第五章控制电机

第五章 控制电机控制电机主要用于自动控制系统中作为检测、比较、放大和执行元件。其任务是转换和传递控制信号。它要求高精度、高灵敏度、高稳定可靠性，体积小重量轻，耗电量少等。这类电机的特点是：外形尺寸较小，机壳外径一般不大于160mm，功率一般不超过750KW；结构简单，控制便利，响应速度快。缺点是：在力学指标和效率等方面，比普通电机要低。第一节 伺服电动机在自动控制系统中，作为执行元件的伺服电动机，是把控制信号转变为伺服电动机轴的角位移或角速度输出，转轴的转向和转速，随控制信号电压的极性(相位)和大小而改变。并同时带动一定大小的负载，去完成控制规律所要求的性能指标。伺服电机应具有伺服性。这就是控制信号强时，电动机的转速高；控制信号弱时，电动机转速低；若控制信号为零时，电动机就应该停止。若控制信号改变极性(或相位)时，电动机应改变转向。例如：在雷达天线控制系统中，雷达发射机经过天线发送出无线电波束，遇到目标时，其反射回波信号被雷达接收机接收。雷达接收机将目标的方位和距离确定后，向伺服电动机送出电信号，伺服电动机按照目标方位和距离信号拖动雷达天线不断地跟踪目标转动。一、交流伺服电动机图5-1-1伺服电动机的定子与转子图4-1-2 杯形转子伺服电动机结构图1-控制绕组 2-励磁绕组3-内定子 4-外定子 5-转子图5-1-2 杯形转子伺服电动机结构图交流伺服电动机，就是两相异步电动机。它的定子上装有两个绕组，一个是励磁绕组，接固定的交流电源。另一个是控制绕组，接受控制信号。两个绕组在空间上相隔90。交流伺服电动机的转子目前有两种，鼠笼转子和杯形转子。鼠笼转子和三相笼型异步电动机转子相似。但在结构上，为了减小转动惯量常做成细长型，并且转子导体采用高电导率的铝或黄铜制成。杯形转子通常用铝合金或铜合金制成空心薄壁圆筒，以便减小转动惯量。此外，空心杯形转子内放置固定的内定子，目的是减小磁路的磁阻。杯形转子伺服电动机结构，如图5-1-1和5-1-2所示。交流伺服电动机的接线图如图5-1-3所示。励磁绕组V与电容串联接到单相交流电源电压上，控制绕组U接于同频率交流电压或功率放大器的输出端。励磁绕组串接电容，同单相异步电动机分相原理相同。适当选择C的数值，可使励磁电流超前于电压，从而使励磁绕组的端电压，与电源电压间有近90的相位差。放大器检测元件控制信号图5-1-3 交流伺服电动机接线图而控制绕组的电压其频率与及相同，而相位与相同或相反(对应伺服电动机的正转或反转)。励磁绕组和控制绕组中的电流相位差基本上是90，这样便产生两相旋转磁场。的大小取决于控制信号的大小，从而决定电动机转速的快慢。调节的大小可以控制伺服电动机的转速。当控制绕组U中没有控制信号（=0）时，电动机处于单相状态，励磁绕组V所产生的磁场是脉动磁场。转子没有起动转矩，转子静止不动。当控制绕组加上控制电压时，电动机处于两相状态，定子内合成磁场是一个旋转磁场，产生驱动转矩，使转子转动起来。控制电压的大小变化时，转子转速随着变化。当控制电压反相时，旋转磁场和转子则都反转。在运行时如果控制电压消失，即=0，两相伺服电动机将变成一台单相异步电动机。一般的单相电动机会继续旋转，因为这时仍有与转子同转向的电磁转矩T存在，这不符合自动控制的要求。在自动控制系统中，要求控制信号消失时，电动机能自动立即停转，称为自制动。为了使两相伺服电动机能够自制动，设计电机时，必须将电机的转子电阻增大，使发生最大电磁转矩的转差率sm1，这时伺服电动机单相运行时产生的合成电磁转矩T的方向与转子的转向相反，起制动作用，使电动机实现自制动。转子电阻加大后，还可以加宽稳定运行的范围(0sTT0U2UKUKn0n0图5-1-8 直流伺服电动机调节特性曲线直流伺服电动机的调节特性如图5-1-8所示，就是电动机在一定转矩下，转速n与电枢控制电压U2的关系。当T一定时，电枢控制电压U2高时，转速n也高，而且控制电压的增加与转速的增加之间成正比关系；另外，当转速n=0时，不同的转矩T需要不同的控制电压U2。