控制电机

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：