1、機(jī)電控制技術(shù)第四章 控制電機(jī)7/22/2022機(jī)電控制技術(shù)目 錄4.1 控制電機(jī)的種類和特點(diǎn)4.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 4.3 自整角機(jī)4.4 伺服電動(dòng)機(jī)4.5 旋轉(zhuǎn)變壓器7/22/2022機(jī)電控制技術(shù) 控制電機(jī)是在普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)的具有特殊功能的小型旋轉(zhuǎn)電機(jī)。控制電機(jī)在控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件、檢測元件和運(yùn)算元件。 從工作原理上看，控制電機(jī)和普通電機(jī)沒有本質(zhì)上的差異；從功能上看，普通電機(jī)功率大，側(cè)重于電機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)等方面的性能指標(biāo)，而控制電機(jī)輸出功率較小，側(cè)重于電機(jī)控制精度和響應(yīng)速度。 由于各種控制電機(jī)的原理都是建立在基本的電磁規(guī)律基礎(chǔ)上，因而它們之間不是孤立的，而是既有共性，又有個(gè)性。

2、在以后學(xué)習(xí)中就會(huì)發(fā)現(xiàn)一種電機(jī)與另一種電機(jī)之間在電磁關(guān)系和基本特性上有很多相同之處，但它們各自又具有不同的特點(diǎn)。7/22/2022機(jī)電控制技術(shù)4.1.1 控制電機(jī)的種類 控制電機(jī)的種類很多，除了自整角機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和直流測速發(fā)電機(jī)外，還包含交流伺服電動(dòng)機(jī)、交流測速發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。根據(jù)它們在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的作用，可以將它們分成執(zhí)行元件和測量元件。4.1 控制電機(jī)的種類和特點(diǎn)1.執(zhí)行元件 執(zhí)行元件主要包括直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。這些電動(dòng)機(jī)的任務(wù)是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度以及線位移或線速度，并帶動(dòng)控制對象運(yùn)動(dòng)。 理想的直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)

3、的電信號(hào)（控制電壓、脈沖電壓等）與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖4-1所示?？刂齐妷汉娃D(zhuǎn)速的關(guān)系是正比關(guān)系，而轉(zhuǎn)速的方向是由控制電壓的極性來決定的。7/22/2022機(jī)電控制技術(shù)2.測量元件 測量元件包括自整角機(jī)，交、直流測速發(fā)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器等。它們能夠用來測量機(jī)械轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)角差和轉(zhuǎn)速，一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為敏感元件和校正元件。 自整角機(jī)可以把發(fā)送機(jī)和接收機(jī)之間的轉(zhuǎn)角差轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)角差成正弦關(guān)系的電信號(hào)；交、直流測速發(fā)電機(jī)可以把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，它的輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比；旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓與轉(zhuǎn)子相對于定子的轉(zhuǎn)角呈正余弦或線性關(guān)系。 7/22/2022機(jī)電控制技術(shù)4.1.2 控制電機(jī)的特點(diǎn) 日常生活和工作中遇

4、到的電機(jī)一般是作為動(dòng)力來使用的，它們的主要任務(wù)是能量轉(zhuǎn)換，發(fā)電機(jī)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，電動(dòng)機(jī)是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。而控制電機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，只起一個(gè)元件的作用，其主要任務(wù)是完成控制信號(hào)的傳遞和轉(zhuǎn)換，而完成能量轉(zhuǎn)換則是次要的。它們使用的場合及所要完成的任務(wù)，要求它們具有運(yùn)行可靠、動(dòng)作迅速和準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)?？刂齐姍C(jī)的種類很多，但是這些電機(jī)的基本原理都是建立在以下兩個(gè)基本規(guī)律的基礎(chǔ)上：（1）電磁轉(zhuǎn)化規(guī)律是指在一定條件下電和磁可以相互轉(zhuǎn)化。（2）通電導(dǎo)體在磁場中要受到力的作用。7/22/2022機(jī)電控制技術(shù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)執(zhí)行元件。在非超載的情況下，對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

5、施加一個(gè)電脈沖信號(hào)后，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一定的角度，這稱為一步。隨著脈沖數(shù)增加，角位移或線位移也隨之增加，脈沖頻率高則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就高，反之則低。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電動(dòng)機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得它在速度和位置等控制領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。4.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)4.2.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，如圖4-2所示。定子由硅鋼片疊成，裝上一定相數(shù)的控制繞組，工作時(shí)由環(huán)形分配器送來的電脈沖對多相定子繞組輪流進(jìn)行勵(lì)磁。轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊成或由軟磁性材料制作成凸極結(jié)構(gòu)。7/22/2022機(jī)電控制技術(shù)圖4-2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的外形及結(jié)構(gòu)7/22/2022機(jī)

