第七章控制電機

本章在已學過的常規旋轉電機基本理論的基礎上，簡要地介紹幾種有特殊性能的常用控制電機

交直流伺服電動機、交直流測速發電機及步進電動機等的基本結構、工作原理、特性等。

第七章控制電機控制電機概述控制電機系統中

廣泛應用于國防、航天航空技術、先進工業技術、民用領域之尖端技術與現代化裝備中。運行高可靠性性能要求特性參數高精度對控制信號的快速響應

傳遞信息變換控制信號執行控制信號自動控制應用雷達的掃描跟蹤、飛機自動駕駛、數控機床控制、遙測遙控、工業機器人控制、宇宙飛船等都少不了控制電機。控制電機概述控制電機按功能分類執行用控制電機

交、直流伺服電動機

步進電動機測速用控制電機

交、直流測速發電機

測位用控制電機

自整角機

旋轉變壓器

（電信號控制動作）(速度信號轉換為電信號)第一節伺服電動機

在自動控制系統中用作執行元件，又稱執行電動機。即將接收到的控制電壓信號轉換為轉軸的角位移或角速度輸出。在自動控制系統中，對伺服電動機的性能要求：無“自轉”現象。空載始動電壓低,靈敏度高機械特性和調節特性為線性,調速范圍寬。快速響應。一、直流伺服電動機結構控制方式電磁式（他勵）和永磁式直流伺服電動機與對應的普通直流電動機在結構上并無本質上的差別電樞控制磁場控制電樞回路電感小，響應快，在自動控制系統中多采用電樞控制。UcUaUc：控制電壓Control一、直流伺服電動機工作原理

直流伺服電動機與普通直流電動機的工作原理是完全相同的。對于電磁式且為樞控方式，當勵磁繞組施加恒壓時，建立氣隙磁通Φ，電樞繞組作為控制繞組接收到控制電壓Uc后，電樞繞組內的電流與磁場作用，產生電磁轉矩T，電動機轉動。當控制電壓Uc=0時，Ic=0，電磁轉矩T=0，電動機立即停轉。保證了電動機無“自轉”現象，所以直流伺服電動機是自動控制系統中一種很好的執行元件。電樞控制一、直流伺服電動機特性與他勵直流電動機改變電樞電壓時的人為機特相似。不同Uc時的機特族是線性的控制電壓UC越大，則n=0時對應的起動轉矩T也越大，越利于起動。T一定Uc越大n越高T一定時的n=f(Uc)機械特性調節特性不同T時的調特族是線性的控制電壓UC<始動電壓Uc0，電動機不轉—“失靈區”。同樣的T下，失靈區越小，靈敏度越高。T1始動電壓一、直流伺服電動機結論

優點：直流伺服電動機在電樞控制方式運行時，特性的線性度好，調速范圍大，效率高，起動轉矩大，沒有“自轉現象”，可以說，具有理想的伺服性能。

缺點：電刷和換向器的接觸電阻數值不夠穩定，對低速運行的穩定有一定影響。此外，電刷與換向器之間的火花有可能對控制系統產生有害的電磁波干擾。結論二、交流伺服電動機

交流伺服電動機在結構上類似單相異步電動機。它的定子鐵心是用硅鋼片、鐵鋁合金或鐵鎳合金片疊壓而成，在其槽內嵌放兩個空間相差90

電角度的兩個定子繞組，一個是勵磁繞組，另一個是控制繞組。結構轉子形式籠型轉子非磁性杯形轉子與普通三相異步電動機籠型轉子相似，只是外形上細而長，縮小直徑可使慣量降低；功率因數較高，電動機的機械強度大，但快速響應性能稍差，低速運行也不夠平穩。1.交流伺服電動機的結構和基本工作原理二、交流伺服電動機結構非磁性空心杯轉子交流伺服電動機結構示意圖外定子定子繞組杯形轉子內定子軸軸承用鋁或鋁合金制成。壁厚只有0.2～0.8mm，能在內、外定子之間的間隙中運轉。特有的由導磁材料制成優點：轉動慣量小，摩擦轉矩小，響應快、運行平穩缺點：結構復雜，氣隙大，空載電流大，功率因數較低。二、交流伺服電動機空間相差90o電角度勵磁繞組工作原理控制繞組勵磁電壓和控制電壓分別施加于兩個繞組上，共同作用在電動機內部產生了一個旋轉磁場，在籠形轉子的導條中或杯形轉子的筒壁上感應電動勢，產生電流(渦流)，再與磁場作用而產生電磁轉矩,使籠型或杯型轉子轉動。交流伺服電動機的原理圖當轉子轉動起來以后，控制信號消失，即斷開控制繞組，變成單相時，電動機仍然能夠轉動。自轉現象：“自轉”的消除：增加伺服電動機的轉子電阻。變成單相后，電磁轉矩>0,與轉速的方向相同，電動機仍然能夠轉動。變成單相后，電磁轉矩<0,與轉速的方向相反，制動作用，電動機立即停傳。轉子電阻較大（臨界轉差率sm≥1）時的機械特性轉子電阻較小（臨界轉差率sm<1）時的機械特性工作原理1.交流伺服電動機的控制方法

