第五章控制電機(jī)

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1、 第五章 控制電機(jī) 控制電機(jī)主要用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為檢測(cè)、比較、放大和執(zhí)行元件。其任務(wù)是轉(zhuǎn)換和傳遞控制信號(hào)。它要求高精度、高靈敏度、高穩(wěn)定可靠性，體積小重量輕，耗電量少等。 這類電機(jī)的特點(diǎn)是：外形尺寸較小，機(jī)殼外徑一般不大于160mm，功率一般不超過(guò)750KW；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制便利，響應(yīng)速度快。缺點(diǎn)是：在力學(xué)指標(biāo)和效率等方面，比普通電機(jī)要低。 第一節(jié) 伺服電動(dòng)機(jī) 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，作為執(zhí)行元件的伺服電動(dòng)機(jī)，是把控制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樗欧妱?dòng)機(jī)軸的角位移或角速度輸出，轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，隨控制信號(hào)電壓的極性(相位)和大小而改變。并同時(shí)帶動(dòng)一定大小的負(fù)載，去完成控制規(guī)律所要求的性能

2、指標(biāo)。 伺服電機(jī)應(yīng)具有伺服性。這就是控制信號(hào)強(qiáng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高；控制信號(hào)弱時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低；若控制信號(hào)為零時(shí)，電動(dòng)機(jī)就應(yīng)該停止。若控制信號(hào)改變極性(或相位)時(shí)，電動(dòng)機(jī)應(yīng)改變轉(zhuǎn)向。 例如：在雷達(dá)天線控制系統(tǒng)中，雷達(dá)發(fā)射機(jī)經(jīng)過(guò)天線發(fā)送出無(wú)線電波束，遇到目標(biāo)時(shí)，其反射回波信號(hào)被雷達(dá)接收機(jī)接收。雷達(dá)接收機(jī)將目標(biāo)的方位和距離確定后，向伺服電動(dòng)機(jī)送出電信號(hào)，伺服電動(dòng)機(jī)按照目標(biāo)方位和距離信號(hào)拖動(dòng)雷達(dá)天線不斷地跟蹤目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)。 一、交流伺服電動(dòng)機(jī) 圖5-1-1伺服電動(dòng)機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子 圖4-1-2 杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖 1-控制繞組 2-勵(lì)磁繞組3-內(nèi)定子 4-外定子 5-轉(zhuǎn)子 圖5-1

3、-2 杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖 交流伺服電動(dòng)機(jī)，就是兩相異步電動(dòng)機(jī)。它的定子上裝有兩個(gè)繞組，一個(gè)是勵(lì)磁繞組，接固定的交流電源。另一個(gè)是控制繞組，接受控制信號(hào)。兩個(gè)繞組在空間上相隔90°。交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子目前有兩種，鼠籠轉(zhuǎn)子和杯形轉(zhuǎn)子。鼠籠轉(zhuǎn)子和三相籠型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子相似。但在結(jié)構(gòu)上，為了減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量常做成細(xì)長(zhǎng)型，并且轉(zhuǎn)子導(dǎo)體采用高電導(dǎo)率的鋁或黃銅制成。杯形轉(zhuǎn)子通常用鋁合金或銅合金制成空心薄壁圓筒，以便減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。此外，空心杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)放置固定的內(nèi)定子，目的是減小磁路的磁阻。杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖5-1-1和5-1-2所示。交流伺服電動(dòng)機(jī)的接線圖如圖5-1-3所示。勵(lì)磁繞組V與電容串

4、聯(lián)接到單相交流電源電壓上，控制繞組U接于同頻率交流電壓或功率放大器的輸出端。 勵(lì)磁繞組串接電容，同單相異步電動(dòng)機(jī)分相原理相同。適當(dāng)選擇C的數(shù)值，可使勵(lì)磁電流超前于電壓，從而使勵(lì)磁繞組的端電壓，與電源電壓間有近90°的相位差。放 大 器 檢 測(cè) 元 件 控制信號(hào) 圖5-1-3 交流伺服電動(dòng)機(jī)接線圖 而控制繞組的電壓其頻率與及相同，而相位與相同或相反(對(duì)應(yīng)伺服電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn))。勵(lì)磁繞組和控制繞組中的電流相位差基本上是90°，這樣便產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。的大小取決于控制信號(hào)的大小，從而決定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢。調(diào)節(jié)的大小可以控制伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 當(dāng)

