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。它是枃成开环控制、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 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。 51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 、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900电角度(即90/p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
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 0 90 电角度(即90 / p 0 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
WF 图51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52所示。 外定了 控制绕组 内定了 区心 励磁绕组 图52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51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 励磁电流较小,体积 与一般鼠笼式电机结构相 鼠笼式 较小,机械强度高,小功率的自动控 转子1|同,但转子做得细而长,转 但是低速运行不够平制系统 子导体用高电阻率的材料 稳,有时快时慢的抖
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。 转动惯量小,运行平 空心杯 转子做成薄壁圆筒形,放在滑,无抖动现象,但要求运行平滑的 形转子 内、外定子之间。 是励磁电流较大,体系统 积也较大。 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U′。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:m=60f/p,转向与旋转磁场的方向相同,把控制电压的 相位改变180°,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53所示。转子电阻增大到一定程度,例如图中n23时,最大转矩可出现在S=1附近
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Uc 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：n0 = 60 f / p ，转向与旋转磁场的方向相同，把控制电压的 相位改变 0 180 ，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 23 r 时，最大转矩可出现在 S = 1附近
(1) T 图53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n2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Sn>1的地方,这样可得出图54所示的机 械特性曲线 图54控制电压为0时的机械特性 图54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+和T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
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 Sm > 1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 和T 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U。和Ur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n2,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υ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 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55所示接线图为幅值控制的一种接线图。 U SM 图55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U与U相角差90°, 改变R的大小,即改变控制电压U的大小,可以得到图56所示的不同控制电压下的机械 特性曲线簇
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Uc和Uf 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 0 f c U 与U 相角差90 ， 改变 R 的大小，即改变控制电压Uc 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