6、電控制技術(shù)4.2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式很多，但其工作原理都大同小異，下面以三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例說明其工作原理。如圖4-3所示為一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的圓周上均勻的分布著4個(gè)凸齒，定子有6個(gè)磁極，每個(gè)相對的磁極上繞有一相控制繞組，共有三個(gè)勵(lì)磁繞阻（U1和U2、V1和V2、W1和W2）。圖4-3 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖7/22/2022機(jī)電控制技術(shù)4.2.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理分可分為反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；按控制繞組的數(shù)量分可分為二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

7、、五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和六相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；按電流的極性可分為單極性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和雙極性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；按運(yùn)動(dòng)的形式分可分為旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和平面步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。1.反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為變磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，它根據(jù)相數(shù)、磁路結(jié)構(gòu)的不同可形成很多種類，但其工作原理是一樣的。如圖4-4所示為反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的外形。7/22/2022機(jī)電控制技術(shù)2.永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的磁極必須做得比較寬，這樣步矩角才能比較大，同時(shí)由于它工作時(shí)所需要的激磁電流比較小，因而斷電后永磁材料能產(chǎn)生一定程度的定位轉(zhuǎn)矩。由于結(jié)構(gòu)的原因，永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)只適用于大步距的應(yīng)用場合，其特點(diǎn)是電感小，可用較

8、低電壓驅(qū)動(dòng)，但步距角大，靜剛度小。3.混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上嵌有永久磁鋼可以看成永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，但是從定子和轉(zhuǎn)子的導(dǎo)磁體上來看，它又和反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相似，因此，混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相結(jié)合的一種形式，故稱為混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。該步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是輸出轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)性能好、步距角小、驅(qū)動(dòng)電源電流小、功率低，但結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，成本相對較高。由于混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性價(jià)比較高，因而目前得到了廣泛的應(yīng)用。7/22/2022機(jī)電控制技術(shù)4.2.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)需配置一個(gè)專用的電源供電，電源的作用是讓步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制繞組按照特定的順序通電，即

9、受輸入的電脈沖控制而動(dòng)作，這個(gè)專用電源稱為驅(qū)動(dòng)電源。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電源是一個(gè)互相聯(lián)系的整體，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能是由電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電源兩者配合所形成的綜合效果。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)對驅(qū)動(dòng)電源的基本要求包含以下幾點(diǎn)： （1）驅(qū)動(dòng)電源的相數(shù)、通電方式、電壓和電流都要滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的需要。 （2）驅(qū)動(dòng)電源要滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率的要求。 （3）驅(qū)動(dòng)電源能最大限度地抑制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩。 （4）驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)具有工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。 （5）選用驅(qū)動(dòng)電源要保證成本低、效率高、安裝和維護(hù)方便。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源基本上由脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器和功率放大器（也稱脈沖放大器）三部分組成。7/22/2

10、022機(jī)電控制技術(shù)1.脈沖發(fā)生器 脈沖發(fā)生器是指一個(gè)脈沖頻率由幾赫茲到幾十千赫茲可連續(xù)變化的脈沖信號(hào)發(fā)生器。如圖4-5所示為脈沖發(fā)生器的外形。脈沖發(fā)生器都是通過調(diào)節(jié)電阻和電容的大小來改變電容器充放電的時(shí)間常數(shù)，以達(dá)到改變脈沖信號(hào)頻率的目的。7/22/2022機(jī)電控制技術(shù)2.環(huán)形分配器 環(huán)形分配器是根據(jù)指令把電脈沖信號(hào)按一定的邏輯關(guān)系加到放大器上，使各相繞組按一定的順序和時(shí)間導(dǎo)通和關(guān)斷，并根據(jù)指令使電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)確定的運(yùn)行方式。環(huán)形分配器有硬件和軟件兩種方式。7/22/2022機(jī)電控制技術(shù)4.2.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)和使用的基本原則 1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)1）步距角步距角是

