自動控制元件及線路期末復(fù)習(xí)

1、裝訂線此處不能書寫此處不能書寫此處不能書寫此處不能書寫此處不能書寫此處不能書寫此處不能書寫北京理工大學(xué)珠海學(xué)院2011 2012學(xué)年第二學(xué)期自動控制元件及線路期末復(fù)習(xí)第一章 直流伺服電動機(jī)直流伺服電動機(jī)優(yōu)缺點 控制性能好， 成本高用途 主要用作執(zhí)行元件（重在動作，追求控制性能，而不在做功。與一般動力電機(jī)不同，一般動力電機(jī)追求：功率輸出值，經(jīng)濟(jì)性和可靠性。） 符號 §4-1 基本原理一、 直流電機(jī)基本原理1單線圈在磁場中的電動原理1）發(fā)電機(jī) （1） 線圈上下兩邊是有效邊，每個有效邊與一個換向片連接（2） 以右手定則，當(dāng)一個有效邊在一個磁極下轉(zhuǎn)動時，感應(yīng)電勢的正方向始終指向電刷A。 （3

2、） 導(dǎo)體位于極中心時感應(yīng)最強(qiáng)，位于水平位置時感應(yīng)最弱，故AB電刷輸出脈動直流。 2）電動機(jī)（1）同樣結(jié)構(gòu)，將直流高壓端接A（2）依左手定則，任一通電導(dǎo)體在一個極下 時，所受到的磁力矩都是逆時針方向的。 2 環(huán)形繞組在磁場中的電機(jī)原理1）以電刷A和B為端點，形成并聯(lián)的兩個支路 2）磁力線 N氣隙環(huán)鐵氣隙 S不進(jìn)入環(huán)內(nèi)，故只環(huán)外導(dǎo)體是有效的3）發(fā)電機(jī)原理A任何導(dǎo)體在一個極下轉(zhuǎn)動時的感應(yīng)電勢的正方向指向A B上下兩支路并聯(lián)供電C與電刷接觸的換向片所連接的線圈處于無感應(yīng)狀態(tài)，可實現(xiàn)平穩(wěn)換支路。圖4-1 環(huán)形繞組4）電動機(jī)原理A電樞通電后任何導(dǎo)體受電磁力矩的方向都是一致的B上下兩支路并聯(lián)工作，所產(chǎn)生的力

3、矩相加C與電刷接觸的換向片所連接的線圈處于無電磁力矩狀態(tài)，可實現(xiàn)平穩(wěn)換支路。 二、直流電機(jī)結(jié)構(gòu)定子（勵磁），轉(zhuǎn)子（電樞），軸，殼體三、 勵磁方式1他勵 2自勵 1）并勵 2）串勵 3）復(fù)勵 一個并勵線圈和一個串勵線圈共同勵磁四、電機(jī)的名牌數(shù)據(jù)額定容量（W）額定電壓(V)額定電流(A)額定轉(zhuǎn)速(r/min)勵磁方式和額定電流。選擇電機(jī)時特別重要五、電樞繞組1 單線圈轉(zhuǎn)子和環(huán)形都不實用2. 根據(jù)所有的邊都有效的原則3. 根據(jù)使用條件不同，采用不同的繞制方法六、 直流電機(jī)的磁場（一） 磁場的建立* 磁場的來源：定子（磁極），轉(zhuǎn)子的電樞繞組* 磁力線的表現(xiàn)：不分叉，不合并，不交叉1 磁極單獨產(chǎn)生的磁場

4、，如圖4-2（a）2電樞單獨產(chǎn)生的磁場，如圖4-2（b）3磁極和電樞共同產(chǎn)生的合成磁場，如圖4-2（c） 要點：1）合成的結(jié)果造成磁場扭斜 2）相對原來（只有磁極磁場時）的物理中性面，合成磁場的物理中性面逆旋轉(zhuǎn)方向移動。圖4-2 直流電機(jī)的磁場（二） 電樞反應(yīng)對原磁極磁場的影響1磁場分布發(fā)生扭斜：中性面逆旋轉(zhuǎn)方向移動,物理中性面與幾何中性面不再重合。2電樞反應(yīng)去磁 (影響不大).3產(chǎn)生換向火花. 1) 其原因有二 (1) 換向元件電流變化引起的感生電勢 方向保持換向前方向 (2) 換向的導(dǎo)體切割合成磁場的磁力線產(chǎn)生 其方向與相同2) 減小和消除火花的方法（1）移動電刷法:電刷逆旋轉(zhuǎn)方向移動,直

5、至火花最小為止（此時電刷基本在物理中性面上）。（2）在幾何中性面設(shè)置附加的換向磁極，他的激磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，而換向磁極的磁場方向與電樞磁場的方向相反，使之抵消 與。（3）選擇適當(dāng)?shù)碾娝⒖蓽p小火花。七、 電樞電勢與電磁轉(zhuǎn)矩1 電樞電勢 磁極的狀態(tài)不變，電樞轉(zhuǎn)動時切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電勢 一根平均有效導(dǎo)體的電勢 = 其中 = 平均磁通密度 導(dǎo)體有效長度 = 極距， 極對數(shù) 轉(zhuǎn)速（） = 設(shè)總導(dǎo)體數(shù)為N，支路對數(shù)為。則每一支路有效導(dǎo)體數(shù)為N/2?？傠妱轂?= N/2。= 令 = 為電機(jī)電勢常數(shù)，則 = 若 恒定不變，可進(jìn)一步簡化， = 其中 稱為電勢系數(shù)。今后兩種表示式同時使用。2 電磁轉(zhuǎn)矩1）一

6、根導(dǎo)體平均電磁力 = 2）一根導(dǎo)體平均電磁力矩 3）總電磁轉(zhuǎn)矩 ， 令 = （）=（） 令 為電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)，則電樞總轉(zhuǎn)矩為 若 恒定不變，可進(jìn)一步簡化， 其中 為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。今后兩種表示式同時使用。電負(fù)載八、 直流電機(jī)的基本關(guān)系式1 電壓平衡方程發(fā)電機(jī)靜態(tài)： 電樞電勢作為電路的電源 穩(wěn)定狀態(tài)下，參數(shù)不變原動機(jī) 圖4-3 發(fā)電機(jī)電路 發(fā)電機(jī)動態(tài)+機(jī)械負(fù)載 電動機(jī)靜態(tài) 電動機(jī)動態(tài) 圖4-4電動機(jī)電路圖 2力矩平衡方程 發(fā)電機(jī)靜態(tài) T = + 發(fā)電機(jī)動態(tài) 電動機(jī)靜態(tài) = 電動機(jī)動態(tài)§4-2 直流力矩電動機(jī)工作原理：與普通直流伺服相同特點：低速、大轉(zhuǎn)矩；可工作在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。原因：結(jié)構(gòu)外徑大，扁平

