第2章 控制電機(jī)

第2章控制電機(jī)2.1控制電機(jī)概述2.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)2.3伺服電動(dòng)機(jī)2.4微型同步電動(dòng)機(jī)2.5測(cè)速發(fā)電機(jī)2.6舵機(jī)思考題與習(xí)題2.1控制電機(jī)概述2.1.1控制電機(jī)的用途和類別

在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，控制電機(jī)已是構(gòu)成開環(huán)控制、閉環(huán)控制、同步聯(lián)結(jié)和機(jī)電模擬解算裝置等系統(tǒng)的基礎(chǔ)元件，廣泛應(yīng)用于各個(gè)部門，如化工、煉油、鋼鐵、造船、原子能反應(yīng)堆、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化儀表和儀器、電影、電視、電子計(jì)算機(jī)外設(shè)等民用設(shè)備，或雷達(dá)天線自動(dòng)定位、飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀、導(dǎo)航儀、激光和紅外線技術(shù)、導(dǎo)彈和火箭的制導(dǎo)、自動(dòng)火炮射擊控制、艦艇駕駛盤和方向盤的控制等軍事設(shè)備。

這些系統(tǒng)能處理包括直線位移、角位移、速度、加速度、溫度、濕度、流量、壓力、液面高低、比重、濃度、硬度等多種物理量?，F(xiàn)以自動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要分支——按預(yù)定要求控制物體位置的伺服系統(tǒng)為例來說明一下控制電機(jī)的種類和用途。圖2-1為兩種伺服系統(tǒng)的示意方框圖。其中圖2-1（a）為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床常用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置給出位移指令脈沖，驅(qū)動(dòng)電路將脈沖放大，去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按命令脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)工作臺(tái)按要求進(jìn)行位移。

圖2-1（b）為高檔數(shù)控機(jī)床使用的全閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由數(shù)控裝置給出加工所要求的位移指令值，在機(jī)床工作臺(tái)上裝有直線位置傳感器進(jìn)行實(shí)際位置檢測(cè)，在伺服電動(dòng)機(jī)軸上還裝有速度傳感器完成實(shí)際速度檢測(cè)。該系統(tǒng)的位置比較電路要進(jìn)行位置指令值和實(shí)際位置反饋值之間的偏差運(yùn)算，根據(jù)偏差情況計(jì)算出所需速度，所需速度還要和實(shí)際速度檢測(cè)值進(jìn)行比較，用一系列綜合運(yùn)算結(jié)果實(shí)時(shí)地通過伺服驅(qū)動(dòng)器去推動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的精確移動(dòng)。圖2-1兩種伺服系統(tǒng)示意方框圖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)；

(b)全閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)

控制電機(jī)的種類很多，若按電流分類，可分為直流和交流兩種；按用途分類，直流控制電機(jī)又可分為直流伺服電動(dòng)機(jī)、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)和直流力矩電動(dòng)機(jī)等；交流控制電機(jī)可分為交流伺服電動(dòng)機(jī)、交流測(cè)速發(fā)電機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、微型同步電動(dòng)機(jī)等。各種控制電機(jī)的用途和功能盡管不同，但它們基本上可分為信號(hào)元件和功率元件兩大類。1.作為信號(hào)元件用的控制電機(jī)交、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)。測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓與轉(zhuǎn)速精確地保持正比關(guān)系，在系統(tǒng)中主要用于轉(zhuǎn)速檢測(cè)或速度反饋，也可以作為微分、積分的計(jì)算元件。2.作為功率元件用的控制電機(jī)

(1)交流和直流伺服電動(dòng)機(jī)。交、直流伺服電動(dòng)機(jī)在系統(tǒng)中作執(zhí)行元件，其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向取決于控制電壓的大小和極性（或相位），機(jī)械特性近于線性，即轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加近似線性下降，比普通電動(dòng)機(jī)的控制精度高。使用時(shí)，電動(dòng)機(jī)通常經(jīng)齒輪減速后帶動(dòng)負(fù)載，所以又稱為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。

(2)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)為相應(yīng)的角位移或線位移的機(jī)電元件。它由專門的電源供給脈沖信號(hào)電壓，當(dāng)輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)，它就前進(jìn)一步，輸出角位移量或線位移量與輸入脈沖數(shù)成正比，而轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件得到廣泛應(yīng)用。

(3)微型同步電動(dòng)機(jī)。微型同步電動(dòng)機(jī)具有轉(zhuǎn)速恒定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用方便等特點(diǎn)，應(yīng)用在自動(dòng)控制系統(tǒng)和其他需要恒定轉(zhuǎn)速的儀器上。(4)磁滯電動(dòng)機(jī)。磁滯電動(dòng)機(jī)具有恒速特性，亦可在異步狀態(tài)下運(yùn)行，主要用于驅(qū)動(dòng)功率較小的要求轉(zhuǎn)速平穩(wěn)和起動(dòng)頻繁的同步驅(qū)動(dòng)裝置中。

