1、第第10章章 控控 制制 电电 机机 10.1第10章 控 制 电 机 2023-6-252023-6-251 1第第10章章 控控 制制 电电 机机 10.2伺服电动机伺服电动机 步进电动机步进电动机 测速发电机测速发电机 直线电动机直线电动机 自自 整整 角角 机机 旋转变压器旋转变压器 本本 章章 小小 结结习题与思考题习题与思考题本章内容本章内容2023-6-252023-6-252 2第第10章章 控控 制制 电电 机机 10.3 控制电动机主要应用于自动控制系统中，用来实现信号的检测、转换和控制电动机主要应用于自动控制系统中，用来实现信号的检测、转换和传递，作为测量、执行和校正等元
2、件使用。功率一般从数毫瓦到数百瓦。传递，作为测量、执行和校正等元件使用。功率一般从数毫瓦到数百瓦。普通动力电动机的主要任务是实现能量转换，主要要求是提高电机的能普通动力电动机的主要任务是实现能量转换，主要要求是提高电机的能量转换效率等经济指标，以及起动、调速等性能。控制电动机的主要任务是量转换效率等经济指标，以及起动、调速等性能。控制电动机的主要任务是完成控制信号的检测、变换和传递，因此，对控制电动机的主要要求是快速完成控制信号的检测、变换和传递，因此，对控制电动机的主要要求是快速响应、高精度、高灵敏度及高可靠性。响应、高精度、高灵敏度及高可靠性。控制电动机种类繁多，本章主要介绍常用的控制电动
3、机的基本工作原理。控制电动机种类繁多，本章主要介绍常用的控制电动机的基本工作原理。2023-6-252023-6-253 3第第10章章 控控 制制 电电 机机 10.410.1 10.1 伺服电动机伺服电动机 伺服电动机又称执行电动机，它能把接受的电压信号转换为电动机转轴上伺服电动机又称执行电动机，它能把接受的电压信号转换为电动机转轴上的机械角位移或角速度的变化，具有服从控制信号的要求而动作的功能：在信的机械角位移或角速度的变化，具有服从控制信号的要求而动作的功能：在信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号消失，转号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当
4、信号消失，转子能即时停转。由于这种子能即时停转。由于这种“伺服伺服”的性能因此命名。的性能因此命名。自动控制系统对伺服电动机的基本要求是：自动控制系统对伺服电动机的基本要求是：(1)(1)宽广的调速范围，机械特性和调节特性均为线性。宽广的调速范围，机械特性和调节特性均为线性。(2)(2)快速响应性能好，即机电时间常数要小，在控制信号变化时，能迅速快速响应性能好，即机电时间常数要小，在控制信号变化时，能迅速地从一种状态过渡到另一种状态。地从一种状态过渡到另一种状态。(3)(3)灵敏度要高，即在很小的控制电压信号作用下，伺服电动机就能起动灵敏度要高，即在很小的控制电压信号作用下，伺服电动机就能起动
5、运转。运转。(4)(4)无自转现象。所谓自转现象就是转动中的伺服电动机在控制电压为零无自转现象。所谓自转现象就是转动中的伺服电动机在控制电压为零时继续转动的现象；无自转现象就是控制电压降到零时，伺服电动机立即自行时继续转动的现象；无自转现象就是控制电压降到零时，伺服电动机立即自行停转。停转。按伺服电动机的控制电压来分，伺服电动机可分为直流伺服电动机和交流按伺服电动机的控制电压来分，伺服电动机可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机的输出功率可达数百瓦，主要用于功率较伺服电动机两大类。直流伺服电动机的输出功率可达数百瓦，主要用于功率较大的控制系统。交流伺服电动机的输出功率较小，
6、一般为几十瓦，主要用于功大的控制系统。交流伺服电动机的输出功率较小，一般为几十瓦，主要用于功率较小的控制系统。率较小的控制系统。2023-6-252023-6-254 4第第10章章 控控 制制 电电 机机 10.5一、直流伺服电动机一、直流伺服电动机 10.1 10.1 伺服电动机伺服电动机 1.基本结构与工作原理 一般的直流伺服电动机的结构与普通小型直流电动机相同，按照励磁方一般的直流伺服电动机的结构与普通小型直流电动机相同，按照励磁方式的不同，可分为电磁式和永磁式。电磁式直流伺服电动机的磁场由励磁电式的不同，可分为电磁式和永磁式。电磁式直流伺服电动机的磁场由励磁电流通过励磁绕组产生，一般
