伺服電機(jī)的工作原理

伺服電機(jī)的工作原理-04-10

10:42伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同步電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目的值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。什么是伺服電機(jī)？有幾種類型？工作特點(diǎn)是什么？答：伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其重要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速伴隨轉(zhuǎn)矩的增長而勻速下降.。請(qǐng)問交流伺服電機(jī)和無刷直流伺服電機(jī)在功能上有什么區(qū)別？答：交流伺服要好某些，由于是正弦波控制滾珠絲桿，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比較簡(jiǎn)樸，廉價(jià)。永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)20世紀(jì)80年代以來，伴隨集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)有了突出的發(fā)展，各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器系列產(chǎn)品并不停完善和更新。交流伺服系統(tǒng)已成為現(xiàn)代高性能伺服系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，使本來的直流伺服面臨被淘汰的危機(jī)。90年代后來，世界各國已經(jīng)商品化了的交流伺服系統(tǒng)是采用全數(shù)字控制的正弦波電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)。交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置在傳動(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)同直流伺服電動(dòng)機(jī)比較，重要長處有：⑴無電刷和換向器，因此工作可靠，對(duì)維護(hù)和保養(yǎng)規(guī)定低。⑵定子繞組散熱比較以便。⑶慣量小，易于提高系統(tǒng)的迅速性波紋管聯(lián)軸器。⑷適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)。⑸同功率下有較小的體積和重量。伺服和步進(jìn)電機(jī)伺服重要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接受到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，由于，伺服電機(jī)自身具有發(fā)出脈沖的功能，因此伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一種角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會(huì)懂得發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同步又收了多少脈沖回來，這樣，就可以很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以到達(dá)0.001mm。步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)絡(luò)。在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。伴隨全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號(hào)）彈性聯(lián)軸器，但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)所上存在著較大的差異。現(xiàn)就兩者的使用性能作一比較。一、控制精度不一樣兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為3.6°、1.8°，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72°、0.36°。也有某些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小。如四通企業(yè)生產(chǎn)的一種用于慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電機(jī)，其步距角為0.09°；德國百格拉企業(yè)（BERGERLAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角。交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例，對(duì)于帶原則2500線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°。對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接受217=131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。二、低頻特性不一樣步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載狀況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的二分之一。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，例如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)膜片聯(lián)軸器，雖然在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振克制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性局限性，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。三、矩頻特性不一樣步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，因此其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。四、過載能力不一樣步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)由于沒有這種過載能力，在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩，往往需要選用較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩?fù)]霍的現(xiàn)象。五、運(yùn)行性能不一樣步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所認(rèn)為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。六、速度響應(yīng)性能不一樣步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能很好，以松下MSMA400W交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于規(guī)定迅速啟停的控制場(chǎng)所。綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在某些規(guī)定不高的場(chǎng)所也常常用步進(jìn)電機(jī)來做執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。因此，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中要綜合考慮控制規(guī)定、成本等多方面的原因，選用合適的控制電機(jī)。交流伺服電機(jī)的構(gòu)造及控制原理[-3-53:19:00|By:Dony]與一般電機(jī)同樣，交流伺服電機(jī)也由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子上有兩個(gè)繞組，即勵(lì)磁繞組和控制繞組，兩個(gè)繞組在空間相差90°電角度。伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)gS控制的u／V／W三相電形成電磁場(chǎng)轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同步電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目的值進(jìn)行比較調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度{線數(shù))。交流伺服電機(jī)的工作原理和單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)無本質(zhì)上的差異。不過，交流伺服電機(jī)必須具有一種性能，就是能克服交流伺服電機(jī)的所謂“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，即無控制信號(hào)時(shí)，它不應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，尤其是當(dāng)它已在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，假如控制信號(hào)消失，它應(yīng)能立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。而一般的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來后來，如控制信號(hào)消失，往往仍在繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)本來處在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，如控制繞組不加控制電壓，此時(shí)只有勵(lì)磁繞組通電產(chǎn)生脈動(dòng)磁場(chǎng)?？梢园衙}動(dòng)磁場(chǎng)當(dāng)作兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。這兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同樣的大小和轉(zhuǎn)速，向相反方向旋轉(zhuǎn)，所建立的正、反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)分別切割籠型繞組（或杯形壁）并感應(yīng)出大小相似，相位相反的電動(dòng)勢(shì)和電流（或渦流），這些電流分別與各自的磁場(chǎng)作用產(chǎn)生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩為零，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)不起來。一旦控制系統(tǒng)有偏差信號(hào)，控制繞組就要接受與之相對(duì)應(yīng)的控制電壓。在一般狀況下，電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的磁場(chǎng)是橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。一種橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可以當(dāng)作是由兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)所成起來的。這兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)幅值不等（與原橢圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向相似的正轉(zhuǎn)磁場(chǎng)大，與原轉(zhuǎn)向相反的反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)?。?，但以相似的速度，向相反的方向旋轉(zhuǎn)。它們切割轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)的電勢(shì)和電流以及產(chǎn)生的電磁力矩也方向相反、大小不等（正轉(zhuǎn)者大，反轉(zhuǎn)者小）合成力矩不為零，因此伺服電機(jī)就朝著正轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)起來，伴隨信號(hào)的增強(qiáng)，磁場(chǎng)靠近圓形，此時(shí)正轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及其力矩增大，反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及其力矩減小，合成力矩變大，如負(fù)載力矩不變，轉(zhuǎn)子的速度就增長。假如變化控制電壓的相位，即移相180o，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向相反，因而產(chǎn)生的合成力矩方向也相反，伺服電機(jī)將反轉(zhuǎn)。若控制信號(hào)消失，只有勵(lì)磁繞組通入電流，伺服電機(jī)產(chǎn)生的磁場(chǎng)將是脈動(dòng)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子很快地停下來。為使交流伺服電機(jī)具有控制信號(hào)消失，立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)的功能，把它的轉(zhuǎn)子電阻做得尤其大，使它的臨界轉(zhuǎn)差率Sk不小于1。在電機(jī)運(yùn)行過程中，假如控制信號(hào)降為“零”，勵(lì)磁電流仍然存在，氣隙中產(chǎn)生一種脈動(dòng)磁場(chǎng)，此脈動(dòng)磁場(chǎng)可視為正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的合成。一旦控制信號(hào)消失，氣隙磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為脈動(dòng)磁場(chǎng)，它可視為正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的合成，電機(jī)即按合成特性曲線運(yùn)行。由于轉(zhuǎn)子的慣性，運(yùn)行點(diǎn)由A點(diǎn)移到B點(diǎn)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生了一種與轉(zhuǎn)子本來轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的制動(dòng)力矩。在負(fù)載力矩和制動(dòng)力矩的作用下使轉(zhuǎn)子迅速停止。必須指出，一般的兩相和三相異步電動(dòng)機(jī)正常狀況下都是在對(duì)稱狀態(tài)下工作，不對(duì)稱運(yùn)行屬于故障狀態(tài)。而交流伺服電機(jī)則可以靠不一樣程度的不對(duì)稱運(yùn)行來到達(dá)控制目的。這是交流伺服電機(jī)在運(yùn)行上與一般異步電動(dòng)機(jī)的主線區(qū)別。就伺服驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度來看，轉(zhuǎn)矩模式運(yùn)算量最小，驅(qū)動(dòng)器對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)最快;位置模式運(yùn)算量最大，驅(qū)動(dòng)器對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)最慢。對(duì)運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)態(tài)性能有比較高的規(guī)定期，需要實(shí)時(shí)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整。那么假如控制器自身的運(yùn)算速度很慢(例如PLC，或低端運(yùn)動(dòng)控制器)，就用位置方式控制。假如控制器運(yùn)算速度比較快，可以用速度方式，把位置環(huán)從驅(qū)動(dòng)器移到控制器上，減少驅(qū)動(dòng)器的工作量，提高效率(例如大部分中高端運(yùn)動(dòng)控制器);假如有更好的上位控制器，還可以用轉(zhuǎn)矩方式控制，把速度環(huán)也從驅(qū)動(dòng)器上移開，這一般只是高端專用控制器才能這樣干，并且，這時(shí)完全不需要使用伺服電機(jī)。