7、：為嵌入更多的導(dǎo)體和磁極。第二章 旋轉(zhuǎn)變壓器§5-1變壓器工作原理分析交流電機(jī)的理論基礎(chǔ)一、 變壓器結(jié)構(gòu)及種類1結(jié)構(gòu)：變壓器是一種靜止的電器，由鐵心和繞在鐵心上的兩個或兩個以上的繞組構(gòu)成，并通地交變磁場聯(lián)系著，用以把某一等級的電壓和電流信號變換成另一種等級的電壓和電流信號，有時也用于阻抗匹配。繞組和鐵心是變壓器的最基本部件，稱為電磁部分。鐵心是變壓器的磁場子部分，一般由具有一定規(guī)格的硅鋼片疊制而成，以減少交變磁通引起的鐵心損耗。變壓器鐵心本身由鐵心術(shù)和鐵軛兩部分組成。衩繞組包圍著的部分稱為鐵心，而鐵軛則作為構(gòu)成閉合磁路用。2種類：電力變壓器；調(diào)壓器；量測變壓器二、 變壓器的運行圖5-

8、1變壓器慣例1 變壓器慣例。在原邊AX繞組中，首先規(guī)定U1 正方向，當(dāng)U1為正時，A的電位高于X的電位。第二步規(guī)定的方向，當(dāng)和同時是正時，電流從高位點A流入變壓器，這個慣例叫做“電動機(jī)慣例”。規(guī)定的正方向與相同。在副邊繞組ax中，首先規(guī)定的正方向，第二步規(guī)定的方向，第三步規(guī)定的方向。因為在副邊采用“發(fā)電機(jī)慣例”，即和和同時為正（或負(fù)）時，功率自變壓器輸出，這就要求電流自變壓器流出，顯然，的正方向是從a至x。2 變壓器的空載運行圖5-2變壓器的空載運行空載：原邊繞組上加有交流電壓，副邊開路。原邊電流用表示，副邊電流=0。原邊建立起空載磁勢 ，在該磁勢的作用下產(chǎn)生交變磁通，其中大部分交變磁通在鐵心

9、中通過，同時與原、副邊繞組匝鏈，稱為主磁通，用表示，少量磁通僅與原繞組匝鏈而通過空氣形成閉路，這部分磁通稱為漏磁通，用表示。主磁通在原、副邊繞組中產(chǎn)生的感受應(yīng)電動勢為 （5-1）而漏磁通 只在原邊繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢設(shè)則若令 為感應(yīng)電動勢最大值，則 （5-2）考慮到 ，于是其有效值為 （5-3）式中 f-電源頻率-原邊繞組的匝數(shù)-主磁通的最大值同理可得 （5-4）式中，W2副邊繞組的匝數(shù)。由于漏磁通所對應(yīng)的磁勢大部分消耗在空氣磁阻上，則對應(yīng)的漏電感相當(dāng)于線性的，于是 （5-5）式中 漏磁通的電感系數(shù)。對應(yīng)于漏磁通的原邊繞組漏電抗，是一個常數(shù)。原邊的電壓平衡方程式： （5-6）整理得 （5-7）

10、式中，為原邊繞組的漏阻抗。同理可得副邊繞組電壓平衡方程式 （5-8）3. 變壓器的負(fù)載運行在負(fù)載運行時，原繞組的磁勢將隨負(fù)載電流的增大而自動地增加，以保證m不變。負(fù)載時，作用在主磁路上的磁勢有兩個，即原邊繞組磁勢I1 W1和副邊繞組磁勢I2W2 。鐵心內(nèi)主磁通是由上述兩個磁勢的合成磁勢所產(chǎn)生。這樣，將有磁勢平衡方程式中 負(fù)載情況下原邊繞組產(chǎn)生的磁勢 負(fù)載情況下副邊繞組產(chǎn)生的磁勢 空載時原邊繞組產(chǎn)生的磁勢。移項后，整理得或 （5-9）從上式可以看出，負(fù)載時，原邊電流有兩個分量：其中一個分量為，像空載一樣，它用于產(chǎn)生主磁通；另一個分量，用于產(chǎn)生抵消副邊繞組磁勢作用。根據(jù)基爾霍夫定律，負(fù)載時變壓器原

11、、副邊繞組的電壓平衡方程為 （5-10）式中 原、副邊繞組的漏阻抗； 原、副邊繞組的電阻 原、副邊繞組的漏電抗§52旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)和分類一、 旋轉(zhuǎn)變壓器的分類按輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角之間的函數(shù)關(guān)系來分，可分為以下四種：1 正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器當(dāng)它的原邊繞組外施單相交流電壓勵磁時，其副兩個繞組的輸出電壓分別與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角呈正弦和余弦函關(guān)系。2 線性旋轉(zhuǎn)變壓器在一定工作轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角是線性函數(shù)關(guān)系的一種旋轉(zhuǎn)變壓器。3 比例式旋轉(zhuǎn)變壓器除了在結(jié)構(gòu)上增加了一個帶有調(diào)整和鎖緊轉(zhuǎn)子位置的裝置之外，其它都與正余弦旋變壓器相同。在系統(tǒng)中作為調(diào)整電壓的比例元件，相當(dāng)于可調(diào)變比的旋轉(zhuǎn)變壓器。4特殊

12、旋轉(zhuǎn)變壓器在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，輸出電壓與轉(zhuǎn)角呈某一給定函數(shù)關(guān)系。二、旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和繞線式異步電機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子兩個部分組成，圖5-3 結(jié)構(gòu)示意圖 圖5-4 電氣原理圖§53正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器一、 正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的空載運行1 空載運行時的氣隙磁場空載運行：輸出繞組開路，定子補(bǔ)償繞組也開路，只有定子勵磁繞組 施加交流勵磁電壓。該圖表示在 這一瞬間，氣隙磁密沿定子內(nèi)圓周和轉(zhuǎn)子外圓周所環(huán)繞的空間的分布規(guī)律。空載時旋轉(zhuǎn)變壓器勵磁磁場是一個磁場軸線在空間固定不動，磁密分布曲線幅值隨時間作正弦交變的磁場。我們把這種磁場稱作脈振磁場。其特點是：（1）對某一瞬間（例如）而言，氣隙

