第9章 控制电机9.1 伺服电动机 9.2 测速发电机

9.3 步进电动机9.4 自动控制的基本概念

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第9章 控制电机教学要求： 1.了解交流伺服电动机的结构和工作原理。 2.了解直流伺服电动机的结构和工作原理。 3.了解交流测速发电机的结构和工作原理。 4.了解步进电动机的结构和工作原理。

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前面介绍的异步电动机、直流电动机等都是 作为动力使用的，其主要任务是能量的转换。 本章介绍的各种控制电机的主要任务是转换和 传递控制信号，能量的转换是次要的。 控制电机的种类很多，本章只讨论常用的几种: 伺服电机、测速电机、步进电机。 各种控制电机有各自的控制任务： 如: 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。 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。总目录 章目录 返回 上一页 下一页

9.1 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。 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。 伺服电动机可分为两类： 交流伺服电动机 直流伺服电动机

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9.1.1 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

杯形转子总目录 章目录 返回 上一页 下一页

交流伺服电动机结构图

I1 U C+ 控制信号 检 测 元 件 放 +

–

U

I2+

–

励磁绕组

U1 1 U 1 –

+

1

I1

+

U–

大器

U2 –

U UC

控制绕组 (a)接线图

(b) 相量图

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 ,从而产生所需的旋转磁场。总目录 章目录 返回 上一页 下一页

控制信号 检 测 元 件 放 大 器

I2+U – 2

+

U–

控制电压 U 2 与电源电压 U 频 率相同，相位相 同或反相。

控制绕组

交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机 有相似之处。 励磁绕组固定接在电源上，当控制电压为零时， 电机无起动转矩，转子不转。 若有控制电压加在控制绕组上，且励磁电流 I 1 和控制绕组电流 I 不同相时，因此

便产生两相旋转2

磁场。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。总目录 章目录 返回 上一页 下一页

交流伺服电动机的特点：不仅要求它在静止状 态下，能服从控制信号的命令而转动，而且要求在 电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停 转。但如果交流伺服电动机的参数选择和一般单相 异步电动机相似，电动机一经转动，即使控制等于 零，电动机仍继续转动，电动机失去控制，这种现 象称为“自转”。

如何克服“自转”现象呢？

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正反向旋转磁场的合成转矩特性 T1(正向)正

s1 0 s2 2

转

s1 s2 1反 转

s1 2 s2 0

s

T2(反向)

当单相励磁时，在电动机运行范围0<S1<1时，转矩 为正值，产生电动转矩，使转子继续转动。反转时 也同样为电动转矩。总目录 章目录 返回 上一页 下一页

现增大转子电阻，使Sm>1

T1

s1 0 s2 2

s1 s2 1

s1 2 s2 0

s

T2当单相励磁时，在电动机运行范围0<S1<1时，转矩 为负值，产生制动转矩，使转子停转。反转时也同 样为制动转矩。总目录 章目录 返回 上一页 下一页

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。加在控制绕组上的控制电压大小变化时，其 产生的旋转磁场的椭圆度不同，从而产生的电磁 转矩也不同，从而改变电动机的转速。 交流伺服电动机的机械特性如图所示。 n

o不同控制电压下的机械特性曲线 T n=f(T), U1=常数总目录 章目录 返回 上一页 下一页

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。 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。

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9.1.2 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。 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。 I I2 1

放

+

U1为励磁电压， U U2为电枢电压

+

大器

U2 M–

U1–

直流伺服电动机的接线图总目录 章目录 返回 上一页 下一页

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

n

Ra U2 n T 2 K EΦ K E K TΦ机械特性曲线如图所示。O

T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。总目录 章目录 返回 上一页 下一页

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。

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9.2 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。

9.2.1 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。总目录 章目录 返回 上一页 下一页