如TT，U2= UK。这表明，只要U2 UK，电动机才能转动起来，而当U2在0UK之间，尽管有控制电压，电机仍然堵转。一般称0UK之间为死区，或失控区。称UK为对应T下的始动电压。T不同，始动电压也不同。只当T=0时，即电动机为理想空载时，只要U20，电动机即可转动。 直流伺服电动机，当控制电压改变极性时，电动机的转向也改变，所以，实现可逆调速或伺服控制是直流伺服电动机的重要性能。直流伺服电动机，常用于功率稍大的自动控制中，尤其以随动系统应用更为普遍。电机的输出功率一般在1600W之间。直流伺服电动机与交流伺服电动机相比较，直流伺服电动机的机械特性较硬。第二节 自整角机自整角机也称自同步机。是作为远距离角度传送、交换和指示的同步传动系统的机电元件，广泛用于各种随动系统之中，通过两台或多台自整角机以电路联系方式，可使在机械上互不相连的转轴作同步偏转。产生信号的一方称发送机，接收信号的一方或多方称接收机。所以自整角机，总是发送方与接收方配合使用的。自整角机按不同的使用要求，可分为力矩式 (在指示状态下工作)和控制式(工作于变压器状态下)两类。一、自整角机的结构自整角机有初级绕组和次级绕组。初级绕组作为励磁，加正弦交流电压，可以用单相交流电源供电，称单相自整角机，也可以用三相交流电源供电，称为三相自整角机。次级绕组总是三相的，一般接成Y型。如图：5-2-1所示。图5-2-1 自整角机定子和转子及绕组结构1-转子 2-定子磁极 3-定子绕组 4-定子 5-转子磁极 6-转子绕组单相自整角机，在结构上也分成定子和转子两部分。从励磁方式上，可分为三种：1定子励磁式 初级为单相励磁绕组，装于凸极定子上，次级为对称分布式的三相绕组，嵌在转子铁心槽内，通过三个滑环与外电路相连接。2转子励磁式 初级单相绕组装于凸极转子上，通过两个滑环与外电路连接，三相次级绕组装于定子槽内。这两种结构，在电路原理上没有区别，只是制造工艺上的差异。目前广泛应用的是凸极转子励磁式自整角机。因为，转子励磁滑环数少，可靠性更好。3隐极式转子和定子 将三相绕组装于隐极定子槽内，而单相励磁绕组嵌装于转子铁心槽内，由滑环引出与外电路连接。此外，还有无接触自整角机，在结构上没有电刷和滑环。励磁绕组和三相绕组都放在定子上，安放三相绕组的铁心与普通三相交流电机相似。转子是由硅钢片迭成两部分，中间有一层非导磁材料，转子上没有绕组。励磁绕组与单相电源相连接。无接触自整角机工作可靠性高、寿命长、传动准确性较高、抗无线电干扰力强，但结构较复杂，使用不广。二、控制式自整角机dqUVWUWV-发送机接收机图 5-2-2 控制式自整角机原理图控制式自整角机又称为变压器式自整角机，其接线图如图5-2-2所示。发送机和接收机的定子三相绕组按顺序依次对应联结。发送机的转子绕组作为励磁绕组接在固定交流电源上。接收机的转子绕组则作为输出绕组，其输出电压由定子磁通感应产生。控制式自整角机工作原理：首先假定，定子绕组U相的轴线为基准轴线，发送机转子轴线与U相轴线间的夹角为发送机转子位置角。接收机的U相轴线方向与发送机U相轴线相同，接收机转子轴线的垂线与定子U相轴线间的夹角为转子的位置角，称-为失调角。当发送机励磁绕组通入励磁电流后，在绕组轴线方向产生空间脉动交变磁通。设其幅值为m，该磁通在定子三相绕组中产生感应电动势，定子各相绕组感应出的电动势同相同频率，其有效值的大小与有关。当=0时，U相电动势有效值为E=4.44f1N1m，f1为交流电源的频率，N1为三相定子绕组每相匝数。发送机与接收机的三相绕组对应联结，构成了三相对称电路，流过每相电流也是同相同频率，其有效值的大小也相等，其值与的大小有关。三相电流在各自的轴线上产生相应的基波脉动磁动势，其发送机中的磁动势幅值F与的大小有关，这三个磁动势在转子轴线上产生的磁动势幅值为 ，这三个磁动势在发送机转子轴线的垂直方向上产生的磁动势幅值为0，所以合成的总磁动势为。发送机三相定子绕组总磁动势大小为常数，其方向与发送机转子轴线方向一致，而与转子位置角无关。