換一種說法是：1、轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設(shè)定電機(jī)軸對(duì)外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，詳細(xì)體現(xiàn)為例如10V對(duì)應(yīng)5Nm的話，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為5V時(shí)電機(jī)軸輸出為2.5Nm:假如電機(jī)軸負(fù)載低于2.5Nm時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，外部負(fù)載等于2.5Nm時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)，不小于2.5Nm時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)(一般在有重力負(fù)載狀況下產(chǎn)生)?？梢酝ㄟ^即時(shí)的變化模擬量的設(shè)定來變化設(shè)定的力矩大小，也可通過通訊方式變化對(duì)應(yīng)的地址的數(shù)值來實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用重要在對(duì)材質(zhì)的受力有嚴(yán)格規(guī)定的纏繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設(shè)備，轉(zhuǎn)矩的設(shè)定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時(shí)更改以保證材質(zhì)的受力不會(huì)伴隨纏繞半徑的變化而變化。2、位置控制：位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過脈沖的個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值。由于位置模式可以對(duì)速度和位置均有很嚴(yán)格的控制，因此一般應(yīng)用于定位裝置。應(yīng)用領(lǐng)域如數(shù)控機(jī)床、印刷機(jī)械等等。3、速度模式：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)給上位反饋以做運(yùn)算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測(cè)位置信號(hào)，此時(shí)的電機(jī)軸端的編碼器只檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號(hào)就由直接的最終負(fù)載端的檢測(cè)裝置來提供了，這樣的長處在于可以減少中間傳動(dòng)過程中的誤差，增長了整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。第一章直流測(cè)速發(fā)電機(jī)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種微型直流發(fā)電機(jī)，其電磁原理與直流發(fā)電機(jī)相似。本章首先簡(jiǎn)介直流發(fā)電機(jī)的工作原理、構(gòu)造及特性，然后分析直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的特性及應(yīng)用。第一節(jié)直流發(fā)電機(jī)一、直流發(fā)電機(jī)的工作原理直流發(fā)電機(jī)的工作基于電磁感應(yīng)定律，如圖1—1所示為其原理示意圖。直流發(fā)電機(jī)采用固定的磁極和旋轉(zhuǎn)的電樞，有與電樞同步旋轉(zhuǎn)的換向片(換向器)和與換向片相接觸的空間位置固定的電刷A和B，換向器與電刷構(gòu)成機(jī)械整流子，轉(zhuǎn)子繞組任一線圈的兩邊分別接到互相絕緣的兩片換向片上。由圖中可見，線圈abcd通過換向片和電刷與外電路接通，從而形成一種閉合回路。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子(又稱電樞)在原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將感應(yīng)交流電動(dòng)勢(shì)為：由于氣隙磁通密度沿圓周近似按梯形波分布，如圖l—2(a)所示，因此當(dāng)線圈隨電樞同步旋轉(zhuǎn)時(shí)，電刷A、B兩端將輸出通過機(jī)械整流的脈動(dòng)直流電動(dòng)圖1—1直流發(fā)電機(jī)原理示意圖勢(shì)，其電動(dòng)勢(shì)波形如圖l—2(b)所示，假如在兩電刷間接一負(fù)載，則負(fù)載上的電流是脈動(dòng)直流。為了減小電動(dòng)勢(shì)的脈動(dòng)程度，實(shí)際電機(jī)中不只有一種線圈(元件)，而是山許多元件構(gòu)成電樞繞組。這些元件均勻分布在電樞表面，按一定規(guī)律連接起來。圖l—3所示是一種實(shí)際電機(jī)的模型，電樞鐵芯表面有齒有槽，槽內(nèi)安放多匝元件。放在槽巾的元件邊稱為有效邊(見圖1—4)，連接有效邊的導(dǎo)線稱為端部接線(端接)。元件的兩個(gè)有效邊分別安放在電樞圓周兩個(gè)相對(duì)的槽內(nèi)，一種有效邊放在槽鋼的上層(槽口)，另一種有效邊放在槽鋼的下層(槽底)。元件的頭、尾分別與相鄰的兩個(gè)換向片相連。電樞繞組白成閉合回路。為簡(jiǎn)化分析，模型表面均勻開出4個(gè)槽，換向器有4個(gè)換向片，1號(hào)元件的一種有效邊放在1號(hào)槽的上層，另一種有效邊放在3號(hào)槽的下層，其頭、尾分別與1、2換向片相連，1號(hào)元件尾與2號(hào)元件頭在換向片2上相連……，4個(gè)元件形成閉合回路。電刷的放置應(yīng)當(dāng)使電刷間獲得最大電動(dòng)勢(shì)。對(duì)于端部劉·稱的元件，電刷應(yīng)放置在主磁極軸線上。伴隨電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，電刷經(jīng)換向片輪番與元件l、2、3、4連接。電刷間所連接的元件總是位于一定的磁極下，由圖l—3可見，從電刷B到電刷A，由元件1和元件3并聯(lián)構(gòu)成兩條支路，如圖l—5所示?？梢宰C明，在電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，A、B之間仍然具有2條并聯(lián)支路，這樣，電刷間的電動(dòng)勢(shì)為一條支路的電動(dòng)勢(shì)。若電樞表面槽數(shù)越多，元件數(shù)越多，則電刷問串聯(lián)的元件數(shù)越多，輸出的電動(dòng)勢(shì)平均值將更大，脈動(dòng)更小。二、直流電機(jī)的基本構(gòu)造多種型號(hào)的直流電機(jī)的基本構(gòu)造都是同樣的，這里簡(jiǎn)述小型直流電機(jī)的基本構(gòu)造。直流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大重要部分構(gòu)成，定子、轉(zhuǎn)子之間是空氣隙。定子作為電機(jī)的機(jī)械支撐并用來產(chǎn)生聿磁場(chǎng)，山機(jī)座、定子鐵芯、勵(lì)磁繞組、端蓋和連接外部電路的電刷裝置構(gòu)成。定子鐵芯往往將主磁極和磁軛加上成一體，由o．35～o．5mm厚的電工鋼板沖片疊壓而成，川鉚釘把沖片鉚緊，固定在機(jī)座上，如圖1—6所示。主磁極鐵芯提成極靴和極身，極靴的作用是使氣隙磁通密度的空間分布均勻并減小氣隙磁阻，使勵(lì)磁繞組牢固地套在主第二章直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)是自動(dòng)控制系統(tǒng)中具有特殊用途的直流電動(dòng)機(jī)，又稱執(zhí)行電機(jī)，它可以把輸入的電壓信號(hào)變換成軸上的角位移和角速度等機(jī)械信號(hào)。直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理、基本構(gòu)造及內(nèi)部電磁關(guān)系與一般用途的直流電動(dòng)機(jī)相似，考慮到直流伺服電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化，因此本章先分析一般自流電動(dòng)機(jī)的工作原理和使用措施，然后分析直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和性能。第一節(jié)直流電動(dòng)機(jī)一、直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理直流電動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)造與直流發(fā)電機(jī)相似。