11、指每給一個(gè)電脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所應(yīng)轉(zhuǎn)過角度的理論值。2）精度步進(jìn)電動(dòng)機(jī)精度有兩種表示方法：一種是用步距角誤差的最大值來表示；另一種是用步距累積誤差的最大值來表示。3）轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩包括保持轉(zhuǎn)矩、靜轉(zhuǎn)矩和動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 （1）保持轉(zhuǎn)矩。保持轉(zhuǎn)矩(或定位轉(zhuǎn)矩)是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組不通電時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的最大值或轉(zhuǎn)角不超過一定值時(shí)的轉(zhuǎn)距值。 （2）靜轉(zhuǎn)矩。靜轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不改變控制繞組通電狀態(tài)，即轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)情況下的電磁轉(zhuǎn)矩。 （3）動(dòng)轉(zhuǎn)矩。動(dòng)轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)情況下的最大輸出轉(zhuǎn)矩值，它與運(yùn)行的頻率有關(guān)。7/22/2022機(jī)電控制技術(shù) （1）為使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行(不失步、不越步)、正常啟動(dòng)并滿足對轉(zhuǎn)速要求，

12、必須保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載所需的轉(zhuǎn)矩。 （2）應(yīng)使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步矩角與機(jī)械負(fù)載相匹配，以得到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所需的脈沖當(dāng)量。 （3）驅(qū)動(dòng)電源的優(yōu)劣對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行影響極大，使用時(shí)要特別注意，需要根據(jù)運(yùn)動(dòng)要求，盡量采用先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)電源，以滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能。 （4）若所帶負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，則應(yīng)在低頻下啟動(dòng)。在工作過程中應(yīng)盡量避免由于負(fù)載突變而引起的誤差。 （5）若在工作中發(fā)生丟步現(xiàn)象，首先應(yīng)檢查負(fù)載是否過大，電源電壓是否正常，電源輸出波形是否正確。2.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)使用的基本原則7/22/2022機(jī)電控制技術(shù)4.2.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是由電脈沖控制而動(dòng)作的，通過環(huán)

13、形分配器按一定的順序加到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各相繞組上。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖，如圖4-7所示。7/22/2022機(jī)電控制技術(shù)1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制 使用計(jì)算機(jī)對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制有串行控制和并行控制兩種控制方式。 1）串行控制 具有串行控制功能的單片機(jī)系統(tǒng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源之間具有較少的連線。在這種系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)電源必須含有環(huán)行分配器。這種控制方式的功能框圖如圖4-8所示。7/22/2022機(jī)電控制技術(shù)2）并行控制 用計(jì)算機(jī)的數(shù)條端口線直接去控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路的方法稱為并行控制。在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電源內(nèi)，不包括環(huán)形分配器，其功能必須由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成。 （1）軟件法。軟件法是指全用編程來實(shí)現(xiàn)相序的

14、分配，直接輸出各相導(dǎo)通或截止的控制信號(hào)。其主要有寄存器移位法和查表法。 （2）軟件、硬件結(jié)合的方法。并行控制的功能框圖如圖4-9所示。 7/22/2022機(jī)電控制技術(shù) 3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度控制 控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度，實(shí)際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖頻率或者換相的周期。系統(tǒng)可用兩種方法來確定脈沖的周期：一種是用軟件延時(shí)，另一種是用定時(shí)器。 4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速控制 對于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的點(diǎn)位控制系統(tǒng)，從起點(diǎn)至終點(diǎn)的運(yùn)行速度都有一定要求。在點(diǎn)位控制過程中，運(yùn)行速度都需要有一個(gè)“加速恒速減速低恒速停止”的加減速過程，如圖4-10所示。7/22/2022機(jī)電控制技術(shù)2.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)

15、控制是直接或間接地檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋和適當(dāng)?shù)奶幚碜詣?dòng)給出驅(qū)動(dòng)的脈沖串。采用閉環(huán)控制不僅可以獲得更加精確的位置控制和更高、更平衡的轉(zhuǎn)速，還可以在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的許多其他領(lǐng)域中獲得更大的通用性。 根據(jù)不同的使用要求，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制也有不同的方案。采用光電脈沖編碼器作為位置檢測元件的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制功能框圖如圖4-11所示。其分辨率必須與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步矩角相匹配。7/22/2022機(jī)電控制技術(shù) 自整角機(jī)是一種對角位移或角速度的偏差能自動(dòng)整步的控制電機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中自整角機(jī)總是兩個(gè)以上組合使用。這種組合方式能將轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)角變換為電信號(hào)，或者再將電信號(hào)變換為轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)角，使機(jī)械

