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2 机电传动控制系统中的控制电动机 控制电动机一般用于自动控制、随动系统以及计算装置中，它是在一般旋转电动机的基础上发展起来的小功率电动机，其电磁过程及所遵循的基本规律与一般旋转电动机没有本质区别，只是所起的作用不同：传动电动机主要是将电能转换为机械能，以达到拖动生产机械的目的，因此需要具有较高的力能指标，如输出转矩、传动效率和功率因数等；而控制电动机则主要用来完成控制信号的传递和变换，要求技术性能稳定可靠、动作灵敏、精度高、体积小、重量轻、耗能少等。事实上，传动电动机与控制电动机之间并无严格的界限， 同一台电动机有时既起到控制电动机的作用，也起到传动电动机的作用。 2.1 伺服电动机 伺服电动机又称为执行电动机，是控制电动机中的一种。它在控制系统中用作执行元件，将输入的受控电压信号转换电动机轴上的角位移或角速度等机械信号输出。按控制电压来分，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。直流伺服电动机的输出功率一般为1~600W，也可达数千瓦，多用于功率较大的控制系统中。交流伺服电动机的输出功率较小，一般在100W以下，常用于功率较小的控制系统中。 2.1.1直流伺服电动机及其控制 1．直流伺服电动机的种类和结构 直流伺服电动机的品种很多。按励磁方式，直流伺服电动机可分为电磁式和永磁式两种；按控制方式，可分为磁场控制和电枢控制方式；按电枢形式，可分为一般电枢式、无槽电枢式、绕线盘式和空心杯电枢式等。为了避免电刷和换向器的接触，还有无刷直流伺服电动机。 1）普通型直流伺服电动机 根据励磁方式普通型直流伺服电动机分为电磁式和永磁式两种：电磁式直流伺服电动机的定子磁极上装有励磁绕组，励磁绕组接励磁控制电压产生磁通，它实质上就是他励直流电动机；永磁式直流伺服电动机的定子磁极是由永久磁铁或磁钢制成，其磁通不可控。这两种直流伺服电动机的性能接近，惯性比其他类型直流伺服电动机的大。 与普通直流电动机相同，直流伺服电动机的转子一般由硅钢片叠压而成。转子外圆有槽，槽内装有电枢绕组，绕组通过电刷和换向器与电枢控制电路相连。为了提高控制精度和响应速度，伺服电动机的电枢铁芯长度与直径之比要比普通直流电动机的大，定子和转子间的空气隙也较小。 2）无槽电枢直流伺服电动机 与普通伺服电动机不同的是，无槽电枢直流伺服电动机的电枢铁芯上不开齿槽，是光滑圆柱体，电枢绕组直接用环氧树脂粘在电枢铁芯表面，气隙较大，其结构如图2.1所示。 图2.1无槽电枢直流伺服电动机结构 3）空心杯电枢直流伺服电动机 空心杯电枢直流伺服电动机有两个定子，一个是由软磁材料制成的内定子，另一个是由永磁材料制成的外定子，外定子用于产生磁通，而内定子主要起导磁作用。电枢绕组用环氧树脂浇注成空心杯形，在内、外定子间的气隙中旋转。图2.2是空心杯电枢直流伺服电动机的结构图。 图2.2空心杯电枢直流伺服电动机结构 4）盘型电枢直流伺服电动机 盘型电枢直流伺服电动机的电枢由线圈沿转轴的径向圆周排列，并用环氧树脂浇注成圆盘型。定子由永久磁铁和前、后铁轭共同组成，磁铁可以在圆盘电枢的一侧或两侧。盘型绕组中通过的电流是径向的，而磁通是轴向的，二者共同作用而产生电磁转矩，从而使伺服电动机旋转。图2.3是盘型电枢直流伺服电动机的结构图。 图2.3盘型电枢直流伺服电动机结构 与普通型直流伺服电动机相比，无槽电枢、空心杯电枢和盘型电枢直流伺服电动机的转动惯量和机电时间常数小，因此动态特性较好，适用于需要快速动作的直流伺服系统。 5）无刷直流伺服电动机 无刷直流伺服电动机由电动机主体、位置传感器、晶体管开关电路三部分组成。电动机主体由具有二极或多极结构的永久磁铁转子和一个多相式电枢绕组定子组成。晶体管开关电路和位置传感器代替了电刷和换向器，位置传感器是由传感器转子和传感器定子绕组串联而成的无机械接触的检测装置，用于检测转子位置，其信号决定了开关电路中各功率元件的导通和截止状态。 这种电动机既保持了一般直流伺服电动机的优点，又克服了电刷和换向器带来的缺点，使用寿命长，噪声低，适用于要求噪声低、对无线电不产生干扰的控制系统。 2．直流伺服电动机的控制特性 直流伺服电动机的机械特性公式与他励直流电动机的相同，即 （2.1）Uc—电枢控制电压； R—电枢回路电阻； Φ—每极磁通； Ke、KtUc或磁通Φ都可以控制直流伺服电动机的转速，前者称为电枢控制，后者称为磁场控制。电枢控制具有响应迅速、机械特性硬、调速特性线性度好的优点，因此在实际应用中大多采用电枢控制方式，而很少采用磁场控制，磁场控制只是在功率很小的场合采用。对于永磁式直流伺服电动机，则只能采用电枢控制。 针对式（2.1）Uc有关，并与之成正比。②转速为零：此时的电动机转矩称为电动