教学课件控制电机(第四版)-2

1、1.1 控制电机在自动控制系统中的作用 1.2 控制电机的种类和特点 1.3 如何学习“控制电机”这门课程 第1章 绪论1.1 控制电机在自动控制系统中的作用 在各类自动控制系统、 遥控和解算装置中， 需要用到大量的各种各样的元件。 控制电机就是其中的重要元件之一。 它属于机电元件， 在系统中具有执行、 检测和解算的功能。 虽然从基本原理来说， 控制电机与普通旋转电机没有本质上的差别， 但后者着重于对电机的力能指标方面的要求， 而前者则着重于对特性、 高精度和快速响应方面的要求， 满足系统对它提出的要求。 控制电机已经成为现代工业自动化系统、 现代科学技术和现代军事装备中不可缺少的重要元件。

2、它的应用范围非常广泛，例如，火炮和雷达的自动定位， 舰船方向舵的自动操纵，飞机的自动驾驶，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， 阀门的遥控， 以及机器人、 电子计算机、 自动记录仪表、 医疗设备、 录音录像设备等中的自动控制系统。 下面以雷达扫描及自动跟踪飞机的过程为例， 具体说明控制电机在自动控制系统中所起的作用和所处的地位。 雷达天线控制系统的原理线路如图 1 - 1 所示。 这个系统有两种工作状态。 一种是当雷达还没有捕捉到飞机时， 要由雷达操纵手操作，使天线旋转去搜索飞机， 这就是雷达的搜索过程。 这时图 1 - 1 上的闸刀S合在位置。 第二种状态是当天线捕捉到目

3、标时， 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， 系统处于自动跟踪状态。 下面分别讨论系统的这两种状态。图 1 - 1 雷达天线控制系统原理线路 1.1.1 雷达天线控制系统的搜索状态 在搜索飞机时， 我们希望雷达天线按照要求在空间不断旋转， 使雷达发射机发出的强大的电磁波束跟着天线的转动在空中进行扫描。 由于雷达天线又大又重， 人是摇不动的， 这时雷达操纵手只需要摇动手把7， 使自整角发送机1的转子旋转， 通过自动控制系统的作用， 就可使雷达天线3跟着自整角发送机的转角自动地旋转。 发送机转几度，天线也转几度； 发送机正转， 天线也正转； 发送机反转， 天线也反转。 自整角接

4、收机 2 的转轴是和天线的转轴联结在一起的。 自整角发送机和自整角接收机一般不单独使用而是成对地使用。 当发送机的转角和接收机的转角相等， 也就是转角差=- 等于零时， 接收机的输出电压U1也等于零。 当转角和不等时， 接收机就有和转角差成正比的交流电压U1 输出。 这样， 自整角接收机就好像自动控制系统的眼睛一样， 可以很灵敏地感觉出天线的转角是否跟上自整角发送机的转角。 当跟上时， 转角等于转角， 没有电压输出； 当没有跟上， 即转角和转角不等时， 通过自整角接收机输出电压U1, 就可把转角差测量出来， 因此自动控制系统中的自整角机被称为敏感元件。 假如雷达手向某一方向摇动手轮 7， 产生

5、一个转角差， 这时自整角接收机就有交流电压U1输出， 这个电压经过交流放大器放大后， 由环形解调器转换成直流电压U2， 并送入直流放大器放大， 放大后的直流电压U3被输入到可控硅控制线路的差动放大器， 去控制可控硅的导通和截止。 当可控硅VD和VD导通时， 就有一定极性的信号电压通入直流伺服电动机 5， 直流伺服电动机就立即向一个方向旋转。 当手轮 7 向另一方向转动， 电压U1的相位就相反了， 因而使电压U2、 U3的极性相反， 这时可控硅VD和VD导通， 通入直流伺服电动机的信号电压极性也随之相反， 直流伺服电动机就立即向另一方向旋转。 这里直流伺服电动机将电信号变为转轴转动， 执行了电信

6、号所给予的控制任务， 所以常称为执行元件。 直流伺服电动机转动以后， 经过变速箱 4 带动天线 3 旋转， 同时也带动自整角接收机。 直流伺服电动机应该是朝着天线和发送机之间的转角差减小的方向旋转， 直到转角和转角相等。 这时U1、 U2、 U3都等于零， 伺服电动机才停止转动。 这样， 雷达天线的转角就能自动地跟随手轮而转动， 以达到手控天线的目的。 为了改善自动控制系统的品质， 在系统中还采用了校正元件直流测速发电机。 测速发电机的输出电压U4与它的转速n成正比， 并把它反馈到直流放大器中。整个控制系统的工作原理可以用图 1 - 2 这样的方框图来表示。 图上各个元件和实际线路对应如下：敏

7、感元件自整角发送机和接收机。转换元件放大器和解调器。放大元件直流放大器和可控硅控制线路。执行元件直流伺服电动机。校正元件直流测速发电机。控制对象雷达天线。图 1 - 2 雷达天线控制系统方框图 1.1.2 雷达天线控制系统的自动跟踪状态 当雷达手从显示器的荧光屏上看到雷达已经捕捉到飞机以后，立即把闸刀S合向位置，系统就工作在跟踪状态。 这时，雷达接收机收到从飞机反射回来的回波， 并把它转换成电信号直接输入到放大器去控制天线的旋转， 此时天线不需要手控而自动作跟踪飞机的运动。 上述控制系统中所用的自整角发送机、 自整角接收机、直流伺服电动机、直流测速发电机都属于电机类型，统称为控制电机。可以看出

8、，这些电机在自动控制系统中起到了很重要的作用， 是必不可少的元件。 自动控制系统和它所用到的控制电机的关系是整体和局部的关系， 是一对矛盾的两个对立面。 一方面控制电机的性能和作用要服从于整个系统对它的要求， 控制电机性能好坏要看它能不能满足系统的要求； 另一方面控制电机的性能又直接影响整个控制系统的性能， 控制电机的性能不好或者使用不恰当， 整个控制系统的性能就无法提高； 控制电机的革新又可以带来整个系统的革新。 既然自动控制系统和控制电机是整体和局部的关系， 因此， 从事自动控制系统工作的技术人员， 不但要了解控制系统的整体以及系统中各个元件的相互关系， 而且对系统中的各个元件和控制电机也

