第四章常用控制电机第一节控制电机概述控制电机具有体积小，功率小，通常在几百瓦以下等特点；而驱动微电机结构简单、体积小、功率也小，主要用来驱动各种轻型负载。
驱动微电机与控制电机合称为微控电机。
在普通旋转电机的基础上产生的各种控制电机与普通电机本质上并没有差别，只是着重点不同：普通旋转电机主要是进行能量变换，要求有较高的力能指标；而控制电机主要是对控制信号进行传递和变换，要求有较高的控制性能，如要求反应快、精度高、运行可靠等等。
控制电机因其各种特殊的控制性能而常在自动控制系统中作为执行元件、检测元件和解算元件。
第二节伺服电动机伺服电动机又称为执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件。
它将输入的电压信号转变为转轴的角位移或角速度输出，改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的转速与转向，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。
根据使用电源的不同，伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。
直流伺服电动机输出功率较大，功率范围为1～600瓦，有的甚至可达上千瓦；而交流伺服电动机输出功率较小，功率范围一般为0.1～100瓦。
一、直流伺服电动机1、工作原理直流伺服电动机实际上就是他励直流电动机，其结构和原理与普通的他励直流电动机相同，只不过直流伺服电动机输出功率较小而已。
当直流伺服电动机励磁绕组和电枢绕组都通过电流时，直流电动机转动起来，当其中的一个绕组断电时，电动机立即停转，故输入的控制信号，既可加到励磁绕组上，也可加到电枢绕组上：若把控制信号加到电枢绕组上，通过改变控制信号的大小和极性来控制转子转速的大小和方向，这种方式叫电枢控制；若把控制信号加到励磁绕组上进行控制，这种方式叫磁场控制。
磁场控制有严重的缺点（调节持性在某一范围不是单值函数，每个转速对应两个控制信号），使用的场合很少。
直流伺服电动机进行电枢控制时，电枢绕组即为控制绕组，控制电压直接加到电枢绕组上进行控制。
而励磁方式则有两种：一种用励磁绕组通过直流电流进行励磁，称为电磁式直流伺服电动机；另一种使用永久磁铁作磁极，省去励磁绕组，称为永磁式直流伺服电动机。
直流伺服电动机电枢控制线路图2. 机械特性:改变控制电压，而机械特性的斜率不变，故其机械特性是一组平行的直线，如图所示。
从上述分析可知，电枢控制时的直流伺服电动机的机械特性是线性的，而且不存在“自转”现象（控制信号消失后，电机仍不停止转动的现象叫“自转”现象），在自动控制系统中是一种很好的执行元件。
二、交流伺服电动机1. 工作原理交流伺服电动机实际上就是两相异步电动机，所以有时也叫两相伺服电动机。
如图所示，电机定子上有两相绕组，一相叫励磁绕组，接到交流励磁电源上，另一相为控制绕组，接入控制电压，两绕组在空间上互差90°电角度，励磁电压和控制电压Uc频率相同。
交流伺服电动机原理图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。
当交流伺服电动机的励磁绕组接到励磁电流上，若控制绕组加上的控制电压为0时（即无控制电压），所产生的是脉振磁通势，所建立的是脉振磁场，电机无起动转矩；当控制绕组加上的控制电压不为0，且产生的控制电流与励磁电流的相位不同时，建立起椭圆形旋转磁场，于是产生起动力矩，电机转子转动起来。
如果电机参数与一般的单相异步电动机一样，那么当控制信号消失时，电机转速虽会下降些，但仍会继续不停地转动。
伺服电动机在控制信号消失后仍继续旋转的失控现象称为“自转”。
