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1、第 10章 控 制 電 機 10.1 第 10章 控 制 電 機 第 10章 控 制 電 機 10.2 伺服電動機 步進電動機 測速發(fā)電機 直線電動機 自 整 角 機 旋轉(zhuǎn)變壓器 本 章 小 結(jié)習(xí)題與思考題本 章 內(nèi) 容 第 10章 控 制 電 機 10.3 控 制 電 動 機 主 要 應(yīng) 用 于 自 動 控 制 系 統(tǒng) 中 ， 用 來 實 現(xiàn) 信 號 的 檢 測 、 轉(zhuǎn) 換 和傳 遞 ， 作 為 測 量 、 執(zhí) 行 和 校 正 等 元 件 使 用 。 功 率 一 般 從 數(shù) 毫 瓦 到 數(shù) 百 瓦 。 普 通 動 力 電 動 機 的 主 要 任 務(wù) 是 實 現(xiàn) 能 量 轉(zhuǎn) 換 ， 主 要 要

2、 求 是 提 高 電 機 的 能量 轉(zhuǎn) 換 效 率 等 經(jīng) 濟 指 標(biāo) ， 以 及 起 動 、 調(diào) 速 等 性 能 。 控 制 電 動 機 的 主 要 任 務(wù) 是完 成 控 制 信 號 的 檢 測 、 變 換 和 傳 遞 ， 因 此 ， 對 控 制 電 動 機 的 主 要 要 求 是 快 速響 應(yīng) 、 高 精 度 、 高 靈 敏 度 及 高 可 靠 性 。 控 制 電 動 機 種 類 繁 多 ， 本 章 主 要 介 紹 常 用 的 控 制 電 動 機 的 基 本 工 作 原 理 。 第 10章 控 制 電 機 10.4 10.1 伺 服 電 動 機 伺 服 電 動 機 又 稱 執(zhí) 行 電 動

3、機 ， 它 能 把 接 受 的 電 壓 信 號 轉(zhuǎn) 換 為 電 動 機 轉(zhuǎn) 軸 上的 機 械 角 位 移 或 角 速 度 的 變 化 ， 具 有 服 從 控 制 信 號 的 要 求 而 動 作 的 功 能 ： 在 信號 來 到 之 前 ， 轉(zhuǎn) 子 靜 止 不 動 ； 信 號 來 到 之 后 ， 轉(zhuǎn) 子 立 即 轉(zhuǎn) 動 ； 當(dāng) 信 號 消 失 ， 轉(zhuǎn)子 能 即 時 停 轉(zhuǎn) 。 由 于 這 種 “ 伺 服 ” 的 性 能 因 此 命 名 。 自 動 控 制 系 統(tǒng) 對 伺 服 電 動 機 的 基 本 要 求 是 ： (1) 寬 廣 的 調(diào) 速 范 圍 ， 機 械 特 性 和 調(diào) 節(jié) 特 性 均 為

4、 線 性 。 (2) 快 速 響 應(yīng) 性 能 好 ， 即 機 電 時 間 常 數(shù) 要 小 ， 在 控 制 信 號 變 化 時 ， 能 迅 速地 從 一 種 狀 態(tài) 過 渡 到 另 一 種 狀 態(tài) 。 (3) 靈 敏 度 要 高 ， 即 在 很 小 的 控 制 電 壓 信 號 作 用 下 ， 伺 服 電 動 機 就 能 起 動運 轉(zhuǎn) 。 (4) 無 自 轉(zhuǎn) 現(xiàn) 象 。 所 謂 自 轉(zhuǎn) 現(xiàn) 象 就 是 轉(zhuǎn) 動 中 的 伺 服 電 動 機 在 控 制 電 壓 為 零時 繼 續(xù) 轉(zhuǎn) 動 的 現(xiàn) 象 ； 無 自 轉(zhuǎn) 現(xiàn) 象 就 是 控 制 電 壓 降 到 零 時 ， 伺 服 電 動 機 立 即 自 行停

5、 轉(zhuǎn) 。 按 伺 服 電 動 機 的 控 制 電 壓 來 分 ， 伺 服 電 動 機 可 分 為 直 流 伺 服 電 動 機 和 交 流 伺 服 電 動 機 兩 大 類 。 直 流 伺 服 電 動 機 的 輸 出 功 率 可 達 數(shù) 百 瓦 ， 主 要 用 于 功 率 較大 的 控 制 系 統(tǒng) 。 交 流 伺 服 電 動 機 的 輸 出 功 率 較 小 ， 一 般 為 幾 十 瓦 ， 主 要 用 于 功率 較 小 的 控 制 系 統(tǒng) 。 第 10章 控 制 電 機 10.5 一 、 直 流 伺 服 電 動 機 10.1 伺 服 電 動 機 1. 基 本 結(jié) 構(gòu) 與 工 作 原 理 一 般 的

6、直 流 伺 服 電 動 機 的 結(jié) 構(gòu) 與 普 通 小 型 直 流 電 動 機 相 同 ， 按 照 勵 磁 方式 的 不 同 ， 可 分 為 電 磁 式 和 永 磁 式 。 電 磁 式 直 流 伺 服 電 動 機 的 磁 場 由 勵 磁 電流 通 過 勵 磁 繞 組 產(chǎn) 生 ， 一 般 多 用 他 勵 式 勵 磁 。 永 磁 式 直 流 伺 服 電 動 機 的 磁 場由 永 磁 鐵 產(chǎn) 生 ， 無 需 勵 磁 繞 組 和 勵 磁 電 流 。 直 流 伺 服 電 動 機 的 控 制 方 式 有 兩 種 ： 電 樞 控 制 和 磁 場 控 制 。 所 謂 電 樞 控制 ， 即 磁 場 繞 組 加

7、恒 定 勵 磁 電 壓 ， 電 樞 繞 組 加 控 制 電 壓 ， 當(dāng) 負 載 轉(zhuǎn) 矩 恒 定 時 ，電 樞 的 控 制 電 壓 升 高 ， 電 動 機 的 轉(zhuǎn) 速 就 升 高 ； 反 之 ， 減 小 電 樞 控 制 電 壓 ， 電動 機 的 轉(zhuǎn) 速 就 降 低 ； 改 變 控 制 電 壓 的 極 性 ， 電 動 機 就 反 轉(zhuǎn) ； 控 制 電 壓 為 零 ，電 動 機 就 停 轉(zhuǎn) 。 電 樞 控 制 方 式 的 直 流 伺 服 電 動 機 如 圖 10.1所 示 。 電 動 機 也 可 采 用 磁 場 控 制 ， 即 磁 場 繞 組 加 控 制 電 壓 ， 而 電 樞 繞 組 加 恒 定電

8、壓 控 制 方 式 ， 改 變 勵 磁 電 壓 的 大 小 和 方 向 ， 就 能 改 變 電 動 機 的 轉(zhuǎn) 速 與 轉(zhuǎn) 向 ?？?見 ， 電 磁 式 直 流 伺 服 電 動 機 有 電 樞 控 制 和 磁 場 控 制 兩 種 控 制 轉(zhuǎn) 速 的 方 式 ，而 對 永 磁 式 直 流 伺 服 電 動 機 來 講 ， 則 只 有 電 樞 控 制 一 種 方 式 。 第 10章 控 制 電 機 10.6 10.1 伺 服 電 動 機 圖 10.1 電 樞 控 制 方 式 的 直 流 伺 服 電 動 機 電 動 機 也 可 采 用 磁 場 控 制 ， 即 磁 場 繞 組 加控 制 電 壓 ， 而

