） n =UcCENRaCECTN2TOTn Uc3 Uc2Uc1Uc3Uc2Uc1 机械特性机械特性9.1 伺服电动机伺服电动机 T1 T2 T3 T3T2T1 控制特性控制特性OUcnTCRUUTaaa0定义：电动机在一定的定义：电动机在一定的负载转矩负载转矩下，下

20、， 稳态转速稳态转速随随控制控制 电压电压变化的关系，变化的关系，n=f（Ua）。补充：补充： 调节特性（控制特性）调节特性（控制特性）负载为常数时的调节特性负载为常数时的调节特性TCCRCUnTeaea2当当n=0时时斜率：斜率：eCk1始动电压始动电压图图 直流伺服电动机的调节特性直流伺服电动机的调节特性 TCCRCUnTeaea2 在 实 际 工在 实 际 工作 中 经 常作 中 经 常以以 试 验试 验 的的方 法 获 得方 法 获 得调 节 特 性调 节 特 性。表征调节特性的两个量：表征调节特性的两个量：（1）始动电压）始动电压Ua0sTaaTCRU0死区死区负载越大：负载越大：U

21、a0越大，越大， 死区越大。死区越大。（2）斜率）斜率keCk1与负载无关，电机本身参数决定与负载无关，电机本身参数决定所以，对于不同负载得到一组所以，对于不同负载得到一组 的调节特性的调节特性相互平行相互平行 (2) 磁场控制式磁场控制式 Ua = UaN ， Uf = Uc（控制电压）（控制电压）忽略磁路饱和、不计电枢反应，则忽略磁路饱和、不计电枢反应，则 = C Uf = C Ucn =UaNCECUc Ra CECT C2Uc2 T Uc3Uc2 Uc1Uc3Uc2RL2nRRCRREULaeLaa11RL越小，斜率越小越小，斜率越小理想理想 产生误差的原因产生误差的原因 电枢反应。电

22、枢反应。 环境温度的变化，引起各环境温度的变化，引起各 绕组的电阻值变化。绕组的电阻值变化。 负载变化，引起电刷与换负载变化，引起电刷与换 向器接触电阻的变化。向器接触电阻的变化。9.4 测速发电机测速发电机 图图 不同负载电阻时的不同负载电阻时的实际实际输出特性输出特性 UaRL= RL1RL2n n n越高，越高，R RL L越小，误差越大越小，误差越大规定：规定： 最大线性工作转速最大线性工作转速 最小负载电阻值最小负载电阻值 1 ）温度影响及消除办法）温度影响及消除办法周围环境温度变化周围环境温度变化电机本身发热电机本身发热电机绕组电阻的变化电机绕组电阻的变化励磁绕组电阻励磁绕组电阻R

23、f增大增大励磁电流减小励磁电流减小磁通减小磁通减小感应电动势减小感应电动势减小输出电压减小输出电压减小4 直流测速发电机的误差及其减小的方法直流测速发电机的误差及其减小的方法一台一台ZCF16型直流测速发电机：型直流测速发电机：励磁电流励磁电流If mA转速转速n（r/min）输出电压输出电压Ua（v）结论结论室温启动室温启动 3002400551hour后后277240052.965Ua降低了降低了3.7调回励磁调回励磁电流电流300240054.637Ua降低了降低了0.66励磁绕组温升对输出电压影响显著励磁绕组温升对输出电压影响显著减小温度对励磁电流影响的办法：减小温度对励磁电流影响的办