当发送机转子转动时，其定子磁动势幅值不变，方向随之同样转动。又由于发送机定子绕组与接收机定子绕组对应连接，形成的相电流、和在接收机中产生的磁动势与大小相等，而方向相反(发送机流出，向接收机流入)，即=-。当与U轴的夹角为时，与U轴夹角也为。如果接收机转子轴线与U轴重合，则与接收机转子轴线间夹角也为。交变脉动磁动势产生脉动磁通。将在接收机转子中产生感应电动势E，E的大小与发送机和接收机两转子间的失调角-有关。同发送机三相磁动势方程式相似，接收机三相磁通在转子绕组中感应出的同频同相电动势，其有效值与、的大小有关。自整角接收机转子绕组两端电压的有效值为各相电动势有效值之和，即 （5-2-1）式中，Um是接收机输出绕组最大输出电压有效值。式(5-2-1)表明了自整角接收机转子绕组输出电压与发送机和接收机两转子间的失调角的关系为Uf()是正弦函数关系。当0时，U=0；当90时，U有最大值。当=0-180范围内，U为负值。控制式自整角机在系统中，特别是在随动系统中作为比较元件应用，自整角机本身的精度直接影响系统的静动态精度。影响控制式自整角机准确度的因素主要有：单相绕组和三相绕组的互感曲线非正弦性，三相绕组电磁不对称，齿谐波，定子和转子中心偏差；铁心磁导率的不均匀等等。三、力矩式自整角机控制式自整角机在控制系统中实现转角随动，是通过发送机和接收机转子间的失调角0，使接收机转子绕组的输出电压U0，经交流放大后，推动伺服电动机带动负载运动。同时带动接收机的转子不断地消除失调角，从而实现转角随动。在另外一些场合，如果负载很轻(例如只带动仪表的指针)就不需要伺服电动机。为此，可以使自整角机工作于力矩状态，用来实现角度随动。力矩式自整角机的工作原理，是利用自整角机系统在接收机转子上产生力矩，使接收机传子的位置自动地与发送机的位置相协调。当发送机连续转动时，接收机能够随之同步转动。力矩式自整角机原理图，如图5-2-3所示。UVWUWV发送机接收机图 5-2-3 力矩式自整角机原理图与控制式自整角机不同之处在于，发送机和接收机励磁绕组同接于单相交流电源上，而发送机和接收机三相绕组同控制式自整角机一样，依序对应相联结。设交流电源在两转子励磁绕组中产生的磁通为=msint。该磁通分别在发送机和接收机三相定子绕组中感应电动势。这些电动势的相位与单相电源同相，而大小取决于每相绕组(以U和U轴线为基准)与两转子轴线的夹角(分别为和)。当发送机和接收机的转子对U和U轴线的位置角=时，由于发送机和接收机参数完全对称，在相应的每相绕组UU，VV，WW的电动势大小相等，方向相同。因而在相互联结的每对相绕组中合成总电动势为零，在连接线及各相绕组中没有电流，即IU = IV = IW = 0 （5-2-2）如果将发送机和接收机的转子相对转过某一角度为=-。那么相应的定子绕组里会出现大小不等的电动势，因而在定子各相连接线中产生电流IU、IV和IW。这些电流在两边定子中产生合成磁动势，该合成磁动势与两转子磁通相互作用，在发送机和接收机轴上形成力矩。由于发送机和接收机中各相绕组里的电流方向是相反的。因此，作用在发送机和接收机转子轴上的转动力矩方向也是相反的。如果将发送机转子固定住，而只让接收机转子自由转动，那么接收机转子轴上的力矩会力图使转子轴转动，直到与发送机转子协调为止， 即-=0。也就是说，当发送机和接收机的转子间出现失调角时（0），作用在接收机轴上的力矩会反过来消除这个失调角，使接收机转子稳定在失调角= 0的位置上。作用在转子上的使= 0的力矩称为整步力矩。 如果发送机转子不断旋转，接收机的转子也将以相同的转速随之旋转，永远保持两转子间位置的协调。实际的力矩式自整角机，由于接收机转子轴有摩擦和负载力矩，在跟随过程会出现固定的失调角，在这个失调角之下，整步力矩平衡了阻力矩。 力矩式自整角机静态整步力矩与失调角的关系为 Tst=Tmsin （5-2-3）式中，Tm为当90时的最大整步力矩。式(5-2-3)表明：力矩式自整角机的静态整步力矩大小与转子的位置角和无关，只取决于失调角，并且有TSTf()为正弦函数关系。