9、要熟悉， 只有这样， 才能恰当地选择和使用各种元件， 并有可能了解整个自动控制系统。1.2 控制电机的种类和特点 1.2.1 控制电机的种类 控制电机的种类很多， 除了自整角机、 直流伺服电动机和测速发电机外， 还有交流伺服电动机、 交流测速发电机、 旋转变压器、 无刷直流电动机、 步进电动机等。 根据它们在自动控制系统中的作用， 可以作如下的分类。 1. 执行元件(功率元件) 主要包括直流伺服电动机、 交流伺服电动机、 步进电动机和无刷直流电动机等。 这些电动机的任务是将电信号转换成轴上的角位移或角速度以及直线位移和线速度， 并带动控制对象运动。 理想的直流伺服电动机和交流伺服电动机的转速与

10、控制信号的关系如图 1-3 所示， 转速和控制电压的关系成正比关系， 而转速的方向由控制电压的极性来决定。 步进电动机的转速与脉冲电压的频率成正比， 如图 1 - 4 所示。图 1 - 3 伺服电动机的控制特性 图 1 - 4 步进电动机的控制特性 2. 测量元件(信号元件) 测量元件包括自整角机, 交、 直流测速发电机和旋转变压器等。 它们能够用来测量机械转角、 转角差和转速， 一般在自动控制系统中作为敏感元件和校正元件。 自整角机可以把发送机和接收机之间的转角差转换成与角差成正弦关系的电信号， 如图 1-5 所示。 测速发电机可以把转速转换成电信号，它的输出电压与转速成正比， 如图1-6所

11、示。 旋转变压器的输出电压与转子相对于定子的转角成正、 余弦或线性关系， 如图 1 - 7 所示。图 1 - 5 自整角机的控制特性 图 1 - 6 测速发电机的控制特性 图 1 - 7 旋转变压器的控制特性 1.2.2 控制电机的特点 人们在日常的工作和生活中也经常要用到电机， 例如电灯所用的电是由发电机发出的， 抽水机要用电动机来带动， 工厂里车床要用电动机才能旋转， 手电钻里装的也是电机。 这些电机与上面研究的控制电机有些什么不同呢? 从所举的例子中可以看出， 日常生活和工作中遇到的电机一般是作为动力来使用的， 它们的主要任务是能量转换， 发电机是把机械能转换成电能， 电动机是把电能转换

12、成机械能，它们的主要问题是提高能量转换的效率。 控制电机在自动控制系统中， 只起一个元件的作用， 其主要任务是完成控制信号的传递和转换， 而能量转换是次要的。 根据它们使用的场合及所完成任务的特点， 决定了对它们的主要要求是运行可靠、 动作迅速和准确度高。 众所周知， 自动控制系统由成百个、 成千个各种各样的元件所组成， 每个元件都按照系统对它的特定要求而工作。 因此， 每个元件工作的好坏， 直接影响到整个系统的工作。 为了使整个自动控制系统能够敏捷地、 准确地按照人们的要求而动作， 这就要求组成系统的每一个元件都要动作迅速、 准确和可靠。 同时， 控制电机的使用范围很广， 从地下、 水面、

13、海洋到高空、 太空以至原子能反应堆等地方都在使用， 而且工作环境条件常常十分复杂， 如高温、 低温、 盐雾、 潮湿、 冲击、 振动、 辐射等， 这就要求电机在各种恶劣的环境条件下仍能准确、 可靠地工作。 另外，很多使用场合(尤其在航空航天技术中使用)还要求控制电机体积小、重量轻、耗电少，所以我们常见到的控制电机很多都是体积很小的微电机。像电子手表中用的步进电动机，直径只有6 mm，长度为4 mm左右， 耗电仅几微瓦，重量只有十几克。1. 如何学习“控制电机”这门课程 控制电机的种类虽然很多， 可以列举出数十种来， 但是这些电机的基本原理都是建立在以下两个基本规律的基础上的： 一是电磁转化规律，

14、 就是在一定条件下电和磁可以相互转化； 二是电流在磁场中要受到力的作用。 因此在“控制电机”这门课程中， 我们选择了直流伺服电动机、 变压器和交流伺服电动机这三种最基本的电机作为典型， 比较深入地研究和分析其中的电磁关系和它们的基本原理及特性。 通过这三种电机的解剖和分析， 使大家对控制电机中普遍存在的电磁规律及其分析方法有所了解。 读者在学习时要抓主要矛盾， 以这三种电机作为重点进行学习。 首先应将这三种电机中的一些电磁关系搞清楚， 并掌握分析问题和解决问题的方法， 这样学习其它几种电机就不困难了。 即使在学习每一种电机时， 也要掌握重点。 每一种电机牵涉的问题也很多、 很广， 要集中精力掌

15、握一些基本规律和一些主要的理论， 对一些枝节问题可不必过于深究。 由于各种控制电机的原理都是建立在基本的电磁规律基础上的， 因而它们之间不是孤立的， 它们既有共性， 也有个性。 在以后学习中就会发现， 一种电机与另一种电机之间在电磁关系上、 在基本特性上有很多相同之处， 但它们各自又具有与众不同的特点。 因此， 在学习时也要用辩证法的观点来学， 将各种控制电机联系起来， 着重分析和掌握一些共同规律， 同时也要研究每个电机所具有的特殊性质。 为了便于理解， 本教材不是按控制电机的性质进行分类的， 而是把电磁关系比较接近的放在一起， 按照由浅入深、 循序渐进的原则安排章、 节次序。 对自动控制系统

