chap7微控電機(jī)課件

第七章微控電機(jī)

微控電機(jī):由驅(qū)動微電機(jī)和控制電機(jī)構(gòu)成。驅(qū)動微電機(jī):用來拖動各種小型負(fù)載,功率一般都在750W以下,因此外形尺寸較小,相應(yīng)的功率也小,如單相異步電動機(jī),微型同步電動機(jī),直線電動機(jī)。本章主要介紹單相異步電動機(jī)。控制電機(jī):在自動控制系統(tǒng)中對信號進(jìn)行傳遞和變換,用做執(zhí)行元件或信號元件。主要有伺服電動機(jī),步進(jìn)電動機(jī),測速發(fā)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)變壓器,自整角機(jī)。

微控電機(jī)（主要指控制電機(jī)）在本質(zhì)上和我們以前所講的普通電機(jī)并沒有區(qū)別,只是他們的側(cè)重點(diǎn)不同而已:普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)主要是進(jìn)行能量變換，要求有較高的力能指標(biāo)；控制電機(jī)主要是對控制信號進(jìn)行傳遞和變換，要求有較高的控制性能，如要求反應(yīng)快、精度高、運(yùn)行可靠等?？刂齐姍C(jī)因其各種特殊的控制性能而常在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件、檢測元件和解算元件。二、工作原理：由于在正常運(yùn)行時只有工作繞組接在電源上，即單相供電，下面首先分析一相定子繞組通電時的機(jī)械特性。1、一相定子繞組通電時的機(jī)械特性：單相異步電動機(jī)只有工作繞組通入單相交流電時，將產(chǎn)生空間正弦分布的脈振磁通勢F，一個脈振磁通勢可以分解為轉(zhuǎn)速相同、轉(zhuǎn)向相反的兩個旋轉(zhuǎn)磁通勢F+、F-,且F+=F-。單相異步電動機(jī)的鼠籠轉(zhuǎn)子在這兩個旋轉(zhuǎn)磁通勢F+、F-的分別作用下,將分別產(chǎn)生使電動機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩T+、T-。F+F-T+T-正相序負(fù)相序三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性單相異步電動機(jī)的鼠籠轉(zhuǎn)子所受的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩T+、T-，與鼠籠轉(zhuǎn)子在三相異步電動機(jī)正向旋轉(zhuǎn)磁通勢F+（電源相序?yàn)檎龝r）和反向旋轉(zhuǎn)磁通勢F-（電源相序?yàn)樨?fù)時）作用下所受到的電磁轉(zhuǎn)矩形狀完全一樣。即有：一相定子繞組通電時的機(jī)械特性T=T++T-為合成電磁轉(zhuǎn)矩

右圖為只有工作繞組通電時的機(jī)械特性曲線。通過該曲線可以看出：(1)單相異步電動機(jī)(單繞組通電時)起動轉(zhuǎn)矩為零，不能自起動。(2)若其它原因使電動機(jī)起動后，合成電磁轉(zhuǎn)矩能使電動機(jī)繼續(xù)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)運(yùn)行。以上分析可見，單個繞組通電，單相異步電動機(jī)可以運(yùn)行，但不能起動，因此必須有兩相繞組才行。2、兩相繞組通電時的機(jī)械特性：由圖可知：在F+>F-的情況下,當(dāng)n=0時，T>0,電動機(jī)能正向起動，

n>0，T>0電動機(jī)起動后仍能繼續(xù)運(yùn)行。同理：若F+<F-,電動機(jī)可以反向起動并反向運(yùn)行。單相異步電動機(jī)空間上相距90度電角度的兩相繞組同時通入不同幅值、不同相位的交流電流時，一般情況下產(chǎn)生橢圓旋轉(zhuǎn)磁通勢F。一個橢圓旋轉(zhuǎn)磁通勢也可以分解為轉(zhuǎn)向相反，大小不等的兩個旋轉(zhuǎn)磁通勢F+、F-,若F+>F-,鼠籠轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁通勢的作用下產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩特性如圖（設(shè)F+>F-）。兩相繞組通電時的機(jī)械特性三、各種類型的單相異步電動機(jī)：1、單相電阻分相起動異步電動機(jī)單相電阻分相起動異步電動機(jī)的起動繞組通過一個起動開關(guān)和工作繞組并聯(lián)接到單相電源上，如圖：通常設(shè)計(jì)起動繞組匝數(shù)比工作繞組匝數(shù)少一些，且導(dǎo)線截面小得更多，使起動繞組的電抗比工作繞組小，而電阻比工作繞組大，這樣，使起動繞組的阻抗角小于工作繞組，兩繞組并聯(lián)接于U時，起動繞組電流Ia比工作繞組電流Im相位領(lǐng)先，如圖，達(dá)到分相起動的目的。2、單相電容分相起動異步電動機(jī)單相電容分相起動異步電動機(jī)的起動繞組串聯(lián)一電容器和一個起動開關(guān)，再與工作繞組并聯(lián)接到單相電源上，如圖：這樣，起動繞組的阻抗呈容性，其起動電流Ia超前于電源U；工作繞組的阻抗呈感性，其起動電流Im滯后于電源U；兩繞組并聯(lián)接于U時，Ia比Im領(lǐng)先一個較大的相位，如圖，達(dá)到分相起動的目的。3、單相罩極式異步電動機(jī)定子通入交流電流后，在主磁極感應(yīng)磁通勢，部分磁通穿過短路環(huán)，并在其中產(chǎn)生感應(yīng)電流。該電流在短路環(huán)所罩部分磁極中也感應(yīng)產(chǎn)生磁通，致使有短路環(huán)部分和沒有短路環(huán)部分的磁通有了相位差，從而形成旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)起來，如圖。

