《机电控制技术》教学参考讲稿教案-第4章.doc

第4章 控制电机
教学要求
了解步进电动机的基本结构、工作原理、分类、驱动电源、主要性能指标和使用的基本原则，以及开环和闭环控制方案等内容。掌握常用的几种控制电机的基本结构和工作原理。
教学重点
常用的几种控制电机的基本结构和工作原理，其中包括自整角机、交流和直流伺服电动机、旋转变压器等新型电机。
教学难点
控制电机传动系统的设计与应用。
课时安排
本章安排4课时。
教学内容
4. 1 控制电机的种类和特点
4.1.1 控制电机的种类
控制电机的种类很多，除了自整角机、直流伺服电动机和直流测速发电机外，还包含交流伺服电动机、交流测速发电机、旋转变压器和步进电动机等。根据它们在自动控制系统中的作用，可以将它们分成执行元件和测量元件。
4.1.2 控制电机的特点
控制电机的种类很多，但是这些电机的基本原理都是建立在以下两个基本规律的基础上：
（1）电磁转化规律。电磁转化规律是指在一定条件下电和磁可以相互转化。
（2）通电导体在磁场中要受到力的作用。
4.2步进电动机
4.2.1 步进电动机的基本结构
步进电动机的结构由定子和转子两大部分组成。定子由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组，工作时由环形分配器送来的电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁。转子由硅钢片叠成或由软磁性材料制作成凸极结构。
4.2.2 步进电动机的工作原理
步进电动机的工作原理，其实就是电磁铁的工作原理。步进电动机工作时，首先
控制经过环形分配器送来的脉冲信号，对定子绕组轮流通电。
4.2.3 步进电动机的分类
步进电动机按转矩产生的原理分可分为反应式步进电动机、永磁式步进电动机和混合式步进电动机；按控制绕组的数量分可分为二相步进电动机、三相步进电动机、四相步进电动机、五相步进电动机和六相步进电动机；按电流的极性分可分为单极性步进电动机和双极性步进电动机；按运动的形式分可分为旋转步进电动机、直线步进电动机和平面步进电动机。
4.2.4 步进电动机的驱动电源
步进电动机需配置一个专用的电源供电，电源的作用是让步进电动机的控制绕组按照特定的顺序通电，即受输入的电脉冲控制而动作，这个专用电源称为驱动电源。步进电动机及其驱动电源是一个互相联系的整体，步进电动机的运行性能是由电动机和驱动电源两者配合所形成的综合效果。
4.2.5 步进电动机的主要性能指标和使用的基本原则
（1）步距角是指每给一个电脉冲信号，步进电动机转子所应转过角度的理论值。不同的应用场合，对步距角大小的要求不同。它的大小直接影响步进电动机的启动和运行频率。
（2）步进电动机的精度有两种表示方法：一种是用步距角误差的最大值来表示的；另一种是用步距累积误差的最大值来表示的。
（3）转矩包括保持转矩、静转矩和动转矩。
4.2.6 步进电动机控制系统
步进电动机是由电脉冲控制而动作的，通过环形分配器按一定的顺序加到步进电动机的各相绕组上。步进电动机控制系统框图如图4-9所示。

图4-9 步进电动机控制系统框图

4.3 自整角机
4.3.1 力矩式自整角机的工作原理
4.3.2 控制式自整角机的工作原理
4.4 伺服电动机
4.4.1 交流伺服电动机
交流伺服电动机就是一台两相交流异步电动机，通常做成鼠笼式，但转子的电阻比一般交流异步电动机大得多。为了使交流伺服电动机对输入信号能有快速地反应，必须尽量减小转子的转动惯量，所以转子一般做得细而长。
4.4.2 直流伺服电动机
直流伺服电动机的结构、原理与普通直流电动机基本相同。但直流伺服电动机与普通直流电动机相比又有其本身的特点，即气隙较小、电枢电阻较大、机械特性为软特性、电枢比较细长、转动惯量小、换向性能较好以及不需换向极等。
4.5 旋转变压器
4.5.1 旋转变压器的基本结构
旋转变压器是一种旋转式的小型交流电动机，它由定子和转子组成。
4.5.2 旋转变压器的基本工作原理
旋转变压器是根据互感原理工作的。它的结构设计与制造保证了定子与转子之间的空气隙内的磁通分布呈正(余)弦规律，当定子绕组上加交流励磁电压(交变电压，频率为2～4 kHz)时，通过互感在转子绕组中产生感应电动势。其输出电压的大小取决于定子与转子两个绕组轴线在空间的相对位置，两者平行时互感最大，副边的感应电动势也最大；两者垂直时互感为零，副边的感应电动势也为零。感应电动势随着转子偏转的角度呈正(余)弦变化。

4.5.3 旋转变压器的检测方法
4.5.4 旋转变压器的应用
旋转变压器被广泛应用在高精度随动系统和解算装置中。

主要概念
控制电机
步距角
旋转变压器