第6章 控制電機(jī)

第6章控制電機(jī)目錄6.1伺服電動(dòng)機(jī)6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)6.3測(cè)速發(fā)電機(jī)6.4自整角機(jī)6.5旋轉(zhuǎn)變壓器6.6感應(yīng)同步器第6章控制電機(jī)2/996.1伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)——執(zhí)行電動(dòng)機(jī)?！窆δ埽簩㈦妷盒盘?hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速信號(hào)?！穹N類：直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)。伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)可控性好：控制信號(hào)一出現(xiàn)，電機(jī)馬上轉(zhuǎn)動(dòng)；控制信號(hào)一消失，電機(jī)立即停轉(zhuǎn)具有線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，能快速響應(yīng)(轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：細(xì)長(zhǎng)、無(wú)鐵心、空心杯)1.直流伺服電動(dòng)機(jī)(1)基本結(jié)構(gòu)與普通小型直流電動(dòng)機(jī)相同?！駝?lì)磁方式：永磁式、電磁式（他勵(lì)）。稀土永磁材料：稀土鈷、稀土釹鐵硼等。SM+Ua－IaE永磁式SM+Ua－IaE+Uf－If電磁式6.1伺服電動(dòng)機(jī)(2)工作原理——與普通直流電機(jī)無(wú)異施加Ua→Ia

主磁通：ΦTe→n→E電磁轉(zhuǎn)矩：

Te=CTΦ

Ia

電動(dòng)勢(shì)：

E

=CEΦ

n電樞電路電壓方程：

Ua

=E+Ra

Ian=UaCEΦ－RaCECTΦ2Te

6.1伺服電動(dòng)機(jī)(3)控制方式及其特性①電樞控制式：

Uf

=UfN，Ua

=Uc（控制電壓）n=UcCEΦN－RaCECTΦN2TeOTen

Uc3

Uc2Uc1Uc3＞Uc2＞Uc1機(jī)械特性O(shè)UcnT1

T2

T3T3＞T2＞T1控制特性6.1伺服電動(dòng)機(jī)②磁場(chǎng)控制式：Ua

=UaN，

Uf

=Uc（控制電壓）忽略磁路飽和、不計(jì)電樞反應(yīng)：

Φ=CφUf=CφUcn=UaNCECφUc

－RaCECTCφ2Uc2Te

nOTe

Uc3Uc2Uc1UC3＞Uc2＞Uc1機(jī)械特性6.1伺服電動(dòng)機(jī)(1)基本結(jié)構(gòu)①定子：兩相對(duì)稱繞組②轉(zhuǎn)子:籠型結(jié)構(gòu)/空心杯2.(傳統(tǒng)的)交流伺服電動(dòng)機(jī)控制繞組勵(lì)磁繞組SM~c＋Uc－＋Uf

－f交流伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)際上是一種兩相異步電動(dòng)機(jī)。6.1伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)定子外定子繞組轉(zhuǎn)軸空心杯轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖:6.1伺服電動(dòng)機(jī)對(duì)稱兩相繞組在空間上互差90

電角度繞組中對(duì)稱兩相電流在時(shí)間上互差90

電角度兩相繞組產(chǎn)生的圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)6.1伺服電動(dòng)機(jī)fc1分解為兩個(gè)大小相等、轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)ff1分解為兩個(gè)大小相等、轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)反向旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)互相抵消正向旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)合成圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)f1兩相對(duì)稱磁動(dòng)勢(shì)的合成——圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)6.1伺服電動(dòng)機(jī)①兩相繞組通以相位相差90o的額定電壓●對(duì)稱兩相運(yùn)行→圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)●改變轉(zhuǎn)向：

uc

反相，即改變兩相繞組中電流的相序→旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)改變方向→轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向改變。(2)工作原理SM~c＋Uc－＋Uf

－f6.1伺服電動(dòng)機(jī)②

當(dāng)uc=0或uc≠0，但uc和uf同相位時(shí)電機(jī)處在單相狀態(tài)→脈振磁動(dòng)勢(shì)F0

：靜止時(shí)：n=0，Te+

=Te－，Te

=0，不能起動(dòng)；正在運(yùn)行時(shí)：Te

≠0，轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)——單相自轉(zhuǎn)！TeOnn=f(TF)n=f(TR)n=f(T)普通異步電動(dòng)機(jī)如果電機(jī)參數(shù)與一般的單相異步電動(dòng)機(jī)一樣，當(dāng)控制信號(hào)消失時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速雖會(huì)下降，但仍會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服電動(dòng)機(jī)在控制信號(hào)消失后仍繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的失控現(xiàn)象稱為“自轉(zhuǎn)”。6.1伺服電動(dòng)機(jī)TeOnn=f(Te+)n=f(Te-)n=f(Te)普通單相異步電動(dòng)機(jī)單相繞組產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩nTeOR2↑n=f(Te+)n=f(Te-)n=f(Te)交流伺服電動(dòng)機(jī)單相運(yùn)行