單相罩極式異步電動機(jī)的定子鐵心多制成凸極式，其轉(zhuǎn)子仍為鼠籠式，定子都有凸起的磁極，每個磁極上有主繞組，極面的1/3處開有小槽，小槽中嵌入短路銅環(huán)K，將部分磁極罩起來，故得名罩極式電機(jī)，如圖。

圖中電機(jī)轉(zhuǎn)動方向：順時針。因?yàn)闆]有短路環(huán)部分的磁通比有短路環(huán)部分的磁通領(lǐng)先。定子磁極轉(zhuǎn)子短路環(huán)K主繞組1、簡介直流伺服電動機(jī)實(shí)際上就是他勵直流電動機(jī)，只不過直流伺服電動機(jī)輸出功率較小而已。由直流電動機(jī)原理可知：當(dāng)直流伺服電動機(jī)勵磁繞組和電樞繞組都通過電流時，電機(jī)旋轉(zhuǎn)；當(dāng)其中任一繞組斷電時，電機(jī)停轉(zhuǎn)。故輸入的控制信號，既可加到勵磁繞組上，也可加到電樞繞組?？刂菩盘柤拥诫姌欣@組上，通過改變控制信號的大小和極性來控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的大小和方向，這種方式叫電樞控制；把控制信號加到勵磁繞組上進(jìn)行控制，這種方式叫磁場控制（使用場合少）。直流伺服電動機(jī)線路圖一、直流伺服電動機(jī)2：特性分析直流伺服電動機(jī)電樞控制線路如圖，勵磁繞組接恒定直流電源Uf，電樞繞組接控制電壓Uc。1）機(jī)械特性：直流伺服電動機(jī)電樞控制線路圖直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性改變Uc，機(jī)械特性是一組平行的直線2）調(diào)節(jié)特性：調(diào)節(jié)特性是指在一定的轉(zhuǎn)矩T下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與控制電壓Uc的關(guān)系。由機(jī)械特性方程，T不同時，調(diào)節(jié)特性也是一組平行線，如圖。直流伺服電動機(jī)的調(diào)節(jié)特性小結(jié)：電樞控制的直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性都是線性的，控制信號消失，電機(jī)即停轉(zhuǎn)，是一種很好的執(zhí)行元件。T=T1，Uc>U1，電機(jī)才能起動。U1：始動電壓自轉(zhuǎn)現(xiàn)象：伺服電動機(jī)在控制信號消失后仍繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的失控現(xiàn)象稱為“自轉(zhuǎn)”。為了使電機(jī)具有伺服性：即控制電壓Uc=0時，電動機(jī)應(yīng)該停轉(zhuǎn)，故需要消除這種自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。如何克服自轉(zhuǎn)：從機(jī)械特性圖上我們可以看出,為了使當(dāng)控制信號為零時,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也為零,只要轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向和電磁轉(zhuǎn)矩的方向相反,就可以實(shí)現(xiàn)此目的。下面.我們從異步電機(jī)一相繞組通電時的機(jī)械特性圖進(jìn)行分析:a）0<n<n1（正轉(zhuǎn)）時，令Uc=0，則勵磁繞組單相供電產(chǎn)生脈振磁場，T>0，電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動。此時Sm+<1。Sm+a）c）當(dāng)Sm+=1，令Uc=0，0<n<n1（正轉(zhuǎn)）時，T<0，是制動性轉(zhuǎn)矩；若0>n>-n1（反轉(zhuǎn)）時，T>0，也是制動性轉(zhuǎn)矩；能使電機(jī)制動到停止。c）b）增大Sm+，使Sm+

1。b）只要Sm+

>=1,可避免自轉(zhuǎn)現(xiàn)象故：增加轉(zhuǎn)子電阻，Sm+增加，使正向磁場產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時的臨界轉(zhuǎn)差率Sm+≥1，可以消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。還可以擴(kuò)大交流伺服電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍。但轉(zhuǎn)子電阻過大，會降低起動轉(zhuǎn)矩，從而影響快速響應(yīng)性能。

已知：3、控制方法交流伺服電動機(jī)運(yùn)行時，勵磁繞組如果接在額定電壓上，大小、相位不變，那么改變控制繞組所加的電壓Uc的大小和相位，電動機(jī)氣隙磁通勢則隨著信號電壓Uc的大小和相位而改變。若Uc與Uf幅值相等，相位相差90電角度，則電機(jī)的氣隙磁場為圓形旋轉(zhuǎn)磁場；若改變Uc的大小或相位，電機(jī)的氣隙磁場為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場；大小或相位不同旋轉(zhuǎn)磁場的橢圓度不同，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也不同，從而可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；若Uc的幅值為0或Uc與Uf相位差為0電角度時，氣隙磁場為脈振磁場，無起動轉(zhuǎn)矩。