5、控制繞組U中沒(méi)有控制信號(hào)（=0）時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于單相狀態(tài)，勵(lì)磁繞組V所產(chǎn)生的磁場(chǎng)是脈動(dòng)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子沒(méi)有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)。當(dāng)控制繞組加上控制電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于兩相狀態(tài)，定子內(nèi)合成磁場(chǎng)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。控制電壓的大小變化時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨著變化。當(dāng)控制電壓反相時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子則都反轉(zhuǎn)。 在運(yùn)行時(shí)如果控制電壓消失，即=0，兩相伺服電動(dòng)機(jī)將變成一臺(tái)單相異步電動(dòng)機(jī)。一般的單相電動(dòng)機(jī)會(huì)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，因?yàn)檫@時(shí)仍有與轉(zhuǎn)子同轉(zhuǎn)向的電磁轉(zhuǎn)矩T存在，這不符合自動(dòng)控制的要求。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，要求控制信號(hào)消失時(shí)，電動(dòng)機(jī)能自動(dòng)立即停轉(zhuǎn)，稱為自制動(dòng)。 為了使兩相伺服電動(dòng)機(jī)能夠自制動(dòng)，設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)

6、，必須將電機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻增大，使發(fā)生最大電磁轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)差率sm>1，這時(shí)伺服電動(dòng)機(jī)單相運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的合成電磁轉(zhuǎn)矩T的方向與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向相反，起制動(dòng)作用，使電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)自制動(dòng)。轉(zhuǎn)子電阻加大后，還可以加寬穩(wěn)定運(yùn)行的范圍(0

7、不同控制電壓下的人為機(jī)械特性，如圖5-1-4所示。在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL下，控制電壓Uu越大，則轉(zhuǎn)速n也越高；在一定控制電壓下，負(fù)載轉(zhuǎn)矩加大，轉(zhuǎn)速下降。另外，特性曲線的斜率也隨控制電壓的大小不同而變化，表現(xiàn)為機(jī)械特性較軟，這對(duì)由交流伺服電動(dòng)機(jī)為執(zhí)行元件的控制系統(tǒng)的穩(wěn)定是不利的。交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率，一般在0.1～100W之間。電源頻率有50HZ和400HZ之分。 交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性，可由機(jī)械特性得到。如圖5-1-5所示。該調(diào)節(jié)特性屬幅值控制，即改變控制電壓Uu的大小電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨之改變的關(guān)系曲線。從圖中看到，幅值控制的調(diào)節(jié)特性也不是直線，只當(dāng)n較低時(shí)近似為直線。因此，交流伺服電動(dòng)機(jī)在伺服

8、系統(tǒng)中為保證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)誤差要求，應(yīng)盡量使電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性工作于n較小的區(qū)域。為此，許多交流伺服電動(dòng)機(jī)采用400HZ的交流電源，用以提高其同步轉(zhuǎn)速n0。 從調(diào)節(jié)特性上看出，負(fù)載轉(zhuǎn)矩大時(shí)，初始起動(dòng)電壓也高。由于交流伺服電動(dòng)機(jī)輸出功率P2=T2ω≈Tω，在控制電壓Uu一定的條件下，若轉(zhuǎn)速低，即ω小，輸出功率P2也很小，若轉(zhuǎn)速接近理想空載轉(zhuǎn)速時(shí)，雖然ω高，但T很小，輸出功率也不大。只當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩TN，而轉(zhuǎn)速也達(dá)到額定轉(zhuǎn)速nN時(shí)，電機(jī)可輸出最大功率。通常規(guī)定為電動(dòng)機(jī)的額定輸出功率PN。所以交流伺服電動(dòng)機(jī)的額定輸出功率的規(guī)定方法與普通電機(jī)是不同的。 交流伺服電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是控制特性是非線性的

9、，轉(zhuǎn)速與控制電壓間是非線性關(guān)系，屬于非線性控制。在這點(diǎn)上，其控制性能不如直流伺服電動(dòng)機(jī)。 二、直流伺服電動(dòng)機(jī) T 0 n n0 U2 0.8U2 0.6U2 0.4U2 圖5-1-7 直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 即 n=f(t) 曲線 直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和一般直流電動(dòng)機(jī)沒(méi)有本質(zhì)上區(qū)別，就是微型的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。只是為子減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量而做得細(xì)長(zhǎng)一些。它的勵(lì)磁方式通常有它勵(lì)式和永磁式兩種。直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方式，通常采用保持勵(lì)磁磁通一定，控制電樞電壓的方式(電樞控制)。 M 放 大 器 U2 I2 U1 I1 圖5-1-6 直流伺服電動(dòng)機(jī)接線圖

10、 電樞控制直流伺服電動(dòng)機(jī)的接線如圖5-1-6所示。勵(lì)磁繞組長(zhǎng)期接在一個(gè)電壓恒定的直流電源U1上，或采用永久磁鐵。電樞繞組接到控制電壓U2上，作為控制繞組。改變控制電壓U2的數(shù)值，直流伺服電動(dòng)機(jī)則處于改變電樞電壓的調(diào)速狀態(tài)，它的機(jī)械特性是一族平行直線，如圖5-1-7所示。 T=0 T′ T″ n n0 T″ > T′ > T 0 U2 UK′ UK″ n0′ n0″ 圖5-1-8 直流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)特性曲線 直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性如圖5-1-8所示，就是電動(dòng)機(jī)在一定轉(zhuǎn)矩下，轉(zhuǎn)速n與電樞控制電壓U2的關(guān)系。當(dāng)T一定