16、专业的学生来说， 今后的工作中主要是使用控制电机， 所以通过本门课程主要是学习控制电机的特性和使用方法。 但同时我们还需要学习电机的基本原理， 因为对电机来说， 其使用时的条件只是外因， 电机之所以有各种特性的根本原因是在于电机本身的内部矛盾。 我们要通过学习电机的基本原理， 了解电机内部的基本矛盾， 这样才能正确而主动地掌握控制电机的使用方法。2.1 直流发电机工作原理和结构 2.2 直流电势的关系式 2.3 直流测速发电机及其输出特性 2.4 直流测速发电机误差及其减小的方法 2.5 直流测速发电机的应用 2.6 直流测速发电机的性能指标 2.7 直流测速发电机的发展趋势 思考题与习题 第

17、2章 直流测速发电机2.1 直流发电机工作原理和结构 2.1.1 工作原理 直流发电机的工作是基于电磁感应定律，即：运动导体切割磁力线， 在导体中产生切割电势； 或者说匝链线圈的磁通发生变化， 在线圈中发生感应电势。图 2 - 1 直流发电机原理图 为简明易懂， 用一个简单的两极电机模型来说明直流发电机的工作原理。图2-1(a)是该模型的示意图。 如图示， 在空间固定不动的磁极N , S之间， 有一个铁质圆柱体(电枢铁心)装在转轴上，磁极与铁心间的气隙称为空气隙。导体ab , cd固定在电枢铁心表面径向相对的位置并连成一个线圈(元件)。换向片之间、 换向片与转轴之间均相互绝缘， 这部分称为换向

18、器。 整个转动部分称为电枢， 固定不动的导电片A、 B(电刷)压在换向片上，为滑动接触。 磁极的中心线称为磁极轴线， N , S极之间的中心线称为几何中性线， 如图 2 - 1(b)。 在图 2 - 1中， 磁极产生的磁通由N极出发经过电枢铁心进入S极。 用原动机拖动电枢以转速n逆时针方向旋转， 则导体ab, cd切割磁力线而产生电势。 根据右手定则， 在图示瞬时， N极下导体ab中电势的方向由b指向a, S极下导体cd中电势由d指向c。 在图 2 - 1(b)中分别用、 表示。 线圈两个有效边中的电势大小相等方向相反， 因此， 整个线圈电势是两个有效边电势之和， 即为一个有效边电势的两倍，

19、电势方向是由d指向a, 故a为正， d为负。 电刷A通过换向片与线圈的a端相接触， 电刷B与线圈的d端相接触， 故此时A电刷为正， B电刷为负， 电刷两端电势E BA=eda=e dc+e ba。 当电枢转过180以后， 导体cd处于N极下， 导体ab处于S极下， 这时它们的电势与前一时刻大小相等方向相反， 于是线圈电势的方向也变为由a到d, 此时d为正， a为负， 而两电刷间电势E BA=e ad=e ab+e cd， 仍然是A刷为正， B刷为负。 电枢连续旋转， 导体ab和cd轮流交替地切割N极和S极下的磁力线， 因而ab和cd中的电势及线圈电势是交变的。 在两极情况下， 线圈每转一圈，

20、电势交变一次。 但是， 电刷电势的极性始终不变。 这是由于通过换向器的作用， 无论线圈转到什么位置， 电刷通过换向片只与处于一定极性下的导体相连接， 如电刷A始终与处在N极下的导体相连接， 而处在一定极性下的导体电势方向是不变的， 因而电刷两端得到的电势极性不变。 这就是直流发电机的最基本工作原理。 2.1.2 直流电势的形成 前面的讨论， 只是得出了电刷电势极性不变的结论， 但其大小是否随时间变化， 还需进一步分析。 根据法拉第电磁感应定律， 导体切割磁通产生的电势为 ei=Bxlv (2 - 1) 图 2 - 2 磁场分布和电刷电势 式中， Bx为导体所处位置的气隙磁通密度； l为导体有效

21、长度(即电枢铁心的长度)； v为导体切割磁场的线速度(即电枢圆周速度)。 对已制成的电机，l为定值， 若电枢转速n恒定，则v亦为常值，所以eiBx。 实际上， 在整个磁极下，气隙磁通密度沿电枢圆周不是均匀分布， 而是按图 2 - 2(a)所示规律分布的。 导体处于不同位置， 产生的电势大小不同， 其随时间变化的规律与Bx相同。 经换向器换向后， 电刷间电势虽然方向不变， 但却有很大的脉动， 如图 2 - 2(b)所示。 显然， 这样的电势不是直流电势， 暂且称其为脉动电势。为减小电势的脉动程度， 实际电机中不是只有一个线圈(元件)， 而是由很多元件组成电枢绕组。 这些元件均匀分布在电枢表面，

22、并按一定的规律连接。 图 2 - 3 是一个实际电机的模型， 电枢铁心表面有齿有槽， 槽中安放元件， 元件形状如图 2 - 4 所示。 匝数等于 1 的元件称为单匝元件， 匝数大于 1 的称为多匝元件。 直流测速发电机一般都采用多匝元件。 放在槽中的元件边为有效边， 连接有效边的导线称为端部连线。 元件的两个有效边分别安放在电枢圆周两个相对的槽中， 且一个有效边放在槽的上层(靠近槽口)， 另一个有效边放在槽的下层(靠近槽底)， 并用上层边所在的槽号表示元件号。 图 2 - 3 实际电机模型 图 2 - 4 电枢元件 图 2 - 5 等值电路 图 2 - 6 描绘了电刷A、 B之间输出电势随时间

23、变化的曲线。 图中曲线 1 和 2表示相邻两个元件的电势， 因为元件空间位置夹角90， 则元件电势时间相位差90。 电刷电势是支路中两个元件电势曲线之合成， 即曲线 3。 与图 2 - 2(b)比较可见， 此时输出电势平均值变大， 脉冲相对来说变小。 可以推论， 如果电枢表面槽数增多， 元件数增多， 则电刷间串联的元件数增多， 输出电势的平均值将更大， 脉动更小， 就得到大小和方向都不变的直流电势。图 2 - 6 电刷输出电势 图 2 - 7 直流电机示意图 2.1.3 直流电机基本结构 各种型号直流电机的基本结构都是一样的， 这里简述小型直流电机结构的主要部分。 直流电机总体结构可以分成两大

