第6章 控制電機

第6章控制電機目錄6.1伺服電動機6.2步進電動機6.3測速發(fā)電機6.4自整角機6.5旋轉變壓器6.6感應同步器第6章控制電機2/996.1伺服電動機伺服電動機——執(zhí)行電動機?！窆δ埽簩㈦妷盒盘栟D換成轉角或轉速信號?！穹N類：直流伺服電動機、交流伺服電動機。伺服電動機的特點可控性好：控制信號一出現(xiàn)，電機馬上轉動；控制信號一消失，電機立即停轉具有線性的機械特性和調節(jié)特性轉動慣量小，能快速響應(轉子結構：細長、無鐵心、空心杯)1.直流伺服電動機(1)基本結構與普通小型直流電動機相同?！駝畲欧绞剑河来攀健㈦姶攀剑ㄋ麆睿?。稀土永磁材料：稀土鈷、稀土釹鐵硼等。SM+Ua－IaE永磁式SM+Ua－IaE+Uf－If電磁式6.1伺服電動機(2)工作原理——與普通直流電機無異施加Ua→Ia

主磁通：ΦTe→n→E電磁轉矩：

Te=CTΦ

Ia

電動勢：

E

=CEΦ

n電樞電路電壓方程：

Ua

=E+Ra

Ian=UaCEΦ－RaCECTΦ2Te

6.1伺服電動機(3)控制方式及其特性①電樞控制式：

Uf

=UfN，Ua

=Uc（控制電壓）n=UcCEΦN－RaCECTΦN2TeOTen

Uc3

Uc2Uc1Uc3＞Uc2＞Uc1機械特性OUcnT1

T2

T3T3＞T2＞T1控制特性6.1伺服電動機②磁場控制式：Ua

=UaN，

Uf

=Uc（控制電壓）忽略磁路飽和、不計電樞反應：

Φ=CφUf=CφUcn=UaNCECφUc

－RaCECTCφ2Uc2Te

nOTe

Uc3Uc2Uc1UC3＞Uc2＞Uc1機械特性6.1伺服電動機(1)基本結構①定子：兩相對稱繞組②轉子:籠型結構/空心杯2.(傳統(tǒng)的)交流伺服電動機控制繞組勵磁繞組SM~c＋Uc－＋Uf

－f交流伺服電動機實際上是一種兩相異步電動機。6.1伺服電動機轉子內定子外定子繞組轉軸空心杯轉子交流伺服電動機的結構示意圖:6.1伺服電動機對稱兩相繞組在空間上互差90

電角度繞組中對稱兩相電流在時間上互差90

電角度兩相繞組產(chǎn)生的圓形旋轉磁動勢6.1伺服電動機fc1分解為兩個大小相等、轉向相反的旋轉磁動勢ff1分解為兩個大小相等、轉向相反的旋轉磁動勢反向旋轉磁動勢互相抵消正向旋轉磁動勢合成圓形旋轉磁動勢f1兩相對稱磁動勢的合成——圓形旋轉磁動勢6.1伺服電動機①兩相繞組通以相位相差90o的額定電壓●對稱兩相運行→圓形旋轉磁場●改變轉向：

uc

反相，即改變兩相繞組中電流的相序→旋轉磁場改變方向→轉子的轉向改變。(2)工作原理SM~c＋Uc－＋Uf

－f6.1伺服電動機②

當uc=0或uc≠0，但uc和uf同相位時電機處在單相狀態(tài)→脈振磁動勢F0

：靜止時：n=0，Te+

=Te－，Te

=0，不能起動；正在運行時：Te

≠0，轉子繼續(xù)旋轉——單相自轉！TeOnn=f(TF)n=f(TR)n=f(T)普通異步電動機如果電機參數(shù)與一般的單相異步電動機一樣，當控制信號消失時，電機轉速雖會下降，但仍會繼續(xù)轉動。伺服電動機在控制信號消失后仍繼續(xù)旋轉的失控現(xiàn)象稱為“自轉”。6.1伺服電動機TeOnn=f(Te+)n=f(Te-)n=f(Te)普通單相異步電動機單相繞組產(chǎn)生的轉矩nTeOR2↑n=f(Te+)n=f(Te-)n=f(Te)交流伺服電動機單相運行