電動(dòng)機(jī)輸入電壓信號(hào)，輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)。圖2—l所示是直流電動(dòng)機(jī)模型示意圖，在兩電刷A和B間加上直流電源，則在電源電壓的作用下電流從電源經(jīng)電刷A、換向器流向電樞繞組abcd，經(jīng)換向器、電刷B回到電源。電樞繞組作為載流體在磁場(chǎng)作用下受到電磁力f的作用，電磁力的大小為：f=Bial(2—1)式中l(wèi)——導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的長度；ia——流過的電樞電流；B——導(dǎo)體所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。電磁力f對(duì)轉(zhuǎn)軸形成轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。由于每一種主磁極下電樞電流方向不變，因此電磁轉(zhuǎn)矩方向恒定；用同一種模型，既分析了直流發(fā)電機(jī)，又分析了直流電動(dòng)機(jī)，闡明直流電機(jī)是可逆的，根據(jù)不一樣的外界條件電機(jī)處在不一樣的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)外力作用使其旋轉(zhuǎn)，輸入機(jī)械能，電機(jī)處在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，輸出電能；當(dāng)通過電刷施加電壓，輸入電能，電機(jī)處在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)，輸出機(jī)械能。在直流電動(dòng)機(jī)銘牌上標(biāo)明電動(dòng)機(jī)的額定值，有額定功率戶N(w)、額定電壓UN(V)、額定電流IN(A)和額定轉(zhuǎn)速nN(r／min)等。電動(dòng)機(jī)的額定值表明了電動(dòng)機(jī)的重要性能和使用條件，是選用和使用電動(dòng)機(jī)的根據(jù)。二、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩平衡方程1．電磁轉(zhuǎn)矩當(dāng)電樞繞組中流過電流時(shí)，電樞電流將與氣隙磁場(chǎng)互相作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。假設(shè)電電磁力f對(duì)轉(zhuǎn)軸形成轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。由于每一種主磁極下電樞電流方向不變，因此電磁轉(zhuǎn)矩方向恒定；用同一種模型，既分析了直流發(fā)電機(jī)，又分析了直流電動(dòng)機(jī)，闡明直流電機(jī)是可逆的，根據(jù)不一樣的外界條件電機(jī)處在不一樣的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)外力作用使其旋轉(zhuǎn)，輸入機(jī)械能，電機(jī)處在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，輸出電能；當(dāng)通過電刷施加電壓，輸入電能，電機(jī)處在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)，輸出機(jī)械能。在直流電動(dòng)機(jī)銘牌上標(biāo)明電動(dòng)機(jī)的額定值，有額定功率戶N(w)、額定電壓UN(V)、額定電流IN(A)和額定轉(zhuǎn)速nN(r／min)等。電動(dòng)機(jī)的額定值表明了電動(dòng)機(jī)的重要性能和使用條件，是選用和使用電動(dòng)機(jī)的根據(jù)。二、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩平衡方程1．電磁轉(zhuǎn)矩當(dāng)電樞繞組中流過電流時(shí)，電樞電流將與氣隙磁場(chǎng)互相作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。假設(shè)電樞是光滑的，導(dǎo)體均勻分布在電樞表面，電刷放在幾何中心線上。載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中將受到電磁力的作用。根據(jù)這一規(guī)律，不管是直流電動(dòng)機(jī)還是直流發(fā)電機(jī)，當(dāng)電樞繞組中流過電流時(shí)，都要產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩。由于B、l與i．三者的方向互相垂直，根據(jù)電磁力定律，可直接運(yùn)用f＝Bial這個(gè)公式來計(jì)算。由式(2—5)可看出，對(duì)于一種已經(jīng)制造好的電機(jī)，它的電磁轉(zhuǎn)矩Tem。正比于每極磁通中和電樞電流Is。2．穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡方程在直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中，多種轉(zhuǎn)矩之間存在一定的平衡關(guān)系，它們町表述為對(duì)應(yīng)的平衡方程。當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶著負(fù)載勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)軸上除了有驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩丁。和制動(dòng)性質(zhì)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩丁2外，尚有由于電機(jī)自身機(jī)械摩擦、電樞鐵芯中的鐵損耗而引起的阻轉(zhuǎn)矩To——空載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)要運(yùn)用電磁轉(zhuǎn)矩克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩，保持電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)滿足：Tem=T2+T0=TL(2—6)式中TL——電動(dòng)機(jī)軸上的阻轉(zhuǎn)矩，包括負(fù)載轉(zhuǎn)矩丁2和空載轉(zhuǎn)矩T0。忽視空載轉(zhuǎn)矩T0時(shí)，TL＝T2。第三章脈沖變壓器變壓器是一種靜止的電機(jī)，它運(yùn)用電磁感應(yīng)原理，把一種形式的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成另一種形式的電信號(hào)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，常用的變壓器有小功率電源變壓器和作為信號(hào)傳遞的脈沖變壓器、輸入變壓器等。本章僅分析自動(dòng)控制系統(tǒng)中的脈沖變壓器。第一節(jié)變壓器的工作原理一、變壓器的基本工作原理變壓器工作原理的基礎(chǔ)是電磁感應(yīng)定律。兩個(gè)互相絕緣的繞組套在同一種鐵芯上，繞組之間只有磁的耦合而沒有電的聯(lián)絡(luò)，如圖3—1所示。其中接到交流電源的繞組稱為一次側(cè)(或原邊)繞組，如圖3—l繞組1所示；接到負(fù)載或輸出電信號(hào)的繞組稱為二次側(cè)(或副邊)繞組，如圖3—1繞組2所示。當(dāng)一次繞組接交流電源時(shí)，繞組中有交流電流流過，在鐵芯中產(chǎn)生與外加電壓頻率相似的交變磁通φ。交變磁通φ同步交鏈一、二次繞組，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，交變磁通φ在一、二次繞組中感應(yīng)出相似頻率的電動(dòng)勢(shì)e1、e2：式(3—1)闡明變化一、二次繞組的匝數(shù)比即可變化變壓器的輸出電壓。若在二次側(cè)接上負(fù)載，二次側(cè)就有電流輸出，實(shí)現(xiàn)了變化電壓大小或把電信號(hào)傳遞給負(fù)載的目的，這就是變壓器的基本原理。二、變壓器的構(gòu)造和分類在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的變壓器，其構(gòu)造重要由鐵芯和繞在鐵芯上的繞組構(gòu)成。繞組和鐵芯是變壓器的最基本部件，稱為電磁部分。鐵芯是變壓器中耦合磁通的主磁路，為了提高磁路的導(dǎo)磁性能，減少鐵芯中的磁滯、渦流損耗，鐵芯一般用o．35～o．5mm厚、表面涂有絕緣漆的硅鋼片疊成。