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控制电机论文

《控制电机》论文

学生姓名:

张俊

任课教师:

王贤立

学生学号：

130544132

专业：

电气工程

物理与电子信息学院

2016年6月

控制电机综述

控制电机作为微特电机的主要分支，其结构和原理有别于普通电机，并且种类众多。

本书的编写始终贯彻以控制电机基本结构、工作原理和运行特性为主线的指导思想，同时兼顾控制电机的合理选择和实际应用。

在控制电机种类方面选择了比较典型的旋转变压器、自整角机、测速发电机、伺服电动机、步进电动机和各类微特同步电动机，对新结构和新原理的控制电机也作了一定的介绍。

全书共分为9章，包括伺服电动机、测速发电机、自整角机、旋转变压器和步进电动机等。

1、控制电机的分类

控制电机根据在自动控制系统中的作用，分为以下几类：

（1）执行元件（功率元件）

●直流伺服电动机

●交流伺服电动机

●步进电动机

●无刷直流电动机

作用是将电信号转换成轴上的角位移或角速度以及直线位移和线速度,并带动控制对象运动。

（2）测量元件（信号元件）

●自整角机

●交、直流测速发电机

●旋转变压器

作用是测量机械转角、转角差和转速，在控制系统中作为敏感元件和校正元件.

执行元件主要包括交、直流伺服电动机、步进电机等，它的任务是将输入的电信号转换成轴上的角位移或角速度的变化；测量元件主要包括交、直流测速发电机，自整角机等，它可以用来测量机械转角、转较差和转速等。

2、各类控制电机的简介

2。

1旋转变压器

　　旋转变压器（resolver）是一种电磁式传感器,又称同步分解器。

它是一种测量角度用的小型交流电动机,用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度,由锭子和转子组成.旋转变压器在同步随动系统及数字随动系统中可用于传递转角或电信号；在解算装置中可作为函数的解算之用,故也称为解算器.

　　旋转变压器一般有两极绕组和四极绕组两种结构形式。

两极绕组旋转变压器的锭子和转子各有一对磁极，四极绕组则各有两队磁极，主要用于高精度的检测系统。

除此之外，还有多极式旋转变压器，用于高精度绝对式检测系统。

　　按输出电压与转子转角间的函数关系，主要分三大类旋转变压器:

　　1、正—余弦旋转变压器，其输出电压与转子转角的函数关系成正弦或余弦函数关系。

　　2、线性旋转变压器，其输出电压与转子转角成线性函数关系。

线性旋转变压器按转子结构又分成隐极式和凸极式两种。

　　3、比例式旋转变压器，其输出电压与转角成比例关系。

旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测装置，适用于所有使用旋转编码器的场合，特别是高温、严寒、潮湿、高速、高震动等旋转编码器无法正常工作的场合。

由于旋转变压器以上特点,可完全替代光电编码器，被广泛应用在伺服控制系统、机器人系统、机械工具、汽车、电力、冶金、纺织、印刷、航空航天、船舶、兵器、电子、冶金、矿山、油田、水利、化工、轻工、建筑等领域的角度、位置检测系统中。

也可用于坐标变换、三角运算和角度数据传输、作为两相移相器用在角度—-数字转换装置中。

2。

2自整角机

利用自整步特性将转角变为交流电压或由转角变为转角的感应式微型电机，在伺服系统中被用作测量角度的位移传感器。

自整角机还可用以实现角度信号的远距离传输、变换、接收和指示。

自整角机按用途分为力矩式和控制式（变压器式）两种。

　　力矩式自整角机大多数采用两极凸极式结构，只在频率较高、尺寸较大时才采用隐极式结构。

定、转子铁芯上分别装嵌单相激磁绕组和三相整步绕组。

三相整步绕组为分布式星形接线,各相轴心线在空间相差120°。

转子绕组通过滑环和电刷引出接线的为接触式自整角机；通过电磁耦合方法引出接线的为无接触式自整角机,后者无接触摩擦和无线电干扰,但结构复杂，性能指标和利用率低。

控制式自整角接收机（自整角变压器）多采用隐极式结构，并在转子上装设高精度的正弦绕组。

两台控制式自整角机与力矩式自整角机相似可组成角度测量系统，也可以有差动工作方式。

2.3测速发电机

测速发电机是一种测量转速的微型发电机，他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.

