第9章 控制電機(jī)

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1、電工技術(shù)電工技術(shù)電工技術(shù)電工技術(shù)主編主編 李中發(fā)李中發(fā)制作制作 李中發(fā)李中發(fā)2005年年1月月第第9章章 控制電機(jī)控制電機(jī)了了解解伺伺服服電電動動機(jī)機(jī)的的基基本本結(jié)結(jié)構(gòu)和工作原理構(gòu)和工作原理了了解解測測速速發(fā)發(fā)電電機(jī)機(jī)的的基基本本結(jié)結(jié)構(gòu)和工作原理構(gòu)和工作原理了了解解步步進(jìn)進(jìn)電電動動機(jī)機(jī)的的基基本本結(jié)結(jié)構(gòu)和工作原理構(gòu)和工作原理學(xué)習(xí)要點學(xué)習(xí)要點第第9章章 控制電機(jī)控制電機(jī)9.1 9.1 伺服電動機(jī)伺服電動機(jī)9.2 9.2 測速發(fā)電機(jī)測速發(fā)電機(jī)9.3 9.3 步進(jìn)電動機(jī)步進(jìn)電動機(jī)9.1 伺服電動機(jī)伺服電動機(jī)伺伺服服電電動動機(jī)機(jī)又又稱稱為為執(zhí)執(zhí)行行電電動動機(jī)機(jī)，在在自自動動控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)中中作作為為

2、執(zhí)執(zhí)行行元元件件，把把輸輸入入的的電電壓壓信信號號變變換換成成轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸軸的的角角位位栘栘或或角角速速度度輸輸出出。輸輸入入的的電電壓壓信信號號又又稱稱為為控控制制信信號號或或控控制制電電壓壓，改變控制電壓可以改變伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)向。改變控制電壓可以改變伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)向。自動控制系統(tǒng)對伺服電動機(jī)的主要要求有：自動控制系統(tǒng)對伺服電動機(jī)的主要要求有：（1）調(diào)調(diào)速速范范圍圍寬寬。即即要要求求伺伺服服電電動動機(jī)機(jī)的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速隨隨著著控控制制電壓的改變能在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。電壓的改變能在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。（2）響響應(yīng)應(yīng)速速度度快快。即即要要求求伺伺服服電電動動機(jī)機(jī)通通電電后后能能立立即即運

3、運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，控控制制電電壓壓改改變變時時伺伺服服電電動動機(jī)機(jī)的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速能能非非常常靈靈敏敏和和準(zhǔn)準(zhǔn)確地跟著變化。確地跟著變化。（3）機(jī)機(jī)械械特特性性的的線線性性度度好好。即即要要求求伺伺服服電電動動機(jī)機(jī)在在控控制制電電壓壓一一定定時時其其轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速能能隨隨轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩矩線線性性變變化化，這這樣樣有有利利于于提提高高自動控制系統(tǒng)的動態(tài)精度。自動控制系統(tǒng)的動態(tài)精度。（4）無無“自自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)”現(xiàn)現(xiàn)象象。即即要要求求伺伺服服電電動動機(jī)機(jī)在在控控制制電電壓壓降為零時能立即自行停轉(zhuǎn)。降為零時能立即自行停轉(zhuǎn)。結(jié)結(jié)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)構(gòu)：交交流流伺伺服服電電動動機(jī)機(jī)就就是是兩兩相相異異步步電電動動機(jī)機(jī)，定定定定子子子子裝裝有有兩兩個

4、個繞繞組組，一一個個是是勵勵磁磁繞繞組組，另另一一個個是是控控制制繞繞組組，兩兩個個繞繞組組在在空空間間相相距距90；轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子子子有有鼠鼠籠籠式式轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子和和杯杯形形轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子兩兩種種，為為了了減減小小轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)子做成細(xì)長形，且電阻較大。轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)子做成細(xì)長形，且電阻較大。9.1.1 交流伺服電動機(jī)交流伺服電動機(jī)工工工工作作作作原原原原理理理理：沒沒有有控控制制信信號號時時，定定子子內(nèi)內(nèi)只只有有勵勵磁磁繞繞組組產(chǎn)產(chǎn)生生的的脈脈動動磁磁場場，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子靜靜止止不不動動；有有控控制制電電壓壓時時，定定子子內(nèi)內(nèi)便便產(chǎn)產(chǎn)生生一一個個旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)磁磁場場，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子沿沿旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)磁磁場場的的方方向向旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)

