控制电动机概述

第 3章 控 制 电 机3.1 直 流 伺 服 电 动 机3.2 交 流 伺 服 电 动 机3.3 测 速 发 电 机3.4 步 进 电 动 机3.5 无 刷 永 磁 伺 服 电 动 机3.6 旋 转 变 压 器3.7 感 应 同 步 器3.8 直 线 电 动 机 1. 控 制 电 机 在 现 代 化 建 设 和 自 动 控 制 系 统 中 的 作 用 控 制 电 机 是 一 种 机 电 元 件 ， 它 在 各 类 自 动 控 制系 统 中 具 有 执 行 、 检 测 和 解 算 的 功 能 。 传 统 的 控 制 电 机 是 一 种 微 电 机 ， 机 座 外 径 约 在几 毫 米 至 几 十 毫 米 之 间 ， 容 量 在 几 十 毫 瓦 至 几 百 瓦之 间 ； 目 前 控 制 电 机 的 功 率 已 达 数 十 千 瓦 。 控 制 电 机 已 经 成 为 现 代 工 业 自 动 化 系 统 、 现 代军 事 装 备 和 其 它 科 技 领 域 中 不 可 缺 少 的 重 要 元 件 ，它 的 应 用 范 围 十 分 广 泛 。概 述 2. 控 制 电 机 的 分 类（ 1） 执 行 元 件 （ 功 率 元 件 ） 。 它 包 括 直 流 伺 服 电 动机 、 交 流 伺 服 电 动 机 、 步 进 电 动 机 和 力 矩 式 自 整 角接 收 机 等 。 它 的 任 务 是 将 电 信 号 转 换 成 轴 上 的 角 速度 、 线 速 度 和 角 位 移 ， 并 带 动 控 制 对 象 运 动 。 因 向控 制 对 象 输 出 机 械 功 率 ， 所 以 此 类 控 制 电 机 又 称 为功 率 元 件 。（ 2） 测 量 元 件 （ 信 号 元 件 ） 。 它 包 括 直 流 测 速 发 电机 、 交 流 测 速 发 电 机 、 控 制 式 自 整 角 机 等 。 它 的 任务 是 将 机 械 转 速 、 转 角 和 转 角 差 转 换 成 为 电 压 信 号 。由 于 它 们 能 够 测 量 机 械 转 速 、 转 角 和 转 角 差 ， 把 机械 量 转 换 为 电 压 信 号 送 入 自 动 控 制 系 统 中 ， 所 以 又称 为 信 号 元 件 。 3. 自 动 控 制 系 统 对 控 制 电 机 的 基 本 要 求 高 可 靠 性 。 控 制 电 机 的 工 作 可 靠 性 对 保 证 自 动 控 制 系 统 的正 常 工 作 极 为 重 要 。 在 宇 宙 航 行 系 统 、 军 事 装 备 和 一 些 现 代化 生 产 系 统 中 ， 对 所 用 控 制 电 机 的 可 靠 性 总 是 提 出 第 一 位 的要 求 。 无 刷 电 机 的 可 靠 性 比 有 刷 电 机 好 。高 精 度 。 在 军 事 设 备 、 无 线 电 导 航 与 定 位 、 位 置 指 示 、 自 动记 录 、 远 程 控 制 、 机 床 加 工 、 自 动 控 制 等 系 统 中 ， 对 精 度 要求 越 来 越 高 ， 因 而 相 应 的 这 些 系 统 中 所 使 用 的 控 制 电 机 在 精度 方 面 也 提 出 了 更 高 的 要 求 ， 有 时 它 们 的 精 度 对 系 统 起 着 决定 性 的 作 用 。快 速 响 应 。 由 于 自 动 控 制 系 统 中 主 令 信 号 变 化 很 快 ， 所 以 要求 控 制 电 机 特 别 是 功 率 元 件 能 对 信 号 做 出 快 速 响 应 。 4. 控 制 电 机 的 发 展 趋 势（ 1） 产 品 向 小 型 、 轻 量 、 薄 型 化 方 向 发 展 。（ 2） 新 型 材 料 的 应 用 ： 工 程 塑 料 ； 高 性 能 稀 土 永磁 材 料 。（ 3） 电 机 及 其 控 制 电 路 向 集 成 化 、 专 用 化 和 机 电一 体 化 方 向 发 展 。 计 算 机 控 制 技 术 、 微 电 子 技 术 和电 力 电 子 技 术 的 发 展 ， 为 控 制 电 机 的 集 成 化 、 专 用化 和 机 电 一 体 化 提 供 了 条 件 。（ 4） 新 型 产 品 不 断 涌 现 。 超 声 波 电 机 ； 静 电 电 机 ；光 热 电 机 等 。 3.1 伺 服 电 动 机3.1.1概 述1. 