驱动和控制电机

1、第第6章驱动和控制电机章驱动和控制电机 6.1 单相异步电动机单相异步电动机 6.2 单相串激电动机单相串激电动机 6.3 测速发电机测速发电机 6.4 电机电机 小结小结下一页返回6.1 单相异步电动机单相异步电动机单相异步电动机由单相电源供电，它广泛应用于家用电器和医疗器械单相异步电动机由单相电源供电，它广泛应用于家用电器和医疗器械上，如电风扇、电冰上，如电风扇、电冰 箱、洗衣机、空调设备和医疗器械中都使用单箱、洗衣机、空调设备和医疗器械中都使用单相异步电动机作为驱动电机。相异步电动机作为驱动电机。 6.1.1单相异步电动机的结构单相异步电动机的结构单相异步电动机的结构如单相异步电动机的结

2、构如图图6.1所示。从结构上看，单相异步电动机所示。从结构上看，单相异步电动机与三相笼型异步电与三相笼型异步电 动机相似，其转子也为笼型，只是定子绕动机相似，其转子也为笼型，只是定子绕 组为一组为一单相工作绕组。通常为满足启动单相工作绕组。通常为满足启动 的需要，定子上除了工作绕组外，的需要，定子上除了工作绕组外，还设有还设有 启动绕组，它的作用是产生启动转矩，一启动绕组，它的作用是产生启动转矩，一 般只在启动时接入，般只在启动时接入，当转速达到同步转当转速达到同步转 速的速的70%85%时，由离心开关将其从时，由离心开关将其从 电源自电源自动切除，所以正常工作时只有工动切除，所以正常工作时只

3、有工 作绕组在电源上运行。也有一些电作绕组在电源上运行。也有一些电容或容或 电阻电动机，在运行时将启动绕组接于电阻电动机，在运行时将启动绕组接于 电源上，这实质上电源上，这实质上下一页返回6.1 单相异步电动机单相异步电动机相当于一台两相电机，但由于它接在单相电源上，故仍称为单相异步相当于一台两相电机，但由于它接在单相电源上，故仍称为单相异步电动机。电动机。 6.1.2单相异步电动机的工作原理单相异步电动机的工作原理单相交流绕组通入单相交流电流产生脉振磁通势，这个脉振磁通势可单相交流绕组通入单相交流电流产生脉振磁通势，这个脉振磁通势可以分解为两个幅值以分解为两个幅值 相等、转速相同、转向相反的

4、旋转磁通势，从而相等、转速相同、转向相反的旋转磁通势，从而在气隙中建立正转和反转磁场。这两个旋转磁在气隙中建立正转和反转磁场。这两个旋转磁 场切割转子导体，并场切割转子导体，并分别在转子导体中产生感应电动势和感应电流。该电流与磁场相互作分别在转子导体中产生感应电动势和感应电流。该电流与磁场相互作用用 产生正向和反向电磁转矩，如产生正向和反向电磁转矩，如图图6.2所示，所示，T+em企图使转子正转，企图使转子正转，T-em企图使转子反转，这两个转企图使转子反转，这两个转 矩叠加起来就是推动电动机转动的矩叠加起来就是推动电动机转动的合成转矩合成转矩Tem，如，如图图6.3所示。所示。当转子静止时，

5、正、反向旋转磁场均以当转子静止时，正、反向旋转磁场均以n1速度以相反方向切割速度以相反方向切割上一页 下一页返回6.1 单相异步电动机单相异步电动机转子绕组，在转子绕组中感转子绕组，在转子绕组中感 应出大小相等而相序相反的电动势和电应出大小相等而相序相反的电动势和电流，它们分别产生大小相等而方向相反的两个电磁转流，它们分别产生大小相等而方向相反的两个电磁转 矩，使其合成矩，使其合成的电磁转矩为零。说明单相异步电动机无启动转矩，如不采取其他措的电磁转矩为零。说明单相异步电动机无启动转矩，如不采取其他措施，电动机施，电动机 将不能启动。将不能启动。当当s1时，时，Tem0，且，且Tem无固定方向，

6、它取决于无固定方向，它取决于S的正负。若用外的正负。若用外力使电动机转动起来，力使电动机转动起来， 合成转矩不为零，这时若合成转矩大于负载合成转矩不为零，这时若合成转矩大于负载转矩，则即使去掉外力，电动机也可以旋转起来。转矩，则即使去掉外力，电动机也可以旋转起来。 因此单相异步电因此单相异步电动机虽无启动转矩，但一经启动，便可达到某一稳定转速工作，而旋动机虽无启动转矩，但一经启动，便可达到某一稳定转速工作，而旋转方向则转方向则 取决于启动瞬间作用于转子的外力矩方向。取决于启动瞬间作用于转子的外力矩方向。由此可知，三相异步电动机运行中断一相，电机仍能继续运转，但由由此可知，三相异步电动机运行中断

7、一相，电机仍能继续运转，但由于存在反向转矩，使合于存在反向转矩，使合 成转矩减小，电动机转速下降，转差率上升，成转矩减小，电动机转速下降，转差率上升，定、转子电流定、转子电流曾加，从而使得电动机温升增加。曾加，从而使得电动机温升增加。上一页 下一页返回6.1 单相异步电动机单相异步电动机由于反向转矩的作用，使合成转矩减小，最大转矩也随之减小，故单由于反向转矩的作用，使合成转矩减小，最大转矩也随之减小，故单相异步电动机的过载能力较低。相异步电动机的过载能力较低。 6.1.3单相异步电动机的主要类型单相异步电动机的主要类型单相异步电动机可分为分相电动机和罩极电动机两大类型。单相异步电动机可分为分相

8、电动机和罩极电动机两大类型。(1)分相启动电动机分相启动电动机在分析交流绕组磁通势时曾得出一个结论，只要在空间不同相的绕组在分析交流绕组磁通势时曾得出一个结论，只要在空间不同相的绕组中通入时间上不同中通入时间上不同 相的电流，就能产生一旋转磁场，分相启动电动相的电流，就能产生一旋转磁场，分相启动电动机就是根据这一原理设计的。机就是根据这一原理设计的。分相启动电动机包括电容启动电动机、电容电动机和电阻启动电动机。分相启动电动机包括电容启动电动机、电容电动机和电阻启动电动机。上一页 下一页返回6.1 单相异步电动机单相异步电动机电容启动电动机电容启动电动机定子上有两个绕组，一个称为主绕组或工作绕组

