第3章：控制電機本章基本要求和重點：1、掌握對控制電機的主要要求。它是用來完成信息的傳遞和變換，應具有良好的可控性，快速響應，大啟動轉矩，小轉動慣量，精度要高，誤差要小。2、了解機電傳動控制系統中一些常用控制電機的基本結構。3、重點掌握各種控制電機的基本工作原理、主要運行特性及特點。4、了解各種控制電機的應用場所，以便正確選用和使用它們。5、難點是理解交流伺服電動機的自轉現象及消除原理。3.1伺服電動機

伺服電動機也稱為執行電動機，將電信號轉換軸上的轉角或轉速，有直流和交流兩種，最大的特點是可控。與普通電機相比：有調速范圍廣、能實現迅速的啟和停、過載能力強，可靠性好等特點。3.1.1兩相交流伺服電動機的結構其定子繞組與單相電容分相式異步電動機相似，嵌入兩個相差90度的繞組，勵磁繞組和控制繞組，它們分別接入兩個不同的交流電源（同頻率）。其轉子一般分為鼠籠轉子和杯形轉子兩種。使用最多的是鼠籠轉子的交流伺服電動機。1)定子：

定子由硅鋼片疊成：在定子鐵心的內圓表面嵌有兩套相差90度電角度的繞組：激磁繞組WF,控制繞組WC；這兩套繞組分別由兩個電源供電。2)轉子：分為鼠籠型和杯型兩種。(1)鼠籠型轉子作得細而長，轉子導體采用高電阻率的材料.用于小功率的自動控制系統.產品型號SL系列。(2)空心杯型轉子作成薄壁圓筒形,放在內外定子之間，用于要求運行平滑的系統，產品型號SK系列。杯型轉子伺服電動機結構圖激磁繞組1;控制繞組2;內定子3;

外定子4;轉子53.1.2基本工作原理

以單相異步電動機原理為基礎。勵磁繞組接到電壓一定的交流電網上，當控制繞組上有控制信號輸入時，兩相繞組產生旋轉磁場。同步轉速為：把控制電壓的相位改變180度，可改變伺服電動機的旋轉方向。要求控制電壓一但取消，電動機必須停轉。但是取消控制電壓后，勵磁電壓仍可使電動機繼續旋轉，既所謂“自轉”現象。3.1.3消除自轉現象的措施

其解決辦法是，使轉子導條具有較大的電阻。這樣最大轉矩出現在s=1附近。可得出不同轉子電阻的伺服電動機機械特性曲線。設計電阻使電動機單相運行時最大轉矩出現在SM大于1處。由圖看出：曲線1為有控制電壓時，曲線T為去掉控制電壓時，此時T與n相反，成為制動轉矩，它可使轉子迅速停止轉動，保證不會出現自轉現象。而勵磁繞組始終接在電源上。合成電磁轉矩出現在第二和第四象限。控制方法有幅值控制、相位控制、幅值--相位控制幅值控制接線圖3.1.4特性和應用不同電壓下的機械特性曲線由圖可見：在一定負載下，控制電壓越高，S越小，轉速越高。改變電壓可改變轉速。應用舉例(1)參數：交流伺服電動機輸出功率為0.1-100W(再大則用直流伺服電動機)；電源頻率50-400Hz。(2)應用：雷達天線的旋轉控制；飛機駕駛盤的控制；流體閥門開關控制。典型應用方框圖兩相交流伺服電動機應用非常廣泛：

可以方便的利用控制電壓的有無來進行啟動、停止，利用改變電壓的幅值（或相位）大小來調節轉速的高低。而伺服電動機的性能直接影響著整個系統的性能。選擇時要注意系統對伺服電動機的靜態、動態特性的要求。一般輸出功率不大。3.2交流伺服電動機

交流伺服電動機減去了直流伺服電動機中的換向器，提高了運行的可靠性。

一、三相交流永磁伺服結構

1.定子

三相繞組和鐵芯組成。三相繞組直流供電，由電子換向器輪流供電，以產生旋轉磁場。（同步電機）

2.轉子

永磁鐵芯。

二、無刷直流電動機1.結構相當于一臺反裝式直流電動機。定子為三相繞組和鐵芯組成。三相繞組直流供電，由電子換向器輪流供電，以產生旋轉磁場。轉子為永磁體，轉子軸上裝有轉子位置檢測器、測速發電機和光電脈沖編碼器。