13、各點磁密沿定子內(nèi)圓周成余弦發(fā)布，即圖5-5 勵磁磁密的分布（2）對氣隙中的某一點（例如 ）而言，該點的磁密隨時間按正弦規(guī)律變化，即總之，式以后用一個空間向量表示脈振磁場，這個向量固定地位于磁場軸線上，其方向和t時刻氣隙磁密分布的方向相同，其大小與t時刻氣隙磁密分布曲線的幅圖5-6脈振磁場的分析值成比例，如圖46（c）所示。這個向量稱為磁密空間向量。2 空載運行時各繞組的感應(yīng)電勢（1）勵磁繞組中的感應(yīng)電動勢在勵磁繞組中，由交變磁通產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的有效值可表示為 （5-11）式中 勵磁磁通的幅值； 勵磁磁密的幅值； 由電壓平衡方程式式中 勵磁繞組的電阻 勵磁繞組的漏電抗若忽略勵磁繞組的漏抗壓降，

14、則有（2）定子繞組中的感應(yīng)電勢。由于繞組軸線與繞組軸繞垂直，因此，勵磁磁通 與繞組不匝鏈，將不在繞組中感應(yīng)電勢。（3）轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢把磁密空間向量沿軸線和 軸線分解成兩個分量和，如圖47所示，在繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢的有效值為（5-12）圖5-7 的分解或 （5-13）式中， 旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)、定子的匝數(shù)比，即變比，是一個常數(shù)?？梢姡蛰d且保持不變時，轉(zhuǎn)子輸出繞組的輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角呈余弦函數(shù)關(guān)系。因此，稱繞組為余弦輸出繞組。（4）轉(zhuǎn)子繞組 中感應(yīng)電勢在 繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢 為可見，在空載且 恒定不變的條件下，轉(zhuǎn)下繞組上的輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角呈正弦函數(shù)關(guān)系。因此，稱繞組為正弦輸出繞組。二、正余弦

15、旋轉(zhuǎn)變變壓器的負(fù)載運行1 產(chǎn)生畸變的原因畸變與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角有關(guān)，而且隨著負(fù)載電流增大而嚴(yán)重，由轉(zhuǎn)子輸出繞組電流引起的。如圖48所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子輸出繞組 接上負(fù)載時，在繞組中將有電流 流過，且式中， 轉(zhuǎn)子正弦繞組的漏阻抗。 在氣隙中也將產(chǎn)生脈振磁場，用位于 軸線上的磁密空間向量來表示，認(rèn)為正比于。我們把分解成兩個分量：一個分量與勵磁繞阻 軸線一致稱為直軸分量， 圖5-8 正弦繞組接負(fù)載 另一個分量與勵磁繞組軸線正交，稱交軸分量由變壓器原理，副邊接上負(fù)載并通過電流時，為了維持電勢平衡，原邊電流將自動增加一個負(fù)載分量，以便使主磁通及感應(yīng)電勢基本不變?？梢姡惠S磁通是旋轉(zhuǎn)變壓器負(fù)載后輸出特性曲線畸變的主要原因

16、。為了改善系統(tǒng)性能應(yīng)該消除交軸磁通的影響。消除輸出特性畸變的方法也稱為補(bǔ)償。2 消除畸變的方法（1） 副邊補(bǔ)償?shù)恼嘞倚D(zhuǎn)變壓器副邊補(bǔ)償：其勵磁繞組D1D2 加交流勵磁電壓，D3D4 繞組開路，轉(zhuǎn)子Z1Z2 輸出繞組接阻抗，應(yīng)使阻抗等于負(fù)載阻抗以便得到全面補(bǔ)償。圖4-9 副邊補(bǔ)償假設(shè)轉(zhuǎn)子兩相繞組電流所產(chǎn)生的交軸磁通正好相互補(bǔ)償。這樣，電機(jī)氣隙中只有合成的直軸磁通，在弦輸出繞組和余弦輸出繞組中分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢和，在勵磁繞組中產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子繞組中的負(fù)載電流和分別為 （5-14）在余弦繞組中，由負(fù)載電流產(chǎn)生的磁密是，它的交軸分量為式中和之間的比例系數(shù)。將式（414）代入有 （5-15）在正弦繞組中，由負(fù)

17、載電流產(chǎn)生的磁密為，它的交軸磁密 將式（414）代入，有 （5-16）我們已經(jīng)假定交軸磁通完全補(bǔ)償，應(yīng)有 =由此可得由于旋轉(zhuǎn)變壓器定、轉(zhuǎn)子繞組都是兩相對稱繞組，即 故， （5-17）補(bǔ)償條件：余弦繞組的負(fù)載阻抗必須與正弦繞組的負(fù)載阻抗相等。在副邊對稱補(bǔ)償時，轉(zhuǎn)子繞組電流所產(chǎn)生的磁密直軸分量 和 分別為 （5-18）轉(zhuǎn)子繞組電流所產(chǎn)生的合成直軸磁密 （5-19）由式（419）可見，在副邊對稱補(bǔ)償時，直軸去磁磁密與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角無關(guān)，當(dāng)電源電壓和負(fù)載不變時，是一個常數(shù)，因此，勵磁電流也將是常數(shù)，與轉(zhuǎn)了轉(zhuǎn)角無關(guān)。（2） 原邊補(bǔ)償?shù)恼嘞倚D(zhuǎn)變壓器用原邊補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ部梢韵惠S磁通的影響。接線如圖424所示

18、，此時定D1D2勵磁繞組接通交流電壓，定子交軸繞組D3D4接阻抗；轉(zhuǎn)子繞組接負(fù)載，而繞組開路（3） 原、副邊補(bǔ)償?shù)恼嘞倚D(zhuǎn)變壓器圖5-10 原邊補(bǔ)償§53線性旋轉(zhuǎn)變壓器線性旋轉(zhuǎn)變壓器是指輸出電壓的大小與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正比的旋轉(zhuǎn)變壓器一、 空載時的線性旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓表達(dá)式原邊補(bǔ)償?shù)木€性旋轉(zhuǎn)變壓器圖5-11 線性旋轉(zhuǎn)變壓器當(dāng)圖411所示線性旋轉(zhuǎn)變壓器繞組開路時，將勵磁繞組和余弦繞組串聯(lián)后接到流電源上，將有電流流過這兩個繞組，分別產(chǎn)生和，磁密為直軸磁密，而可分別為直軸分量和交軸分量。因補(bǔ)償繞組短接作為原邊補(bǔ)償，可以認(rèn)為交軸分量磁密得到完全補(bǔ)償，所以，氣隙中不存在交軸磁場。 這時在旋轉(zhuǎn)變