9、，另一个称为辅助绕定子上有两个绕组，一个称为主绕组或工作绕组，另一个称为辅助绕组或启动绕组，两绕组在空间相差组或启动绕组，两绕组在空间相差90。在启动绕组在启动绕组2回路中串接启动电容回路中串接启动电容C，作电流分相用，并通过离心开，作电流分相用，并通过离心开关关S或继电器触点或继电器触点S与工作绕组与工作绕组1并联在同一单相电源上，如并联在同一单相电源上，如图图6.4(a)所示。若适当选择电容所示。若适当选择电容C，使流过启动绕，使流过启动绕 组的电流超前工作绕组电流组的电流超前工作绕组电流90，如图，如图6.4(b)所示，这就相当于在时间相位上互差所示，这就相当于在时间相位上互差90的两的

10、两相相 电流流入在空间相差电流流入在空间相差90的两相绕组中，于是在气隙中产生旋转的两相绕组中，于是在气隙中产生旋转磁场，并在该磁场作用下产生磁场，并在该磁场作用下产生 电磁转矩使电动机转动。电磁转矩使电动机转动。这种电动机的启动绕组是按短时工作设计的，所以当电动机转速达这种电动机的启动绕组是按短时工作设计的，所以当电动机转速达70%85%同步转速同步转速 时，启动绕组和启动电容器时，启动绕组和启动电容器C就在离心开关就在离心开关S作用下自动退出工作，这时电动机就在工作绕作用下自动退出工作，这时电动机就在工作绕 组单独作用下运行。组单独作用下运行。上一页 下一页返回6.1 单相异步电动机单相异

11、步电动机电容电动机电容电动机在启动绕组在启动绕组2中串入电容后，不仅能产生较中串入电容后，不仅能产生较 大的启动转矩，而且运行大的启动转矩，而且运行时还能改善电动机的功时还能改善电动机的功 率因数和提高过载能力。为了改善单相异步率因数和提高过载能力。为了改善单相异步电动电动 机的运行性能，电动机启动后，可不切除串有电容机的运行性能，电动机启动后，可不切除串有电容 器的启动绕器的启动绕组，这种电动机称为电容电动机，如组，这种电动机称为电容电动机，如图图6.5所示。所示。电容电动机实质上是一台两相异步电动机，电容电动机实质上是一台两相异步电动机，因此启动绕组应按长期工作方式设计。由于电动机工作时比

12、启动时所因此启动绕组应按长期工作方式设计。由于电动机工作时比启动时所需的电容小，所以单相电容电动机在启动后，必须利用离心开关需的电容小，所以单相电容电动机在启动后，必须利用离心开关S把把启动电容启动电容Cst切除。工作电容与工作绕组及启动绕组一起参与运行。切除。工作电容与工作绕组及启动绕组一起参与运行。电阻启动电动机电阻启动电动机电阻启动电动机的启动绕组不串联电容而采用串联电阻的方法来对电阻启动电动机的启动绕组不串联电容而采用串联电阻的方法来对上一页 下一页返回6.1 单相异步电动机单相异步电动机绕组的电流分相，但绕组的电流分相，但 由于此时工作电流与启动电流之间的相位差较由于此时工作电流与启

13、动电流之间的相位差较小，因此其启动转矩较小，只适用于空载或轻载小，因此其启动转矩较小，只适用于空载或轻载 启动的场合。启动的场合。(2)罩极电动机罩极电动机罩极电动机的定子一般都采用凸极式的，工作绕组集中绕制，套在定罩极电动机的定子一般都采用凸极式的，工作绕组集中绕制，套在定子磁极上。在极靴表面的子磁极上。在极靴表面的1/31/4处开有一个小槽，并用短路铜环处开有一个小槽，并用短路铜环把这部分磁极罩起来，故称罩极电动机。短路铜环起了启动绕组的作把这部分磁极罩起来，故称罩极电动机。短路铜环起了启动绕组的作用，称为启动绕组。罩极电动机的转子仍做成笼型，如用，称为启动绕组。罩极电动机的转子仍做成笼型

14、，如图图6.6(a)所所示。示。当工作绕组通入单相交流电流后，将产生脉振磁通，其中一部分磁通当工作绕组通入单相交流电流后，将产生脉振磁通，其中一部分磁通 不穿过短路铜环，另一部磁通不穿过短路铜环，另一部磁通 则穿过短路铜环。由于则穿过短路铜环。由于 与与 都是都是由工作绕组中的电流产生的，故由工作绕组中的电流产生的，故 与与 同相位，并且同相位，并且 。上一页 下一页返回6.1 单相异步电动机单相异步电动机 脉振的结果，在短路环中感应出电动势脉振的结果，在短路环中感应出电动势 ，它滞后，它滞后 。由于。由于短路铜环闭合，在短短路铜环闭合，在短 路铜环中就有滞后于路铜环中就有滞后于 角的电流角的

15、电流 产生，它产生，它又产生与又产生与 同相的磁通同相的磁通 ，也穿链于短路，也穿链于短路 环，因此罩极部分穿链的环，因此罩极部分穿链的总磁通为总磁通为 ，如图，如图6.6(b)所示。所示。由此可见，未罩极部分磁通由此可见，未罩极部分磁通 与被罩极部分磁通与被罩极部分磁通 不仅在空间上，不仅在空间上，而且在时间上有相而且在时间上有相 位差，因此它们的合成磁场将是一个由超前相转位差，因此它们的合成磁场将是一个由超前相转向滞后相的旋转磁场向滞后相的旋转磁场(即由未罩极部分转向罩极部分即由未罩极部分转向罩极部分)，由此产生电磁，由此产生电磁转矩，其方向也为由未罩极转向罩极部分。转矩，其方向也为由未罩