24、部分： 静止部分(称为定子)和旋转部分(称为转子)。 定子和转子之间存在间隙(称为空气隙)。 定子由定子铁心、 励磁绕组、 机壳、 端盖和电刷装置等组成。 转子由电枢铁心、 电枢绕组、 换向器、 轴等组成。 一般小型电机的轴是通过轴承支撑在端盖上的。 直流电机的基本结构示意图如图 2 - 8 所示。图 2 - 8 直流电机结构简图 电机主要零部件的基本结构和作用如下： 1. 定子铁心和励磁绕组 小容量直流电机的定子铁心往往将磁极和磁轭连成一体， 用厚为 0.350.5 mm的电工钢片的冲片叠压而成。 铁心外处的机壳由铝合金浇铸而成， 如图 2 - 9 所示。为了使主磁通在空气隙中的分布更为合理

25、， 磁极的极掌(或称极靴)较极身为宽， 这样也可使励磁绕组牢固地套在磁极铁心上。 励磁绕组由铜线绕制而成， 包上绝缘材料以后套在磁极上(见图 2 - 9)。 当励磁绕组通以直流电时， 就产生磁通， 形成N、 S极。 直流电机可以做成多对极， 但控制用的直流电机一般做成一对极。上述的励磁方式称为电磁式。 此外， 定子磁极还可以用永久磁钢做成， 称为永磁式。图 2 - 9 定子结构简图图 2 - 10 电枢铁心冲片 2. 电枢铁心和电枢绕组 电枢铁心用厚为 0.350.5 mm的电工钢片的冲片叠压而成， 冲片形状如图2-10 所示。 铁心上的槽是安放绕组的， 电枢铁心又作为主磁通磁路的组成部分。

26、由于转子在旋转， 所以电枢铁心也切割磁通。 为了减少铁心中的涡流损耗， 铁心冲片要涂绝缘漆， 作为片间绝缘。 电枢绕组的组成方法是： 将绝缘铜导线预先制成元件， 并嵌在槽内， 然后将元件的两个端头， 按照一定的规律接到换向器上， 如图 2 - 11 所示。 3. 换向器和电刷 换向器是由许多换向片(铜片)叠装而成的。 换向片之间用塑料或云母绝缘， 各换向片和元件相连。常用的换向器有金属套筒式换向器与塑料换向器。图 2 - 12 是塑料换向器的剖面图。图 2 - 11 电枢铁心和绕组 图 2 - 12 塑料换向器剖面图 电刷放在电刷座中， 用弹簧将它压在换向器上， 使之和换向器有良好的滑动接触(

27、见图 2 - 8)。 在直流电机中， 电刷和换向器的作用是将电枢绕组中的交变电势转换成电刷间的直流电势。 2.2 直流电势的关系式 在讨论直流发电机工作原理时曾经指出， 当电刷A、 B通过换向片与几何中心线上的导体相连接时， 电刷A、 B就把处于一个磁极下元件的电势串联起来， 因此电刷间的电势应该等于正负电刷所连接的导体的电势之和， 即(2 - 2) 式中， ei为每一导体的感应电势； s为一对电刷间的串联导体数。由式(2 - 1)可知， 电枢导体感应电势值除了与导体在磁场中的长度l, 导体切割磁通的线速度v有关外， 还与导体所在点的磁通密度有关。 为此要研究磁极下各点磁通密度的分布。 图2-

28、13表示一对磁极时励磁磁通所经过的路径。 当励磁电流流过励磁绕组时， 磁通便由N极出来， 经过空气隙及电枢， 进入S极， 然后分别从两边的磁轭回到N极， 形成闭合回路。 在直流电机中， 磁极和电枢之间的气隙是不均匀的， 在极中心部分最小， 在极尖处较大， 因此， 电枢表面各点的磁通密度也不同。 在极中心下面磁通密度最大， 靠近极尖处逐渐减小， 在极靴范围以外则减小很快， 在几何中心线上则等于零。 若不考虑电枢表面齿槽的影响， 在一个磁极下面， 电枢表面各点磁通密度的分布情况如图 2 - 14 所示。图 2 - 13 直流电机磁路 图 2 - 14 气隙中磁通密度分布图 现在来研究导体的电势。

29、对于已制成的电机， l 为常数， 当速度v一定时， 导体的感应电势ei便正比于该导体所在处的磁通密度Bx， 即eiBx。 因此图 2 - 14也可以看成是当导体连续分布在电枢表面时， 在一个磁极下电枢导体感应电势的分布曲线。 由于电枢表面不同位置上的导体的感应电势ei 不同， 不妨取一个磁极下气隙磁通密度的平均值为Bp， 一个磁极下所有导体的平均电势为ep， 这样， 电刷间的电势Ea便等于一个磁极下导体的平均电势乘上一对电刷所串联的导体数s, 即 Ea=sep (2 - 3) 而其中 ep=Bplv (2 - 4) 因此 Ea=sBplv (2 - 5) 实际工作中， 使用转速n和每极总磁通比

30、用电枢表面圆周速度v和平均磁通密度Bp来得方便， 故把v, Bp转化成n、 。Bp等于一个磁极的总磁通除以磁极的面积， 即(2 - 6) 式中， 为每极总磁通， 单位为韦伯(Wb); 为极距， =电枢圆周长/极数， 单位为米(m); l为电枢铁心长，单位为米(m)。电枢表面圆周速度(2 - 7) 式中，D为电枢直径，单位为米(m)；n为电枢转速， 单位为转/分(r/min)。 这样式(2 - 4)便可写成由于D/=2p(p为电机的极对数)， 所以上式变成 (2 - 8) 把式(2 - 8)代入式(2 - 3)便得电刷间的总电势(2 - 9) 因为一对电刷所串联的导体数s应等于电刷间每条并联支路

