電機(jī)與拖動(dòng)第8章

1、第第8章章 控制電機(jī)控制電機(jī) 8.1伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī) 8.2 測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī) 8.3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 8.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 8.5 自整角機(jī)自整角機(jī) 8.6旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 8.7直線電動(dòng)機(jī)直線電動(dòng)機(jī)8.1伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)8.1.1 直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī) 直流伺服電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與普通小型直流電動(dòng)機(jī)相同，直流伺服直流伺服電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與普通小型直流電動(dòng)機(jī)相同，直流伺服電動(dòng)機(jī)的基本工作原理與普通直流電動(dòng)機(jī)相同。電動(dòng)機(jī)的基本工作原理與普通直流電動(dòng)機(jī)相同。 直流伺服電動(dòng)機(jī)按照控制方式的不同分磁場(chǎng)控制和電樞控制兩種。直流伺服電動(dòng)機(jī)按照控制方式的不同分磁

2、場(chǎng)控制和電樞控制兩種。 電樞控制直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作特性電樞控制直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作特性圖8-1 電樞控制原理圖直流伺服電動(dòng)機(jī)的特性主要指機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。 根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式 ememTeaTnTCCRCUn02ea8.1伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)圖8-2不同控制電壓下的機(jī)械特性 得機(jī)械特性為一直線n0 -理想空載轉(zhuǎn)速Tk-堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 -直線斜率AUkCCRTCUCCRTCUnC12TeaLeC2Teaemea圖8-3 不同負(fù)載時(shí)的調(diào)節(jié)特性 由下式得調(diào)節(jié)特性8.1伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)控制直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作特性磁場(chǎng)控制直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作特性 磁場(chǎng)控制是指在電樞繞組加恒定電壓，而勵(lì)

3、磁回路加控制電壓信號(hào)，盡管磁場(chǎng)控制也可達(dá)到改變控制電壓來(lái)改變轉(zhuǎn)速的大小和旋轉(zhuǎn)方向的目的，但因隨著控制信號(hào)減弱其機(jī)械特性變軟，而調(diào)節(jié)特性為非線性的，故這種控制方式很少采用。 由以上分析可見(jiàn)電樞控制時(shí)直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性均為線性，這種線性特性是理想的特性曲線可實(shí)現(xiàn)高精度控制。 8.1伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)8.1.2 交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī) 交流伺服電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和普通異步電動(dòng)機(jī)相似，常用的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種，籠型轉(zhuǎn)子和非磁性空心杯轉(zhuǎn)子。定子一般為兩相繞組，它們?cè)诳臻g相差90電角度。其中一相繞組為勵(lì)磁繞組，運(yùn)行時(shí)接至電壓為的交流電源上；另一相則為控制繞組，施加與同頻率、大小或相位可調(diào)

4、的控制電壓，通過(guò)改變的大小或相位控制伺服電動(dòng)機(jī)的起、停及運(yùn)行轉(zhuǎn)速。 1.交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理 圖8-4交流伺服電動(dòng)機(jī)原理圖 若控制電壓 為零，則電機(jī)氣隙內(nèi)的磁場(chǎng)為脈振磁場(chǎng)，電機(jī)無(wú)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)；若有控制信號(hào)加在控制繞組上，且控制繞組中流過(guò)的電流與勵(lì)磁繞組中流過(guò)的電流不同相位，則在氣隙內(nèi)建立一旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)電機(jī)具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就可轉(zhuǎn)動(dòng)。 CU8.1伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)（b） (a) (b)(c)圖8-5自轉(zhuǎn)現(xiàn)象與轉(zhuǎn)子電阻的關(guān)系 如消除了“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象電機(jī)就能達(dá)到可控目的。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，由單相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理可知電機(jī)必須具有足夠大的轉(zhuǎn)子電阻。 8.1伺服電動(dòng)

5、機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)2.交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方式交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方式 交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方式有三種：（1）幅值控制； （2）相位控制； （3）幅值-相位控制。 （1）幅值控制時(shí)的特性）幅值控制時(shí)的特性 （a）原理接線圖 （b）電壓相量圖圖8-6幅值控制CU控制電壓 的相位不變僅改變控制電壓幅值來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速 CU8.1伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī) 圖8-7 幅值控制時(shí)的機(jī)械特性 圖8-8 幅值控制時(shí)的調(diào)節(jié)特性 通常將控制電壓Uc與歸算到控制繞組的電源電壓U1之比e稱(chēng)為幅值控制時(shí)的有效信號(hào)系數(shù)，即有 1ceUU 當(dāng)改變控制電壓時(shí)，有效信號(hào)系數(shù)相應(yīng)改變，取e=1、0.75、0.5、0.25時(shí)的一組機(jī)械特性

6、和調(diào)節(jié)特性曲線 8.1伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)（2）相位控制時(shí)的特性）相位控制時(shí)的特性控制電壓 的大小不變僅改變控制電壓的相位CU （a）原理電路圖； （b）電壓相量圖圖8-9相位控制sinsin1ceUU8.1伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī) 圖8-10相位控制時(shí)的機(jī)械特性 圖8-11相位控制時(shí)的調(diào)節(jié)特性當(dāng)改變控制電壓相位時(shí)，有效信號(hào)系數(shù)相應(yīng)改變，得到一組相位控制的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性sin8.1伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī) （3）幅值）幅值-相位控制時(shí)的特性相位控制時(shí)的特性 圖8-12 幅值-相位控制這種控制方式一般是在勵(lì)磁繞組串聯(lián)電容Ca進(jìn)行分相 00001eCCCCCUUUUUU8.1伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī) 圖8

