常用控制电机课件

常用控制電機

第一節控制電機概述

控制電機具有體積小，功率小，通常在幾百瓦以下等特點；而驅動微電機結構簡單、體積小、功率也小，主要用來驅動各種輕型負載。驅動微電機與控制電機合稱為微控電機。

TSKJ

在普通旋轉電機的基礎上產生的各種控制電機與普通電機本質上並沒有差別，只是著重點不同：普通旋轉電機主要是進行能量變換，要求有較高的力能指標；而控制電機主要是對控制信號進行傳遞和變換，要求有較高的控制性能，如要求反應快、精度高、運行可靠等等。控制電機因其各種特殊的控制性能而常在自動控制系統中作為執行元件、檢測元件和解算元件。

TSKJ第二節伺服電動機

伺服電動機又稱為執行電動機，在自動控制系統中作為執行元件。它將輸入的電壓信號轉變為轉軸的角位移或角速度輸出，改變輸入信號的大小和極性可以改變伺服電動機的轉速與轉向，故輸入的電壓信號又稱為控制信號或控制電壓。

TSKJ一、直流伺服電動機

當直流伺服電動機勵磁繞組和電樞繞組都通過電流時，直流電動機轉動起來，當其中的一個繞組斷電時，電動機立即停轉，故輸入的控制信號，既可加到勵磁繞組上，也可加到電樞繞組上。TSKJ若把控制信號加到電樞繞組上，通過改變控制信號的大小和極性來控制轉子轉速的大小和方向，這種方式叫電樞控制；若把控制信號加到勵磁繞組上進行控制，這種方式叫磁場控制。磁場控制有嚴重的缺點（調節持性在某一範圍不是單值函數，每個轉速對應兩個控制信號），使用的場合很少。TSKJ

直流伺服電動機進行電樞控制時，電樞繞組即為控制繞組，控制電壓直接加到電樞繞組上進行控制。而勵磁方式則有兩種：一種用勵磁繞組通過直流電流進行勵磁，稱為電磁式直流伺服電動機；另一種使用永久磁鐵作磁極，省去勵磁繞組，稱為永磁式直流伺服電動機。TSKJ1.機械特性：改變控制電壓，而機械特性的斜率不變，故其機械特性是一組平行的直線，如圖所示。

TSKJ2.調節特性：當電磁轉矩恒定時，電動機轉速與控制電壓之間的關係，即常數，轉速與控制電壓之間的關係。

電樞控制直流伺服電動機轉速公式：TSKJ

從上述分析可知，電樞控制時的直流伺服電動機的機械特性是線性的，而且不存在“自轉”現象（控制信號消失後，電機仍不停止轉動的現象叫“自轉”現象），在自動控制系統中是一種很好的執行元件。

TSKJ二、交流伺服電動機1.工作原理：交流伺服電動機實際上就是兩相非同步電動機，所以有時也叫兩相伺服電動機。如圖所示，電機定子上有兩相繞組，一相叫勵磁繞組，接到交流勵磁電源上，另一相為控制繞組，接入控制電壓，兩繞組在空間上互差90°電角度，勵磁電壓Uf和控制電壓Uc頻率相同。

TSKJTSKJ

交流伺服電動機的工作原理與單相非同步電動機有相似之處。當交流伺服電動機的勵磁繞組接到勵磁電流上，若控制繞組加上的控制電壓為0時（即無控制電壓），所產生的是脈振磁通勢，所建立的是脈振磁場，電機無起動轉矩；當控制繞組加上的控制電壓不為0，且產生的控制電流與勵磁電流的相位不同時，建立起橢圓形旋轉磁場，於是產生起動力矩，電機轉子轉動起來。如果電機參數與一般的單相非同步電動機一樣，那麼當控制信號消失時，電機轉速雖會下降些，但仍會繼續不停地轉動。伺服電動機在控制信號消失後仍繼續旋轉的失控現象稱為“自轉”。“自轉”的原因是控制電壓消失後，電機仍有與原轉速方向一致的電磁轉矩。消除“自轉”的方法是消除與原轉速方向一致的電磁轉矩，同時產生一個與原轉速方向相反的電磁轉矩，使電機在控制電壓消失時停止轉動。可以通過增加轉子電阻的辦法來消除“自轉”。