伺 服 电 动 机 的 概 念 伺 服 电 动 机 又 称 为 执 行 电 动 机 ， 其 功 能 是 把 输 入 的 电 压信 号 变 换 成 转 轴 的 角 位 移 或 角 速 度 输 出 。2. 伺 服 电 动 机 的 分 类（ 1） 直 流 伺 服 电 动 机 ： 普 通 直 流 伺 服 电 动 机 ， 低 惯 量 直 流 伺服 电 动 机 ， 直 流 力 矩 电 动 机 ；（ 2） 交 流 伺 服 电 动 机 ： 两 相 感 应 伺 服 电 动 机 ， 三 相 感 应 伺 服电 动 机 ， 无 刷 永 磁 伺 服 电 动 机 ； （ 3） 直 线 伺 服 电 动 机 （ 1） 宽 广 的 调 速 范 围 ： 转 速 随 控 制 信 号 可 作 宽 范围 的 连 续 调 节 。（ 2） 机 械 特 性 和 调 节 特 性 均 为 线 性 ；（ 3） 无 “ 自 转 ” 现 象 ；（ 3） 转 子 的 惯 量 小 ， 快 速 响 应 。 随 控 制 电 压 改 变反 应 灵 敏 ， 迅 速 实 现 起 动 、 停 转 等 。 此 外 ， 还 要 求 伺 服 电 动 机 的 控 制 功 率 小 、 过载 能 力 强 、 可 靠 性 好 ， 重 量 轻 、 体 积 小 等 。3. 控 制 系 统 对 伺 服 电 动 机 的 基 本 要 求 1.两 相 感 应 伺 服 电 动 机 的 结 构 两 相 感 应 伺 服 电 动 机 的 基 本 结 构 和 工 作 原 理 与 普 通 感 应电 动 机 相 似 。 从 结 构 上 看 ， 电 机 由 定 子 和 转 子 两 大 部 分 构 成 。 运 行 时 定 子绕 组 通 入 交 流 电 流 ， 产 生 旋 转 磁 场 ， 在 闭 合 的 转 子 绕 组 中 感 应电 动 势 、 产 生 转 子 电 流 ， 转 子 电 流 与 磁 场 相 互 作 用 产 生 电 磁 转矩 。（ 1） 定 子 ： 由 定 子 铁 心 和 定 子 绕 组 绕 组 构 成 。 为 了 控 制 方 便 ，定 子 为 两 相 绕 组 ， 在 空 间 相 差 90 电 角 度 。 其 中 一 相 为 励 磁 绕组 ， 运 行 时 接 至 电 压 为 U f的 交 流 电 源 上 ； 另 一 相 为 控 制 绕 组 ，施 加 与 Uf同 频 率 、 大 小 或 相 位 可 调 的 控 制 电 压 Uc， 通 过 Uc控 制伺 服 电 动 机 的 起 、 停 及 运 行 转 速 。 由 于 励 磁 绕 组 电 压 Uf固 定 不变 ， 而 控 制 电 压 Uc是 变 化 的 ， 故 通 常 情 况 下 两 相 绕 组 中 的 电 流不 对 称 ， 电 机 中 的 气 隙 磁 场 也 不 是 圆 形 旋 转 磁 场 ， 而 是 椭 圆 形旋 转 磁 场 。 （ 2） 转 子 两 相 感 应 伺 服 电 动 机 的 转 子 结 构 形 式 有 三 种 ： 笼 型 转 子 、非 磁 性 空 心 杯 转 子 和 铁 磁 性 空 心 杯 转 子 。1 笼 型 转 子 与 普 通 笼 型 感 应 电 动 机 的 转 子 相 似 ， 只 是 为 了 减 少 转 子 的转 动 惯 量 ， 需 做 的 细 而 长 。 转 子 笼 的 导 条 和 端 环 可 以 用 铜 （ 通常 采 用 高 电 阻 率 的 黄 铜 或 青 铜 等 ） 制 造 ， 也 可 以 采 用 铸 铝 转 子 。2 非 磁 性 空 心 杯 形 转 子 它 的 定 子 分 为 外 定 子 和 内 定 子 两 部 分 ， 内 外 定 子 铁 心 通常 均 由 硅 钢 片 叠 成 。 外 定 子 铁 心 槽 中 放 置 空 间 相 距 90 电 角度 的 两 相 交 流 绕 组 ， 内 定 子 铁 心 中 一 般 不 放 绕 组 ， 仅 作 为 磁路 的 一 部 分 。 在 内 、 外 定 子 之 间 有 细 长 的 空 心 转 子 装 在 转 轴上 ， 空 心 转 子 做 成 杯 子 形 状 ， 所 以 称 为 空 心 杯 形 转 子 。 SM fUCU CW FW 控 制 电 压 控 制 绕 组 励 磁 电 压 励 磁 绕 组CfUCWUFW图 4-1交 流 伺 服电 动 机 示 意 图转子定子 1一端盖2一杯形转子3一内定子4一外定子5一机壳6一轴承图4-2 杯形转子两相感应伺服电动机