7、-13 幅值-相位控制時(shí)的機(jī)械特性 圖8-14幅值-相位控制時(shí)的調(diào)節(jié)特性 這種控制方式簡(jiǎn)單方便不需要移相裝置，利用串聯(lián)電容就能在單相交流電源上獲得控制電壓和勵(lì)磁電壓的分相，是實(shí)際應(yīng)用中最常見(jiàn)的一種控制方式。 8.1伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī) 8.1.3交流伺服電動(dòng)機(jī)與直流伺服電動(dòng)機(jī)的性能比較交流伺服電動(dòng)機(jī)與直流伺服電動(dòng)機(jī)的性能比較 1、機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性、機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性都是線性的，且在不同控制電壓下機(jī)械特性是平行的，斜率不變。而交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性都是非線性的，這種非線性特性將影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度。2、“自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象現(xiàn)象交流伺服電動(dòng)機(jī)可能 出現(xiàn)“自

8、轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，而直流不存在“自轉(zhuǎn)”問(wèn)題。3、體積、重量和效率、體積、重量和效率 交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻很大，因此其損耗大、效率低。它只適用于小功率系統(tǒng)，對(duì)于功率較大的控制系統(tǒng)則多地采用直流伺服電動(dòng)機(jī)。4、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行可靠性及對(duì)系統(tǒng)的干擾等、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行可靠性及對(duì)系統(tǒng)的干擾等直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且維護(hù)比較麻煩；存在換向火花問(wèn)題，會(huì)對(duì)其它儀器和無(wú)線電通訊等產(chǎn)生干擾。交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)，特別適宜于在不易檢修的場(chǎng)合使用。 8.2測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)nKnCEUeea2 測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種把轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的機(jī)電式元件。它的輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，即 按勵(lì)磁方式

9、不同，直流測(cè)速發(fā)電機(jī)可分為電磁式和永磁式兩大類(lèi)。其結(jié)構(gòu)和工作原理與普通直流發(fā)電機(jī)基本相同。8.2.1直流測(cè)速發(fā)電機(jī)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)圖8-15 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)原理 圖空載時(shí)1、輸出特性、輸出特性8.2測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī) 由于負(fù)載電流 ，可得Laa/ RUI 可見(jiàn)，當(dāng)磁通不變時(shí)Ua與n之間就成正比關(guān)系。當(dāng)負(fù)載RL變化時(shí)，將使輸出特性斜率發(fā)生變化。圖8-16 不同負(fù)載時(shí)的理想輸出特性當(dāng)接負(fù)載時(shí)，電壓平衡方程式為 aaa2RIEU nRRCULa 1e28.2測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī) 2、誤差分析、誤差分析 測(cè)速發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間并不能?chē)?yán)格地保持正比關(guān)系，即出現(xiàn)線性誤差。產(chǎn)生誤差的主要

10、原因有以下幾點(diǎn)。 圖8-17輸出特性曲線 （1）電樞反應(yīng)的影響）電樞反應(yīng)的影響因電樞反應(yīng)對(duì)主磁場(chǎng)有去磁效應(yīng)，所以即使電機(jī)勵(lì)磁電流不變，負(fù)載后氣隙合成磁通將減小。使輸出特性偏離直線。 （2） 電刷接觸壓降的影響電刷接觸壓降的影響接觸電阻是隨著負(fù)載電流變化而變化的，因此接觸電阻也是破壞線性關(guān)系的因素之一。（3） 溫度的影響溫度的影響在電磁式測(cè)速發(fā)電機(jī)中，因勵(lì)磁繞組長(zhǎng)期通電，其阻值也相應(yīng)增大，使勵(lì)磁電流減小，從而引起磁通下降，造成線性誤差。 8.2測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī) 8.2.2 交流測(cè)速發(fā)電機(jī)交流測(cè)速發(fā)電機(jī) 交流測(cè)速發(fā)電機(jī)分同步測(cè)速發(fā)電機(jī)和異步測(cè)速發(fā)電機(jī)兩大類(lèi)。因異步測(cè)速發(fā)電機(jī)定子輸出繞組感應(yīng)電動(dòng)

11、勢(shì)頻率恒為勵(lì)磁電源的頻率，與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，其大小與轉(zhuǎn)速成正比，所以交流測(cè)速發(fā)電機(jī)廣泛應(yīng)用在自動(dòng)控制系統(tǒng)中。因此本節(jié)只介紹交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)。 1、基本結(jié)構(gòu)及工作原理、基本結(jié)構(gòu)及工作原理圖8-18 杯形轉(zhuǎn)子交流測(cè)速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖 交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與交流伺服電動(dòng)機(jī)相同，定子上有兩相正交繞組，其中一相接電源勵(lì)磁，另一相則用來(lái)輸出電壓信號(hào)。轉(zhuǎn)子有鼠籠式和非磁性空心杯式兩種。8.2測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī) （a）轉(zhuǎn)子靜止 （b）轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 圖8-19 交流測(cè)速發(fā)電機(jī)工作原理 當(dāng)勵(lì)磁繞組外加恒定的交流電壓 時(shí)，便有電流流過(guò)，產(chǎn)生頻率為的直軸脈振磁通。由圖8-19（a）可見(jiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，電機(jī)氣隙中只有直軸磁通，而輸

12、出繞組與直軸磁通無(wú)匝鏈,輸出電壓為零，沒(méi)有信號(hào)電壓輸出。 fU8.2測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)qqqqqEIIIEqq,，且產(chǎn)生產(chǎn)生 當(dāng)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割勵(lì)磁磁場(chǎng)還產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)，方向由右手定則判斷如圖8-19（b）所示，為分析方便上、下半個(gè)圓周上的導(dǎo)條分別用一根導(dǎo)體代替，則轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割勵(lì)磁磁場(chǎng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)為tEtCntBDnllvBeqddmdqsin2sinsin60nCEdq2CDqE式中 為常數(shù)； 為轉(zhuǎn)子直徑； 為旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)有效值 在輸出繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為qqNfE21244. 4qEU22而且nCnCKNfKENfUdq244. 444. 421212則8.2測(cè)速發(fā)電

