第6章 控制电机

第6章控制电机目录6.1伺服电动机6.2步进电动机6.3测速发电机6.4自整角机6.5旋转变压器6.6感应同步器第6章控制电机2/996.1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。伺服电动机的特点可控性好：控制信号一出现，电机马上转动；控制信号一消失，电机立即停转具有线性的机械特性和调节特性转动惯量小，能快速响应(转子结构：细长、无铁心、空心杯)1.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：永磁式、电磁式（他励）。稀土永磁材料：稀土钴、稀土钕铁硼等。SM+Ua－IaE永磁式SM+Ua－IaE+Uf－If电磁式6.1伺服电动机(2)工作原理——与普通直流电机无异施加Ua→Ia

主磁通：ΦTe→n→E电磁转矩：

Te=CTΦ

Ia

电动势：

E

=CEΦ

n电枢电路电压方程：

Ua

=E+Ra

Ian=UaCEΦ－RaCECTΦ2Te

6.1伺服电动机(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－RaCECTΦN2TeOTen

Uc3

Uc2Uc1Uc3＞Uc2＞Uc1机械特性OUcnT1

T2

T3T3＞T2＞T1控制特性6.1伺服电动机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：

Φ=CφUf=CφUcn=UaNCECφUc

－RaCECTCφ2Uc2Te

nOTe

Uc3Uc2Uc1UC3＞Uc2＞Uc1机械特性6.1伺服电动机(1)基本结构①定子：两相对称绕组②转子:笼型结构/空心杯2.(传统的)交流伺服电动机控制绕组励磁绕组SM~c＋Uc－＋Uf

－f交流伺服电动机实际上是一种两相异步电动机。6.1伺服电动机转子内定子外定子绕组转轴空心杯转子交流伺服电动机的结构示意图:6.1伺服电动机对称两相绕组在空间上互差90

电角度绕组中对称两相电流在时间上互差90

电角度两相绕组产生的圆形旋转磁动势6.1伺服电动机fc1分解为两个大小相等、转向相反的旋转磁动势ff1分解为两个大小相等、转向相反的旋转磁动势反向旋转磁动势互相抵消正向旋转磁动势合成圆形旋转磁动势f1两相对称磁动势的合成——圆形旋转磁动势6.1伺服电动机①两相绕组通以相位相差90o的额定电压●对称两相运行→圆形旋转磁场●改变转向：

uc

反相，即改变两相绕组中电流的相序→旋转磁场改变方向→转子的转向改变。(2)工作原理SM~c＋Uc－＋Uf

－f6.1伺服电动机②

当uc=0或uc≠0，但uc和uf同相位时电机处在单相状态→脉振磁动势F0

：静止时：n=0，Te+

=Te－，Te

=0，不能起动；正在运行时：Te

≠0，转子继续旋转——单相自转！TeOnn=f(TF)n=f(TR)n=f(T)普通异步电动机如果电机参数与一般的单相异步电动机一样，当控制信号消失时，电机转速虽会下降，但仍会继续转动。伺服电动机在控制信号消失后仍继续旋转的失控现象称为“自转”。6.1伺服电动机TeOnn=f(Te+)n=f(Te-)n=f(Te)普通单相异步电动机单相绕组产生的转矩nTeOR2↑n=f(Te+)n=f(Te-)n=f(Te)交流伺服电动机单相运行

克服自转加大转子电阻，使sm>1，单相运行时:n>0,Te<06.1伺服电动机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

和Uf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，50、400Hz等。(3)控制方式6.1伺服电动机6.2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。●按定子相数不同：三相、四相、五相、六相等；按转子结构不同：永磁式、磁阻式、混合式与电源、负载、环境等因素无关1.基本结构2.工作原理1.定子：一、结构2.转子：1423U1U2V1V2W2W1三相磁阻式步进电动机原理图6.2步进电动机2.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m拍运行（三相双三拍运行）6.2步进电动机1423U1U2V1V2W2W1(1)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。1423(1)U相通电1423U1U2V1V2W2W11423(2)V相通电1423U1U2V1V2W2W11423(3)W相通电●

步距角：θ=30°6.2步进电动机(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。1423U1U2V1V2W2W1(1)UV相通电14231423U1U2V1V2W2W1(2)VW相通电14231423U1U2V1V2W2W1(3)WU相通电1423●

步距角：θ=30°6.2步进电动机(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。1423U1U2V1V2W2W11423U1U2V1V2W2W11423U1U2V1V2W2W11423U1U2V1V2W2W11423U1U2V1V2W2W11423U1U2V1V2W2W11423●θ=15°6.2步进电动机●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°6.2步进电动机●