31、中的导体数， 所以s值等于电枢绕组总导体数N除以电刷间的并联支路数2a(a为支路对数。 在图 2 - 3 中支路对数为 1， 支路数为 2)， 即s=N/(2a)。 支路数2a与绕组的具体结构有关， 这里不作深究。 这样式(2 - 9)便可写成 或者写作Ea=Cen (2 - 10) 式中， Ce=pN/(60a)， 是一个常数， 其值由电机本身的结构参数决定。 式(2 - 10)中, Ea的单位为V; 的单位为Wb; n的单位为r/min。 式(2 - 10)是直流电机中非常重要的关系式， 希望读者牢记此式， 并能熟练应用。 当每极磁通一定时， Ea=Ken (2 - 11) 式中， Ke=

32、Ce， 称为电势系数。 2.3 直流测速发电机及其输出特性 2.3.1 直流测速发电机的型式 按照励磁方式划分， 直流测速发电机有两种型式。 1. 永磁式 永磁式直流测速发电机的定子磁极由永久磁钢做成， 没有励磁绕组， 以图 2 - 15 所示的符号表示。 2. 电磁式 电磁式直流测速发电机的定子励磁绕组由外部电源供电， 通电时产生磁场，以图 2 - 16 所示的符号表示。图 2 - 15 永磁式直流测速发电机 图 2 - 16 电磁式直流测速发电机 2.3.2 自动控制系统对直流测速发电机的要求 自动控制系统对其元件的要求， 主要是精确度高、 灵敏度高、 可靠性好等。 据此， 直流测速发电机

33、在电气性能方面应满足以下几项要求：图 2 - 17 测速发电机的理想输出特性 (1) 输出电压与转速的关系曲线(称为输出特性)应为线性， 如图 2 - 17 所示； (2) 输出特性的斜率要大； (3) 温度变化对输出特性的影响要小； (4) 输出电压的纹波要小，即要求在一定的转速下输出电压要稳定， 波动要小； (5) 正、 反转两个方向的输出特性要一致。2.3.3 输出特性在2.2节中已经推导了直流电势公式: Ea=Cen当每极总磁通为常数时， 则 Ean 即输出电势与转速成正比。 测速发电机电刷两端接上负载电阻RL后， RL两端的电压才是输出电压。 由图 2 - 18 可知， 负载时测速发

34、电机的输出电压等于感应电势减去它的内阻压降， 即 Ua=Ea-IaRa (2 - 12) 此式称为直流发电机电压平衡方程式。 式中， Ra为电枢回路的总电阻， 它包括电枢绕组的电阻、 电刷和换向器之间的接触电阻； Ia为电枢总电流， 且有 (2 - 13) 将式(2 - 13)代入式(2 - 12)得 经化简后为 (2 - 14) 式(2 - 14)是负载时输出电压与转速的关系。 如果式中、 Ra和RL都能保持为常数， 则Ua与n之间仍呈线性关系， 只不过是随着负载电阻的减小， 输出特性的斜率变小而已， 如图 2 - 19 所示。 但该图是理想情况下， 即、 Ra不变， RL为一定时的输出特性

35、。 实际上， 测速发电机的输出特性Ua=f(n)不是严格地呈线性特性， 实际特性与要求的线性特性间存在误差。 下一节将分析引起误差的原因和减小误差的方法。图 2 - 18 直流测速发电机接上负载 图 2 - 19 不同负载电阻时的理想输出特性 2.4 直流测速发电机的误差及其减小的方法 2.4.1 温度影响 得出Ua=f(n)为线性关系的条件之一是励磁磁通为常数。 实际上， 电机周围环境温度的变化以及电机本身发热(由电机各种损耗引起)都会引起电机绕组电阻的变化。 当温度升高时， 励磁绕组电阻增大， 励磁电流减小， 磁通也随之减小， 输出电压就降低。 反之， 当温度下降时， 输出电压便升高。 对

36、于温度变化所引起的误差要求比较严格的场合， 可在励磁回路中串联负温度系数的热敏电阻并联网络，如图 2-20 所示。选择并联网络参数的方法是： 作出励磁绕组电阻随温度变化的曲线(图 2 - 21中曲线 1)， 再作并联网络电阻随温度变化的曲线(图 2 - 21中曲线 2)； 前者温度系数为正， 后者温度系数为负。 只要使得这两条曲线的斜率相等， 励磁回路的总电阻就不会随温度而变化(图 2 - 21 中曲线 3)， 因而励磁电流及励磁磁通也就不会随温度而变化。图 2 - 20 励磁回路中的热敏电阻并联网络 图 2 - 21 电阻随温度变化的曲线 2.4.2 电枢反应影响 电机空载时， 只有励磁绕组

37、产生的主磁场。 电机负载时， 电枢绕组中流过电流也要产生磁场， 称为电枢磁场。 所以， 负载运行时， 电机中的磁场是主磁场和电枢磁场的合成。 图 2 - 22(a)是定子励磁绕组产生的主磁场， 图 2 - 22(b)是电枢绕组产生的电枢磁场， 图 2 - 22(c)是主磁场和电枢磁场的合成磁场。图 2 - 22 直流电机磁场 主磁场的分布在第 2.2 节已作了分析， 在此主要研究电枢电流单独产生的电枢磁场。 因为电枢导体的电流方向总是以电刷为其分界线， 即电刷两侧导体中的电流大小相等， 方向相反。 不论转子转到哪个位置， 电枢导体电流在空间的分布情况始终不变。 因此， 电枢电流所产生的磁场在空