鐵芯型式有心式和殼式。鐵芯由鐵芯柱和鐵軛兩部分構(gòu)成，鐵軛將鐵芯柱連接起來形成閉合磁路。圖3—2所示為環(huán)型變壓器構(gòu)造，圖3—3所示為Ⅲ型鐵芯變壓器構(gòu)造。繞組是變壓器的電路部分，常用包有絕緣材料的銅線繞制而成。為了使繞組具有良好的機(jī)械性能，其外形一般為圓筒形狀。一次繞組只有一種，二次繞組有一種或多種。三、變壓器的空載運(yùn)行1．空載時(shí)電磁關(guān)系圖3—4所示是變壓器空載運(yùn)行時(shí)的物理模型圖，當(dāng)一次繞組接上電源后．繞組中右電流i。流過，稱為空載電流。i0流過一次繞組，建立交變磁動(dòng)勢(shì)f0＝i0Nl，在fo作用下產(chǎn)生交變磁通。根據(jù)所通過的途徑不一樣，可把磁通分為主磁通φ和漏磁通φ10。主磁通沿鐵芯閉合，同步交鏈一、二次繞組；漏磁通以非鐵磁材料為磁路，只交鏈一次繞組。磁通中的絕大部分是主磁通，而漏磁通只占總磁通的一小部分(約o．1％一o．2％)。交變的主磁通分別在一、二次繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1、e2，若主磁通按正弦規(guī)律變化，即：第四章旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是自動(dòng)裝置中的一類精密控制電機(jī)。從工作原理．卜看，旋轉(zhuǎn)變壓器又是一種能旋轉(zhuǎn)的變壓器，其…、二次側(cè)繞組分別裝在定、轉(zhuǎn)子上。一、二次繞組的電磁感應(yīng)耦合程度由轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角決定。當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器的一次側(cè)外施單相交流電壓勵(lì)磁時(shí)，二次側(cè)的輸出電壓將與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角嚴(yán)格保持某種函數(shù)關(guān)系。在控制系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)變壓器可作為解算元件，重要用于坐標(biāo)變換、三角函數(shù)運(yùn)算等；在隨動(dòng)系統(tǒng)中，可用于傳播與轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的電信號(hào)；此外，還可用作移相器和角度一數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置。第一節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器的構(gòu)造特點(diǎn)和分類旋轉(zhuǎn)變壓器的經(jīng)典構(gòu)造與一般繞線式異步電動(dòng)機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子兩部分構(gòu)成。定子，轉(zhuǎn)子鐵芯采用高磁導(dǎo)率的鐵鎳軟磁合金片或硅鋼片經(jīng)沖制、絕緣、疊裝而成。定子、轉(zhuǎn)子之間的氣隙是均勻的，定子鐵芯內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子鐵芯外圓均有齒槽，在槽內(nèi)分別嵌入兩個(gè)軸線在空間互相垂直的分布繞組。定子繞組用D1D2和D3D4表達(dá)，兩個(gè)繞組完全相似；轉(zhuǎn)子繞組用Z1Z2和Z3Z4表達(dá)，兩個(gè)繞組也完全相似。定子、轉(zhuǎn)子繞組如圖4—l所示。轉(zhuǎn)子繞組和滑環(huán)相接并經(jīng)電刷引出。線性旋轉(zhuǎn)變壓器因其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角較小，因此轉(zhuǎn)子繞組引出線一般做成彈性卷帶狀引到固定的接線板上。旋轉(zhuǎn)變壓器的構(gòu)造和外形雖然與一般變壓器不一樣，但其基本工作原理完全同樣，定子繞組相稱于一般變壓器的原邊線圈，轉(zhuǎn)子繞組相稱于副邊線圈，轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子可以旋轉(zhuǎn)。伴隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，原邊、副邊繞組之間的磁耦合程度(互感)要發(fā)生變化，副邊輸出電壓與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角e成一定的函數(shù)關(guān)系。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸兩端的軸承檔和端蓋的軸承室之間裝有軸承，以到達(dá)轉(zhuǎn)子能自由旋轉(zhuǎn)的目的。轉(zhuǎn)子繞組引出線和滑環(huán)相接，滑環(huán)應(yīng)有4個(gè)，都固定在轉(zhuǎn)軸的一端。電刷固定在后端蓋上與滑環(huán)摩擦接觸，轉(zhuǎn)子繞組引出線通過滑環(huán)和電刷接在固定的接線柱上。對(duì)于線性旋轉(zhuǎn)變壓器，由于轉(zhuǎn)子并非持續(xù)旋轉(zhuǎn)，而是僅轉(zhuǎn)過一定角度，因此一般是用軟導(dǎo)線直接將轉(zhuǎn)子繞組接到固定的接線柱上，省去滑環(huán)和電刷裝置，簡(jiǎn)化了構(gòu)造。為了提高旋轉(zhuǎn)變壓器的精度，整個(gè)電機(jī)通過了精密的加工，電機(jī)繞組也進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，各部分材料通過嚴(yán)格選擇和處理。旋轉(zhuǎn)變壓器的繞組一般采用正弦繞組，以提高精度；電刷和滑環(huán)采用金屬合金，以提高接觸可靠性及壽命；轉(zhuǎn)軸采用不銹鋼材料，機(jī)殼采用經(jīng)陽極氧化處理的鋁合金；電機(jī)各零部件之間的連接采用波紋墊圈及檔圈；整個(gè)電機(jī)采用了全封閉構(gòu)造，以適應(yīng)沖擊、振動(dòng)、潮濕、污染等惡劣環(huán)境。按照輸出電壓和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的函數(shù)關(guān)系來分，旋轉(zhuǎn)變壓器有四種基本形式：(1)正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器(代號(hào)XZ)。旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊加單相交流電源勵(lì)磁時(shí)，副邊的兩個(gè)輸出電壓分別與轉(zhuǎn)角呈正弦或余弦函數(shù)關(guān)系。(2)線性旋轉(zhuǎn)變壓器(代號(hào)XX)。旋轉(zhuǎn)變壓器在一定的工作轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角(弧度)呈線性函數(shù)關(guān)系。(3)比例式旋轉(zhuǎn)變壓器(代號(hào)XL)。旋轉(zhuǎn)變壓器在構(gòu)造上增長一種帶有調(diào)整和固定轉(zhuǎn)子位置的裝置，其輸出電壓也與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正余弦關(guān)系，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中常作為調(diào)整電壓的比例元件。(4)特殊函數(shù)旋轉(zhuǎn)變壓器。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)角呈一定的函數(shù)關(guān)系(正切函數(shù)、倒數(shù)函數(shù)、圓函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)等)，工作原理和構(gòu)造與正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器基本相似。按照電機(jī)極對(duì)數(shù)多少來分，旋轉(zhuǎn)變壓器可分為單極對(duì)和多極對(duì)兩類，多極對(duì)數(shù)可以提高系統(tǒng)的精度。按照有無電刷與滑環(huán)間的滑動(dòng)接觸來分，旋轉(zhuǎn)變壓器可分為接觸式和無接觸式兩類。本章以單極對(duì)、接觸式旋轉(zhuǎn)變壓器為研究對(duì)象分析旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理及誤差賠償?shù)?。第二?jié)正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的二次側(cè)輸出電壓與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。