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：6.2步进电动机●

步进电动机的典型结构U2U1W2W1V1V26.2步进电动机6.3测速发电机功能：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：直流测速发电机、交流测速发电机。1.直流测速发电机2.交流测速发电机1.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。EI＋

U－TGRL＋Uf－If电磁式TGRLEI＋

U－永磁式(2)工作原理空载时：U=E

=CEΦ

n负载时：U=E

－Ra

I6.3测速发电机U=CEΦ

n－RaURLU=nCEΦ

1+RaRLU∝

nRL→∞

RL2

RL1UnORL2＞RL1①电枢反应——采用较大RL②环境温度的变化，引起绕组的电阻值变化——励磁串低温度系数电阻③负载变化，引起电刷与换向器接触电阻的变化。——低接触电阻电刷6.3测速发电机2.交流测速发电机(1)基本结构定子：

定子铁心上有两相对称绕组。转子：笼型、杯型。输出绕组励磁绕组(2)工作原理Φd正弦交流uf→if→Φd

Φd=Φdm

sinωt①

转子静止时：励磁绕组:一次绕组转子绕组:二次绕组－Uf＋IfEf××··Ed→Ef→Ed→Id6.3测速发电机IfId→Ff→Fd→Φd××··－Uf＋IfEfΦdEd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。＋

U0－Ed=－j

4.44fkwrNrΦdm即：n=0时，U0

=0。励磁绕组：转子绕组：6.3测速发电机②转子旋转时：Φd－Uf＋IfEfΦd＋

U0－交变感应旋转切割（右手定则）

Ed→Id

Eq→IqEq·×××··→ΦqΦq

eq=

C1Φd

n（转子绕组的q轴电动势）=

C1n

Φdm

sinωtΦq

=C2eq（q轴气隙磁通）=

C1C2n

Φdm

sinωt=

Φqm

sinωtC1、C2——电机常数。Φqm

=

C1C2n

Φdm6.3测速发电机输出绕组：U0=－E0=j4.44fkw0N0Φqm=j4.44fkw0

N0C1C2n

Φdm

=C1C2n

Uf

kw0

N0kwfNfΦq→E0→U0输出空载电压：－Uf＋IfEfΦd＋

U0－Eq·×××··ΦqE0

结论：①U0

∝n；②

u0与uf同频率、同相位。6.3测速发电机6.4自整角机

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。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。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1.力矩式自整角机2.控制式自整角机6.4自整角机1.力矩式自整角机UVWUVWa发送机b接收机~ΦΦEUaEVaEWaEUbEVbEWb(1)转子处在协调位置时

纵向脉振Φ

→EUa=EUb，EVa=EVb，EWa=EWb;IUIVIWIU=IV=

IW=0

→Te

=0，转子静止。定同子步绕组6.4自整角机UVWUVWa发送机b接收机~EUaEVaEWaEUbEVbEWbIUIVIW(2)转子处在非协调位置时Φ

Φ

→EUa≠EUb，EVa≠EVb，EWa≠EWb;IU、IV、IW≠0

Φ→Te

≠

0，6.4自整角机UVWUVWa发送机b接收机~EUaEVaEWaEUbEVbEWbIUIVIW(2)转子处在非协调位置时Φ→EUa≠EUb，EVa≠EVb，EWa≠EWb;ΦIU、IV、IW≠0

→Te≠

0，接收机转子旋转

角。

Φ从新达到协调位置，使IU=IV=

IW=0，

Te=0。6.4自整角机2.控制式自整角机UVWa控制式发送机UVWb自整角变压器ΦΦ'EUaEVaEWaIUIVIW＋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→与输出绕组不交链→U0=0。6.4自整角机UVWa控制式发送机UVWb自整角变压器＋Uf－＋U0－(2)转子处在非协调位置时EUaEVaEWa

ΦIUIVIWΦ'Φ→EU、EV、EW→IU、IV、IW→Φ'→Φ'与输出绕组交链E0→产生E0∝sin

。即U0∝sin

。6.4自整角机6.5旋转变压器

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1.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）6.5旋转变压器(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

在Z3Z4中：没有感应。

ED=

4.44fkw1N1ΦdmEZ=

4.44fkw2N2Φdmk==EZEDkw2N2kw1N16.5旋转变压器

转子偏离基准位置

角时：转子偏离基准位置

角D1D2D3D4Z1Z2Z3Z4＋Uf－＋Ucos－＋Usin－ID12Z1Z3Z4Z2＋Ucos－＋Usin－

ΦZ12=Φdcos

ΦZ34=Φdsin

EZ12=EZcos

=kEDcos

=kUfcos

EZ34=EZsin

=kEDsin

=kUfsin

空载输出电压：

Ucos=kU