16、极转向罩极部分。上一页返回6.2 单相串激电动机单相串激电动机单相串激电动机俗称单相串励电动机或通用电机单相串激电动机俗称单相串励电动机或通用电机(Universal Motor)，因激磁绕组和励磁绕，因激磁绕组和励磁绕 组串联在一起工作而得名。串激电机组串联在一起工作而得名。串激电机属于交、直流两用电动机，它既可以使用交流电源工作，属于交、直流两用电动机，它既可以使用交流电源工作， 也可以使也可以使用直流电源工作。用直流电源工作。 6.2.1单相串激电动机的特点及主要用途单相串激电动机的特点及主要用途(1)单相串激电动机的特点单相串激电动机的特点 可交、直流两用；可交、直流两用；转速高，一般

17、在转速高，一般在8 00035 000 r/min；调速方便，且转速与电源频率无关；调速方便，且转速与电源频率无关；启动转矩大，为启动转矩大，为46倍额定转矩；倍额定转矩；机械特性较软，过载能力强；机械特性较软，过载能力强；下一页返回6.2 单相串激电动机单相串激电动机体积小，用料省；体积小，用料省；碳刷和换向器有摩擦、有换向火花、易产生电磁干扰。碳刷和换向器有摩擦、有换向火花、易产生电磁干扰。(2)单相串激电动机的主要用途单相串激电动机的主要用途 电动工具，如电钻、电锯、砂光机、电动工具，如电钻、电锯、砂光机、电刨等；电刨等；园林工具，如割草机、修枝剪、电链锅等；园林工具，如割草机、修枝剪、

18、电链锅等；医疗器械，如牙床机；医疗器械，如牙床机；家用电器，如吸尘器、电吹风、榨汁机、滚筒洗衣机等家用电器，如吸尘器、电吹风、榨汁机、滚筒洗衣机等 6.2.2单相串激电动机的结构单相串激电动机的结构单相串激电动机的结构如单相串激电动机的结构如图图6.7所示，它主要由定子、转子、前后端所示，它主要由定子、转子、前后端盖盖(罩罩)及散热风叶组及散热风叶组 成。定子由定子铁芯和套在极靴上的绕组成。定子由定子铁芯和套在极靴上的绕组上一页 下一页返回6.2 单相串激电动机单相串激电动机组成，其作用是产生励磁磁通、导磁及支撑前后罩组成，其作用是产生励磁磁通、导磁及支撑前后罩; 转子由转子铁芯、转子由转子铁

19、芯、轴、电枢绕组及换向器组成，其作用是产生连续的电磁转矩，通过转轴、电枢绕组及换向器组成，其作用是产生连续的电磁转矩，通过转轴带动负轴带动负 载做功，将电能转换为机械能载做功，将电能转换为机械能;前后罩起支撑电枢，将定子、前后罩起支撑电枢，将定子、转子连接固定成一体的作用。转子连接固定成一体的作用。单相串激电动机结构示意图如单相串激电动机结构示意图如图图6.8所示。所示。 6.2.3单相串激电动机的工作原理单相串激电动机的工作原理如图如图6.9所示，单相串激电动机定子线圈与转子线圈在电路上是串联所示，单相串激电动机定子线圈与转子线圈在电路上是串联关系。当单相串激电关系。当单相串激电 动机电源处

20、于交流电正半周时，如动机电源处于交流电正半周时，如图图6.9(a)所所示，由左手定则可以判定，转子受到电磁转矩的作示，由左手定则可以判定，转子受到电磁转矩的作 用沿逆时针方向用沿逆时针方向旋转旋转;当交流电变化到负半周时，如图当交流电变化到负半周时，如图6.9(b)所示，磁场极性改变，所示，磁场极性改变，同时电枢电同时电枢电 流的方向也随之改变，因此电磁转矩的方向不变，仍为流的方向也随之改变，因此电磁转矩的方向不变，仍为上一页 下一页返回6.2 单相串激电动机单相串激电动机逆时针方向，即电动机的转向不变。逆时针方向，即电动机的转向不变。由此可见，因换向器的换流作用，不论电动机工作在交流电的正半

21、波、由此可见，因换向器的换流作用，不论电动机工作在交流电的正半波、负半波或直流电，其负半波或直流电，其 电磁转矩的方向都是一致的，这正是单相串激电磁转矩的方向都是一致的，这正是单相串激电动机可以交流、直流两用的原因。电动机可以交流、直流两用的原因。 6.2.4单相串激电动机的转向改变方法单相串激电动机的转向改变方法改变单相串激电动机转动方向的方法有以下几种：改变单相串激电动机转动方向的方法有以下几种：改变定子线圈的绕向；改变定子线圈的绕向；碳刷所连接的电源线对调；碳刷所连接的电源线对调；改变转子绕线方式。改变转子绕线方式。注意注意:对调电源线不能改变单相串激电动机转动方向。对调电源线不能改变单

22、相串激电动机转动方向。 上一页 下一页返回6.2 单相串激电动机单相串激电动机 6.2.5单相串激电动机的调速单相串激电动机的调速单相串激电动机转速为单相串激电动机转速为式中式中:E电枢电动势有效值电枢电动势有效值(V)；每极磁通每极磁通(Wb);N电枢导体数；电枢导体数；n-电动机转速电动机转速(r/min)。单相串激电动机的磁极对数单相串激电动机的磁极对数P、并联支路数、并联支路数a均为均为1。 由式由式(6.1)可可见，单相串激电动机的转速与电源见，单相串激电动机的转速与电源 频率、磁极对数无关，电势由电频率、磁极对数无关，电势由电压决定，改变电压、减少压决定，改变电压、减少 磁通和电枢

23、导体数均能改变转速。磁通和电枢导体数均能改变转速。上一页 下一页返回6.2 单相串激电动机单相串激电动机(1)调压调速调压调速如如图图6.10所示，所示，D1、R1、R2、C及电枢绕组、激磁绕组及电枢绕组、激磁绕组F组成组成RC充放电电路，充放电电路，RC越大充放电时间越长。越大充放电时间越长。 当输入交流电压为正半周时，当输入交流电压为正半周时，二极管二极管D1导通，由导通，由R1、R2、C组成的充电回路开始充电，当电容组成的充电回路开始充电，当电容器器C两端电压升高到可控硅的触发电压时，可控硅两端电压升高到可控硅的触发电压时，可控硅SCR触发导通，调触发导通，调节电阻节电阻R2，即可控制充