7、多用他励式励磁。永磁式直流伺服电动机的磁场流通过励磁绕组产生，一般多用他励式励磁。永磁式直流伺服电动机的磁场由永磁铁产生，无需励磁绕组和励磁电流。由永磁铁产生，无需励磁绕组和励磁电流。直流伺服电动机的控制方式有两种：电枢控制和磁场控制。所谓电枢控直流伺服电动机的控制方式有两种：电枢控制和磁场控制。所谓电枢控制，即磁场绕组加恒定励磁电压，电枢绕组加控制电压，当负载转矩恒定时，制，即磁场绕组加恒定励磁电压，电枢绕组加控制电压，当负载转矩恒定时，电枢的控制电压升高，电动机的转速就升高；反之，减小电枢控制电压，电电枢的控制电压升高，电动机的转速就升高；反之，减小电枢控制电压，电动机的转速就降低；改变控
8、制电压的极性，电动机就反转；控制电压为零，动机的转速就降低；改变控制电压的极性，电动机就反转；控制电压为零，电动机就停转。电枢控制方式的直流伺服电动机如电动机就停转。电枢控制方式的直流伺服电动机如 图图10.110.1所示。所示。电动机也可采用磁场控制，即磁场绕组加控制电压，而电枢绕组加恒定电动机也可采用磁场控制，即磁场绕组加控制电压，而电枢绕组加恒定电压控制方式，改变励磁电压的大小和方向，就能改变电动机的转速与转向。电压控制方式，改变励磁电压的大小和方向，就能改变电动机的转速与转向。可见，电磁式直流伺服电动机有电枢控制和磁场控制两种控制转速的方式，可见，电磁式直流伺服电动机有电枢控制和磁场控
9、制两种控制转速的方式，而对永磁式直流伺服电动机来讲，则只有电枢控制一种方式。而对永磁式直流伺服电动机来讲，则只有电枢控制一种方式。2023-6-252023-6-255 5第第10章章 控控 制制 电电 机机 10.610.1 10.1 伺服电动机伺服电动机 图10.1 电枢控制方式的直流 伺服电动机 电动机也可采用磁场控制，即磁场绕组加电动机也可采用磁场控制，即磁场绕组加控制电压，而电枢绕组加恒定电压控制方式，控制电压，而电枢绕组加恒定电压控制方式，改变励磁电压的大小和方向，就能改变电动机改变励磁电压的大小和方向，就能改变电动机的转速与转向。可见，电磁式直流伺服电动机的转速与转向。可见，电磁
10、式直流伺服电动机有电枢控制和磁场控制两种控制转速的方式，有电枢控制和磁场控制两种控制转速的方式，而对永磁式直流伺服电动机来讲，则只有电枢而对永磁式直流伺服电动机来讲，则只有电枢控制一种方式。控制一种方式。电枢控制的主要优点为，没有控制信号时，电枢控制的主要优点为，没有控制信号时，电枢电流等于零，电枢中没有损耗，只有不大电枢电流等于零，电枢中没有损耗，只有不大的励磁损耗。磁场控制的性能较差，其优点是的励磁损耗。磁场控制的性能较差，其优点是控制功率小，仅用于小功率电动机中。自动控控制功率小，仅用于小功率电动机中。自动控制系统中多采用电枢控制方式，因此本节只分制系统中多采用电枢控制方式，因此本节只分
11、析电枢控制方式的直流伺服电动机。析电枢控制方式的直流伺服电动机。为了提高快速响应能力，必须减少转动惯为了提高快速响应能力，必须减少转动惯量，所以直流伺服电动机的电枢通常做成盘形量，所以直流伺服电动机的电枢通常做成盘形或空心杯形，使其具有转子轻、转动惯量小的或空心杯形，使其具有转子轻、转动惯量小的特点。特点。2023-6-252023-6-256 6第第10章章 控控 制制 电电 机机 10.710.1 10.1 伺服电动机伺服电动机 电枢控制方式的直流伺服电动机的工作原理与普通的直流电动机相似。电枢控制方式的直流伺服电动机的工作原理与普通的直流电动机相似。当励磁绕组接在电压恒定的励磁电源上时，
12、就会有励磁电流当励磁绕组接在电压恒定的励磁电源上时，就会有励磁电流I If f流过，并在气隙流过，并在气隙中产生主磁通中产生主磁通；当有控制电压；当有控制电压UcUc作用在电枢绕组上时，就有电枢电流作用在电枢绕组上时，就有电枢电流I Ic c流过，流过，电枢电流电枢电流I Ic c与磁通与磁通相互作用，产生电磁转矩相互作用，产生电磁转矩T T带动负载运行。当控制信号消带动负载运行。当控制信号消失时，失时，Uc=0Uc=0，I Ic=0c=0，T T=0=0，电动机自行停转，不会出现自转现象。，电动机自行停转，不会出现自转现象。2.控制特性 1)1)机械特性机械特性 机械特性是指励磁电压机械特性