19、壓器中只有合成的直軸磁通，它只是和合成的直軸磁場產(chǎn)生的。直軸磁通分別與勵磁繞組，正、余弦輸出繞組相匝鏈，并在它們中分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢、和。這些電勢在時間上同相位，分別為 （5-20）若忽略繞組中的阻抗壓降，則 式中，,于是，得 （5-21） 將式（421）代入式（420）得 （5-22）線性條件：當(dāng)0.52時，在范圍攻內(nèi)，輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系，并且和理想直線相比較，誤差不超過0.1.在實際的線性旋轉(zhuǎn)變壓器中，為了獲得最佳的線性特性，在電源內(nèi)阻很小時，其變比一般取0.560.57。§54旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用旋轉(zhuǎn)變壓器廣泛應(yīng)用于解算裝置和高精度隨動系統(tǒng)。在解算裝置中主要用來求解矢量或進(jìn)

20、行坐標(biāo)變換、求反三角函數(shù)、進(jìn)行加減乘除及函數(shù)的運算等等；在隨動系統(tǒng)中進(jìn)行角差測量或角度數(shù)據(jù)傳輸。一、 旋轉(zhuǎn)變壓器測量角差用一對相同的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，按圖412所示方式接線即兩機(jī)定子繞組對應(yīng)連接。第一臺旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)軸與發(fā)送軸相送，其轉(zhuǎn)子繞組接勵磁電源，繞組短接作原邊補(bǔ)償。第二臺旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)軸與接收軸相連，從其轉(zhuǎn)子繞組上輸出電壓。通常把與發(fā)送軸相連的旋轉(zhuǎn)變壓器叫做旋變發(fā)送機(jī)，把與接收軸相連的旋轉(zhuǎn)變壓器叫做旋變變壓器。下面來分析用一對旋轉(zhuǎn)變壓器測量角差的工作原理。圖5-12測角差線路（1）的情況（圖513）圖4-13 測角差線路此時，旋變發(fā)送機(jī)和旋變變壓器定子繞組的軸線分別與相應(yīng)的轉(zhuǎn)子軸線重合

21、。當(dāng)旋變發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子繞組接交流電源后產(chǎn)生沿繞組軸線的磁通。在的情況下，定子繞組只有產(chǎn)生感應(yīng)電勢。由于繞組已和繞組相連組成閉合回路，故有電流流過該閉合回路，并產(chǎn)生沿這兩個繞組軸線方向磁通。由于在這兩個繞組中流動的方向相反（設(shè)從端流出，則從端流入），因而磁通方向也相反，如圖413所示。由于，即輸出繞組與定子繞組軸線互相垂直，所以，當(dāng)與定子繞組軸線互相垂直，所以，當(dāng)繞組匝鏈的磁通為零，感應(yīng)電勢也為零，故繞組輸出電壓為零。（2）圖（512）這時，定子繞組和均有感應(yīng)電勢，由于和相連，和相連，于是，在定子兩個閉合回路中將有電流通過。由于旋轉(zhuǎn)變壓器定、轉(zhuǎn)子繞組都是兩相對稱繞組，因而，對旋變發(fā)送機(jī)來說，其副邊接

22、有對稱負(fù)載，相當(dāng)于副邊完全補(bǔ)償，則定子兩閉合回路中電流和產(chǎn)生的合成磁密將沿著勵磁繞組的軸線方向，而且數(shù)值不變。由于旋變變壓器定子繞組中的電流與旋變發(fā)送機(jī)定子繞組中的電流大小相等而方向相反，則旋變壓器定子電流產(chǎn)生的合成磁密必定與旋變發(fā)送機(jī)定子電流的合成磁密大小相等，方向相反。因此，旋變變壓器定子繞組電流產(chǎn)生的合成磁密也將隨發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角改變而變化。如果旋變變壓器轉(zhuǎn)子所處的位置角度，則由圖412可知，旋變變壓器定子繞組電流產(chǎn)生的合成磁密與其轉(zhuǎn)子輸出繞組軸線夾角為。因此，當(dāng)略繞組阻抗時，其輸出電壓為 （5-23）式中 發(fā)送軸與接收軸轉(zhuǎn)角差；角差時，輸出繞組中的感應(yīng)電勢的有效值。第三章 自整角機(jī) 自整

23、角機(jī)是一種對角位移或角速度偏差能自動整步的電磁元件。自整角機(jī)必須成對使用，主令軸上裝的是自整角發(fā)送機(jī)，從動軸上裝的是自整角接收機(jī)。其運行方式有兩種：控制式和力矩式。控制式自整角機(jī)的輸入量是自整角機(jī)發(fā)送的轉(zhuǎn)角，輸出量是自整角變壓器的輸出電壓，輸出量通過放大器，伺服電動機(jī)帶動接受軸追隨發(fā)送機(jī)同步轉(zhuǎn)動?？刂剖阶哉菣C(jī)的精度比力矩式高，可以驅(qū)動隨動系統(tǒng)中較大的負(fù)載。力矩式自整角機(jī)自身能產(chǎn)生整步轉(zhuǎn)矩，不需要放大器和伺服電動機(jī)，在整步轉(zhuǎn)矩的作用下，接收機(jī)轉(zhuǎn)子追隨發(fā)送軸同步轉(zhuǎn)動。力矩式設(shè)備比較簡單，常用語小負(fù)載，精度要求不高的場合，如用來帶動指針或刻度盤作為側(cè)位器。自整角機(jī)在自控系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，主要是實現(xiàn)角

24、度的傳輸、變換、和指示，如角位置的遠(yuǎn)距離指示、遠(yuǎn)距離定位和遠(yuǎn)距離控制等。如果系統(tǒng)要求反映出兩個輸入角的和或差時，則可用差動式自整角機(jī)系統(tǒng)。第四章 兩相交流電機(jī) 在自控系統(tǒng)中常常用到兩相伺服電動機(jī)和異步測速發(fā)電機(jī)。兩相伺服電動機(jī)的作用是把輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換成輸出的角位移或角速度，做執(zhí)行元件。測速發(fā)電機(jī)將輸入信號轉(zhuǎn)換成輸出電壓信號，做測速、校正、阻尼、角加速度或解算元件。兩相伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)主要分為定子部分和轉(zhuǎn)子部分，其定子上放置了兩相空間互差九十度的繞組，一相是勵磁繞組，一相是控制繞組。轉(zhuǎn)子接頭常見的有鼠籠型轉(zhuǎn)子和杯型轉(zhuǎn)子兩種，一般以鼠籠型轉(zhuǎn)子應(yīng)用較廣泛。當(dāng)控制繞組和勵磁繞組分別加上額定電壓時，