发送机和接收机转子在一周内有两个稳定位置，即= 0和180。其实，只有= 0为稳定点，180为不稳定点。因为当在0180范围内整步力矩为正，而180360范围内，整步力矩为负。力矩的正与负分别表示转子顺时针和逆时针旋转。当180-时，转子沿顺时针方向转到= 0位置，而当180+时，则转子沿逆时针方向转到360(即0)位置(为某一很小的角度)。实际自整角机的发送机和接收机转子之间的失调角不会恰好为180。任何的微小振动都会使转子向一方或另一方转动。最后稳定在= 0的位置上。当力矩式自整角机转子以一定转速n旋转时，存在动态整步力矩Tdy，分析Tdy无实用意义。当力矩式自整角机转子转速小于500600rmin，Tdy可采用如下经验公式计算，即 (5-2-4)式中，p为自整角机磁极对数；n为转子转速；f1为电源频率，TST为静态整步力矩。力矩式自整角机的准确度一般用整步力矩来表示。其定义为失调角为1时的整步力矩，即 （5-2-5）影响力矩式自整角机准确度的因素比控制式的要复杂得多，其中包括制造误差和使用误差两方面。制造误差就机械性质方面有转子轴的摩擦，电的方面，有发送机和接收机钢片的磁导率不均，齿谐波不能完全消除，绕组匝数的偏差等等。四、自整角机选用时应注意的问题 1 控制式自整角机和力矩式自整角机，在使用上有不同的特点。控制式自整角机适用于精度高、负载较大的伺服系统；力矩式自整角机用于传递精度较低的指示系统。2 自整角机的励磁电压和电流频率必须与供电电源相符合。若电源任意时，应当选用电压较高，频率也较高的自整角机。这会使自整角机性能好，体积小。3互接使用的自整角机，对接绕组的额定电压和频率应相同。4在电源容量允许条件下，宜选用输出阻抗较低的发送机，以便获得较大的负载能力；控制式自整角机宜选用输入阻抗较高的接收机，以便减轻发送机的负载。第三节 测速发电机测速发电机是把机械转速变换为与转速成正比的电压信号的微型电机。在自动控制系统和模拟计算装置中，作为检测元件、解算元件和角加速度信号元件等，测速发电机得到广泛的应用。在交流、直流调速系统中，利用测速发电机构成双闭环中的速度反馈可以大大改善控制系统性能，提高系统精度。在自动控制系统和模拟解算装置中，对测速发电机的一般要求是：1)测速发电机的输出电压与转速应保持严格的线性关系。2)电机的转动惯量要小，以便保证测速电机的响应速度。3)灵敏度要高，即输出电压对转速的变化反应要灵敏。4)抗外界环境温度、无线通讯信号、噪声干扰的能力要强。5)结构简单，工作可靠，体积小，重量轻。目前测速发电机主要有以下几类：1)直流测速发电机，又分为永磁式直流测速发电机，国产型号为CY系列；电磁式直流测速发电机，国产型号为ZCF系列。2)交流测速发电机，可分为同步测速发电机，国产型号为CG型(感应式)；异步测速发电机，国产型号为CK型(空心杯式)CL型(笼型)。3)霍尔效应测速发电机，(采用新原理、新结构)。一、直流测速发电机直流测速发电机是一种微型直流发电机，其中永磁式直流测速发电机不需要励磁绕组，采用永久磁极，用矫顽磁力较高的磁钢制成。电磁式直流测速发电机结构与直流伺服电动机相同，直流测速发电机的工作原理与他励直流发电机也相同。原理接线图如图5-3-1所示。+-UfTGRLnU图5-3-1 直流测速发电机接线图在励磁电压Uf恒定条件下，旋转电枢绕组切割磁通产生感应电动势为E=KENn=Kn。当测速发电机空载时，电枢电流Ia0，则直流测速发电机输出电压UU0EKENnKn，因而输出电压与转速成正比。当测速发电机接负载电阻RL时，电枢电流Ia0，则输出电压应为：U=E-IaRa式中，Ra为测速发电机电枢回路总电阻。它包括电枢绕组电阻、电刷和换向器间的接触电阻。电枢电流，根据欧姆定律为：Ia=U/RL。将E=Kn和Ia代入电压方程得：U=E- （5-3-1）式(5-3-1)表明，当Ra、N、RL为恒定值时，C为常数，U仍与转速n成正比。