13、是指励磁电压UfUf恒定，电枢的控制电压恒定，电枢的控制电压U UK K为一个定值时，电动为一个定值时，电动机的转速和电磁转矩机的转速和电磁转矩T T之间的关系，即之间的关系，即UfUf为常数时的为常数时的n nf f(T T)，如图，如图10.2(a)10.2(a)所所示。示。已知直流电动机的机械特性是已知直流电动机的机械特性是 式中式中 U U、R R、C Ce e、C CTT分别表示电枢电压、电枢回路的电阻、电动势常分别表示电枢电压、电枢回路的电阻、电动势常数和转矩常数。数和转矩常数。在电枢控制方式的直流伺服电动机中，控制电压在电枢控制方式的直流伺服电动机中，控制电压UcUc加在电枢绕组
14、上，即加在电枢绕组上，即U=UcU=Uc，代入式，代入式(10.1)(10.1)，得到直流伺服电动机的机械特性表达式为，得到直流伺服电动机的机械特性表达式为 2eeTURnTC C C(10.1)c02eeTURnTnTC C C(10.2)2023-6-252023-6-257 7第第10章章 控控 制制 电电 机机 10.810.1 10.1 伺服电动机伺服电动机 式中，式中，理想空载转速；理想空载转速；c0eUnC2eTRC C 斜率。斜率。对上式应考虑两种特殊情况：当转矩为零时，电动机的转速仅与电枢电对上式应考虑两种特殊情况：当转矩为零时，电动机的转速仅与电枢电压有关，此时的转速为直流
15、伺服电动机的理想空载转速，理想空载转速与电压有关，此时的转速为直流伺服电动机的理想空载转速，理想空载转速与电枢电压成正比，即枢电压成正比，即 当转速为零时，电动机的转矩仅与电枢电压有关，此时的转矩称为堵转当转速为零时，电动机的转矩仅与电枢电压有关，此时的转矩称为堵转转矩。堵转转矩与电枢电压成正比，即转矩。堵转转矩与电枢电压成正比，即 0eUnnC(10.3)TC TUR(10.4)当控制电压当控制电压UcUc一定时，随着转矩一定时，随着转矩T T的增加，转速的增加，转速n n成正比的下降，机械成正比的下降，机械特性为向下倾斜的直线，所以直流伺服电动机机械特性的线性度很好。当特性为向下倾斜的直线
16、，所以直流伺服电动机机械特性的线性度很好。当UcUc不同时，其斜率不同时，其斜率 不变，机械特性为一组平行线，随着不变，机械特性为一组平行线，随着UcUc的降低，机械的降低，机械特性平行地向下移动。特性平行地向下移动。2023-6-252023-6-258 8第第10章章 控控 制制 电电 机机 10.910.1 10.1 伺服电动机伺服电动机 (a)机械特性 (b)调节特性 图10.2 直流伺服电动机的运行特性 2)2)调节特性调节特性 调节特性是指电磁转矩恒定时，电动机的转速随控制电压的变化关调节特性是指电磁转矩恒定时，电动机的转速随控制电压的变化关系，即系，即T T为常数时的为常数时的n
17、 n=f f(U UK)K)。调节特性也称为控制特性。如图。调节特性也称为控制特性。如图10.2(b)10.2(b)所所示。示。在式在式(10.2)(10.2)中，令中，令U Uc c为常数，为常数，T T为变量，为变量，n n=f f(T T)是机械特性；若令是机械特性；若令T T为常数，为常数，U Uc c为变量，为变量，n n=f f(U Uc)c)是调节特性，如图是调节特性，如图10.2(b)10.2(b)所示，也是直线，所示，也是直线，所以调节特性的线性度也很好。所以调节特性的线性度也很好。当转速为零时，对应不同的电磁转矩可得到不同的起动电压当转速为零时，对应不同的电磁转矩可得到不同
18、的起动电压U Uc0c0。当。当电枢电压小于起动电压时，伺服电动机将不能起动。在式电枢电压小于起动电压时，伺服电动机将不能起动。在式(10.2)(10.2)中令中令n n=0=0能方便地计算出起动电压能方便地计算出起动电压U Uc0c0为为 C0TRTUC(10.5)2023-6-252023-6-259 9第第10章章 控控 制制 电电 机机 10.1010.1 10.1 伺服电动机伺服电动机 一般把调节特性图上横坐标从零到起动电压这一范围称为失灵区。在一般把调节特性图上横坐标从零到起动电压这一范围称为失灵区。在失灵区以内，即使电枢有外加电压，电动机也转不起来。显而易见，失灵失灵区以内，即使
