电机拖动-第9章控制电机

大连理工大学电气工程系第

9

章控制电机9.2直流力矩电动机9.3步进电动机9.4测速发电机9.5自整角机9.6旋转变压器*9.7感应同步器9.1伺服电动机第

9

章控制电机9.2直流力矩电动机9.3步进电动机9.4测速发电机9.5自整角机9.6旋转变压器*9.7感应同步器9.1伺服电动机电机与拖动返回主页大连理工大学电气工程系9.1伺服电动机

伺服电动机——执行电动机。

功能将电压信号转换成转角或转速信号。

种类直流伺服电动机、交流伺服电动机。1.直流伺服电动机2.交流伺服电动机第9章控制电机大连理工大学电气工程系一、直流伺服电动机1.基本结构与普通小型直流电动机相同。

励磁方式电磁式：永磁式：+Ua－电磁式9.1伺服电动机If+Uf－

他励式、并励式、串励式。稀土永磁材料+Ua－永磁式（如稀土钴、稀土钕铁硼）。SMIaEESMIa大连理工大学电气工程系2.工作原理施加Ua→Ia主磁通：ΦT→n→E电磁转矩：

T

=CTΦ

Ia

电动势：

E

=CEΦ

n电枢电路电压方程：

Ua

=E+Ra

Ian=UaCEΦ－RaCECTΦ2T9.1伺服电动机大连理工大学电气工程系3.控制方式及其特性(1)电枢控制式

Uf

=UfN，Ua

=Uc（控制电压）n=UcCEΦN－RaCECTΦN2TOTn

Uc3

Uc2Uc1Uc3＞Uc2＞Uc1机械特性9.1伺服电动机T1

T2

T3T3＞T2＞T1控制特性OUcn大连理工大学电气工程系(2)磁场控制式Ua

=UaN，

Uf

=Uc（控制电压）忽略磁路饱和、不计电枢反应，则

Φ=CΦ

Uf=CΦ

Ucn=UaNCECΦUc

－RaCECT

CΦ2Uc2T

Uc3Uc2Uc1Uc3＞Uc2＞Uc1机械特性

控制特性非线性。直流伺服电动机的功率

1~600W。9.1伺服电动机OTn大连理工大学电气工程系1.基本结构(1)定子(2)转子二、交流伺服电动机空心杯形转子交流伺服电动机的结构示意图9.1伺服电动机转子内定子外定子绕组转轴大连理工大学电气工程系(1)当两相绕组分别加上相位相差90o的额定电压时。

对称两相运行→

ic

和if产生圆形旋转磁场→产生T→转子旋转。如果uc

反相，即改变ic

和if

的相序→旋转磁场改变方向→n的方向改变。同时减小uc

和uf

而保持其

90o的相位差→圆形磁通势的幅值→

T→n

。2.工作原理SM~

控制绕组

励磁绕组＋Uc－＋Uf

－9.1伺服电动机cfIcIf大连理工大学电气工程系(2)

当uc=0或uc≠0，但uc和uf同相位时。电动机处在单相状态→脉振磁通势F0

。静止时：n=0，F0FFFR→TF→TRT=TF－TRTF

=TR，T

=0，不能起动；正在运行时：T≠0，转子继续旋转——单相自转！TOnn=f(TF)n=f(TR)n=f(T)普通异步电动机nTOR2

n=f(TF)n=f(TR)n=f(T)交流伺服电动机9.1伺服电动机大连理工大学电气工程系(3)Uf=UN，Uc＜UN且保持相位差为90o时，或者Uf=Uc=UN但两者的相位差小于90o时。

电动机处在不对称运行状态，将产生一个椭圆形旋转磁通势。9.1伺服电动机SM~＋Uc－＋Uf

－cfFcFfIcIf

椭圆形旋转磁通势的产生

椭圆形旋转磁通势的分解大连理工大学电气工程系

椭圆形旋转磁通势的产生(uc

和uf

大小不相等时)OFωtFfFfmFcmFcF=Fc45oFcFfF90oF=Ff135oFcFfF180oF=Fc225oFcFfF270oF=Ff315oFcFfF360oF=Fc9.1伺服电动机大连理工大学电气工程系OFωtFfFfmFcmFc45o90o135o180o225o270o315o360o9.1伺服电动机

