1、第 9 章控 制 电 机第 9 章控 制 电 机9.1控制电机概述控制电机概述9.2步进电动机步进电动机9.3伺服电动机伺服电动机9.4微型同步电动机微型同步电动机9.5测速发电机与光电编码器测速发电机与光电编码器本章小结本章小结第 9 章控 制 电 机9.1 控制电机概述控制电机概述9.1.1 控制电机的用途和类别控制电机的用途和类别图9-1为两种伺服系统的示意方框图。其中图9-1（a）为经济型数控机床常用的步进电动机开环伺服系统，计算机数控装置给出位移指令脉冲，驱动电路将脉冲放大，去驱动步进电动机按命令脉冲转动，并带动工作台按要求进行位移。第 9 章控 制 电 机图9-1 两种伺服系统示意
2、方框图(a)步进电动机开环伺服系统；(b)全闭环位置伺服控制系统第 9 章控 制 电 机1.作为信号元件用的控制电机(1)交、直流测速发电机。测速发电机的输出电压与转速精确地保持正比关系，在系统中主要用于转速检测或速度反馈，也可以作为微分、积分的计算元件。第 9 章控 制 电 机(2)自整角机。自整角机的基本用途是角度数据传输，一般由两个以上元件对接使用，输出电压信号的属于信号元件，输出转矩的属于功率元件。作为信号元件时，输出电压是两个元件转子角差的正弦函数。作为功率元件时，输出转矩也近似为两个元件转子角差的正弦函数。在随动系统中可作为自整步元件或角度的传输、变换、接收元件。第 9 章控 制
3、电 机(3)旋转变压器。普通旋转变压器都做成一对磁极，其输出电压是转子转角的正弦、余弦或其他函数。主要用于坐标变换、三角运算，也可以作为角度数据传输和移相元件使用。多极旋转变压器，是在普通旋转变压器的基础上发展起来的一种精度可达角秒级的元件。在高精度解算装置和多通道系统中用作解算、检测元件或实现数模传递。第 9 章控 制 电 机2.作为功率元件用的控制电机(1)交流和直流伺服电动机。交直流伺服电动机在系统中作执行元件，其转速和转向取决于控制电压的大小和极性（或相位），机械特性近于线性，即转速随转矩的增加近似线性下降，比普通电动机的控制精度高。使用时，通常经齿轮减速后带动负载，所以又称为执行电动
4、机。第 9 章控 制 电 机(2)电机扩大机。电机扩大机可以利用较小的功率输入来控制较大的功率输出，在系统中作为功率放大元件。电机扩大机的控制绕组上所加电压一般不高、励磁电流不大。而输出电动势较高、电流较大，这个作用就是功率放大。放大倍数可达100010 000倍，也可作为自动调节系统中的调节元件。第 9 章控 制 电 机(3)步进电动机。步进电动机是一种将脉冲信号转为相应的角位移或线位移的机电元件。它由专门的电源供给脉冲信号电压，当输入一个电脉冲信号时，它就前进一步，输出角位移量或线位移量与输入脉冲数成正比，而转速与脉冲频率成正比。在经济型数控系统中作为执行元件得到广泛应用。第 9 章控 制
5、 电 机(4)微型同步电动机。微型同步电动机具有转速恒定、结构简单、应用方便的特点，应用在准确位置控制或准确位置控制的仪器设备上。(5)磁滞电动机。磁滞电动机具有恒速特性，亦可在异步状态下运行，主要用于驱动功率较小的要求转速平稳和启动频繁的同步驱动装置中。第 9 章控 制 电 机(6)单相串励电动机。单相串励电动机是交直流两用的，多数情况下使用交流电源。由于它具有较大的启动转矩和软的机械特性，广泛应用在电动工具中，如手电钻就采用这种电动机。(7)电磁调速电动机。电磁调速电动机是采用电磁转差离合器调速的异步电动机。这种电动机可以在较大的范围内进行无级平滑调速，是交流无级调速设备中最实用简单的一种
6、。第 9 章控 制 电 机9.1.2 对控制电机的要求及其发展概况对控制电机的要求及其发展概况1.对控制电机的要求高精确度是指控制电机的实际特性与理想特性的差异应越小越好。对功率元件来说，主要指特性的线性度和不灵敏区；对信号元件来说，主要指静态误差、动态误差以及环境温度、电源频率和电源电压的变化所引起的漂移。这些都直接影响整个系统的精确度。第 9 章控 制 电 机2.控制电机的发展概况由于新原理、新技术、新材料的发展，使电机在很多方面突破的传统的观念，目前已研制出一些新原理、新结构的电机。如研制成霍尔效应的自整角机及旋转变压器、霍尔无刷直流测速发电机、压电直线步进电动机、利用“介质极化”研制出