因此，改變控制電壓Uc的大小和相位即可實(shí)現(xiàn)對交流伺服電動機(jī)的控制，控制方法主要有：幅值控制、相位控制、幅值-相位控制。1）幅值控制：如圖所示，幅值控制通過改變控制電壓的大小來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，此時控制電壓與勵磁電壓之間的相位差始終保持90°電角度。若控制繞組的額定電壓,那么控制信號的大小可表示Ｕc＝ＵcN,稱為有效信號系數(shù)，那么以Ｕcn為基值，控制電壓Ｕc的標(biāo)么值為：

當(dāng)有效信號系數(shù)＝１時，兩電壓幅值相等，相位相差90°電角度。所產(chǎn)生的氣隙磁通勢為圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)距最大。當(dāng)<１時，控制電壓小于勵磁電壓的幅值，所建立的氣隙磁場為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩減??；越小，氣隙磁場的橢圓度越大，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩越小，電機(jī)轉(zhuǎn)速越慢。在＝０時，控制信號消失，氣隙磁場為脈振磁場，電機(jī)不轉(zhuǎn)或停轉(zhuǎn)。幅值控制的交流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性如下圖所示。圖中的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都采用標(biāo)么值。2）相位控制:這種控制方式通過改變控制電壓與勵磁電壓之間的相位差來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制，而控制電壓的幅值保持不變。如圖所示。相位通過移相器可以改變，改變兩者之間的相位差,從而可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。相位控制的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性與幅值控制相似，也為非線性。3）幅值—相位控制:

如圖所示,Uc與電源電壓同相位，但其大小可以改變，并在勵磁繞組回路中串聯(lián)電容C進(jìn)行分相。

幅度—相位控制具有線路簡單、成本低廉、輸出功率較大的優(yōu)點(diǎn)，因而成為使用最多的控制方式。當(dāng)調(diào)節(jié)Uc的幅值時，由于轉(zhuǎn)子繞組的耦合及電容C的分相作用，勵磁繞組中電流及其電壓也隨之改變，從而使Uc與Uf之間的大小和相位發(fā)生變化。進(jìn)而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。7.3步進(jìn)電動機(jī)一、定義：是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移的電動機(jī)。簡單的理解：給一個電脈沖信號，電機(jī)前進(jìn)一步，因此被稱之為步進(jìn)電動機(jī)。相對與模擬的電壓信號，步進(jìn)電機(jī)的控制信號是數(shù)字量，因此，更廣泛的應(yīng)用在數(shù)字控制場合，例如，計(jì)算機(jī)的外圍控制系統(tǒng)等。根據(jù)勵磁方式的不同，步進(jìn)電動機(jī)分為反應(yīng)式、永磁式和感應(yīng)子式（又叫混合式），而反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)應(yīng)用較多。下面我們以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例來闡述步進(jìn)電動機(jī)的工作原理。如果B相通電，A相和C相斷電，那轉(zhuǎn)子受反應(yīng)轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)子齒2齒4與定子極B、B’對齊。轉(zhuǎn)子在空間上逆時針轉(zhuǎn)過30，即前進(jìn)了一步，轉(zhuǎn)過這個角叫做步距角。b當(dāng)A相通電，B相、C相不通電時，氣隙磁場與A相軸線重合。若轉(zhuǎn)子和磁場軸線方向原有一定角度，由于磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過，則在磁場的作用下，電機(jī)轉(zhuǎn)子受到一個反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，（稱之為靜轉(zhuǎn)矩），使轉(zhuǎn)子的齒1和齒3旋轉(zhuǎn)到與相繞組軸線相同的位置上，此時轉(zhuǎn)子只受到徑向力的作用而反應(yīng)轉(zhuǎn)矩為零。

ac如果C相通電，A相B相斷電，轉(zhuǎn)子又逆時針轉(zhuǎn)動一個步距角，使轉(zhuǎn)子的齒1和齒3與定子極C、C’對齊。

如此按A-B-C-A順序不斷地接通和斷開控制繞組，電機(jī)便按一定的方向一步一步地轉(zhuǎn)動，若按A-C-B-A順序通電，則電機(jī)反向一步一步轉(zhuǎn)動。這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個循環(huán)周期共包括三個脈沖，所以稱三相單三拍。三相單三拍的特點(diǎn)：（1）每來一個電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30。此角稱為步距角，用S表示。（2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序，改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。相關(guān)概念：1、靜轉(zhuǎn)矩T：電機(jī)轉(zhuǎn)子受到的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩。

2、步距角：在靜轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子齒每前進(jìn)一步在電機(jī)圓周上所跨過的距離，我們用一個角度來表示，叫做步距角。3、拍(N)：每改變一次通電方式叫做一拍。4、單：每次改變通電方式只有一個繞組通電。5、雙：每改變一次通電方式有兩相繞組同時通電。

若按順序通電，每次循環(huán)需換接6次，故稱為三相六拍，因單相通電和兩相通電輪流進(jìn)行，故又稱為三相單、雙六拍。

三相單、雙六拍的工作原理：A相通電時，轉(zhuǎn)子齒1、3和定子磁極A、A’對齊。

當(dāng)A、B相同時通電時，轉(zhuǎn)子齒2、4受到反應(yīng)轉(zhuǎn)矩而逆時針方向轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)動后，轉(zhuǎn)子齒1、3也受到一個順時針的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，當(dāng)這兩個方向相反的轉(zhuǎn)矩大小相等時，電機(jī)轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動。當(dāng)A相斷電而只由B相通電時，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過一個角度使轉(zhuǎn)子齒2、4和定子磁極B、B’對齊。兩拍轉(zhuǎn)過的角度為30，則步距角是三相單三拍的一半，即為15

