第五章 控制电机

第五章 控制电机控制电机一般是指用于自动控制、自动调节、远距离测量、随动系统以及计算装置中的微特电机。

它是构成开环控制、闭环控制、同步连接等系统的基础元件。

根据它在自动控制系统中的职能可分为测量元件、放大元件、执行元件和校正元件四类。

控制电机是在一般旋转电机的基础上发展起来的小功率电机，就电磁过程及所遵循的基本规律而言，它与一般旋转电机没有本质区别，只是所起的作用不同。

传动生产机械用的传动电机主要用来完成能量的变换，具有较高的力能指标(如效率和功率因数等)；而控制电机则主要用来完成控制信号的传递和变换，要求它们技术性能稳定可靠、动作灵敏、精度高、体积小、重量轻、耗电少。

当然传动用电机与控制电机也没有一个严格的界线，本章所介绍的力矩电动机、第十一章介绍的步进电动机等控制电机也起传动电机的作用。

至于旋转变压器与感应同步器等信号检测元件将在“数控机床”课程中介绍。

5.1 交流伺服电动机伺服电动机也称为执行电动机，在控制系统中用作执行元件，将电信号转换为轴上的转角或转速，以带动控制对象。

伺服电动机有交流和直流两种，它们的最大特点是可控。

在有控制信号输入时，伺服电动机就转动；没有控制信号输入，则停止转动；改变控制电压的大小和相位(或极性)就可改变伺服电动机的转速和转向。

因此，它与普通电动机相比具有如下特点：1． 调速范围广，伺服电动机的转速随着控制电压的改变而改变，能在很广的范围内连续调节；2． 转子的惯性小，即能实现迅速启动和停转； 3． 控制功率小，过载能力强，可靠性好。

一、两相交流伺服电动机的结构定子：定子绕组与单相电容式异步电动机的结构相类似。

定子用硅钢片叠成，在定子铁心的内圆表面上嵌入两个相差090电角度(即p /900空间角)的绕组，一个叫励磁绕组FW ，另一个叫控制绕组CW ，如图5.1所示，这两个绕组通常是分别接在两个不同的交流电源(两者频率相同)上，这一点与单相电容式异步电动机不同。

图5.1 交流伺服电动机的接线图转子：转子一般分为鼠笼转子和杯形转子两种结构型式。

鼠笼式转子与三相鼠笼式电动机的转子结构相似，杯形转子的结构如图5.2所示。

图5.2 杯形转子的结构图杯形转子通常用铝合金或铜合金制成空心薄壁圆筒，为了减少磁阻，在空心杯形转子内放置固定的内定子。

不同结构型式的转子都制成具有较小惯量的细长形。

目前用得最多的是鼠笼转子的交流伺服电动机。

交流伺服电动机的特点和应用范围见表5.1。

表5.1 交流伺服电动机的特点和应用范围种类型号结构特点性能特点应用范围鼠笼式转子SL与一般鼠笼式电机结构相同，但转子做得细而长，转子导体用高电阻率的材料。

励磁电流较小，体积较小，机械强度高，但是低速运行不够平稳，有时快时慢的抖小功率的自动控制系统动现象。

空心杯形转子SK转子做成薄壁圆筒形，放在内、外定子之间。

转动惯量小，运行平滑，无抖动现象，但是励磁电流较大，体积也较大。

要求运行平滑的系统二、工作原理1．基本的工作原理两相交流伺服电动机是以单相异步电动机原理为基础的，从图5.1看出，励磁绕组接到电压一定的交流电网上，控制绕组接到控制电压cU上，当有控制信号输入时，两相绕组便产生旋转磁场。

该磁场与转子中的感应电流相互作用产生转矩，使转子跟着旋转磁场以一定的转差率转动起来，其同步转速：pfn/60=，转向与旋转磁场的方向相同，把控制电压的相位改变0180，则可改变伺服电动机的旋转方向。