(5)單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)。單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)是交直流兩用的，多數(shù)情況下使用交流電源。由于它具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和軟的機(jī)械特性，因而廣泛應(yīng)用在電動(dòng)工具中，如手電鉆就采用這種電動(dòng)機(jī)。(6)電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)。電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)是采用電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速的異步電動(dòng)機(jī)。這種電動(dòng)機(jī)可以在較大的范圍內(nèi)進(jìn)行無級(jí)平滑調(diào)速，是交流無級(jí)調(diào)速設(shè)備中最簡(jiǎn)單實(shí)用的一種，在紡織、印染、造紙等輕工業(yè)機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用。2.1.2對(duì)控制電機(jī)的要求及其發(fā)展概況

1.對(duì)控制電機(jī)的要求控制電機(jī)是在普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其基本原理與普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)并無本質(zhì)區(qū)別。不過，普通電機(jī)的主要任務(wù)是完成能量的轉(zhuǎn)換，對(duì)它們的要求主要著重于提高效率等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)以及起動(dòng)和調(diào)速等性能。而控制電機(jī)的主要任務(wù)是完成控制信號(hào)的傳遞和轉(zhuǎn)換，因此，現(xiàn)代控制系統(tǒng)對(duì)它的基本要求是高精確度、高靈敏度和高可靠性。

高精確度是指控制電機(jī)的實(shí)際特性與理想特性的差異應(yīng)越小越好。對(duì)功率元件來說，是指其特性的線性度和不靈敏區(qū)；對(duì)信號(hào)元件來說，則主要指靜態(tài)誤差、動(dòng)態(tài)誤差以及環(huán)境溫度、電源頻率和電源電壓的變化所引起的漂移。這些特性都直接影響整個(gè)系統(tǒng)的精確度。高靈敏度是指控制電機(jī)的輸出量應(yīng)能迅速跟上輸入信號(hào)的變化，即對(duì)輸入信號(hào)能做出快速響應(yīng)。目前，自動(dòng)控制系統(tǒng)中的控制指令是經(jīng)常變化的，有時(shí)極為迅速，因而控制電機(jī)，特別是功率元件能否對(duì)輸入信號(hào)做出快速響應(yīng)，會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。

表征快速響應(yīng)的主要指標(biāo)有靈敏度和機(jī)電時(shí)間常數(shù)等。高可靠性是指控制電機(jī)對(duì)不同的使用環(huán)境應(yīng)有廣泛的適應(yīng)性，在較差的環(huán)境中能非常可靠地工作。2.控制電機(jī)的發(fā)展概況控制電機(jī)屬于電機(jī)制造工業(yè)中一個(gè)新機(jī)種，它的歷史雖短但發(fā)展迅速?？刂齐姍C(jī)的品種繁多，用途各異，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，已達(dá)3000種以上，是普通電機(jī)所不可比擬的。在國(guó)外，從20世紀(jì)30年代開始，控制電機(jī)隨著工業(yè)自動(dòng)化、科學(xué)技術(shù)和軍事裝備的發(fā)展而迅速發(fā)展，其使用領(lǐng)域也日益擴(kuò)大。到了20世紀(jì)40年代以后，已逐步形成自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、交直流伺服電動(dòng)機(jī)、交直流測(cè)速發(fā)電機(jī)等一些基本系列。20世紀(jì)60年代以后，由于電子技術(shù)、航天等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和自動(dòng)控制系統(tǒng)的不斷完善，對(duì)控制電機(jī)的精度和可靠性提出了更高的要求，控制電機(jī)的品種也日益增多，在原有的基礎(chǔ)上又生產(chǎn)出多極自整角機(jī)、多極旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、無接觸自整角機(jī)、無接觸旋轉(zhuǎn)變壓器、永磁式直流力矩電動(dòng)機(jī)、無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)、空心杯轉(zhuǎn)子永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)、印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)等新機(jī)種。

目前在自動(dòng)化系統(tǒng)中，常用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，而在它的輸出設(shè)備中又要將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移，即實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作特性完全適合這種要求，因此得到較快發(fā)展。在數(shù)字計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備中，為了進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，出現(xiàn)了多相自整角機(jī)和多相旋轉(zhuǎn)變壓器。

由于新原理、新技術(shù)、新材料的發(fā)展，使電機(jī)在很多方面突破了傳統(tǒng)的觀念，研制出一些新原理、新結(jié)構(gòu)的電機(jī)，如霍爾效應(yīng)的自整角機(jī)及旋轉(zhuǎn)變壓器、霍爾無刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、壓電直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，利用“介質(zhì)極化”研制出駐極體電機(jī)，利用“磁性體的自旋再排列”研制出光電機(jī)，此外，還有電介質(zhì)電動(dòng)機(jī)、靜電電動(dòng)機(jī)、集成電路電動(dòng)機(jī)等。