19、电枢有外加电压，电动机也转不起来。显而易见，失灵区的大小与负载转矩成正比，负载转矩越大，失灵区也越大。区的大小与负载转矩成正比，负载转矩越大，失灵区也越大。直流伺服电动机的优点是起动转矩大、机械特性和调节特性的线性度直流伺服电动机的优点是起动转矩大、机械特性和调节特性的线性度好、调速范围大。其缺点是电刷和换向器之间的火花会产生无线电干扰信好、调速范围大。其缺点是电刷和换向器之间的火花会产生无线电干扰信号，维修比较困难。号，维修比较困难。二、交流伺服电动机二、交流伺服电动机 1.基本结构和工作原理 交流伺服电动机一般是两相交流异步电动机，由定子和转子两部分交流伺服电动机一般是两相交流异步电动机，
20、由定子和转子两部分组成。交流伺服电动机的转子有笼型和杯型两种。无论哪一种转子，它组成。交流伺服电动机的转子有笼型和杯型两种。无论哪一种转子，它的转子电阻都做得比较大，其目的是使转子在转动时产生制动转矩，使的转子电阻都做得比较大，其目的是使转子在转动时产生制动转矩，使它在控制绕组不加电压时，能及时制动，防止自转。交流伺服电动机的它在控制绕组不加电压时，能及时制动，防止自转。交流伺服电动机的定子上嵌放着在空间相距定子上嵌放着在空间相距9090电角度的两相分布绕组，两个定子绕组结构电角度的两相分布绕组，两个定子绕组结构完全相同，使用时一个绕组作励磁用，另一个绕组作控制用。完全相同，使用时一个绕组作励
21、磁用，另一个绕组作控制用。为励磁为励磁电压，电压，为控制电压，为控制电压，与与 同频率。其结构示意图如图同频率。其结构示意图如图10.310.3所示。所示。fUcUfUcU2023-6-252023-6-251010第第10章章 控控 制制 电电 机机 10.1110.1 10.1 伺服电动机伺服电动机 当励磁绕组和控制绕组均加互差当励磁绕组和控制绕组均加互差9090电角电角度的交流电压时，在空间形成圆形旋转磁场度的交流电压时，在空间形成圆形旋转磁场 (控制电压和励磁电压的幅值相等控制电压和励磁电压的幅值相等)或椭圆形旋或椭圆形旋转磁场转磁场(控制电压和励磁电压幅值不等控制电压和励磁电压幅值不
22、等)，转子，转子在旋转磁场作用下旋转。当控制电压和励磁电在旋转磁场作用下旋转。当控制电压和励磁电压的幅值相等时，控制二者的相位差也能产生压的幅值相等时，控制二者的相位差也能产生旋转磁场。旋转磁场。普通的两相异步电动机存在着自转现象，普通的两相异步电动机存在着自转现象，这可以通过图这可以通过图10.410.4所示的机械特性来说明。所示的机械特性来说明。对异步电动机而言，临界转差率对异步电动机而言，临界转差率s smm与转与转子电阻成正比，即子电阻成正比，即 式中式中 转子电阻转子电阻R R2 2折算到定子侧的折算折算到定子侧的折算值；值；转子漏电抗转子漏电抗X X2 2折算到定子侧的折折算到定子
23、侧的折算值。算值。图10.3 交流伺服电动机结构示意图 图10.4 异步电动机的机械特性 2m22112()RsRXX(10.6)2R2X2023-6-252023-6-251111第第10章章 控控 制制 电电 机机 10.12 普通的两相异步电动机的转子电阻较小，普通的两相异步电动机的转子电阻较小，s smm也较小，机械特性如图也较小，机械特性如图10.410.4中的曲线中的曲线1 1所示，线性变化范围较小。所示，线性变化范围较小。当运行中的两相异步电动机中有一相绕组断电时就成为单相异步电动机。当运行中的两相异步电动机中有一相绕组断电时就成为单相异步电动机。单相异步电动机中的气隙磁场为脉动
24、磁场，可以分解为正转和反转两个旋转单相异步电动机中的气隙磁场为脉动磁场，可以分解为正转和反转两个旋转磁场，分别产生正转电磁转矩磁场，分别产生正转电磁转矩T T+与反转电磁转矩与反转电磁转矩T-T-，在图，在图10.510.5中用虚线表示，中用虚线表示，电动机的电磁转矩电动机的电磁转矩T T为为T T+与与T-T-的代数和，在图中用实线表示。的代数和，在图中用实线表示。10.1 10.1 伺服电动机伺服电动机 图10.5 转子电阻对交流伺服电动机机械特性的影响 2023-6-252023-6-251212第第10章章 控控 制制 电电 机机 10.1310.1 10.1 伺服电动机伺服电动机 当
25、转子电阻较小时，从图当转子电阻较小时，从图10.5(a)10.5(a)中可以看出，在正转范围内，即当中可以看出，在正转范围内，即当n n00时，时，T T00，所以当在运行中的两相异步电动机由于断开一相而成为单相异步电，所以当在运行中的两相异步电动机由于断开一相而成为单相异步电动机时仍有电磁转矩动机时仍有电磁转矩T T，只要，只要T T大于负载转矩大于负载转矩TLTL，电动机就会继续运转而形成，电动机就会继续运转而形成自转现象。普通的单相异步电动机在起动时，就利用自转现象，把起动绕组自转现象。普通的单相异步电动机在起动时，就利用自转现象，把起动绕组串联电容器后与工作绕组并联接在交流电源上，作为