11、時(shí)，電樞控制電壓U2高時(shí)，轉(zhuǎn)速n也高，而且控制電壓的增加與轉(zhuǎn)速的增加之間成正比關(guān)系；另外，當(dāng)轉(zhuǎn)速n=0時(shí)，不同的轉(zhuǎn)矩T需要不同的控制電壓U2。如T＝T′，U2= UK′。這表明，只要U2> UK′，電動(dòng)機(jī)才能轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，而當(dāng)U2在0～UK′之間，盡管有控制電壓，電機(jī)仍然堵轉(zhuǎn)。一般稱0～UK′之間為死區(qū)，或失控區(qū)。稱UK′為對(duì)應(yīng)T′下的始動(dòng)電壓。T不同，始動(dòng)電壓也不同。只當(dāng)T=0時(shí)，即電動(dòng)機(jī)為理想空載時(shí)，只要U2>0，電動(dòng)機(jī)即可轉(zhuǎn)動(dòng)。 直流伺服電動(dòng)機(jī)，當(dāng)控制電壓改變極性時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向也改變，所以，實(shí)現(xiàn)可逆調(diào)速或伺服控制是直流伺服電動(dòng)機(jī)的重要性能。直流伺服電動(dòng)機(jī)，常用于功率稍大的自動(dòng)控制

12、中，尤其以隨動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用更為普遍。電機(jī)的輸出功率一般在1～600W之間。直流伺服電動(dòng)機(jī)與交流伺服電動(dòng)機(jī)相比較，直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性較硬。 第二節(jié) 自整角機(jī) 自整角機(jī)也稱自同步機(jī)。是作為遠(yuǎn)距離角度傳送、交換和指示的同步傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電元件，廣泛用于各種隨動(dòng)系統(tǒng)之中，通過(guò)兩臺(tái)或多臺(tái)自整角機(jī)以電路聯(lián)系方式，可使在機(jī)械上互不相連的轉(zhuǎn)軸作同步偏轉(zhuǎn)。產(chǎn)生信號(hào)的一方稱發(fā)送機(jī)，接收信號(hào)的一方或多方稱接收機(jī)。所以自整角機(jī)，總是發(fā)送方與接收方配合使用的。 自整角機(jī)按不同的使用要求，可分為力矩式 (在指示狀態(tài)下工作)和控制式(工作于變壓器狀態(tài)下)兩類。 一、自整角機(jī)的結(jié)構(gòu) 自整角機(jī)有初級(jí)繞組和次

13、級(jí)繞組。初級(jí)繞組作為勵(lì)磁，加正弦交流電壓，可以用單相交流電源供電，稱單相自整角機(jī)，也可以用三相交流電源供電，稱為三相自整角機(jī)。次級(jí)繞組總是三相的，一般接成Y型。如圖：5-2-1所示。 圖5-2-1 自整角機(jī)定子和轉(zhuǎn)子及繞組結(jié)構(gòu) 1-轉(zhuǎn)子 2-定子磁極 3-定子繞組 4-定子 5-轉(zhuǎn)子磁極 6-轉(zhuǎn)子繞組 單相自整角機(jī)，在結(jié)構(gòu)上也分成定子和轉(zhuǎn)子兩部分。從勵(lì)磁方式上，可分為三種： 1．定子勵(lì)磁式 初級(jí)為單相勵(lì)磁繞組，裝于凸極定子上，次級(jí)為對(duì)稱分布式的三相繞組，嵌在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)，通過(guò)三個(gè)滑環(huán)與外電路相連接。 2．轉(zhuǎn)子勵(lì)磁式 初級(jí)單相繞組裝于凸極轉(zhuǎn)子上，通過(guò)兩個(gè)滑環(huán)與

14、外電路連接，三相次級(jí)繞組裝于定子槽內(nèi)。 這兩種結(jié)構(gòu)，在電路原理上沒(méi)有區(qū)別，只是制造工藝上的差異。目前廣泛應(yīng)用的是凸極轉(zhuǎn)子勵(lì)磁式自整角機(jī)。因?yàn)?，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁滑環(huán)數(shù)少，可靠性更好。 3．隱極式轉(zhuǎn)子和定子 將三相繞組裝于隱極定子槽內(nèi)，而單相勵(lì)磁繞組嵌裝于轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)，由滑環(huán)引出與外電路連接。 此外，還有無(wú)接觸自整角機(jī)，在結(jié)構(gòu)上沒(méi)有電刷和滑環(huán)。勵(lì)磁繞組和三相繞組都放在定子上，安放三相繞組的鐵心與普通三相交流電機(jī)相似。轉(zhuǎn)子是由硅鋼片迭成兩部分，中間有一層非導(dǎo)磁材料，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組。勵(lì)磁繞組與單相電源相連接。無(wú)接觸自整角機(jī)工作可靠性高、壽命長(zhǎng)、傳動(dòng)準(zhǔn)確性較高、抗無(wú)線電干擾力強(qiáng)，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，使用不廣。

