電機(jī)與電力拖動（第2版）（十一五國家規(guī)劃）第九章第1節(jié)

第9章控制電機(jī)

內(nèi)容提要控制電機(jī)是在普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的特殊功能的小型旋轉(zhuǎn)電機(jī)。控制電機(jī)在控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件、檢測元件和運算元件。從工作原理上看，控制電機(jī)和普通電機(jī)沒有本質(zhì)上的差異，但普通電機(jī)功率大，側(cè)重于電機(jī)的啟動、運行和制動等方面的性能指標(biāo)，而控制電機(jī)輸出功率較小，側(cè)重于電機(jī)控制精度和響應(yīng)速度。控制電機(jī)按其功能和用途可分為信號檢測和傳遞類控制電機(jī)及動作執(zhí)行類控制電機(jī)兩大類。執(zhí)行電機(jī)包括伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和直線電機(jī)；信號檢測和傳遞電機(jī)包括測速發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器和自整角機(jī)等。本章僅對常用的控制電機(jī)，從應(yīng)用的角度介紹其結(jié)構(gòu)原理及特性。9.1伺服電動機(jī)

作用：將輸入的電壓信號（控制電壓）轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度輸出，在自動控制系統(tǒng)中常作為執(zhí)行元件。特點：有控制電壓時轉(zhuǎn)子立即旋轉(zhuǎn)，無控制電壓時轉(zhuǎn)子立即停轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由控制電壓的方向和大小決定的。伺服電動機(jī)分為交流和直流兩大類。9.1.1交流伺服電動機(jī)

1．基本結(jié)構(gòu)由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，如圖所示。定子鐵心用硅鋼片疊成。其表面的槽內(nèi)嵌有兩相繞組，一是勵磁繞組，另一是控制繞組，兩相繞組在空間位置上互差90°電角度。工作時勵磁繞組f與交流勵磁電源相連，控制繞組k加控制信號電壓。1—外定子鐵心；2—杯形轉(zhuǎn)子；3—內(nèi)定子鐵心；4—轉(zhuǎn)軸；5—軸承；6—定子繞組

圖9.1杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖基本結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的形式有兩種，一種是籠式轉(zhuǎn)子，由高電阻率的材料制成，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，其轉(zhuǎn)動慣量較大；另一種是空心杯轉(zhuǎn)子，由非磁性材料制成杯形，其杯壁很薄，因而其電阻值較大。轉(zhuǎn)子在內(nèi)外定子之間的氣隙中旋轉(zhuǎn)，因空氣隙較大而需要較大的勵磁電流?？招谋无D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量較小，響應(yīng)迅速，得到廣泛應(yīng)用。圖9.2交流伺服電動機(jī)原理圖

2．工作原理

其工作原理和電容分相式單相異步電動機(jī)相似。無控制電壓時，只有勵磁產(chǎn)生的脈動磁場，轉(zhuǎn)子無啟動轉(zhuǎn)矩不動。有控制電壓時，則在氣隙中產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)。要求：控制電壓消失后電動機(jī)應(yīng)能立即停轉(zhuǎn)，若因慣性轉(zhuǎn)動則為失控現(xiàn)象。

工作原理為消除失控現(xiàn)象，需加大轉(zhuǎn)子電阻r2，這是因為當(dāng)控制電壓消失后，伺服電動機(jī)處于單相運行狀態(tài)，若轉(zhuǎn)子電阻很大，其工作特性為曲線4，即進(jìn)入能耗制動狀態(tài)，而迅速停車。3．控制方法

有三種方法控制伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。（1）幅值控制保持控制電壓與勵磁電壓間的相位差不變，僅改變控制電壓的幅值。（2）相位控制保持控制電壓的幅值不變，僅改變控制電壓與勵磁電壓間的相位差。（3）幅-相控制同時改變控制電壓幅值和相位。交流伺服電動機(jī)運行平穩(wěn)，噪音小，但控制特性為非線性并且因轉(zhuǎn)子電阻大而使損耗大，效率低。與同容量直流伺服電動機(jī)相比體積大，質(zhì)量大，一般適用于0.5W～100W的小功率自動控制系統(tǒng)中。圖9.4是自動測溫系統(tǒng)原理框圖。交流伺服電動機(jī)在自動測溫系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，由偏差電壓△U控制，用于驅(qū)動顯示盤指針和電位計的滑動觸頭。熱電偶將被測溫度轉(zhuǎn)換為電壓信號U1，U1作為系統(tǒng)的輸入信號電壓。當(dāng)被測溫度為零時，輸入信號電壓U1＝0，交流伺服電動機(jī)不轉(zhuǎn)動，顯示盤指針指00C，電位計的輸出電壓Uf＝0，比較電路的輸出電壓即偏差電壓△U=U1－Uf＝0。當(dāng)被測溫度變化時，輸入信號電壓U1隨之變化，使偏差電壓△U≠0，經(jīng)調(diào)制器調(diào)制為交流電壓，再由交流放大器進(jìn)行功率放大后驅(qū)動交流伺服電動機(jī)的控制繞組，使交流伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)動從而帶動顯示盤指針轉(zhuǎn)動、電位計滑動觸點移動，電位計的輸出電壓Uf相應(yīng)變化，使偏差電壓△U逐步減小，至△U=U1－Uf＝0時交流伺服電動機(jī)停轉(zhuǎn)，顯示盤指針停留在相應(yīng)于輸入信號電壓U1的刻度上。9.1.2直流伺服電動機(jī)

1．基本結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)直流伺服電動機(jī)動與普通直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同，有他勵和永磁式兩種。杯形電樞直流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)子由非磁性材料制成空心杯形圓筒，轉(zhuǎn)子輕，轉(zhuǎn)動慣量小，響應(yīng)快速。轉(zhuǎn)子在由軟磁材料制成的內(nèi)、外定子之間旋轉(zhuǎn)，氣隙較大。

2．基本工作原理

傳統(tǒng)直流伺服電動機(jī)的工作原理與普通直流電動機(jī)完全相同。通常采用電樞控制方式，即勵磁電壓不變，改變電樞電壓來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。電樞電壓越小，則轉(zhuǎn)速越低；電樞電壓為零時，電動機(jī)停轉(zhuǎn)。由于電樞電壓為零時電樞電流也為零，電動機(jī)不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，不會出現(xiàn)“自轉(zhuǎn)”。圖9.5是精密機(jī)床工作臺精確定位系統(tǒng)原理框圖。直流伺服電動機(jī)在機(jī)床工作臺精確定位系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，由偏差電壓△U控制，用于驅(qū)動機(jī)床工作臺。運算控制電路將機(jī)床工作臺需要移動到某一位置的信息進(jìn)行判斷和運算后，轉(zhuǎn)換為電壓信號U1，U1作為系統(tǒng)的輸入信號電壓。當(dāng)不需要工作臺移動時，輸入信號電壓U1＝0，直流伺服電動機(jī)不轉(zhuǎn)動，位置檢測裝置的輸出電壓Uf＝0，比較電路的輸出電壓即偏差電壓△U=U1－Uf＝0。當(dāng)需要工作臺向前移動到某一位置時，輸入信號電壓U1是一個相應(yīng)的正值，使偏差電壓△U＞0，由直流放大器進(jìn)行功率放大后驅(qū)動直流伺服電動機(jī)的控制繞組，使直流伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)動從而帶動工作臺移動，位置檢測裝置的輸出電壓Uf相應(yīng)變化，使偏差電壓△U逐步減小，至△U=U1－Uf＝0時直流伺服電動機(jī)停轉(zhuǎn)，工作臺停留在相應(yīng)于輸入信號電壓