26、两相异步电动机而起动，串联电容器后与工作绕组并联接在交流电源上，作为两相异步电动机而起动，起动完毕后就将起动绕组切除，成为单相异步电动机，带动负载，继续运转。起动完毕后就将起动绕组切除，成为单相异步电动机，带动负载，继续运转。交流伺服电动机必须克服自转现象，否则当控制电压为零时，电动机还交流伺服电动机必须克服自转现象，否则当控制电压为零时，电动机还会继续运转，出现失控状态。当励磁电压不为零，控制电压为零时，交流伺会继续运转，出现失控状态。当励磁电压不为零，控制电压为零时，交流伺服电动机相当于一台单相异步电动机，若转子电阻较小，则电动机还会按原服电动机相当于一台单相异步电动机，若转子电阻较小，则
27、电动机还会按原来的运行方向转动，电磁转矩仍为拖动转矩，此时的机械特性如图来的运行方向转动，电磁转矩仍为拖动转矩，此时的机械特性如图10.5(a)10.5(a)所所示。示。交流伺服电动机用增加转子电阻的方法来防止自转现象的发生。由式交流伺服电动机用增加转子电阻的方法来防止自转现象的发生。由式(10.6)(10.6)可知，增大转子电阻可使临界转差率可知，增大转子电阻可使临界转差率SmSm增大，当转子电阻增大到一定增大，当转子电阻增大到一定值时，可使值时，可使Sm1Sm1，电动机的机械特性曲线近似为线性，对应的机械特性曲线，电动机的机械特性曲线近似为线性，对应的机械特性曲线如图如图10.410.4中
28、曲线中曲线2 2所示，这样可使伺服电动机的调速范围大，在大范围内能稳所示，这样可使伺服电动机的调速范围大，在大范围内能稳定运行。若在运行中控制电压定运行。若在运行中控制电压U Uc c变为零，交流伺服电动机变为单相变为零，交流伺服电动机变为单相2023-6-252023-6-251313第第10章章 控控 制制 电电 机机 10.1410.1 10.1 伺服电动机伺服电动机 异步电动机，其机械特性如图异步电动机，其机械特性如图10.5(b)10.5(b)的实线所示，在正转范围内，即的实线所示，在正转范围内，即n n 0 0时，时，T T 0 或或 时，转时，转子因某种原因离开子因某种原因离开=
29、时，电磁转矩却不时，电磁转矩却不能再恢复到原平衡点，因此能再恢复到原平衡点，因此=为不稳定的为不稳定的平衡点。两个不稳定的平衡点之间即为步进平衡点。两个不稳定的平衡点之间即为步进电动机的静态稳定区域，稳定区域为电动机的静态稳定区域，稳定区域为 +。2)2)最大静转矩最大静转矩 矩角特性中，静转矩的最大值称为最大静转矩。当矩角特性中，静转矩的最大值称为最大静转矩。当=/2 /2时，时，T T有最大有最大值值T Tsmsm，由式，由式(10.9)(10.9)可知，最大静转矩可知，最大静转矩 。2.反应式步进电动机的动特性 步进电动机的动特性是指步进电动机从一种通电状态转换到另一种通电步进电动机的动
30、特性是指步进电动机从一种通电状态转换到另一种通电2TkI2023-6-252023-6-252929第第10章章 控控 制制 电电 机机 10.3010.2 10.2 步进电动机步进电动机 状态时所表现出的性质。动态特性包括动稳定区、起动转矩、起动频率及矩频状态时所表现出的性质。动态特性包括动稳定区、起动转矩、起动频率及矩频特性等。特性等。1)1)动稳定区动稳定区 步进电动机的动稳定区是指使步进电动机从一个稳定状态切换到另一稳步进电动机的动稳定区是指使步进电动机从一个稳定状态切换到另一稳定状态而不失步的区域。动稳定区如图定状态而不失步的区域。动稳定区如图10.1410.14所示，设步进电动机的
31、初始状态所示，设步进电动机的初始状态的矩角特性为图中曲线的矩角特性为图中曲线1 1，稳定点为，稳定点为A A点，通电状态改变后的矩角特性为曲线点，通电状态改变后的矩角特性为曲线2 2，稳定点为稳定点为B B点。由矩角特性可知，起始位置只有在点。由矩角特性可知，起始位置只有在a a点与点与b b点之间时，才能到达点之间时，才能到达新的稳定点新的稳定点B B，abab区间称为步进电动机的空载稳定区。用失调角表示的区间区间称为步进电动机的空载稳定区。用失调角表示的区间为为 。sese 图10.14 步进电动机的动稳定区 稳定区的边界点稳定区的边界点a a到初始稳定平衡到初始稳定平衡点点A A的角度，