16、上互不相連的兩根或幾根轉(zhuǎn)軸同步偏轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)角度的傳輸、變換和接收。4.3 自整角機(jī) 在伺服系統(tǒng)中，產(chǎn)生信號(hào)所用的自整角機(jī)稱為發(fā)送機(jī)，接收信號(hào)所用的自整角機(jī)稱為接收機(jī)。自整角機(jī)廣泛應(yīng)用于冶金、航海等位置和方位同步指示系統(tǒng)，以及火炮、雷達(dá)等伺服系統(tǒng)中。 自整角機(jī)按工作原理分可分為力矩式自整角機(jī)和控制式自整角機(jī)。力矩式自整角機(jī)主要用在指示系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)角度的傳輸?？刂剖阶哉菣C(jī)主要用在傳輸系統(tǒng)中，做檢測元件用，其任務(wù)是將角度信號(hào)變換為電壓信號(hào)。7/22/2022機(jī)電控制技術(shù)4.3.1 力矩式自整角機(jī)的工作原理 力矩式自整角機(jī)的接線圖如圖4-12所示。圖中左邊的是發(fā)送機(jī)，右邊的是接收機(jī)，它們的轉(zhuǎn)

17、子勵(lì)磁繞組Z1Z2和Z1Z2接到同一單相電源上，同步繞組的出線端按順序依次連接，當(dāng)發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的勵(lì)磁繞組相對于本身同步繞組的偏轉(zhuǎn)角分別為1和2時(shí)，兩者的相對偏轉(zhuǎn)角為=12，這個(gè)相對偏轉(zhuǎn)角稱為失調(diào)角。7/22/2022機(jī)電控制技術(shù)4.3.2 控制式自整角機(jī)的工作原理 若把發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組(勵(lì)磁繞組)互相垂直的位置作為諧調(diào)位置，并將接收機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組Z1Z2從電源斷開，如圖4-13所示，具有這樣的接線方式的自整角機(jī)稱為控制式自整角機(jī)。當(dāng)發(fā)送機(jī)的轉(zhuǎn)子由主令軸轉(zhuǎn)過角，即出現(xiàn)失調(diào)角時(shí)，接收機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組即輸出一個(gè)與失調(diào)角具有一定函數(shù)關(guān)系的電壓信號(hào)，這樣就實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)角信號(hào)的變換。此時(shí)，接收機(jī)是變壓器狀

18、態(tài)，故在控制式自整角機(jī)系統(tǒng)中的接收機(jī)也稱為自整角變壓器。7/22/2022機(jī)電控制技術(shù) 伺服電動(dòng)機(jī)又稱為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。伺服電動(dòng)機(jī)是自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中常用的執(zhí)行元件，它的作用是將輸入的電壓信號(hào)(即控制電壓)轉(zhuǎn)換成軸上的角位移和角速度輸出，以驅(qū)動(dòng)控制對象。其最大的特點(diǎn)是有控制電壓時(shí)轉(zhuǎn)子立即旋轉(zhuǎn)，無控制電壓時(shí)轉(zhuǎn)子立即停轉(zhuǎn)。伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由控制電壓的方向和大小決定的。其容量一般在0.1100 W，常用的是30 W以下。伺服電動(dòng)機(jī)可分為交流伺服電動(dòng)機(jī)和直流伺服電動(dòng)機(jī)。4.4 伺服電動(dòng)機(jī)4.4.1 交流伺服電動(dòng)機(jī) 1.交流伺服電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 交流伺服電動(dòng)機(jī)就是一臺(tái)兩相交流異步電動(dòng)

19、機(jī)，但其轉(zhuǎn)子的電阻比一般交流異步電動(dòng)機(jī)大得多。為了使交流伺服電動(dòng)機(jī)對輸入信號(hào)能有快速地反應(yīng)，必須盡量減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，所以轉(zhuǎn)子一般做得細(xì)而長。7/22/2022機(jī)電控制技術(shù)近年來，為了進(jìn)一步提高交流伺服電動(dòng)機(jī)的快速反應(yīng)性，采用了如圖4-14所示7/22/2022機(jī)電控制技術(shù)2.交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理 當(dāng)沒有控制信號(hào)電壓時(shí)，氣隙中只有勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場，轉(zhuǎn)子上由于沒有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩而靜止不動(dòng)；當(dāng)有控制信號(hào)電壓且控制繞組電流和勵(lì)磁繞組電流相位不同時(shí)，則在氣隙中產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)。交流伺服電動(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)。為了消除交流伺服電