“自转”的原因是控制电压消失后，电机仍有与原转速方向一致的电磁转矩。
消除“自转”的方法是消除与原转速方向一致的电磁转矩，同时产生一个与原转速方向相反的电磁转矩，使电机在控制电压消失时停止转动。
可以通过增加转子电阻的办法来消除“自转”。
2. 基本结构交流伺服电动机的定子与异步电动机类似，在定子槽中装有励磁绕组和控制绕组，而转子主要有两种结构形式：（1）笼型转子这种笼型转子和三相异步电动机的笼型转子一样，但笼型转子的导条采用高电阻率的导电材料制造，如青铜、黄铜。
另外，为了提高交流伺服电动机的快速响应性能，宜把笼型转子做成又细又长，以减小转子的转动惯量。
（2）非磁性空心杯转子如图所示，非磁性空心杯转子交流伺服电动机有两个定子：外定子和内定子，外定子铁芯槽内安放有励磁绕组和控制绕组，而内定子一般不放绕组，仅作磁路的一部分；空心杯转子位于内外绕组之间，通常用非磁性材（如铜、铝或铝合金）制成，在电机旋转磁场作用下，杯形转子内感应产生涡流，涡流再与主磁场作用产生电磁转矩，使杯形转子转动起来。
非磁性空心杯转子结构图1-空心杯转子；2-外定子；3-内定子；4-机壳；5-端盖由于非磁性空心杯转子的壁厚约为0.2～0.6mm，因而其转动惯量很小，故电机快速响应性能好，而且运转平稳平滑，无抖动现象。
由于使用内外定子，气隙较大，故励磁电流较大，体积也较大。
第三节测速发电机测速发电机是一种测量转速的微型发电机，它把输入的机械转速变换为电压信号输出，并要求输出的电压信号与转速成正比。
测速发电机分直流测速发电机和交流测速发电机两大类。
一、直流测速发电机1. 工作原理：直流测速发电机实际就是一种微型直流发电机，按定子磁极的励磁方式分为电磁式和永磁式。
直流测速发电机的工作原理与一般直流发电机相同，如图7.20所示。
在恒定的磁场中，外部的机械转轴带动电枢旋转，电枢绕组切割磁场从而在电刷间产生感应电动势。
图7.20 直流测速发电机的工作原理在空载时，直流测速发电机的输出电压就是电枢感应电动势。
显然输出电压与转速成正比。
2. 误差分析直流测速发电机的输出电压与转速要严格保持正比关系在实际中是难以做到的，其实际的输出特性为图中实线，造成这种非线性误差的原因主要有以下三个方面：（1）电枢反应直流测速发电机负载时电枢电流会产生电枢反应，电枢反应的去磁作用使气隙磁通Φ0减小，使输出电压减小。
从输出特性看，斜率将减小，而且电枢电流越大，电枢反应的去磁作用越显著，输出特性斜率减小越明显，输出特性直线变为曲线。
（2）温度的影响如果直流测速发电机长期使用，其励磁绕组会发热，其绕组阻值随温度的升高而增大，励磁电流因此而减小，从而引起气隙磁通减小，输出电压减小，特性斜率减小。
温度升得越高，斜率减小越明显，使特性向下弯曲。
可在励磁回路中串接一个阻值较大而温度系数较小的锰铜或康铜电阻，以减小由于温度的变化而引起的电阻变化，从而减小因温度而产生的线性误差。
（3）接触电阻如果电枢电路总电阻包括电刷与换向器的接触电阻，那么输出电压受接触电阻压降影响总是随负载电流变化而变化，当输入的转速较低时，接触电阻较大，使此时本来就不大的输出电压变得更小，造成的线性误差很大；当电流较大的，接触电阻较小而且基本上趋于稳定的数值，线性误差相对而言小得多。
另外，直流测速发电机输出的是一个脉动电压，其交变分量对速度反馈控制系统、高精度的解算装置有较明显的影响。
二、交流测速发电机交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机。
在实际应用中异步测速发电机使用较广泛。
1. 交流异步测速发电机工作原理交流异步测速发电机与交流伺服电动机的结构相似，其转子结构有笼型的，也有杯型的，在自动控制系统中多用空心杯转子异步测速发电机。