TSKJ2.基本結構

交流伺服電動機的定子與非同步電動機類似，在定子槽中裝有勵磁繞組和控制繞組，而轉子主要有兩種結構形式：（1）高電阻籠型轉子這種籠型轉子和三相非同步電動機的籠型轉子一樣，但籠型轉子的導條採用高電阻率的導電材料製造，如青銅、黃銅。另外，為了提高交流伺服電動機的快速回應性能，宜把籠型轉子做成又細又長，以減小轉子的轉動慣量。

TSKJ（2）非磁性空心杯轉子如圖所示，非磁性空心杯轉子交流伺服電動機有兩個定子：外定子和內定子，外定子鐵芯槽內安放有勵磁繞組和控制繞組，而內定子一般不放繞組，僅作磁路的一部分；空心杯轉子位於內外繞組之間，通常用非磁性材（如銅、鋁或鋁合金）製成，在電機旋轉磁場作用下，杯形轉子內感應產生渦流，渦流再與主磁場作用產生電磁轉矩，使杯形轉子轉動起來。

TSKJ（3）控制方法交流伺服電動機的控制方法：①幅值控制：即保持控制電壓Uc的相位不變，使Uc和Uf的相位差始終保持90°電角度，僅僅改變其幅值來控制電動機的轉速。②相位控制：即保持控制電壓Uc的幅值不變，僅僅改變其相位來控制電動機的轉速。③幅—相控制：即同時改變控制電壓Uc的幅值和相位來進行控制。TSKJ第三節測速發電機

測速發電機是一種測量轉速的微型發電機，它把輸入的機械轉速變換為電壓信號輸出，並要求輸出的電壓信號與轉速成正比。測速發電機分直流測速發電機和交流測速發電機兩大類。一、直流測速發電機1.工作原理：直流測速發電機實際就是一種微型直流發電機，按定子磁極的勵磁方式分為他勵式和永磁式。

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直流測速發電機的工作原理與一般直流發電機相同，如下圖所示。在恒定的磁場中，外部的機械轉軸帶動電樞旋轉，電樞繞組切割磁場從而在電刷間產生感應電動勢。TSKJ產生的感應電動勢：：電動勢係數

當直流測速發電機在空載時，其電樞電流，輸出電壓和電樞感應電動勢相等，即。因此，空載時的輸出電壓與轉速成正比。

TSKJ當直流測速發電機帶負載時，其電樞電流，中流過電樞電流，並在電樞回路產生電阻壓降，使輸出電壓減小。TSKJ2.輸出特性輸出特性指電樞電壓與轉子轉速的函數關係，即。由上式可知，理想情況下，，，均為常數，輸出電壓與轉速成正比。TSKJ3.誤差分析直流測速發電機的輸出電壓與轉速要嚴格保持正比關係在實際中是難以做到的，其實際的輸出特性為圖中實線，造成這種非線性誤差的原因主要有以下三個方面：（1）電樞反應直流測速發電機負載時電樞電流會產生電樞反應，電樞反應的去磁作用使氣隙磁通Φ0減小，使輸出電壓減小。從輸出特性看，斜率將減小，而且電樞電流越大，電樞反應的去磁作用越顯著，輸出特性斜率減小越明顯，輸出特性直線變為曲線。

TSKJ（2）溫度的影響如果直流測速發電機長期使用，其勵磁繞組會發熱，其繞組阻值隨溫度的升高而增大，勵磁電流因此而減小，從而引起氣隙磁通減小，輸出電壓減小，特性斜率減小。溫度升得越高，斜率減小越明顯，使特性向下彎曲。可在勵磁回路中串接一個阻值較大而溫度係數較小的錳銅或康銅電阻，以減小由於溫度的變化而引起的電阻變化，從而減小因溫度而產生的線性誤差。

TSKJ（3）接觸電阻如果電樞電路總電阻包括電刷與換向器的接觸電阻，那麼輸出電壓受接觸電阻壓降影響總是隨負載電流變化而變化，當輸入的轉速較低時，接觸電阻較大，使此時本來就不大的輸出電壓變得更小，造成的線性誤差很大；當電流較大的，接觸電阻較小而且基本上趨於穩定的數值，線性誤差相對而言小得多。另外，直流測速發電機輸出的是一個脈動電壓，其交變分量對速度回饋控制系統、高精度的解算裝置有較明顯的影響。