24、电时间，从而控，即可控制充电时间，从而控 制整流电压，达到调速的目制整流电压，达到调速的目的。的。(2)串联电抗器调速串联电抗器调速串联电抗器调速原理如串联电抗器调速原理如图图6.11所示，改变电抗器抽头可实现有级调所示，改变电抗器抽头可实现有级调速。速。(3)串联电阻调速串联电阻调速上一页 下一页返回6.2 单相串激电动机单相串激电动机串联电阻调速原理如串联电阻调速原理如图图6.12所示，电枢回路串电阻，加在电动机两所示，电枢回路串电阻，加在电动机两端的电压将下降，从而端的电压将下降，从而 实现降压调速。实现降压调速。上一页返回6.3 测速发电机测速发电机测速发电机是机械转速测量装置，它的输

25、入是转速，输出是与转速成测速发电机是机械转速测量装置，它的输入是转速，输出是与转速成正比的电压信号。根正比的电压信号。根 据输出电压的不同，测速发电机分为直流测速据输出电压的不同，测速发电机分为直流测速发电机和交流测速发电机两种。在实际应用中，发电机和交流测速发电机两种。在实际应用中， 对测速发电机的要对测速发电机的要求主要有以下几个方面：求主要有以下几个方面：线性度要好，最好在全程范围内输出电压与转速之间成正比关系；线性度要好，最好在全程范围内输出电压与转速之间成正比关系；测速发电机的转动惯量要小，以保证测速的快速性；测速发电机的转动惯量要小，以保证测速的快速性；测速发电机的灵敏度要高，较小

26、的转速变化也能引起输出电压明显的测速发电机的灵敏度要高，较小的转速变化也能引起输出电压明显的变化。变化。 6.3.1直流测速发电机直流测速发电机直流测速发电机实际上是微型直流发电机，包括永磁式测速发电机和直流测速发电机实际上是微型直流发电机，包括永磁式测速发电机和电磁式测速发电机，电磁式测速发电机， 输出为直流电压。输出为直流电压。下一页返回6.3 测速发电机测速发电机(1)直流测速发电机的输出特性直流测速发电机的输出特性直流测速发电机的原理与直流发电机相同，在忽略电枢反应的情况下，直流测速发电机的原理与直流发电机相同，在忽略电枢反应的情况下，电枢的感应电动势为电枢的感应电动势为当带负载后，电

27、刷两端的输出电压为当带负载后，电刷两端的输出电压为负载两端的电压与电流的关系为负载两端的电压与电流的关系为式中，式中，U2为负载两端的电压为负载两端的电压(U2=Ua)；RL为负载电阻。为负载电阻。 联合上述联合上述公式并整理可得公式并整理可得上一页 下一页返回6.3 测速发电机测速发电机式中，式中， 为输出特性的斜率。为输出特性的斜率。根据式根据式6.5可得直流测速发电机的输出特性如可得直流测速发电机的输出特性如图图6.13所示。所示。(2)直流测速发电机的误差及减小误差的方法直流测速发电机的误差及减小误差的方法 实际的直流测速发电机实际的直流测速发电机的输出电压与转速间并不能保的输出电压与

28、转速间并不能保 持严格的正比关系，产生误差的原因持严格的正比关系，产生误差的原因主要有以下几个方面：主要有以下几个方面： 电枢反应电枢反应由于有电枢反应，使得主磁通发生变化，式由于有电枢反应，使得主磁通发生变化，式(6.2)中的电中的电 动势常数动势常数ke将不再为常数，而是随负载电流的变化而变化，将不再为常数，而是随负载电流的变化而变化， 负载电流升高电负载电流升高电动势系数动势系数ke略有减小特性曲线向下弯曲。略有减小特性曲线向下弯曲。为消除电枢反应的影响，除在设计时采用补偿绕组进行补偿、结构上为消除电枢反应的影响，除在设计时采用补偿绕组进行补偿、结构上加大气隙削弱电枢反加大气隙削弱电枢反

29、 应的影响外，对于使用者而言应使发电机的负应的影响外，对于使用者而言应使发电机的负载电阻阻值等于或大于负载电阻的规定值，这样载电阻阻值等于或大于负载电阻的规定值，这样 可使负载电流对电可使负载电流对电枢反应的影响尽可能的小。枢反应的影响尽可能的小。上一页 下一页返回6.3 测速发电机测速发电机电刷接触电阻的影响电刷接触电阻的影响电刷接触电阻为非线性电阻，当测速发电机的转速低，输出电压也低电刷接触电阻为非线性电阻，当测速发电机的转速低，输出电压也低时，接触电阻较大，电时，接触电阻较大，电 刷接触电阻压降在总电枢电压中所占比重大，刷接触电阻压降在总电枢电压中所占比重大，实际输出电压较小实际输出电压

30、较小;而当转速升高时接角虫电阻变而当转速升高时接角虫电阻变 小，接触电压也将小，接触电压也将变小。因此，在低转速时转速与电压间的关系由于接触电阻的非线性变小。因此，在低转速时转速与电压间的关系由于接触电阻的非线性影响而影响而 有一个不灵敏区。为减小电刷接触电阻的影响，使用时可对有一个不灵敏区。为减小电刷接触电阻的影响，使用时可对低输出电压进行非线性补偿。低输出电压进行非线性补偿。 6.3.2交流测速发电机交流测速发电机交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机。同步测速发交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机。同步测速发电机的输出频率和电机的输出频率和 电压幅值均随转速的变化而