。

三相單、雙六拍的通電順序?yàn)锳-AB-B-BC-C-CA-A，其步距角為15

；若上述三相六拍運(yùn)行方式去掉單相繞組單獨(dú)通電的狀態(tài)，即按AB-BC-CA-AB順序通電，每次均有兩個控制繞組通電，故稱為三相雙三拍，不難分析，按三相雙三拍方式運(yùn)行時，其步矩角與三相單三拍一樣，都是30。

由上面的分析可知，同一臺步進(jìn)電機(jī)，其通電方式不同，步距角可能不一樣，采用單雙拍通電方式，其步矩角S是單拍或雙拍的一半；采用雙極通電方式，其穩(wěn)定性比單極要好。三、相關(guān)計(jì)算：從前面的分析，我們已經(jīng)看到雙拍電機(jī)的穩(wěn)定性要比單拍電機(jī)的好，其實(shí)也就是步距角應(yīng)該越小越好，所以從電機(jī)的穩(wěn)定性及控制精度考慮出發(fā)，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)應(yīng)該盡可能的增加。在實(shí)踐中一般采用轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多、定子磁極上帶有小齒的反應(yīng)式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子齒距與定子齒距相同，轉(zhuǎn)子齒數(shù)還要滿足自動錯位的條件。即每個定子磁極下的轉(zhuǎn)子齒數(shù)不能為正整數(shù)，而應(yīng)相差1/m個轉(zhuǎn)子齒距（使m相通電后轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)子齒距），如圖。因此，每個定子磁極下的轉(zhuǎn)子齒數(shù)為：式中m為相數(shù)，2p為一相繞組通電時在氣隙圓周上形成的磁極數(shù)，K為正整數(shù)。那么轉(zhuǎn)子總的齒數(shù)為

當(dāng)電機(jī)的每個通電循環(huán)（N拍）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)子齒距時，則一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的機(jī)械角即步距角為：

這樣，步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速為：具體舉例來看：一臺三相六極轉(zhuǎn)子40個齒的反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，求N為3和6時的步距角。N=3時，θS=3600/Zr3=30N=6時，θS=3600/Zr6=1.50四、驅(qū)動電源步進(jìn)電動機(jī)的控制繞組中需要一系列有一定規(guī)律的電脈沖信號，從而使電機(jī)按照生產(chǎn)要求運(yùn)行。這個產(chǎn)生一系列有一定規(guī)律的電脈沖信號的電源稱為驅(qū)動電源。步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源主要包括變頻信號源、脈沖分配器和脈沖放大器三個部分，其方框圖如圖所示。

五、步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用步進(jìn)電動機(jī)是用脈沖信號控制的，一周的步數(shù)是固定的，只要不丟步，角位移誤差不存在長期積累的情況，主要用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，精度高，運(yùn)行可靠。如采用位置檢測和速度反饋，亦可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。步進(jìn)電動機(jī)已廣泛地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，如數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)控機(jī)床、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、自動記錄儀、鐘表等之中，另外在工業(yè)自動化生產(chǎn)線、印刷設(shè)備等中亦有應(yīng)用。7.4測速發(fā)電機(jī)一、定義：測速發(fā)電機(jī)是一種測量轉(zhuǎn)速的微型發(fā)電機(jī)，它把輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)速變換為電壓信號輸出，并要求輸出的電壓信號與轉(zhuǎn)速成正比：U2=Cn測速發(fā)電機(jī)分直流和交流兩大類。一、直流測速發(fā)電機(jī)：1、工作原理：直流測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理與直流發(fā)電機(jī)是一樣的，如圖：因此：當(dāng)磁通Φ=常數(shù)時，外部的機(jī)械轉(zhuǎn)軸帶動電樞以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)的電動勢為：E0=CeΦ0n1）在空載時，直流測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓就是電樞感應(yīng)電動勢：U0＝Ｅ0，顯然輸出電壓U0與n成正比。圖

直流測速發(fā)電機(jī)的工作原理整理后得2）有負(fù)載時，若電樞電阻為Ra，負(fù)載電阻為RL，不計(jì)電刷與換向器間的接觸電阻，則直流測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓為：當(dāng)Φ0、Ra及RL都不變時，輸出電壓U與轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系。對于不同的負(fù)載電阻RL，輸出特性的斜率C不同，負(fù)載電阻越小，斜率C也越小。如圖2、誤差分析：顯然，直流測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓與轉(zhuǎn)速要嚴(yán)格保持正比關(guān)系在實(shí)際中是難以做到的，實(shí)際的輸出特性為圖7.21中實(shí)線。造成這種非線性誤差的原因主要有以下三個方面：電樞反應(yīng)，溫度的影響和接觸電阻。

二、交流測速發(fā)電機(jī)：交流測速發(fā)電機(jī)分為同步測速發(fā)電機(jī)和異步測速發(fā)電機(jī)。以下僅介紹交流異步測速發(fā)電機(jī)。1、結(jié)構(gòu)介紹：