13、機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī) 2、交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的誤差分析、交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的誤差分析（1） 線性誤差線性誤差由式上式可見(jiàn)， 當(dāng)磁通不變時(shí)輸出電壓與轉(zhuǎn)速成嚴(yán)格的線性關(guān)系，但推得此公式是忽略了定子漏阻抗，以及忽略轉(zhuǎn)子杯導(dǎo)條的漏阻抗，若考慮這些因素，直軸磁通的大小是變化的，因此產(chǎn)生了線性誤差。（2） 相位誤差相位誤差 輸出電壓與勵(lì)磁電壓之間的相移也隨轉(zhuǎn)速的變化而變化。（3） 剩余電壓剩余電壓理想的測(cè)速發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速為零時(shí)輸出電壓應(yīng)為零，但實(shí)際上即使轉(zhuǎn)速為零輸出電壓并不為零，這時(shí)輸出繞組中所產(chǎn)生的電壓稱(chēng)為剩余電壓。產(chǎn)生剩余電壓產(chǎn)生的原因很多主要有兩個(gè)方面：一是制造工藝問(wèn)題，二是導(dǎo)磁材料的磁導(dǎo)率不均勻以及非線性產(chǎn)生高次諧

14、波磁場(chǎng)，這些諧波磁場(chǎng)將在輸出繞組中感應(yīng)高次諧波電勢(shì)。 8.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)利用電子開(kāi)關(guān)線路和位置傳感器取代了電刷和換向器使得無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)既具有直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性，又具有交流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，如用于軍事工業(yè)、家用電器、精密機(jī)床，載人飛船等高精度伺服控制系統(tǒng)中。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是由電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)線路三部分組成，其原理框圖為圖8-21。 圖8-21無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)原理框圖8.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 8.3.1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖8-22 嵌入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 無(wú)刷直流

15、電動(dòng)機(jī)就電動(dòng)機(jī)本體而言是一種采用永磁體勵(lì)磁的同步電動(dòng)機(jī)，所以也稱(chēng)為無(wú)刷永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)，它的定子結(jié)構(gòu)與普通同步電動(dòng)機(jī)基本相同，鐵心中嵌有多相對(duì)稱(chēng)繞組，而轉(zhuǎn)子則由永磁體取代了電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組。圖8-22為嵌入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，永磁體嵌入轉(zhuǎn)子鐵心表面的槽中。 8.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 8.3.2. 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 圖8-23直流電動(dòng)機(jī)工作原理圖無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)本質(zhì)上類(lèi)似一臺(tái)反裝式直流電動(dòng)機(jī)。在直流電動(dòng)機(jī)中，通常磁極裝在定子上，電樞繞組位于轉(zhuǎn)子上。由電源向電樞繞組提供的電流為直流，通過(guò)電刷和換向器使轉(zhuǎn)子繞組電流方向隨時(shí)改變即所謂換向。圖8-23為直

16、流電動(dòng)機(jī)工作原理圖，由于電刷位于幾何中性線處，使與始終相互垂直，保證電動(dòng)機(jī)在最大電磁轉(zhuǎn)矩下運(yùn)行。 8.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是將直流電動(dòng)機(jī)反裝，即將永磁體磁極放在轉(zhuǎn)子上，而電樞繞組成為靜止的定子繞組，為了使定子繞組中的電流方向能隨其線圈邊所在處的磁場(chǎng)極性交替變化，需將定子繞組與電力電子器件構(gòu)成的逆變器連接，并安裝轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器，以檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的空間位置，根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的空間位置控制逆變器中功率開(kāi)關(guān)器件的通斷，從而控制電樞繞組的導(dǎo)通情況及繞組電流的方向，使電樞繞組產(chǎn)生的磁勢(shì)與主極磁勢(shì)保持一定角度從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。完成換向器直流電動(dòng)機(jī)的換向功能。 電子開(kāi)關(guān)線路的作用是根據(jù)轉(zhuǎn)子

17、位置適時(shí)地給相應(yīng)的定子繞組通電。目前最常見(jiàn)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子繞組為三相。當(dāng)繞組為星形連接時(shí)，其逆變器可以采用橋式電路，也可以采用半橋電路；當(dāng)繞組為角形連接時(shí)，逆變器只能采用橋式電路。以三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為例，三種連接方式如圖8-24所示。目前應(yīng)用做多的是圖8-24（b）所示三相星形橋式電路。 8.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) （a） （b）（c）圖8-24三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)繞組連接方式8.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 下面以圖8-25所示的星形全橋接法三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為例，對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的具體工作情況作進(jìn)一步分析。 圖8-25三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)原理圖8.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)

18、 圖8-26表示出電機(jī)轉(zhuǎn)子在幾個(gè)不同位置時(shí)，定子繞組的通電情況，根據(jù)電樞磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的相互作用，分析電機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。 （a）1、6導(dǎo)通 （b）3、2導(dǎo)通（c）5、4導(dǎo)通 圖8-26電樞磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的相互關(guān)系 8.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 為方便起見(jiàn)上述分析只是給出了幾個(gè)瞬間的情況，實(shí)際的導(dǎo)通順序?yàn)閂6V1V1V2V2V3V3V4V4V5 V5V6，是按照轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)60電角度，就進(jìn)行一次換相，一個(gè)循環(huán)通電狀態(tài)完成后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一對(duì)磁極，對(duì)應(yīng)于360電角度，即一個(gè)循環(huán)需進(jìn)行6次換相，相應(yīng)地定子繞組有6種導(dǎo)通狀態(tài)，而在每個(gè)60區(qū)間都只有兩相繞組同時(shí)導(dǎo)通，這種工作方式常稱(chēng)為二相導(dǎo)通三相六狀態(tài)