32、用的角度，用 表示，称为稳定裕量表示，称为稳定裕量角，稳定裕量角与步距角角，稳定裕量角与步距角 之间的关系之间的关系为为rserse(10.10)2023-6-252023-6-253030第第10章章 控控 制制 电电 机机 10.3110.2 10.2 步进电动机步进电动机 稳定裕量角越大，步进电动机运行越稳定，当稳定裕量角趋于零时，电动机稳定裕量角越大，步进电动机运行越稳定，当稳定裕量角趋于零时，电动机不能稳定工作。步距角越大，裕量角也就越小。显然，步距角越小，步进电动机不能稳定工作。步距角越大，裕量角也就越小。显然，步距角越小，步进电动机的稳定性越好。的稳定性越好。2)2)起动转矩起动
33、转矩 反应式步进电动机的最大起动转矩与最大静转矩之间有如下关系反应式步进电动机的最大起动转矩与最大静转矩之间有如下关系 式中式中 T Tstst最大起动转矩。最大起动转矩。当负载转矩大于最大起动转矩时，步进电动机将不能起动。当负载转矩大于最大起动转矩时，步进电动机将不能起动。3)3)起动频率起动频率 起动频率是指在一定负载条件下，步进电动机能够不失步地起动的脉冲最高起动频率是指在一定负载条件下，步进电动机能够不失步地起动的脉冲最高频率。因为步进电动机在起动时，除了要克服静负载转矩以外，还要克服加速时频率。因为步进电动机在起动时，除了要克服静负载转矩以外，还要克服加速时的负载转矩，如果起动时频率
34、过高，转子就可能跟不上而造成振荡。因此，规定的负载转矩，如果起动时频率过高，转子就可能跟不上而造成振荡。因此，规定在一定负载转矩下能不失步运行的最高频率叫做连续运行频率。由于此时加速度在一定负载转矩下能不失步运行的最高频率叫做连续运行频率。由于此时加速度较小，机械惯性影响不大，所以连续运行频率要比起动频率高得多。较小，机械惯性影响不大，所以连续运行频率要比起动频率高得多。起动频率的大小与以下几个因素有关：起动频率起动频率的大小与以下几个因素有关：起动频率 与步进电动机的步距角与步进电动机的步距角 有关。步距角越小，起动频率越高；步进电动机的最大静态转矩越大，起动频率有关。步距角越小，起动频率越
35、高；步进电动机的最大静态转矩越大，起动频率越高；转子齿数多，步距角小，起动频率高；电路时间常数大，起动频率降低。越高；转子齿数多，步距角小，起动频率高；电路时间常数大，起动频率降低。sesmstcosTTmc(10.11)stfse2023-6-252023-6-253131第第10章章 控控 制制 电电 机机 10.3210.2 10.2 步进电动机步进电动机 对于使用者而言，要想增大起动频率，可增大起动电流或减小电路的时对于使用者而言，要想增大起动频率，可增大起动电流或减小电路的时间常数。间常数。4)4)矩频特性矩频特性 步进电动机的主要性能指标是矩频特性。步进电动机的矩频特性曲线的纵步进
36、电动机的主要性能指标是矩频特性。步进电动机的矩频特性曲线的纵坐标为电磁转矩坐标为电磁转矩T T，横坐标为工作频率，横坐标为工作频率f f。典型的步进电动机矩频特性曲线如图。典型的步进电动机矩频特性曲线如图10.1510.15所示。从图中可看出，步进电动机的转矩随频率所示。从图中可看出，步进电动机的转矩随频率的增大而减小。步进电动机的矩频特性曲线和许多因的增大而减小。步进电动机的矩频特性曲线和许多因素有关，这些因素包括步进电动机的转子直径、转子素有关，这些因素包括步进电动机的转子直径、转子铁心有效长度、齿数、齿形、齿槽比、步进电动机内铁心有效长度、齿数、齿形、齿槽比、步进电动机内部的磁路、绕组的
37、绕线方式、定转子间的气隙、控制部的磁路、绕组的绕线方式、定转子间的气隙、控制线路的电压等。很明显，其中有的因素是步进电动机线路的电压等。很明显，其中有的因素是步进电动机在制造时已确定的，使用者是不能改变的，但有些因在制造时已确定的，使用者是不能改变的，但有些因素使用者是可以改变的，如控制方式、绕组工作电压、素使用者是可以改变的，如控制方式、绕组工作电压、线路时间常数等。线路时间常数等。选用步进电动机时要根据在系统中的实际工作情选用步进电动机时要根据在系统中的实际工作情况，综台考虑步距角、转矩、频率以及精度是否能满况，综台考虑步距角、转矩、频率以及精度是否能满足系统的要求。足系统的要求。图10.