克服自轉(zhuǎn)加大轉(zhuǎn)子電阻，使sm>1，單相運(yùn)行時(shí):n>0,Te<06.1伺服電動(dòng)機(jī)①兩相控制：保持

=90o和Uc=Uf

，同時(shí)改變

Uc和Uf的大小（始終為對(duì)稱運(yùn)行）。②幅值控制：保持

=90o和Uf=UN，改變Uc

和Uf的大小。③相位控制：保持Uc=Uf

=UN

，改變

的大小。④幅相控制：同時(shí)改變uc的大小和相位?！窠涣魉欧妱?dòng)機(jī)的功率和頻率：

0.1~100W，50、400Hz等。(3)控制方式6.1伺服電動(dòng)機(jī)6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)●功能：將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速信號(hào)。轉(zhuǎn)角θ∝脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)；轉(zhuǎn)速n∝脈沖信號(hào)的頻率?！裼猛荆焊呔鹊慕嵌瓤刂啤！癜炊ㄗ酉鄶?shù)不同：三相、四相、五相、六相等；按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同：永磁式、磁阻式、混合式與電源、負(fù)載、環(huán)境等因素?zé)o關(guān)1.基本結(jié)構(gòu)2.工作原理1.定子：一、結(jié)構(gòu)2.轉(zhuǎn)子：1423U1U2V1V2W2W1三相磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原理圖6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)2.工作原理●一拍：從一次通電到另一次通電?！癫骄嘟牵好恳慌霓D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。(1)m相單m拍運(yùn)行（三相單三拍運(yùn)行）(2)m相雙m拍運(yùn)行（三相雙三拍運(yùn)行）(3)m相單-雙m拍運(yùn)行（三相雙三拍運(yùn)行）6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1423U1U2V1V2W2W1(1)m相單m拍運(yùn)行（三相單三拍運(yùn)行）

通電順序：U相→V相→W

相→U相。1423(1)U相通電1423U1U2V1V2W2W11423(2)V相通電1423U1U2V1V2W2W11423(3)W相通電●

步距角：θ=30°6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(2)m相雙m拍運(yùn)行（三相雙三拍運(yùn)行）

通電順序：UV相→VW相→WU相。1423U1U2V1V2W2W1(1)UV相通電14231423U1U2V1V2W2W1(2)VW相通電14231423U1U2V1V2W2W1(3)WU相通電1423●

步距角：θ=30°6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(3)m相單-雙2m拍運(yùn)行(三相單-雙六拍運(yùn)行）通電順序：U→UV→V→VW→W→WU→U。1423U1U2V1V2W2W11423U1U2V1V2W2W11423U1U2V1V2W2W11423U1U2V1V2W2W11423U1U2V1V2W2W11423U1U2V1V2W2W11423●θ=15°6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)●步距角：θ=360°zNz

：轉(zhuǎn)子齒數(shù)N：拍數(shù)●

轉(zhuǎn)速：一個(gè)θ→轉(zhuǎn)(1/

zN)圈，脈沖頻率為f→每秒轉(zhuǎn)(f

/

zN)圈。n=60fzN例如：三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)z=40，則①采用單/雙三拍時(shí)：②采用三相六拍時(shí)：θ=360°zN360°40×3==3°θ=360°zN360°40×6==1.5°6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)●

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)：脈沖放大器步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖分配器脈沖輸入負(fù)載驅(qū)動(dòng)電源

最大靜轉(zhuǎn)矩、起動(dòng)頻率、運(yùn)行頻率?！?/p>

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式：6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)●