24、法：a. 改进电机的铁心磁路改进电机的铁心磁路fNI0fF0fINIfIA0N0磁磁化化特特性性曲曲线线在设计电机时，磁路设计在设计电机时，磁路设计足够饱和足够饱和，减小温度变化，减小温度变化所引起的磁通的变化。所引起的磁通的变化。b. 在励磁回路串在励磁回路串稳流电阻稳流电阻RRUIfffc. 在励磁回路中在励磁回路中串联串联负温度系负温度系数数的的热敏电阻热敏电阻并联网络并联网络图图 励磁回路中的热敏电阻并联网络励磁回路中的热敏电阻并联网络 电枢磁场对气隙磁场的影响电枢磁场对气隙磁场的影响合成磁场发生了合成磁场发生了畸变畸变， 2. 电枢反应使主磁场消弱，电枢反应使主磁场消弱，去磁去磁。负

25、载电阻越小，转速越高，电负载电阻越小，转速越高，电枢电流越大，电枢反应的去磁枢电流越大，电枢反应的去磁作用越强。作用越强。2 ）电枢反应影响）电枢反应影响 及消除办法及消除办法消除电枢反应在设计时，采用补偿绕组；在设计时，采用补偿绕组；结构上结构上,加大气隙加大气隙 2. 2. 规定规定和和。 3）电刷接触压降）电刷接触压降当转速低时：接触电阻大，实际输出电压小；当转速低时：接触电阻大，实际输出电压小；当转速高时：接触电阻小，实际输出电压大；当转速高时：接触电阻小，实际输出电压大；电压方程式：电压方程式： Ua=Ea-IaRa改写为：改写为： Ua=Ea-IaRw-Ub其中其中:Rw为扣除接触

26、电阻之后的电枢绕组电阻；为扣除接触电阻之后的电枢绕组电阻； Ub为电刷接触压降。为电刷接触压降。LaaRUI 用用ub表示的电压平衡方程式表示的电压平衡方程式LWbeaRRUnCU1Ua=Ea-IaRw-UbbwLaaaURRUEU用用Ua和和n之间不再是线性关系之间不再是线性关系考虑电刷接触压降后的输出特性考虑电刷接触压降后的输出特性 电刷和换向器的材料；电刷和换向器的材料； 电刷的电流密度；电刷的电流密度； 电流的方向；电流的方向； 电刷单位面积上的压力；电刷单位面积上的压力； 接触表面的温度；接触表面的温度； 换向器圆周线速度；换向器圆周线速度； 换向器表面的化学状态和机械方面的因素等换

27、向器表面的化学状态和机械方面的因素等电刷接触压降电刷接触压降Ub与下述因素有密切关系与下述因素有密切关系: 采用接触压降较小的银采用接触压降较小的银石墨电刷。石墨电刷。 采用铜电刷采用铜电刷,并在与换向器接触的表面上镀银层。并在与换向器接触的表面上镀银层。 在测速机的输出端连接滤波电路。在测速机的输出端连接滤波电路。减小电刷接触压降的影响，减小电刷接触压降的影响， 缩小不灵敏区的措施：缩小不灵敏区的措施：电刷和换向器的滑动接触不稳定，电刷和换向器的滑动接触不稳定，使输出的电枢电流含有使输出的电枢电流含有高频脉冲高频脉冲，对邻近的设备和通信电缆造成干扰对邻近的设备和通信电缆造成干扰5、 直流测速

28、发电机的应用直流测速发电机的应用 自动控制系统：自动控制系统：测量测量或或自动调节电动机转速；自动调节电动机转速； 随动系统：产生电压信号；随动系统：产生电压信号； 计算解答装置：作为微分和积分元件。计算解答装置：作为微分和积分元件。 可测量各种机械在有限范围内的摆动或非常缓可测量各种机械在有限范围内的摆动或非常缓慢的转速；慢的转速； 可代替测速计直接测量转速。可代替测速计直接测量转速。 可靠性比较差，可靠性比较差， 精度比较差；精度比较差； 所以所以,在系统中使用不及交流异步测速机广泛在系统中使用不及交流异步测速机广泛； 输出电压斜率大；输出电压斜率大； 没有剩余电压没有剩余电压(即转速为零