7、驻极体电机、利用“磁性体的自旋再排列”研制出光电机，此外还有电介质电动机、静电电动机、集成电路电动机等。第 9 章控 制 电 机9.2 步进电动机步进电动机(1)调速范围宽，尽量提高最高转速以提高劳动生产率。(2)动态性能好，能迅速启动、正反转和停转。(3)加工精度较高，即要求一个脉冲对应的位移量小，并要精确、均匀。这就要求步进电动机步距小、步距精度高、不丢步或越步。(4)输出转矩大，可直接带动负载。第 9 章控 制 电 机9.2.1 步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理 图9-2是一个三相反应式步进电动机的工作原理图，其定子、转子铁芯均由硅钢片叠压而成。定子上均匀分布六个磁极，磁极上装有
8、线圈，相对两个极上的线圈串联起来组成三个独立的绕组，称为三相绕组。转子是四个均匀分布的齿，齿宽等于定子极靴的宽度，转子上没有绕组，本身亦无磁性。第 9 章控 制 电 机图9-2 三相单三拍运行时反应式步进电动机工作原理第 9 章控 制 电 机当A相绕组通电，且B相、C相绕组都不通电时，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点。所以转子齿1和齿3的轴线与定子A极轴线对齐（负载转矩为零时），如图9-2(a)所示。当A相断电，B相通电时，转子便逆时针方向转过30，使转子齿2和齿4的轴线与定子B极轴线对齐，如图9-2(b)所示。当B相断电，C相通电时，转子再转过30，使转子齿1和齿3的轴线与定子C极轴线对
9、齐，如图9-2(c)所示。第 9 章控 制 电 机三相步进电动机除了单三拍通电方式外，还可工作在三相单、双六拍通电方式。三相单、双六拍时电动机运行情况如图9-3所示。这种方式的通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A，或为A-AC-C-CB-B-BA-A。按前一种顺序通电，即先接通A相定子绕组，接着使A、B两相定子绕组同时通电；然后断开A相，使B相绕组单独通电；再同时接通B、C两相定子绕组；接着C相单独通电，然后C、A两相定子绕组同时通电，并依次循环进行。第 9 章控 制 电 机图9-3 单、双六拍运行时的三相反应式步进电动机第 9 章控 制 电 机拍数不同使这种通电方式的步距角也与单三拍的
10、不同。当A相定子绕组通电时，和单三拍运行的情况相同，转子齿1和齿3的轴线与定子A极轴线对齐，如图9-3(a)所示。当A、B两相定子绕组同时通电时，转子的位置应兼顾到A、B两对极所形成的两路磁通，在气隙中所遇到的磁阻同样程度的达到最小。这时相邻两个A、B磁极与转子齿相作用的磁拉力大小相等且方向相反，使转子处于平衡状态。这样，当A相通电转到A、B两相同时通电时，转子只能逆时针转过15，如图9-3(b)所示。第 9 章控 制 电 机当断开A相定子绕组而使B相定子绕组单独通电时，转子将继续沿逆时针方向转过一个角度，直至使转子齿2和齿4的轴线与定子B极轴线对齐为止，如图9-3(c)所示，这时转子又转过1
11、5。若继续按BC-C-CA-A的顺序通电，那么步进电动机就按逆时针方向连续转动。如果通电顺序改为A-AC-C-CB-B-BA-A时，电动机将按顺时针方向转动。在单三拍运行方式时，每经过一拍，转子转过的步距角为30。第 9 章控 制 电 机图9-4所示的结构是最常见的一种小步距角的三相反应式步进电动机。图9-4 小步距角的三相反应式步进电动机第 9 章控 制 电 机在图9-4中，三相反应式步进电动机定子上有六个极，极上有定子绕组，沿直径相对的两个极的线圈串联，构成一相控制的绕组，共有A、B、C三相。转子圆周上均匀分布若干个小齿，定子每个磁极极靴上也有若干个小齿。根据步进电动机工作的要求，定子、转
12、子的齿宽、齿距必须相等，定子、转子齿数要适当配合。第 9 章控 制 电 机以转子齿数zr=40，相数m=3，一相绕组通电时，在气隙圆周上形成的磁极数2p=2，以三相单三拍运行为例，每一齿距的空间角为940360360rzz(9-1)每一极距的空间角为603123602360pm(9-2)第 9 章控 制 电 机每一极距所占的齿数为326312402pmzr(9-3)由于每一极距所占的齿数不是整数，因此当A极下的定、转子齿对齐时，B极的定子齿和转子齿必然错开1/3齿距，即为3，如图9-5所示。第 9 章控 制 电 机图9-5 小步距角的三相反应式步进电动机的展开图第 9 章控 制 电 机由图9-