9、電 樞 繞 組 加 恒 定 電 壓 控 制 方 式 ，改 變 勵 磁 電 壓 的 大 小 和 方 向 ， 就 能 改 變 電 動 機的 轉(zhuǎn) 速 與 轉(zhuǎn) 向 。 可 見 ， 電 磁 式 直 流 伺 服 電 動 機有 電 樞 控 制 和 磁 場 控 制 兩 種 控 制 轉(zhuǎn) 速 的 方 式 ，而 對 永 磁 式 直 流 伺 服 電 動 機 來 講 ， 則 只 有 電 樞控 制 一 種 方 式 。 電 樞 控 制 的 主 要 優(yōu) 點 為 ， 沒 有 控 制 信 號 時 ，電 樞 電 流 等 于 零 ， 電 樞 中 沒 有 損 耗 ， 只 有 不 大的 勵 磁 損 耗 。 磁 場 控 制 的 性 能 較

10、 差 ， 其 優(yōu) 點 是控 制 功 率 小 ， 僅 用 于 小 功 率 電 動 機 中 。 自 動 控制 系 統(tǒng) 中 多 采 用 電 樞 控 制 方 式 ， 因 此 本 節(jié) 只 分析 電 樞 控 制 方 式 的 直 流 伺 服 電 動 機 。 為 了 提 高 快 速 響 應(yīng) 能 力 ， 必 須 減 少 轉(zhuǎn) 動 慣 量 ， 所 以 直 流 伺 服 電 動 機 的 電 樞 通 常 做 成 盤 形或 空 心 杯 形 ， 使 其 具 有 轉(zhuǎn) 子 輕 、 轉(zhuǎn) 動 慣 量 小 的特 點 。 第 10章 控 制 電 機 10.7 10.1 伺 服 電 動 機 電 樞 控 制 方 式 的 直 流 伺 服 電

11、動 機 的 工 作 原 理 與 普 通 的 直 流 電 動 機 相 似 。當(dāng) 勵 磁 繞 組 接 在 電 壓 恒 定 的 勵 磁 電 源 上 時 ， 就 會 有 勵 磁 電 流 If流 過 ， 并 在 氣 隙中 產(chǎn) 生 主 磁 通 ； 當(dāng) 有 控 制 電 壓 Uc作 用 在 電 樞 繞 組 上 時 ， 就 有 電 樞 電 流 Ic流 過 ，電 樞 電 流 Ic與 磁 通 相 互 作 用 ， 產(chǎn) 生 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 T帶 動 負 載 運 行 。 當(dāng) 控 制 信 號 消失 時 ， Uc= 0， Ic = 0， T = 0， 電 動 機 自 行 停 轉(zhuǎn) ， 不 會 出 現(xiàn) 自 轉(zhuǎn) 現(xiàn) 象 。 2.

12、控 制 特 性 1) 機 械 特 性 機 械 特 性 是 指 勵 磁 電 壓 Uf恒 定 ， 電 樞 的 控 制 電 壓 UK為 一 個 定 值 時 ， 電 動機 的 轉(zhuǎn) 速 和 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 T之 間 的 關(guān) 系 ， 即 Uf為 常 數(shù) 時 的 n f(T)， 如 圖 10.2(a)所 示 。 已 知 直 流 電 動 機 的 機 械 特 性 是 式 中 U、 R、 Ce、 CT分 別 表 示 電 樞 電 壓 、 電 樞 回 路 的 電 阻 、 電 動 勢 常數(shù) 和 轉(zhuǎn) 矩 常 數(shù) 。 在 電 樞 控 制 方 式 的 直 流 伺 服 電 動 機 中 ， 控 制 電 壓 Uc加 在 電 樞 繞

13、 組 上 ， 即 U=Uc， 代 入 式 (10.1)， 得 到 直 流 伺 服 電 動 機 的 機 械 特 性 表 達 式 為 2e e TU Rn TC C C (10.1) c 02e e TU Rn T n TC C C (10.2) 第 10章 控 制 電 機 10.8 10.1 伺 服 電 動 機 式 中 ， 理 想 空 載 轉(zhuǎn) 速 ； c0 eUn C 2e TRC C 斜 率 。 對 上 式 應(yīng) 考 慮 兩 種 特 殊 情 況 ： 當(dāng) 轉(zhuǎn) 矩 為 零 時 ， 電 動 機 的 轉(zhuǎn) 速 僅 與 電 樞 電壓 有 關(guān) ， 此 時 的 轉(zhuǎn) 速 為 直 流 伺 服 電 動 機 的 理 想

14、 空 載 轉(zhuǎn) 速 ， 理 想 空 載 轉(zhuǎn) 速 與 電樞 電 壓 成 正 比 ， 即 當(dāng) 轉(zhuǎn) 速 為 零 時 ， 電 動 機 的 轉(zhuǎn) 矩 僅 與 電 樞 電 壓 有 關(guān) ， 此 時 的 轉(zhuǎn) 矩 稱 為 堵 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 矩 。 堵 轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn) 矩 與 電 樞 電 壓 成 正 比 ， 即 0 eUn n C (10.3) TC T UR (10.4) 當(dāng) 控 制 電 壓 Uc一 定 時 ， 隨 著 轉(zhuǎn) 矩 T的 增 加 ， 轉(zhuǎn) 速 n成 正 比 的 下 降 ， 機 械特 性 為 向 下 傾 斜 的 直 線 ， 所 以 直 流 伺 服 電 動 機 機 械 特 性 的 線 性 度 很 好 。 當(dāng)Uc不 同 時 ，

15、 其 斜 率 不 變 ， 機 械 特 性 為 一 組 平 行 線 ， 隨 著 Uc的 降 低 ， 機 械特 性 平 行 地 向 下 移 動 。 第 10章 控 制 電 機 10.9 10.1 伺 服 電 動 機 (a) 機 械 特 性 (b) 調(diào) 節(jié) 特 性 圖 10.2 直 流 伺 服 電 動 機 的 運 行 特 性 2) 調(diào) 節(jié) 特 性 調(diào) 節(jié) 特 性 是 指 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 恒 定 時 ， 電 動 機 的 轉(zhuǎn) 速 隨 控 制 電 壓 的 變 化 關(guān)系 ， 即 T為 常 數(shù) 時 的 n = f(UK)。 調(diào) 節(jié) 特 性 也 稱 為 控 制 特 性 。 如 圖 10.2(b)所示 。 在 式

16、 (10.2)中 ， 令 Uc為 常 數(shù) ， T為 變 量 ， n = f(T)是 機 械 特 性 ； 若 令 T為常 數(shù) ， Uc為 變 量 ， n = f(Uc)是 調(diào) 節(jié) 特 性 ， 如 圖 10.2(b)所 示 ， 也 是 直 線 ， 所以 調(diào) 節(jié) 特 性 的 線 性 度 也 很 好 。 當(dāng) 轉(zhuǎn) 速 為 零 時 ， 對 應(yīng) 不 同 的 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 可 得 到 不 同 的 起 動 電 壓 Uc0。 當(dāng)電 樞 電 壓 小 于 起 動 電 壓 時 ， 伺 服 電 動 機 將 不 能 起 動 。 在 式 (10.2)中 令 n = 0能 方 便 地 計 算 出 起 動 電 壓 Uc0為 C

17、0 TRTU C (10.5) 第 10章 控 制 電 機 10.10 10.1 伺 服 電 動 機 一 般 把 調(diào) 節(jié) 特 性 圖 上 橫 坐 標(biāo) 從 零 到 起 動 電 壓 這 一 范 圍 稱 為 失 靈 區(qū) 。 在失 靈 區(qū) 以 內(nèi) ， 即 使 電 樞 有 外 加 電 壓 ， 電 動 機 也 轉(zhuǎn) 不 起 來 。 顯 而 易 見 ， 失 靈區(qū) 的 大 小 與 負 載 轉(zhuǎn) 矩 成 正 比 ， 負 載 轉(zhuǎn) 矩 越 大 ， 失 靈 區(qū) 也 越 大 。 直 流 伺 服 電 動 機 的 優(yōu) 點 是 起 動 轉(zhuǎn) 矩 大 、 機 械 特 性 和 調(diào) 節(jié) 特 性 的 線 性 度好 、 調(diào) 速 范 圍 大