31、变化，因此一般用作电压幅值均随转速的变化而变化，因此一般用作指示式转速计，很少用于控制系统中的转速测指示式转速计，很少用于控制系统中的转速测 量量;异步测速发电机的异步测速发电机的上一页 下一页返回6.3 测速发电机测速发电机输出电压频率与励磁电压频率相同而与转速无关，其输出电压与转速输出电压频率与励磁电压频率相同而与转速无关，其输出电压与转速成成 正比，因次在控制系统中得到广泛的应用，本书只介绍异步测速正比，因次在控制系统中得到广泛的应用，本书只介绍异步测速发电机。发电机。(1)空心杯型转子异步测速发电机的工作原理空心杯型转子异步测速发电机的工作原理异步测速发电机分为笼型和空心杯型两种，笼型

32、测异步测速发电机分为笼型和空心杯型两种，笼型测 速发电机不及空速发电机不及空心杯型测速发电机的测量精度高，而且心杯型测速发电机的测量精度高，而且 空心杯型结构的测速发电机空心杯型结构的测速发电机的转动惯量也小，适合于快的转动惯量也小，适合于快 速系统，因此目前应用比较广泛的是空速系统，因此目前应用比较广泛的是空心杯型测速发电心杯型测速发电 机，机，图图6.14为空心杯型异步测速发电机的原理图。为空心杯型异步测速发电机的原理图。在图中定子两相绕组在空间位置上严格相差在图中定子两相绕组在空间位置上严格相差90电角度，在一相上电角度，在一相上加恒频恒压的交流电源，使其作为励磁加恒频恒压的交流电源，使

33、其作为励磁 绕组产生励磁磁通绕组产生励磁磁通;另一相作另一相作为输出绕组，输出与励磁为输出绕组，输出与励磁 绕组电源同频率，幅值与转速成正比的交绕组电源同频率，幅值与转速成正比的交流电压流电压U2。上一页 下一页返回6.3 测速发电机测速发电机空心杯型测速发电机的转子为空心杯，用电阻率较空心杯型测速发电机的转子为空心杯，用电阻率较 大的非磁性材料大的非磁性材料制成，其目的是获得线性度较好的电压制成，其目的是获得线性度较好的电压 输出信号。电机励磁绕组中输出信号。电机励磁绕组中加入恒频恒压的励磁电压时，励磁绕组中有励磁电流流过，产生与电加入恒频恒压的励磁电压时，励磁绕组中有励磁电流流过，产生与电

34、源同频率的脉振磁通势源同频率的脉振磁通势Fd和脉振磁通和脉振磁通d。脉振磁通势。脉振磁通势Fd和脉振磁通和脉振磁通d在励磁绕组的轴在励磁绕组的轴 线方向上脉振，称为直轴磁通势和磁通。电机转线方向上脉振，称为直轴磁通势和磁通。电机转子和输出绕组中的电动势及由此而产生的反子和输出绕组中的电动势及由此而产生的反 应磁通势，根据电机的应磁通势，根据电机的转速可分两种情况：转速可分两种情况：电机不转电机不转当转速当转速n=0时，转子中的电动势为变压器性质电动势，该电动势产时，转子中的电动势为变压器性质电动势，该电动势产生的转子磁通势性质生的转子磁通势性质 和励磁磁通势性质相同，均为直轴磁通势。输和励磁磁

35、通势性质相同，均为直轴磁通势。输出绕组由于与励磁绕组在空间位置上相差出绕组由于与励磁绕组在空间位置上相差90电角度，因此不产生电角度，因此不产生感应电动势，输出电压感应电动势，输出电压U2=0。上一页 下一页返回6.3 测速发电机测速发电机电机旋转电机旋转当转速当转速n0时，转子切割脉振磁通时，转子切割脉振磁通d，产生切割电动势，产生切割电动势Er，切割电，切割电动势的大小可通过下式计算动势的大小可通过下式计算式中，式中，Cr为转子电动势常数为转子电动势常数;d为脉振磁通幅值。为脉振磁通幅值。由式由式(6.6)可见，转子电动势的幅值与转速成正比，其方向可用右手可见，转子电动势的幅值与转速成正比

36、，其方向可用右手定则判断。定则判断。(2)异步测速发电机的误差异步测速发电机的误差异步测速发电机的主要误差包括幅值及相位误差和剩余电压误差。异步测速发电机的主要误差包括幅值及相位误差和剩余电压误差。幅值及相位误差幅值及相位误差由于输出电压除与转速有关外还与由于输出电压除与转速有关外还与d有关，若想输出电压严格正比有关，若想输出电压严格正比上一页 下一页返回6.3 测速发电机测速发电机于转速于转速n，则，则d应保应保 持为常数。当励磁电压为常数时，由于励磁绕持为常数。当励磁电压为常数时，由于励磁绕组的漏感抗存在，使得励磁绕组电动势与外加励组的漏感抗存在，使得励磁绕组电动势与外加励 磁电压有一个相

37、位磁电压有一个相位差，随着转速的变化使得差，随着转速的变化使得d的幅值和相位均发生变化，造成输出电的幅值和相位均发生变化，造成输出电压的误差。为减小该误差可增大转子电阻。压的误差。为减小该误差可增大转子电阻。剩余电压误差剩余电压误差由于加工、装配过程中存在机械上的不对称及定子磁性材料性能的不由于加工、装配过程中存在机械上的不对称及定子磁性材料性能的不一致性，使得测速发一致性，使得测速发 电机转速为零时，实际输出电压并不为零，此电机转速为零时，实际输出电压并不为零，此时的输出电压被称为剩余电压。剩余电压引起的时的输出电压被称为剩余电压。剩余电压引起的 测量误差称为剩余测量误差称为剩余电压误差。减

38、小剩余电压误差的方法是选择高质量、各方向特性一致电压误差。减小剩余电压误差的方法是选择高质量、各方向特性一致的磁的磁 性材料，在机加工和装配过程中提高机械精度，也可通过装配性材料，在机加工和装配过程中提高机械精度，也可通过装配补偿绕组的方法加以补偿。对于补偿绕组的方法加以补偿。对于 使用者可通过电路补偿的方法去除使用者可通过电路补偿的方法去除剩余电压的影响。剩余电压的影响。上一页返回6.4 电机电机伺服电机又称执行电机，伺服电机可以把输入的电压信号变换成为电伺服电机又称执行电机，伺服电机可以把输入的电压信号变换成为电机轴上的角位移和角速度等机械信号输出。机轴上的角位移和角速度等机械信号输出。根