20、動(dòng)機(jī)的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，必須加大轉(zhuǎn)子的電阻，這是因?yàn)楫?dāng)控制信號(hào)電壓消失后，伺服電動(dòng)機(jī)仍處于單相運(yùn)行狀態(tài)，若轉(zhuǎn)子電阻很大，臨界轉(zhuǎn)差率則會(huì)大于1，這時(shí)正負(fù)旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是一個(gè)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這就保證了當(dāng)控制信號(hào)電壓消失后轉(zhuǎn)子仍轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)將被迅速制動(dòng)而停下。轉(zhuǎn)子電阻加大后，不僅可以消除自傳，還具有擴(kuò)大調(diào)速范圍，改善調(diào)節(jié)特性，提高反應(yīng)速度等優(yōu)點(diǎn)。7/22/2022機(jī)電控制技術(shù)（1）幅值控制。保持控制電壓與勵(lì)磁電壓間的相位不變，僅改變控制電壓的幅值。（2）相位控制。保持控制電壓與勵(lì)磁電壓的幅值不變，僅改變控制電壓的相位。（3）幅相控制同時(shí)改變控制信號(hào)電壓的幅值和相位。3.交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方法及

21、特點(diǎn) 一般采用下列3種方法來控制交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高低及旋轉(zhuǎn)方向。7/22/2022機(jī)電控制技術(shù)交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與分相式單相異步電動(dòng)機(jī)雖然相似，但前者的轉(zhuǎn)子電阻比后者大得多，所以交流伺服電動(dòng)機(jī)與分相式單相異步電動(dòng)機(jī)相比，有以下三個(gè)顯著特點(diǎn)：（1）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。（2）運(yùn)行范圍較寬。（3）無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。7/22/2022機(jī)電控制技術(shù)4.交流伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用舉例 下面介紹交流伺服電動(dòng)機(jī)在電子電位差計(jì)中的應(yīng)用。如圖4-15所示為電子電位差計(jì)電路原理圖。電子電位差計(jì)主要由測量橋路、變流器、電子放大器、交流伺服電動(dòng)機(jī)、指示記錄機(jī)構(gòu)以及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)所組成。7/22/2022機(jī)電控制技術(shù)4.4.2 直流伺服

22、電動(dòng)機(jī) 1.直流伺服電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理與普通直流電動(dòng)機(jī)基本相同。但直流伺服電動(dòng)機(jī)與普通直流電動(dòng)機(jī)相比又有其本身的特點(diǎn)，即氣隙較小、電樞電阻較大、機(jī)械特性為軟特性、電樞比較細(xì)長、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、換向性能較好以及不需換向極等。直流伺服電動(dòng)機(jī)可分為他勵(lì)式直流伺服電動(dòng)機(jī)和永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速由信號(hào)電壓控制。若信號(hào)電壓加在電樞繞組兩端，則稱為電樞控制；若信號(hào)電壓加在勵(lì)磁繞組兩端，則稱為磁極控制。 由于電樞控制的直流伺服電動(dòng)機(jī)的線性度較好、損耗較小、電樞回路中的電感較小，使其電磁慣性較小，其響應(yīng)速度比磁極控制的直流伺服電動(dòng)機(jī)快，所以在工程上多采用電樞控制。7/22/2022機(jī)

23、電控制技術(shù)4.5.1 旋轉(zhuǎn)變壓器的基本結(jié)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種旋轉(zhuǎn)式的小型交流電動(dòng)機(jī)，它由定子和轉(zhuǎn)子組成。如圖4-20所示為一種無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)。圖中左邊為分解器，右邊為旋轉(zhuǎn)變壓器。旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，維護(hù)方便，輸出信號(hào)的幅度大，抗干擾性強(qiáng)，工作可靠，是數(shù)控機(jī)床經(jīng)常使用的位移檢測元件之一。 4.5旋轉(zhuǎn)變壓器7/22/2022機(jī)電控制技術(shù)7/22/2022機(jī)電控制技術(shù)4.5.2 旋轉(zhuǎn)變壓器的基本工作原理 旋轉(zhuǎn)變壓器是根據(jù)互感原理工作的。它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造保證了定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙內(nèi)的磁通分布呈正(余)弦規(guī)律，當(dāng)定子繞組上加交流勵(lì)磁電壓(交變電壓，頻率為24 kHz)時(shí)，通過互感在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，如圖4-21所示。7/22/2022機(jī)電控制技術(shù)4.5.3 旋轉(zhuǎn)變壓器的檢測方法 一般采用的是正弦、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組中各有互相