18、。 其 缺 點 是 電 刷 和 換 向 器 之 間 的 火 花 會 產(chǎn) 生 無 線 電 干 擾 信號 ， 維 修 比 較 困 難 。 二 、 交 流 伺 服 電 動 機 1. 基 本 結(jié) 構(gòu) 和 工 作 原 理 交 流 伺 服 電 動 機 一 般 是 兩 相 交 流 異 步 電 動 機 ， 由 定 子 和 轉(zhuǎn) 子 兩 部 分組 成 。 交 流 伺 服 電 動 機 的 轉(zhuǎn) 子 有 籠 型 和 杯 型 兩 種 。 無 論 哪 一 種 轉(zhuǎn) 子 ， 它的 轉(zhuǎn) 子 電 阻 都 做 得 比 較 大 ， 其 目 的 是 使 轉(zhuǎn) 子 在 轉(zhuǎn) 動 時 產(chǎn) 生 制 動 轉(zhuǎn) 矩 ， 使它 在 控 制 繞 組 不 加

19、 電 壓 時 ， 能 及 時 制 動 ， 防 止 自 轉(zhuǎn) 。 交 流 伺 服 電 動 機 的定 子 上 嵌 放 著 在 空 間 相 距 90電 角 度 的 兩 相 分 布 繞 組 ， 兩 個 定 子 繞 組 結(jié) 構(gòu) 完 全 相 同 ， 使 用 時 一 個 繞 組 作 勵 磁 用 ， 另 一 個 繞 組 作 控 制 用 。 為 勵 磁電 壓 ， 為 控 制 電 壓 ， 與 同 頻 率 。 其 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 如 圖 10.3所 示 。 fUcU fU cU 第 10章 控 制 電 機 10.11 10.1 伺 服 電 動 機 當(dāng) 勵 磁 繞 組 和 控 制 繞 組 均 加 互 差 90 電

20、角度 的 交 流 電 壓 時 ， 在 空 間 形 成 圓 形 旋 轉(zhuǎn) 磁 場 (控 制 電 壓 和 勵 磁 電 壓 的 幅 值 相 等 ) 或 橢 圓 形 旋轉(zhuǎn) 磁 場 (控 制 電 壓 和 勵 磁 電 壓 幅 值 不 等 )， 轉(zhuǎn) 子在 旋 轉(zhuǎn) 磁 場 作 用 下 旋 轉(zhuǎn) 。 當(dāng) 控 制 電 壓 和 勵 磁 電壓 的 幅 值 相 等 時 ， 控 制 二 者 的 相 位 差 也 能 產(chǎn) 生旋 轉(zhuǎn) 磁 場 。 普 通 的 兩 相 異 步 電 動 機 存 在 著 自 轉(zhuǎn) 現(xiàn) 象 ，這 可 以 通 過 圖 10.4所 示 的 機 械 特 性 來 說 明 。 對 異 步 電 動 機 而 言 ， 臨 界

21、 轉(zhuǎn) 差 率 sm與 轉(zhuǎn) 子電 阻 成 正 比 ， 即 式 中 轉(zhuǎn) 子 電 阻 R2折 算 到 定 子 側(cè) 的 折 算值 ； 轉(zhuǎn) 子 漏 電 抗 X2折 算 到 定 子 側(cè) 的 折 算值 。 圖 10.3 交 流 伺 服 電 動 機 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 圖 10.4 異 步 電 動 機 的 機 械 特 性 2m 2 21 1 2( )Rs R X X (10.6) 2R2X 第 10章 控 制 電 機 10.12 普 通 的 兩 相 異 步 電 動 機 的 轉(zhuǎn) 子 電 阻 較 小 ， sm也 較 小 ， 機 械 特 性 如 圖 10.4中 的 曲 線 1所 示 ， 線 性 變 化 范 圍 較

22、小 。 當(dāng) 運 行 中 的 兩 相 異 步 電 動 機 中 有 一 相 繞 組 斷 電 時 就 成 為 單 相 異 步 電 動 機 。單 相 異 步 電 動 機 中 的 氣 隙 磁 場 為 脈 動 磁 場 ， 可 以 分 解 為 正 轉(zhuǎn) 和 反 轉(zhuǎn) 兩 個 旋 轉(zhuǎn)磁 場 ， 分 別 產(chǎn) 生 正 轉(zhuǎn) 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 T+與 反 轉(zhuǎn) 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 T-， 在 圖 10.5中 用 虛 線 表 示 ，電 動 機 的 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 T為 T+與 T-的 代 數(shù) 和 ， 在 圖 中 用 實 線 表 示 。 10.1 伺 服 電 動 機 圖 10.5 轉(zhuǎn) 子 電 阻 對 交 流 伺 服 電 動 機 機

23、械 特 性 的 影 響 第 10章 控 制 電 機 10.13 10.1 伺 服 電 動 機 當(dāng) 轉(zhuǎn) 子 電 阻 較 小 時 ， 從 圖 10.5(a)中 可 以 看 出 ， 在 正 轉(zhuǎn) 范 圍 內(nèi) ， 即 當(dāng) n0時 ， T0， 所 以 當(dāng) 在 運 行 中 的 兩 相 異 步 電 動 機 由 于 斷 開 一 相 而 成 為 單 相 異 步電 動 機 時 仍 有 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 T， 只 要 T大 于 負 載 轉(zhuǎn) 矩 TL， 電 動 機 就 會 繼 續(xù) 運 轉(zhuǎn) 而 形成 自 轉(zhuǎn) 現(xiàn) 象 。 普 通 的 單 相 異 步 電 動 機 在 起 動 時 ， 就 利 用 自 轉(zhuǎn) 現(xiàn) 象 ， 把 起 動

24、繞組 串 聯(lián) 電 容 器 后 與 工 作 繞 組 并 聯(lián) 接 在 交 流 電 源 上 ， 作 為 兩 相 異 步 電 動 機 而 起動 ， 起 動 完 畢 后 就 將 起 動 繞 組 切 除 ， 成 為 單 相 異 步 電 動 機 ， 帶 動 負 載 ， 繼 續(xù)運 轉(zhuǎn) 。 交 流 伺 服 電 動 機 必 須 克 服 自 轉(zhuǎn) 現(xiàn) 象 ， 否 則 當(dāng) 控 制 電 壓 為 零 時 ， 電 動 機 還會 繼 續(xù) 運 轉(zhuǎn) ， 出 現(xiàn) 失 控 狀 態(tài) 。 當(dāng) 勵 磁 電 壓 不 為 零 ， 控 制 電 壓 為 零 時 ， 交 流 伺服 電 動 機 相 當(dāng) 于 一 臺 單 相 異 步 電 動 機 ， 若 轉(zhuǎn)

25、 子 電 阻 較 小 ， 則 電 動 機 還 會 按 原來 的 運 行 方 向 轉(zhuǎn) 動 ， 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 仍 為 拖 動 轉(zhuǎn) 矩 ， 此 時 的 機 械 特 性 如 圖 10.5 (a)所示 。 交 流 伺 服 電 動 機 用 增 加 轉(zhuǎn) 子 電 阻 的 方 法 來 防 止 自 轉(zhuǎn) 現(xiàn) 象 的 發(fā) 生 。 由 式(10.6)可 知 ， 增 大 轉(zhuǎn) 子 電 阻 可 使 臨 界 轉(zhuǎn) 差 率 Sm增 大 ， 當(dāng) 轉(zhuǎn) 子 電 阻 增 大 到 一 定 值 時 ， 可 使 Sm1， 電 動 機 的 機 械 特 性 曲 線 近 似 為 線 性 ， 對 應(yīng) 的 機 械 特 性 曲 線如 圖 10.4中 曲