控制電機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展已經(jīng)不限于一般的電磁理論，而將與其他學(xué)科相互結(jié)合，相互促進(jìn)，成為一門多種學(xué)科相互滲透的邊緣學(xué)科。研究特種電機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用，在21世紀(jì)自動(dòng)化技術(shù)、電腦技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用中將具有光輝的前景?？刂齐姍C(jī)種類較多，不可能一一介紹。本章在電機(jī)原理的基礎(chǔ)上介紹幾種常用控制電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、基本工作原理、主要運(yùn)行特性和使用方法等基本問題。2.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，常常需要把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的開環(huán)控制元件。它通過專用電源把電脈沖按一定順序供給定子各相控制繞組，在氣隙中產(chǎn)生類似于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的脈沖磁場(chǎng)。輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步，因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖

在非超載的情況下，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡(jiǎn)單。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移量或線位移量與電脈沖數(shù)成正比，它的轉(zhuǎn)速或線速度與電脈沖頻率成正比。在負(fù)載能力范圍內(nèi)，這些關(guān)系不因電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化。通過改變脈沖頻率的高低，可以在很大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，并能快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。

隨著電子技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用日益廣泛，目前在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床、繪圖機(jī)、自動(dòng)記錄儀表和數(shù)模變換裝置上都使用了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。從零件的加工過程看，工作機(jī)械對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本要求是：(1)調(diào)速范圍寬，應(yīng)盡量提高最高轉(zhuǎn)速以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

(2)動(dòng)態(tài)性能好，能迅速起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)。

(3)加工精度較高，即要求一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的位移量小，并要精確、均勻，這就要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距小，步距精度高，不丟步或越步。

(4)輸出轉(zhuǎn)矩大，可直接帶動(dòng)負(fù)載。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類繁多，按相數(shù)可分為單相、兩相、三相及多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，按其運(yùn)動(dòng)方式分為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)型、直線運(yùn)動(dòng)型和平面運(yùn)動(dòng)型。通常使用的旋轉(zhuǎn)型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又可分為反應(yīng)式、永磁式和感應(yīng)式。其中反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是我國(guó)目前應(yīng)用最廣泛的一種，它具有調(diào)速范圍大，動(dòng)態(tài)性能好，能快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。永磁式和感應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本原理與反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相似，因此本節(jié)以反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例，簡(jiǎn)單分析步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本原理與運(yùn)行性能。2.2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理圖2-2是一個(gè)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理圖，其定子、轉(zhuǎn)子鐵心均由硅鋼片疊壓而成。定子上均勻分布六個(gè)磁極，磁極上裝有線圈，相對(duì)兩個(gè)極上的線圈串聯(lián)起來組成三個(gè)獨(dú)立的繞組，稱為三相繞組。轉(zhuǎn)子是四個(gè)均勻分布的齒，齒寬等于定子主磁極端面的有效寬度，轉(zhuǎn)子上沒有繞組，本身亦無磁性。圖2-2三相單三拍運(yùn)行時(shí)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理

當(dāng)A相繞組通電且B相、C相繞組都不通電時(shí)，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，因而轉(zhuǎn)子齒1和齒3的軸線與定子A極軸線對(duì)齊（負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零時(shí)），如圖2-2(a)所示。當(dāng)A相斷電且B相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子便逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過30°，使轉(zhuǎn)子齒2和齒4的軸線與定子B極軸線對(duì)齊，如圖2-2(b)所示。當(dāng)B相斷電且C相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過30°，使轉(zhuǎn)子齒1和齒3的軸線與定子C極軸線對(duì)齊，如圖2-2(c)所示。如此循環(huán)往復(fù),按A—B—C—A的順序不斷接通和斷開控制繞組，氣隙中將產(chǎn)生脈沖式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子就一步一步地按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于定子繞組與電源接通、斷開的頻率，即輸入的電脈沖頻率，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向則取決于定子繞組輪流通電的順序。若步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電順序改為A—C—B—A，則電動(dòng)機(jī)為順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。定子繞組與電源的接通或斷開一般由數(shù)字邏輯電路或計(jì)算機(jī)軟件來控制。

上述通電過程中，定子繞組每改變一次通電方式，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就走一步，稱其為一拍。上述通電方式也稱為三相單三拍。其中，“單”是指每次只有一相定子繞組通電，“三拍”是指每經(jīng)過三次切換，定子繞組通電狀態(tài)為一個(gè)循環(huán)，再下一拍通電時(shí)就重復(fù)第一拍通電方式。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每拍轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角位移稱為步距角，可見，三相單三拍通電方式時(shí)，步距角是30°。