TSKJ二、交流測速發電機交流測速發電機分為同步測速發電機和非同步測速發電機。在實際應用中非同步測速發電機使用較廣泛。1.交流非同步測速發電機工作原理交流非同步測速發電機與交流伺服電動機的結構相似，其轉子結構有籠型的，也有杯型的。因籠型轉子慣性較大，特性較差，所以，在自動控制系統中多用空心杯轉子非同步測速發電機。空心杯轉子非同步測速發電機定子上有兩個在空間上互差90°電角度的繞組，一為勵磁繞組，另一為輸出繞組，如下圖所示。TSKJTSKJ

在轉子不動時，脈振磁通在空心杯轉子中感應出變壓器電勢（空心杯轉子可以看成有無數根導條的籠式轉子，相當於變壓器短路時的二次繞組，而勵磁繞組相當於變壓器的一次繞組），產生的磁場與勵磁電源同頻率的脈振磁場，在轉子轉動時，轉子切割直軸磁通，在杯型轉子中感應產生旋轉電勢，其大小正比於轉子轉速，並以勵磁磁場的脈振頻率交變，又因空心杯轉子相當於短路繞組，故旋轉電勢在杯型轉子中產生交流短路電流，若忽視杯型轉子的漏抗的影響，那麼此短路電流所產生的脈振磁通在空間位置上與輸出繞組的軸線一致，因此轉子脈振磁場與輸出繞組相交鏈而產生感應電勢。輸出繞組感應產生的電勢實際就是交流非同步測速發電機輸出的空載電壓，其大小正比於轉速，其頻率為勵磁電源的頻率。

TSKJ三、測速發電機的應用測速發電機的作用是將機械速度轉換為電氣信號，常用作測速無件、校正元件、解算元件，與伺服電機配合，廣泛使用於許多速度控制或位置控制系統中，如在穩速控制系統中，測速發電機將速度轉換為電壓信號作為速度回饋信號，可達到較高的穩定性和較高的精度，在計算解答裝置中，常作為微分、積分元件。TSKJ第四節步進電動機步進電動機是一種把輸入脈衝信號轉換成輸出軸角位移或線位移的電動機。用專用的驅動電源向步進電動機供給一系列的且有一定規律的電脈衝信號，每輸入一個電脈衝，步進電機就前進一步，其角位移與脈衝數成正比，電機轉速與脈衝頻率成正比，而且轉速和轉向與各相繞組的通電方式有關。根據勵磁方式的不同，步進電動機分為反應式、永磁式和感應式（又叫混合式），因反應式步進電動機具有步距小，回應速度快，結構簡單等優點，應用較多，下麵以此為例來闡述步進電動機的原理。

TSKJ1、工作原理下圖為一臺三相六拍反應式步進電動機，定子上有三對磁極，每對磁極上繞有一相控制繞組，轉子有四個分佈均勻的齒，齒上沒有繞組。TSKJ當A相控制繞組通電，而B相和C相不通電時，步進電動機的氣隙磁場與A相繞組軸線重合，而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過，故電機轉子受到一個反應轉矩，在步進電機中稱之為靜轉矩。在此轉矩的作用下，使轉子的齒1和齒3旋轉到與A相繞組軸線相同的位置上，如圖所示，此時整個磁路的磁阻最小，此時轉子只受到徑向力的作用而反應轉矩為零。如果B相通電，A相和C相斷電，那轉子受反應轉矩而轉動，使轉子齒2齒4與定子極B、B′對齊，此時，轉子在空間上逆時針轉過的空間角q為30°，即前進了一步，轉過這個角叫做步距角.如此按順序不斷地接通和斷開控制繞組，電機便按一定的方向一步一步地轉動，若按反向序順序通電，則電機反向一步一步轉動。TSKJ步進電機的三相單、雙六拍運行方式TSKJ2、步進電機的靜態指標術語:拍數：完成一個磁場週期性變化所需脈衝數或導電狀態用N表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈衝數，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：對應一個脈衝信號，電機轉子轉過的角位移用θs表示。θs

=360度/（轉子齒數z*運行拍數），以常規四相，轉子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θs

=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為θs

=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。TSKJ靜轉矩：電機在額定靜態電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。步距角精度：步進電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數其值不同，四拍運行時應在5%之內，八拍運行時應在15%以內。失步：電機運轉時運轉的步數，不等於理論上的步數。稱之