19、。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中的位置傳感器是用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的空間位置，并發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)控制可控硅元件的通斷，使定子繞組產(chǎn)生的磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子主極磁勢(shì)之間呈一定角度，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。所以位置傳感器是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的重要組成部分。 8.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 8.3.3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和運(yùn)行特性無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和運(yùn)行特性1、電磁轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩ememPT而三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁功率瞬時(shí)值為 CCBBAAemieieieP 在理想情況下任意時(shí)刻三相繞組中均有兩相導(dǎo)通，一相電動(dòng)勢(shì)為Ep、電流為Id；另一相電動(dòng)勢(shì)為-Ep、電流為-Id。所以任意時(shí)刻均有 dpCCBBAAe2

20、IEieieieP則電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩為 IETdpem28.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) nKEpp因?yàn)閐tdpdpem602IKIKInKT所以 上式表明，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式與普通有刷直流電動(dòng)機(jī)相同，若不計(jì)電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響，轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kt為常數(shù)，通過(guò)控制定子電流大小就可以控制電磁轉(zhuǎn)矩，因此無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有與有刷直流電動(dòng)機(jī)同樣優(yōu)良的控制性能。 2、運(yùn)行特性、運(yùn)行特性由圖8-26可見(jiàn)在任意時(shí)刻電路連接情況均為同時(shí)導(dǎo)通的兩相繞組串聯(lián)后跨接在直流電源電壓Ud兩端，若不考慮電樞繞組電感的影響，且忽略功率開(kāi)關(guān)的管壓降，根據(jù)基爾霍夫定律得直流回路的電壓平衡方程應(yīng)為 pdsd2

21、2EIRU8.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) nKEpp因?yàn)榭傻脽o(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為dpspdpdsd222IKRKUKIRUndtemIKT又因?yàn)榭傻脵C(jī)械特性方程式 emTKKRKUntpspd2 可見(jiàn)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程同他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在形式上完全一致。 8.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 圖8-27機(jī)械特性曲線 圖8-28調(diào)節(jié)特性曲線 由以上分析可見(jiàn)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性均為線性，可通過(guò)調(diào)節(jié)電源電壓實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，因此無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)一樣具有優(yōu)良的伺服控制性能。 8.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 8.3.4無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的PWM控制

22、方式控制方式 由機(jī)械特性方程可知，要調(diào)節(jié)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，需改變直流電壓Ud。因加到定子繞組的電壓是施加到同時(shí)導(dǎo)通的兩相定子繞組間的線電壓，我們可以在直流電源電壓Ud一定的情況下，通過(guò)對(duì)逆變器的功率開(kāi)關(guān)進(jìn)行PWM控制，連續(xù)地調(diào)節(jié)施加到電機(jī)繞組的平均電壓和電流，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)大多采用這種控制方式。 進(jìn)行PWM控制時(shí)可以對(duì)上、下橋臂兩只功率開(kāi)關(guān)同時(shí)進(jìn)行PWM通、斷控制，也可以只對(duì)其中之一進(jìn)行通斷控制，而另一只功率開(kāi)關(guān)保持連續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)（僅進(jìn)行換相控制，而不進(jìn)行PWM控制），前者稱(chēng)為反饋斬波方式，后者稱(chēng)為續(xù)流斬波方式。下面說(shuō)明兩種斬波方式的具體工作情況。 8.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷

23、直流電動(dòng)機(jī) 若PWM周期為T(mén)，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中導(dǎo)通時(shí)間為ton，則施加到定子繞組的電壓平均值為 ddondond) 12()(1UUtTUtTU（a） （b）（c）圖8-29 PWM控制時(shí)的電流路徑（a）PWM導(dǎo)通期間的電流路徑；（b）反饋方式時(shí)PWM關(guān)斷期間的電流路徑； （c）續(xù)流方式時(shí)PWM關(guān)斷期間的電流路徑 8.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) （a） （b）圖8-30 不同斬波方式時(shí)的繞組電壓波形（a）反饋方式時(shí)的繞組電壓波形；（b）續(xù)流方式時(shí)的繞組電壓波形當(dāng)采用續(xù)流斬波方式時(shí)，只對(duì)V1或V6進(jìn)行PWM控制，另一只功率開(kāi)關(guān)始終導(dǎo)通（只受換相信號(hào)控制）。以對(duì)V1進(jìn)行斬波控制為例，在PWM導(dǎo)通

24、期間V1導(dǎo)通，則V1、V6同時(shí)導(dǎo)通，電流路徑與圖8-29（a）所示的反饋斬波方式下相同，繞組電壓為Ud；在PWM關(guān)斷期間，V1關(guān)斷，而V6持續(xù)導(dǎo)通，電流路徑如圖8-29（c）所示，電流經(jīng)D4、V6續(xù)流，A、B兩相繞組短路，電壓為零，施加到定子繞組的電壓波形如圖8-30（b）所示，易得此時(shí)定子繞組電壓平均值為 ddondUUTtU8.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 可見(jiàn)采用PWM方式時(shí)，在直流電壓Ud一定的條件下，通過(guò)改變PWM信號(hào)的占空比 就可以改變加到無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子繞組的電壓平均值，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是電子學(xué)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相結(jié)合的一種新型伺服電機(jī)。由于電機(jī)本體采用無(wú)刷結(jié)構(gòu)，

25、維護(hù)簡(jiǎn)單可在惡劣環(huán)境中長(zhǎng)期運(yùn)行，電機(jī)的使用壽命長(zhǎng)；調(diào)速性能好，電機(jī)從零到額定轉(zhuǎn)速可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；控制方便，對(duì)變化的負(fù)載能進(jìn)行穩(wěn)定的運(yùn)行和隨時(shí)增加轉(zhuǎn)速的控制，并能連續(xù)的進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行；控制裝置時(shí)間常數(shù)小快速響應(yīng)性好，控制精度高，運(yùn)行可靠性高，目前被廣泛的應(yīng)用于控制系統(tǒng)中。 8.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)屬于一種特殊運(yùn)行方式的同步電動(dòng)機(jī)。它由專(zhuān)門(mén)電源供給電脈沖，并將輸入的脈沖電信號(hào)變換為角位移或直線位移，也就是給一個(gè)脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)一個(gè)角度，因此這種電動(dòng)機(jī)叫步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。因?yàn)樗斎氲募炔皇钦医涣?，也不是恒定直流，而是脈沖電流，所以又叫做脈沖電動(dòng)機(jī)。是數(shù)字控制系統(tǒng)中一種重要的執(zhí)行元件