轉子位置檢測器：輸出信號控制電子換向器，實現對電動機的換向，即電子換向器中的晶體管的導通和截止由轉子位置檢測器的輸出信號控制。

轉子位置檢測器的種類：光電式、電磁式、接近開關式。

測速發電機：檢測轉子的運行速度，用于速度反饋。

光電編碼器：檢測轉子的旋轉角度，輸出信號反饋給CNC實現位置控制。2.工作原理

三相繞組直流供電，由電子換向器輪流供電，以產生旋轉磁場。3.3

直流伺服電動機1.基本結構:與普通他激直流電動機相同.(有換向器)2.分類:電磁式(他激式);

永磁式,3.電氣原理圖:如右圖.其中(a)為電磁式(b)為永磁式.4.參數:輸出功率1-600W.

它的基本結構和工作原理與普通直流他勵電動機相同，不同點在于做的細長一點，以便滿足快速響應的要求。

由上式可以看出：改變控制電壓和改變磁通都可以控制伺服電機的轉速和轉向。前者是電樞控制（常用），后者是磁場控制。

在磁通不變的情況下，在一定的負載轉矩下，升高電壓，電機轉速就上升。反之就下降，電機無自轉現象。

直流伺服電動機與兩相交流伺服電動機的機械特性相比較，前者堵轉矩大，特性曲線線性度好，機械特性較硬，但缺點是有換向器，結構復雜，易產生無線電干擾。通常用于功率稍大的系統中。3.4

力矩電動機結構特點:扁平狀.工作原理:同電磁式伺服電動機.1.定子2.電樞3.電刷架是能與負載直接連接產生大轉矩低轉速(或堵轉)下運轉的電動機3.4.1永磁式直流力矩電動機的結構特點3.4.2直流力矩電動機轉矩大、轉速低的原因1.轉矩大的原因由直流電動機的基本原理可知：每根導體所受的電磁力為：電磁轉矩為：在電樞體積相同條件下，保持不變，在相同電流和相同用銅量條件下，應保持不變。所以滿足上述條件，轉矩與直徑近似成正比關系。2.轉速低的原因導體在磁場中運動切割磁力線產生感應電勢為：線速度為：設在一對電刷之間的并聯支路數為2，N/2根導體串聯后總感應電勢為Ea，理想空載下則：在上式中，保持NL不變下，理想空載轉速和電樞鐵心直徑成反比關系。綜述：在其他條件相同下，增大電動機直徑，減少軸向長度，可滿足要求。（扁平狀結構）。由于保證了能在低速或堵轉下運行，加上它有精度高、反應速度快、線性度好等特點，應用較廣。衛星天線驅動；雷達天線驅動；數控機床驅動；X-Y紀錄儀傳動。與測速發電機配合可組成高精度,寬調速伺服系統.直流力矩電動機的型號為LY系列.其調速可達0.00017r/min,即4天才轉一圈.3.3.3直流力矩電動機的特點和應用3.5

小功率同步電動機

小功率同步電動機為連續運轉的同步電動機,用于傳動及作執行元件1)結構特點：定子繞組可通入三相或兩相交流電；轉子包括永久磁鐵1和裝在轉子鐵心3槽中的起動繞組2。轉子結構示意圖見下圖。2)工作原理負載不能超過一定限度,否則電動機可能“失步”。3.5.1永磁式同步電動機

對于一些控制設備和自動裝置，（如傳真機、電鐘等）往往需要速度恒定不變，使用之。

它是交流同步電動機，定子結構與異步電動機無本質區別，轉子上無繞組，結構簡單。它的結構特點是，轉子中包括永久磁鐵和置于轉子鐵心中的鼠籠繞組。（與大功率同步電動機不同）它的工作原理與普通同步電動機的原理相似。它也存在啟動困難問題，為此轉子上的鼠籠繞組起了啟動繞組的作用（即采用異步啟動）。當負載轉矩超過一定限度，電動機將“失步”。適合于輕載啟動。3.5.2磁阻式電磁減速同步電動機1)結構特點

圓環形的定子裝有三相或單相供電的繞組，轉子為圓盤形，不嵌繞組；轉子齒數大于定子齒數。2)工作原理磁力線總是使經過的磁路磁阻最小，磁阻轉矩使轉子朝著磁導最大的方向轉動。磁阻轉矩總是力圖使轉子朝磁導最大的方向轉動。而定子和轉子的齒數不等，使它們在空間上相差一個角度。

是常用的一種低速電動機。錯齒