空心杯转子异步测速发电机定子上有两个在空间上互差90 电角度的绕组，一为励磁绕组，另一为输出绕组，如图7.23所示。
(a) (b)空心杯转子异步测速发电机原理图当定子励磁绕组外接频率为 f的恒压交流电源 u，励磁绕组中有电流 i流过，在直轴（即轴）上产生以频率 f脉振的磁通。
在转子不动时，脉振磁通在空心杯转子中感应出变压器电势（空心杯转子可以看成有无数根导条的笼式转子，相当于变压器短路时的二次绕组，而励磁绕组相当于变压器的一次绕组），产生的磁场与励磁电源同频率的脉振磁场，在转子转动时，转子切割直轴磁通，在杯型转子中感应产生旋转电势，其大小正比于转子转速，并以励磁磁场的脉振频率交变，又因空心杯转子相当于短路绕组，故旋转电势在杯型转子中产生交流短路电流，若忽视杯型转子的漏抗的影响，那么此短路电流所产生的脉振磁通在空间位置上与输出绕组的轴线一致，因此转子脉振磁场与输出绕组相交链而产生感应电势。
输出绕组感应产生的电势实际就是交流异步测速发电机输出的空载电压，其大小正比于转速，其频率为励磁电源的频率。
2、误差分析交流异步测速发电机的误差主要有三种：非线性误差、剩余电压和相位误差。
三、测速发电机的应用测速发电机的作用是将机械速度转换为电气信号，常用作测速无件、校正元件、解算元件，与伺服电机配合，广泛使用于许多速度控制或位置控制系统中，如在稳速控制系统中，测速发电机将速度转换为电压信号作为速度反馈信号，可达到较高的稳定性和较高的精度，在计算解答装置中，常作为微分、积分元件。
0第四节步进电动机步进电动机是一种把电脉冲转换成角位移的电动机。
用专用的驱动电源向步进电动机供给一系列的且有一定规律的电脉冲信号，每输入一个电脉冲，步进电机就前进一步，其角位移与脉冲数成正比，电机转速与脉冲频率成正比，而且转速和转向与各相绕组的通电方式有关。
根据励磁方式的不同，步进电动机分为反应式、永磁式和感应子式（又叫混合式），而反应式步进电动机应用较多，下面以此为例来阐述步进电动机的原理。
1、工作原理下图为一台三相六拍反应式步进电动机，定子上有三对磁极，每对磁极上绕有一相控制绕组，转子有四个分布均匀的齿，齿上没有绕组。
三相反映式步进电动机的工作原理图当 A相控制绕组通电，而B相和 C相不通电时，步进电动机的气隙磁场与 A相绕组轴线重合，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电机转子受到一个反应转矩，在步进电机中称之为静转矩。
在此转矩的作用下，使转子的齿1和齿3旋转到与 A相绕组轴线相同的位置上，如图所示，此时整个磁路的磁阻最小，此时转子只受到径向力的作用而反应转矩为零。
如果B相通电，A相和 C相断电，那转子受反应转矩而转动，使转子齿2齿4与定子极 B、 B′对齐，此时，转子在空间上逆时针转过的空间角 为30 ，即前进了一步，转过这个角叫做步距角.如此按顺序不断地接通和断开控制绕组，电机便按一定的方向一步一步地转动，若按反向序顺序通电，则电机反向一步一步转动。
在步进电机中，控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍，每一拍转子就转过一个步距角，上述的运行方式每次只有一个绕组单独通电，控制绕组每换接三次构成一个循环，故这种方式称为三相单三拍。
若按A-AB-B-BC-C-CA顺序通电，每次循环需换接6次，故称为三相六拍，因单相通电和两相通电轮流进行，故又称为三相单、双六拍。
三相六拍运行方式的步距角是三相单三拍的一半，即为15 。
步进电机的三相单、双六拍运行方式另外还有一种运行方式，按AB-BC-CA顺序通电，每次均有两个控制绕组通电，故称为三相双三拍，实际是三相六拍运行方式去掉单相绕组单独通电的状态，转子齿与定子磁极的相对位置与上图一样或类似。