椭圆形旋转磁通势的产生(uc

和uf

大小不相等时)ωt=0o45o90o135o180o225o270o315o360o大连理工大学电气工程系ωt=0o45o90o135o180o225o270o315o360o9.1伺服电动机

椭圆形旋转磁通势的产生(uc

和uf

大小不相等时)大连理工大学电气工程系OFωtFfFfmFcmFcωt=0o45o90o135o180o225o270o315o9.1伺服电动机

椭圆形旋转磁通势的产生(uc

和uf

大小不相等时)大连理工大学电气工程系FfFfm=FcmFcOFωtF=Fc/2FcFfF90oFfFcF90o

+2FfFcF180oF=Fc180o

+2FcFfF270oFfFcF270o

+2FfFcF360oF=Fc9.1伺服电动机

椭圆形旋转磁通势的产生(

＜90o时)大连理工大学电气工程系FfFfm=FcmFcOFωt/290o90o

+2180o180o

+2270o270o

+2360o90o290o

+2180o180o

+2270o2270o

+ωt=0o360o9.1伺服电动机

椭圆形旋转磁通势的产生(

＜90o时)大连理工大学电气工程系9.1伺服电动机90o290o

+2180o180o

+2270o2270o

+ωt=0o360o大连理工大学电气工程系FfFfm=FcmFcOFωt

椭圆形旋转磁通势的产生(

＜90o时)ωt=0o90o2180o270o90o

+2180o

+2270o

+29.1伺服电动机大连理工大学电气工程系

椭圆形旋转磁通势的分解FRFFF9.1伺服电动机大连理工大学电气工程系FRFFF9.1伺服电动机

椭圆形旋转磁通势的分解大连理工大学电气工程系FRFFF

结论：①一个椭圆形旋转磁通势

F可以分解为两个不等幅、等速的相向旋转的圆形磁通势FF和FR

。FFFFR→TF→TRT=TF－TR9.1伺服电动机

椭圆形旋转磁通势的分解大连理工大学电气工程系②工作状态越不对称，FF和FR相差越小，椭圆形越扁长，T越小，n越低。例如保持

=90o和Uf不变，改变Uc的大小Uc

由0UfFF增强FR减弱0＜n＜nmax椭圆形旋转磁场两个旋转磁场（脉振磁场）一个旋转磁场③如果改变uc的相位，则F

的旋转方向改变，使T反向，从而改变

n的方向。9.1伺服电动机大连理工大学电气工程系(1)两相控制保持

=90o和Uc=Uf

，同时改变Uc和Uf

的大小（始终为对称运行）。(2)

幅值控制

保持

=90o和Uf=UN，改变Uc的大小。(3)

相位控制

保持Uc=Uf

=UN

，改变的大小。(4)

幅相控制

同时改变uc的大小和相位。※

交流伺服电动机的功率和频率：

0.1~100W，50Hz、400Hz等。3.控制方式9.1伺服电动机大连理工大学电气工程系交流伺服电动机9.1伺服电动机

更多的图片大连理工大学电气工程系交流伺服电动机9.1伺服电动机

更多的图片大连理工大学电气工程系9.2直流力矩电动机（MT）

一种特殊类型的伺服电动机。主要特点能长期处于堵转状态下工作。低转速、高转矩。反应速度快、机械特性线性度好、低速稳定性好。用途用于对位置、速度的控制精度要求较高的系统。1.基本结构2.工作原理第9章控制电机大连理工大学电气工程系一、基本结构NSNSNSNSNSNSNSNSNSNS刷架环转子绕组电刷

结构特点扁平形，带槽的定子圆盘中嵌入永磁体。有分装式和内装式两种结构形式。直流力矩电动机的结构式意图转子铁心9.2直流力矩电动机定子大连理工大学电气工程系直流力矩电动机9.2直流力矩电动机

更多的图片大连理工大学电气工程系1.长期堵转运行时，要求温度≤max。与max

对应的Iamax

称为连续堵转电流

Ib。与Ib对应的有：连续堵转转矩Tb、连续堵转电压Ub、连续堵转功率Pb。

Pb=UbIb，二、工作原理Ib=（Ra为电枢电阻）Ub

Ra2.