25、氣隙中產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，并帶動轉(zhuǎn)子以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速總是低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，因此也成為異步電動機(jī)。圓形旋轉(zhuǎn)磁場的大小是不變的，而磁場的軸線在空間旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速成為同步轉(zhuǎn)速，由電動機(jī)的極對數(shù)和電源頻率決定。兩相伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著負(fù)載的變化而變化，它與同步轉(zhuǎn)速之間的差值定義為轉(zhuǎn)差。轉(zhuǎn)差與同步轉(zhuǎn)速的 比值成為轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)差率是表示電動機(jī)轉(zhuǎn)速的一個重要的物理量。當(dāng)轉(zhuǎn)子不動時，轉(zhuǎn)差率為1；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子側(cè)的頻率、電動勢和電抗都會發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子頻率、電動勢和電抗等于轉(zhuǎn)子不動時的數(shù)值成一轉(zhuǎn)差率。兩相伺服電動機(jī)通常將運行在不對稱的狀態(tài)下，此時氣隙磁場為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場。他可以分解成一個正

26、向圓形旋轉(zhuǎn)磁場和一個反向圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而可以用圓形旋轉(zhuǎn)磁場的研究方法來分析橢圓形磁場作用下的運行情況。從橢圓磁場的機(jī)械特性可以看出，當(dāng)電動機(jī)處于不對稱運行時，由于反向旋轉(zhuǎn)磁場的存在，使電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩減小，空載轉(zhuǎn)速降低。當(dāng)控制電壓發(fā)生時，磁場橢圓度發(fā)生變化，利用正、反轉(zhuǎn)矩合成的方法，就可做出伺服電動機(jī)在各種不同有效信號系數(shù)時的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性等。當(dāng)控制電壓變化時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速也發(fā)生相位變化，從而達(dá)到轉(zhuǎn)速控制的目的。交流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性比較軟，而且斜率隨控制電壓的不同而變化。放大器的內(nèi)阻也會對電動機(jī)的機(jī)械特性和機(jī)電時間常數(shù)造成影響。當(dāng)控制電壓為零時，電動機(jī)應(yīng)當(dāng)立即停轉(zhuǎn)，這是控制系統(tǒng)伺服電動機(jī)

27、提出的基本要求。當(dāng)電動機(jī)在整個運行范圍內(nèi)都具有下垂的機(jī)械特性時，可以消除單相供電時的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。因此，具有大的轉(zhuǎn)子電阻是兩相伺服電動機(jī)的一大特點。異步測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與空心杯型轉(zhuǎn)子兩相伺服電動機(jī)完全相同。當(dāng)異步測速發(fā)電機(jī)的勵磁繞組產(chǎn)生磁通保持不變時轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時輸出電壓為零，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時切割勵磁磁通產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流，建立橫軸方向的磁通，在輸出繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而產(chǎn)生輸出電壓。輸出電壓的大小與轉(zhuǎn)速成正比，但其頻率與轉(zhuǎn)速無關(guān)，等于電源的頻率。理想的輸出特性時一條直線，但實際上并非如此。引起誤差的漢族要原因是勵磁繞組產(chǎn)生的磁通的大小和相位 都碎轉(zhuǎn)速而變化，負(fù)載阻抗的大小和性質(zhì)，勵磁電源的性能，溫度

28、以及剩余電壓，其中剩余電壓是誤差的主要部分。表征異步測速發(fā)電機(jī)性能的主要技術(shù)指標(biāo)有線性誤差、相位誤差和剩余誤差。在實際中為了提高異步測速發(fā)電機(jī)的性能通常采用四極電動機(jī)。為了減小誤差，應(yīng)增大轉(zhuǎn)子電阻和負(fù)載阻抗，減小勵磁繞組和輸出繞組的漏阻抗，提高勵磁電源的頻率，。使用時，發(fā)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速不應(yīng)超過規(guī)定的轉(zhuǎn)速范圍。第五章 微型同步電動機(jī) 微型同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速是恒定不變的，總是和旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相同，應(yīng)用在要求轉(zhuǎn)速恒定的場合。在結(jié)構(gòu)上，主要是由釘子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子與一般異步電機(jī)的定子相同，定子繞組通入交流電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。微型同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式和材料有很大差別，運行原理也不同。根據(jù)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)

29、不同，微型同步電動機(jī)主要分為永磁式、反應(yīng)式、和磁滯式三種。永磁式微型同步電動機(jī)無需電流勵磁，沒有電刷和集電環(huán)，功率因數(shù)和效率高。但啟動性能不好，需要在轉(zhuǎn)子上設(shè)置鼠籠型啟動繞組才能啟動。反應(yīng)式微型同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子的最大特點是沒有永磁體和勵磁繞組，必須采用凸極結(jié)構(gòu)，使直軸與交軸磁阻不同而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。同樣也需要在轉(zhuǎn)子上裝設(shè)啟動繞組；另外由于磁路磁阻大，功率因數(shù)和效率要比永磁式的低。磁滯式同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子是由硬磁材料制成的，利用磁滯作用產(chǎn)生磁滯轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電動機(jī)轉(zhuǎn)動，其主要特點就是不需啟動繞組，在整個啟動過程中磁滯轉(zhuǎn)矩恒定不變，能將負(fù)載平穩(wěn)地拉入同步。第六章 無刷直流電動機(jī)9-1、直流無刷電機(jī)的優(yōu)越性

30、 直流電機(jī)具有響應(yīng)快速、較大的起動轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，但直流電機(jī)的優(yōu)點也正是它的缺點，因為直流電機(jī)要產(chǎn)生額定 負(fù)載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，則電樞磁場與轉(zhuǎn)子磁場須恒維持90°，這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機(jī)轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生火花、碳粉因此除了會造成組件損壞 之外，使用場合也受到限制。交流電機(jī)沒有碳刷及整流子，免維護(hù)、堅固、應(yīng)用廣，但特性上若要達(dá)到相當(dāng)于直流電機(jī)的性能須用復(fù)雜控制技術(shù)才能達(dá)到?，F(xiàn)今半導(dǎo) 體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅(qū)動電機(jī)的性能。微處理機(jī)速度亦越來越快，可實現(xiàn)將交流電機(jī)控制置于一旋轉(zhuǎn)的兩軸直交坐標(biāo)系統(tǒng)中，適當(dāng)控制交流 電機(jī)在兩軸電

31、流分量，達(dá)到類似直流電機(jī)控制并有與直流電機(jī)相當(dāng)?shù)男阅堋?9-2、直流無刷電機(jī)的控制結(jié)構(gòu) 直流無刷電機(jī)是同步電機(jī)的一種，也就是說電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)(P)影響： N=120f / P。在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無刷電機(jī)即是將同步電機(jī)加上電子式控制(驅(qū)動器)，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率 并將電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復(fù)校正，以期達(dá)到接近直流電機(jī)特性的方式。也就是說直流無刷電機(jī)能夠在額定負(fù)載范圍內(nèi)當(dāng)負(fù)載變化時仍可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)子 維持一定的轉(zhuǎn)速。 直流無刷驅(qū)動器包括電源部及控制部如圖 (1) ：電源部提供三相電源給電機(jī)，控制部則依