26、。 8.4.1 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 圖8-31 四相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖8-31為反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)典型結(jié)構(gòu)圖。為四相八極反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每極上套有一個(gè)集中繞組，相對(duì)兩極的繞組串聯(lián)構(gòu)成一相。轉(zhuǎn)子只有齒槽沒(méi)有繞組，圖中轉(zhuǎn)子齒數(shù)為50個(gè)，定子每個(gè)磁極上有5個(gè)小齒。為了適應(yīng)不同步距角的要求。 8.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 圖8-32為一臺(tái)四相八極反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)示意圖，定子鐵心無(wú)小齒，相對(duì)兩極的繞組串聯(lián)成一相，轉(zhuǎn)子只有六個(gè)齒，齒寬等于定子極靴的寬度。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理是利用凸極轉(zhuǎn)子交軸與直軸磁阻不相等產(chǎn)生反應(yīng)轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動(dòng)的。 （a）A相通

27、電 （b）C相通電 （c）B相通電 （d）D相通電 圖8-32 四相單四拍運(yùn)行8.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 由圖8-32可見(jiàn)電源每切換一次，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)15，這種電源的通電方式每變換一次，稱(chēng)為一拍，每一拍轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱(chēng)為步距角用表示。電源每切換四次后開(kāi)始重復(fù)，即一個(gè)循環(huán)為四拍，每次只接通一相繞組的四相供電方式稱(chēng)為“四相單四拍運(yùn)行”。如果每次同時(shí)接通兩相繞組，如ACCBBDDA，也是四拍一個(gè)循環(huán)，則這種供電方式稱(chēng)為“四相雙四拍運(yùn)行”，不難看出這種四相雙四拍供電方式與四相單四拍供電方式的步距角相等。 除了以上這兩種運(yùn)行方式外，四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)還可以四相八拍運(yùn)行，它的供電方式是上述單拍和雙拍

28、的組合即按AACCCBBBDDDA的順序通電。這時(shí)，每一循環(huán)換接八次，總共有八種通電狀態(tài)，所以稱(chēng)為“四相八拍運(yùn)行”。四相八拍運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過(guò)的角度比四相四拍運(yùn)行時(shí)要小一半，因此一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用不同的供電方式，步距角可有兩種不同數(shù)值。 8.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 由上述工作原理分析可見(jiàn)，每輸入一個(gè)脈沖電信號(hào)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱(chēng)為步距角，經(jīng)過(guò)了一個(gè)通電循環(huán)后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)了一個(gè)齒距的距離，所以轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過(guò)的空間角度（機(jī)械角度），即步距角為 rts360NZN式中，N為運(yùn)行拍數(shù)， ，m為電機(jī)相數(shù) )21( ，kmkN 為提高工作精度，就要求步距角很小。由式（8-28）可見(jiàn)，要減小步距角可以增加拍數(shù)N，相

29、數(shù)增加相當(dāng)于拍數(shù)增加，但相數(shù)越多，電源及電機(jī)的結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。 因此每分鐘轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過(guò)的圓周數(shù)，即轉(zhuǎn)速為： 分）轉(zhuǎn)秒）轉(zhuǎn)/(60/(rNZfNZfnr8.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 8.4.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性對(duì)正確使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有重要意義。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性有三種，分別為靜態(tài)運(yùn)行特性、步進(jìn)運(yùn)行特性和連續(xù)脈沖運(yùn)行特性。下面分別進(jìn)行介紹。1、靜態(tài)運(yùn)行特性、靜態(tài)運(yùn)行特性當(dāng)控制脈沖停止時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一相或幾相通入恒定不變的直流電流，這時(shí)轉(zhuǎn)子將固定于某一位置上保持不動(dòng)，稱(chēng)為靜止?fàn)顟B(tài)。靜態(tài)運(yùn)行特性是指在靜止?fàn)顟B(tài)下，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子失調(diào)角之間的函數(shù)關(guān)系， ，簡(jiǎn)

30、稱(chēng)距角特性。 )(efTem8.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 圖8-34步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系 0e090e090e0180e0180e由此可見(jiàn)電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)角作周期變化，變化的周期是一個(gè)齒距即電弧度，下式為 的關(guān)系式 )(efTemesmsinTTem式中 為最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，它與通電狀態(tài)及繞組內(nèi)電流大小有關(guān)。對(duì)應(yīng)的曲線如圖8-35所示。 smT8.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 圖8-35 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩角特性如電機(jī)空載運(yùn)行轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定平衡位置在 處，如瞬間偏離此位置，且失調(diào)角在 范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子都能在 的作用下轉(zhuǎn)到穩(wěn)定平衡位置，所以?xún)蓚€(gè)不穩(wěn)定平衡點(diǎn)之間的區(qū)域稱(chēng)為靜穩(wěn)定區(qū)。圖8-35是單相通電狀態(tài)時(shí)的