26、線 2所 示 ， 這 樣 可 使 伺 服 電 動 機 的 調(diào) 速 范 圍 大 ， 在 大 范 圍 內(nèi) 能 穩(wěn)定 運 行 。 若 在 運 行 中 控 制 電 壓 Uc變 為 零 ， 交 流 伺 服 電 動 機 變 為 單 相 第 10章 控 制 電 機 10.14 10.1 伺 服 電 動 機 異 步 電 動 機 ， 其 機 械 特 性 如 圖 10.5(b)的 實 線 所 示 ， 在 正 轉(zhuǎn) 范 圍 內(nèi) ， 即 n 0時 ，T 或 時 ， 轉(zhuǎn) 子 因某 種 原 因 離 開 = 時 ， 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 卻 不 能 再恢 復(fù) 到 原 平 衡 點 ， 因 此 = 為 不 穩(wěn) 定 的 平 衡點 。 兩

27、 個 不 穩(wěn) 定 的 平 衡 點 之 間 即 為 步 進 電 動機 的 靜 態(tài) 穩(wěn) 定 區(qū) 域 ， 穩(wěn) 定 區(qū) 域 為 + 。 2) 最 大 靜 轉(zhuǎn) 矩 矩 角 特 性 中 ， 靜 轉(zhuǎn) 矩 的 最 大 值 稱 為 最 大 靜 轉(zhuǎn) 矩 。 當(dāng) = /2時 ， T有 最 大 值Tsm， 由 式 (10.9)可 知 ， 最 大 靜 轉(zhuǎn) 矩 。 2. 反 應(yīng) 式 步 進 電 動 機 的 動 特 性 步 進 電 動 機 的 動 特 性 是 指 步 進 電 動 機 從 一 種 通 電 狀 態(tài) 轉(zhuǎn) 換 到 另 一 種 通 電2T kI 第 10章 控 制 電 機 10.30 10.2 步 進 電 動 機 狀

28、 態(tài) 時 所 表 現(xiàn) 出 的 性 質(zhì) 。 動 態(tài) 特 性 包 括 動 穩(wěn) 定 區(qū) 、 起 動 轉(zhuǎn) 矩 、 起 動 頻 率 及 矩 頻特 性 等 。 1) 動 穩(wěn) 定 區(qū) 步 進 電 動 機 的 動 穩(wěn) 定 區(qū) 是 指 使 步 進 電 動 機 從 一 個 穩(wěn) 定 狀 態(tài) 切 換 到 另 一 穩(wěn) 定狀 態(tài) 而 不 失 步 的 區(qū) 域 。 動 穩(wěn) 定 區(qū) 如 圖 10.14所 示 ， 設(shè) 步 進 電 動 機 的 初 始 狀 態(tài) 的 矩角 特 性 為 圖 中 曲 線 1， 穩(wěn) 定 點 為 A點 ， 通 電 狀 態(tài) 改 變 后 的 矩 角 特 性 為 曲 線 2， 穩(wěn)定 點 為 B點 。 由 矩 角 特

29、 性 可 知 ， 起 始 位 置 只 有 在 a點 與 b點 之 間 時 ， 才 能 到 達 新的 穩(wěn) 定 點 B， ab區(qū) 間 稱 為 步 進 電 動 機 的 空 載 穩(wěn) 定 區(qū) 。 用 失 調(diào) 角 表 示 的 區(qū) 間為 。 se se 圖 10.14 步 進 電 動 機 的 動 穩(wěn) 定 區(qū) 穩(wěn) 定 區(qū) 的 邊 界 點 a到 初 始 穩(wěn) 定 平 衡 點A的 角 度 ， 用 表 示 ， 稱 為 穩(wěn) 定 裕 量 角 ，穩(wěn) 定 裕 量 角 與 步 距 角 之 間 的 關(guān) 系 為r ser se (10.10) 第 10章 控 制 電 機 10.31 10.2 步 進 電 動 機 穩(wěn) 定 裕 量 角

30、 越 大 ， 步 進 電 動 機 運 行 越 穩(wěn) 定 ， 當(dāng) 穩(wěn) 定 裕 量 角 趨 于 零 時 ， 電 動 機不 能 穩(wěn) 定 工 作 。 步 距 角 越 大 ， 裕 量 角 也 就 越 小 。 顯 然 ， 步 距 角 越 小 ， 步 進 電 動 機的 穩(wěn) 定 性 越 好 。 2) 起 動 轉(zhuǎn) 矩 反 應(yīng) 式 步 進 電 動 機 的 最 大 起 動 轉(zhuǎn) 矩 與 最 大 靜 轉(zhuǎn) 矩 之 間 有 如 下 關(guān) 系 式 中 Tst最 大 起 動 轉(zhuǎn) 矩 。 當(dāng) 負 載 轉(zhuǎn) 矩 大 于 最 大 起 動 轉(zhuǎn) 矩 時 ， 步 進 電 動 機 將 不 能 起 動 。 3) 起 動 頻 率 起 動 頻 率 是

31、指 在 一 定 負 載 條 件 下 ， 步 進 電 動 機 能 夠 不 失 步 地 起 動 的 脈 沖 最 高頻 率 。 因 為 步 進 電 動 機 在 起 動 時 ， 除 了 要 克 服 靜 負 載 轉(zhuǎn) 矩 以 外 ， 還 要 克 服 加 速 時的 負 載 轉(zhuǎn) 矩 ， 如 果 起 動 時 頻 率 過 高 ， 轉(zhuǎn) 子 就 可 能 跟 不 上 而 造 成 振 蕩 。 因 此 ， 規(guī) 定在 一 定 負 載 轉(zhuǎn) 矩 下 能 不 失 步 運 行 的 最 高 頻 率 叫 做 連 續(xù) 運 行 頻 率 。 由 于 此 時 加 速 度 較 小 ， 機 械 慣 性 影 響 不 大 ， 所 以 連 續(xù) 運 行 頻

32、 率 要 比 起 動 頻 率 高 得 多 。 起 動 頻 率 的 大 小 與 以 下 幾 個 因 素 有 關(guān) ： 起 動 頻 率 與 步 進 電 動 機 的 步 距 角 有 關(guān) 。 步 距 角 越 小 ， 起 動 頻 率 越 高 ； 步 進 電 動 機 的 最 大 靜 態(tài) 轉(zhuǎn) 矩 越 大 ， 起 動 頻 率越 高 ； 轉(zhuǎn) 子 齒 數(shù) 多 ， 步 距 角 小 ， 起 動 頻 率 高 ； 電 路 時 間 常 數(shù) 大 ， 起 動 頻 率 降 低 。 se smst cosT T mc (10.11) stf se 第 10章 控 制 電 機 10.32 10.2 步 進 電 動 機 對 于 使 用

33、者 而 言 ， 要 想 增 大 起 動 頻 率 ， 可 增 大 起 動 電 流 或 減 小 電 路 的 時間 常 數(shù) 。 4) 矩 頻 特 性 步 進 電 動 機 的 主 要 性 能 指 標(biāo) 是 矩 頻 特 性 。 步 進 電 動 機 的 矩 頻 特 性 曲 線 的 縱坐 標(biāo) 為 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 T， 橫 坐 標(biāo) 為 工 作 頻 率 f。 典 型 的 步 進 電 動 機 矩 頻 特 性 曲 線 如 圖10.15所 示 。 從 圖 中 可 看 出 ， 步 進 電 動 機 的 轉(zhuǎn) 矩 隨 頻 率的 增 大 而 減 小 。 步 進 電 動 機 的 矩 頻 特 性 曲 線 和 許 多 因素 有 關(guān) ，