5、，在在負(fù)負(fù)載載恒恒定定的的情情況況下下，電電動動機(jī)機(jī)的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速將將隨隨控控制制電電壓壓的的大大小小而而變變化化；控控制制電電壓壓的的相位相反時，電動機(jī)反轉(zhuǎn)。相位相反時，電動機(jī)反轉(zhuǎn)。機(jī)械特性：機(jī)械特性：機(jī)械特性：機(jī)械特性：負(fù)載一定時，控制負(fù)載一定時，控制電壓從愈高，轉(zhuǎn)速也愈高；在電壓從愈高，轉(zhuǎn)速也愈高；在控制電壓一定時，負(fù)載增加則控制電壓一定時，負(fù)載增加則轉(zhuǎn)速下降。轉(zhuǎn)速下降。特點：特點：特點：特點：起動轉(zhuǎn)矩較大，調(diào)速范起動轉(zhuǎn)矩較大，調(diào)速范圍寬廣，運行平穩(wěn)，噪音小；圍寬廣，運行平穩(wěn)，噪音小；但控制特性非線性，且轉(zhuǎn)子電但控制特性非線性，且轉(zhuǎn)子電阻大，損耗大，效率低，體積阻大，損耗大，效率低，體積大

6、，重量重，只適用于大，重量重，只適用于0.5100W的小功率控制系統(tǒng)。的小功率控制系統(tǒng)。當(dāng)運行中的伺服電動機(jī)失去控制電壓后，處于單相運行狀當(dāng)運行中的伺服電動機(jī)失去控制電壓后，處于單相運行狀態(tài)。合成轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向相反，是制動轉(zhuǎn)矩。態(tài)。合成轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向相反，是制動轉(zhuǎn)矩。因此，正常運轉(zhuǎn)的伺服電動機(jī)，只要失去控制電壓便會迅因此，正常運轉(zhuǎn)的伺服電動機(jī)，只要失去控制電壓便會迅速停止運轉(zhuǎn)，即無速停止運轉(zhuǎn)，即無“自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象?，F(xiàn)象。工作原理：工作原理：工作原理：工作原理：采用電樞控制方式時，采用電樞控制方式時，Uf保保持恒值，當(dāng)電樞電壓持恒值，當(dāng)電樞電壓Uc（即信號電壓）即信號電壓

7、）改變時，得到一組平行的機(jī)械特性。改變時，得到一組平行的機(jī)械特性。9.1.2 直流伺服電動機(jī)直流伺服電動機(jī)結(jié)結(jié)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)構(gòu)：直直流流伺伺服服電電動動機(jī)機(jī)實實質(zhì)質(zhì)上上是是一一臺臺他他勵勵式式直直流流電電動動機(jī)機(jī)。按按結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)可可分分為為傳傳統(tǒng)統(tǒng)型型和和低低慣慣量量型型兩兩大大類類。傳傳統(tǒng)統(tǒng)型型直直流流伺伺服服電電動動機(jī)機(jī)的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)與與普普通通直直流流電電動動機(jī)機(jī)基基本本相相同同，也也是是由由定定子子和和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子兩兩大大部部分組成，分為永磁式和電磁式兩種。分組成，分為永磁式和電磁式兩種。特點：特點：特點：特點：起動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，但易產(chǎn)生火花，起動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，

8、但易產(chǎn)生火花，可靠性差，易產(chǎn)生無線電干擾?？煽啃圆?，易產(chǎn)生無線電干擾。測測速速發(fā)發(fā)電電機(jī)機(jī)是是一一種種測測量量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速的的信信號號元元件件，它它將將輸輸入入的的機(jī)機(jī)械械轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速變變換換為為電電壓壓信信號號輸輸出出，廣廣泛泛應(yīng)應(yīng)用用于于各各種種速速度度和和位位置控制系統(tǒng)中。置控制系統(tǒng)中。測測速速發(fā)發(fā)電電機(jī)機(jī)分分為為交交流流和和直直流流兩兩大大類類。交交流流測測速速發(fā)發(fā)電電機(jī)機(jī)又又分分為為同同步步和和異異步步兩兩種種，直直流流測測速速發(fā)發(fā)電電機(jī)機(jī)分分為為永永磁磁式式和和電電磁式兩種。磁式兩種。自動控制系統(tǒng)對測速發(fā)電機(jī)的主要要求有：自動控制系統(tǒng)對測速發(fā)電機(jī)的主要要求有：（1）輸輸出出特特性性呈呈正正