32、需求轉(zhuǎn)換輸入電源頻率。 電源部可以直接以直流電輸入(一般為24V)或以交流電輸入(110V/220 V)，如果輸入是交流電就得先經(jīng)轉(zhuǎn)換器(converter)轉(zhuǎn)成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉(zhuǎn)入電機(jī)線圈前須先將直流電壓由換流器 (inverter)轉(zhuǎn)成3相電壓來驅(qū)動電機(jī)。換流器(inverter)一般由6個功率晶體管(Q1Q6)分為上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂 (Q2、Q4、Q6)連接電機(jī)作為控制流經(jīng)電機(jī)線圈的開關(guān)?？刂撇縿t提供PWM(脈沖寬度調(diào)制)決定功率晶體管開關(guān)頻度及換流器(inverter)換相 的時機(jī)。直流無刷電機(jī)一般希望使用在當(dāng)負(fù)載變動時速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會變動太大

33、的速度控制，所以電機(jī)內(nèi)部裝有能感應(yīng)磁場的霍爾傳感器(hall- sensor)，做為速度之閉回路控制，同時也做為相序控制的依據(jù)。但這只是用來做為速度控制并不能拿來做為定位控制。 圖一直流無刷電機(jī)的控制原理 要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動起來，首先控制部就必須根據(jù)hall-sensor感應(yīng)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子目前所在位置，然后依照定子繞線決定開啟(或關(guān)閉)換流器 (inverter)中功率晶體管的順序，如 下（圖二） inverter中之AH、BH、CH(這些稱為上臂功率晶體管)及AL、BL、CL(這些稱為下臂功率晶體管)，使電流依序流經(jīng)電機(jī)線圈產(chǎn)生順向(或逆 向)旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機(jī)順時/逆

34、時轉(zhuǎn)動。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到hall-sensor感應(yīng)出另一組信號的位置時，控制部又再開 啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機(jī)就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動直到控制部決定要電機(jī)轉(zhuǎn)子停止則關(guān)閉功率晶體管(或只開下臂功率晶體管)；要電機(jī)轉(zhuǎn)子反向則功 率晶體管開啟順序相反。 基本上功率晶體管的開法可舉例如下： AH、BL一組AH、CL一組BH、CL一組BH、AL一組CH、AL一組CH、BL一組 但絕不能開成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因為電子零件總有開關(guān)的響應(yīng)時間，所以功率晶體管在關(guān)與開的交錯時間要將零件的響應(yīng)時間考慮進(jìn)去，否則當(dāng)上臂(或下臂)尚未完全關(guān)閉，下臂(或上臂)就已開啟，結(jié)果就造成上、下臂短

35、路而使功率晶體管燒毀。 圖二當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動起來，控制部會再根據(jù)驅(qū)動器設(shè)定的速度及加/減速率所組成的命令 (Command)與hall-sensor信號變化的速度加以比對(或由軟件運算)再來決定由下一組(AH、BL或AH、CL或BH、CL或)開關(guān) 導(dǎo)通，以及導(dǎo)通時間長短。速度不夠則開長，速度過頭則減短，此部份工作就由PWM來完成。PWM是決定電機(jī)轉(zhuǎn)速快或慢的方式，如何產(chǎn)生這樣的PWM才是要 達(dá)到較精準(zhǔn)速度控制的核心。高轉(zhuǎn)速的速度控制必須考慮到系統(tǒng)的CLOCK 分辨率是否足以掌握處理軟件指令的時間，另外對于hall-sensor信號變化的資料存取方式也影響到處理器效能與判定正確性、實時性。至于低轉(zhuǎn)速的

36、速 度控制尤其是低速起動則因為回傳的hall-sensor信號變化變得更慢，怎樣擷取信號方式、處理時機(jī)以及根據(jù)電機(jī)特性適當(dāng)配置控制參數(shù)值就顯得非常重 要?；蛘咚俣然貍鞲淖円詄ncoder變化為參考，使信號分辨率增加以期得到更佳的控制。電機(jī)能夠運轉(zhuǎn)順暢而且響應(yīng)良好，P.I.D.控制的恰當(dāng)與否也無 法忽視。之前提到直流無刷電機(jī)是閉回路控制，因此回授信號就等于是告訴控制部現(xiàn)在電機(jī)轉(zhuǎn)速距離目標(biāo)速度還差多少，這就是誤差(Error)。知道了誤差自 然就要補(bǔ)償，方式有傳統(tǒng)的工程控制如P.I.D.控制。但控制的狀態(tài)及環(huán)境其實是復(fù)雜多變的，若要控制的堅固耐用則要考慮的因素恐怕不是傳統(tǒng)的工程控制能 完全掌握，所

37、以模糊控制、專家系統(tǒng)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也將被納入成為智能型P.I.D.控制的重要理論。 9-3、電機(jī)驅(qū)動器的保護(hù)措施 對于驅(qū)動器還要有保護(hù)措施，當(dāng)負(fù)載過大或不當(dāng)使用時會造成大電流而將功率晶體管燒毀。為了保護(hù)因電流超過規(guī)格而破壞驅(qū)動器，一般會以加大功率晶體 管耐電流或加電流sensor做為保護(hù)。其次當(dāng)電機(jī)負(fù)載不小的時候，在停止轉(zhuǎn)動時由電機(jī)端回送至驅(qū)動器的能量及過電壓都將危及驅(qū)動器，這可配合過電壓保護(hù) 電路加上回生能量消散電路來防治。其它尚有hall-sensor正常與否判定也會影響PWM控制的正確性，這可由控制部判斷并適時警告即可。 第七章 步進(jìn)電動機(jī) 10-1概述1. 特點：步進(jìn)電動機(jī)是一種將數(shù)字式電

38、脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的機(jī)電信號，它的機(jī)械角位移與輸入的數(shù)字脈沖信號有著嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系：即一個脈沖信號可以使步進(jìn)電動機(jī)前進(jìn)一步，因此，又被稱為脈沖電動機(jī)。是一種比較理想的執(zhí)行元件。步進(jìn)電動優(yōu)點比較多：可以直接實現(xiàn)數(shù)字控制，控制性能好，無摩擦，抗干擾能力強(qiáng)，誤差不長期積累，具有自鎖能力和保持轉(zhuǎn)矩的能力。2. 分類：主要有反應(yīng)式、勵磁式等。反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有繞組，依靠變化的磁阻生成磁阻轉(zhuǎn)矩工作。勵磁式步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上有磁極，依靠電磁轉(zhuǎn)矩工作。反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的應(yīng)用最為廣泛，它有兩相、三相、多相之分，也有單段、多段之分。10-2基本原理一、 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點 步進(jìn)電動機(jī)由定子