38、间的分布情况也不变， 即电枢磁场在空间是固定不动的恒定磁场。 其磁力线的分布可以根据右手螺旋定则作出，如图2 - 22(b)。 由于电刷位于几何中性线上，所以电枢磁场在电刷轴线两侧是对称的，电刷轴线就是电枢磁场的轴线。 由图 2 - 22(b)可以看出， 电枢磁场也是一个两极磁场， 主磁极轴线的左侧相当于该磁场的N极， 右侧相当于S极。 另外， 在每个主磁极下面， 电枢磁场的磁通在半个极下由电枢指向磁极， 在另外半个极下则由磁极指向电枢， 即半个极下电枢磁通和主磁通同向， 另外半个极下电枢磁通和主磁通反向， 因此合成磁场的磁通密度在半个极下是加强了， 在另外半个极下是削弱了， 如图 2 - 2

39、2(c)所示。 由于电枢磁场的存在， 气隙中的磁场发生畸变， 这种现象称为电枢反应。 如果电机的磁路不饱和(即磁路为线性)， 磁场的合成就可以应用叠加原理。 例如， N极右半个极下的合成磁通等于 1/2 主磁通与 1/2 电枢磁通之和， 左半个极下的合成磁通等于 1/2 主磁通与 1/2 电枢磁通之差。 因此， N极左半个极的削弱和右半个极的加强相互抵消， 整个极的磁通保持不变， 仅仅磁场的分布发生了变化。图 2 - 23 直流测速发电机输出特性(图中R L1R L2) 2.4.3 延迟换向去磁 直流电机中， 电枢绕组元件的电流方向以电刷为其分界线。 电机旋转， 当电枢绕组元件从一条支路经过电

40、刷进入另一条支路时， 其中电流反向， 由+ia变成-ia。 但是， 在元件经过电刷而被电刷短路的过程中， 它的电流既不是+ia也不是-ia， 而是处于由+ia变到-ia的过渡过程。 这个过程叫元件的换向过程。 正在进行换向的元件叫换向元件。 换向元件从开始换向到换向终了所经历的时间为换向周期。 参看图 2 - 24。 从图 2 - 24(a)到图 2 - 24(c)， 元件 1 从等值电路的左边支路换接到右边支路， 其中电流从一个方向(+ia)变为另一个方向(-ia); 而在图 2 - 24(b)所示时刻， 元件 1 被电刷短路， 正处于换向过程， 其中电流为ik。 1 号元件为换向元件。 从

41、图 2 - 24(a)到图2 - 24(c)所经历的时间为一个换向周期。图 2 - 24 元件的换向过程 在理想换向情况下， 当换向元件的两个有效边处于几何中性线位置时， 其电流应该为零。但实际上在直流测速发电机中并非如此。 虽然此时元件中切割主磁通产生的电势为零， 但仍然有电势存在， 使电流过零时刻延迟， 出现所谓的延迟换向。 分析如下：由于元件本身有电感， 因此在换向过程中当电流变化时， 换向元件中要产生自感电势: 式中， L为换向元件的电感； i 为换向元件的电流。 根据楞次定律， eL的方向将力图阻止换向元件中的电流改变方向， 即力图维持换向元件换向前的电流方向， 所以eL的方向应与换

42、向前的电流方向相同， 是阻碍换向的。 同时， 换向元件在经过几何中性线位置时， 由于切割电枢磁场而产生切割电势ea, 根据右手定则可以确定, ea所产生的电流的方向也与换向前的电流方向相同， 也是阻碍换向的。 因此， 换向元件中有总电势ek=eL+ea。 显然， 由于总电势ek的阻碍作用而使换向过程延迟， 即换向元件中的电流由+ia变为-ia的时间延迟了。 换向元件被电刷短路， 于是总电势ek在换向元件中产生附加电流ik, ik方向与ek方向一致。 由ik产生磁通k， 其方向与主磁通方向相反， 如图 2-25 所示， 对主磁通有去磁作用。 这样的去磁作用叫延迟换向去磁。 图 2 - 25 换向

43、元件中的电势 图 2 - 26 延迟换向对输出特性的影响 如果不考虑磁通变化， 则直流测速发电机电势与转速成正比， 当负载电阻一定时， 电枢电流及绕组元件电流也与转速成正比； 另外， 换向周期与转速成反比， 电机转速越高， 元件的换向周期越短； eL正比于单位时间内换向元件电流的变化量。 基于上述分析， e必正比转速的平方， 即eLn2。 同样可以证明ean2。 因此， 换向元件的附加电流及延迟换向去磁磁通与n2成正比， 使输出特性呈现图 2 - 26 所示的形状。 所以， 直流测速发电机的转速上限要受到延迟换向去磁效应的限制。 2.4.4 纹波 根据Ea=Cen, 当、 n为定值时， 电刷两

44、端应输出不随时间变化的稳定的直流电势。 然而， 实际的电机并非如此， 其输出电势总是带有微弱的脉动， 通常把这种脉动称为纹波。 纹波主要是由于电机本身的固有结构及加工误差所引起的。 在第一节中我们已经看到， 由于电枢槽数及电枢元件数有限， 在输出电势中将引起脉动。 当然， 增加每条支路中的串联元件数可以减小纹波。 但是由于工艺所限， 电机槽数、 元件数及换向片数不可能无限增加， 因此产生纹波是不可避免的。 同时， 由于电枢铁心有齿有槽， 以及电枢铁心的椭圆度、 偏心等等， 也会使输出电势中纹波幅值上升。 纹波电压的存在对于测速机用于阻尼或速度控制都很不利， 实用的测速机在结构和设计上都采取了一

45、定的措施来减小纹波幅值。 例如， 无槽电枢直流电机可以大大减小因齿槽效应而引起的输出电压纹波幅值， 与有槽电枢相比， 输出电压纹波幅值可以减小五倍以上。 2.4.5 电刷接触压降 Ua=f(n)为线性关系的另一个条件是电枢回路总电阻Ra为恒值。 实际上， Ra中包含的电刷与换向器的接触电阻不是一个常数。 为了考虑此种情况对输出特性的影响 ， 我们把电压方程式Ua=Ea-IaRa改写为Ua=Ea-IaRw-Ub。 其中Rw为电枢绕组电阻； Ub为电刷接触压降。 这样， 式(2 - 14)也可改写为(2 - 15) 电刷接触压降Ub与下述因素有密切关系: 电刷和换向器的材料； 电刷的电流密度； 电

