电机拖动技术基础第六章

6.1伺服电动机伺服电动机的作用是将输入的电压信号（即控制电压）转换成轴上的角位移或角速度输出，在自动控制系统中常作为执行元件，所以伺服电动机又称为执行电动机，其最大特点是：有控制电压时转子立即旋转，无控制电压时转子立即停转。转轴转向和转速是由控制电压的方向和大小决定的。伺服电动机分为交流和直流两大类。第六章控制电机6.1.1交流伺服电动机1．基本结构交流伺服电动机主要由定子和转子构成，如图8.1、图8.2所示。定子铁心通常用硅钢片叠压而成。定子铁心表面的槽内嵌有两相绕组，其中一相绕组是励磁绕组，另一相绕组是控制绕组，两相绕组在空间位置上互差90°电角度。工作时励磁绕组f与交流励磁电源相连，控制绕组k加控制信号电压。kU1—外定子铁心；2—杯形转子；3—内定子铁心；4—转轴；5—轴承；6—定子绕组图8.1杯形转子伺服电动机结构图转子的形式有两种，一种是笼式转子，其绕组由高电阻率的材料制成，绕组的电阻较大，笼式转子结构简单，但其转动惯量较大。另一种是空心杯转子，它由非磁性材料制成杯形，可看成是导条数很多的笼式转子，其杯壁很薄，因而其电阻值较大。转子在内外定子之间的气隙中旋转，因空气隙较大而需要较大的励磁电流。空心杯形转子的转动惯量较小，响应迅速。图8.2交流伺服电动机原理图2．工作原理交流伺服电动机的工作原理和电容分相式单相异步电动机相似。在没有控制电压时，气隙中只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子上没有启动转矩而静止不动。当有控制电压且控制绕组电流和励磁绕组电流不同相时，则在气隙中产生一个旋转磁场并产生电磁转矩，使转子沿旋转磁场的方向旋转。但是对伺服电动机要求不仅是在控制电压作用下就能启动，且电压消失后电动机应能立即停转。如果伺服电动机控制电压消失后像一般单相异步电动机那样继续转动，则出现失控现象，我们把这种因失控而自行旋转的现象称为自转。为消除交流伺服电动机的自转现象，必须加大转子电阻r2，这是因为当控制电压消失后，伺服电动机处于单相运行状态，若转子电阻很大，使临界转差率sm1，这时正负序旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性曲线（）以及合成转矩特性曲线（）如图8.3所示。由图中可看出，合成转矩的方向与电机旋转方向相反，是一个制动转矩，这就保证了当控制电压消失后转子仍转动时，电动机将被迅速制动而停下。转子电阻加大后，不仅可以消除自转，还具有扩大调速范围、改善调节特性、提高反应速度等优点。sTsTemem—,sTem图8.3伺服电动机单相运行时的M-S曲线3．控制方法可采用下列三种方法来控制伺服电动机的转速高低及旋转方向。（1）幅值控制保持控制电压与励磁电压间的相位差不变，仅改变控制电压的幅值。（2）相位控制保持控制电压的幅值不变，仅改变控制电压与励磁电压间的相位差。（3）幅-相控制同时改变控制电压的幅值和相位。交流伺服电动机的输出功率一般在100W以下。电源频率为50Hz时，其电压有36V,100V,220V,380V数种。当频率为400Hz时，电压有20V，36V，115V多种。交流伺服电动机运行平稳，噪音小，但控制特性为非线性并且因转子电阻大而使损耗大，效率低。与同容量直流伺服电动机相比体积大，质量大，所以只适用于0.5W～100W的小功率自动控制系统中。6.1.2直流伺服电动机1．基本结构传统的直流伺服电动机动实质是容量较小的普通直流电动机，有他励式和永磁式两种，其结构与普通直流电动机的结构基本相同。杯形电枢直流伺服电动机的转子由非磁性材料制成空心杯形圆筒，转子较轻而使转动惯量小，响应快速。转子在由软磁材料制成的内、外定子之间旋转，气隙较大。无刷直流伺服电动机用电子换向装置代替了传统的电刷和换向器，使之工作更可靠。它的定子铁心结构与普通直流电动机基本相同，其上嵌有多相绕组，转子用永磁材料制成。2．