29、时没有输出电压即转速为零时没有输出电压)； 没有相位误差没有相位误差(励磁和输出电压之间没有相位移励磁和输出电压之间没有相位移)； 温度补偿容易实现等优点，温度补偿容易实现等优点， 所以所以,在自动控制系统中的应用还是很广泛的。在自动控制系统中的应用还是很广泛的。6、直流测速发电机的特点（优缺点）、直流测速发电机的特点（优缺点） 是一种是一种测量转速测量转速或或传感转速信号传感转速信号的元件；的元件； 将将转速信号转速信号变为变为电压信号电压信号；U2=kn输出电压与转速的关系输出电压与转速的关系 理想的测速发电机理想的测速发电机的输出特性：的输出特性：二、交流测速发电机二、交流测速发电机 在

30、计算解答装置中作为解算元件；在计算解答装置中作为解算元件； 在伺服系统中作为阻尼元件。在伺服系统中作为阻尼元件。 交流测速发电机的主要用途：交流测速发电机的主要用途： 不需要电刷和换向器，不需要电刷和换向器， 构造简单，构造简单， 维护容易，维护容易， 运行可靠；运行可靠； 无滑动接触，无滑动接触， 输出特性稳定，输出特性稳定， 精度高；精度高； 摩擦力矩小，摩擦力矩小， 惯量小；惯量小； 不产生干扰无线电的火花；不产生干扰无线电的火花； 正、正、 反转输出电压对称。反转输出电压对称。 交流异步测速发电机的主要优点是：交流异步测速发电机的主要优点是： 存在相位误差和剩余电压；存在相位误差和剩余

31、电压； 输出斜率小；输出斜率小； 输出特性随负载性质输出特性随负载性质(电阻、电阻、 电感、电感、 电容电容)而有所不同。而有所不同。 主要缺点是：主要缺点是： 在在选用选用时，时， 应根据系统的应根据系统的频率频率、电压电压、 工作转速的范围工作转速的范围和和具体用途具体用途来选择。来选择。 解算元件：解算元件： 精度要高，精度要高， 输出电压稳定性要好；输出电压稳定性要好； 转速检测或作阻尼元件：转速检测或作阻尼元件： 输出斜率要大，输出斜率要大， 对精度的要求不是很高。对精度的要求不是很高。1 基本结构基本结构 转子：转子：鼠笼转子异步测速发电机鼠笼转子异步测速发电机非磁杯形转子异步测速

32、发电机非磁杯形转子异步测速发电机 定子：铁心上有两相对称绕组定子：铁心上有两相对称绕组交流异步测速发电机的示意图交流异步测速发电机的示意图 励磁绕组励磁绕组输出绕组输出绕组输出电压输出电压输出斜率大，特性输出斜率大，特性差，误差大，转子差，误差大，转子惯性大，适用于精惯性大，适用于精度要求不高的系统度要求不高的系统中中精度高，转子精度高，转子惯量较小，是惯量较小，是目前应用最广目前应用最广泛的一种交流泛的一种交流测速发电机测速发电机 转子转子 薄壁薄壁非磁性非磁性杯，杯， 通常用高电阻率的通常用高电阻率的硅锰青铜硅锰青铜或或锡锌青铜锡锌青铜制成。制成。 定子定子 嵌有空间互差嵌有空间互差90电

33、角度的两相绕组，电角度的两相绕组， W1 ； W2 。 机座号较小的电机：机座号较小的电机： 两相绕组都放在两相绕组都放在上；上； 机座号较大的电机：机座号较大的电机： 励磁绕组放在外定子上，励磁绕组放在外定子上， 输出绕组放在内定子上。输出绕组放在内定子上。 杯形转子异步测速发电机的结构杯形转子异步测速发电机的结构测速发电机测速发电机9.4 测速发电机测速发电机 更多的图片更多的图片 2. 工作原理工作原理 输出绕组输出绕组 励磁绕组励磁绕组 Uf Ifd 正弦交流正弦交流 uf if d d =dm sint(1) 转子静止时转子静止时励磁绕组励磁绕组一次绕组一次绕组转子绕组转子绕组二次绕