46、流的方向； 电刷单位面积上的压力； 接触表面的温度； 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， 等等。 换向器圆周线速度对Ub影响较小， 在小于允许的最大转速范围内， 可认为速度不会引起Ub的变化。 但是随着转速的升高， 电枢电流Ia增大， 电刷电流密度增加。 当电刷电流密度较小时， 随着电流密度的增加， Ub也相应地增大。 当电流密度达到一定数值后， Ub几乎等于常数。 一般情况下， 电流自换向器流向电刷时电刷压降较大， 因此， 通常直流机的接触压降Ub是指正负电刷下的总压降。 图 2 - 27 考虑电刷接触压降后的输出特性 根据式(2 - 15)以及上述Ub和电流密度的关

47、系， 就可以得出考虑电刷接触压降后直流测速发电机的输出特性， 如图 2 - 27 所示。 由图 2 - 27 可见， 在转速较低时， 输出特性上有一段斜率显著下降的区域。 此区域内， 测速机虽有输入信号(转速)， 但输出电压很小， 对转速的反应很不灵敏， 所以此区域叫不灵敏区。 为了减小电刷接触压降的影响， 缩小不灵敏区， 在直流测速发电机中， 常常采用接触压降较小的银石墨电刷。 在高精度的直流测速发电机中还采用铜电刷， 并在它与换向器接触的表面上镀上银层， 使换向器不易磨损。 如上所述， 电刷和换向器的接触情况还与化学、 机械等因素有关， 它们引起电刷与换向器滑动接触的不稳定性， 以致使电枢

48、电流含有高频尖脉冲。 为了减少这种无线电频率的噪声对邻近设备和通讯电缆的干扰， 常常在测速机的输出端连接滤波电路。 2.5 直流测速发电机的应用 测速发电机在自动控制系统中作为测量或自动调节电动机转速之用； 在随动系统中用来产生电压信号以提高系统的稳定性和精度； 在计算解答装置中作为微分和积分元件。 它还可以测量各种机械在有限范围内的摆动或非常缓慢的转速， 并可代替测速计直接测量转速。 测速发电机有交、 直流两大类。 由于直流测速机有电刷、 换向器接触装置， 使它的可靠性变差， 精度也受到影响， 因此在系统中使用交流异步测速机较为广泛(将在第8章详述)。 但是， 与交流异步测速机相比， 直流测

49、速机具有输出电压斜率大， 没有剩余电压(即转速为零时没有输出电压)， 没有相位误差(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， 所以在自动控制系统中的应用还是很广泛的。 下面举例说明它在两个方面的用途。 2.5.1 作为系统的阻尼元件 在图 1 - 1 所示的雷达天线自动控制系统中， 直流伺服电动机的输出轴上耦合一台直流测速发电机。 它输出一个与转速成正比的直流电压 ，并负反馈到放大器的输入端， 所以放大器的输入电压为 测速发电机在该系统中所起的阻尼作用可以简要地解释如下： 假定暂不接测速发电机， 并且当时， 直流伺服电动机在正比于k1(-)的信号电压作用下转动， 使角增加，-

50、值减小。当=时， 虽然误差信号电压k1(-)=0， 但是由于电动机及负载具有转动惯量， 电动机在-=0 的位置时其转速并不为零，而继续向角增加的方向转动，使。此时，由于，误差信号电压极性变反。在此电压的作用下， 电动机由正转变为反转。 样， 由于电动机及其负载的惯性， 反转又冲过了头， 这样系统就会产生振荡。 如果接上测速发电机， 则当=时， 由于 ， 故信号电压为 ，此电压与原来的(指时)误差信号电压极性相反， 因此伺服电动机在=时就得到与d/dt成正比、 极性与原来的信号电压相反的电压， 此电压使电动机制动(关于电动机加反向电压制动将在 3.7 节中叙述)， 因而电动机就很快地停留在=的位

51、置。 可见， 由于系统中加入了测速发电机， 就使得由电动机及其负载惯量所造成的振荡得到了阻尼， 从而改善了系统的动态性能。 2.5.2 对旋转机械作恒速控制 图2-28为恒速控制系统的原理图。 负载是一个旋转机械。 当直流伺服电动机的负载阻力矩变化时， 电动机的转速也随之改变。为了使旋转机械在给定电压不变时保持恒速，在电动机的输出轴上耦合一测速发电机，并将其输出电压与给定电压相减后加入放大器， 经放大后供给直流伺服电动机。 当负载阻力矩由于某种偶然的因素减小， 电动机的转速便上升， 此时测速发电机的输出电压增大， 给定电压与输出电压的差值变小， 经放大后加到直流电动机的电压减小， 电动机减速；

52、 反之， 若负载阻力矩偶然变大， 则电动机转速下降， 测速机输出电压减小， 给定电压和输出电压的差值变大， 经放大后加给电动机的电压变大， 电动机加速。 这样， 尽管负载阻力矩发生扰动， 但由于该系统的调节作用， 使旋转机械的转速变化很小， 近似于恒速。 给定电压取自恒压电源， 改变给定电压便能达到所希望的转速。图 2 - 28 恒速控制系统原理图 2.6 直流测速发电机的性能指标 直流测速发电机的主要性能指标列在表 2 - 1 中。 表 2 - 1 直流测速发电机主要性能指标 2.7 直流测速发电机的发展趋势 2.7.1 发展高灵敏度测速发电机 近年来国外较重视发展永磁式高灵敏度直流测速发电

53、机。 这种电机直径大， 轴向尺寸小，电枢元件数多， 刷间的串联导体数多， 因而输出电压斜率大， 其灵敏度比普通测速机高1 000 倍。 这种电机的换向器是用塑料或绝缘材料制成薄板基体， 并在板面上印制换向片而构成的， 因此换向片数很多； 并且换向器固定在转轴的端面上， 故称为印制电路端面换向器。 由于这种电机的电枢元件数及换向片数比普通直流机多得多， 因而纹波电压可以大大降低。 例如美国Inland公司直径为 250 mm的产品， 其速比范围为 13 000, 最低转速可低于 1 转每天， 纹波系数小于 0.1%， 线性误差低于 0.1%， 灵敏度(即电压斜率)为 10 V/(r/min)，