13、5可以看出，若断开A相定子绕组而接通B相定子绕组，这时步进电动机中产生沿B极轴线方向的磁场，因磁通力图走磁阻最小路径闭合，就使转子受到同步转矩的作用而转动，转子按逆时针方向转过1/3齿距(3)，直到B极下的定子齿与转子齿对齐。相应的A极和C极下的定子齿又分别和转子齿相错1/3齿距。按此顺序连续不断的通电，转子便连续不断的转动。第 9 章控 制 电 机若采用三相单、双六拍通电方式运行，即按A-AB-B-BC-C-CA-A顺序循环通电，同样，步距角也要减少一半，即每一脉冲时转子仅转动1.5。由上面分析可知，步进电动机的转子每转过一个齿距，相当于在空间转过360/zr。则每一拍转过的角度只是齿距角的
14、1/N（N为运行拍数），因此，步距角为第 9 章控 制 电 机3340360360Nzrs(9-4)由s=360/(zrN)可知，每输入一个脉冲，转子转过的角度是整个圆周角的1/(zrN)，也就是转过1/(zrN)转，因此每分钟转子所转过的圆周数，即转速为Nzfnr60(9-5)第 9 章控 制 电 机9.2.2 步进电动机的运行特性步进电动机的运行特性1.静态运行状态步进电动机通电方式保持稳定的状态称为静态运行状态。静态运行状态下步进电动机的转矩与转角特性，简称矩角特性T=f()，是步进电动机的基本特性。步进电动机的转矩就是同步转矩（即电磁转矩），转角就是通电相的定、转子齿中心线间用电角度表
15、示的夹角，如图9-6所示。第 9 章控 制 电 机当步进电动机的通电相（一相通电时）的定、转子齿对齐时，即=0，电机转子上无切向磁拉力作用，转矩T等于零，如图9-6(a)所示。若转子齿相对于定子齿向右错开一个角度，这时出现了切向磁拉力，产生转矩T，转矩方向与偏转方向相反，规定为负，如图9-6(b)所示。显然，在90时，由于磁阻显著增大，进入转子齿顶的磁通量急剧减少，切向磁拉力以及转矩减少，直到=180时，转子齿处于两个定子齿正中，因此，两个定子齿对转子齿的磁拉力互相抵消，如图9-6(c)所示，此时，转矩T又为零。如果再增大，则转子齿将受到另一个定子齿的作用，出现相反的转矩，如图9-6(d)所示
16、。由此可见，转矩T随转角作周期变化，变化周期是一个齿距，即2电弧度。第 9 章控 制 电 机图9-6 定、转子间的作用力第 9 章控 制 电 机T=f()的形状比较复杂，它与定、转子冲片齿的形状以及饱和程度有关，实践证明，反应式步进电动机的矩角特性接近正弦曲线，如图9-7所示（图中只画出从到+的范围）。若电动机空载，在静态运行时，转子必然有一个稳定平衡位置。从上面分析看出，这个稳定平衡位置在=0处，即通电相定、转子齿对齐位置。第 9 章控 制 电 机因为当转子处于这个位置时，如有外力使转子齿偏离这个位置，只要偏离角0180，除去外力，转子能自动地重新回到原来位置。当=时，虽然两个定子齿对转子一
17、个齿的磁拉力互相抵消，但是只要转子向任一方向稍偏离，磁拉力就失去平衡，稳定性被破坏，所以=这个位置是不稳定的，两个不稳定点之间的区域构成静稳定区，如图9-7所示。第 9 章控 制 电 机图9-7 反应式步进电动机的矩角特性第 9 章控 制 电 机2.步进运行状态步进电动机的单步运行状态为一振荡过程。参看图9-2，当步进电动机空载，A相通电时，转子齿1和齿3的轴线与定子A极轴线对齐。A相断电，B相通电时，转子将按逆时针方向转动，在转子齿2和齿4转到对准定子B极轴线的瞬间，电动机的磁阻转矩为零。第 9 章控 制 电 机图9-8 步进电动机的转子振荡过程第 9 章控 制 电 机线位置后，就受到反向转
18、矩的作用而减速直到停转。但此时转子仍受到反向转矩的作用，开始顺时针方向转动，当转子齿2和齿4的轴线再次对齐B极轴线时，又会因转子惯性的影响同样继续沿顺时针方向转动，如此来回振荡。由于摩擦等阻尼力矩的影响，最终将使齿2和齿4的轴线停止在B极轴线位置。可见，当电脉冲由A相切换到B相绕组时，转子将转过一个步距角s，但整个过程是一个振荡过程。第 9 章控 制 电 机(1)动稳定区。动稳定区是指步进电动机从一种通电状态切换到另一种通电状态时，不致引起失步的区域。如步进电动机空载，且在A相通电状态下，其矩角特性如图9-9(a)中曲线A所示，转子位于稳定平衡点OA处。加一脉冲，A相断电，B相通电，矩角特性变
19、为曲线B。曲线A与曲线B之间相隔一个步距角s，转子新的稳定平衡位置为OB。第 9 章控 制 电 机只要改变通电状态，转子位置处于BB 间，转子就能向OB点运动，而达到新的稳定平衡。区间BB为步进电动机空载状态下的动稳定区，如图9-9(a)所示。可见，当步距角越小，即相数增加，或拍数增加，动稳定区越接近静稳定区，步进电动机运行越稳定，如图9-9(b)所示。第 9 章控 制 电 机图9-9 三相步进电动机的动稳定区(a)单三拍；(b)单、双六拍第 9 章控 制 电 机(2)最大负载转矩TST。图9-10所示为步进电动机的矩角特性。图中相邻两个矩角特性的交点所对应的电磁转矩用TST表示。当步进电动机