9、比比關(guān)關(guān)系系并并保保持持穩(wěn)穩(wěn)定定。即即要要求求測測速速發(fā)發(fā)電電機(jī)機(jī)的的輸輸出出電電壓壓與與轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速應(yīng)應(yīng)保保持持嚴(yán)嚴(yán)格格的的正正比比關(guān)關(guān)系系，且且不不隨隨外外界條件的變化而發(fā)生改變。界條件的變化而發(fā)生改變。（2）電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量要小，以保證反應(yīng)迅速。）電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量要小，以保證反應(yīng)迅速。（3）電電機(jī)機(jī)的的靈靈敏敏度度高高。即即要要求求測測速速發(fā)發(fā)電電機(jī)機(jī)的的輸輸出出電電壓壓對對轉(zhuǎn)速的變化反應(yīng)靈敏。轉(zhuǎn)速的變化反應(yīng)靈敏。9.2 測速發(fā)電機(jī)測速發(fā)電機(jī)9.2.1 交流測速發(fā)電機(jī)交流測速發(fā)電機(jī)勵勵磁磁繞繞組組通通入入正正弦弦電電流流時時，在在繞繞組組的的軸軸線線方方向向上上產(chǎn)產(chǎn)生生了了一一個個隨隨時時間間按

10、按正正弦弦規(guī)規(guī)律律變變化化的的脈脈動動磁磁通通1。1在在轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子中中感感應(yīng)應(yīng)出出電流產(chǎn)生，并由此產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁通電流產(chǎn)生，并由此產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁通2。測速發(fā)電機(jī)靜止時測速發(fā)電機(jī)靜止時測速發(fā)電機(jī)靜止時測速發(fā)電機(jī)靜止時，2也沿勵磁繞組的也沿勵磁繞組的軸線方向，忽略勵磁繞組的電阻和漏抗，軸線方向，忽略勵磁繞組的電阻和漏抗，合成磁通合成磁通在勵磁繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電在勵磁繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢動勢E1與勵磁電壓與勵磁電壓U1的關(guān)系為：的關(guān)系為：U1E14.44f1N1m可見，當(dāng)可見，當(dāng)U1和和f1不變時，合成磁通不變時，合成磁通的大的大小基本保持不變，仍為原來的磁通小基本保持不變，仍為原來的磁通1。由于由于1的方

11、向與輸出繞組的軸線垂直，的方向與輸出繞組的軸線垂直，在輸出繞組中不產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，因此，在輸出繞組中不產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，因此，當(dāng)測速發(fā)電機(jī)靜止不動時，輸出電壓為當(dāng)測速發(fā)電機(jī)靜止不動時，輸出電壓為零。零。測測測測速速速速發(fā)發(fā)發(fā)發(fā)電電電電機(jī)機(jī)機(jī)機(jī)旋旋旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)時時時時，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子導(dǎo)導(dǎo)體體因因切切割割磁磁通通1而而產(chǎn)產(chǎn)生生電電動動勢勢和和電電流流。E2和和I2與與磁磁通通1及及轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速n成成正正比比，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子電電流流I2產(chǎn)產(chǎn)生生磁磁通通2，兩兩者者也也成成正正比比，磁磁通通2的的方方向向與與輸輸出出繞繞組組的的軸軸線線方方向向一一致致，因因而而在在輸輸出出繞繞組組中中產(chǎn)產(chǎn)生生與與勵勵磁磁電電壓

12、壓頻頻率率相相同同的的感感應(yīng)應(yīng)電電動動勢勢，輸輸出出繞繞組組兩兩端端得得到到頻頻率率相相同同的的輸輸出出電電壓壓，其其大大小小與與磁磁通通2成成正正比比，輸輸出出電電壓壓U2與與勵勵磁磁電電壓壓U1及及轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速成成正比。正比?？招谋D(zhuǎn)子測速發(fā)電機(jī)與直流測速發(fā)電機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡空心杯轉(zhuǎn)子測速發(fā)電機(jī)與直流測速發(fā)電機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠等優(yōu)點，是目前較為理想的測速元件。單、工作可靠等優(yōu)點，是目前較為理想的測速元件。9.2.2 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī)在恒定的磁場中，電樞繞組旋轉(zhuǎn)在恒定的磁場中，電樞繞組旋轉(zhuǎn)切割磁力線磁通并產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速切割磁力線磁通并產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速n成正比的感應(yīng)電勢成正