39、据伺服电机的控制电压来分，伺服电机可分为直流伺服电机和交流根据伺服电机的控制电压来分，伺服电机可分为直流伺服电机和交流伺服电机两大类。伺服电机两大类。 直流伺服电机的输出功率通常为直流伺服电机的输出功率通常为1600 W，可，可用于功率较大的控制系统中用于功率较大的控制系统中;交流伺服电机的交流伺服电机的 输出功率较小，一般为输出功率较小，一般为0.1100 W，用于功率较小的控制系统。，用于功率较小的控制系统。伺服电机在控制系统中一般用作执行元件。根据被控对象的不同，由伺服电机在控制系统中一般用作执行元件。根据被控对象的不同，由伺服电机组成的伺服伺服电机组成的伺服 系统一般有三种基本控制方式

40、，即位置控制、系统一般有三种基本控制方式，即位置控制、速度控制和力矩控制，通常位置和速度控制用得较多。速度控制和力矩控制，通常位置和速度控制用得较多。 6.4.1直流伺服电机直流伺服电机(1)直流伺服电机的结构直流伺服电机的结构下一页返回6.4 电机电机直流伺服电机的控制电源为直流电压电源。根据其功能可分为直流伺服电机的控制电源为直流电压电源。根据其功能可分为:普通普通型直流伺服电机、盘形电枢直流伺服电机、空心杯直流伺服电机和无型直流伺服电机、盘形电枢直流伺服电机、空心杯直流伺服电机和无槽直流伺服电机等几种。槽直流伺服电机等几种。普通型直流伺服电机普通型直流伺服电机普通型直流伺服电机的结构与他

41、励直流电机的结构相同，由定子和转普通型直流伺服电机的结构与他励直流电机的结构相同，由定子和转子两大部分组成。子两大部分组成。 根据励磁方式又可分为电磁式和永磁式两种，电根据励磁方式又可分为电磁式和永磁式两种，电磁式伺服电机的定子磁极上装有励磁绕组，励磁式伺服电机的定子磁极上装有励磁绕组，励 磁绕组接励磁控制电磁绕组接励磁控制电压产生磁通压产生磁通;永磁式伺服电机的磁极是永磁铁，其磁通是不可控的。永磁式伺服电机的磁极是永磁铁，其磁通是不可控的。与普与普 通直流电机相同，直流伺服电机的转子一般由硅钢片叠压而成，通直流电机相同，直流伺服电机的转子一般由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内装有电枢绕组，

42、绕组通过换向器和电刷与外边电转子外圆有槽，槽内装有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷与外边电枢控制电路相连接。为提高控制精度和响应速度，伺服枢控制电路相连接。为提高控制精度和响应速度，伺服 电机的电枢电机的电枢铁芯长度与直径之比比普通直流电机要大，气隙也较小。铁芯长度与直径之比比普通直流电机要大，气隙也较小。上一页 下一页返回6.4 电机电机当定子中的励磁磁通和转子中的电流相互作用时，就会产生电磁转矩当定子中的励磁磁通和转子中的电流相互作用时，就会产生电磁转矩驱动电枢转动，恰当驱动电枢转动，恰当 地控制转子中电枢电流的方向和大小，就可以地控制转子中电枢电流的方向和大小，就可以控制伺服电机的转动方向

43、和转动速度。电枢电控制伺服电机的转动方向和转动速度。电枢电 流为零时，伺服电机流为零时，伺服电机则停止不动。普通的电磁式和永磁式直流伺服电机性能接近，它们的则停止不动。普通的电磁式和永磁式直流伺服电机性能接近，它们的惯性惯性 较其他类型伺服电机大。较其他类型伺服电机大。盘形电枢直流伺服电机盘形电枢直流伺服电机盘形电枢直流伺服电机的定子由永久磁铁和前后铁轭共同组成，磁铁盘形电枢直流伺服电机的定子由永久磁铁和前后铁轭共同组成，磁铁可以在圆盘电枢的一侧，也可在其两侧。盘形伺服电机的转子电枢由可以在圆盘电枢的一侧，也可在其两侧。盘形伺服电机的转子电枢由线圈沿转轴的径向圆周排列，并用环氧树脂浇注成圆盘形

44、。盘形绕组线圈沿转轴的径向圆周排列，并用环氧树脂浇注成圆盘形。盘形绕组中通过的电流是径向电流，而磁通是轴向的，径向电流与轴向磁通相中通过的电流是径向电流，而磁通是轴向的，径向电流与轴向磁通相 互作用产生电磁转矩，使伺服电机旋转。互作用产生电磁转矩，使伺服电机旋转。图图6.15为盘形伺服电机的为盘形伺服电机的结构示意图。结构示意图。上一页 下一页返回6.4 电机电机空心杯电枢直流伺服电机空心杯电枢直流伺服电机空心杯电枢直流伺服电机有两个定子，一个由软磁材料构成的内定子空心杯电枢直流伺服电机有两个定子，一个由软磁材料构成的内定子和一个由永磁材料构成的外定子，外定子产生磁通，内定子主要起导和一个由永

45、磁材料构成的外定子，外定子产生磁通，内定子主要起导磁作用。空心杯伺服电机的转子，由单个成型线圈沿轴向排列成空心磁作用。空心杯伺服电机的转子，由单个成型线圈沿轴向排列成空心杯形，并用环氧树脂浇注成型。空心杯电枢直接装在转轴上，在内外杯形，并用环氧树脂浇注成型。空心杯电枢直接装在转轴上，在内外定子间的气隙中旋转。定子间的气隙中旋转。图图6.16为空心杯电枢直流伺服电机的结构图。为空心杯电枢直流伺服电机的结构图。无槽直流伺服电机无槽直流伺服电机无槽直流伺服电机与普通伺服电机的区别是无槽直流伺服电机的转子无槽直流伺服电机与普通伺服电机的区别是无槽直流伺服电机的转子铁芯上不开元件铁芯上不开元件 槽，电枢