31、矩角特性，如兩相、三相同時(shí)通電時(shí)，矩角特性是兩個(gè)或三個(gè)單相距角特性的合成。 0e0e01800smT8.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 2、步進(jìn)運(yùn)行特性、步進(jìn)運(yùn)行特性步進(jìn)運(yùn)行狀態(tài)是指脈沖頻率很低，下一個(gè)脈沖到來(lái)之前轉(zhuǎn)子已走完一步，且轉(zhuǎn)子已經(jīng)停止。在這種運(yùn)行狀態(tài)下研究步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性主要是對(duì)動(dòng)穩(wěn)定區(qū)和最大負(fù)載能力的分析。 （1） 動(dòng)穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定裕度動(dòng)穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定裕度 圖8-36 空載運(yùn)行時(shí)動(dòng)穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定裕度動(dòng)穩(wěn)定區(qū)是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)從一種通電狀態(tài)切換到另一種通電狀態(tài)，不至引起失步的區(qū)域。顯然，步距角越小，動(dòng)穩(wěn)定區(qū)越接近靜穩(wěn)定區(qū)。 )2(2sermmm穩(wěn)定裕度用下式表示 式中 為單拍制運(yùn)行時(shí)的步距角 s

32、e8.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī) （2） 最大負(fù)載能力（起動(dòng)轉(zhuǎn)矩）最大負(fù)載能力（起動(dòng)轉(zhuǎn)矩） 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在步進(jìn)運(yùn)行時(shí)所能帶動(dòng)的最大負(fù)載可由相鄰兩條矩角特性交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩來(lái)確定。 圖8-37 最大負(fù)載能力的確定 由圖8-37看出：當(dāng)電機(jī)所帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩 時(shí)，當(dāng)改變通電狀態(tài)時(shí)電機(jī)就能完成步進(jìn)運(yùn)行 ；否則電機(jī)就不能作步進(jìn)運(yùn)行。所以各相矩角特性的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩是電機(jī)作單步運(yùn)動(dòng)所能帶動(dòng)的極限負(fù)載，也稱(chēng)為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 stLTT 8.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 3、連續(xù)脈沖運(yùn)行特性、連續(xù)脈沖運(yùn)行特性 當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸入脈沖頻率f 較高時(shí)，步進(jìn)電機(jī)已不是一步步的運(yùn)行，而是進(jìn)入連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，這種運(yùn)行狀態(tài)稱(chēng)作連續(xù)脈沖

33、運(yùn)行狀態(tài)。 當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在高頻恒頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩小于靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。頻率越高，電機(jī)的轉(zhuǎn)速越快，平均轉(zhuǎn)矩越低。將電機(jī)的轉(zhuǎn)速和頻率之間的關(guān)系稱(chēng)為矩頻特性用圖8-38表示。 圖8-38 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性 由圖8-38可見(jiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨頻率的上升而下降。其原因是由于定子繞組電感的影響，繞組電感有延緩電流變化的特性，頻率越高，周期越短，電流來(lái)不及變化使電流減小，轉(zhuǎn)矩大大下降，負(fù)載能力降低。 8.5 自整角機(jī)自整角機(jī) 自整角機(jī)是一種將轉(zhuǎn)角變換成電壓信號(hào)或?qū)㈦妷盒盘?hào)變換成轉(zhuǎn)角，以實(shí)現(xiàn)角度傳輸、變換和指示的元件。它可以用于測(cè)量或控制遠(yuǎn)距離設(shè)備的角度位置，也可以在隨動(dòng)系統(tǒng)中用作機(jī)械設(shè)備之間的角度聯(lián)動(dòng)裝置，以使

34、機(jī)械上互不相聯(lián)的兩根或兩根以上轉(zhuǎn)軸保持同步偏轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)。通常是兩臺(tái)或多臺(tái)組合使用。 8.5.1自整角機(jī)的功能與分類(lèi)自整角機(jī)的功能與分類(lèi)圖8-39自整角機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 自整角機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與一般同步電機(jī)相似，定、轉(zhuǎn)子鐵心均由高導(dǎo)磁率、低損耗的優(yōu)質(zhì)硅鋼片疊壓而成，定子鐵心上嵌有對(duì)稱(chēng)三相繞組，稱(chēng)為整步繞組，轉(zhuǎn)子采用單相勵(lì)磁繞組，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式分隱極式和凸極式兩種，如圖8-39所示為轉(zhuǎn)子采用凸極式自整角機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。 8.5 自整角機(jī)自整角機(jī) 按其工作原理以及在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的作用不同，自整角機(jī)可分為控制式和力矩式兩大類(lèi)，力矩式自整角機(jī)具有執(zhí)行功能主要用于指示系統(tǒng)中以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角的傳輸；控制式自整角機(jī)具有檢測(cè)功

35、能主要用于傳輸系統(tǒng)中將角度信號(hào)變換成電壓信號(hào)輸出。 8.5.2力矩式自整角機(jī)的工作原理力矩式自整角機(jī)的工作原理圖8-40 力矩式自整角機(jī)接線圖 圖8-40為力矩式自整角機(jī)接線圖ZLF為發(fā)送機(jī)，ZLJ為接收機(jī)，它們的勵(lì)磁繞組接入同一單相交流電源，三相整步繞組按相序?qū)?yīng)相接。應(yīng)用疊加原理分別考慮ZLF勵(lì)磁磁通和ZLJ勵(lì)磁磁通的作用8.5 自整角機(jī)自整角機(jī) )cos1 (B與轉(zhuǎn)子電流fi相互作用產(chǎn)生電磁力，但不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 直軸分量sinBfi交軸分量與相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 圖8-41轉(zhuǎn)子電流與定子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩為分析方便將ZLJ中的 分解成兩個(gè)分量B8.5 自整角機(jī)自整角機(jī) sinKT sin當(dāng)失調(diào)