成正弦或余弦函數(shù)關(guān)系。一、正弦繞組在旋轉(zhuǎn)變壓器中常用的繞組有兩種形式：即雙層短距分布繞組和同心式正弦繞組。雙層短距分布繞組可以到達(dá)較高的繞組精度并有良好的工藝性，但在繞組中存在一定量的諧波磁動(dòng)勢(shì)分量，其所引起的正余弦函數(shù)的誤差達(dá)o．01％～o．07％，再加上工藝原因引起的誤差，使旋轉(zhuǎn)變壓器的精度受到一定的限制，故雙層短距分布繞組只適合對(duì)精度規(guī)定不很高的旋轉(zhuǎn)變壓器。同心式正弦繞組為高精度繞組，它使各次諧波減弱到相稱小，正余弦函數(shù)的誤差在o．03％如下。缺陷為工藝性差，繞組系數(shù)低。正弦繞組是指繞組各元件的導(dǎo)體數(shù)沿定子內(nèi)圓或轉(zhuǎn)子外圓按正弦規(guī)律分布的同心式繞組。一般有兩種分布形式：第一類是繞組的軸線對(duì)準(zhǔn)槽的中心線；第二類是繞組的軸線對(duì)準(zhǔn)齒的中心線。旋轉(zhuǎn)變壓器大都采用這兩類正弦繞組。如圖4—2所示，表達(dá)了正弦繞組中各元件在空間沿轉(zhuǎn)子圓周外圓分布的狀況及空間磁動(dòng)勢(shì)的分布情第五章交流伺服電動(dòng)機(jī)本章重要簡(jiǎn)介兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)造、工作原理和工作特性，著重分析脈動(dòng)磁場(chǎng)和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的基本概念及產(chǎn)生原理，詳細(xì)分析交流伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理，論述轉(zhuǎn)差與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系及產(chǎn)生自轉(zhuǎn)的原因和消除自轉(zhuǎn)的措施，論述交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理。本章規(guī)定掌握單相交流繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場(chǎng)的性質(zhì)和兩相交流繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的性質(zhì)；交流伺服電動(dòng)機(jī)在圓形和橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下運(yùn)行的機(jī)械特性和控制特性，理解電容移相及電容值的計(jì)算措施，熟悉交流伺服電動(dòng)機(jī)的選擇及使用措施和重要技術(shù)性能。第一節(jié)概述交流伺服電動(dòng)機(jī)在小功率隨動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛，輸出功率一般為0．1～l00W。交流伺服電動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)中重要作為執(zhí)行元件，又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，自控系統(tǒng)對(duì)其規(guī)定如下：(1)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向應(yīng)便于控制信號(hào)的控制，調(diào)速范圍要大。(2)運(yùn)行范圍內(nèi)應(yīng)具有線性特性，保匪運(yùn)行的穩(wěn)定性。(3)無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。(4)控制功率要小，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)大。(5)機(jī)電時(shí)間常數(shù)要小，始動(dòng)電壓要低，當(dāng)控制信號(hào)變化時(shí)，反應(yīng)要迅速敏捷。交流伺服電動(dòng)機(jī)一般是指兩相異步電動(dòng)機(jī)，它在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，把輸入的電壓信號(hào)變換成轉(zhuǎn)軸的角速度輸出。輸人的電壓信號(hào)稱為控制信號(hào)或控制電壓，當(dāng)控制電壓的相位變化180‘時(shí)，交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就會(huì)反轉(zhuǎn)，當(dāng)變化控制電壓的大小時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速伴隨變化。交流伺服電動(dòng)機(jī)必須有廣闊的調(diào)速范圍，也就是指伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速伴隨控制電壓的變化能在廣闊的范圍內(nèi)持續(xù)調(diào)整。線性的機(jī)械特性和調(diào)整特性有助于提高自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度。伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指控制電壓一定期，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的變化關(guān)系，調(diào)整特性是指電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定期，轉(zhuǎn)速隨控制電壓的變化關(guān)系。伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，即規(guī)定交流伺服電動(dòng)機(jī)在控制電壓降為零時(shí)能立即自行停轉(zhuǎn)。伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)有迅速響應(yīng)，即電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)要小，對(duì)應(yīng)的伺服電動(dòng)機(jī)要有較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這樣，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速才能伴隨控制電壓的變化而迅速變化。第二節(jié)交流伺服電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造特點(diǎn)和工作原理一、交流伺服電動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)造交流伺服電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造重要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分構(gòu)成。定子包括鐵芯和繞組，定子鐵芯由硅鋼片或坡莫合金疊壓而成，在鐵芯槽內(nèi)安放空間互差90°電角度的兩相定子繞組：勵(lì)磁繞組1112和控制繞組klk2，如圖5—l所示，重要是用來建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。因此交流伺服電動(dòng)機(jī)是兩相的交流電動(dòng)機(jī)。根據(jù)轉(zhuǎn)子構(gòu)造的不一樣，交流伺服電動(dòng)機(jī)町分為鼠籠轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)和空心杯轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)兩種型式。鼠籠轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于小功率自控系統(tǒng)中?；\型轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)的鼠籠條采用高電阻率的導(dǎo)電材料，以獲得轉(zhuǎn)差率在0～1范圍內(nèi)都能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械特性，但其低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不夠平滑，有抖動(dòng)現(xiàn)象。