39、和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。 例：三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖10.1所示，定子有六個磁極，每相對磁極構(gòu)成一相控制繞組，轉(zhuǎn)子上有均布的四個齒。概念：齒距就是相鄰兩齒中心線（或稱齒軸線）的夾角，又稱為齒距角，計算公式為： 圖3-1 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)模型 （3-1） 齒距角； 轉(zhuǎn)子齒數(shù)二、工作原理：1. 基本原理：反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)是由通電相控制繞組使該相控制極建立磁場，由于轉(zhuǎn)子齒槽磁導(dǎo)的差異，當(dāng)定子齒軸線與轉(zhuǎn)子齒軸線不一致時，磁極對轉(zhuǎn)子齒將產(chǎn)生吸力，進(jìn)而形成電磁轉(zhuǎn)矩反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，并最終使轉(zhuǎn)子齒軸線轉(zhuǎn)至與定子磁極齒軸線一致，轉(zhuǎn)據(jù)磁導(dǎo)最大的位置。如果按照一定的順序給各相控制繞組輪流通電，將在定子內(nèi)空間形成

40、步進(jìn)式磁極軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子在反應(yīng)式電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，隨之作步進(jìn)式轉(zhuǎn)動。（a）A相通電 （b）B相通電 （c）C相通電圖10-1 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理圖例：四相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)局部展開圖，它有八個控制磁極，每磁極上帶有五齒四槽，轉(zhuǎn)子上有均布的50個齒槽，則每相鄰相磁極中心線夾角極距角圖10.2四相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)局部展開圖經(jīng)過四次換接通電狀態(tài)，就完成了一個循環(huán)。拍：稱每一次通電狀態(tài)的換接為拍，每一拍轉(zhuǎn)子相應(yīng)旋轉(zhuǎn)一個步距角；把完成一個通電狀態(tài)循環(huán)所需要換接的控制繞組相數(shù)或通電狀態(tài)次數(shù)稱作拍數(shù)，用N表示，則步距角 或 （10-1）轉(zhuǎn)速：步進(jìn)電動機(jī)即可作單步運行（按控制指令轉(zhuǎn)過一定的角度），又可連續(xù)

41、不斷的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)外加一個控制脈沖時，即每一拍，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)過一個步距角，這相當(dāng)于整個圓周角的，也就是轉(zhuǎn)，如果控制脈沖的頻率為f，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為（r /min） （10-2）2. 通電狀態(tài)： 單相輪流通電方式：每次切換前后只有一相繞組通電。特點：在這種通電方式下，電動機(jī)工作的穩(wěn)定性較差，容易失步。如：四相單四拍 雙相輪流通電方式：每次有兩相繞組通電，通電狀態(tài)切換時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，且輸出力矩較大，這種通電方式定位精度高而且不易失步。如：四相雙四拍： 單雙相輪流通電方式：上述兩種通電方式的組合。如：四相八拍：經(jīng)過八拍完成一個循環(huán)。步距角為四相單四拍或四相雙四拍的一半10-3靜態(tài)特性電角度的概念：從步進(jìn)電動機(jī)

42、的工作原理可看出，無論以何種方式 單拍制或雙拍制通電，完成一個通電循環(huán)，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)過一個齒距角。再經(jīng)過一個循環(huán)，轉(zhuǎn)子將重復(fù)剛才的運動，繼續(xù)轉(zhuǎn)過一個齒距。因此步進(jìn)電動機(jī)的特性完全可由一個齒距范圍（一個齒與一個槽）內(nèi)的特性來代表。定義電角度等于機(jī)械角度與轉(zhuǎn)子齒數(shù)乘積 用電角度表示的齒距角為 （10-3）無論轉(zhuǎn)子齒有多少個，以電角度表示的齒距角和步距角與齒數(shù)無關(guān)。一、矩角特性（重點）1 單項控制的矩角特性單相控制繞組通電狀態(tài)不變的條件下，控制磁極對轉(zhuǎn)子作用的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系以A相控制繞組為基準(zhǔn)： （10-4）圖10-3 矩角特性曲線族*靜穩(wěn)定區(qū)：通電狀態(tài)不變的情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)子去掉外轉(zhuǎn)矩后，能回

43、到初始穩(wěn)定平衡位置的轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角范圍。2 多相控制時的矩角特性三相步進(jìn)電動機(jī)：單相控制，A相控制繞組通電時 （10-5） 四相步進(jìn)電動機(jī)：以A相為基準(zhǔn)，采用四相單四拍運行時，各相控制繞組單獨通電的矩角特性 （10-6）應(yīng)用疊加原理，可以方便地得到四相雙四拍的矩角特性曲線族和它的解析表達(dá)式： （10-7）圖10-4 四相步進(jìn)電動機(jī)多相控制10-4動態(tài)特性一、 單脈沖作用下的運行又稱單步運行，即在帶電不動的初始狀態(tài)下，切換一次脈沖電壓。1 空載狀態(tài)圖10-5 空載狀態(tài)的單步運行2 負(fù)載狀態(tài)圖10-6 負(fù)載狀態(tài)的單步運行3 負(fù)載能力：起動轉(zhuǎn)矩：各項矩角特性曲線的交點 代表的電磁轉(zhuǎn)矩值為步進(jìn)電動機(jī)單步運

44、行所能帶動的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，稱為起動轉(zhuǎn)矩。當(dāng)時，電機(jī)才能正常運轉(zhuǎn)圖10-7 負(fù)載能力4 單脈沖作用下電動機(jī)的震蕩現(xiàn)象設(shè)電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零，一相控制繞組通電，轉(zhuǎn)子處于靜態(tài)穩(wěn)定平衡位置。設(shè)為偏轉(zhuǎn)角（機(jī)械角），考慮粘性摩擦產(chǎn)生的阻轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子的運動方程 （10-8）此為衰減震蕩過程二、 連續(xù)運行時步進(jìn)電動機(jī)的動態(tài)特性1 動穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定裕度：*動穩(wěn)定區(qū)：在第n相控制繞組通電狀態(tài)換接為第n+1相控制繞組通電狀態(tài)瞬間，轉(zhuǎn)子位置只要在這個區(qū)間，就能轉(zhuǎn)向新的穩(wěn)定平衡點,且不超過不穩(wěn)定平衡點。把區(qū)域稱作動穩(wěn)定區(qū)。的范圍叫做穩(wěn)定裕度 圖10-8 靜穩(wěn)定區(qū)和動穩(wěn)定區(qū)2 步進(jìn)電動機(jī)的起動過程和起動頻率起動過程：設(shè)步進(jìn)電