54、每天 1 转时的输出信号电压约 7 mV。 国内已有高灵敏度测速发电机系列产品， 其技术数据见表 2 - 2。 表 2 - 2 CYD系列直流高灵敏度测速发电机 2.7.2 改进电刷与换向器的接触装置， 发展无刷直流测速发电机 直流测速发电机由于存在电刷和换向器， 因而带来一系列缺点： (1) 电刷和换向器的存在使电机结构比较复杂， 维护比较困难， 可靠性较差， 并使应用环境受到限制。 例如在高空、 高真空中换向困难， 在高温环境中容易起火等。 (2) 电刷与换向器的摩擦所引起的摩擦转矩， 增加了伺服电动机的粘滞转矩。 (3) 电刷与换向器的间断接触引起射频噪音。 (4) 电刷与换向器接触压降

55、的变化， 引起输出电压不稳定， 等等。 目前， 有关人员正努力从换向器、 电刷的接触结构和工艺方面采取措施， 以减轻上述各种弊病， 提高测速机的性能指标及可靠性。 例如在高灵敏度测速机中所采用的电刷是经过特殊处理的， 因而能在高真空中运行。 在该机中还采用窄电刷、 印刷电路端面换向器， 使接触面积和接触半径减小， 因而降低了摩擦转矩。 为了提高军事装备的可靠性， 特别是为了满足宇宙飞船和导弹系统等尖端技术对元件可靠性的严格要求， 各国除了在现有结构的基础上提高接触部分的可靠性外， 还大力开展对无刷测速发电机的研制， 其中包括霍尔测速发电机， 两极管式测速发电机等， 其工作原理可参阅其它有关资料

56、。 直流测速发电机由于存在电刷和换向器的接触结构， 使其发展前途受到了限制。 近年来无刷测速发电机的发展， 使之能从根本上取消接触结构， 改善了电机的性能， 提高了运行的可靠性， 为直流测速机注入了新的活力。 2.7.3 发展永磁式无槽电枢、 杯形电枢、 印制绕组电枢测速发电机 这种电机的结构与 3.10 节中所述的低惯量电动机相同。 它们不仅转动惯量小， 而且线性度好， 纹波电压小， 因此也是直流测速发电机的发展方向之一。思考题与习题 1. 为什么直流发电机电枢绕组元件的电势是交变电势而电刷电势是直流电势? 2. 如果图 2 - 1 中的电枢反时针方向旋转， 试问元件电势的方向和A、 B电刷

57、的极性如何? 3. 为了获得最大的直流电势， 电刷应放在什么位置? 为什么端部对称的鼓形绕组(见图 2 - 3)的电刷放在磁极轴线上? 4. 为什么直流测速机的转速不得超过规定的最高转速? 负载电阻不能小于给定值? 5. 如果电刷通过换向器所连接的导体不在几何中性线上， 而在偏离几何中性线角的直线上，如图 2 - 29 所示， 试综合应用所学的知识， 分析在此情况下对测速机正、 反转的输出特性的影响。(提示： 在图中作一辅助线。) 6. 具有 16 个槽， 16 个换向片的两极直流发电机结构如图 2 - 30 所示。 (1) 试画出其绕组的完整连接图； (2) 试画出图示时刻绕组的等值电路图；

58、 (3) 若电枢沿顺时针方向旋转， 试在上两图中标出感应电势方向和电刷极性； (4) 如果电刷不是位于磁极轴线上，例如顺时针方向移动一个换向片的距离， 会出现什么问题?图 2 - 29 图 2 - 30 结构简图 3.1 直流电动机的工作原理 3.2 电磁转矩和转矩平衡方程式 3.3 直流电动机的反电势和电压平衡方程式 3.4 直流电动机的使用 3.5 直流发电机与直流电动机的异同性 3.6 直流伺服电动机及其控制方法 3.7 直流伺服电动机的稳态特性3.8 直流伺服电动机在过渡过程中的工作状态3.9 直流伺服电动机的过渡过程 3.10 直流力矩电动机3.11 低惯量直流伺服电动机思考题与习题

59、第3章 直流伺服电动机 直流电动机的基本结构和直流测速发电机相同， 所不同的是电动机的输入为电压信号， 输出为转速信号。 下面分析直流电动机的工作原理。 为简明起见，仍采用具有4个槽的两极电机模型, 如图2-3。在A、B两电刷间加直流电压时，电流便从B刷流入，A刷流出。N极下导体中的电流流出纸面， 用表示；S极下导体中的电流流入纸面， 用 表示， 见图 3 - 1。3.1 直流电动机的工作原理图 3 - 1 直流电动机工作原理图 根据电磁学基本知识可知， 载流导体在磁场中要受到电磁力的作用。 如果导体在磁场中的长度为l, 其中流过的电流为i， 导体所在处的磁通密度为B， 那末导体受到的电磁力的

60、值为 F=Bli (3 - 1) 式中， F的单位为牛顿(N)； B的单位为韦伯/米2(Wb/m2); l的单位为米(m); i的单位为安培(A)； 力F的方向用左手定则来确定。 据此，作出图3-1中N、S极下各根导体所受电磁力的方向， 如图中箭头所示。 电磁力对转轴形成顺时针方向的转矩， 驱动转子而使其旋转。由于每个磁极下元件中电流方向不变， 故此转矩方向恒定， 称为直流电动机的电磁转矩。 如果电机轴上带有负载， 它便输出机械能，可见直流电动机是一种将电能转换成机械能的电气装置。 我们用同一个模型，既分析了直流发电机的工作原理， 又分析了直流电动机的工作原理。 可见直流电机是可逆的， 它根据