15、 二、控制式自整角機(jī) α d q U V W U′ W′ V′ α-β 發(fā)送機(jī) 接收機(jī) 圖 5-2-2 控制式自整角機(jī)原理圖 控制式自整角機(jī)又稱為變壓器式自整角機(jī)，其接線圖如圖5-2-2所示。發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的定子三相繞組按順序依次對(duì)應(yīng)聯(lián)結(jié)。發(fā)送機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組作為勵(lì)磁繞組接在固定交流電源上。接收機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組則作為輸出繞組，其輸出電壓由定子磁通感應(yīng)產(chǎn)生。 控制式自整角機(jī)工作原理：首先假定，定子繞組U相的軸線為基準(zhǔn)軸線，發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子軸線與U相軸線間的夾角α為發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子位置角。接收機(jī)的U′相軸線方向與發(fā)送機(jī)U相軸線相同，接收機(jī)轉(zhuǎn)子軸線的垂線與定子U′

16、相軸線間的夾角為轉(zhuǎn)子的位置角β，稱α-β＝θ為失調(diào)角。 當(dāng)發(fā)送機(jī)勵(lì)磁繞組通入勵(lì)磁電流后，在繞組軸線方向產(chǎn)生空間脈動(dòng)交變磁通。設(shè)其幅值為Φm，該磁通在定子三相繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，定子各相繞組感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)同相同頻率，其有效值的大小與α有關(guān)。當(dāng)α=0時(shí)，U相電動(dòng)勢(shì)有效值為E=4.44f1N1Φm，f1為交流電源的頻率，N1為三相定子繞組每相匝數(shù)。 發(fā)送機(jī)與接收機(jī)的三相繞組對(duì)應(yīng)聯(lián)結(jié)，構(gòu)成了三相對(duì)稱電路，流過(guò)每相電流也是同相同頻率，其有效值的大小也相等，其值與α的大小有關(guān)。三相電流在各自的軸線上產(chǎn)生相應(yīng)的基波脈動(dòng)磁動(dòng)勢(shì)，其發(fā)送機(jī)中的磁動(dòng)勢(shì)幅值F與α的大小有關(guān)，這三個(gè)磁動(dòng)勢(shì)在轉(zhuǎn)子軸線上產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)

17、幅值為 ，這三個(gè)磁動(dòng)勢(shì)在發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子軸線的垂直方向上產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)幅值為0，所以合成的總磁動(dòng)勢(shì)為。發(fā)送機(jī)三相定子繞組總磁動(dòng)勢(shì)大小為常數(shù)，其方向與發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子軸線方向一致，而與轉(zhuǎn)子位置角α無(wú)關(guān)。當(dāng)發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其定子磁動(dòng)勢(shì)幅值不變，方向隨之同樣轉(zhuǎn)動(dòng)。又由于發(fā)送機(jī)定子繞組與接收機(jī)定子繞組對(duì)應(yīng)連接，形成的相電流、和在接收機(jī)中產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)與大小相等，而方向相反(發(fā)送機(jī)流出，向接收機(jī)流入)，即=-。當(dāng)與U軸的夾角為α?xí)r，與U′軸夾角也為α。如果接收機(jī)轉(zhuǎn)子軸線與U′軸重合，則與接收機(jī)轉(zhuǎn)子軸線間夾角也為α。交變脈動(dòng)磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生脈動(dòng)磁通Φ′。Φ′將在接收機(jī)轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E′，E′的大小與發(fā)送機(jī)和接收機(jī)兩轉(zhuǎn)子

18、間的失調(diào)角θ＝α-β有關(guān)。 同發(fā)送機(jī)三相磁動(dòng)勢(shì)方程式相似，接收機(jī)三相磁通在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出的同頻同相電動(dòng)勢(shì)，其有效值與α、β的大小有關(guān)。自整角接收機(jī)轉(zhuǎn)子繞組兩端電壓的有效值為各相電動(dòng)勢(shì)有效值之和，即 （5-2-1） 式中，Um是接收機(jī)輸出繞組最大輸出電壓有效值。 式(5-2-1)表明了自整角接收機(jī)轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓與發(fā)送機(jī)和接收機(jī)兩轉(zhuǎn)子間的失調(diào)角的關(guān)系為U＝f(θ)是正弦函數(shù)關(guān)系。當(dāng)θ＝0時(shí)，U=0；當(dāng)θ＝90°時(shí)，U有最大值。當(dāng)θ=0～-180°范圍內(nèi)，U為負(fù)值。 控制式自整角機(jī)在系統(tǒng)中，特別是在隨動(dòng)系統(tǒng)中作為比較元件應(yīng)用，自整角機(jī)本身的精度直接影響系