46、绕组元件直接放置在铁芯的外表面，然后槽，电枢绕组元件直接放置在铁芯的外表面，然后用环氧树脂浇注成型。用环氧树脂浇注成型。图图6.17为无槽直流为无槽直流 伺服电机的结构图。伺服电机的结构图。上一页 下一页返回6.4 电机电机后三种伺服电机与普通伺服电机相比，具有转动惯量小、电枢等效电后三种伺服电机与普通伺服电机相比，具有转动惯量小、电枢等效电感小的特点，因此其动态特性较好，适用于快速系统。感小的特点，因此其动态特性较好，适用于快速系统。(2)直流伺服电机的运行特性直流伺服电机的运行特性在忽略电枢反应的情况下，直流伺服电机的电压平衡方程可表示如下在忽略电枢反应的情况下，直流伺服电机的电压平衡方程

47、可表示如下当磁通恒定时，电枢反电动势为当磁通恒定时，电枢反电动势为式中，式中，ke为电动势常数。为电动势常数。 直流伺服电机的电磁转矩为直流伺服电机的电磁转矩为式中，式中，kt为转矩常数。为转矩常数。转速关系式转速关系式上一页 下一页返回6.4 电机电机根据式根据式(6.10)可得出直流伺服电机的机械特性和调节特性。可得出直流伺服电机的机械特性和调节特性。机械特性机械特性机械特性是指在控制电枢电压保持不变的情况下，直流伺服电机的转机械特性是指在控制电枢电压保持不变的情况下，直流伺服电机的转速速n随转矩变化的关系。当电枢电压为常值时，式随转矩变化的关系。当电枢电压为常值时，式(6.10)可写成可

48、写成当转矩为零时，电机的转速仅与电枢电压有关，此时的转速为直流伺当转矩为零时，电机的转速仅与电枢电压有关，此时的转速为直流伺服电机的理想空载转服电机的理想空载转 速，理想空载转速与电枢电压成正比，即速，理想空载转速与电枢电压成正比，即当转速为零时，电机的转矩仅与电枢电压有关，此时的转矩称为堵转当转速为零时，电机的转矩仅与电枢电压有关，此时的转矩称为堵转转矩，堵转转矩与电枢电压成正比，即转矩，堵转转矩与电枢电压成正比，即上一页 下一页返回6.4 电机电机图图6.18为给定不同的电枢电压得到的直流伺服电机的机械特性。从为给定不同的电枢电压得到的直流伺服电机的机械特性。从机械特性曲线上看，机械特性曲

49、线上看， 不同电枢电压下的机械特性曲线为一组平行线，不同电枢电压下的机械特性曲线为一组平行线，其斜率为其斜率为-k。从图中可以看出，当控制电压一定时，不同的负载转矩。从图中可以看出，当控制电压一定时，不同的负载转矩对应不同的机械转速。对应不同的机械转速。调节特性调节特性直流伺服电机的调节特性是指负载转矩恒定时，电机转速与电枢电压直流伺服电机的调节特性是指负载转矩恒定时，电机转速与电枢电压的关系。当转矩一定的关系。当转矩一定 时，根据式时，根据式(6.10)可知，转速与电压的关系也可知，转速与电压的关系也为一组平行线，如为一组平行线，如图图6.19所示。其斜率为所示。其斜率为1/ke。 6.4.

50、2交流伺服电机交流伺服电机(1)交流伺服电动机的工作原理交流伺服电动机的工作原理上一页 下一页返回6.4 电机电机交流伺服电动机一般是两相交流电机，由定子和转子两部分组成。交交流伺服电动机一般是两相交流电机，由定子和转子两部分组成。交流伺服电机的转子流伺服电机的转子 有笼形和杯形两种，无论哪一种转子，它的转子有笼形和杯形两种，无论哪一种转子，它的转子电阻都做得比较大，其目的是使转子在转动时电阻都做得比较大，其目的是使转子在转动时 产生制动转矩，使它产生制动转矩，使它在控制绕组不加电压时，能及时制动，防止自转。交流伺服电机的定在控制绕组不加电压时，能及时制动，防止自转。交流伺服电机的定子为两相绕

51、组，并在空间相差子为两相绕组，并在空间相差90电角度。两个定子绕组结构完电角度。两个定子绕组结构完 全全相同，使用时一个绕组做励磁用，另一个绕组做控制用。相同，使用时一个绕组做励磁用，另一个绕组做控制用。图图6.20为交流伺服电机的工作原理图，为交流伺服电机的工作原理图，Uf为励磁电压，为励磁电压，Uc为控制电为控制电压，这两个电压均为交流，相位互差压，这两个电压均为交流，相位互差90。 当励磁绕组和控制绕组当励磁绕组和控制绕组均加交流互差均加交流互差90电角度的电压时，电角度的电压时， 在空间形成圆形旋转磁场在空间形成圆形旋转磁场(控控制电压和励磁电压的幅值相等制电压和励磁电压的幅值相等)或

52、椭圆旋转磁场或椭圆旋转磁场(控制电压和励磁电压控制电压和励磁电压幅值不等幅值不等)，转子在旋转磁场作用下旋转。当控制电压和励磁电压的，转子在旋转磁场作用下旋转。当控制电压和励磁电压的幅值幅值 相等时，控制两者的相位差也能产生旋转磁场。相等时，控制两者的相位差也能产生旋转磁场。上一页 下一页返回6.4 电机电机与普通两相异步电动机相比，伺服电动机具有以下特点：与普通两相异步电动机相比，伺服电动机具有以下特点：伺服电动机应当有较宽的调速范围；伺服电动机应当有较宽的调速范围；当励磁电压不为零，控制电压为零时其转速也应为零；当励磁电压不为零，控制电压为零时其转速也应为零；机械特性应为线性并且动态特性要

53、好。机械特性应为线性并且动态特性要好。伺服电机的转子电阻应当大，转动惯量应当小。伺服电机的转子电阻应当大，转动惯量应当小。(2)交流伺服电机的控制方式交流伺服电机的控制方式交流伺服电机的控制方式有三种，即幅值控制、相位控制和幅相控制交流伺服电机的控制方式有三种，即幅值控制、相位控制和幅相控制 幅值控制控制电压和励磁电压保持相位差幅值控制控制电压和励磁电压保持相位差90，只改变控制电压幅，只改变控制电压幅值，这种控制方法称为幅值控值，这种控制方法称为幅值控 制。图制。图6.20为幅值控制伺服电机的控为幅值控制伺服电机的控制接线图，使用时控制电压制接线图，使用时控制电压Uc的幅值在额定值与零之的幅

