控 制 电 机

1. 第 六 章 控 制 电 机

2. 6.1伺服电动机 6.2测速发电机 6.3力矩电机 6.4小功率同步电动机

3. 控制电机的主要任务是转换和传递控制信号， 各种控制电机有各自的控制任务： 伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱动控制对象； 测速发电机将转速转换为电压，并传递到 输入端作为反馈信号。 步进电动机将脉冲信号转换为角位移或线位移。

4. 控制电机的主要任务是转换和传递控制信号， 对控制电机的主要要求： 动作灵敏、准确、 重量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。

5. 交流伺服电动机 直流伺服电动机 伺服电动机又称执行电动机。其功能是将输入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角速度，驱动控制对象。 6.1伺服电动机 伺服电动机可控性好，反应迅速。是自动控 制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。 伺服电动机可分为分类：

6. 6.1.1交流伺服电动机 交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差90的两个绕组：励磁绕组和控制绕组，其结构如图所示。 控制绕组 内定子 励磁绕组 杯形转子 交流伺服电动机结构图

7. 1 + – + 控制信号 + 1 – – 放 大 器 检 测 元 件 + 励磁绕组 + – (a）接线图 (b) 相量图 – 控制绕组 交流伺服电动机的接线图和相量图 励磁绕组串联电容C , 是为了产生两相旋转磁场。 适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近90(如图b),从而产生所需的旋转磁场。

8. 控制信号 控制电压 与电源电压 频率相同，相位相同或反相。 放 大 器 检 测 元 件 + – 控制绕组 + 工作时两个绕组中产生的电流 和 的相位差近于90º，因此便产生两相旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。 – 加在控制绕组上的控制电压反相时(保持励 磁电压不变)，由于旋转磁场的旋转方向发生变 化，使电动机转子反转。

9. 交流伺服电动机的特点： 在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。

10. n U2 0.8 U2 0.6U2 0.4 U2 o T 交流伺服电动机的机械特性如图所示。 不同控制电压下的机械特性曲线 n=f(T),U1=常数 在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的 下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时， 电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。

11. 应用: 交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广泛，如用在各种自动控制、自动记录等系统中。

12. 6.1.2直流伺服电动机 直流伺服电动机的结构与直流电动机基本相 同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。 直流伺服电动机的工作原理也与直流电动机 相同。

13. I2 I1 放 大 器 + + U2 U1 U – – M 6.1.2直流伺服电动机 供电方式：他励供电。励磁绕组和电枢分别由两个独立的电源供电。 U1为励磁电压， U2为电枢电压 直流伺服电动机的接线图

14. n U2 0.8U2 0.6U2 0.4U2 T 直流伺服电机的机械特性与他励直流电机相同一样，也可用下式表示 机械特性曲线如图所示。 直流伺服电动机的 n=f(T)曲线(U1=常数) 由机械特性可知： (1) 一定负载转矩下，当磁通不变时，U2 n。 (2) U2=0时，电机立即停转。 电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机反转。

15. 应用： 直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。通常应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控制等。 直流伺服电机输出功率一般为1-600W。

16. 交流：结构简单可靠功率小 直流：特性硬、线性好、 结构复杂（有换向器）

17. 6.2测速发电机 测速发电机是一种转速测量传感器。在许 多自动控制系统中，它被用来测量旋转装置的 转速，向控制电路提供与转速大小成正比的信 号电压。 测速发电机分为交流和直流两种类型。

18. 6.2测速发电机 6.2.1交流测速发电机 交流测速发电机又分为同步式和异步式两 种，这里只分析异步式交流测速发电机的工作 原理。

19. • • • + 励磁 绕组 1 • – 输出 绕组 – + 6.2.1交流测速发电机 异步式交流测速发电机的结构与杯形转子 交流伺服电机相似，它的定子上有两个绕组， 一个是励磁绕组，一个是输出绕组。 输出绕组 定子 励磁绕组 转子

20. 工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电 源U1，由 U1  4.44 f1N11可知： 当被测转动轴带动发电机转子旋转时，转 子切割1产生转子感应电势Er和转子电流Ir， 它们的大小与1和转子转速 n成正比： 转子电流 Ir也产生磁通r ，r 在输出绕组中感应出电压U2 ， U2的大小与r成正比：

21. 综合上述分析可知： 当 U1恒定不变时， U2与n 成正比，这样， 发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压 信号，输出给控制系统。 由于铁心线圈电感的非线性影响，交流测 速发电机的输出电压 U2与n 间存在着一定的非 线性误差，使用时要注意加以修正。