34、 這 些 因 素 包 括 步 進 電 動 機 的 轉(zhuǎn) 子 直 徑 、 轉(zhuǎn) 子鐵 心 有 效 長 度 、 齒 數(shù) 、 齒 形 、 齒 槽 比 、 步 進 電 動 機 內(nèi)部 的 磁 路 、 繞 組 的 繞 線 方 式 、 定 轉(zhuǎn) 子 間 的 氣 隙 、 控 制線 路 的 電 壓 等 。 很 明 顯 ， 其 中 有 的 因 素 是 步 進 電 動 機在 制 造 時 已 確 定 的 ， 使 用 者 是 不 能 改 變 的 ， 但 有 些 因素 使 用 者 是 可 以 改 變 的 ， 如 控 制 方 式 、 繞 組 工 作 電 壓 、 線 路 時 間 常 數(shù) 等 。 選 用 步 進 電 動 機 時 要

35、根 據(jù) 在 系 統(tǒng) 中 的 實 際 工 作 情況 ， 綜 臺 考 慮 步 距 角 、 轉(zhuǎn) 矩 、 頻 率 以 及 精 度 是 否 能 滿足 系 統(tǒng) 的 要 求 。 圖 10.15 步 進 電 動 機 的 矩 頻 特 性 第 10章 控 制 電 機 10.33 10.3 測 速 發(fā) 電 機 測 速 發(fā) 電 機 能 把 機 械 轉(zhuǎn) 速 轉(zhuǎn) 換 成 與 之 成 正 比 的 電 壓 信 號 ， 可 以 用 作 檢 測元 件 、 解 算 元 件 、 角 速 度 信 號 元 件 ， 廣 泛 地 應(yīng) 用 于 自 動 控 制 、 測 量 技 術(shù) 和 計算 技 術(shù) 等 裝 置 中 。 自 動 控 制 系 統(tǒng) 對

36、 測 速 發(fā) 電 機 的 要 求 是 ： (1) 線 性 度 好 ， 即 輸 出 電 壓 要 嚴(yán) 格 與 轉(zhuǎn) 速 成 正 比 ， 并 不 受 溫 度 等 外 界 條件 變 化 的 影 響 。 (2) 靈 敏 度 高 ， 即 在 一 定 的 轉(zhuǎn) 速 下 ， 輸 出 電 壓 值 要 盡 可 能 大 。 (3) 不 靈 敏 區(qū) 小 。 (4) 轉(zhuǎn) 動 慣 量 小 ， 以 保 證 測 速 的 快 速 性 。 按 電 流 種 類 的 不 同 ， 測 速 發(fā) 電 機 可 分 為 直 流 測 速 發(fā) 電 機 和 交 流 測 速 發(fā) 電機 兩 大 類 。 直 流 測 速 發(fā) 電 機 又 有 永 磁 式 和 電

37、 磁 式 之 分 ； 交 流 測 速 發(fā) 電 機 分 為同 步 測 速 發(fā) 電 機 和 異 步 測 速 發(fā) 電 機 。 第 10章 控 制 電 機 10.34 10.3 測 速 發(fā) 電 機 一 、 直 流 測 速 發(fā) 電 機 直 流 測 速 發(fā) 電 機 的 結(jié) 構(gòu) 和 原 理 都 與 他 勵 直 流 發(fā) 電 機 基 本 相 同 ， 也 是 由 裝有 磁 極 的 定 子 、 電 樞 和 換 向 器 等 組 成 。 按 照 勵 磁 方 式 的 不 同 ， 可 分 為 永 磁 式和 電 磁 式 兩 種 。 永 磁 式 直 流 測 速 發(fā) 電 機 采 用 矯 頑 力 高 的 磁 鋼 制 成 磁 極 ，

38、 結(jié) 構(gòu)簡 單 ， 不 需 另 加 勵 磁 電 源 ， 也 不 因 勵 磁 繞 組 溫 度 變 化 而 影 響 輸 出 電 壓 ， 應(yīng) 用較 廣 。 電 磁 式 直 流 測 速 發(fā) 電 機 由 他 勵 方 式 勵 磁 。 直 流 測 速 發(fā) 電 機 的 輸 出 電 壓 U與 轉(zhuǎn) 速 n之 間 的 關(guān) 系 U=f(n)稱 為 輸 出 特 性 。 第 1章 中 已 分 析 過 ， 當(dāng) 定 子 每 極 磁 通 為 常 數(shù) 時 ， 發(fā) 電 機 的 電 樞 電 動 勢 為 式 中 Ce電 勢 常 數(shù) 。 此 時 ， 輸 出 電 壓 U為 式 中 Ra電 樞 回 路 電 阻 ； RL負 載 電 阻 。 a

39、 eE C n (10.12) La a a e aUU E R I C n RR (10.13) e aL1C nU knRR (10.14) 式 中 常 數(shù) ， 即 輸 出 特 性 的 斜 率 。 e a L1 /C nk R R 第 10章 控 制 電 機 10.35 10.3 測 速 發(fā) 電 機 此 時 ， 輸 出 電 壓 U與 轉(zhuǎn) 速 n成 正 比 ， 如 圖 10.16所 示 。 當(dāng) 負 載 增 加 時 ， 由式 (10.14)可 知 ， k將 減 小 ， 輸 出 特 性 下 移 。 曲 線 1為 空 載 時 的 輸 出 特 性 ， 曲 線2為 負 載 時 的 輸 出 特 性 。

40、實 際 運 行 中 ， 直 流 測 速 發(fā) 電 機 的 輸 出 電 壓 與轉(zhuǎn) 速 之 間 并 不 能 保 持 嚴(yán) 格 的 正 比 關(guān) 系 ， 實 際 輸 出特 性 如 圖 10.16中 的 曲 線 3所 示 ， 實 際 輸 出 電 壓 與理 想 輸 出 電 壓 之 間 產(chǎn) 生 了 誤 差 。 產(chǎn) 生 誤 差 的 原 因主 要 有 以 下 幾 個 方 面 。 圖 10.16 直 流 測 速 發(fā) 電 機 的 輸 出 特 性 1. 電 樞 反 應(yīng) 產(chǎn) 生 誤 差 的 主 要 原 因 是 電 樞 反 應(yīng) 的 去 磁 作 用 。 電 樞 反 應(yīng) 使 得 主 磁 通 發(fā) 生 變化 ， 式 (10.12)中

41、 的 電 動 勢 常 數(shù) Ce將 不 是 常 值 ， 而 是 隨 負 載 電 流 變 化 而 變 化 的 ，負 載 電 流 升 高 則 電 動 勢 系 數(shù) Ce略 有 減 小 ， 特 性 曲 線 向 下 彎 曲 ， 如 圖 10.16中 的 曲線 3所 示 。 轉(zhuǎn) 速 愈 高 ， Ea愈 大 ， Ia也 愈 大 ， 電 樞 反 應(yīng) 的 去 磁 作 用 就 愈 強 ， 誤 差 也愈 大 。 為 消 除 電 樞 反 應(yīng) 的 影 響 ， 除 在 設(shè) 計 時 采 用 補 償 繞 組 進 行 補 償 ， 結(jié) 構(gòu) 上 加大 氣 隙 削 弱 電 樞 反 應(yīng) 的 影 響 外 ， 使 用 時 應(yīng) 使 發(fā) 電 機

42、 的 負 載 電 阻 阻 值 等 于 或 大 于 第 10章 控 制 電 機 10.36 10.3 測 速 發(fā) 電 機 負 載 電 阻 的 規(guī) 定 值 ， 并 限 制 測 速 發(fā) 電 機 的 轉(zhuǎn) 速 不 能 太 高 。 這 樣 可 使 負 載 電 流對 電 樞 反 應(yīng) 的 影 響 盡 可 能 小 。 此 外 增 大 負 載 電 阻 還 可 以 使 發(fā) 電 機 的 靈 敏 性 增強 。 2. 電 刷 接 觸 電 阻 的 影 響 電 刷 接 觸 電 阻 為 非 線 性 電 阻 ， 當(dāng) 測 速 發(fā) 電 機 的 轉(zhuǎn) 速 低 ， 輸 出 電 壓 也 低 時 ，接 觸 電 阻 較 大 ， 電 刷 接 觸