13、比的感應(yīng)電勢E=Ken。空載時空載時空載時空載時，電摳電流，電摳電流Ia=0，直流直流測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓和電樞測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓和電樞感應(yīng)電勢相等，由上式可知空感應(yīng)電勢相等，由上式可知空載時直流測速發(fā)電機(jī)的輸出電載時直流測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。壓與轉(zhuǎn)速成正比。負(fù)負(fù)負(fù)負(fù)載載載載時時時時，電電樞樞電電流流，直直流流測測速速發(fā)發(fā)電電機(jī)機(jī)的的輸輸出出電電壓壓為為U2=EIaRa，電樞電流為，電樞電流為Ia=U2/RL，所以輸出電壓為：，所以輸出電壓為：步進(jìn)電動機(jī)是一種用電脈沖信號進(jìn)行控制、并將電脈沖信號步進(jìn)電動機(jī)是一種用電脈沖信號進(jìn)行控制、并將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的控制電機(jī)

14、。步進(jìn)電動機(jī)由專用轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的控制電機(jī)。步進(jìn)電動機(jī)由專用電源供給電脈沖，每輸入一個脈沖，步進(jìn)電動機(jī)就前進(jìn)一步。電源供給電脈沖，每輸入一個脈沖，步進(jìn)電動機(jī)就前進(jìn)一步。9.3 步進(jìn)電動機(jī)步進(jìn)電動機(jī)步進(jìn)電動機(jī)是受脈沖信號控制的，因此適合于作為數(shù)字控制步進(jìn)電動機(jī)是受脈沖信號控制的，因此適合于作為數(shù)字控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件。在負(fù)載能力的范圍內(nèi)，它的位移量與電脈系統(tǒng)的執(zhí)行元件。在負(fù)載能力的范圍內(nèi)，它的位移量與電脈沖數(shù)成正比，速度與脈沖頻率成正比，所以，可以改變脈沖沖數(shù)成正比，速度與脈沖頻率成正比，所以，可以改變脈沖電源的頻率來實現(xiàn)調(diào)速。電源的頻率來實現(xiàn)調(diào)速。步進(jìn)電動機(jī)種類繁多，不同種類、不同作用

15、的步進(jìn)電動機(jī)有步進(jìn)電動機(jī)種類繁多，不同種類、不同作用的步進(jìn)電動機(jī)有不同的結(jié)構(gòu)特點。按步進(jìn)電動機(jī)的運行方式，可將步進(jìn)電動不同的結(jié)構(gòu)特點。按步進(jìn)電動機(jī)的運行方式，可將步進(jìn)電動機(jī)分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩類。常用的旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動機(jī)又分機(jī)分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩類。常用的旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動機(jī)又分為反應(yīng)式、永磁式和感應(yīng)式為反應(yīng)式、永磁式和感應(yīng)式3種，其中，反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)種，其中，反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)具有慣性小、反應(yīng)快和速度高的特點，應(yīng)用比較普遍。具有慣性小、反應(yīng)快和速度高的特點，應(yīng)用比較普遍。定子磁極定子磁極轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)子齒接線方式接線方式9.3.1 步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)1 1單三拍控制方式單三拍控制方式單三拍

16、控制方式單三拍控制方式按照按照ABCA的順序通電。每改變一次通的順序通電。每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)30。如果通電順序如果通電順序改為改為ACBA，則電動機(jī)反轉(zhuǎn)。則電動機(jī)反轉(zhuǎn)。9.3.2 步進(jìn)電動機(jī)的工作原理步進(jìn)電動機(jī)的工作原理2 2六拍控制方式六拍控制方式六拍控制方式六拍控制方式按照按照AABBBCCCAA的順序通電。每的順序通電。每改變一次通電狀改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子順時針態(tài)，轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)15。若改。若改變通電順序，則變通電順序，則電動機(jī)反轉(zhuǎn)。電動機(jī)反轉(zhuǎn)。三相步進(jìn)電動機(jī)的步距角與轉(zhuǎn)子的齒數(shù)三相步進(jìn)電動機(jī)的步距角與轉(zhuǎn)子的齒數(shù)zr和和運行的拍數(shù)運行的拍數(shù)m有如下關(guān)系：有如下關(guān)系：如果脈沖信號的頻率為如果脈沖信號的頻率為f，則步進(jìn)電動機(jī)的則步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為：轉(zhuǎn)速為：9.3.3 步進(jìn)電動機(jī)的步距角與轉(zhuǎn)速步進(jìn)電動機(jī)的步距角與轉(zhuǎn)速