基本工作原理传统直流伺服电动机的基本工作原理与普通直流电动机完全相同，依靠电枢电流与气隙磁通的作用产生电磁转矩，使伺服电动机转动。通常采用电枢控制方式，即在保持励磁电压不变的条件下，通过改变电枢电压来调节转速。电枢电压越小，则转速越低；电枢电压为零时，电动机停转。由于电枢电压为零时电枢电流也为零，电动机不产生电磁转矩，不会出现“自转”。6.2测速发电机测速发电机在自动控制系统中作检测元件，可以将电动机轴上的机械转速转换为电压信号输出。输出电压的大小反映机械转速的高低，输出电压的极性反映电动机的旋转方向。测速发电机有交、直流两种形式。自动控制系统要求测速发电机的输出电压必须精确、迅速地与转速成正比。6.2.1交流测速发电机1．基本结构异步测速发电机是自动控制系统中应用较多的一种交流测速发电机，它的结构与交流伺服电动机相似，如图8.4所示。它主要由定子、转子组成，根据转子结构的不同分为笼式转子和空心杯转子两种。空心杯转子的应用较多，它由电阻率较大、温度系数较小的非磁性材料制成，以使测速发电机的输出特性线性度好、精度高。杯壁通常只有0.2mm～0.3mm的厚度，转子较轻以使测速发电机的转动惯性较小。1—空心杯转子；2—外定子；3—内定子；4—励磁绕组；5—输出绕组图8.4空心杯转子测速发电机结构空心杯转子异步测速发电机的定子分为内、外定子。内定子上嵌有输出绕组，外定子上嵌有励磁绕组并使两绕组在空间位置上有相差90°电角度。内外定子的相对位置是可以调节的，可通过转动内定子的位置来调节剩余电压，使剩余电压为最小值。1—空心杯转子；2—外定子；3—内定子；4—励磁绕组；5—输出绕组图8.4空心杯转子测速发电机结构2．基本工作原理异步测速发电机的工作原理可以由图8.5来说明。图中N1是励磁绕组，N2是输出绕组。由于转子电阻较大，为分析方便起见，忽略转子漏抗的影响，认为感应电流与感应电动势同相位。给励磁绕组N1加频率f恒定，电压Uf恒定的单相交流电，测速发电机的气隙中便会生成一个频率为f、方向为励磁绕组N1轴线方向（即d轴方向）的脉振磁动势及相应的脉振磁通，分别称为励磁磁动势及励磁磁通。图8.5异步测速发电机的原理图当转子不动时，励磁磁通在转子绕组（空心杯转子实际上是无穷多导条构成的闭合绕组）中感应出变压器电动势，变压器电动势在转子绕组中产生电流，转子电流由d轴的一边流入而在另一边流出，转子电流所生成的磁动势及相应的磁通也是脉振的且沿d轴方向脉振，分别称为转子直轴磁动势及转子直轴磁通。励磁磁动势与转子直轴磁动势都是沿d轴方向脉振的，两个磁动势合成而产生的磁通也是沿d轴方向脉振的，称之为直轴磁通。由于直轴磁通与输出绕组N2不交链，所以输出绕组没有感应电动势，其输出电压U2=0。转子旋转时，转子绕组切割直轴磁通产生切割电动势Eq。由于直轴磁通是脉振的，因此切割电动势Eq也是交变的，其频率也就是直轴磁通的频率f，切割电动势在转子绕组中产生频率相同的交变电流Iq，电流Iq由q轴的一侧流入而在另一侧流出，电流Iq形成的磁动势及相应的磁通是沿q轴方向以频率脉振的，分别称为交轴磁动势Fq及交轴磁通。交轴磁通与输出绕组N2交链，在输出绕组中感应出频率为f的交变电势E2。dddddfqE以频率f交变的切割电动势与其转子绕组所切割的直轴磁通、切割速度n及由电机本身结构决定的电动势常数Ce有关，它的有效值为（8-1）以频率f交变的输出绕组感应电势，与输出绕组交链的交轴磁通及输出绕组的匝数N2有关，它的有效值E2为（8-2）由此看出，当励磁电压Uf及频率f恒定时有（8-3）即E2与n成正比关系。可见，异步测速发电机可以将其转速值一一对应地转换成输出电压值。输出电压U2与转速的关系曲线称为输出特性，如图9.6所示。实际上，由于存在漏阻抗、负载变化等问题，直轴磁通是变化的，输出电压与转速不是严格的正比关系，输出特性呈现非线性，如图8.6中曲线1所示。dnEdqeCqqfNE2244.4nEIEqqq2)(2nfUd图8.6异步测速发电机的输出特性6.2.2直流测速发电机1．