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)U2U1W2W1V1V26.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)6.3測(cè)速發(fā)電機(jī)功能：將轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓信號(hào)。用途：校正元件、計(jì)算元件。種類：直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、交流測(cè)速發(fā)電機(jī)。1.直流測(cè)速發(fā)電機(jī)2.交流測(cè)速發(fā)電機(jī)1.直流測(cè)速發(fā)電機(jī)(1)基本結(jié)構(gòu)：與普通小型直流發(fā)電機(jī)相同。勵(lì)磁方式：電磁式（他勵(lì)）和永磁式。EI＋

U－TGRL＋Uf－If電磁式TGRLEI＋

U－永磁式(2)工作原理空載時(shí)：U=E

=CEΦ

n負(fù)載時(shí)：U=E

－Ra

I6.3測(cè)速發(fā)電機(jī)U=CEΦ

n－RaURLU=nCEΦ

1+RaRLU∝

nRL→∞

RL2

RL1UnORL2＞RL1①電樞反應(yīng)——采用較大RL②環(huán)境溫度的變化，引起繞組的電阻值變化——?jiǎng)?lì)磁串低溫度系數(shù)電阻③負(fù)載變化，引起電刷與換向器接觸電阻的變化?！徒佑|電阻電刷6.3測(cè)速發(fā)電機(jī)2.交流測(cè)速發(fā)電機(jī)(1)基本結(jié)構(gòu)定子：

定子鐵心上有兩相對(duì)稱繞組。轉(zhuǎn)子：籠型、杯型。輸出繞組勵(lì)磁繞組(2)工作原理Φd正弦交流uf→if→Φd

Φd=Φdm

sinωt①

轉(zhuǎn)子靜止時(shí)：勵(lì)磁繞組:一次繞組轉(zhuǎn)子繞組:二次繞組－Uf＋I(xiàn)fEf××··Ed→Ef→Ed→Id6.3測(cè)速發(fā)電機(jī)IfId→Ff→Fd→Φd××··－Uf＋I(xiàn)fEfΦdEd忽略勵(lì)磁繞組的漏阻抗，則：Uf=－Ef=

j

4.44fkwfNfΦdm輸出繞組：與Φd

無(wú)交鏈，不會(huì)產(chǎn)生E0。＋

U0－Ed=－j

4.44fkwrNrΦdm即：n=0時(shí)，U0

=0。勵(lì)磁繞組：轉(zhuǎn)子繞組：6.3測(cè)速發(fā)電機(jī)②轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)：Φd－Uf＋I(xiàn)fEfΦd＋

U0－交變感應(yīng)旋轉(zhuǎn)切割（右手定則）

Ed→Id

Eq→IqEq·×××··→ΦqΦq

eq=

C1Φd

n（轉(zhuǎn)子繞組的q軸電動(dòng)勢(shì)）=

C1n

Φdm

sinωtΦq

=C2eq（q軸氣隙磁通）=

C1C2n

Φdm

sinωt=

Φqm

sinωtC1、C2——電機(jī)常數(shù)。Φqm

=

C1C2n

Φdm6.3測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出繞組：U0=－E0=j4.44fkw0N0Φqm=j4.44fkw0

N0C1C2n

Φdm

=C1C2n

Uf

kw0

N0kwfNfΦq→E0→U0輸出空載電壓：－Uf＋I(xiàn)fEfΦd＋

U0－Eq·×××··ΦqE0

結(jié)論：①U0

∝n；②

u0與uf同頻率、同相位。6.3測(cè)速發(fā)電機(jī)6.4自整角機(jī)

功能：將轉(zhuǎn)角信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，或反之。通過兩個(gè)或兩個(gè)以上的組合，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角的傳輸、轉(zhuǎn)換和接收。

同步聯(lián)接系統(tǒng)：無(wú)機(jī)械聯(lián)接的兩個(gè)系統(tǒng)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

種類：①按作用的不同：力矩式、控制式；②按相數(shù)的不同：?jiǎn)蜗唷⑷唷?/p>

結(jié)構(gòu)：

定子、轉(zhuǎn)子。單相：定子為三相繞組、轉(zhuǎn)子為單相繞組；三相：定子、轉(zhuǎn)子均為三相繞組。自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖轉(zhuǎn)子鐵心單相繞組定子鐵心三相繞組電刷1.力矩式自整角機(jī)2.控制式自整角機(jī)6.4自整角機(jī)1.力矩式自整角機(jī)UVWUVWa發(fā)送機(jī)b接收機(jī)~ΦΦEUaEVaEWaEUbEVbEWb(1)轉(zhuǎn)子處在協(xié)調(diào)位置時(shí)