克服自轉加大轉子電阻，使sm>1，單相運行時:n>0,Te<06.1伺服電動機①兩相控制：保持

=90o和Uc=Uf

，同時改變

Uc和Uf的大小（始終為對稱運行）。②幅值控制：保持

=90o和Uf=UN，改變Uc

和Uf的大小。③相位控制：保持Uc=Uf

=UN

，改變

的大小。④幅相控制：同時改變uc的大小和相位。●交流伺服電動機的功率和頻率：

0.1~100W，50、400Hz等。(3)控制方式6.1伺服電動機6.2步進電動機●功能：將電脈沖信號轉換成轉角或轉速信號。轉角θ∝脈沖信號的個數(shù)；轉速n∝脈沖信號的頻率。●用途：高精度的角度控制?！癜炊ㄗ酉鄶?shù)不同：三相、四相、五相、六相等；按轉子結構不同：永磁式、磁阻式、混合式與電源、負載、環(huán)境等因素無關1.基本結構2.工作原理1.定子：一、結構2.轉子：1423U1U2V1V2W2W1三相磁阻式步進電動機原理圖6.2步進電動機2.工作原理●一拍：從一次通電到另一次通電?！癫骄嘟牵好恳慌霓D子轉過的角度。(1)m相單m拍運行（三相單三拍運行）(2)m相雙m拍運行（三相雙三拍運行）(3)m相單-雙m拍運行（三相雙三拍運行）6.2步進電動機1423U1U2V1V2W2W1(1)m相單m拍運行（三相單三拍運行）

通電順序：U相→V相→W

相→U相。1423(1)U相通電1423U1U2V1V2W2W11423(2)V相通電1423U1U2V1V2W2W11423(3)W相通電●

步距角：θ=30°6.2步進電動機(2)m相雙m拍運行（三相雙三拍運行）

通電順序：UV相→VW相→WU相。1423U1U2V1V2W2W1(1)UV相通電14231423U1U2V1V2W2W1(2)VW相通電14231423U1U2V1V2W2W1(3)WU相通電1423●

步距角：θ=30°6.2步進電動機(3)m相單-雙2m拍運行(三相單-雙六拍運行）通電順序：U→UV→V→VW→W→WU→U。1423U1U2V1V2W2W11423U1U2V1V2W2W11423U1U2V1V2W2W11423U1U2V1V2W2W11423U1U2V1V2W2W11423U1U2V1V2W2W11423●θ=15°6.2步進電動機●步距角：θ=360°zNz

：轉子齒數(shù)N：拍數(shù)●

轉速：一個θ→轉(1/

zN)圈，脈沖頻率為f→每秒轉(f

/

zN)圈。n=60fzN例如：三相步進電動機z=40，則①采用單/雙三拍時：②采用三相六拍時：θ=360°zN360°40×3==3°θ=360°zN360°40×6==1.5°6.2步進電動機●

步進電動機的參數(shù)：脈沖放大器步進電動機脈沖分配器脈沖輸入負載驅動電源

最大靜轉矩、起動頻率、運行頻率。●

步進電動機的控制方式：6.2步進電動機●

步進電動機的典型結構U2U1W2W1V1V26.2步進電動機6.3測速發(fā)電機功能：將轉速信號轉換成與之成正比的電壓信號。用途：校正元件、計算元件。種類：直流測速發(fā)電機、交流測速發(fā)電機。1.直流測速發(fā)電機2.交流測速發(fā)電機1.直流測速發(fā)電機(1)基本結構：與普通小型直流發(fā)電機相同。勵磁方式：電磁式（他勵）和永磁式。EI＋

U－TGRL＋Uf－If電磁式TGRLEI＋

U－永磁式(2)工作原理空載時：U=E

=CEΦ

n負載時：U=E

－Ra

I6.3測速發(fā)電機U=CEΦ

n－RaURLU=nCEΦ

1+RaRLU∝

nRL→∞

RL2

RL1UnORL2＞RL1①電樞反應——采用較大RL②環(huán)境溫度的變化，引起繞組的電阻值變化——勵磁串低溫度系數(shù)電阻③負載變化，引起電刷與換向器接觸電阻的變化?！徒佑|電阻電刷6.3測速發(fā)電機2.交流測速發(fā)電機(1)基本結構定子：

定子鐵心上有兩相對稱繞組。轉子：籠型、杯型。輸出繞組勵磁繞組(2)工作原理Φd正弦交流uf→if→Φd

Φd=Φdm

sinωt①

轉子靜止時：勵磁繞組:一次繞組轉子繞組:二次繞組－Uf＋IfEf××··Ed→Ef→Ed→Id6.3測速發(fā)電機IfId→Ff→Fd→Φd××··－Uf＋IfEfΦdEd忽略勵磁繞組的漏阻抗，則：Uf=－Ef=