43、電 阻 壓 降 在 總 電 樞 電 壓 中 所 占 比 重 大 ， 實 際 輸 出 電壓 較 小 ； 而 當(dāng) 轉(zhuǎn) 速 升 高 時 接 觸 電 阻 變 小 ， 接 觸 電 阻 壓 降 也 變 小 。 因 此 在 低 轉(zhuǎn)速 時 轉(zhuǎn) 速 與 電 壓 間 的 關(guān) 系 由 于 接 觸 電 阻 的 非 線 性 影 響 而 有 一 個 不 靈 敏 區(qū) 。 考慮 電 刷 接 觸 電 阻 影 響 后 的 特 性 曲 線 如 圖 10.17所 示 。 為 減 小 電 刷 接 觸 電 阻 的 影響 ， 使 用 時 可 對 低 輸 出 電 壓 進 行 非 線 性 補 償 。 圖 10.17 直 流 測 速 發(fā) 電 動

44、 機 實 際 輸 出 特 性 3. 紋 波 影 響 由 于 換 向 片 數(shù) 量 有 限 ， 實 際 輸 出電 壓 是 一 個 脈 動 的 直 流 ， 雖 然 脈 動 分量 在 整 個 輸 出 電 壓 中 所 占 比 重 不 大 (高速 時 約 為 1%)， 但 對 高 精 度 系 統(tǒng) 是 不允 許 的 。 為 消 除 脈 動 影 響 可 在 電 壓 輸出 電 路 中 加 入 濾 波 電 路 。 第 10章 控 制 電 機 10.37 10.3 測 速 發(fā) 電 機 二 、 交 流 測 速 發(fā) 電 機 交 流 測 速 發(fā) 電 機 分 為 同 步 測 速 發(fā) 電 機 和 異 步 測 速 發(fā) 電 機

45、兩 種 。 同 步 測 速發(fā) 電 機 的 輸 出 頻 率 和 電 壓 幅 值 均 隨 轉(zhuǎn) 速 的 變 化 而 變 化 ， 因 此 一 般 用 作 指 示 式轉(zhuǎn) 速 計 ， 很 少 用 于 控 制 系 統(tǒng) 中 的 轉(zhuǎn) 速 測 量 。 異 步 測 速 發(fā) 電 機 的 輸 出 電 壓 頻 率與 勵 磁 電 壓 頻 率 相 同 而 與 轉(zhuǎn) 速 無 關(guān) ， 其 輸 出 電 壓 與 轉(zhuǎn) 速 n成 正 比 ， 因 此 在 控制 系 統(tǒng) 中 得 到 廣 泛 的 應(yīng) 用 。 1. 交 流 異 步 測 速 發(fā) 電 機 異 步 測 速 發(fā) 電 機 分 為 籠 型 和 空 心 杯 型 兩 種 ， 籠 型 測 速 發(fā)

46、電 機 不 如 空 心 杯型 測 速 發(fā) 電 動 機 的 測 量 精 度 高 ， 而 且 空 心 杯 型 測 速 發(fā) 電 機 的 轉(zhuǎn) 動 慣 量 也 小 ，適 合 于 快 速 系 統(tǒng) ， 因 此 目 前 應(yīng) 用 比 較 廣 泛 的 是 空 心 杯 型 測 速 發(fā) 電 機 。 空 心 杯型 測 速 發(fā) 電 機 的 結(jié) 構(gòu) 與 空 心 杯 型 伺 服 電 動 機 的 結(jié) 構(gòu) 基 本 相 同 。 它 由 外 定 子 、空 心 杯 型 轉(zhuǎn) 子 、 內(nèi) 定 子 等 三 部 分 組 成 。 外 定 子 放 置 勵 磁 繞 組 ， 接 交 流 電 源 ； 內(nèi) 定 子 上 放 置 輸 出 繞 組 ， 這 兩

47、套 繞 組 在 空 間 相 隔 90 電 角 度 。 為 獲 得 線 性 較好 的 電 壓 輸 出 信 號 ， 空 心 杯 形 轉(zhuǎn) 子 由 電 阻 率 較 大 和 溫 度 系 數(shù) 較 低 的 非 磁 性 村料 制 成 ， 如 磷 青 銅 、 錫 鋅 青 銅 、 硅 錳 青 銅 等 ， 杯 厚 0.2 mm 0.3mm。 第 10章 控 制 電 機 10.38 10.3 測 速 發(fā) 電 機 圖 10. 18為 空 心 杯 型 異 步 測 速 發(fā) 電 機 的 原 理 圖 。在 圖 中 定 子 兩 相 繞 組 在 空 間 位 置 上 嚴(yán) 格 相 差 90電 角 度 ， 在 一 相 上 加 恒 頻 恒

48、 壓 的 交 流 電 源 ， 使 其作 為 勵 磁 繞 組 產(chǎn) 生 勵 磁 磁 通 ； 另 一 相 作 為 輸 出 繞組 ， 輸 出 電 壓 U2與 勵 磁 繞 組 電 源 同 頻 率 ， 幅 值 與轉(zhuǎn) 速 成 正 比 。 發(fā) 電 機 勵 磁 繞 組 中 加 入 恒 頻 恒 壓 的 勵 磁 電 壓時 ， 勵 磁 繞 組 中 有 勵 磁 電 流 流 過 ， 產(chǎn) 生 與 電 源 同頻 率 的 脈 動 磁 動 勢 Fd和 脈 動 磁 通 。 磁 動 勢 Fd和 磁 通 在 勵 磁 繞 組 的 軸 線 方 向 上 脈 動 ， 稱 為 直軸 磁 動 勢 和 磁 通 。 圖 10.18 異 步 測 速 發(fā)

49、 電 機 工 作 原 理 圖 dd 電 動 機 轉(zhuǎn) 子 和 輸 出 繞 組 中 的 電 動 勢 及 由 此 而 產(chǎn) 生 的 反 應(yīng) 磁 動 勢 ， 根 據(jù) 電動 機 的 轉(zhuǎn) 速 可 分 兩 種 情 況 1) n=0 電 動 機 不 轉(zhuǎn) 當(dāng) n=0時 ， 即 轉(zhuǎn) 子 不 動 時 ， 直 軸 脈 振 磁 通 在 轉(zhuǎn) 子 中 產(chǎn) 生 的 感 應(yīng) 電 動 勢 為 變壓 器 電 動 勢 。 由 于 轉(zhuǎn) 子 是 閉 合 的 ， 這 個 變 壓 器 電 動 勢 將 產(chǎn) 生 轉(zhuǎn) 子 電 流 、 根 據(jù)電 磁 感 應(yīng) 理 論 ， 該 電 流 所 產(chǎn) 生 的 磁 通 方 向 應(yīng) 與 勵 磁 繞 組 所 產(chǎn) 生 的

50、 直 軸 磁 通 d 第 10章 控 制 電 機 10.39 10.3 測 速 發(fā) 電 機 相 反 ， 所 以 二 者 的 合 成 磁 通 還 是 直 軸 磁 通 。 由 于 輸 出 繞 組 與 勵 磁 繞 組 互 相垂 直 ， 合 成 磁 通 也 與 輸 出 繞 組 的 軸 線 垂 直 ， 因 此 輸 出 繞 組 與 磁 通 沒 有 耦 合關(guān) 系 故 不 產(chǎn) 生 感 應(yīng) 電 動 勢 ， 輸 出 電 壓 U2為 零 。 2) n0電 動 機 旋 轉(zhuǎn) 當(dāng) 轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn) 動 時 ， 轉(zhuǎn) 子 切 割 脈 動 磁 通 ， 產(chǎn) 生 切 割 電 動 勢 Er， 切 割 電動 勢 的 大 小 可 通 過 式