20、所带负载转矩Tz1TST时，在A相通电状态下，转子处在失调角（定子磁极A的轴线和转子齿1的轴线的夹角）A的平衡点a。第 9 章控 制 电 机当A相断电，B相通电，在改变通电状态的瞬间，由于惯性，转子位置还来不及改变，矩角特性跃变为曲线B，这时对应角A的电磁转矩为特性曲线B上的b点，此时电动机转矩大于负载转矩Tz1，使转子加速，转子向着增大方向运动，最后达到新的稳定平衡点b。如果负载转矩为Tz2，如图9-10所示，其实稳定平衡点是曲线A上的a点，对应的失调角为A。第 9 章控 制 电 机当A相断电，B相通电后，这时对应角A的转矩为特性曲线B上的b点，显然，此时的电动机转矩小于负载转矩Tz2，电动
21、机不能做步进运动。所以各相转角特性的交点所对应的转矩TST就是最大负载转矩，也称为启动转矩。最大负载转矩TST比最大静态转矩Tm要小。随着步进电动机相数m或拍数N的增加，步距角减小，两曲线的交点就升高。TST越大，就越接近于最大静态转矩Tm。第 9 章控 制 电 机图9-10 步进电动机的最大负载转矩第 9 章控 制 电 机9.2.3 步进电动机的驱动电源步进电动机的驱动电源三个部分，如图9-11所示。变频信号源是一个频率从几十赫兹到几千赫兹的可连续变化的信号发生器。变频信号源可以采用多种线路，最常见的有多谐振荡器和单结晶体管构成的弛张振荡器两种，它们都是通过调节电阻R和电容C的大小来改变电容
22、充放电的时间常数，以达到选取脉冲信号频率的目的。第 9 章控 制 电 机图9-11 步进电动机的驱动电源第 9 章控 制 电 机 9.3 伺服电动机伺服电动机(1)可控性好。有控制电压信号时，电动机在转向和转速上应能做出正确的反应，控制电压信号消失时，电动机应能可靠停转，即无“自转”现象。(2)响应快。电动机转速的高低和方向应能随控制电压信号改变而快速变化，即要求机电时间常数小和灵敏度高。(3)具有线性的机械特性和线性的调节特性，调速范围大，转速稳定。第 9 章控 制 电 机9.3.1 直流伺服电动机直流伺服电动机1.结构和分类直流伺服电动机分传统型和低惯量型两大类。传统型直流伺服电动机就是微
23、型的他励直流电动机，也是由定子、转子（电枢）、电刷和换向器四大部分组成的，按定子磁极的种类可分为永磁式和电磁式两种。永磁式的磁极是永久磁铁；电磁式的磁极是电磁铁，磁极外面套着励磁绕组。第 9 章控 制 电 机盘形电枢直流伺服电动机的结构如图9-12所示。它的定子是有永久磁钢和前后磁轭所组成，转轴上装有圆盘。电机的气隙位于圆盘的两侧，圆盘上有电枢绕组，绕组可分为印制绕组和绕线盘式绕组两种形式。印制绕组是采用制造印制电路板相类似的工艺制成的，可以是单片双面，也可以是多片重叠。绕线盘式绕组则是先绕成单个线圈，然后将绕好的全部线圈沿径向圆周排列起来，再用环氧树脂浇注成圆盘形。第 9 章控 制 电 机图
24、9-12 盘形电枢直流伺服电动机的结构示意图第 9 章控 制 电 机空心杯电枢永磁式直流伺服电动机的结构如图9-13所示。它由一个外定子和一个内定子构成定子磁路。通常外定子由两个半圆形的永久磁铁组成，而内定子则由圆柱形的软磁材料制成，仅作为磁路的一部分，以减小磁路磁阻。空心杯电枢是一个用非磁性材料制成的空心杯形圆筒，直接装在电机轴上。在电枢表面可采用印制绕组，亦可采用沿圆周轴向排成空心杯状并用环氧树脂固化成型的电枢绕组。当电枢绕组流过一定的电流时，空心杯电枢能在内、外定子间的气隙中旋转，并带动电机转轴旋转。第 9 章控 制 电 机图9-13 空心杯电枢永磁式直流伺服电动机结构简图第 9 章控
25、制 电 机无槽电枢直流伺服电动机的结构如图9-14所示。电枢铁芯为光滑圆柱体，其上不开槽，电枢绕组直接排列在铁芯表面，再用环氧树脂把它与电枢铁芯粘成一个整体，定转子间气隙大。定子磁极可以采用永久磁铁做成，也可以采用电磁式结构。这种电动机的转动惯量和电枢电感都比杯形或圆盘形电枢的大，因而动态性能较差。第 9 章控 制 电 机图9-14 无槽电枢直流伺服电动机结构简图第 9 章控 制 电 机2.控制方式直流伺服电动机的控制方式有两种：一种是电枢控制，另一种是磁极控制。当励磁电压恒定，负载转矩也一定时，升高电枢电压，电动机的转速随之升高；反之，减小电枢电压，电动机的转速就降低；若电枢电压为零，则电动