19、統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)精度。影響控制式自整角機(jī)準(zhǔn)確度的因素主要有：?jiǎn)蜗嗬@組和三相繞組的互感曲線非正弦性，三相繞組電磁不對(duì)稱，齒諧波，定子和轉(zhuǎn)子中心偏差；鐵心磁導(dǎo)率的不均勻等等。 三、力矩式自整角機(jī) 控制式自整角機(jī)在控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角隨動(dòng)，是通過(guò)發(fā)送機(jī)和接收機(jī)轉(zhuǎn)子間的失調(diào)角θ≠0，使接收機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的輸出電壓U≠0，經(jīng)交流放大后，推動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)。同時(shí)帶動(dòng)接收機(jī)的轉(zhuǎn)子不斷地消除失調(diào)角，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角隨動(dòng)。在另外一些場(chǎng)合，如果負(fù)載很輕(例如只帶動(dòng)儀表的指針)就不需要伺服電動(dòng)機(jī)。為此，可以使自整角機(jī)工作于力矩狀態(tài)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)角度隨動(dòng)。 力矩式自整角機(jī)的工作原理，是利用自整角機(jī)系統(tǒng)在接收機(jī)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生力矩

20、，使接收機(jī)傳子的位置自動(dòng)地與發(fā)送機(jī)的位置相協(xié)調(diào)。當(dāng)發(fā)送機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，接收機(jī)能夠隨之同步轉(zhuǎn)動(dòng)。力矩式自整角機(jī)原理圖，如圖5-2-3所示。 α U V W U′ W′ V′ β 發(fā)送機(jī) 接收機(jī) 圖 5-2-3 力矩式自整角機(jī)原理圖 與控制式自整角機(jī)不同之處在于，發(fā)送機(jī)和接收機(jī)勵(lì)磁繞組同接于單相交流電源上，而發(fā)送機(jī)和接收機(jī)三相繞組同控制式自整角機(jī)一樣，依序?qū)?yīng)相聯(lián)結(jié)。 設(shè)交流電源在兩轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中產(chǎn)生的磁通為Φ=Φmsinωt。該磁通分別在發(fā)送機(jī)和接收機(jī)三相定子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這些電動(dòng)勢(shì)的相位與單相電源同相，而大小取決于每相繞組(以U和U′軸線為基準(zhǔn))與兩

21、轉(zhuǎn)子軸線的夾角(分別為α和β)。 當(dāng)發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的轉(zhuǎn)子對(duì)U和U′軸線的位置角α=β時(shí)，由于發(fā)送機(jī)和接收機(jī)參數(shù)完全對(duì)稱，在相應(yīng)的每相繞組U—U′，V—V′，W—W′的電動(dòng)勢(shì)大小相等，方向相同。因而在相互聯(lián)結(jié)的每對(duì)相繞組中合成總電動(dòng)勢(shì)為零，在連接線及各相繞組中沒(méi)有電流，即 IU = IV = IW = 0 （5-2-2） 如果將發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的轉(zhuǎn)子相對(duì)轉(zhuǎn)過(guò)某一角度為θ=α-β。那么相應(yīng)的定子繞組里會(huì)出現(xiàn)大小不等的電動(dòng)勢(shì)，因而在定子各相連接線中產(chǎn)生電流IU、IV和IW。這些電流在兩邊定子中產(chǎn)生合成磁動(dòng)勢(shì)，該合成磁動(dòng)勢(shì)與兩轉(zhuǎn)子磁通相互作用，在發(fā)

22、送機(jī)和接收機(jī)軸上形成力矩。由于發(fā)送機(jī)和接收機(jī)中各相繞組里的電流方向是相反的。因此，作用在發(fā)送機(jī)和接收機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩方向也是相反的。如果將發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子固定住，而只讓接收機(jī)轉(zhuǎn)子自由轉(zhuǎn)動(dòng)，那么接收機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的力矩會(huì)力圖使轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動(dòng)，直到與發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子協(xié)調(diào)為止， 即α-β=θ=0。也就是說(shuō)，當(dāng)發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的轉(zhuǎn)子間出現(xiàn)失調(diào)角θ時(shí)（θ≠0），作用在接收機(jī)軸上的力矩會(huì)反過(guò)來(lái)消除這個(gè)失調(diào)角，使接收機(jī)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在失調(diào)角θ= 0的位置上。作用在轉(zhuǎn)子上的使θ= 0的力矩稱為整步力矩。 如果發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子不斷旋轉(zhuǎn)，接收機(jī)的轉(zhuǎn)子也將以相同的轉(zhuǎn)速隨之旋轉(zhuǎn)，永遠(yuǎn)保持兩轉(zhuǎn)子 間位置的協(xié)調(diào)。實(shí)際的力矩式自整角機(jī)，由于接