受定子永磁体去磁条件限制的参数峰值堵转电流

IP、峰值堵转转矩Tb、峰值堵转电压UP、峰值堵转功率PP。

PP=UPIP，IP=（Ra为电枢电阻）UP

Ra9.2直流力矩电动机大连理工大学电气工程系9.3步进电动机

功能将电脉冲信号转换成转角或转速信号。转角θ∝脉冲信号的个数；转速n∝脉冲信号的频率。用途高精度的角度控制。分类按定子相数不同：三相、四相、五相、六相等；按转子材料不同：永磁式、磁阻式（反应式）。1.基本结构2.工作原理第9章控制电机与电源、负载、环境等因素无关大连理工大学电气工程系14231.定子2.转子一、基本结构U1U2V1V2W2W1三相磁阻式步进电动机原理图9.3步进电机大连理工大学电气工程系

步进电动机的典型结构9.3步进电机U2U1W2W1V1V2大连理工大学电气工程系二、工作原理

一拍从一次通电到另一次通电。步距角每一拍转子转过的角度。(1)m相单m拍运行（三相单三拍运行）(2)m相双m拍运行（三相双三拍运行）(3)m相单－双2m拍运行（三相单－双六拍运行）9.3步进电机大连理工大学电气工程系1423142314231423U1U2V1V2W2W11.m相单m拍运行（三相单三拍运行）

通电顺序：U相→V相→W

相→U相。①U相通电1423U1U2V1V2W2W11423②V相通电U1U2V1V2W2W1③W相通电9.3步进电机14231423一步两步三步※

步距角：θ=30°大连理工大学电气工程系2.m相双m拍运行（三相双三拍运行）

通电顺序：UV相→VW相→WU相。1423U1U2V1V2W2W1①UV相通电14231423U1U2V1V2W2W1②VW相通电14231423U1U2V1V2W2W1③WU相通电1423※

步距角：θ=30°9.3步进电机14231423大连理工大学电气工程系3.m相单－双2m拍运行(三相单－双六拍运行）通电顺序：U→UV→V→VW→W→WU→U。1423U1U2V1V2W2W111423U1U2V1V2W2W121423U1U2V1V2W2W131423U1U2V1V2W2W141423U1U2V1V2W2W151423U1U2V1V2W2W161423※步距角：

θ=15°9.3步进电机大连理工大学电气工程系

步距角θ=360°zNz

：转子齿数N：拍数

转速一个θ→转(1/

zN

)圈，脉冲频率为f→每秒转(f

/

zN

)圈。n=60fzN例如：三相步进电动机z=40，则①采用单/双三拍时：②采用三相六拍时：θ=360°zN360°40×3==3°θ=360°zN360°40×6==1.5°9.3步进电机大连理工大学电气工程系

步进电动机的参数脉冲放大器步进电动机脉冲分配器脉冲输入负载驱动电源

最大静转矩、起动频率、运行频率。步进电动机的控制方式9.3步进电机大连理工大学电气工程系步进电动机9.3步进电机

更多的图片大连理工大学电气工程系步进电动机9.3步进电机

更多的图片大连理工大学电气工程系步进电动机PK系列：

5相为0.72°步距角的大转矩、低振动步进电动机。

2相为0.9°~1.8°步距角的大转矩、低振动步进电动机。9.3步进电机5相步进电动机

更多的图片大连理工大学电气工程系9.4测速发电机（TG）

功能将转速信号转换成与之成正比的电压信号。用途校正元件、计算元件。

种类1.直流测速发电机2.交流测速发电机第9章控制电机大连理工大学电气工程系一、直流测速发电机1.基本结构与普通小型直流发电机相同。励磁方式：电磁式（他励）和永磁式。＋Uf－If电磁式9.4测速发电机永磁式2.工作原理空载时：U=E

=CEΦ

n负载时：U=E

－Ra

ITGRLI＋

U－ETGRLEI＋

U－大连理工大学电气工程系U=CEΦ

n－RaURLU=nCEΦ

1+RaRLU∝

nRL→∞

RL2

RL1UnORL2＞RL1

产生误差的原因①电枢反应。②环境温度的变化，引起各绕组的电阻值变化。③负载变化，引起电刷与换向器接触电阻的变化。9.4测速发电机大连理工大学电气工程系二、交流测速发电机1.基本结构定子：转子：2.工作原理定子铁心上有两相对称绕组。笼型、杯型。输出绕组励磁绕组－Uf＋IfΦd正弦交流uf→if→Φd