36、角很小時(shí)， KT 則在該轉(zhuǎn)矩作用下使失調(diào)角減小，當(dāng)其為零后 ，轉(zhuǎn)矩為零使ZLJ轉(zhuǎn)子軸線停止在與ZLF轉(zhuǎn)子軸線一致的位置上,稱(chēng)為整步轉(zhuǎn)矩 0sinBTZLF中也會(huì)產(chǎn)生整步轉(zhuǎn)矩。整步轉(zhuǎn)矩的方向也是向著減小失調(diào)角的方向。 8.5.3控制式自整角機(jī)的工作原理控制式自整角機(jī)的工作原理 圖8-42為控制式自整角機(jī)接線圖。圖中ZKF為控制式自整角機(jī)的發(fā)送機(jī)，ZKB為控制式自整角機(jī)的接收機(jī)，也稱(chēng)為自整角變壓器，與力矩式自整角機(jī)的不同點(diǎn)在于其接收機(jī)不直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械負(fù)載，而是指輸出一個(gè)與失調(diào)角有關(guān)的電壓信號(hào)。8.5 自整角機(jī)自整角機(jī))120(cos)120(coscos131211EEEEEE 圖8-42控制式自整

37、角機(jī)接線圖 當(dāng)ZKF的勵(lì)磁繞組接交流電源勵(lì)磁后，便產(chǎn)生一個(gè)在其軸線上脈振的磁場(chǎng) ，該脈振磁場(chǎng)的磁通在定子各相繞組中感應(yīng)電勢(shì)fB在ZKF與ZKB的整步繞組回路中產(chǎn)生電流 )120cos(Z)120cos()120cos(Z)120cos(cosZcos113311221111IEZEIIEZEIIEZEI8.5 自整角機(jī)自整角機(jī) ZKF為控制式自整角機(jī)的發(fā)送機(jī)，ZKB為控制式自整角機(jī)的接收機(jī)，也稱(chēng)為自整角變壓器，ZKF和ZKB的整步繞組對(duì)應(yīng)聯(lián)接。ZKB的轉(zhuǎn)子繞組向外輸出電壓，該電壓通常是接到放大器的輸入端，經(jīng)放大后再加到伺服電動(dòng)機(jī)的控制繞組，來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)伺服電動(dòng)機(jī)還經(jīng)過(guò)減速裝置帶動(dòng)ZKB

38、的轉(zhuǎn)子隨同負(fù)載一起轉(zhuǎn)動(dòng)，使失調(diào)角減小，ZKB的輸出電壓隨之減小。當(dāng)達(dá)到協(xié)調(diào)位置時(shí)，ZKB的輸出電壓為零，伺服電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 8.5 自整角機(jī)自整角機(jī)tBBtBBtBBmmmsin)120cos(sin)120cos(sincos131211 定子三相電流在時(shí)間上同相位，各自在自己的相軸上產(chǎn)生一個(gè)脈振磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的幅值正比于各相電流，即 IKBm2，于是三個(gè)脈振磁場(chǎng)可分別寫(xiě)成圖8-43定子磁場(chǎng)的分解與合成)120sin()120cos()120sin()120cos(sincos133133122122111111BBBBBBBBBBBByxyxyx8.5 自整角機(jī)自整角機(jī)tBBmxsin23

39、x軸方向總磁通密度為)120cos()120cos(cos131211321BBBBBBBxxxxtBBmxsin)120(cos)120(coscos121212整理得：整理得：同理得y軸方向總磁通密度為 tBBBBBBBBmyyyysin)120(2sin)120(2sin)2sin(2 )120sin()120sin(sin1111312113210yBtBBBBmyxsin238.5 自整角機(jī)自整角機(jī) 由上面的分析結(jié)果，可得出結(jié)論：由上面的分析結(jié)果，可得出結(jié)論：（1）定子合成磁場(chǎng)仍為脈振磁場(chǎng)； (2) 合成磁場(chǎng)總是位于勵(lì)磁繞組軸線上，即與勵(lì)磁磁場(chǎng)在同一 軸線上,其幅值為 ，合成磁場(chǎng)空間

40、位置不變，磁 場(chǎng)大小為時(shí)間的函數(shù)，所以定子合成磁場(chǎng)仍為脈振磁場(chǎng)。 m23B當(dāng)ZKB定子合成磁場(chǎng)的軸線與輸出繞組軸線的夾角 時(shí)，合成磁場(chǎng)在輸出繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值為 21inmax22sEE 由于系統(tǒng)的自動(dòng)跟隨作用，失調(diào)角一般很小，可近似認(rèn)為 ，sin則ZKB的輸出電壓為max222EEU8.5 自整角機(jī)自整角機(jī) 圖8-45ZKB的輸出電動(dòng)勢(shì)8.5.4自整角機(jī)的應(yīng)用舉例自整角機(jī)的應(yīng)用舉例這樣輸出電壓的大小直接反映發(fā)送軸與接收軸轉(zhuǎn)角差值的大小。 圖8-46 液面位置指示器1-浮子；2-平衡錘；3-自整角發(fā)送機(jī)；4-自整角接收機(jī) 浮子隨液面的高度升降，通過(guò)滑輪帶動(dòng)自整角發(fā)送機(jī)ZLF的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，接

41、收機(jī)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)指針準(zhǔn)確跟隨著發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角變化而偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離位置的指示。8.6 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器是自動(dòng)控制裝置中的一類(lèi)精密控制微電機(jī)。從物理本質(zhì)看，可以認(rèn)為是一種可以旋轉(zhuǎn)的變壓器，這種變壓器的原、副邊繞組分別放置在定子和轉(zhuǎn)子上。當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊施加交流電壓勵(lì)磁時(shí)，其副邊輸出電壓將與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角保持某種嚴(yán)格的函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)角度的檢測(cè)、解算或傳輸?shù)裙δ堋?8.6.1旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)及分類(lèi)旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)及分類(lèi) 旋轉(zhuǎn)變壓器有多種分類(lèi)方法，按輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角間的函數(shù)關(guān)系分，可以分為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器、線性旋轉(zhuǎn)變壓器和比例式旋轉(zhuǎn)變壓器等。 8.6 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 (a