23、收機(jī)轉(zhuǎn)子軸有摩擦和負(fù)載力矩，在跟隨過(guò)程會(huì)出現(xiàn)固定的失調(diào)角，在這個(gè)失調(diào)角之下，整步力矩平衡了阻力矩。 力矩式自整角機(jī)靜態(tài)整步力矩與失調(diào)角θ的關(guān)系為 Tst=Tmsinθ （5-2-3） 式中，Tm為當(dāng)θ＝90°時(shí)的最大整步力矩。式(5-2-3)表明：力矩式自整角機(jī)的靜態(tài)整步力矩大小與轉(zhuǎn)子的位置角α和β無(wú)關(guān)，只取決于失調(diào)角θ，并且有TST＝f(θ)為正弦函數(shù)關(guān)系。發(fā)送機(jī)和接收機(jī)轉(zhuǎn)子在一周內(nèi)有兩個(gè)穩(wěn)定位置，即θ= 0和θ＝180°。其實(shí)，只有θ= 0為穩(wěn)定點(diǎn)，θ＝180°為不穩(wěn)定點(diǎn)。

24、因?yàn)楫?dāng)θ在0～180°范圍內(nèi)整步力矩為正，而θ＝180°～360°范圍內(nèi)，整步力矩為負(fù)。力矩的正與負(fù)分別表示轉(zhuǎn)子順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)θ＝180°-△時(shí)，轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)到θ= 0位置，而當(dāng)θ＝180°+△時(shí)，則轉(zhuǎn)子沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)到θ＝360°(即0°)位置(△為某一很小的角度)。實(shí)際自整角機(jī)的發(fā)送機(jī)和接收機(jī)轉(zhuǎn)子之間的失調(diào)角不會(huì)恰好為180°。任何的微小振動(dòng)都會(huì)使轉(zhuǎn)子向一方或另一方轉(zhuǎn)動(dòng)。最后穩(wěn)定在θ= 0的位置上。 當(dāng)力矩式自整角機(jī)轉(zhuǎn)子以一定轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時(shí)，存在動(dòng)態(tài)整步力矩Tdy，分析Tdy無(wú)實(shí)用意義。當(dāng)力矩式自整角機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于500～600r／min，Tdy可采用如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，即

25、 (5-2-4) 式中，p為自整角機(jī)磁極對(duì)數(shù)；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；f1為電源頻率，TST為靜態(tài)整步力矩。 力矩式自整角機(jī)的準(zhǔn)確度一般用整步力矩來(lái)表示。其定義為失調(diào)角為1°時(shí)的整步力矩，即 （5-2-5） 影響力矩式自整角機(jī)準(zhǔn)確度的因素比控制式的要復(fù)雜得多，其中包括制造誤差和使用誤差兩方面。制造誤差就機(jī)械性質(zhì)方面有轉(zhuǎn)子軸的摩擦，電的方面，有發(fā)送機(jī)和接收機(jī)

26、鋼片的磁導(dǎo)率不均，齒諧波不能完全消除，繞組匝數(shù)的偏差等等。 四、自整角機(jī)選用時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題 1． 控制式自整角機(jī)和力矩式自整角機(jī)，在使用上有不同的特點(diǎn)?？刂剖阶哉菣C(jī)適用于精度高、負(fù)載較大的伺服系統(tǒng)；力矩式自整角機(jī)用于傳遞精度較低的指示系統(tǒng)。 2． 自整角機(jī)的勵(lì)磁電壓和電流頻率必須與供電電源相符合。若電源任意時(shí)，應(yīng)當(dāng)選用電壓較高，頻率也較高的自整角機(jī)。這會(huì)使自整角機(jī)性能好，體積小。 3．互接使用的自整角機(jī)，對(duì)接繞組的額定電壓和頻率應(yīng)相同。 4．在電源容量允許條件下，宜選用輸出阻抗較低的發(fā)送機(jī)，以便獲得較大的負(fù)載能力；控制式自整角機(jī)宜選用輸入阻抗較高的接收機(jī)，以便減輕發(fā)送機(jī)的負(fù)載。