基本结构直流测速发电机在结构上与普通小微型直流发电机相同，通常是两极电机，分为他励式和永磁式两种。他励式测速发电机的磁极由铁心和励磁绕组构成，在励磁绕组中通入直流电流便可以建立极性恒定的磁场。它的励磁绕组电阻会因电机工作温度的变化而变化，使励磁电流及其生成的磁通随之变化，产生线性误差。永磁式测速发电机的磁极由永久磁铁构成，不需励磁电源。磁极的热稳定性较好，磁通随电机工作温度的变化而变化的程度很小，但易受机械振动的影响而引发不同程度的退磁。2．基本工作原理直流测速发电机的工作原理可由图8.7来说明。当励磁电压Uf恒定且主磁通不变时，测速发电机的电枢与被测机械连轴而随之以转速n旋转，电枢导体切割主磁通而在其中生成感应电动势E。电动势E的极性决定于测速发电机的转向，电动势E的大小与转速成正比，即测速发电机空载时，其输出电压U为nEeCnEUeC图8.7直流测速发电机原理图测速发电机负载时，电枢绕组中因流过电枢电流I而在电枢绕组电阻ra上产生电压降I·ra，如果忽略电枢反应、工作温度对主磁通的影响，忽略电刷与换向器之间的接触压降，则有（8-4）得（8-5）由上式可见，只要主磁通、接触电压降、电枢电阻ra、负载电阻RL为常数，则输出电压U与电机的转速n成线性关系。输出电压U随电机转速n变化而变化的关系曲线，称为输出特性，如图9.8所示。负载电阻RL的值越大时，的斜率越大，测速发电机的灵敏度越高。aLarRUErIEUnRrRrEULaLa1C1e)(nfU)(nfU1—RL较小；2—RL较大图8.8直流测速发电机的输出特性6.3自整角机自整角机在自动控制系统中用做角度的传输、指示或变换，通常将两台或多台相同的自整角机组合起来使用。自整角机有力矩式和控制式两种，其用途不同。力矩式自整角机用做远距离转角指示，控制式自整角机可以将转角转换成电信号。自整角机的结构分成定子和转子两大部分，接触式自整角机结构如图8.9所示。自整角机结构定、转子之间的气隙较小。定、转子铁心均由高导磁率、低损耗的薄硅钢片叠成。力矩式自整角机的转子多采用两极的凸极结构，对频率较高、规格较大的力矩式自整角机采用隐极结构。控制式自整角机的接收机转子采用隐极结构。通常，定子铁心槽内嵌有接成星形的三相对称绕组，称之为整步绕组。转子铁心槽内嵌有单相绕组，称之为励磁绕组。励磁绕组通过滑环和电刷装置与外电路连接。1—定子；2—转子；3—阻尼绕组；4—电刷；5—接线柱；6—滑环图8.9接触式自整角机结构示意图6.3.1力矩式自整角机的工作原理力矩式自整角机的工作原理可以由图8.10来说明。图中，由结构、参数均相同的两台自整角机构成自整角机组，一台用来发送转角信号，称自整角发送机，用ZLF表示；另一台用来接收转角信号，称为自整角接收机，用ZLJ表示。两台自整角机中的整步绕组均接成星形，三对相序相同的相绕组分别连接成回路。两台自整角机转子中的励磁绕组接在同一个单相交流电源上。图8.10力矩式自整角机的原理图在励磁绕组中通入单相交流电流时，两台自整角机的气隙中都将生成脉振磁场，其大小随时间按余弦规律变化。脉振磁场使整步绕组的各相绕组生成时间上同相位的感应电动势，电动势的大小取决于整步绕组中各相绕组的轴线与励磁绕组轴线之间的相对位置。当整步绕组中的某一相绕组轴线与其对应的励磁绕组轴线重合时，该相绕组中的感应电动势为最大，用Em表示电动势的最大值。设发送机整步绕组中的A相绕组轴线与其对应的励磁绕组轴线的夹角为，接收机整步绕组中的A相绕组轴线与其对应的励磁绕组轴线的夹角为，如图8.10所示。则整步绕组中各相绕组的感应电动势有效值如下。FJ对发送机（8-6）对接收机（8-7）由于发送机与接收机各连接相的感应电动势在时间上是同相位的，可得各相回路的合成电动势为（8-8）式中——发送机、接收机偏转角之差，称为失调角FmFAEEcos)120cos(FmFBEE)240cos(FmFCEEJmJAEEcos)120cos(JmJBEE