Φd=Φdm

sinωt(1)

转子静止时励磁绕组→一次绕组转子绕组→二次绕组××··Ed→Ef→Ed→Id9.4测速发电机Ef大连理工大学电气工程系IfId→Ff→Fd→Φd××··－Uf＋IfΦdEd忽略励磁绕组的漏阻抗，则Uf=－Ef=

j

4.44fkwfNfΦdm输出绕组：与Φd

无交链，不会产生E0。即：n=0时，U0

=0。＋

U0－Ed=－j

4.44fkwrNrΦdm9.4测速发电机Ef大连理工大学电气工程系－Uf＋IfΦdEd(2)转子旋转时Φd交变感应旋转切割

Ed→Id

Eq→IqEq·×××··→ΦqΦq

eq=

C1Φd

n=

C1n

Φdm

sinωtΦq

=C2eq=

C1C2n

Φdm

sinωt=

Φqm

sinωtC1、C2——电机常数。Φqm

=

C1C2n

Φdm9.4测速发电机＋

U0－Ef大连理工大学电气工程系输出绕组：U0=－E0=j4.44fkw0N0Φqm=j4.44fkw0

N0C1C2n

Φdm

=C1C2n

Uf

kw0

N0KwfNfΦq→E0→U0输出空载电压：－Uf＋IfΦd＋

U0－Eq·×××··Φq

结论：①U0

∝n。②

u0与uf

同频率、同相位。9.4测速发电机EdEfE0大连理工大学电气工程系测速发电机9.4测速发电机

更多的图片大连理工大学电气工程系9.5自整角机（BS）

功能将转角信号转换成电压信号，或反之。通过两个或两个以上的组合，以实现转角的传输、转换和接收。同步联接系统无机械联接的两个系统同步转动。

种类①按作用的不同：力矩式、控制式。②按相数的不同：单相、三相。

结构定子、转子。第9章控制电机大连理工大学电气工程系自整角机的结构示意图转子铁心单相绕组定子铁心三相绕组电刷9.5自整角机※单相：定子为三相绕组、转子为单相绕组。※三相：定子、转子均为三相绕组。大连理工大学电气工程系自整角机的结构图9.5自整角机后端盖前球轴承集电环端部电刷

集流环端部触点电刷定子外壳转轴前端盖定子绕组转子绕组减震器轮罩壳大连理工大学电气工程系一、力矩式自整角机UVWUVWa发送机b接收机~ΦΦ1.转子处在协调位置时

纵向脉振Φ

→EUa=EUb，EVa=EVb，EWa=EWb;IUIVIWIU=IV=

IW=0

→T

=0，转子静止。定同子步绕组9.5自整角机EUbEVbEWbEUaEVaEWa大连理工大学电气工程系2.转子处在非协调位置时Φ

→EUa≠EUb，EVa≠EVb，EWa≠EWb;IU、IV、IW≠0

Φ→T

≠

0，9.5自整角机ΦUVWUVWa发送机b接收机~IUIVIWΦEUaEVaEWaEUbEVbEWb大连理工大学电气工程系2.转子处在非协调位置时Φ→EUa≠EUb，EVa≠EVb，EWa≠EWb;IU、IV、IW≠0

→T

≠

0，接收机转子旋转角。Φ重新达到协调位置，使IU=IV=

IW=0，

T

=0。9.5自整角机ΦUVWUVWa发送机b接收机~IUIVIWΦEUaEVaEWaEUbEVbEWb大连理工大学电气工程系二、控制式自整角机UVWa控制式发送机UVWb自整角变压器ΦΦ'IUIVIW＋Uf－＋U0－1转子处在协调位置时