34、组二次绕组EdEfEd Id 9.4 测速发电机测速发电机 Ef IfIdFf Fdd IfIdFf Fdd Uf Ifd Ed忽略励磁绕组的漏阻抗，则忽略励磁绕组的漏阻抗，则 Uf =Ef = j 4.44 f kwf Nfdm 输出绕组：输出绕组： 与与d 无交链，不会产生无交链，不会产生 E0。 即：即：n = 0 时，时，U0 = 0 。 U0 Ed =j 4.44 f kwr Nrdm 9.4 测速发电机测速发电机 Ef Uf Ifd Ed(2) 转子旋转时转子旋转时 d 交变感应交变感应旋转切割旋转切割 Ed Id Eq Iq Eq q q eq = C1d n = C1 n dm

35、 sintq = C2 eq = C1 C2 n dm sint = qm sintC1、C2 电机常数。电机常数。qm = C1 C2 n dm 9.4 测速发电机测速发电机 U0 Ef 输出绕组：输出绕组： U0 =E0 = j4.44 f kw0N0qm = j4.44 f kw0 N0 C1 C2 n dm = C1 C2 n Uf kw0 N0Kwf Nfq E0 U0 输出空载电压：输出空载电压： Uf Ifd U0 Eq q 结论：结论： U0 n 。 u0 与与 uf 同频率、同相位。同频率、同相位。 9.4 测速发电机测速发电机 EdEf E0 Uf =Ef = j 4.44

36、 f kwf Nfdm 励磁绕组的电阻、漏电抗；励磁绕组的电阻、漏电抗； 输出绕组的电阻、漏电抗输出绕组的电阻、漏电抗 转子绕组的漏电抗；转子绕组的漏电抗； 磁路的非线性；磁路的非线性； 输出绕组和励磁绕组空间是否正好相差输出绕组和励磁绕组空间是否正好相差9090实际情况与理想情况有误差存在：实际情况与理想情况有误差存在： 线性误差；线性误差； 相位误差；相位误差； 剩余电压。剩余电压。 误差：误差：误差产生的原因：误差产生的原因：减小误差：减小误差： 负载阻抗电机的输出负载阻抗电机的输出阻抗，使其尽量工作在阻抗，使其尽量工作在空空载状态载状态，以减少误差；，以减少误差；9.5 自整角机自整角

37、机 （BS） 功能功能 将将转角信号转角信号转换成转换成电压信号电压信号，或反之。通过，或反之。通过 两个或两个以上的组合，以实现两个或两个以上的组合，以实现转角的传输、转角的传输、 转换和接收转换和接收。 同步联接系统同步联接系统 无机械联接的两个系统同步转动。无机械联接的两个系统同步转动。 种类种类 按作用的不同：力矩式、控制式。按作用的不同：力矩式、控制式。 按相数的不同：单相、三相。按相数的不同：单相、三相。第第9 章章 控制电机控制电机 一一. 自整角机分类：自整角机分类：自整角机两个自整角机两个(或两个以上或两个以上)组合使用组合使用（1）按）按力矩式力矩式运行时运行时力矩式力矩式

38、发送机发送机(ZLF， TX)力矩式力矩式接收机接收机(ZLJ， TR)（2）按）按控制式控制式运行时运行时控制式控制式发送机发送机(ZKF， CX)控制式控制式变压器变压器(ZKB， CT) 差动式发送机：差动式发送机： 串接于串接于力矩式发送机和接收机力矩式发送机和接收机之间，之间， 将发送机转将发送机转角及自身角及自身转角的和转角的和(或差或差)转变为电信号，转变为电信号， 输至接收输至接收机；机； 差动式接收机：差动式接收机： 串接于串接于两个力矩式发送机两个力矩式发送机之间，之间， 接收其电信号，接收其电信号， 并使自身转子转角等于两发送机并使自身转子转角等于两发送机转角的和转角的和