38、15 步进电动机的矩频特性 2023-6-252023-6-253232第第10章章 控控 制制 电电 机机 10.3310.3 10.3 测速发电机测速发电机 测速发电机能把机械转速转换成与之成正比的电压信号，可以用作检测速发电机能把机械转速转换成与之成正比的电压信号，可以用作检测元件、解算元件、角速度信号元件，广泛地应用于自动控制、测量技术和测元件、解算元件、角速度信号元件，广泛地应用于自动控制、测量技术和计算技术等装置中。计算技术等装置中。自动控制系统对测速发电机的要求是：自动控制系统对测速发电机的要求是：(1)(1)线性度好，即输出电压要严格与转速成正比，并不受温度等外界条线性度好，即
39、输出电压要严格与转速成正比，并不受温度等外界条件变化的影响。件变化的影响。(2)(2)灵敏度高，即在一定的转速下，输出电压值要尽可能大。灵敏度高，即在一定的转速下，输出电压值要尽可能大。(3)(3)不灵敏区小。不灵敏区小。(4)(4)转动惯量小，以保证测速的快速性。转动惯量小，以保证测速的快速性。按电流种类的不同，测速发电机可分为直流测速发电机和交流测速发按电流种类的不同，测速发电机可分为直流测速发电机和交流测速发电机两大类。直流测速发电机又有永磁式和电磁式之分；交流测速发电机分电机两大类。直流测速发电机又有永磁式和电磁式之分；交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机。为同步测速发电机
40、和异步测速发电机。2023-6-252023-6-253333第第10章章 控控 制制 电电 机机 10.3410.3 10.3 测速发电机测速发电机 一、直流测速发电机一、直流测速发电机 直流测速发电机的结构和原理都与他励直流发电机基本相同，也是由直流测速发电机的结构和原理都与他励直流发电机基本相同，也是由装有磁极的定子、电枢和换向器等组成。按照励磁方式的不同，可分为永磁装有磁极的定子、电枢和换向器等组成。按照励磁方式的不同，可分为永磁式和电磁式两种。永磁式直流测速发电机采用矫顽力高的磁钢制成磁极，结式和电磁式两种。永磁式直流测速发电机采用矫顽力高的磁钢制成磁极，结构简单，不需另加励磁电源，
41、也不因励磁绕组温度变化而影响输出电压，应构简单，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，应用较广。电磁式直流测速发电机由他励方式励磁。用较广。电磁式直流测速发电机由他励方式励磁。直流测速发电机的输出电压直流测速发电机的输出电压U U与转速与转速n n之间的关系之间的关系U U=f f(n n)称为输出特性。称为输出特性。第第1 1章中已分析过，当定子每极磁通章中已分析过，当定子每极磁通为常数时，发电机的电枢电动势为常数时，发电机的电枢电动势为为 式中式中 C Cee电势常数。电势常数。此时，输出电压此时，输出电压U U为为 式中式中 R Raa电枢回路电阻；电枢回路电阻；R R
42、LL负载电阻。负载电阻。aeEC n(10.12)Laa aeaUUER ICnRR(10.13)eaL1C nUknRR(10.14)式中式中 常数，即输出特性的斜率。常数，即输出特性的斜率。eaL1/C nkRR2023-6-252023-6-253434第第10章章 控控 制制 电电 机机 10.3510.3 10.3 测速发电机测速发电机 此时，输出电压此时，输出电压U U与转速与转速n n成正比，如图成正比，如图10.1610.16所示。当负载增加时，由所示。当负载增加时，由式式(10.14)(10.14)可知，可知，k k将减小，输出特性下移。曲线将减小，输出特性下移。曲线1 1为
43、空载时的输出特性，曲为空载时的输出特性，曲线线2 2为负载时的输出特性。为负载时的输出特性。实际运行中，直流测速发电机的输出电压与实际运行中，直流测速发电机的输出电压与转速之间并不能保持严格的正比关系，实际输出转速之间并不能保持严格的正比关系，实际输出特性如图特性如图10.1610.16中的曲线中的曲线3 3所示，实际输出电压与所示，实际输出电压与理想输出电压之间产生了误差。产生误差的原因理想输出电压之间产生了误差。产生误差的原因主要有以下几个方面。主要有以下几个方面。图10.16 直流测速发电机的输出特性 1.电枢反应 产生误差的主要原因是电枢反应的去磁作用。电枢反应使得主磁通发生变产生误差
44、的主要原因是电枢反应的去磁作用。电枢反应使得主磁通发生变化，式化，式(10.12)(10.12)中的电动势常数中的电动势常数CeCe将不是常值，而是随负载电流变化而变化的，将不是常值，而是随负载电流变化而变化的，负载电流升高则电动势系数负载电流升高则电动势系数CeCe略有减小，特性曲线向下弯曲，如图略有减小，特性曲线向下弯曲，如图10.1610.16中的中的曲线曲线3 3所示。转速愈高，所示。转速愈高，EaEa愈大，愈大，IaIa也愈大，电枢反应的去磁作用就愈强，误也愈大，电枢反应的去磁作用就愈强，误差也愈大。为消除电枢反应的影响，除在设计时采用补偿绕组进行补偿，结构差也愈大。为消除电枢反应的