测速发电机分为直流测速发电机和交流测速发电机两大类。

直流测速发电机是一种测速元件，它把转速信号转换成直流电压信号输出.直流测速发电机广泛地应用于自动控制、测量技术和计算机技术等装置中。

直流测速发电机可分为电磁式和永磁式两种.电磁式励磁绕组接成他励，永磁式采用矫顽力高的磁钢制成磁极。

交流测速发电机有空心杯转子异步测速发电机、笼式转子异步测速发电机和同步测速发电机3种。

测速发电机广泛用于各种速度或位置控制系统。

在自动控制系统中作为检测速度的元件，以调节电动机转速或通过反馈来提高系统稳定性和精度；在解算装置中可作为微分、积分元件,也可作为加速或延迟信号用或用来测量各种运动机械在摆动或转动以及直线运动时的速度。

2。

4伺服电动机

伺服电动机是用作自动控制装置中执行元件的微特电机。

又称执行电动机.其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度.

伺服电动机分交、直流两类。

交流伺服电动机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格等特点。

直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。

直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。

通常应用于功率稍大的系统中,如随动系统中的位置控制等。

交流伺服电机的输出功率一般为0.1—100W，电源频率分50Hz、400Hz等多种.它的应用很广泛,如用在各种自动控制、自动记录等系统中。

2.5微型同步电机

　　微型同步电机的额定功率从零点几瓦到数百瓦，由于同步电动机的转速在一定的输出功率范围内是不随负载变化的这种恒速特性使得微型同步电机在诸如电报传真机、磁带录音机和各种精密的计时或是记录装置中得到了广泛的应用。

　　微型同步电机按定子绕组所接电源相数不同，可分为三相和单相同步电机两大类。

三相微型同步电机的定子结构与普通三相同步电机相同。

在定子铁芯槽内嵌放有彼此相差120°电度角的三相绕组.工作时,由三相电源供电。

单相微型同步电机的定子结构与单相异步电机相同,又分为两相起动式和罩极式两种。

工作时有单相电源供电。

2。

6无刷直流电动机

一种用电子换向的小功率直流电动机。

又称无换向器电动机、无整流子直流电动机。

它是用半导体逆变器取代一般直流电动机中的机械换向器，构成没有换向器的直流电动机.这种电机结构简单,运行可靠,没有火花，电磁噪声低，广泛应用于现代生产设备、仪器仪表、计算机外围设备和高级家用电器。

无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成,是一种典型的机电一体化产品.同步电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。

而转子上粘有已充磁的永磁体,为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。

驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：

接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号,用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩;接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。

2。

7步进电动机

步进电动机把电脉冲信号变换成角位移以控制转子转动的微特电机.在自动控制装置中作为执行元件。

每输入一个脉冲信号，步进电动机前进一步，故又称脉冲电动机.

步进电动机分为机电式及磁电式两种基本类型。

机电式步进电动机由铁心、线圈、齿轮机构等组成。

螺线管线圈通电时将产生磁力，推动其铁心心子运动，通过齿轮机构使输出轴转动一角度，通过抗旋转齿轮使输出转轴保持在新的工作位置；线圈再通电,转轴又转动一角度,依次进行步进运动。

磁电式步进电动机主要有永磁式、反应式和永磁感应子式3种形式。

步进电机主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。

如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。

步进电动机已广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、自动记录仪、钟表等之中,另外在工业自动化生产线、印刷设备等中亦有应用.

2.8直线电动机

直线电动机也称线性电机,线性马达，直线马达，推杆马达.最常用的直线电机类型是平板式和U型槽式，和管式。

线圈的典型组成是三相,有霍尔元件实现无刷换相.

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能,而不需要任何中间转换机构的传动装置。

它可以看成是一台旋转电机按径向剖开,并展成平面而成。

直线电机主要应用于三个方面：

一是应用于自动控制系统，这类应用场合比较多;其次是作为长期连续运行的驱动电机；三是应用在需要短时间、短距离内提供巨大的直线运动能的装置中.

3.自整角机的基本结构

自整角机的结构和一般旋转电机相似，主要由定子和转子两大部分组成。

定子铁心的内圆和转子铁心的外圆之间存在有很小的气隙。

定子和转子也分别有各自的电磁部分和机械部分.自整角机的结构简图如图1所示。

定子铁心是由冲有若干槽数的簿硅钢片叠压而成,图2表示定子铁心冲片。

图表示转子（有隐极和凸极两种）剖视图。

定子铁心槽内布置有三相对称绕组，转子铁心上布置有单相绕组（差动式自整角机为三相绕组）。

图3自整角机结构简图

图2定子铁心冲片

图3自整角机转子

直流测速发电机应用案例 

有关直流测速发电机特点、应用、控制的研究 

摘要：

  直流测速发电机是一种测速元件，它把转速信号转换成直流电压信号输出。

直流测速发电机广泛地应用于自动控制、测量技术和计算机技术等装置中。

直流测速发电机可分为电磁式和永磁式两种。

电磁式励磁绕组接成他励，永磁式采用矫顽力高的磁钢制成磁极.由于永磁式不需另加励磁电源，也不因励磁绕组温度变化而影响输出电压，故应用较广。

关键词：

  直流测速发电机 特点 应用 控制研究 

0引言:

  直流测速发电机是一种微型直流发电机，实质是一种转速测量传感器，将机械速度转变为电压信号，在自动控制系统和计算装置中作为检测元件、校正元件等。

在恒速控制系统中，测量旋转装置的转速，向控制电路提供与转速成正比的信号电压作为反馈信号，以调节速度。

工作原理如图。

当被测装置带动发电机电枢旋转，电枢产生电动势Ea，其大小为 

Ea=KEφn 

发电机的输出电压为：

U=Ea-RaIa=KEφn-RaIa 

又:

Ia=U/RL  

故：

U=（KEφ/1+ （Ra/RL））n  

可见，当励磁电压Uf保持恒定时，φ 亦恒定，若Ra、RL不变，输出电压U的大小与转速n成正比（U=k n）。

对于不同的负载电阻RL，测速发电机输出特性的斜率有所不同，如图2。

由于电机电枢反应,使输出电压与转速有一定的线性误差。

RL越小、n越大,误差越大。

因此，应使RL和n的大小符合直流测速发电机的技术要求，以确保控制系统的精度。

直流测速发电机的输出特性 

图为直流测速发电机在恒速控制系统中的应用图。

其中，直流伺服电动机S M拖动机械负载，要求负载转矩变动时，系统转速不变。

SM同轴连接直流测速发电机TG,将TG输出电压送入系统的输入端作为反馈电压Uf，且Uf与给定电压 

恒速控制系统原理图 

1直流测速发电机特点：

自动控制系统对其元件的要求,主要是精确度高、灵敏度高、可靠性好等。

据此,直流测速发电机在电气性能方面具有以下几项特点：

1.1输出电压和转速的关系曲线（即为输出特性）应为线性；

 1。

2温度变化对输出特性的影响要小；

 1。

3输出特性的斜率要大; 

1。

4输出电压的纹波要小，即要求在一定的转速下输出电压要稳定，波动要小； 

1.5正，反转两个方向的输出特性要一致,实际应用中一般都是不一致的，稍有差别； 3.6体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、对无线电通信的干扰小、噪声小等特点。

2直流测速发电机的控制研究：

  实际上直流测速发电机的输出特性Ua=f（n）并不是严格的线性塔形，而与线性特性之间存在有误差，下面讨论产生误差的主要愿意及减小误差的方法. 

直流测速发电机的输出特性 

  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:

2.1温度影响:

电机周围环境温度的变化以及电机本身发热都会引起电机绕组电阻的变化。

当温度升高时,激磁绕阻电阻增大，激磁电流减小，磁通也随之减小，输出电压就降低。

反之，当温度下降时,输出电压便升高.    处理方法：

在激磁回路中串联一个阻值比激磁绕阻电阻大几倍的附加电阻来稳流,这样，尽管温度升高将引起激磁绕组电阻增大，但整个激磁回路的总电阻增加不多。

附加电阻可以用温度系数较低的合金材料制成。

2。

2电枢反应：

  测速运行时，其电枢绕组的电流产生电枢磁场，它对激磁绕组磁场有去磁效应。

而且负载电阻越小或是转速越高,负载电流就越大，去磁作用就越明显，造成输出特性曲线非线性误差增加。

  处理方法：

为了减小电枢反应对输出特性的影响,在直流测速发电机的技术条件中标有最大转速和最小负载电阻值在使用时,转速不得超过最大转速，所接负载电阻不得小于给定的电阻值，以保证非线性误差较小。

2.3电刷接触压降：

  测速电机输出为线性关系的一个条件是电枢回路总电阻为恒值。

实际上总电阻中包含的电刷和换向器的接触电阻不是一个常数。

它与材料、电流密度、电流方向、电刷接触压力、接触表面温度等因素有密切关系。

电刷接触压降会在转速较低时,输出电压对转速的反应不灵敏，造成不灵敏区。

  处理方法:

采用接触压降较小的银--—石墨电刷、高精度测速发电机采用铜电刷。

并在电刷与换向器接触的表面上镀上银层，使换向器不易磨损。

参考文献：

1、程明主编,《微特电机及系统》,中国电力出版社。