26、机停转；改变电枢电压极性，电动机的旋转方向也随之改变。这种把电枢电压作为控制信号即采用改变电枢电压控制转速的方法称为电枢控制。第 9 章控 制 电 机3.运行特性电枢控制时直流伺服电动机原理如图9-15所示。图9-15 电枢控制原理第 9 章控 制 电 机为了分析简便，先作如下假设：电机磁路不饱和，即认为电机的磁化曲线为一直线；电枢反应的去磁作用忽略不计。这样，直流伺服电动机电枢回路的电压平衡方程式为Ua=Ea+IaRa (9-6)式中，Ra为电动机电枢回路的总电阻（包括电刷接触电阻）。第 9 章控 制 电 机当磁通恒定时，电枢绕组的感应电动势与转速成正比，即有Ea=Cen (9-7)电动机的
27、电磁转矩为T=CTIa (9-8)将式(9-6)、式(9-7)、式(9-8)联立求解，即可得出直流伺服电动机的转速与转矩的关系公式：TCCRCUnTeaea2第 9 章控 制 电 机(1)机械特性。机械特性是指控制电压恒定时，电动机的转速与电磁转矩的关系，即Ua=常数时，转速n与转矩T之间的关系，即n=f(T)。电枢控制时直流伺服电动机的机械特性如图9-16所示。第 9 章控 制 电 机图9-16 电枢控制式直流伺服电动机的机械特性第 9 章控 制 电 机(2)调节特性。调节特性是指电磁转矩恒定时，电动机的转速随控制电压变化的关系，即T=常数时，n=f(Ua)。由转速公式便可画出直流伺服电动机
28、的调节特性，如图9-17所示，它们也是一组平行的直线。这些调节特性曲线与横轴的交点表示在一定负载转矩时电动机的始动电压。第 9 章控 制 电 机图9-17 电枢控制式直流伺服的电动机的调节特性第 9 章控 制 电 机9.3.2 交流伺服电动机交流伺服电动机1.基本结构非磁性空心杯转子的结构如图9-18所示。电动机中除了有和一般感应电动机一样的定子外，还有一个内定子。内定子是由硅钢片叠压而成的圆柱体，通常内定子上无绕组，只是代替笼形转子铁芯作为磁路的一部分，作用是减少主磁通磁路的磁阻。第 9 章控 制 电 机在内外定子之间有一个细长的、装在转轴上的空心杯形转子，杯形转子通常用非磁性材料铝或铜制成
29、，壁很薄，一般只有0.20.8 mm，因而具有较大的转子电阻和很小的转动惯量。杯形转子可以在内外定子间的气隙中自由旋转，电动机依靠杯形转子内感应的涡流与气隙磁场作用而产生电磁转矩。可见，杯形转子交流伺服电动机的优点为转动惯量小，摩擦转矩小，因此快速响应好；另外，由于转子上无齿槽，所以运行平稳，无抖动，噪声小。第 9 章控 制 电 机图9-18 杯形转子交流伺服电动机结构图第 9 章控 制 电 机图9-19所示为两相交流伺服电动机的原理图。两相绕组轴线位置在空间相差90电角度，当两相绕组分别加以交流电压、以后，就会在气隙中产生旋转磁场。当转子导体切割旋转磁场的磁力线时，便会感应电动势，产生电流，
30、转子电流与气隙磁场相互作用产生电磁转矩，使转子随旋转磁场的方向而旋转。fU.KU.第 9 章控 制 电 机图9-19 交流伺服电动机的原理图第 9 章控 制 电 机图9-20所示为单相供电时临界转差率sm=0.4时的机械特性曲线。从图中可以看出，在电动机工作的转差率范围内，即0s1，可以完全消除“自转”现象。前面讲到的转子的两种特殊结构形式正是为了满足这种要求。第 9 章控 制 电 机图9-21 sm1时的自转现象与转子电阻关系第 9 章控 制 电 机3.控制方式交流伺服电动机的控制方式有以下三种。(1)幅值控制。这种控制方式是通过调节控制电压的大小来改变电动机的转速，而控制电压与励磁电压之间
31、的相位角保持90电角度，通常滞后于。当控制电压=0时，电动机停转，即n=0。KU.fU.KU.fU.KU.第 9 章控 制 电 机(2)相位控制。这种控制方式是通过调节控制电压的相位（即调节控制电压与励磁电压之间的相位角）来改变电动机的转速，而控制电压的幅值保持不变，当=0时，电动机停转。这种控制方式较少采用。第 9 章控 制 电 机(3)幅值-相位控制（电容移相控制）。这种控制方式是将励磁绕组串联电容C以后，接到稳压电源上，其接线图如图9-22所示，这时励磁绕组上仍外施励磁电压（参看图9-23），控制绕组仍外施控制电压，而的相位始终与的相位同相。1.UcafUUU.1.KU.KU.KU.第