j

4.44fkwfNfΦdm輸出繞組：與Φd

無交鏈，不會產(chǎn)生E0。＋

U0－Ed=－j

4.44fkwrNrΦdm即：n=0時，U0

=0。勵磁繞組：轉子繞組：6.3測速發(fā)電機②轉子旋轉時：Φd－Uf＋IfEfΦd＋

U0－交變感應旋轉切割（右手定則）

Ed→Id

Eq→IqEq·×××··→ΦqΦq

eq=

C1Φd

n（轉子繞組的q軸電動勢）=

C1n

Φdm

sinωtΦq

=C2eq（q軸氣隙磁通）=

C1C2n

Φdm

sinωt=

Φqm

sinωtC1、C2——電機常數(shù)。Φqm

=

C1C2n

Φdm6.3測速發(fā)電機輸出繞組：U0=－E0=j4.44fkw0N0Φqm=j4.44fkw0

N0C1C2n

Φdm

=C1C2n

Uf

kw0

N0kwfNfΦq→E0→U0輸出空載電壓：－Uf＋IfEfΦd＋

U0－Eq·×××··ΦqE0

結論：①U0

∝n；②

u0與uf同頻率、同相位。6.3測速發(fā)電機6.4自整角機

功能：將轉角信號轉換成電壓信號，或反之。通過兩個或兩個以上的組合，以實現(xiàn)轉角的傳輸、轉換和接收。

同步聯(lián)接系統(tǒng)：無機械聯(lián)接的兩個系統(tǒng)同步轉動。

種類：①按作用的不同：力矩式、控制式；②按相數(shù)的不同：單相、三相。

結構：

定子、轉子。單相：定子為三相繞組、轉子為單相繞組；三相：定子、轉子均為三相繞組。自整角機的結構示意圖轉子鐵心單相繞組定子鐵心三相繞組電刷1.力矩式自整角機2.控制式自整角機6.4自整角機1.力矩式自整角機UVWUVWa發(fā)送機b接收機~ΦΦEUaEVaEWaEUbEVbEWb(1)轉子處在協(xié)調位置時

縱向脈振Φ

→EUa=EUb，EVa=EVb，EWa=EWb;IUIVIWIU=IV=

IW=0

→Te

=0，轉子靜止。定同子步繞組6.4自整角機UVWUVWa發(fā)送機b接收機~EUaEVaEWaEUbEVbEWbIUIVIW(2)轉子處在非協(xié)調位置時Φ

Φ

→EUa≠EUb，EVa≠EVb，EWa≠EWb;IU、IV、IW≠0

Φ→Te

≠

0，6.4自整角機UVWUVWa發(fā)送機b接收機~EUaEVaEWaEUbEVbEWbIUIVIW(2)轉子處在非協(xié)調位置時Φ→EUa≠EUb，EVa≠EVb，EWa≠EWb;ΦIU、IV、IW≠0

→Te≠

0，接收機轉子旋轉

角。

Φ從新達到協(xié)調位置，使IU=IV=

IW=0，

Te=0。6.4自整角機2.控制式自整角機UVWa控制式發(fā)送機UVWb自整角變壓器ΦΦ'EUaEVaEWaIUIVIW＋Uf－＋U0－(1)轉子處在協(xié)調位置時

Φ→EU、EV、EW

不同大小同相位，則IU、IV、IW不同大小同相位→產(chǎn)生縱向脈振磁場→與輸出繞組不交鏈→U0=0。6.4自整角機UVWa控制式發(fā)送機UVWb自整角變壓器＋Uf－＋U0－(2)轉子處在非協(xié)調位置時EUaEVaEWa

ΦIUIVIWΦ'Φ→EU、EV、EW→IU、IV、IW→Φ'→Φ'與輸出繞組交鏈E0→產(chǎn)生E0∝sin

。即U0∝sin

。6.4自整角機6.5旋轉變壓器

功能：將轉子轉角變換成與之有函數(shù)關系的電壓信號。

結構：相當于一臺兩相繞線型異步電動機。定、轉子鐵心上都有兩個結構相同而互相 垂直的繞組。

種類：計算用和數(shù)據(jù)傳輸用旋轉變壓器。1.正余弦旋轉變壓器2.線性旋轉變壓器3.比例式旋轉變壓器4.數(shù)據(jù)傳輸用旋轉變壓器1.正余弦旋轉變壓器

將轉子轉角變換成與之成正余弦函數(shù)關系的電壓信號。

定子：

D1D2：勵磁繞組；

D3D4

：補償繞組。

轉子：

Z1Z2：余弦輸出繞組；

Z3Z4：正弦輸出繞組。D1D2D3D4Z1Z2Z3Z4基準位置（初始位置）6.5旋轉變壓器(1)空載運行D1D2D3D4Z1Z2Z3Z4＋Uf－＋Ucos－＋Usin－轉子處在基準位置時ID12Uf

→ID12→FDd→Φd

轉子處在基準位置時：在D1D2中：Φd→ED

在Z1Z2中：Φd→EZ

在Z3Z4中：沒有感應。

ED=

4.44fkw1N1ΦdmEZ=

4.44fkw2N2Φdmk==EZEDkw2N2kw1N16.5旋轉變壓器

轉子偏離基準位置

角時：轉子偏離基準位置

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

ΦZ12=Φdcos

ΦZ34=Φdsin

EZ12=EZcos

=kEDcos

=kUfcos

EZ34=EZsin

=kEDsin

=kUfsin

空載輸出電壓：

Ucos=kU