45、影响，除在设计时采用补偿绕组进行补偿，结构上加大气隙削弱电枢反应的影响外，使用时应使发电机的负载电阻阻值等于或上加大气隙削弱电枢反应的影响外，使用时应使发电机的负载电阻阻值等于或大于大于2023-6-252023-6-253535第第10章章 控控 制制 电电 机机 10.3610.3 10.3 测速发电机测速发电机 负载电阻的规定值，并限制测速发电机的转速不能太高。这样可使负载电流负载电阻的规定值，并限制测速发电机的转速不能太高。这样可使负载电流对电枢反应的影响尽可能小。此外增大负载电阻还可以使发电机的灵敏性增对电枢反应的影响尽可能小。此外增大负载电阻还可以使发电机的灵敏性增强。强。2.电刷
46、接触电阻的影响 电刷接触电阻为非线性电阻，当测速发电机的转速低，输出电压也低时，电刷接触电阻为非线性电阻，当测速发电机的转速低，输出电压也低时，接触电阻较大，电刷接触电阻压降在总电枢电压中所占比重大，实际输出电接触电阻较大，电刷接触电阻压降在总电枢电压中所占比重大，实际输出电压较小；而当转速升高时接触电阻变小，接触电阻压降也变小。因此在低转压较小；而当转速升高时接触电阻变小，接触电阻压降也变小。因此在低转速时转速与电压间的关系由于接触电阻的非线性影响而有一个不灵敏区。考速时转速与电压间的关系由于接触电阻的非线性影响而有一个不灵敏区。考虑电刷接触电阻影响后的特性曲线如图虑电刷接触电阻影响后的特性
47、曲线如图10.1710.17所示。为减小电刷接触电阻的影所示。为减小电刷接触电阻的影响，使用时可对低输出电压进行非线性补偿。响，使用时可对低输出电压进行非线性补偿。图10.17 直流测速发电动机实际输出特性 3.纹波影响 由于换向片数量有限，实际输出由于换向片数量有限，实际输出电压是一个脉动的直流，虽然脉动分电压是一个脉动的直流，虽然脉动分量在整个输出电压中所占比重不大量在整个输出电压中所占比重不大(高高速时约为速时约为1%)1%)，但对高精度系统是不，但对高精度系统是不允许的。为消除脉动影响可在电压输允许的。为消除脉动影响可在电压输出电路中加入滤波电路。出电路中加入滤波电路。2023-6-2
48、52023-6-253636第第10章章 控控 制制 电电 机机 10.3710.3 10.3 测速发电机测速发电机 二、交流测速发电机二、交流测速发电机 交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机两种。同步测交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机两种。同步测速发电机的输出频率和电压幅值均随转速的变化而变化，因此一般用作指示速发电机的输出频率和电压幅值均随转速的变化而变化，因此一般用作指示式转速计，很少用于控制系统中的转速测量。异步测速发电机的输出电压频式转速计，很少用于控制系统中的转速测量。异步测速发电机的输出电压频率与励磁电压频率相同而与转速无关，其输出电压与转速率与励磁电
49、压频率相同而与转速无关，其输出电压与转速n n成正比，因此在成正比，因此在控制系统中得到广泛的应用。控制系统中得到广泛的应用。1.交流异步测速发电机 异步测速发电机分为笼型和空心杯型两种，笼型测速发电机不如空心异步测速发电机分为笼型和空心杯型两种，笼型测速发电机不如空心杯型测速发电动机的测量精度高，而且空心杯型测速发电机的转动惯量也小，杯型测速发电动机的测量精度高，而且空心杯型测速发电机的转动惯量也小，适合于快速系统，因此目前应用比较广泛的是空心杯型测速发电机。空心杯适合于快速系统，因此目前应用比较广泛的是空心杯型测速发电机。空心杯型测速发电机的结构与空心杯型伺服电动机的结构基本相同。它由外定
50、子、型测速发电机的结构与空心杯型伺服电动机的结构基本相同。它由外定子、空心杯型转子、内定子等三部分组成。外定子放置励磁绕组，接交流电源；空心杯型转子、内定子等三部分组成。外定子放置励磁绕组，接交流电源；内定子上放置输出绕组，这两套绕组在空间相隔内定子上放置输出绕组，这两套绕组在空间相隔9090电角度。为获得线性电角度。为获得线性较好的电压输出信号，空心杯形转子由电阻率较大和温度系数较低的非磁性较好的电压输出信号，空心杯形转子由电阻率较大和温度系数较低的非磁性村料制成，如磷青铜、锡锌青铜、硅锰青铜等，杯厚村料制成，如磷青铜、锡锌青铜、硅锰青铜等，杯厚0.2 mm0.2 mm0.3mm0.3mm。