但随负载电阻RL不同，对应测速发电机不同的输出特性。 RL减小，输出特性斜率下降，Uf（n）的输出特性曲线如图5-3-2。图5-3-2 直流测速发电机U=f（n）特性曲线 实际运行中，直流测速发电机的输出电压与转速之间并不保持严格的线性关系，而是如图5-3-2所示，RL和RL的弯曲特性与线性之间产生了误差。产生这种误差的原因，主要是直流电机的电枢反应所导致的去磁作用，使N不是常数。还有电刷接触压降和温度影响等。改善的方法有多种，其中主要的是在定子磁极上安装补偿绕组，限制最高转速及接入适当的负载电阻RL的值。从工艺上，采用铜-石墨电刷或铜电刷-镀银换向器表面等，以减小接触压降。二、交流异步测速发电机 1结构特点 目前应用较多的交流测速发电机，主要是空心杯形异步转子测速发电机。它的结构与杯形转子伺服交流电动机相同。转子为一个薄壁非磁性杯，用高电阻率的硅锰青铜或铝锌青铜制成，杯厚约0.20.3mm，定子绕组为在空间保持90的两相绕组，其中一个为励磁绕组，外加稳频稳压的交流电源；另一个作为输出绕组，其端电压作为测速发电机的输出电压U2。2工作原理0U2U1I11a）U2U1I11+rnb）图5-3-4 交流异步测速发电机电路原理图a）n=0时原理图 b）n0时原理图当测速发电机静止时，励磁绕组接于额定交流电源，其电压为U1，频率为f1。于是，在励磁绕组的轴线方向产生一个交变脉动磁通，设幅值为1。由于输出绕组与励磁绕组在空间相互垂直，则脉动磁通1不能在输出绕组中感应电动势，输出电压为零(实际上由于测速发电机的杯形转子形状不均匀，气隙不均匀及磁路不是完全对称等原因，造成输出端仍有不大于几十mV的残余电压)，如图5-3-4a所示。当测速发电机轴被其他执行机构带动而旋转时，输出绕组就有交流电压输出，设为，与同频率，大小与测速发电机轴的转速n成正比。如图5-3-4b所示。当发电机旋转时，励磁绕组脉动磁通幅值为 （5-3-2）1与U1成正比。杯形转子可视为由无数并联导体条组成的笼形转子，在旋转时切割1而在转子中产生感应电动势Er和相应的转子电流Ir。Er和Ir又与磁通1和转速n成正比。即IrEr1n。转子电流Ir也要产生磁通r，且Ir与r成正比，而磁通r与输出绕组的轴线方向一致，因而在该绕组中产生感应电动势，端电压为U2，则U2也与r成正比，即：U2r。由此可得出：U2rIrEr1nU1n该关系表明：当励磁电压一定时，测速发电机以转速n转动时，输出绕组产生输出电压，其大小与n成正比。当转向改变时，的相位也改变180。可见交流测速发电机同直流测速机相似，输出电压信号完全反映了转速信号的大小和转向。可以检测或调节与其机械相连的执行元件(伺服电动机)的转速。实际的交流测速发电机有输出误差，其主要影响因素是：励磁磁通1并非常数。因为，励磁绕组与转子杯间的关系，相当于变压器一、二次绕组间的关系。1是由励磁电流和转子电流共同作用而产生，转子电动势和转子电流与转子转速有关。当转速变化时，励磁电流I1和磁通1均发生变化，使输出电压U2与转速n之间的线性关系受到影响。3交流测速发电机的选用原则 交流测速发电机，主要用于交流伺服系统和模拟解算装置中，根据系统的频率、电压、工作转速范围和用途，来选择交流测速发电机的规格。如用于一般转速检测或作为阻尼元件，应着重考虑输出电压的斜率要大；用于解算元件时，应着重考虑精度要高，输出电压的稳定要好等等。交流测速发电机与直流测速发电机相比较，交流异步测速发电机结构简单，维护容易，运行可靠；没有电刷和换向器间的滑动接触，输出稳定，精度高些，摩擦力矩小，转动惯量小，正反向电压对称度好。缺点是，存在相位误差和剩余电压；输出特性随负载性质而有所不同。因此，选用时，应在满足系统性能要求的条件下权衡利弊，合理选用。思考题1 如何改变交流伺服电动机的转动方向？2 交流伺服电动机在控制电压为零时，为什么能够迅速停止转动？3 自整角机有哪两种？它们的工作特点是什么？4 交流测速发电机的转子静止时有无电压输出？转动时为何输出电压与转速成正比？54