大工20秋《电机学》辅导资料十五

欧阳老师

电机学辅导资料十五主    题：控制电机的辅导文章——伺服电动机、步进电动机、测速发电机
学习时间：2021年1月4日--1月10日
“不忘初心、牢记使命”主题理论学习：
每周文摘：忠诚是共产党人必须具备的优秀品格。“忠诚印寸心，浩然充两间”的坚毅，“砍头不要紧，只要主义真”的无畏，腹中满是草根而宁死不屈的气节，食指钉入竹签而永不叛党的坚贞，无数先烈用鲜血诠释了对党的忠诚。对党忠诚必须是纯粹的、无条件的，是政治标准、更是实践标准，鲜明体现在坚决贯彻党中央决策部署上。
摘选自《在第十九届中央纪律检查委员会第二次全体会议上的讲话》
内    容：
我们这周主要学习课件第6章控制电机的相关内容。希望通过下面的内容能使同学们加深对控制电机相关知识的理解。
注意：请同学根据老师标注的侧重点选择性学习。
控制电机主要用于自动控制系统中作为检测、比较、放大和执行元件，其主要任务是转换和传递控制信号，具有高精度，高灵敏度，高稳定性，体积小、重量轻，耗电量少等特点。
从原理上看，控制电机与普通作为动力装置的旋转电机相同，但是，因应用场合的不同，设计时所考虑实现的性能指标完全不同，且一般控制电机的功率都比较小。
控制电机的种类繁多，不胜枚举，而且还在不断的发展。本章仅从应用的角度出发，要求掌握几种常用的控制电机的基本结构、工作原理、特点、运行特性及应用情况。
一、伺服电动机（掌握相关定义和原理即可）
伺服电动机是应用在伺服系统中的驱动电动机（或称为执行元件），以实现对机械位置或角度的自动控制。伺服电动机具有可控性好、响应速度快、定位准确、调速范围宽等特点。
按工作电源的不同，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。
两相交流伺服电动机从原理上讲就是一台两相交流异步电动机，其基本结构与单相分相异步电动机基本相同，为了减小转动惯量，提高其灵敏度，一般采用细长的笼型转子或杯形转子。伺服电动机必须对控制信号有很好的“伺服性”，即控制绕组一旦接收到控制信号，电动机应立即转动，控制信号一消失，立刻停止转动。为了使交流伺服电动机在控制信号消失、单相运行时具有自制动能力，必须增大转子电阻，使其临界转差率大于1。
两相交流伺服电动机的转速和旋转方向由控制电压的大小和相位来控制。因此，其控制方式有以下3种：
幅值控制。保持控制电压与励磁电压的相位差为90°，通过调节控制电压的幅值实现控制。
相位控制。保持控制电压的幅值不变，通过调节其相位实现控制。
幅相控制。同时调节控制电压幅值和相位实现控制。
直流伺服电动机按励磁方式分为电磁式和永磁式两类，其中电磁式直流伺服电动机只采用他励方式，如图1所示。直流伺服电动机的工作原理和结构与普通他励直流电动机一样，电磁式直流伺服电动机的控制方式有电枢控制和磁场控制两种，永磁式直流伺服电动机只有电枢控制方式，如图2所示，采用电枢控制时，具有线性的机械特性，且比磁场控制方式的电磁惯性小，响应迅速。


图1电磁式


图2 永磁式
二、步进电动机（要求掌握相关定义和原理）
步进电动机又称为脉冲电动机，其功能是将电脉冲信号转变为响应的角位移或线位移。步进电动机作为执行元件用于数字控制系统中，按照控制脉冲的要求，迅速起动、反转、制动和无级调速，运行时能够不失步，无积累误差、步距精度高，广泛用于数控机床、打印机、绘图仪、机器人控制、石英钟表等场合。
步进电动机按结构分类，有反应式、永磁式和永磁感应式3种。从原理上看，步进电动机是一种低速同步电动机，其工作原理与凸极式同步电动机相似，依据磁力线力图通过磁阻最小路径的原理来产生磁阻转矩，使电动机转动。
步进电机的步距角和转速不受电压波动和负载变化的影响，仅与通电方式和脉冲频率有关。步距角
与转子齿数
和拍数
（取决于通电方式）的关系为
，转速与转子齿数
、拍数
和脉冲频率
的关系为
。
步进电动机需要配置专用的驱动电源才能工作，而且，驱动电源对电机的运行性能影响较大。步进电动机可以开环运行，也可以闭环实现反馈控制，以满足高精度系统的要求。
三、测速发电机（掌握相关定义和原理即可）
测速发电机是一种把转速信号转换成电压信号的测量元件（或称信号元件），与伺服电动机的运行状态正好相反。作为测量元件，要求测速发电机的输出电压与转速成严格的线性关系，且斜率要大，以保证有高的精度和灵敏度。
测速发电机分为直流测速发电机和交流测速发电机。
直流测速发电机按励磁方式又分为他励式和永磁式。从原理上看，直流测速发电机实际上是一台小容量的直流发电机，其空载电压与转速成线性关系，负载后的端电压存在线性误差。但与交流测速发电机相比，它没有剩余电压和相位误差。为了减小线性误差，使用时应尽可能采用大的负载电阻，并使转速不超过最大线性工作范围。四、典型例题解析
1.控制电机的主要任务是(    )控制信号。
A.转换信号
B.传递信号
C.转换和传递
D.输出
答案：C
2.三相同步发电机与电网并联运行的条件是什么？如果有一个条件不满足而并网，会产生什么后果？当并网条件不满足时应该怎样调节使之满足？（前面思考题答案）
答：三相同步发电机与电网并联运行的条件是：发电机相序与电网相序一致、发电机的频率与电网频率相同、发电机的端电压与电网电压相等。
如果有一个条件不满足而并网，在并网的瞬间会产生很大的冲击电流和冲击转矩。
当发电机相序与电网相序不一致时，交换任意两根端线即可改变相序；当发电机的额定频率与电网频率不相同时，应该调节原动机的转速；当发电机的端电压与电网电压不相等时，应该调节发电机的励磁电流以改变端电压的高低，再通过调节发电机的瞬时速度以调整端电压的相位。
五、思考题（答案解析请见下周辅导资料）
什么是步进电动机的拍？单拍制和双拍制有什么区别？
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