在自動控制系統(tǒng)中多用空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機(jī)。空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機(jī)定子上有兩個在空間上互差90電角度的繞組，一為勵磁繞組，另一為輸出繞組，如圖所示。2、工作原理：工作時，勵磁繞組接頻率為f的單相交流電源，此時顯然沿著直軸方向?qū)a(chǎn)生一個脈振磁動勢ΦD，1）當(dāng)轉(zhuǎn)子不動時，脈振磁動勢D在空心杯轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出變壓器電勢，產(chǎn)生的磁場為與勵磁電源同頻率的脈振磁場D，也為d軸，都與處于q軸的輸出繞組無磁通交鏈。

2）

當(dāng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動時，轉(zhuǎn)子切割直軸磁通D，在杯型轉(zhuǎn)子中感應(yīng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢Er，其大小正比于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n，并以勵磁磁場D的脈振頻率f交變，又因空心杯轉(zhuǎn)子相當(dāng)于短路繞組，故旋轉(zhuǎn)電勢Er在杯型轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生交流短路電流Ir，其大小正比于Er，其頻率為Er的交變頻率f，若忽視杯型轉(zhuǎn)子的漏抗的影響，那么電流Ir所產(chǎn)生的脈振磁通q的大小正比于Er，在空間位置上與輸出繞組的軸線（q軸）一致，因此轉(zhuǎn)子脈振磁場q與輸出繞組相交鏈而產(chǎn)生感應(yīng)電勢E，據(jù)上分析有：E輸出繞組感應(yīng)產(chǎn)生的電勢E實(shí)際就是交流異步測速發(fā)電機(jī)輸出的空載電壓U，其大小正比于轉(zhuǎn)速n，其頻率為勵磁電源的頻率f。當(dāng)然，這里也存在著不可避免的誤差。誤差分析：主要有非線性誤差、剩余電壓和相位誤差。7.測速發(fā)電機(jī)的應(yīng)用

測速發(fā)電機(jī)的作用是將機(jī)械速度轉(zhuǎn)換為電氣信號，常用作測速元件、校正元件、解算元件，與伺服電機(jī)配合，廣泛使用于許多速度控制或位置控制系統(tǒng)中，如在穩(wěn)速控制系統(tǒng)中，測速發(fā)電機(jī)將速度轉(zhuǎn)換為電壓信號作為速度反饋信號，可達(dá)到較高的穩(wěn)定性和較高的精度，在計(jì)算解答裝置中，常作為微分、積分元件。誤差分析：主要有非線性誤差、剩余電壓和相位誤差。①非線性誤差只有嚴(yán)格保持直軸磁通d不變的前提下，交流異步測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓才與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比，但在實(shí)際中直軸磁通d是變化的，為了減小轉(zhuǎn)子漏抗造成的線性誤差，異步測速發(fā)電機(jī)都采用非磁性空心杯轉(zhuǎn)子，常用電阻率大的磷青銅制成，以增大轉(zhuǎn)子電阻，從而可以忽略轉(zhuǎn)子漏抗，與此同時使杯型轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時切割交軸磁通Φq而產(chǎn)生的直軸磁勢明顯減弱。另外，提高勵磁電源頻率，也就是提高電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，也可提高線性度，減小線性誤差。

②剩余電壓當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時，交流測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓應(yīng)當(dāng)為零，但實(shí)際上還會有一個很小的電壓輸出，此電壓稱為剩余電壓。

③相位誤差7.5自整角機(jī)一、定義：在自動控制系統(tǒng)中，常常需要指示位置和角度的數(shù)值，或者需要遠(yuǎn)距離調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度，或者需要某一根或多根軸隨著另外的與其無機(jī)械連接的軸同步轉(zhuǎn)動，這樣，就出現(xiàn)了自整角機(jī)，即用來實(shí)現(xiàn)自動指示角度和同步傳輸角度的一類控制電機(jī)。

二、結(jié)構(gòu)：通常做成兩極電機(jī)。1.三相整步繞組；2.定子鐵心；7.轉(zhuǎn)子鐵心；4轉(zhuǎn)子勵磁繞組；5轉(zhuǎn)軸；6滑環(huán)(a)(b)(c)

二、結(jié)構(gòu)：自整角機(jī)通常是兩臺或兩臺以上組合使用，產(chǎn)生信號的自整角機(jī)稱為發(fā)送機(jī)，它將軸上的轉(zhuǎn)角變換為電信號，接收信號的自整角機(jī)稱為接收機(jī)，它將發(fā)送機(jī)發(fā)送的電信號變換為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角，從而實(shí)現(xiàn)角度的傳輸、變換和接收。在隨動系統(tǒng)中主令軸只有一根，而從動軸可以是一根，也可以是多根，主令軸安裝發(fā)送機(jī)，從動軸安裝接受機(jī)，故而一臺發(fā)送機(jī)帶一臺或多臺接受機(jī)。主令軸與從動軸之間的角位差，稱為失調(diào)角。三、分類：自整角機(jī)按自整角輸出量可分為力矩式自整角機(jī)和控制式自整角機(jī)兩種。四、控制式自整角機(jī)工作原理自整角機(jī)工作時，發(fā)送機(jī)的勵磁繞組接在單相交流電源上，發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的三相整步繞組中，同樣相號的引出線接在一起。自整角接收機(jī)工作在變壓器狀態(tài)，稱其為自整角變壓器。在這里，為了表示清楚，我們把勵磁繞組與整步繞組分開畫，習(xí)慣上，勵磁繞組畫在上邊，整步繞組畫在下邊，圖中，下標(biāo)為F的是發(fā)送機(jī)，畫在左邊，下標(biāo)為J的是接收機(jī)，畫在右邊。把發(fā)送機(jī)勵磁繞組的軸線定為d軸（直軸），與其垂直的的方向是q軸（交軸），如圖所示：控制式自整角機(jī)工作原理1、三相整步繞組的電勢和電流當(dāng)發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子上的勵磁繞組接入單相交流電流時，產(chǎn)生的是正弦分布的脈振磁場，與發(fā)送機(jī)三相整步繞組相交鏈而感應(yīng)產(chǎn)生電動勢。如果發(fā)送機(jī)三相整步繞組的某相（如A相）與磁勵繞組的軸線重合作為起始位置，那么此時該相的感應(yīng)電動勢，其有效值為