39、(或差或差)。差动式差动式发送机发送机(ZCF、 TDX)差动式差动式接收机接收机(ZCJ、 TDR)力矩式自整角机用到力矩式自整角机用到 控制式差动发送机：控制式差动发送机： 串接于串接于控制式发送机控制式发送机和和控制式变压器控制式变压器之之间，间， 将发送机转角及其自身转角的和将发送机转角及其自身转角的和(或差或差)转变成电信号，转变成电信号， 输至自整角机变压器。输至自整角机变压器。 控制式自整角机还用到：控制式自整角机还用到：控制式差动发送机控制式差动发送机(ZKC、 CDX)二二. 自整角机的基本结构自整角机的基本结构 与一般旋转电机相似：定子、转子、气隙。与一般旋转电机相似：定子

40、、转子、气隙。图图 自整角机结构简图自整角机结构简图 定子铁心冲片定子铁心冲片 三相对称绕组示意图三相对称绕组示意图 整步绕组整步绕组自整角机转子自整角机转子a隐极转子隐极转子 b凸极转子凸极转子ZKB,ZKCZLF,ZLJ,ZKF图图 自整角机电路图自整角机电路图 但是，但是， 无论是整体式或是分装式，无论是整体式或是分装式， 无论是隐极转子无论是隐极转子或是凸极转子，或是凸极转子， 它们的工作原理都是一致的。它们的工作原理都是一致的。整体式结构：整体式结构：自整角机的定、自整角机的定、 转子都装在一个机壳里。转子都装在一个机壳里。分装式结构：分装式结构：定、定、 转子是分开，转子是分开，

41、分别是在现场安装固定。分别是在现场安装固定。特点：电机外径较大；特点：电机外径较大； 轴向长度较短；轴向长度较短； 图图 5 - 10 整体式整体式自整角机的基本结构自整角机的基本结构(此图转子为凸极式此图转子为凸极式) 档圈档圈轴承轴承转子转子集电环集电环定子定子端盖端盖轴承轴承档圈档圈接线板接线板自整角机的结构示意图自整角机的结构示意图转子铁心转子铁心 单相绕组单相绕组 定子铁心定子铁心 三相绕组三相绕组 电刷电刷 9.5 自整角机自整角机 单相：单相：定子为三相绕组、转子为单相绕组。定子为三相绕组、转子为单相绕组。 三相：三相：定子、转子均为三相绕组。定子、转子均为三相绕组。自整角机的结

42、构图自整角机的结构图9.5 自整角机自整角机 后端盖后端盖 前球轴承前球轴承 集电环集电环端部端部 电刷电刷 集流环集流环端部触点端部触点 电刷电刷 定子外壳定子外壳 转轴转轴 前端盖前端盖 定子绕组定子绕组 转子转子 绕组绕组 减震器轮减震器轮 罩罩 壳壳 自整角机自整角机9.5 自整角机自整角机 更多的图片更多的图片 A 型发送器型发送器 M 型指示器型指示器 115 V，60 Hz 单相交流输入单相交流输入 直接带负载运行，无需其他辅助元件直接带负载运行，无需其他辅助元件 系统结构简单，价格低廉系统结构简单，价格低廉 接收误差稍大，接收误差稍大， 负载能力较差，负载能力较差， 只适用于只

43、适用于轻负载转矩轻负载转矩及及精度要求不太高的开环精度要求不太高的开环控控制的伺服系统里。制的伺服系统里。直接达到直接达到转角随动转角随动的目的的目的 远距离转角指示远距离转角指示机械角度机械角度力矩输出力矩输出转换转换1、力矩式自整角机、力矩式自整角机三三. . 自整角机的工作原理自整角机的工作原理 力矩式自整角机工作原理力矩式自整角机工作原理UVWUVWa 发送机发送机 b 接收机接收机 1. 转子处在协调位置时转子处在协调位置时 纵向脉振纵向脉振 EUa = EUb ，EVa = EVb ， EWa = EWb ;IUIVIWIU = IV = IW = 0 T = 0，转子静止。，转子