对伺服电动机的要求是控制电压一旦取消，电动机必须立即停转。

但根据单相异步电动机的原理，电动机转子一旦转动以后，再取消控制电压，仅剩励磁电压单相供电，它将继续转动，即存在“自转”现象，这意味着失去控制作用，这是不允许的。

2．消除自转现象的措施消除自转现象办法就是使转子导条具有较大电阻。

从三相异步电动机的机械特性可知，转子电阻对电动机的转速转矩特性影响很大，如图5.3所示。

转子电阻增大到一定程度，例如图中23r时，最大转矩可出现在1=S附近。

图5.3 对应不同转子电阻时的机械特性为此目的，把伺服电动机的转子电阻2r 设计得很大，使电动机在失去控制信号，即成单相运行时，正转矩或负转矩的最大值均出现在1m >S 的地方，这样可得出图5.4所示的机械特性曲线。

图5.4 控制电压为0时的机械特性图5.4中曲线1为有控制电压时伺服电机的机械特性曲线，曲线−+T T 和为去掉控制电压后，脉动磁场分解为正、反两个旋转磁场对应产生的转矩曲线。

曲线T 为去掉控制电压后单相供电时的合成转矩曲线。

从图看出，它与异步电动机的机械特性曲线不同，它是在第二和第四象限内。

当速度n 为正时，电磁转矩T 为负，当n 为负时，T 为正，即去掉控制电压后，单相供电时的电磁转矩的方向总是与转子转向相反，所以，是一个制动转矩。

由于制动转矩的存在，可使转子迅速停止转动，保证了不会存在“自转”现象。

停转所需要的时间，比两相电压f c U U 和同时取消、单靠摩擦等制动方法所需的时间要少得多。

这正是两相交流伺服电动机在工作时，励磁绕组始终是接在电源上的原因。

综上所述，增大转子电阻2r ，可使单相供电时合成电磁转矩在第二和第四象限，成为制动转矩，有利于消除“自转”，同时2r 的增大，还使稳定运行段加宽、启动转矩增大，有利于调速和启动。

因此，目前两相交流伺服电动机的鼠笼导条，通常都是用高电阻材料(如黄铜、青铜)制成，杯形转子的壁很薄，一般只有(0.2~0.8)mm ，因而转子电阻较大，且惯量很小。

三、特性和应用 1．控制特性两相交流伺服电动机的控制方法有三种：①幅值控制；②相位控制；③幅值-相位控制。

生产中应用幅值控制的最多，下面只讨论幅值控制法。

图5.5所示接线图为幅值控制的一种接线图。

图5.5 幅值控制电路原理图从图中看出，两相绕相接于同一单相电源，适当选择电容C ，使0c f 90相角差与U U ，改变R 的大小，即改变控制电压c U 的大小，可以得到图5.6所示的不同控制电压下的机械特性曲线簇。

图5.6 不同控制电压下的机械特性由图可见，在一定负载转矩下，控制电压越高，转差率越小，电动机的转速就越高，不同的控制电压对应着不同的转速。

这种维持0c f 90相角差与U U ，利用改变控制电压幅值大小来改变转速的方法，称为幅值控制方法。

2．应用举例交流伺服电动机可以方便地利用控制电压c U 的有无来进行启动、停止控制；利用改变电压的幅值(或相位)大小来调节转速的高低；利用改变c U 的极性来改变电动机转向。

它是控制系统中的原动机。

例如，雷达系统中扫描线的旋转，流量和温度控制中阀门的开启，数控机床中刀具运动，甚至连船舰方向舵与飞机驾驶盘的控制都是用伺服电动机来带动的。

图5.7所示为交流伺服电动机在自动控制系统中的典型应用方框图。

图5.7 交流伺服电动机典型应用原理框图由此看出，伺服电动机的性能，直接影响着整个系统的性能。

因此，系统对伺服电动机的静态特性、动态特性都有相应的要求，这是在选择电动机时应该注意的。

交流伺服电动机的输出功率一般是0.1W~100W ，其电源频率有50Hz 、400Hz 等几种。

在需要功率较大的场合，则应采用直流伺服电动机。

5.2 直流伺服电动机直流伺服电动机，通常用于功率稍大的系统中，其输出功率一般为1W~600W 。

图5.8(a)、(b)所示分别为他励式（传统型电磁式）、永磁式两种类型直流伺服电动机的原理电路图。

(a)他励式 (b)永磁式 图5.8 直流伺服电动机的原理电路图由上述电路原理图可知：直流伺服电动机的机械特性公式与他励直流电动机机械特性公式相同，即T ΦK K RΦK U n 2m e e c −=式中，c U ——电枢控制电压； R ——电枢回路电阻； Φ——每极磁通；m e K K ，——电动机结构常数。