32、9 章控 制 电 机图9-22 幅值-相位控制接线图第 9 章控 制 电 机图9-23 幅值-相位控制电压相量图第 9 章控 制 电 机 9.4 微型同步电动机微型同步电动机1.永磁式同步电动机永磁式同步电动机的转子由永久磁钢制成，结构形式可以是凸极式，也可以是隐极式。它的工作原理可用图9-24的所示的原理图来说明。第 9 章控 制 电 机图9-24 永磁式同步电动机的工作原理第 9 章控 制 电 机图中，旋转的磁极用来代表定子绕组与电源接通后所产生的旋转磁场，转子是隐极式的。N极与S极相互吸引的结果，在转子上产生了与旋转磁场转向一致的电磁转矩，使转子随着旋转磁场以同一速度旋转起来。转子是否有
33、可能沿着旋转磁场的方向，但以不同于旋转磁场的转速旋转呢？若如此，则定子旋转磁场与转子之间存在着相对运动。第 9 章控 制 电 机在图示瞬间，转子上受到逆时针方向电磁转矩的作用，而当定子旋转磁场相对于转子分别转了180和90时，即相当于转子的位置不变，而定子旋转磁场的N极与S极换了位置，作用在转子上的电磁转矩变成了顺时针方向。因而，定子旋转磁场相对于转子每旋转一周，电磁转矩的平均值等于零。第 9 章控 制 电 机这说明，转子不可能在这种电磁转矩的作用下以不同于定子旋转磁场的转速稳定运转，转子稳定运转时的转速只能等于旋转磁场的转速，即等于同步转速，其表达式为pfn60(9-10)式中，f是定子电流
34、的频率，p是电动机的极对数。可见，只要f和p一定，转子的转速n就是恒定的。增加磁极对数p，就可以做成低转速的同步电动机。第 9 章控 制 电 机同步电动机电磁转矩的大小与定、转子磁场轴线之间的夹角的大小有关。如图9-25所示，对于p=1的隐极式转子的永磁式同步电动机来说，当=0时如图9-25(a)所示，此时转子只受到径向力的作用，不会形成电磁转矩，即T=0；当090时，如图9-25(b)所示，转子受到的作用力可以分解为一个径向分量和一个切向分量，其中切向分量产生电磁转矩，故T0；当=90时，如图9-25(c)所示。第 9 章控 制 电 机转子只受到切向力的作用，电磁转矩最大，称为最大同步转矩。
35、上述电磁转矩的形成也可以用磁力线的性质来说明。当090时，从图9-25(b)可知，磁力线被扭弯和拉长了，由于磁力线的收缩，使转子上产生了电磁转矩。当=90时，磁力线被扭歪和拉长得最厉害，产生的电磁转矩也就最大。第 9 章控 制 电 机图9-25 永磁式同步电动机的电磁转矩(a)=0；(b)90;(c)=90第 9 章控 制 电 机若电动机的磁极对数p=2，由图9-24中不难看出，当=0和=90时，转子都只受到径向力的作用，磁力线没有被扭歪拉长，不会产生电磁转矩。而=45时，磁力线被扭歪得最厉害，电磁转矩最大。若磁极对数p为其他数值，可依次类推。从几何的观点看，沿转子表面一周，角度变化了360，
36、但是磁场却变化了p个周期，从电磁的观点看，即变化了p360。第 9 章控 制 电 机显然，电角度和机械角度之间的关系为=p (9-11)无论磁极对数p等于多少，当定、转子磁场轴线之间的电角度=0时，电磁转矩T=0；当由0向90增加时，T随之增加；当=90时，T最大。因此，当电动机的负载转矩增加时，稳定后的转速n虽然不变，却相应增大。如果负载转矩超过最大同步转矩，电动机就会带不动负载，转速便会下降而出现所谓的失步现象，直到转速下降为零。第 9 章控 制 电 机2.反应式同步电动机 反应式同步电动机通常由笼型异步电动机派生而来，它的定子结构与异步电动机基本相同；转子可由异步电动机转子铁芯冲片加开反
37、应槽而制成；笼型启动绕组多为铸铝的。常见的转子结构有三种，即外反应式、内反应式和内外反应式，如图9-26所示。第 9 章控 制 电 机图9-26 磁阻式同步电动机的转子冲片(a)外反应式；(b)内反应式；(c)内外反应式第 9 章控 制 电 机 反应式微型同步电动机小功率时常做成单相的，功率稍大时也有三相的。图9-27所示是单相反应式同步电动机的结构原理图，现以单相反应式同步电动机为例，说明其工作原理。第 9 章控 制 电 机图9-27 单相反应同步电动机原理结构图第 9 章控 制 电 机定子铁芯用硅钢片冲制而成，磁极各有一个裂口，在对角的半个磁极铁芯上各套一只短路环，如同单相罩极异步电动机的