交流伺服電動機不僅須具有受控于控制信號而起動和停轉的伺服性，而且還須具有轉速的大小及其轉向的可控性。

而交流伺服電動機的轉速大小調節，是靠兩相繞組合成橢圓旋轉磁場的橢圓度大小來自動調節的。橢圓度大，正轉旋轉磁場相應地會削弱，對應的正向轉矩減小；反轉旋轉磁場則加強，對應的反向轉矩增大，合成轉矩減小，轉速降低；反之轉速增大。

轉向的改變靠控制電源反相，使合成磁場反轉，轉子跟著反轉。（1）幅值控制改變控制電壓的幅值來控制電機的轉速。Uc↓,n↓,當Uc=0，則n=0，電動機停轉。與相位差始終是90

因交流伺服電動機轉子電阻大，臨界轉差率sm大，機械特性很接近線性關系，但電阻過大，機械特性變軟，起動轉矩會降低。調節特性近似線性，調節特性更清楚地表示出伺服電動機轉速隨控制信號變化的關系。（2）相位控制通過改變控制電壓的相位來控制交流伺服電動機的轉速。β=90

，轉速最高,β

↓,n↓,當β=0，則n=0，電動機停轉。控制電壓的幅值保持不變交流伺服電動機相位控制接線示意圖與間的相位差為β（3）幅－相控制交流伺服電動機幅—相控制接線示意圖移相電容由于移相電容的作用，當改變的幅值時，不僅相對改變，它們之間的相位也發生改變。因此這是一種幅值和相位復合控制方式。當的幅值=0時，電動機停轉。幅—相控制的機械特性和調節特性不如幅值控制和相位控制時的線性度好。但由于幅—相控制方式的設備簡單，不用移相器，并有較大的輸出功率，實際應用最廣泛。第二節測速發電機作用：測速發電機是一種測速元件，它將輸入的機械轉速轉換為電壓信號輸出。在自動控制及計算裝置中，測速發電機可以作為檢測元件、阻尼元件、計算元件和角加速信號元件。自控系統對測發的主要要求：輸出電壓對轉速的變化靈敏，即測速發電機的輸出特性斜率要大。輸出電壓與轉速保持嚴格的線性關系轉動慣量小，響應快按照測速發電機輸出信號分類：可分為直流、交流兩大類一、直流測速發電機1.直流測速發電機的結構和工作原理結構

與普通小型直流發電機相同按勵磁方式分類：永磁式他勵電磁式因測速發電機的功率較小，而永磁式不需另加勵磁電源,也沒有因勵磁繞組溫度變化而影響輸出電壓的問題，所以應用廣泛。

1.直流測速發電機的結構和工作原理工作原理空載時U∝n直流測速發電機的輸出特性直流測速發電機的工作原理圖負載時，經推導可得測發的負載電阻RL↓→斜率↓2.產生的誤差和改進方法一、直流測速發電機改進:負載電阻RL不得小于規定值，轉速不得高于規定值電樞磁阻的去磁作用,高速時,輸出特性變成非線性電刷接觸電阻的非線性,出現失靈區溫度的影響,勵磁繞組長期通電而發熱，電阻↑,勵磁電流,磁通↓,顯線性誤差改進:選用接觸壓降較小的金屬一石墨刷改進:勵磁繞組串聯一個負溫度系數電阻直流測速發電機的輸出特性二、交流測速發電機

交流異步測速發電機的結構與交流伺服電動機相似，為了提高系統的快速性和靈敏度，減少轉動慣量，目前廣泛應用的交流異步測速發電機的轉子都是空心杯形結構。在機座號小的測速發電機中，定子槽內嵌放著空間相差90o角度的兩相繞組，其中一相繞組作為勵磁繞組；另一相作為輸出繞組。在機座號較大的測速發電機中，常把勵磁繞組嵌放在外定子上，而把輸出繞組嵌放在內定子上，以便調節內、外定子間的相對位置，使剩余電壓最小。內、外定子的空氣隙中，為空心杯形轉子。