44、静止。 定定 同同子子 步步绕绕组组9.5 自整角机自整角机 EUbEVbEWbEUaEVaEWa2. 转子处在非协调位置时转子处在非协调位置时 EUaEUb ，EVaEVb ，EWaEWb ; IU、IV、IW 0 T 0， 9.5 自整角机自整角机 UVWUVWa 发送机发送机 b 接收机接收机 IUIVIWEUaEVaEWaEUbEVbEWb2. 转子处在非协调位置时转子处在非协调位置时 EUaEUb ，EVaEVb ，EWaEWb ;IU、IV、IW 0 T 0， 接收机转子旋转接收机转子旋转 角。角。 重新达到协调位置，使重新达到协调位置，使 IU = IV = IW = 0， T

45、= 0。 9.5 自整角机自整角机 UVWUVWa 发送机发送机 b 接收机接收机 IUIVIW EUaEVaEWaEUbEVbEWb详细分析：详细分析： 力矩式自整角机的运行力矩式自整角机的运行 1） 力矩式自整角机的工作原理力矩式自整角机的工作原理图图 力矩式自整角机的工作原理图力矩式自整角机的工作原理图 励磁绕组励磁绕组整步绕组整步绕组fU(1) 只有只有ZLF励磁绕组接通电源励磁绕组接通电源fB发送机转子励磁磁通发送机转子励磁磁通在发送机定子绕组中感应电势在发送机定子绕组中感应电势两机定子绕组回路中引起电流两机定子绕组回路中引起电流B在在发送机发送机的气隙中产生合成磁密的气隙中产生合成

46、磁密B在在接收机接收机气隙中形成合成磁密气隙中形成合成磁密fB与与 反向反向与与发送机发送机的磁场反向的磁场反向BB(2) (2) 只将只将ZLJ单独加励磁单独加励磁fB接收机转子励磁磁通接收机转子励磁磁通在接收机定子绕组中感应电势在接收机定子绕组中感应电势两机定子绕组回路中引起电流两机定子绕组回路中引起电流B在在接收机接收机的气隙中产生合成磁密的气隙中产生合成磁密B在在发送机发送机气隙中形成合成磁密气隙中形成合成磁密fB与与 反向反向与与接收机接收机的磁场反向的磁场反向BB把把接收机接收机中由中由ZLF励磁产生的磁密励磁产生的磁密 沿沿 向分解成两个分量：向分解成两个分量：(3) 发送机和接

47、收机应同时励磁发送机和接收机应同时励磁BBcosBBdsinBBq 和转子绕组轴线垂直，与励磁电流和转子绕组轴线垂直，与励磁电流相互作用，相互作用，产生电磁力产生电磁力，使励磁绕，使励磁绕组转动（逆时针方向）。组转动（逆时针方向）。 一个分量一个分量cosBBd转子绕组轴线方向上转子绕组轴线方向上, 定子合成磁密矢量为：定子合成磁密矢量为：cosBBBd实际方向与接收机实际方向与接收机励磁磁密励磁磁密相反，起相反，起去磁作用去磁作用，不会使，不会使ZLJ的转子旋转。的转子旋转。 另一个分量另一个分量sinBBqdBsinBBqffffb. 转角随动转角随动的目的（的目的（自动协调，自自动协调，

48、自整角随动整角随动）a. 协调协调或或同步同步的目的的目的l发送机转子发送机转子一旦转过一个角度一旦转过一个角度，l接收机转子就会朝着使角度接收机转子就会朝着使角度减小减小的方向转动，的方向转动，l当当0时，力矩时，力矩0，停止转动。，停止转动。l发送机发送机转子连续转动转子连续转动，则接收机转，则接收机转子便跟着转动。子便跟着转动。1）控制式自整角机的功用）控制式自整角机的功用角度角度和和位置位置的检测元件的检测元件机械角度机械角度电信号电信号角度的数字量角度的数字量电压模拟量电压模拟量转换转换转换转换精度高，适用于精度高，适用于精密精密的的闭环控制闭环控制的伺服系统。的伺服系统。2、控制式