27、 第三節(jié) 測(cè)速發(fā)電機(jī) 測(cè)速發(fā)電機(jī)是把機(jī)械轉(zhuǎn)速變換為與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)的微型電機(jī)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)和模擬計(jì)算裝置中，作為檢測(cè)元件、解算元件和角加速度信號(hào)元件等，測(cè)速發(fā)電機(jī)得到廣泛的應(yīng)用。在交流、直流調(diào)速系統(tǒng)中，利用測(cè)速發(fā)電機(jī)構(gòu)成雙閉環(huán)中的速度反饋可以大大改善控制系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)精度。 在自動(dòng)控制系統(tǒng)和模擬解算裝置中，對(duì)測(cè)速發(fā)電機(jī)的一般要求是： 1)測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓與轉(zhuǎn)速應(yīng)保持嚴(yán)格的線性關(guān)系。 2)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小，以便保證測(cè)速電機(jī)的響應(yīng)速度。 3)靈敏度要高，即輸出電壓對(duì)轉(zhuǎn)速的變化反應(yīng)要靈敏。 4)抗外界環(huán)境溫度、無(wú)線通訊信號(hào)、噪聲干擾的能力要強(qiáng)。 5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，

28、工作可靠，體積小，重量輕。 目前測(cè)速發(fā)電機(jī)主要有以下幾類： 1)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，又分為永磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，國(guó)產(chǎn)型號(hào)為CY系列；電磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，國(guó)產(chǎn)型號(hào)為ZCF系列。 2)交流測(cè)速發(fā)電機(jī)，可分為同步測(cè)速發(fā)電機(jī)，國(guó)產(chǎn)型號(hào)為CG型(感應(yīng)式)；異步測(cè)速發(fā)電機(jī)，國(guó)產(chǎn)型號(hào)為CK型(空心杯式)CL型(籠型)。 3)霍爾效應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)，(采用新原理、新結(jié)構(gòu))。 一、直流測(cè)速發(fā)電機(jī) 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種微型直流發(fā)電機(jī)，其中永磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)不需要?jiǎng)?lì)磁繞組，采用永久磁極，用矯頑磁力較高的磁鋼制成。電磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)與直流伺服電動(dòng)機(jī)相同，直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理與他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)也相同。原

29、理接線圖如圖5-3-1所示。 + - Uf TG RL n U 圖5-3-1 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)接線圖 在勵(lì)磁電壓Uf恒定條件下，旋轉(zhuǎn)電樞繞組切割磁通產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為E=KEΦNn=Kn。 當(dāng)測(cè)速發(fā)電機(jī)空載時(shí)，電樞電流Ia＝0，則直流測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓U＝U0＝E＝KEΦNn＝Kn，因而輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。 當(dāng)測(cè)速發(fā)電機(jī)接負(fù)載電阻RL時(shí)，電樞電流Ia≠0，則輸出電壓應(yīng)為：U=E-IaRa 式中，Ra為測(cè)速發(fā)電機(jī)電樞回路總電阻。它包括電樞繞組電阻、電刷和換向器間的接觸電阻。電樞電流，根據(jù)歐姆定律為：Ia=U/RL。 將E=Kn和Ia代入電壓方程得：U=E- （5-

30、3-1） 式(5-3-1)表明，當(dāng)Ra、ΦN、RL為恒定值時(shí)，C為常數(shù)，U仍與轉(zhuǎn)速n成正比。但隨負(fù)載電阻RL不同，對(duì)應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)不同的輸出特性。 RL減小，輸出特性斜率下降，U＝f（n）的輸出特性曲線如圖5-3-2。 圖5-3-2 直流測(cè)速發(fā)電機(jī) U=f（n）特性曲線 實(shí)際運(yùn)行中，直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間并不保持嚴(yán)格的線性關(guān)系，而是如圖5-3-2所示，RL′和RL〞的彎曲特性與線性之間產(chǎn)生了誤差。產(chǎn)生這種誤差的原因，主要是直流電機(jī)的電樞反應(yīng)所導(dǎo)致的去磁作用，使ΦN不是常數(shù)。還有電刷接觸壓降和溫度影響等。改善的方法有多種，其中主要的是在定子磁極

31、上安裝補(bǔ)償繞組，限制最高轉(zhuǎn)速及接入適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻RL的值。從工藝上，采用銅-石墨電刷或銅電刷-鍍銀換向器表面等，以減小接觸壓降。 二、交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī) 1．結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 目前應(yīng)用較多的交流測(cè)速發(fā)電機(jī)，主要是空心杯形異步轉(zhuǎn)子測(cè)速發(fā)電機(jī)。它的結(jié)構(gòu)與杯形轉(zhuǎn)子伺服交流電動(dòng)機(jī)相同。轉(zhuǎn)子為一個(gè)薄壁非磁性杯，用高電阻率的硅錳青銅或鋁鋅青銅制成，杯厚約0.2～0.3mm，定子繞組為在空間保持90°的兩相繞組，其中一個(gè)為勵(lì)磁繞組，外加穩(wěn)頻穩(wěn)壓的交流電源；另一個(gè)作為輸出繞組，其端電壓作為測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓U2。 2．工作原理 ≈0 U2 · U1 · I1 · Φ1 · a）