交流測速發電機有異步式和同步式兩種，下面介紹在自動控制系統中應用較廣的交流異步測速發電機。結構

工作原理二、交流測速發電機率為f1，其軸線就是d軸。d軸的脈振磁通只能在空心杯轉子中感應出變壓器電動勢，產生轉子電流，根據欏次定律，此電流所產生的磁通

rd和N1產生的磁通方向相反，所以合成磁通僅為沿d軸的磁通，而N2的軸線是q軸，它與d軸磁通沒有耦合關系，故不產生感應電動勢，輸出電壓為零。即有n=0，U2=0。勵磁繞組輸出繞組q軸合成磁通轉子電流產生的磁通轉子感應變壓器電動勢、電流方向當n=0，即轉子不轉時,測速發電機的氣隙磁場為脈振磁場，脈振頻工作原理二、交流測速發電機當n

0，轉子切割直軸磁通Φd，產生一個旋轉電動勢Erq，其有效值為：

轉子繞組中將產生交流電流Irq

Irq產生即略電抗，兩者同相結論：異步測速發電機輸出繞組N2中所產生的感應電動勢E2的大小與轉速n成正比。工作原理二、交流測速發電機

結論：前面已知E2的大小正比于n，那么對E2的頻率，因Φd與勵磁電源同頻率，而

Erq與Φd同頻率，Irq與Erq同頻率，

q

與Irq

同頻率，E2與

q

同頻率，故輸出電動勢E2的頻率與勵磁電源的頻率相同，而與轉速的大小無關，使負載阻抗不隨轉速的變化而變化。異步測速發電機的這一優點使它廣泛用于控制系統。

根據輸出繞組的電動勢平衡方程式，在理想狀況下，異步測速發電機的輸出電壓U2也應與轉速成正比，這樣，交流異步測速發電機就能將轉速信號轉變成電壓信號，實現測速的目的。

若轉子反轉,輸出電壓將反相。第三節步進電動機作用：一種用電脈沖信號進行控制、將電脈沖信號轉換成相應角位移或線位移的電動機。每輸入一個脈沖信號，轉子就轉動一個角度或前進一步，其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數成正比，轉速與脈沖頻率成正比。因此，步進電動機又稱脈沖電動機。應用：步進電動機作為數字量執行元件，除用于各種數控機床外，在平面繪圖機、自動記錄儀表、航空航天系統和數/模轉換裝置等，也得到廣泛應用。

分類：按勵磁方式分為磁阻式、永磁式和混磁式三種；按相數分為單相、兩相、三相和多相等形式。

一、三相磁阻式步進電動機的結構和工作原理結構

三相磁阻式步進電動機模型的結構示意圖三相磁阻式步進電動機模型的結構：定、轉子鐵心都由硅鋼片(軟磁)疊成。定子上有六個磁極，每兩個相對的磁極繞有同一相繞組，三相繞組接成星形作為控制繞組；轉子鐵心上沒有繞組，只有四個齒，齒寬等于定子極靴寬。定子鐵心定子磁極、控制繞組轉子鐵心、轉子齒工作原理一、三相磁阻式步進電動機的結構和工作原理磁力線力圖通過磁阻最小路徑閉合，在控制信號切換時，磁力線扭斜，其切向分力形成磁阻轉矩驅動使某轉子齒與定子某相極軸線對齊，而轉過一個步距角。U相通電U斷，V通V斷，W通轉子齒4、2對齊定子UU‘極轉子齒4、2對齊定子V‘V極轉子齒1、3對齊定子W‘W極W斷，U通轉子齒1、3對齊定子UU‘極三相單三拍工作原理一、三相磁阻式步進電動機的結構和工作原理控制繞組從一種通電狀態變換到另一種通電狀態叫做“一拍”，每一拍轉子轉過一個角度，這個角度叫步距角“三相單三拍”運行

三相繞組每次一相通電每個通電循環有三拍“U-V-W-U”上述三相依次單相通電方式，稱為反轉方法：改變通電順序：U-W-V-U三相雙三拍通電方式？UV-VW-WU-UV本例：步距角30°拍數轉子齒數一、三相磁阻式步進電動機的結構和工作原理工作原理三相磁阻式步進電動機模型三相六拍運行方式

三相單雙六拍：U-UV-V-VW-W-WU-U本例步距角為15°二、小步距角三相磁阻式步進電動機1.結構和步進原理結構每一極距對應的轉子齒數不是整數。定、轉子齒相對位置應依次錯開1/m（m為相數）齒距t，這樣才能在連續改變通電的狀態下獲得不斷的步進運動。為滿足生產中小位移量的要求，須減小步距角，實際中定子磁極和轉子都加工成多齒結構,如圖Zr=