49、自整角机、控制式自整角机UVWa 控制式发送机控制式发送机 UVWb 自整角变压器自整角变压器 IUIVIWUfU01 转子处在协调位置时转子处在协调位置时 EU、EV、EW 不同大小同相位，不同大小同相位， 则则 IU、IV、IW 不同大小同相位不同大小同相位 产生纵向脉振磁产生纵向脉振磁 场场 与输出绕组不交链与输出绕组不交链 U0 = 0。 9.5 自整角机自整角机 EUaEVaEWa励磁绕组励磁绕组输出绕组输出绕组Uf2. 转子处在非协调位置时转子处在非协调位置时9.5 自整角机自整角机 Uf EU、EV、EW IU、IV、IW 与输出绕组交链与输出绕组交链 产生产生 E0sin 。

50、即即 U0sin 。 与输出绕组交与输出绕组交链的分量链的分量EUaEVaEWaUVWa 控制式发送机控制式发送机UVWb 自整角变压器自整角变压器U0IUIVIWE0 9.6 旋转变压器（旋转变压器（BR）1. 1. 功能功能 将将转子转角转子转角变换成与之有函数关系的变换成与之有函数关系的电压信号电压信号。 应用在应用在伺服系统伺服系统、 数据传输系统数据传输系统和和随动系统随动系统中；中； 在在控制系统控制系统中，可作为中，可作为解算元件解算元件，主要用于，主要用于坐标变换，坐标变换，三角函数变换三角函数变换等；等； 在在随动系统随动系统中，可用于中，可用于传输与转角相应的电信号传输与转

51、角相应的电信号； 还可用作还可用作移相器移相器和和角度数字转换装置角度数字转换装置第第9 章章 控制电机控制电机 一种精密一种精密测位用测位用的机电元件的机电元件 原理原理 是一种能旋转的变压器，其一、二次绕组分布是一种能旋转的变压器，其一、二次绕组分布装在定、转子上。装在定、转子上。 结构结构 相当于一台两相绕线型异步电动机。定、转子相当于一台两相绕线型异步电动机。定、转子 铁心上都有两个结构相同而互相垂直的绕组。铁心上都有两个结构相同而互相垂直的绕组。 按按用途用途分分 计算用和数据传输用旋转变压器。计算用和数据传输用旋转变压器。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

52、性旋转变压器*3. 比例式旋转变压器比例式旋转变压器第第9 章章 控制电机控制电机 2.分类：分类： 按按输出电压输出电压和和转子转角转子转角间的关系分间的关系分4.特殊函数旋转变压器特殊函数旋转变压器 按按电机极对数的多少电机极对数的多少来分：来分：单极对单极对多极对：可提高系统的稳定性多极对：可提高系统的稳定性 根据根据数据传输在系统中的具体用途数据传输在系统中的具体用途, , 可分为：可分为： 旋变发送机旋变发送机 旋变差动发送机旋变差动发送机 旋变变压器旋变变压器 按有按有无电刷和滑环之间的滑动无电刷和滑环之间的滑动，分为：，分为：接触式接触式无接触式无接触式一、正余弦旋转变压器一、正

53、余弦旋转变压器 将将转子转角转子转角变换成与之成正变换成与之成正 余弦函数关系的余弦函数关系的电压信号电压信号。 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 ：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）9.6 旋转变压器旋转变压器 1. 空载运行空载运行 D1D2D3D4Z1Z2Z3Z4UfUcos Usin 转子处在基准位置时转子处在基准位置时ID12 Uf ID12 FDd d 转子处在基准位置时转子处在基准位置时 在在 D1D2 中