38、定子铁芯。定子铁芯上装有励磁线圈。转子用硬磁材料做成凸极式，一经磁化便产生固定的磁极。当定子绕组通入交流电时，由于短路环的电磁感应作用，像罩极异步电动机的定子铁芯一样，在电动机的气隙中产生旋转磁场。从图9-27中可知，电流变化一周，定子磁场旋转一周。转子在磁场中被磁化，形成磁性固定不变的磁极。第 9 章控 制 电 机3.磁滞式同步电动机当转子静止不动时，转子磁极虽然仍随定子旋转磁场以相同的转向和转速在空间旋转，但是由于磁滞现象，转子磁极的轴线总是滞后于定子旋转磁场的轴线一个固定的角度，如图9-28所示。其中图9-28（a）没有切向力，不能产生转矩；图9-28（b）没有切向力，也不能产生转矩；图
39、9-28（c）有切向力Ft，能产生转矩。第 9 章控 制 电 机图9-28 磁滞转矩作用原理图第 9 章控 制 电 机转子便由反复磁化变成了固定磁化，硬磁材料做成的转子便类似于一个永磁转子，磁滞电动机便像永磁式同步电动机一样在同步转速下运行。因而，当负载转矩减小，即使其小于磁滞转矩时，转子瞬时加速，转子磁极与定子磁极轴线间的电角度将小于磁滞角，电磁转矩也随之减小，直到重新达到转矩平衡为止，电动机便在比磁滞角小的角下继续同步运行。第 9 章控 制 电 机9.5 测速发电机与光电编码器测速发电机与光电编码器测速发电机是一种检测转速的信号元件，它将输入的机械转速变换成电压信号输出，这就要求电机的输出
40、电压与转速成正比关系，其输出电压可用下式表示：U=Kn (9-12)或tKKUdd(9-13)式中，为测速发电机转子的转角（角位移）；K、K为比例常数。第 9 章控 制 电 机9.5.1 直流测速发电机直流测速发电机1.工作原理直流测速发电机的工作原理和一般直流发电机没有区别，其原理如图9-29所示。在恒定磁场中，电枢以转速n旋转时，电枢上的导体切割磁通0，于是在电刷间产生空载感应电动势E0，即nCnapNEe00060(9-14)式中,p为极对数；N为电枢绕组总导体数；a为电枢绕组的并联支路对数。第 9 章控 制 电 机在空载时，电枢电流Ia=0，直流测速发电机的输出电压就是空载感应电动势，
41、即U0=E0，因而输出电压与转速成正比。有负载时，因电枢电流Ia0，若不计电枢反应的影响，直流测速发电机的输出电压应为 U=E0IaRa (9-15)式中,Ra为电枢回路的总电阻，它包括电枢绕组电阻和电刷接触电阻。第 9 章控 制 电 机图9-29 直流测速发电机工作原理第 9 章控 制 电 机在空载时，电枢电流Ia=0，直流测速发电机的输出电压就是空载感应电动势，即U0=E0，因而输出电压与转速成正比。有负载时，因电枢电流Ia0，若不计电枢反应的影响，直流测速发电机的输出电压应为U=E0IaRa (9-15)式中,Ra为电枢回路的总电阻，它包括电枢绕组电阻和电刷接触电阻。第 9 章控 制 电
42、 机图9-30 直流测速发电机输出特性 第 9 章控 制 电 机有负载时电枢电流为式中,RZ为测速发电机负载电阻。将式(9-14)、式(9-16)代入式(9-15)，并整理可得ZaRUI/(9-16)nRRCUZa0e1(9-17)第 9 章控 制 电 机2.主要误差(1)周围环境温度的变化，特别是励磁绕组长期通电发热而引起的励磁绕组电阻的变化，将引起励磁电流及磁通0的变化，从而造成线性误差。(2)直流测速发电机有负载时电枢反应的去磁作用，使测速发电机气隙磁通减小，引起线性误差。第 9 章控 制 电 机(3)因为电枢电路总电阻中包括电刷与换向器的接触电阻，而这种接触电阻是随负载电流变化而变化的
43、。当发电机转速较低时，相应的电枢电流较小，而接触电阻较大，这时测速发电机虽然有输入信号（转速），但输出电压却很小，因而在输出特性上引起线性误差。第 9 章控 制 电 机9.5.2 交流异步测速发电机交流异步测速发电机在自动控制系统中，目前应用的交流测速发电机主要是空心杯形转子异步测速发电机，其结构和杯形转子伺服电动机相似，转子是一个薄壁非磁性杯（杯厚为0.20.3 mm），通常用高电阻率的硅锰青铜或铝锌青铜制成。定子的两相绕组在空间位置上严格保持90电角度，其中一相作为励磁绕组，外施稳频稳压的交流电源励磁；另一相作为输出绕组，其两端的电压即为测速发电机输出电压,如图9-31所示。2.U第 9
44、章控 制 电 机图9-31 交流异步测速发电机的工作原理第 9 章控 制 电 机转子不动时，电机磁路相当于变压器的静止磁路，d轴的脉振磁通只能在空心杯转子中感应出变压器电动势，由于转子是闭合的，这一变压器电动势将产生转子电流，此电流所产生的磁通与励磁绕组产生的磁通在同一轴线上，阻碍1的变化，所以合成磁通仍为沿d轴的磁通。而输出绕组的轴线和励磁绕组轴线空间位置相差90电角度，它与d轴磁通没有耦合关系，故不产生感应电动势，输出电压为零。d.第 9 章控 制 电 机转子转动后，转子绕组中除了感应有变压器电动势外，同时因转子导体切割磁通，而在转子绕组中感应一旋转电动势Erq，其有效值为Erq=Cqdn