E=4.44fNkNΦm如果發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子的位置角為1，如圖所示，那么由發(fā)送機(jī)勵磁繞組產(chǎn)生的主磁場在其各相整步繞組中感應(yīng)的電勢的有效值分別為E1a

=Ecos1E1b

=Ecos(1－120)E1c

=Ecos(1－240)設(shè)自整角發(fā)送機(jī)的每相整步繞組的阻抗為Z1，自整角變壓器每相整步繞組的阻抗為Z2，為了便于分析，把兩臺自整角機(jī)的三相整步繞組的星點(diǎn)連接起來，那么三相整步繞組的回路電流分別為三相整步繞組星點(diǎn)連線中的電流為

I0=Ia+Ib+Ic=Icos1+Icos(-120)+Icos(-240)

=0可見：連線中并沒有電流，實(shí)際線路中并不需要連接，分析時連接只不過為了便于分析而已。2、三相整步繞組磁勢由于三相整步繞組的電勢都是由同一個脈振磁通感應(yīng)產(chǎn)生，因控制式自整角發(fā)送機(jī)和自整角變壓器的每相整步繞組回路的阻抗都相同，因而整步繞組的每一相繞組回路的電流是同頻同相位的，那么其合成磁勢為空間分布的脈振磁勢。自整角發(fā)送機(jī)每相磁勢幅值為：

為了分析的方便，通常把整步繞組中三個空間脈振磁勢分解為直軸分量和交軸分量，勵磁繞組為直軸，也稱d軸，交軸與直軸在空間相差90，稱為q軸。那么控制式自整角發(fā)送機(jī)三相繞組的直軸分量磁勢為F1d=F1acos1+F1bcos(1-120)+F1ccos(1-240)=Fmcos21+Fmcos2(1-120)+Fmcos2(1-240)=Fm交軸分量的磁通勢為F1q=F1asin1+F1bsin(1-120)+F1csim(1-240)=Fmcos1sin1+Fmcos(1-120)sin(1-120)+Fmcos(1-240)sim(1-240)=0上述公式表明，控制式自整角發(fā)送機(jī)的三相繞組合成磁勢沒有交軸分量，只有直軸分量，即合成磁勢是一個直軸磁勢，與勵磁繞組同軸，與1無關(guān)。自整角變壓器的三相繞組電流就是發(fā)送機(jī)繞組電流，只不過對發(fā)送機(jī)而言，電流是“流出”的，對于接收機(jī)（自整角變壓器）而言，電流是“流入”的，如圖所示,因而在接收機(jī)整步繞組中產(chǎn)生的磁通勢F1＇與F1大小相等，方向相反，也與1無關(guān)。3、自整角變壓器的輸出電勢：如果自整角變壓器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角2等于自整角發(fā)送機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角1，則自整角變壓器三相繞組合成磁勢所產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子輸出繞組同軸線，那么在轉(zhuǎn)子輸出繞組中感應(yīng)電動勢Em的值最大，如果21，自整角變壓器定子合成磁勢與轉(zhuǎn)子輸出繞組軸線夾角為=1-2，如圖所示，此時轉(zhuǎn)子輸出繞組感生的電動勢為：E2=Emcos(1－

2)=Emcos

E2=Emcos(1－

2)=Emcos由上式知，自整角變壓器輸出電壓（電勢）為失調(diào)角的余弦函數(shù)，在實(shí)際控制系統(tǒng)中會帶來一些問題。（1）當(dāng)隨動系統(tǒng)處于協(xié)調(diào)位置（即失調(diào)角=0）時，希望自整角變壓器的輸出電壓為0，當(dāng)0時，才有電壓信號輸出，送到交流伺服電動機(jī)中，使伺服電動機(jī)旋轉(zhuǎn)以清除，但如按圖工作，那么，在失調(diào)角為0時，自整角變壓器輸出電壓反而最大，增大，輸出電壓反而減小，與實(shí)際需要相反。（2）失調(diào)角是有方向的，是順時針還是反時針是必須明確的，即的正負(fù)值是表明方向的，但上述系統(tǒng)中不管為正還是為負(fù)，其輸出的電壓都是正的，因?yàn)镋cos(-)=Ecos.為了解決上述問題，在實(shí)際使用的系統(tǒng)中，自整角發(fā)送機(jī)的a相定子繞組線作直軸，其轉(zhuǎn)子繞組以直軸作起始位置，而把自整角變壓器轉(zhuǎn)子輸出繞組放在交軸上，事實(shí)上，把自整角變壓器的轉(zhuǎn)子由原來的協(xié)調(diào)位置（=0）處旋轉(zhuǎn)90作為起始位置，那么輸出繞組感應(yīng)電動勢