45、動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零，在一相控制繞組恒定通電時，轉(zhuǎn)子位于穩(wěn)定平衡點。由A換接到B相運動，下一拍時分兩種情況：（1） 轉(zhuǎn)子角位移較大，在點換接到，矩角特性轉(zhuǎn)矩為正，可以到達(dá)新穩(wěn)定平衡點（2） 轉(zhuǎn)子角位移不大，在點切換，矩角特性轉(zhuǎn)矩為負(fù)，將不能到達(dá)新穩(wěn)定平衡點圖10-9 起動過程分析10-5驅(qū)動電路圖10-10 驅(qū)動電路基本構(gòu)成步進(jìn)電動機(jī)的運動由一系列電脈沖控制，脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的電脈沖信號，通過環(huán)形分配器按一定的順序加到電動機(jī)的各相繞組上。為了使電動機(jī)能夠輸出足夠的功率，經(jīng)過環(huán)形分配器產(chǎn)生的脈沖信號還需要進(jìn)行功率放大。環(huán)形分配器、功率放大器以及其他輔助電路統(tǒng)稱為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電源。步進(jìn)電動機(jī)、驅(qū)動

46、電源和控制器構(gòu)成步進(jìn)電動機(jī)傳動控制系統(tǒng)一、單一電壓型驅(qū)動電路步進(jìn)電動機(jī)一相的驅(qū)動電路如圖3.12所示。這種電路的特點是線路簡單，成本低，低頻時響應(yīng)較好；缺點是效率低，尤其在高頻工作的電動機(jī)效率更低。在實際中較少使用，只有在小功率步進(jìn)電動機(jī)且在簡單應(yīng)用中才使用。圖10-11單一電壓型驅(qū)動電路二、 雙電壓驅(qū)動電路雙電壓驅(qū)動電路習(xí)慣上稱為高低壓切換電路，其最后一級如圖3.13a所示。這種電路的特點是電動機(jī)繞組主電路中采用高壓和低壓兩種電壓供電，一般高壓為低壓的數(shù)倍。適用于大功率和高頻工作的步進(jìn)電動機(jī)，優(yōu)點是功耗小，起動力矩大，突跳頻率和工作頻率高，缺點是低頻振蕩加劇，波形呈凹形，輸出轉(zhuǎn)矩下降；大功率

47、管的數(shù)量多用一倍，增加了驅(qū)動電源。三、升頻升壓驅(qū)動電路為了減小低頻振動，應(yīng)使低速時繞組電流上升的前沿較平緩，這樣才能使轉(zhuǎn)子在到達(dá)新的穩(wěn)定平衡位置時不產(chǎn)生過沖，而在高速時則應(yīng)使電流有較陡的前沿，以產(chǎn)生足夠的繞組電流，才能提高步進(jìn)電動機(jī)的帶載能力。這就要求驅(qū)動電源低頻時用較低的電壓供電，高頻時用較高的電壓供電。升頻升壓驅(qū)動電路可以較好地滿足這一要求。四、細(xì)分驅(qū)動電路如果要求步進(jìn)電動機(jī)有更小的步距角，更高的分辨率(即脈沖當(dāng)量)，或者為減小電動機(jī)振動、噪聲等原因，可以在每次輸入脈沖切換時，只改變相應(yīng)繞組中額定的一部分，則電動機(jī)的合成磁勢也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分，轉(zhuǎn)子的每步運行也只有步距角的一部分，繞組電

48、流分成數(shù)個臺階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的次數(shù)轉(zhuǎn)過一個步距角，這種將一個步距角細(xì)分成若干步的驅(qū)動力法，稱為細(xì)分驅(qū)動。第八章 直線電動機(jī) 直線電動機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機(jī)械能的電力傳動裝置。它可以省去大量中間傳動機(jī)構(gòu)，加快系統(tǒng)反映速度，提高系統(tǒng)精確度，所以得到廣泛的應(yīng)用。直線電動機(jī)的種類按結(jié)構(gòu)形式可分為；單邊扁平型、雙邊扁平型、圓盤型、圓筒型（或稱為管型）等；按工作原理可分為：直流、異步、同步和步進(jìn)等。下面僅對結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，運行可靠的直線異步電動機(jī)做簡要介紹。 直線異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)主要包括定子、動子和直線運動的支撐輪三部分。為了保證在行程范圍內(nèi)定子和動子之間具有良好的電磁場耦合，定子和動子

49、的鐵心長度不等。定子可制成短定子和長定子兩種形式。由于長定子結(jié)構(gòu)成本高、運行費用高，所以很少采用。直線電動機(jī)與旋轉(zhuǎn)磁場一樣，定子鐵心也是由硅鋼片疊成，表面開有齒槽；槽中嵌有三相、兩相或單相繞組；單相直線異步電動機(jī)可制成罩極式，也可通過電容移相。直線異步電動機(jī)的動子有三種形式： (1)磁性動子 動子是由導(dǎo)磁材料制成（鋼板），既起磁路作用，又作為籠型動子起導(dǎo)電作用。 (2)非磁性動子 ，動子是由非磁性材料（銅）制成，主要起導(dǎo)電作用，這種形式電動機(jī)的氣隙較大，勵磁電流及損耗大。 (3)動子導(dǎo)磁材料表面覆蓋一層導(dǎo)電材料，導(dǎo)磁材料只作為磁路導(dǎo)磁作用；覆蓋導(dǎo)電材料作籠型繞組。 因磁性動子的直線異步電動機(jī)結(jié)

50、構(gòu)簡單，動子不僅作為導(dǎo)磁、導(dǎo)電體，甚至可以作為結(jié)構(gòu)部件，其應(yīng)用前景廣闊。 直線異步電動機(jī)的工作原理和旋轉(zhuǎn)式異步電動機(jī)一樣，定子繞組與交流電源相連接，通以多相交流電流后，則在氣隙中產(chǎn)生一個平穩(wěn)的行波磁場（當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場半徑很大時，就成了直線運動的行波磁場）。該磁場沿氣隙作直線運動，同時，在動子導(dǎo)體中感應(yīng)出電動勢，并產(chǎn)生電流，這個電流與行波磁場相互作用產(chǎn)生異步推動力，使動子沿行波方向作直線運動。若把直線異步電動機(jī)定子繞組中電源相序改變一下，則行波磁場移動方向也會反過來，根據(jù)這一原理，可使直線異步電動機(jī)作往復(fù)直線運動。 直線異步電動機(jī)主要用于功率較大場合的直線運動機(jī)構(gòu)，如門自動開閉裝置，起吊、傳遞和升降的機(jī)械設(shè)備，驅(qū)動車輛，尤其是用于高速和超速運輸