為了減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，鼠籠轉(zhuǎn)子做得細(xì)而長，如圖5—2所示。非磁性杯型轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)，外定子與籠型轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)的定子完全同樣，內(nèi)定子由環(huán)形鋼片疊成，一般內(nèi)定子不放繞組，只是替代轉(zhuǎn)子的鐵芯，作為磁路的一部分。在內(nèi)、外定子之間有細(xì)長的空心轉(zhuǎn)子裝在轉(zhuǎn)軸上，空心轉(zhuǎn)子作成杯型，由非磁性材料鋁或銅制成，杯壁極薄，一般在0．3mm，如圖5—3所示。雖然杯型轉(zhuǎn)子與籠型轉(zhuǎn)子從外形看不一樣，但實(shí)際上杯型轉(zhuǎn)子可以看做是籠條諸多、條與條之間緊靠在一起的籠型轉(zhuǎn)子，杯型的兩端相稱于短路環(huán)，如圖5—4所示。與籠型轉(zhuǎn)子相比，非磁性杯型轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，運(yùn)行平滑，軸承摩擦阻轉(zhuǎn)矩小，無抖動(dòng)現(xiàn)象。由于轉(zhuǎn)子無齒和槽，因此定子、轉(zhuǎn)子之間沒有齒槽效應(yīng)，轉(zhuǎn)矩不會(huì)隨轉(zhuǎn)子的位置而發(fā)生變化。但由于內(nèi)、外定子間氣隙較大，因此勵(lì)磁電流就第六章交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)交流測(cè)速發(fā)電機(jī)分為同步和異步測(cè)速發(fā)電機(jī)兩種。同步測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出頻率和電壓幅值均隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，因此一般只用作指示式轉(zhuǎn)速計(jì)，很少用于控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測(cè)量。異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓頻率和勵(lì)磁電壓頻率相似而與轉(zhuǎn)速無關(guān)，其輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比，即：U＝k2在自控系統(tǒng)中，交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的重要用途有：在計(jì)算解答裝置中作為解算元件；在伺服系統(tǒng)中作為阻尼元件，其經(jīng)典用途與直流測(cè)速發(fā)電機(jī)相似。第一節(jié)交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的構(gòu)造特點(diǎn)和工作原理交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的構(gòu)造與交流伺服電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造完全相似，它的轉(zhuǎn)子可以做成非磁性空心杯型，也可做成籠型的。籠型轉(zhuǎn)子的異步測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出斜率大，但特性差、誤差大、轉(zhuǎn)子慣量大，重要用于精度規(guī)定不高的系統(tǒng)中。非磁性杯型轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)精度高，轉(zhuǎn)子的慣量較小，目前應(yīng)用最廣泛。下面以空心杯型異步測(cè)速發(fā)電機(jī)為例闡明其構(gòu)造特點(diǎn)和工作原理。一、構(gòu)造特點(diǎn)空心杯型測(cè)速發(fā)電機(jī)的構(gòu)造與空心杯型伺服電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造基本相似，如圖6—1所示，其轉(zhuǎn)子也是一種薄壁非磁性杯，一般用電阻比較高的硅錳青銅或錫鋅青銅制成。在杯子內(nèi)還裝有一種由硅鋼片疊成的鐵芯，與杯子外部鐵芯相對(duì)固定，稱為內(nèi)定子，這是為了減少磁路的磁阻。轉(zhuǎn)子電阻比空心杯型伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻還要大。異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的定子有兩相繞組，一相為勵(lì)磁繞組，匝數(shù)為N1，另一相為輸出繞組，匝數(shù)為N2，兩相繞組在空間位置上嚴(yán)格相差90°電角度。在機(jī)座號(hào)較小的電機(jī)中，一般把兩相繞組都放在內(nèi)定子上；對(duì)機(jī)座號(hào)較大的電機(jī)，常把勵(lì)磁繞組放在外定子上，輸出繞組放在內(nèi)定子上。二、工作原理異步測(cè)速發(fā)電機(jī)是將轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，實(shí)現(xiàn)測(cè)速目的的。測(cè)速發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組接恒頻恒壓的交流電源，勵(lì)磁電壓為u1，勵(lì)磁電流I1產(chǎn)生同頻率的脈動(dòng)磁動(dòng)勢(shì)幾和脈動(dòng)磁通φd，在勵(lì)磁繞組的軸線方向脈動(dòng)，稱為直軸磁動(dòng)勢(shì)和直軸磁通。φd在勵(lì)磁繞組中感應(yīng)電勢(shì)直E1。忽視勵(lì)磁繞組的電阻兄和漏抗Rl，有：Ul=E＝4．44flNlφd(6—1)可知，φdUl，所當(dāng)電源電壓一定期，磁通φd也基本保持不變。1．當(dāng)電機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)(n＝o)勵(lì)磁電流產(chǎn)生的脈動(dòng)磁通6d在轉(zhuǎn)子杯導(dǎo)體中感應(yīng)出變壓器電動(dòng)勢(shì)和電流，如圖6—2所示。由于輸出繞組與勵(lì)磁繞組在空間相差90°電角度，由d不能在輸出繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因此輸出繞組的輸出電壓U2＝o，即轉(zhuǎn)速n＝o時(shí)，輸出繞組沒有電壓輸出。2．電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)(n≠o)當(dāng)轉(zhuǎn)子被拖動(dòng)，以轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，仍然忽視勵(lì)磁繞組的電阻R1和漏抗X1，脈動(dòng)磁通φd不變，轉(zhuǎn)子繞組切割脈動(dòng)磁通巾d，感應(yīng)切割電動(dòng)勢(shì)Er,大小為：電流j，建立的磁動(dòng)勢(shì)Fr＝Frq為交軸磁動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生頻率為fl的交軸脈動(dòng)磁通φqo，盡管φd是交變的，方向有正有負(fù)，其感應(yīng)的Er和Ir也是交變的，不過由Ir建立的磁動(dòng)勢(shì)第七章自整角機(jī)在轉(zhuǎn)角隨動(dòng)系統(tǒng)中，自整角機(jī)是一種能對(duì)角位移或角速度的偏差自動(dòng)整步的感應(yīng)式控制電機(jī)，屬于測(cè)位用微特電機(jī)。第一節(jié)自整角機(jī)的基本構(gòu)造自整角機(jī)的構(gòu)造與一般電機(jī)相似，重要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成。定子和轉(zhuǎn)子之間有很小的氣隙。轉(zhuǎn)子構(gòu)造有隱極(ZKB或ZKC采用)和凸極(ZLF、ZI．J及ZKF采用)兩種，定子鐵芯內(nèi)布置三相對(duì)稱繞組，分別為D1一D4、D2—D5和D3一D6，如圖7—1所示；轉(zhuǎn)子鐵芯上布置單相繞組乙一Z：(差動(dòng)式自整角機(jī)為三相繞組)。自整角機(jī)按功能分為力矩式和控制式兩種。假如按構(gòu)造、原理的特點(diǎn)，又可將自整角機(jī)分為控制式、力矩式、霍爾式、多極式、固態(tài)式、無刷式、四線式等七種，前兩種最常用。自整角機(jī)在自控系統(tǒng)中一般成對(duì)或多臺(tái)組合使用，不能單機(jī)使用，機(jī)械上互不相連的兩根或多根機(jī)械軸保持相似的角變化或同步的旋轉(zhuǎn)變化。