54、值在额定值与零之 间变化，励磁间变化，励磁电压电压Uf保持为额定值。保持为额定值。上一页 下一页返回6.4 电机电机幅值控制交流伺服电机具有以下特性：幅值控制交流伺服电机具有以下特性：当励磁电压为额定电压，控制电压为零时，伺服电机转速为零，电机当励磁电压为额定电压，控制电压为零时，伺服电机转速为零，电机不转；不转；当励磁电压为额定电压，控制电压也为额定电压时，伺服电机转速最当励磁电压为额定电压，控制电压也为额定电压时，伺服电机转速最大，转矩也为最大；大，转矩也为最大；当励磁电压为额定电压，控制电压在额定电压与零电压之间变化时，当励磁电压为额定电压，控制电压在额定电压与零电压之间变化时，伺服电机

55、的转速在最高转速至零转速间变化。伺服电机的转速在最高转速至零转速间变化。(2)相位控制相位控制相位控制时控制电压和励磁电压均为额定电压，通过改变控制电压和相位控制时控制电压和励磁电压均为额定电压，通过改变控制电压和励磁电压相位差，实现对伺服电机的控制励磁电压相位差，实现对伺服电机的控制设控制电压与励磁电压的相位差为设控制电压与励磁电压的相位差为，=090。根据。根据的取值的取值上一页 下一页返回6.4 电机电机可得出气隙磁场的变化可得出气隙磁场的变化 情况。当情况。当=0时，控制电压与励磁电压同时，控制电压与励磁电压同相位，气隙总磁通势为脉振磁通势，伺服电机转速为零不转动；当相位，气隙总磁通势

56、为脉振磁通势，伺服电机转速为零不转动；当=90时，为圆形旋转磁通势，伺服电机转速最大，转矩也为最大时，为圆形旋转磁通势，伺服电机转速最大，转矩也为最大;当当=0-90变化时，磁通势从脉振磁通势变为椭圆形旋转磁通势最变化时，磁通势从脉振磁通势变为椭圆形旋转磁通势最终变为圆形旋转磁通势，伺服电机终变为圆形旋转磁通势，伺服电机 的转速由低向高变化。值越大越的转速由低向高变化。值越大越接近圆形旋转磁通势，相位控制时的电路图见图接近圆形旋转磁通势，相位控制时的电路图见图6.20。(3)幅相控制幅相控制幅相控制是对幅值和相位差都进行控制，通过改变控制电压的幅值及幅相控制是对幅值和相位差都进行控制，通过改变

57、控制电压的幅值及控制电压与励磁电控制电压与励磁电 压的相位差控制伺服电机的转速。压的相位差控制伺服电机的转速。图图6.21为幅相为幅相控制接线方法。控制接线方法。当控制电压的幅值改变时，电机转速发生变化，此时励当控制电压的幅值改变时，电机转速发生变化，此时励 磁绕组中的磁绕组中的电流随之发生变化，励磁电流的变化引起电容电流随之发生变化，励磁电流的变化引起电容 端电压的变化，使端电压的变化，使上一页 下一页返回6.4 电机电机控制电压与励磁电压之间的相位角控制电压与励磁电压之间的相位角#改改 变。幅相控制的机械特性和变。幅相控制的机械特性和调节特性不如幅值控制和相位调节特性不如幅值控制和相位 控

58、制，但由于线路比较简单，不需要控制，但由于线路比较简单，不需要移相器，因此在实际应用中用得较多。移相器，因此在实际应用中用得较多。上一页返回小结小结本章主要从使用的角度介绍了常用的驱动与控制电机，通过本章学习本章主要从使用的角度介绍了常用的驱动与控制电机，通过本章学习应当掌握以下内容：应当掌握以下内容：一、单相异步电动机一、单相异步电动机(1)从结构上看，单相异步电动机与三相笼型异步电动机相似，其转从结构上看，单相异步电动机与三相笼型异步电动机相似，其转子也为笼型，只是定子也为笼型，只是定 子绕组为一单相工作绕组。通常为启动的需要，子绕组为一单相工作绕组。通常为启动的需要，定子上除了工作绕组外

59、，还设有启动绕组。定子上除了工作绕组外，还设有启动绕组。(2)从工作原理上看，单相交流绕组通入单相交流电流产生脉振磁通从工作原理上看，单相交流绕组通入单相交流电流产生脉振磁通势，这个脉振磁通势可以分解为两个幅值相等、转速相同、转向相反势，这个脉振磁通势可以分解为两个幅值相等、转速相同、转向相反的旋转磁通势，从而在气隙中建立正转和反转磁场。当转子静止时，的旋转磁通势，从而在气隙中建立正转和反转磁场。当转子静止时，其合成的电磁转矩为零。说明单相异步电动机无启动转矩，如不采取其合成的电磁转矩为零。说明单相异步电动机无启动转矩，如不采取其其 他措施，电动机不能启动。因此，单相电机必须设置启动绕组。他措

60、施，电动机不能启动。因此，单相电机必须设置启动绕组。下一页返回小结小结(3)单相异步电动机的主要类型有分相电动机和罩极电动机两大类型。单相异步电动机的主要类型有分相电动机和罩极电动机两大类型。二、单相串激电动机二、单相串激电动机单相串激电动机俗称单相串励电动机或通用电机，因激磁绕组禾单相串激电动机俗称单相串励电动机或通用电机，因激磁绕组禾P励励磁绕组串联在一起工磁绕组串联在一起工 作而得名。串激电机属于交、直流两用电动机，作而得名。串激电机属于交、直流两用电动机，它既可以使用交流电源工作，也可以使用直流它既可以使用交流电源工作，也可以使用直流 电源工作。电源工作。(1)单相串激电动机的特点是可