22. I1 I2 + + + RL U1 E U2 TG – Ra – – 他励式直流测速发电机接线图 6.2.1 直流测速发电机 直流测速发电机分永磁式和他励式两种。 两种电机的电枢相同，工作时电枢接负载电阻 RL。但永磁式的定子使用永久磁铁产生磁场， 因而没有励磁线圈；他励式的结构与直流伺服 电机相同，工作时励磁绕组加直流电压U1励磁。

23. 当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时， 电枢产生电动势E，其大小为： 发电机的输出电压为： 上式中代入： 得：

24. U2 RL2<RL1 RL= RL1 RL2 n 0 可见，当励磁电压U1保持恒定时（ 亦恒 定），若Ra、RL不变，则输出电压U2的大小与 电枢转速 n 成正比。这样，发电机就把被测装 置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制 系统。

25. 由于直流电机中存在着电枢反应现象，使得输出电压U2与转速n 有一定的线性误差。 RL越小、n 越大，误差越大。因此，在使用中应使RL和 n的大小符合直流测速发电机的技术要求。

26. §6.3力矩电机

27. §6.3 力矩电机 • 一般电机n比较高（n小时不稳定） 当工作中n不高时，可用减速器，但复杂,动态不好 力矩电机就是能输出低速大扭矩的伺服电机

28. 交流力矩电机 直流力矩电机 同步力矩电机 异步力矩电机 §6.3 力矩电机 • 分类：

29. §6.3.1永磁式直流力矩电动机的结构特点 1、扁平形状 2、轴向短 径向长 3、永磁励磁

30. §6.3.2转矩和转速 • 一、转矩 当磁极中的B（磁感应强度）一定时单根导线受力大小： F＝BIL＝BIaL（L为绕组有效长度） 电枢扭矩： T=FN D/2 =((BIa N L)/2)D

31. T=FN D/2 =((BIa N L)/2)D 当体积不变时由πD2L=C 所以 D↑L↓ 当耗铜量不变（导线总长度及直径不变时） 应 L↓N↑ NL不变 所以T＝KD既D ↑时T扭矩增加

32. 结论： • 相同体积和用铜量（材料用量）情况下 • D 越大扭矩 T↑

33. 由反电势 ef=BLV（V为切割线速度） V=πD n/60（周长和转速） 而电枢电压平衡为 ： U＝ ef＋IaR • 二、转速

34. 当 T＝0时 n=n0 Ia=0 • U＝ ef =(1/2)BNLπD n0/60 • n0=(120/π)(Ua/NBLD)=K/D • 既当D↑时, n0↓

35. §6.3.3特点应用 • ★ 适于低速大扭矩 ★ 堵转时不易损坏（制造时） ★ 精度高反应快 ★ 调速范围宽

36. §6.4 • 小功率同步电机

37. 应用于小型而有恒速要求的装置中 • 如记录纸，走纸机构、电唱机、录音机（高级） • 结构：定子同异步 • 转子：无绕组

38. 永磁式（高速） 磁阻式（低速） 磁滞式 §6.4 小功率同步电机 • 分类 按转子工作原理

39. §6.4.1永磁式 • 一、结构与大功率原理相同 • 只是转子用永久磁铁 • 来取代电磁励磁

40. 一、结构 • 二、启动：与大功率一样有笼型 启动绕组 • 但这时由于有磁场会产生一定的制动转矩，所以启动时负载小

41. §6.4.2 磁阻式减速同步电机 • 一、结构 >定子：有内齿Zd导磁材料制造 有三相绕组 >转子：有外齿Zr导磁材料制造 >齿数: Zr>Zd且不为整数倍

42. 二、工作原理 由于 Zr>Zd >当旋转磁场在A点时，转子与A对应磁阻最小

43. >当旋转磁场在B点时，磁场转过角2π/ Zd • 转子齿与定子B齿对齐（磁场的作用使磁阻最小）转过2π/ Zd-2π/ Zr=θ

44. >旋转磁场转速n0与转子转速n之比 n0/n=KR=(2π/ Zd)/( 2π/ Zd-2π/ Zr)=Zr/(Zr-Zd)

45. KR电磁减速系数(n0/ n) • 电机转速 • n=(1/ KR) n0=((Zr-Zd)/ Zr)60f/p • 由上可知当Zr与Zd之差小时而Zr大时 n就越低