縱向脈振Φ

→EUa=EUb，EVa=EVb，EWa=EWb;IUIVIWIU=IV=

IW=0

→Te

=0，轉(zhuǎn)子靜止。定同子步繞組6.4自整角機(jī)UVWUVWa發(fā)送機(jī)b接收機(jī)~EUaEVaEWaEUbEVbEWbIUIVIW(2)轉(zhuǎn)子處在非協(xié)調(diào)位置時(shí)Φ

Φ

→EUa≠EUb，EVa≠EVb，EWa≠EWb;IU、IV、IW≠0

Φ→Te

≠

0，6.4自整角機(jī)UVWUVWa發(fā)送機(jī)b接收機(jī)~EUaEVaEWaEUbEVbEWbIUIVIW(2)轉(zhuǎn)子處在非協(xié)調(diào)位置時(shí)Φ→EUa≠EUb，EVa≠EVb，EWa≠EWb;ΦIU、IV、IW≠0

→Te≠

0，接收機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)

角。

Φ從新達(dá)到協(xié)調(diào)位置，使IU=IV=

IW=0，

Te=0。6.4自整角機(jī)2.控制式自整角機(jī)UVWa控制式發(fā)送機(jī)UVWb自整角變壓器ΦΦ'EUaEVaEWaIUIVIW＋Uf－＋U0－(1)轉(zhuǎn)子處在協(xié)調(diào)位置時(shí)

Φ→EU、EV、EW

不同大小同相位，則IU、IV、IW不同大小同相位→產(chǎn)生縱向脈振磁場(chǎng)→與輸出繞組不交鏈→U0=0。6.4自整角機(jī)UVWa控制式發(fā)送機(jī)UVWb自整角變壓器＋Uf－＋U0－(2)轉(zhuǎn)子處在非協(xié)調(diào)位置時(shí)EUaEVaEWa

ΦIUIVIWΦ'Φ→EU、EV、EW→IU、IV、IW→Φ'→Φ'與輸出繞組交鏈E0→產(chǎn)生E0∝sin

。即U0∝sin

。6.4自整角機(jī)6.5旋轉(zhuǎn)變壓器

功能：將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變換成與之有函數(shù)關(guān)系的電壓信號(hào)。

結(jié)構(gòu)：相當(dāng)于一臺(tái)兩相繞線型異步電動(dòng)機(jī)。定、轉(zhuǎn)子鐵心上都有兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同而互相 垂直的繞組。

種類：計(jì)算用和數(shù)據(jù)傳輸用旋轉(zhuǎn)變壓器。1.正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器2.線性旋轉(zhuǎn)變壓器3.比例式旋轉(zhuǎn)變壓器4.數(shù)據(jù)傳輸用旋轉(zhuǎn)變壓器1.正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器

將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變換成與之成正余弦函數(shù)關(guān)系的電壓信號(hào)。

定子：

D1D2：勵(lì)磁繞組；

D3D4

：補(bǔ)償繞組。

轉(zhuǎn)子：

Z1Z2：余弦輸出繞組；

Z3Z4：正弦輸出繞組。D1D2D3D4Z1Z2Z3Z4基準(zhǔn)位置（初始位置）6.5旋轉(zhuǎn)變壓器(1)空載運(yùn)行D1D2D3D4Z1Z2Z3Z4＋Uf－＋Ucos－＋Usin－轉(zhuǎn)子處在基準(zhǔn)位置時(shí)ID12Uf

→ID12→FDd→Φd

轉(zhuǎn)子處在基準(zhǔn)位置時(shí)：在D1D2中：Φd→ED

在Z1Z2中：Φd→EZ

在Z3Z4中：沒有感應(yīng)。

ED=

4.44fkw1N1ΦdmEZ=

4.44fkw2N2Φdmk==EZEDkw2N2kw1N16.5旋轉(zhuǎn)變壓器

轉(zhuǎn)子偏離基準(zhǔn)位置

角時(shí)：轉(zhuǎn)子偏離基準(zhǔn)位置

角D1D2D3D4Z1Z2Z3Z4＋Uf－＋Ucos－＋Usin－ID12Z1Z3Z4Z2＋Ucos－＋Usin－

ΦZ12=Φdcos

ΦZ34=Φdsin

EZ12=EZcos

=kEDcos

=kUfcos

EZ34=EZsin

=kEDsin

=kUfsin

空載輸出電壓：

Ucos=kU