54、：中：d ED 在在 Z1Z2 中：中：d EZ ED = 4.44 f kw1 N1dm EZ = 4.44 f kw2 N2dm Uf = ED（忽略漏阻抗）（忽略漏阻抗） Ucos = EZ = kED = kUf Usin = 0k = =EZEDkw2 N2kw1 N19.6 旋转变压器旋转变压器 转子偏离基准位置转子偏离基准位置 角时角时 转子偏离基准位置转子偏离基准位置 角角Z1Z2Z3Z4Ucos Usin D1D2D3D4UfID12 Z12 =d cos Z34 =d sin EZ12 = EZ cos = kED cos = kUf cos EZ34 = EZ sin =

55、 kED sin = kUf sin 空载输出电压：空载输出电压： Ucos = kUf cos Usin = kUf sin 9.6 旋转变压器旋转变压器 Z1Z3Z4Z2Ucos Usin d Z34 Z12 设设 Z1Z2 接负载接负载 2. 负载运行负载运行 D1D2D3D4UfID12Z1Z3Z4Z2Ucos Usin ZL EZ12IZ12FZ12 FZd (纵向纵向)FZq (横向横向) FZqFZdFZ12FZd = FZ12 cos FZq = FZ12 sin FDd (定子定子)FZd (转子转子)d FZqZqEZ12、EZ34 EZ12 = kUf cos EZ12

56、EZ34 = kUf sin EZ34 IZ12cos sin 9.6 旋转变压器旋转变压器 负载后输出特性的畸变负载后输出特性的畸变图图 输出特性的畸变输出特性的畸变 输出特性畸变的原因输出特性畸变的原因 交轴分量磁通密度交轴分量磁通密度BZq的作用的作用 在一定转角下在一定转角下, 负载电流负载电流愈愈大大, 它所产生的电动势它所产生的电动势也愈也愈大大, 输出特性曲线畸变也愈输出特性曲线畸变也愈严重。严重。 设法消除设法消除交轴磁通交轴磁通的影响的影响补偿补偿定子补偿定子补偿转子补偿转子补偿双边补偿双边补偿 定子定子D1D2励磁绕组接交流电压励磁绕组接交流电压 ； 转子转子Z1Z2正弦绕

57、组接负载正弦绕组接负载ZL； Z3Z4绕组开路。绕组开路。 定子交轴绕组定子交轴绕组D3D4短接阻抗短接阻抗Z;（1） 定子补偿的正余弦旋转变压器定子补偿的正余弦旋转变压器定子交轴绕组对交轴磁通定子交轴绕组对交轴磁通q来说是具来说是具有有阻尼作用阻尼作用。 由由楞次定律楞次定律, 交轴磁通交轴磁通q在绕组在绕组D3D4中中要要感生电流感生电流, 该电流所产生的磁通对交轴磁通该电流所产生的磁通对交轴磁通q有有着强烈的着强烈的去磁作用去磁作用。D1D2D3D4UfID12Z1Z3Z4Z2Ucos Usin FZqFZdFZ12ZLIZ12（2） 转子补偿的正余弦旋转变压器转子补偿的正余弦旋转变压器实质上就是实质上就是副边对称副边对称的正余弦旋转变压器的正余弦旋转变压器D1D2D3D4UfID12Z1Z3Z4Z2Ucos Usin ZC FZqFZdFZ12ZLIZ12IZ34 FZqFZdFZ34若若 ZC = ZL，Zq = 0。 四个绕组全部用上四个绕组全部用上, 转子两转子两个绕组接有外接阻抗个绕组接有外接阻抗ZL和和Z, 允许允许ZL有所改变。有所改变。 （3） 双边补偿的正余弦旋转变压器双边补偿的正余弦旋转变压器D1D2D3D4UfID12Z1Z3Z4Z2Ucos Usin