E2=Emcos(-90)=Emsin

空載時，輸出電壓U2=E2，負(fù)載時，輸出電壓下降，若選擇輸入阻抗大的放大器作為負(fù)載，則自整角變壓器輸出電壓下降不大。自整角變壓器的輸出電壓U2隨失調(diào)角變化的曲線如圖所示。自整角變壓器在協(xié)調(diào)位置即=0時，輸出電壓為0，當(dāng)=1時輸出的電壓值叫比電壓U0，比電壓越大，控制系統(tǒng)越靈敏。

E2=Em(-90)=Emsin

五、力矩式自整角機(jī)：在隨動系統(tǒng)中，不需放大器和伺服電動機(jī)的配合，兩臺力矩式自整角機(jī)就可進(jìn)行角度傳遞，因而常用以轉(zhuǎn)角指示。其工作原理如圖：兩臺電機(jī)的勵磁繞組接到同一單相交流電源上，三相整步繞組對應(yīng)相接。當(dāng)發(fā)送機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角為1，接收機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角為2，在上述假設(shè)條件下，力矩式自整角機(jī)工作時電機(jī)內(nèi)磁勢情況可以看成發(fā)送機(jī)勵磁繞組與接收機(jī)勵磁繞組分別單獨(dú)接電源時所產(chǎn)生的磁勢的線性疊加。1）、直軸、交軸磁勢是如何產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的：力矩式自整角機(jī)的轉(zhuǎn)矩是定子磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢相互作用而產(chǎn)生的。為分析自整角機(jī)的力矩，我們先來看看直軸、交軸磁勢是如何產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的。A：圖b，在直軸磁通（磁勢）下，通電線圈產(chǎn)生的也是直軸磁勢，此時線圈也受到的電磁力F的方向如圖所示，顯然不會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。同樣的，圖c是產(chǎn)生交軸磁勢的線圈在交軸磁通（磁勢）下也不會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。B：圖d，在直軸磁通（磁勢）下，通電線圈產(chǎn)生的是交軸磁勢，線圈邊受力方向相反，使線圈產(chǎn)生順時針力矩，最終使線圈停在水平位置，兩磁勢的軸線重合，同樣的，圖e是產(chǎn)生直軸磁勢的線圈在交軸磁通（磁勢）下受到逆時針的轉(zhuǎn)矩。

綜上所述，同軸磁勢不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，直軸磁勢與交軸磁勢能夠產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是使兩磁勢磁軸線靠攏。2）、力矩自整角機(jī)的力矩及方向：在接收機(jī)中，F(xiàn)2與勵磁磁勢Ff是同軸磁勢，故不會產(chǎn)生力矩，而F1‘與Ff軸線的夾角即失調(diào)角=1-2，不同軸的磁勢則產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩：若把F2作直軸，那么可把F1‘分為直軸分量F1’cos交軸分量F1‘sin，如圖所示。直軸分量與Ff同軸不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，交軸分量F1‘sin則與Ff產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，此轉(zhuǎn)矩稱為整步轉(zhuǎn)矩。若=90時產(chǎn)生的最大整步轉(zhuǎn)矩為Tm，那接收機(jī)所產(chǎn)生的整步轉(zhuǎn)矩可以表達(dá)為：T=Tmsin

當(dāng)失調(diào)角越大，自整角接收機(jī)產(chǎn)生的整步轉(zhuǎn)矩越大，轉(zhuǎn)矩的方向是使Ff和F1‘靠攏，即轉(zhuǎn)子往失調(diào)角減小的方向旋轉(zhuǎn)，如為空載，最終會消除失調(diào)角，此時，兩個力矩式自整角機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角相等1=2，=1-2=0，隨動系統(tǒng)處于協(xié)調(diào)位置。但實(shí)際上，由于機(jī)械摩擦等原因的影響，使空載時失調(diào)角并不為0，而存在著一個較小的Δ，誤差Δ叫做靜態(tài)誤差，即自整角發(fā)送機(jī)和接受機(jī)轉(zhuǎn)子停止不轉(zhuǎn)時的失調(diào)角。

若主軸在外部力矩下連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動，1與2的差值角使接收機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，以減小失調(diào)角，即使接收機(jī)時刻跟隨發(fā)送機(jī)旋轉(zhuǎn)。失調(diào)角與靜態(tài)整步轉(zhuǎn)矩T的關(guān)系曲線如圖所示，當(dāng)失調(diào)角=1時的靜態(tài)整步轉(zhuǎn)矩稱比整步轉(zhuǎn)矩，其值愈大，則系統(tǒng)靈敏度愈高。力矩式自整角機(jī)和控制式自整角機(jī)的區(qū)別自整角機(jī)控制系統(tǒng)中，當(dāng)失調(diào)角產(chǎn)生時：

力矩自整角接收機(jī)輸出與失調(diào)角成正弦關(guān)系的轉(zhuǎn)矩，直接帶動接收機(jī)軸上的機(jī)械負(fù)載，直至消除失調(diào)角。但力矩式自整角機(jī)力矩不大，如果機(jī)械負(fù)載較大，則采用控制式自整角機(jī)系統(tǒng)，