當(dāng)成對(duì)使用的自整角機(jī)按力矩式運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生控制信號(hào)的主自整角機(jī)稱為發(fā)送機(jī)(ZlF)；接受控制信號(hào)、執(zhí)行控制命令與發(fā)送自整角機(jī)保持同步的自整角機(jī)稱為接受機(jī)(ZLJ)。當(dāng)成雙使用的自整角機(jī)按控制方式運(yùn)行時(shí)，其中一種是控制式發(fā)送機(jī)(ZKF)，另一種是控制式變壓器(ZKB)。力矩式自整角機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩較大，可直接驅(qū)動(dòng)接受機(jī)軸上的負(fù)載，重要用于指示系統(tǒng)或角傳遞系統(tǒng)。力矩式自整角機(jī)的功用是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角隨動(dòng)的目的，即把機(jī)械角度轉(zhuǎn)換為力矩輸出，無力矩放大作用，接受誤差稍大，負(fù)載能力較差，其靜態(tài)誤差范圍在o．5’～2‘。因此，力矩式自整角機(jī)只合用于輕負(fù)載轉(zhuǎn)矩及精度規(guī)定不太高的開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中。控制式自按角機(jī)的作用是作為角度和位置的檢測(cè)元件，將機(jī)械角度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或?qū)⒔嵌鹊臄?shù)字量轉(zhuǎn)換為電壓模擬量。詳細(xì)說是接受機(jī)不帶負(fù)載，只輸出一種與發(fā)送機(jī)、接受機(jī)轉(zhuǎn)子之間的角位移有關(guān)的電壓信號(hào)?？刂剖阶哉菣C(jī)實(shí)際上是角位置失調(diào)檢測(cè)電機(jī)，精度較高，誤差范圍在3’一14’。因此，控制式自整角機(jī)多用于精密的閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中。第二節(jié)控制式自整角機(jī)的工作原理下面以控制式自整角機(jī)即控制式發(fā)送機(jī)(ZKF)和控制式變壓器(ZKB)成對(duì)運(yùn)行為例。圖7—2所示是控制式白整角機(jī)的原理電路圖，左邊為自整角機(jī)發(fā)送機(jī)(ZKF)，右邊為自整角機(jī)變壓器(ZKB)。ZKF的定子繞組引線端D1、D2、D3和ZKB的定子繞組引線端D1、D'2、D'3對(duì)應(yīng)連接，稱為同步繞組或整步繞組。ZKF的轉(zhuǎn)子繞組乙l稱為勵(lì)磁繞組，接交流電壓Uf產(chǎn)生勵(lì)磁磁通。ZKB的轉(zhuǎn)子繞組Z'1z'2稱為輸出繞組，輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)凰。設(shè)轉(zhuǎn)子位置如圖7—2所示，ZKF的轉(zhuǎn)子單相繞組軸線相對(duì)定子11相繞組軸線的夾角為01，ZKB的輸出繞組軸線相對(duì)ZKB的定子D'1相繞組軸線的夾角為a2，井假設(shè)a2>a1,a=a2-a1。第八章微型同步電動(dòng)機(jī)微型同步電動(dòng)機(jī)的重要特點(diǎn)是其轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載或電源電壓的變化而變化。本章重要分析微型同步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造特點(diǎn)及工作原理。第一節(jié)概述在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，往往需要恒轉(zhuǎn)速傳動(dòng)裝置，規(guī)定電動(dòng)機(jī)具有恒定不變的轉(zhuǎn)速，即規(guī)定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載或電源電壓的變化而變化。微型同步電動(dòng)機(jī)就具有這種特性。同步電動(dòng)機(jī)是交流電動(dòng)機(jī)，在構(gòu)造上重要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分構(gòu)成。定子與一般異步電動(dòng)機(jī)的定子相似，定子鐵芯一般由帶有齒和槽的沖片疊成，槽鋼內(nèi)嵌放三相或兩相繞組。當(dāng)三相繞組通入三相電流或兩相繞組通入兩相電流(包括單相電源通過電容分相)時(shí)，定子中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速nl，即：微型同步電動(dòng)機(jī)的定子構(gòu)造都是相似的，或者是三相繞組通入三相交流電流，或者是兩相繞組通人兩相電流(包括單相電源經(jīng)電容分相)，或者是罩極式，重要作用都是為了產(chǎn)生一種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。不過轉(zhuǎn)子的構(gòu)造型式和材料卻有很大差異，運(yùn)行原理也就不一樣。根據(jù)轉(zhuǎn)子的構(gòu)造型式不一樣，微型同步電動(dòng)機(jī)重要分為永磁式微型同步電動(dòng)機(jī)、反應(yīng)式微型同步電動(dòng)機(jī)和磁滯式微型同步電動(dòng)機(jī)。無論哪類轉(zhuǎn)子型式的微型同步電動(dòng)機(jī)，都是定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。其轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載變化而變化，永遠(yuǎn)保持與電源頻率所對(duì)應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速相似。微型同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上無勵(lì)磁繞組，也不需電刷和滑環(huán)，因而構(gòu)造簡(jiǎn)樸、運(yùn)行可靠、維護(hù)以便。功率從零點(diǎn)幾瓦到數(shù)百瓦，廣泛應(yīng)用于需要恒速運(yùn)行的自動(dòng)控制裝置、遙控、無線通信、有聲電影、磁帶錄音及同步隨動(dòng)系統(tǒng)中。同步電動(dòng)機(jī)自身無起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，一般需借助于輔助的電動(dòng)機(jī)或運(yùn)用異步起動(dòng)，這是同步電動(dòng)機(jī)的缺陷。第二節(jié)永磁式同步電動(dòng)機(jī)一、永磁式微型同步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造永磁式微型同步電動(dòng)機(jī)的定子與異步電動(dòng)機(jī)的定子完全相似，有兩相和單相罩極式繞永磁式微型同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子由永久磁鋼制成，可以是兩極，也可以是多極，N、s極沿圓周方向交替排列，其工作原理比較簡(jiǎn)樸，圖8—1(a)所示為四極轉(zhuǎn)子，圖8—l(b)所示為二極轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子上裝有鼠籠繞組，作為起動(dòng)繞組。轉(zhuǎn)子極數(shù)必須與定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極數(shù)相等。永磁式微型同步電動(dòng)機(jī)的工作原理比較簡(jiǎn)樸，現(xiàn)以兩極永磁式微型同步電動(dòng)機(jī)為例闡明。二、永磁式微型同步電動(dòng)機(jī)的工作原理圖8—2所示是具有兩個(gè)永久磁極的轉(zhuǎn)子。當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)的定子接入交流電源后，產(chǎn)生一種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)用一對(duì)旋轉(zhuǎn)磁極表達(dá)。當(dāng)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以轉(zhuǎn)速n：沿圖示方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子籠型繞組上產(chǎn)生異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子起動(dòng)