42、) 結(jié)構(gòu)示意圖 (b) 繞組原理圖圖 8-47 旋轉(zhuǎn)變壓器定、轉(zhuǎn)子繞組旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8-47（a）所示，其中S1-S2為定子勵(lì)磁繞組，S3-S4為定子交軸繞組，兩繞組結(jié)構(gòu)上完全相同，在定子槽中互差90對(duì)稱(chēng)放置；R1-R2為轉(zhuǎn)子余弦輸出繞組，R3-R4為轉(zhuǎn)子正弦輸出繞組。 8.6 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 8.6.2正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是旋轉(zhuǎn)器件，定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組之間的耦合程度隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的改變而改變，正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器輸出繞組的電壓是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角呈正弦和余弦函數(shù)關(guān)系。 1、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理圖8-48旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理 （1）空載

43、運(yùn)行）空載運(yùn)行 設(shè)S1-S2軸線與R1-R2軸線的夾角為勵(lì)磁磁通在勵(lì)磁繞組S1-S2、正弦繞組R3-R4和余弦R1-R2中感應(yīng)電勢(shì)分別為 sin44. 4)90cos(44. 4cos44. 444. 4mW22mW22smW22cmW11fkfNkfNEkfNEkfNE8.6 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 W11kNW22kN為定子繞組的有效匝數(shù)；為轉(zhuǎn)子繞組的有效匝數(shù)。 W11W22ukNkNK 旋轉(zhuǎn)變壓器的變比cossinfucfusEKEEKEcossinfucfusUKEUKE輸出電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角有嚴(yán)格的正、余弦關(guān)系。 忽略勵(lì)磁繞組的電阻和漏抗，則ffUE 8.6 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 （2）

44、負(fù)載運(yùn)行）負(fù)載運(yùn)行 圖8-49正弦繞組接負(fù)載LZ 正弦輸出繞組R3-R4帶上負(fù)載以后，其輸出電壓不再是轉(zhuǎn)角的正余弦函數(shù)，這種輸出特性偏離正余弦規(guī)律的現(xiàn)象稱(chēng)為輸出特性的畸變。 在正弦繞組中感應(yīng)電勢(shì)作用與空載相同cossinsssqssdsBBBBBIsq 將在其中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 2ms2s2W222sW222sW22sqW22sqscoscos)(2cos44. 4cos44. 4cos44. 4xIIkNfFkfNkfNkfNE8.6 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 2W22m)(2kNfx為繞組電抗，為磁路的磁導(dǎo) ssLssqssZIUEE式中LsLsZIU為正弦輸出繞組負(fù)載時(shí)的輸出電壓，sZ正弦繞組的阻

45、抗LsLsZIU2msLsscosjxZZEI得：sinfusUKE 2Lmfu2LmLsfuLscos1sincos1sinZxjUKZxjZZUKU將 和 代入2mssqscosxI jEssLssqssZIUEE 可以看出，負(fù)載時(shí)由于交軸磁場(chǎng)的存在，在輸出電壓中多出 項(xiàng)，使旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出特性不再是轉(zhuǎn)角的正弦函數(shù)，而是發(fā)生了畸變。并且負(fù)載阻抗越小，畸變愈嚴(yán)重。 2LmcosZxj8.6 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 2、輸出特性的補(bǔ)償、輸出特性的補(bǔ)償 當(dāng)正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器一個(gè)輸出繞組工作，另一個(gè)輸出繞組作補(bǔ)償時(shí)，稱(chēng)為二次測(cè)補(bǔ)償。 圖8-51二次側(cè)補(bǔ)償正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器 若 和 所產(chǎn)生的交軸分量 互相

46、抵消時(shí)，則旋轉(zhuǎn)變壓器中就不存在交軸磁通，也就消除了由交軸磁通引起的輸出特性的畸變。 sBcB為了消除畸變，就必須設(shè)法消除交軸磁通的影響。補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ懈边呇a(bǔ)償、原邊補(bǔ)償及原副邊補(bǔ)償三種。 （1）二次側(cè)補(bǔ)償?shù)恼嘞倚D(zhuǎn)變壓器）二次側(cè)補(bǔ)償?shù)恼嘞倚D(zhuǎn)變壓器 8.6 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 cossinfucfusUKEUKEZZUKZZEIZZUKZZEIcfucccLsfuLssscossin在正、余弦繞組中產(chǎn)生的磁場(chǎng)分別為 此時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組中的電流 和 分別為sIcI 要達(dá)到完全補(bǔ)償，正、余弦輸出繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和相位應(yīng)與空載時(shí)一樣，即 ZZUKKBBZZUKKBBsincossincossi

47、ncoscfuccqLsfussq8.6 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 ZZUKKZZUKKcossinsincosLsfucfu完全補(bǔ)償應(yīng)滿足下式完全補(bǔ)償應(yīng)滿足下式 LscZZZZ所以應(yīng)使所以應(yīng)使scZZ LZZ 要達(dá)到完全補(bǔ)償必須保證在任何條件下兩輸出繞組的負(fù)載阻抗總是相等，當(dāng)負(fù)載阻抗 變化時(shí)，補(bǔ)償阻抗 也應(yīng)跟著作相應(yīng)的變化，這在實(shí)際使用中存在一定難度，這是二次側(cè)補(bǔ)償存在的缺點(diǎn)。 LZZ8.6 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 （2）一次側(cè)補(bǔ)償?shù)恼嘞倚D(zhuǎn)變壓器）一次側(cè)補(bǔ)償?shù)恼嘞倚D(zhuǎn)變壓器 圖8-52 一次側(cè)補(bǔ)償?shù)恼嘞倚D(zhuǎn)變壓器 定子交軸繞組 對(duì)交軸磁通來(lái)說(shuō)是一個(gè)阻尼線圈。因?yàn)榻惠S磁通在繞組 中要產(chǎn)生感應(yīng)電流，根據(jù)楞次定律，該電流所產(chǎn)生的磁通是反對(duì)交軸磁通變化的，因而對(duì)交軸磁通起去磁作用，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?43SS 43SS 8.6 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)