除上述两种形式外，还有低惯量型直流伺服电动机，它有无槽、杯形、圆盘、无刷电枢几种。

它们的特点及应用范围见表5.2。

表5.2 直流伺服电动机的特点和应用范围种类 励磁方式产品型号 结构特点 性能特点 适用范围 一般直流伺服电动机电磁或永磁 SZ 或SY与普通直流电动机相同，但电枢铁心长度与直径之比大一些，气隙较小具有下垂的机械性和线性的调节特性，对控制信号响应快速。

一般直流伺服系统。

无槽电枢直流伺服电磁或永磁SWC电枢铁心为光滑圆柱体，电枢绕组用环氧树脂粘在电枢铁心表面，气隙较大。

具有一般直流伺服电动机的特点，而且转动惯量和机电时间常数需要快速动作、功率较大的直流伺服系电动机小，换向良好。

统。

空心杯形电枢直流伺服电动机永磁 SYK 电枢绕组用环氧树脂浇注成杯形，置于内、外定子之间，内、外定子分别用软磁材料和永磁材料做成。

具有一般直流伺服电动机的特点，且转动惯量和机电时间常数小，低速运转平滑，换向好。

需要快速动作的直流伺服系统。

印刷绕组直流伺服电动机永磁 SN 在圆盘形绝缘薄板上印制裸露的绕组构成电枢，磁极轴向安装转动惯量小，机电时间常数小，低速运行性能好。

低速和启动、反转频繁的控制系统。

无刷直流伺服电动机永磁 SW 由晶体管开关电路和位置传感器代替电刷和换向器，转子用永久磁铁做成，电枢绕组在定子上，且做成多相式。

既保持了一般直流伺服电动机的优点，又克服了换向器和电刷带来的缺点。

寿命长，噪音低。

要求噪音低、对无线电不产生干扰的控制系统。

由机械特性方程可以看出，改变控制电压cU或改变磁通Φ都可以控制直流伺服电动机的转速和转向，前者称为电枢控制，后者称为磁场控制。

由于电枢控制具有响应迅速、机械特性硬、调速特性线性度好的优点，的实际生产中大都采用电枢控制方式(永磁式伺服电动机，只能采取电枢控制)。

图5.9所示为直流伺服电动机机械特性曲线。

图5.9 直流伺服电动机机械特性曲线。

从图看出，在一定负载转矩下，当磁通Φ不变时，如果升高电枢电压c U ，电动机的转速就上升，反之，转速下降，当0c =U 时，电动机立即停止，因此，无自转现象。

直流伺服电动机与交流伺服电动机的机械特性比较，前者的堵转矩大，特性曲线线性度好，机械特性较硬。

缺点是有换向器，因而结构复杂，产生无线电干扰。

在确定系统采用何种电动机时，要综合考虑各种电动机的特点。

5.3直流力矩电动机在某些自动控制系统中，被控制对象的转速相对于伺服电动机的转速低得多，所以，两者之间常常必须用减速机构连接。

由于采用了减速器，一方面使系统装置变得复杂，另一方面它使闭环控制系统产生自激振荡的重要原因之一，影响了系统性能的提高。

因此希望有一种低转速、大转矩的伺服电动机。

力矩电动机就是一种能和负载直接连接产生较大转矩，能带动负载在堵转或大大低于空载转速下运转的电动机。

力矩电动机可分为如下几种：⎪⎩⎪⎨⎧⎩⎨⎧直流力矩电动机异步力矩电动机同步力矩电动机交流力矩电动机力矩电动机异步型交流力矩电动机的工作原理与交流伺服电动机相同，但为了产生低转速和大转矩，电动机做成径向尺寸大，轴向尺寸小的多极扁平形，虽然它的结构简单、工作可靠，但在低速性能方面还有待进一步完善。