Φ→EU、EV、EW

不同大小同相位，则IU、IV、IW不同大小同相位→产生纵向脉振磁场Φ'→与输出绕组不交链→U0=0。9.5自整角机EUaEVaEWa大连理工大学电气工程系＋Uf－2.转子处在非协调位置时9.5自整角机＋Uf－ΦΦ'Φ→EU、EV、EW→IU、IV、IW→Φ'→Φ'与输出绕组交链→产生E0∝sin。即U0∝sin。Φ'与输出绕组交链的分量EUaEVaEWaUVWa控制式发送机UVWb自整角变压器＋U0－IUIVIWE0大连理工大学电气工程系U1U2V1V2W1W2ΦU1U2V1V2W1W2(a)励磁绕组在垂直位置时Φ9.5自整角机

自整角机中的脉振磁场(b)励磁绕组转过角时大连理工大学电气工程系自整角机9.5自整角机

更多的图片A型发送器M型指示器115V，60Hz单相交流输入大连理工大学电气工程系自整角机9.5自整角机

更多的图片大连理工大学电气工程系9.6旋转变压器（BR）

功能将转子转角变换成与之有函数关系的电压信号。结构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。种类计算用和数据传输用旋转变压器。1.正余弦旋转变压器2.线性旋转变压器*3.比例式旋转变压器*4.数据传输用旋转变压器第9章控制电机大连理工大学电气工程系一、正余弦旋转变压器

将转子转角变换成与之成正余弦函数关系的电压信号。

定子

D1D2：励磁绕组。

D3D4

：补偿绕组。

转子

Z1Z2：余弦输出绕组。

Z3Z4：正弦输出绕组。D1D2D3D4Z1Z2Z3Z4基准位置（初始位置）9.6旋转变压器大连理工大学电气工程系1.空载运行D1D2D3D4Z1Z2Z3Z4＋Uf－＋Ucos－＋Usin－转子处在基准位置时ID12Uf

→ID12→FDd→Φd

转子处在基准位置时在D1D2中：Φd

→ED

在Z1Z2中：Φd

→EZ

ED

=

4.44fkw1N1ΦdmEZ

=

4.44fkw2N2Φdm

Uf=ED（忽略漏阻抗）

Ucos=EZ=kED

=kUf

Usin=0k==EZEDkw2N2kw1N19.6旋转变压器大连理工大学电气工程系

转子偏离基准位置角时转子偏离基准位置角Z1Z2Z3Z4＋Ucos－＋Usin－D1D2D3D4＋Uf－ID12ΦZ12=Φdcos

ΦZ34=ΦdsinEZ12=EZcos=kEDcos=kUfcosEZ34=EZsin=kEDsin=kUfsin空载输出电压：

Ucos=kUfcosUsin=kUfsin9.6旋转变压器Z1Z3Z4Z2＋Ucos－＋Usin－dZ34Z12大连理工大学电气工程系

设Z1Z2接负载2.负载运行D1D2D3D4＋Uf－ID12Z1Z3Z4Z2＋Ucos－＋Usin－ZL

EZ12→IZ12→FZ12FZd

(纵向)FZq

(横向)FZqFZdFZ12FZd

=FZ12cosFZq=FZ12sinFDd

(定子)FZd

(转子)ΦdFZq→ΦZq→EZ12、EZ34''EZ12=kUfcos＋EZ12''EZ34=kUfsin＋EZ34IZ12∝cos∝sin9.6旋转变压器大连理工大学电气工程系

补偿方式(1)定子边补偿(2)转子边补偿(3)定转子边同时补偿D1D2D3D4＋Uf－ID12Z1Z3Z4Z2＋Ucos－＋Usin－将定子绕组D3D4短路。ZC将Z3Z4接ZC。FZqFZdFZ12FZqFZdFZ34''ZLIZ12IZ34若ZC=ZL，ΦZq

=0。9.6旋转变压器大连理工大学电气工程系二、线性旋转变压器

功能在一定的转角范围内，输出电压与转子转角成正比。结构与正弦、余弦旋转变压器相同。一般的正、余弦旋转变压器

UZ34=EZsinθ当θ很小时：UZ34≈EZθ例如：

θ=14o=0.244346radsin14o=0.241922θ=5o=0.087266radsin5o=0.0871569.6旋转变压器大连理工大学电气工程系D1D2D3D4Z3Z1Z4Z2＋Uf－

＋U0

－ZL因为定子边补偿，所以认为Φq

=0Φd→ED12、EZ12、EZ34三个E大小不同、相位相同。忽略漏阻抗，则

Uf=ED12＋EZ12=ED＋EZ