自控式自整角機(jī)把失調(diào)角轉(zhuǎn)換為正弦關(guān)系的電壓輸出，經(jīng)過電壓放大器放大后送到交流伺服電動機(jī)的控制繞組中，使伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動，再經(jīng)齒輪減速后帶動機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)動，直到消除失調(diào)角。

自整角機(jī)的應(yīng)用：自整角機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，常用于位置和角度的遠(yuǎn)距離指示，如在飛機(jī)、艦船之中常用于角度位置、高度的指示，雷達(dá)系統(tǒng)中用于無線定位等等；另一方面常用于遠(yuǎn)距離控制系統(tǒng)中，如軋鋼機(jī)軋輥控制和指示系統(tǒng)、核反應(yīng)堆的控制棒指示等等。7.6旋轉(zhuǎn)變壓器一、定義：

當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器的定子繞組施加單相交流電時，其轉(zhuǎn)子繞組輸出的電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦余弦關(guān)系或線性關(guān)系等函數(shù)關(guān)系。二、分類：根據(jù)輸出的函數(shù)關(guān)系的不同，旋轉(zhuǎn)變壓器可分為很多類，其中正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，線性旋轉(zhuǎn)變壓器較為常用。1、工作原理：1）空載運(yùn)行時：旋轉(zhuǎn)變壓器的定子鐵芯槽中裝有兩套完全相同的繞組D1D2和D3D4，但在空間上相差90。每套繞組的有效匝數(shù)為ND，其中D1D2繞組為直軸繞組，D3D4繞組為交軸繞組。轉(zhuǎn)子鐵芯槽中也裝有兩套完全相同的繞組Z1Z2和Z3Z4，在空間上也相差90，每套繞組的有效匝數(shù)為NZ。

轉(zhuǎn)角：轉(zhuǎn)子上的輸出繞組Z1Z2的軸線與定子的直軸之間的角度叫做轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。三、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器氣隙磁場ΦD與輸出繞組Z1Z2相交鏈的磁通ΦZ12=ΦDcos。另一輸出繞組Z3Z4的軸線與磁場軸線（直軸）的夾角為90-，那么氣隙磁場ΦD與Z3Z4相交鏈的磁通

ΦZ34=ΦDcos（90-）=ΦDsin，氣隙磁場ΦD在勵磁繞組中所感生的電動勢為：ED12=7.44fNDΦD

UD相對應(yīng)的在輸出繞組感應(yīng)的電動勢為：EZ12=7.44fNZΦDcosEZ34=7.44fNZΦDsin在定子繞組D1D2施以交流勵磁電壓UD，則在氣隙中建立磁通勢F而產(chǎn)生脈振磁場ΦD另外輸出繞組與勵磁繞組的有效匝數(shù)比為因而輸出繞組Z1Z2和Z3Z4的端電壓分別為UZ12=KUDcosUZ34=KUDsin可見，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的大小，輸出繞組Z1Z2輸出的電壓按余弦規(guī)律變化，故又叫余弦輸出繞組，繞組Z3Z4輸出的電壓按正弦規(guī)律變化，故叫做正弦輸出繞組。2）負(fù)載運(yùn)行時：在實(shí)際應(yīng)用中，輸出繞組都接有負(fù)載，如圖所示：輸出繞組有電流流過，從而產(chǎn)生磁通勢，其交軸分量使氣隙磁場產(chǎn)生畸變，從而使輸出電壓產(chǎn)生畸變，不再是轉(zhuǎn)角的正、余弦函數(shù)關(guān)系。這不是我們所希望的，所以我們就要想辦法去消除這個畸變。補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ菑南驕p弱造成電壓畸變的交軸分量磁勢入手。

二次側(cè)（轉(zhuǎn)子）補(bǔ)償方法：兩個完全一樣的正余弦輸出繞組如果接的負(fù)載一樣，那么兩繞組產(chǎn)生的交軸方向的磁勢大小相等方向相反，剛好抵消，沒有交軸磁場；而在直軸方向上磁勢為兩繞組直軸分量磁勢之和。注意：上面所闡述的二次側(cè)補(bǔ)償是有條件的，即ZL=Z'L，但如有偏差，交軸方向的磁勢不能完全抵消，輸出還是有畸變的，為此可以采用一次側(cè)補(bǔ)償來消除交軸磁場。一次側(cè)（定子）補(bǔ)償：定子的勵磁繞組仍接交流電源，而D3D4作為補(bǔ)償繞組通過阻抗Z或直接短接，在繞組D3D4中產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生交軸方向磁通勢，補(bǔ)償轉(zhuǎn)子繞組的交軸磁勢。

為了減小誤差，使用時常常把一次側(cè)、二次側(cè)補(bǔ)償同時使用！

四、線性旋轉(zhuǎn)變壓器：線性旋轉(zhuǎn)變壓器輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正比關(guān)系。事實(shí)上正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ很小的時候近似有Sin=，此時就可看作一臺線旋轉(zhuǎn)變壓器。在轉(zhuǎn)角不超過7.5時，線性度在0.1%以內(nèi)。若要擴(kuò)大轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角范圍，可將正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的線路進(jìn)行改接，定子繞組D1D