32、U2 · U1 · I1 · Φ1 · + + + · · · Φr · n b） 圖5-3-4 交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)電路原理圖 a）n=0時(shí)原理圖 b）n≠0時(shí)原理圖 當(dāng)測(cè)速發(fā)電機(jī)靜止時(shí)，勵(lì)磁繞組接于額定交流電源，其電壓為U1，頻率為f1。于是，在勵(lì)磁繞組的軸線方向產(chǎn)生一個(gè)交變脈動(dòng)磁通，設(shè)幅值為Φ1。由于輸出繞組與勵(lì)磁繞組在空間相互垂直，則脈動(dòng)磁通Φ1不能在輸出繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，輸出電壓為零(實(shí)際上由于測(cè)速發(fā)電機(jī)的杯形轉(zhuǎn)子形狀不均勻，氣隙不均勻及磁路不是完全對(duì)稱等原因，造成輸出端仍有不大于幾十mV的殘余電壓)，如圖5-3-4a所示。 當(dāng)測(cè)速發(fā)電機(jī)軸被

33、其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)而旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出繞組就有交流電壓輸出，設(shè)為，與同頻率，大小與測(cè)速發(fā)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速n成正比。如圖5-3-4b所示。 當(dāng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，勵(lì)磁繞組脈動(dòng)磁通幅值為 （5-3-2） Φ1與U1成正比。 杯形轉(zhuǎn)子可視為由無(wú)數(shù)并聯(lián)導(dǎo)體條組成的籠形轉(zhuǎn)子，在旋轉(zhuǎn)時(shí)切割Φ1而在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Er和相應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流Ir。Er和Ir又與磁通Φ1和轉(zhuǎn)速n成正比。即Ir∝Er∝Φ1n。 轉(zhuǎn)子電流Ir也要產(chǎn)生磁通Φr，且Ir與Φr成正比，而磁通Φr與輸出繞組的軸線方向一致，因而在該繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，端電壓為U2，則U2也

34、與Φr成正比，即：U2∝Φr。 由此可得出：U2∝Φr∝Ir∝Er∝Φ1n∝U1n 該關(guān)系表明：當(dāng)勵(lì)磁電壓一定時(shí)，測(cè)速發(fā)電機(jī)以轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸出繞組產(chǎn)生輸出電壓，其大小與n成正比。當(dāng)轉(zhuǎn)向改變時(shí)，的相位也改變180°?？梢?jiàn)交流測(cè)速發(fā)電機(jī)同直流測(cè)速機(jī)相似，輸出電壓信號(hào)完全反映了轉(zhuǎn)速信號(hào)的大小和轉(zhuǎn)向。可以檢測(cè)或調(diào)節(jié)與其機(jī)械相連的執(zhí)行元件(伺服電動(dòng)機(jī))的轉(zhuǎn)速。 實(shí)際的交流測(cè)速發(fā)電機(jī)有輸出誤差，其主要影響因素是：勵(lì)磁磁通Φ1并非常數(shù)。因?yàn)?，?lì)磁繞組與轉(zhuǎn)子杯間的關(guān)系，相當(dāng)于變壓器一、二次繞組間的關(guān)系。Φ1是由勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)子電流共同作用而產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子電流與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，勵(lì)磁電流

35、I1和磁通Φ1均發(fā)生變化，使輸出電壓U2與轉(zhuǎn)速n之間的線性關(guān)系受到影響。 3．交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的選用原則 交流測(cè)速發(fā)電機(jī)，主要用于交流伺服系統(tǒng)和模擬解算裝置中，根據(jù)系統(tǒng)的頻率、電壓、工作轉(zhuǎn)速范圍和用途，來(lái)選擇交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的規(guī)格。如用于一般轉(zhuǎn)速檢測(cè)或作為阻尼元件，應(yīng)著重考慮輸出電壓的斜率要大；用于解算元件時(shí)，應(yīng)著重考慮精度要高，輸出電壓的穩(wěn)定要好等等。 交流測(cè)速發(fā)電機(jī)與直流測(cè)速發(fā)電機(jī)相比較，交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)容易，運(yùn)行可靠；沒(méi)有電刷和換向器間的滑動(dòng)接觸，輸出穩(wěn)定，精度高些，摩擦力矩小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，正反向電壓對(duì)稱度好。缺點(diǎn)是，存在相位誤差和剩余電壓；輸出特性隨負(fù)載性質(zhì)而有所不同。因此，選用時(shí)，應(yīng)在滿足系統(tǒng)性能要求的條件下權(quán)衡利弊，合理選用。 思考題 1． 如何改變交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向？ 2． 交流伺服電動(dòng)機(jī)在控制電壓為零時(shí)，為什么能夠迅速停止轉(zhuǎn)動(dòng)？ 3． 自整角機(jī)有哪兩種？它們的工作特點(diǎn)是什么？ 4． 交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子靜止時(shí)有無(wú)電壓輸出？轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)為何輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比？ 54