51、(10.14)計 算 。式 中 Cr轉(zhuǎn) 子 電 動 勢 常 數(shù) ； 脈 動 磁 通 幅 值 。 可 見 ， 轉(zhuǎn) 子 電 動 勢 的 幅 值 與 轉(zhuǎn) 速 成 正 比 。 轉(zhuǎn) 子 電 動 勢 的 方 向 可 用 右 手定 則 判 斷 。 轉(zhuǎn) 子 中 的 感 應(yīng) 電 動 勢 在 轉(zhuǎn) 子 杯 中 產(chǎn) 生 短 路 電 流 IS， 考 慮 轉(zhuǎn) 子 漏抗 的 影 響 ， 轉(zhuǎn) 子 電 流 要 滯 后 轉(zhuǎn) 子 感 應(yīng) 電 動 勢 一 定 的 電 角 度 。 短 路 電 流 IS產(chǎn)生 脈 動 磁 動 勢 Fr， 轉(zhuǎn) 子 的 脈 動 磁 動 勢 可 分 解 為 直 軸 磁 動 勢 Frd和 交 軸 磁 動 勢 Fr

52、q， 直 軸 磁 動 勢 將 影 響 勵 磁 磁 動 勢 并 使 勵 磁 電 流 發(fā) 生 變 化 ， 交 軸 磁 動 勢Frq產(chǎn) 生 交 軸 磁 通 。 交 軸 磁 通 與 輸 出 繞 組 交 鏈 感 應(yīng) 出 頻 率 與 勵 磁 頻 率 相同 ， 幅 值 與 交 軸 磁 通 成 正 比 的 感 應(yīng) 電 動 勢 E2。 由 于 Frq Fr Er n， 所 以 E2 n， 即 輸 出 繞 組 的 感 應(yīng) 電 動 勢 的 幅 值正 比 于 測 速 發(fā) 電 動 機 的 轉(zhuǎn) 速 ， 而 頻 率 與 轉(zhuǎn) 速 無 關(guān) 為 勵 磁 電 源 的 頻 率 。 dr r dE C n (10.15) d q qq

53、 q 第 10章 控 制 電 機 10.40 10.3 測 速 發(fā) 電 機 定 、 轉(zhuǎn) 子 中 的 電 流 、 電 動 勢 及 空 間 磁 動 勢 與 磁 通 間 的 關(guān) 系 如 圖 10.18所 示 。 交 流 異 步 測 速 發(fā) 電 動 機 的 輸 出 特 性 U2 =f(n)如 圖 10.19所 示 。 圖 10.19 交 流 異 步 測 速 發(fā) 電 動 機 的 輸 出 特 性 當(dāng) 忽 略 勵 磁 繞 組 的 漏 阻 抗 時 ， 只 要 電 源 電壓 Uf恒 定 ， 則 為 常 數(shù) ， 由 上 述 分 析 可 知 ， 輸出 繞 組 的 感 應(yīng) 電 動 勢 E2及 空 載 輸 出 電 壓

54、U2都 與n成 正 比 ， 理 想 空 載 輸 出 特 性 為 直 線 ， 如 圖10.19中 的 直 線 1所 示 。 測 速 發(fā) 電 動 機 實 際 運 行 時 ， 由 圖 10.18可 知 ，轉(zhuǎn) 子 切 割 而 產(chǎn) 生 的 磁 動 勢 Frd是 起 去 磁 作 用的 ， 使 合 成 后 d軸 上 總 的 磁 通 減 少 ， 輸 出 繞 組感 應(yīng) 電 動 勢 E2減 少 ， 輸 出 電 壓 U2隨 之 降 低 ， 所以 實 際 的 空 載 輸 出 特 性 如 圖 10.19中 的 曲 線 2所示 。 dq 當(dāng) 測 速 發(fā) 電 機 的 輸 出 繞 組 接 上 負 載 阻 抗 ZL時 ， 由

55、于 輸 出 繞 組 本 身 有 漏 阻 抗Z2， 會 產(chǎn) 生 漏 阻 抗 壓 降 ， 使 輸 出 電 壓 降 低 ， 這 時 輸 出 電 壓 為 22 L L L 2 2 L22 2 2 1 /EEU E Z I Z I ZZ Z Z Z (10.16) 第 10章 控 制 電 機 10.41 10.3 測 速 發(fā) 電 機 上 式 說 明 ， 負 載 運 行 時 ， 輸 出 電 壓 U2不 僅 與 輸 出 繞 組 的 感 應(yīng) 電 動 勢 E2有 關(guān) ， 而 且 還 與 負 載 的 大 小 和 性 質(zhì) 有 關(guān) 。 帶 負 載 運 行 時 的 輸 出 特 性 如 圖 10.19中 的 曲 線 3所

56、 示 。 交 流 測 速 發(fā) 電 機 存 在 剩 余 電 壓 。 剩 余 電 壓 是 指 勵 磁 電 壓 已 經(jīng) 供 給 ， 轉(zhuǎn) 子轉(zhuǎn) 速 為 零 時 ， 輸 出 繞 組 產(chǎn) 生 的 電 壓 。 剩 余 電 壓 的 存 在 ， 使 轉(zhuǎn) 子 不 轉(zhuǎn) 時 也 有 輸 出 電 壓 ， 造 成 失 控 ； 轉(zhuǎn) 子 旋 轉(zhuǎn) 時 ，它 疊 加 在 輸 出 電 壓 上 ， 使 輸 出 電 壓 的 大 小 及 相 位 發(fā) 生 變 化 ， 造 成 誤 差 。 產(chǎn) 生 剩 余 電 壓 的 原 因 很 多 ， 其 中 之 一 是 由 于 加 工 、 裝 配 過 程 中 存 在 機 械上 的 不 對 稱 及 定 子

57、磁 性 材 料 性 能 的 不 一 致 性 ， 勵 磁 繞 組 與 輸 出 繞 組 在 空 間 不是 嚴(yán) 格 地 相 差 90 電 角 度 ， 這 時 兩 繞 組 之 間 就 有 電 磁 耦 合 ， 當(dāng) 勵 磁 繞 組 接 電源 ， 即 使 轉(zhuǎn) 子 不 轉(zhuǎn) ， 電 磁 耦 合 會 使 輸 出 繞 組 產(chǎn) 生 感 應(yīng) 電 動 勢 ， 從 而 產(chǎn) 生 剩 余電 壓 。 選 擇 高 質(zhì) 量 的 各 方 向 特 性 一 致 的 磁 性 材 料 ， 在 機 械 加 工 和 裝 配 過 程 中提 高 機 械 精 度 ， 以 及 裝 配 補 償 繞 組 可 以 減 少 剩 余 電 壓 。 使 用 者 則 可

58、 通 過 電 路 補 償 的 方 法 去 除 剩 余 電 壓 的 影 響 。 第 10章 控 制 電 機 10.42 10.3 測 速 發(fā) 電 機 2. 交 流 同 步 測 速 發(fā) 電 機 同 步 測 速 發(fā) 電 機 的 轉(zhuǎn) 子 為 永 磁 式 ， 即 采 用 永 久 磁 鐵 做 磁 極 ； 定 子 上嵌 放 著 單 相 輸 出 繞 組 。 當(dāng) 轉(zhuǎn) 子 旋 轉(zhuǎn) 時 ， 輸 出 繞 組 產(chǎn) 生 單 相 的 交 變 電 動 勢 ，其 有 效 值 ， 而 其 交 變 電 動 勢 的 頻 率 為 f=pn/60。 輸 出 繞 組 產(chǎn) 生 的 感 應(yīng) 電 動 勢 E， 其 大 小 與 轉(zhuǎn) 速 成 正 比