45、 (9-18)式中,Cq为比例常数。d.第 9 章控 制 电 机由于按频率f交变，所以也按频率 f 交变。在的作用下，转子将产生电流。由所产生的磁通也是交变的，的大小与也就是与的大小成正比，即q=KErq (9-19)式中,K为比例常数。d.rqE.rqE.rqI.rqI.q.q.rqI.rqE.第 9 章控 制 电 机q的轴线与输出绕组轴线（q轴）重合，由于作用在q轴，因而在定子的输出绕组中感应出变压器电动势，其频率仍为f，而有效值为E2=4.44fN2Kw2q (9-20)式中,N2Kw2为输出绕组的有效匝数，对特定的电机，其值为常数。q.第 9 章控 制 电 机考虑到qErq，而Erqn
46、，故输出电动势E2可写成E2=C1n (9-21)式中，C1为比例常数。通过此式可看出输出绕组中所感应产生的电动势E2与转速n成正比，由这个电动势产生输出电压。若转子转动方向相反，则转子中的旋转电动势，电流及其所产生的磁通的相位均随之相反，因而输出电压的相位也相反。2.UrqE.rqI.q.第 9 章控 制 电 机9.5.3 光电编码器光电编码器编码器也称旋转编码器或脉冲编码器，是一种将被测轴的转动速度、方向及位置转换为电脉冲的信号元件。常与伺服电动机或丝杠同轴安装，以检测伺服电动机或丝杠的转角。按编码器的不同读数方法，可分为增量（相对位置）编码器和绝对位置编码器两类；按其工作原理不同，可分为
47、接触式、光电式、电磁式等。在此主要介绍光电式编码器。图9-32为光电编码器的外形示意图。第 9 章控 制 电 机图9-32 光电编码器外形示意图第 9 章控 制 电 机1.光电式增量编码器图9-33为光电式增量编码器的内部结构示意图，图中1为印刷电路板；2为光源；3为圆光栅，其上刻有均匀的透光条纹，随被测轴转动；4为指示光栅，固定不动，其结构为刻有透光辨向条纹的狭缝群，用来选择圆光栅透射光线的相位；5为感光的光电池组；6为安装底座；7为护罩；8为转动轴。第 9 章控 制 电 机图9-33 光电编码器的内部结构示意图第 9 章控 制 电 机图9-34为脉冲信号产生原理图，在编码器轴上安装的圆光栅
48、，相当于一个圆形的编码盘，其制造工艺是在一定直径的玻璃圆盘上用真空镀膜的方法镀上一层不透光的金属薄膜，再涂上一层均匀的感光材料，然后用照相腐蚀工艺，制成沿圆周等距的透光和不透光相间的辐射状条纹，在码盘的前后分别安装光源、指示光栅与光敏元件（一般用光电池或光敏三极管），圆光栅的透光条纹和指示光栅的辨向条纹密度相同。第 9 章控 制 电 机光源经聚光透镜变成平行光，射向圆光栅，当圆光栅随被测轴转动时，透光条纹会转到与辨向狭缝重合的位置，也会转到被辨向狭缝阻挡的位置，从通光量最大变到最暗，再变亮。光敏元件把所接收到的周期性明暗变化转变成电信号，然后被放大、整形处理，设透光时编码器输出“1”电平信号，
49、则不透光时编码器就会输出“0”电平信号，这样编码器就把编码盘的机械转动转换为一系列的电脉冲信号输出，如图9-34的A相脉冲输出所示。第 9 章控 制 电 机图9-34 增量编码器的脉冲信号产生原理图第 9 章控 制 电 机为了辨别圆盘的旋转方向，可如图9-35那样在编码器的指示光栅上刻制两个辨向狭缝群，一个为A，另一个为B，只要使得A、B两组透光狭缝群的位置彼此错开1/4栅距，则通过A、B感光元件就会分别输出两组互差1/4周期（90）的脉冲列。显然如果正转时A相脉冲在前，B相脉冲在后，则反转时就会B相脉冲在前，A相脉冲在后。通过识别A、B两路脉冲的相位差就可以测量编码器的转动方向。第 9 章控
50、 制 电 机图9-35 增量编码器的多相输出脉冲产生原理图第 9 章控 制 电 机要知道增量式编码器旋转的准确位置，就要统计编码器旋转到了第几圈的第几个脉冲，为此，圆光栅上专门刻有一组或一条透明光栅，如图9-35中圆光栅下面的Z处所示，指示光栅上也对应制有辨向狭缝群Z，使编码器在每一圈的固定位置发出一个零位透光信号，经感光元件Z和电路之后，输出Z相脉冲，被称为零位脉冲输出信号。相对位置编码器的A、B、Z相输出波形如图9-36所示。第 9 章控 制 电 机图9-36 脉冲编码器A、B、Z相输出波形第 9 章控 制 电 机2.光电式绝对编码器图9-37是光电式绝对编码器的原理图，图中(a)为编码盘