59、 ， 但 是 其 交 變的 頻 率 也 與 轉(zhuǎn) 速 成 正 比 變 化 就 帶 來 了 麻 煩 。 因 為 當(dāng) 輸 出 繞 組 接 負 載 時 ，負 載 的 阻 抗 會 隨 頻 率 的 變 化 而 變 化 ， 也 就 會 隨 轉(zhuǎn) 速 的 變 化 而 變 化 ， 不 會是 一 個 定 值 ， 使 輸 出 特 性 不 能 保 持 線 性 關(guān) 系 。 由 于 存 在 這 樣 的 問 題 ， 因此 同 步 測 速 發(fā) 電 機 不 像 異 步 測 速 發(fā) 電 動 機 那 樣 得 到 廣 泛 的 應(yīng) 用 。 如 果 用整 流 電 路 將 同 步 測 速 發(fā) 電 機 輸 出 的 交 流 電 壓 整 流 為

60、直 流 電 壓 輸 出 ， 就 可以 消 除 頻 率 隨 轉(zhuǎn) 速 變 化 帶 來 的 缺 陷 ， 使 輸 出 的 直 流 電 壓 與 轉(zhuǎn) 速 成 正 比 ，這 時 用 同 步 發(fā) 電 機 測 量 轉(zhuǎn) 速 就 有 較 好 的 線 性 度 。 第 10章 控 制 電 機 10.43 10.4 直 線 電 動 機 直 線 電 動 機 就 是 把 電 能 直 接 轉(zhuǎn) 換 成 直 線 運 動 的 機 械 能 的 電 動 機 。 當(dāng) 然 旋轉(zhuǎn) 電 動 機 也 可 以 通 過 轉(zhuǎn) 換 裝 置 ， 將 旋 轉(zhuǎn) 運 動 轉(zhuǎn) 變 為 直 線 運 動 ， 帶 動 負 載 作 直線 運 行 。 但 由 于 有 中 間

61、 轉(zhuǎn) 換 裝 置 ， 使 得 這 種 拖 動 系 統(tǒng) 效 率 低 、 體 積 大 、 成 本高 。 直 線 電 動 機 不 需 要 轉(zhuǎn) 換 裝 置 ， 自 身 能 產(chǎn) 生 直 線 作 用 力 ， 直 接 帶 動 負 載 作直 線 運 動 ， 因 而 使 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 運 行 效 率 和 傳 動 精 度 均 較 高 。 與 旋 轉(zhuǎn) 電 動 機 對 應(yīng) ， 直 線 電 動 機 也 分 為 直 線 異 步 電 動 機 、 直 線 同 步 電 動機 、 直 線 直 流 電 動 機 。 在 直 線 電 動 機 中 ， 直 線 異 步 電 動 機 應(yīng) 用 最 廣 泛 。 本 節(jié)將 以 直 線

62、 異 步 電 動 機 為 例 ， 介 紹 直 線 電 動 機 的 結(jié) 構(gòu) 形 式 和 工 作 原 理 。 一 、 直 線 電 動 機 的 結(jié) 構(gòu) 形 式 直 線 異 步 電 動 機 主 要 有 平 板 型 、 圓 筒 型 和 圓 盤 型 3種 型 式 。 1. 平 板 型 直 線 異 步 電 動 機 平 板 型 直 線 異 步 電 動 機 可 以 看 成 是 從 旋 轉(zhuǎn) 電 動 機 演 變 而 來 的 。 可 以 設(shè) 想 ，有 一 臺 極 數(shù) 很 多 的 三 相 異 步 電 動 機 ， 其 定 子 半 徑 相 當(dāng) 大 ， 定 子 內(nèi) 表 面 的 某 一段 可 以 認 為 是 直 線 ， 則 這

63、 一 段 便 是 直 線 電 動 機 。 也 可 以 認 為 把 旋 轉(zhuǎn) 電 動 機 的定 子 和 轉(zhuǎn) 子 沿 徑 向 剖 開 ， 并 展 開 成 平 面 ， 就 得 到 了 最 簡 單 的 平 板 型 直 線 電 動機 ， 如 圖 10.20所 示 。 第 10章 控 制 電 機 10.44 10.4 直 線 電 動 機 (a) 旋 轉(zhuǎn) 電 動 機 (b) 平 板 型 直 線 異 步 電 動 機 圖 10.20 直 線 異 步 電 動 機 的 形 成 旋 轉(zhuǎn) 電 動 機 的 定 子 和 轉(zhuǎn) 子 ， 在 直 線 電 動 機 中 又 稱 為 初 級 和 次 級 (滑 子 )。直 線 電 動 機

64、的 運 行 方 式 可 以 是 固 定 初 級 ， 讓 次 級 運 動 ， 此 時 稱 為 動 次 級 ； 相反 ， 也 可 以 固 定 次 級 而 讓 初 級 運 動 ， 則 稱 為 動 初 級 。 為 了 在 運 動 過 程 中 始 終 保 持 初 級 和 次 級 耦 合 ， 初 級 和 次 級 的 長 度 不 應(yīng) 相 同 ， 可 以 使 初 級 長 于 次 級 ，稱 為 短 次 級 (短 滑 子 )； 也 可 以 使 次 級 長 于 初 級 ， 稱 為 短 初 級 ， 如 圖 10.21所 示 。由 于 短 初 級 結(jié) 構(gòu) 比 較 簡 單 ， 制 造 和 運 行 成 本 較 低 ， 故

65、一 般 常 用 短 初 級 。 第 10章 控 制 電 機 10.45 10.4 直 線 電 動 機 圖 10.21 平 板 型 直 線 異 步 電 動 機 (單 邊 型 )結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 圖 10.21所 示 的 平 板 型 直 線 電動 機 僅 在 次 級 的 一 邊 安 裝 有 初 級 ，這 種 結(jié) 構(gòu) 型 式 稱 為 單 邊 型 。 單 邊型 直 線 異 步 電 動 機 除 了 產(chǎn) 生 切 向力 外 ， 還 會 在 初 、 次 級 間 產(chǎn) 生 較大 的 法 向 力 ， 這 在 某 些 應(yīng) 用 中 是不 希 望 的 ， 為 了 更 充 分 地 利 用 次級 和 消 除 法 向 力 ，

66、 次 級 的 兩 側(cè) 都安 裝 初 級 ， 這 種 結(jié) 構(gòu) 型 式 稱 為 雙邊 型 ， 如 圖 10.22所 示 。 平 板 型 直 線 異 步 電 動 機 的 初級 鐵 心 由 硅 鋼 片 疊 裝 而 成 ， 表 面開 有 齒 槽 ， 槽 中 安 放 著 三 相 繞 組 。最 常 用 的 次 級 結(jié) 構(gòu) 有 3種 形 式 ： (1) 用 整 塊 鋼 板 制 成 ， 稱 為鋼 次 級 或 磁 性 次 級 ， 這 時 ， 鋼 既起 導(dǎo) 磁 作 用 ， 又 起 導(dǎo) 電 作 用 ； 圖 10.22 平 板 型 直 線 異 步 電 動 機 (雙 邊 型 )結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 第 10章 控 制 電 機 10.46 10.4 直 線 電 動 機 (2) 為 鋼 板 上 覆 合 一 層 銅 板 或 鋁 板 ， 稱 為 覆 合 次 級 ， 鋼 主 要 用 于 導(dǎo) 磁 ，而 銅 或 鋁 用 于 導(dǎo) 電 ； (3) 是 單 純 的 銅 板 或 鋁 板 ， 稱 為 銅 (鋁 )次 級 或 非 磁 性 次 級 ， 這 種 次 級 一 般用 于 雙 邊 型 電 動 機 中 。 2. 圓 筒 型 直 線 異