三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)除了單三拍通電方式外，還可工作在三相單、雙六拍通電方式。三相單、雙六拍時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況如圖2-3所示。這種方式的通電順序?yàn)锳—AB—B—BC—C—CA—A，或?yàn)锳—AC—C—CB—B—BA—A。按前一種順序通電，即先接通A相定子繞組，接著使A、B兩相定子繞組同時(shí)通電；然后斷開A相，使B相繞組單獨(dú)通電；再同時(shí)接通B、C兩相定子繞組；接著C相單獨(dú)通電，然后C、A兩相定子繞組同時(shí)通電，并依次循環(huán)進(jìn)行。這種工作方式下，定子三相繞組需經(jīng)過六次換接才能完成一個(gè)循環(huán)，故稱為“六拍”?！皢巍㈦p六拍”是單相繞組與兩相繞組交替接通的通電方式。

拍數(shù)不同使這種通電方式的步距角也與單三拍的不同。當(dāng)A相定子繞組通電時(shí)，和單三拍運(yùn)行的情況相同，轉(zhuǎn)子齒1和齒3的軸線與定子A極軸線對(duì)齊，如圖2-3(a)所示。當(dāng)A、B兩相定子繞組同時(shí)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子的位置應(yīng)兼顧到A、B兩對(duì)極所形成的兩路磁通，在氣隙中所遇到的磁阻同樣程度地達(dá)到最小。這時(shí)相鄰兩個(gè)A、B磁極與轉(zhuǎn)子齒相作用的磁拉力大小相等且方向相反，使轉(zhuǎn)子處于平衡狀態(tài)。

這樣，當(dāng)A相通電轉(zhuǎn)到A、B兩相同時(shí)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子只能逆時(shí)針轉(zhuǎn)過15°，如圖2-3(b)所示。當(dāng)斷開A相定子繞組而使B相定子繞組單獨(dú)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子將繼續(xù)沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，直至使轉(zhuǎn)子齒2和齒4的軸線與定子B極軸線對(duì)齊為止，如圖2-3(c)所示，這時(shí)轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過15°。若繼續(xù)按BC—C—CA—A的順序通電，那么步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就按逆時(shí)針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。如果通電順序改為A—AC—C—CB—B—BA—A時(shí)，電動(dòng)機(jī)將按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。在單三拍運(yùn)行方式時(shí)，每經(jīng)過一拍，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的步距角為30°。

采用單、雙六拍通電方式后，當(dāng)由A相定子繞組單獨(dú)通電轉(zhuǎn)到B相定子繞組單獨(dú)通電時(shí)，中間還要經(jīng)過A和B兩相繞組同時(shí)通電這一狀態(tài)，也就是說要經(jīng)過二拍，轉(zhuǎn)子才轉(zhuǎn)過30°。所以，在單、雙六拍運(yùn)行方式時(shí)，三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為15°，是單三拍運(yùn)行時(shí)的一半。圖2-3單、雙六拍運(yùn)行時(shí)的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

在實(shí)際工作中還經(jīng)常采用三相雙三拍的運(yùn)行方式，也就是按AB—BC—CA—AB的通電方式或AC—CB—BA—AC的通電方式供電。這種通電方式與單三拍運(yùn)行時(shí)一樣，每一循環(huán)也是換接三次，總共有三種通電狀態(tài)，但不同的是，每次換接時(shí)都同時(shí)有兩相定子繞組接通。三相雙三拍的運(yùn)行方式比三相單三拍的好，因?yàn)閱稳脑谇袚Q時(shí)出現(xiàn)的一相定子繞組斷電而另一相定子繞組開始通電的狀態(tài)容易造成失步，而且由于單一定子繞組通電吸引轉(zhuǎn)子，也易使轉(zhuǎn)子在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩。

而雙三拍運(yùn)行時(shí)，每個(gè)通電狀態(tài)均為兩相定子繞組同時(shí)通電，通電方式改變時(shí)保證其中一相電流不變（另兩相切換），使運(yùn)行可靠、穩(wěn)定。雙三拍運(yùn)行時(shí)，每一通電狀態(tài)的轉(zhuǎn)子位置和磁通路徑與三相六拍相應(yīng)的兩相繞組同時(shí)接通時(shí)相同，如圖2-3(b)所示?？梢钥闯?，這時(shí)轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的角度與單三拍時(shí)相同，也是30°。

上述簡(jiǎn)單的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角太大，即每一步轉(zhuǎn)過的角度太大，如用于精度要求較高的數(shù)控機(jī)床等控制系統(tǒng)，會(huì)嚴(yán)重影響到加工工件的精度。這種結(jié)構(gòu)只在分析原理時(shí)采用，實(shí)際使用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)都是小步距角的。圖2-4所示的結(jié)構(gòu)是最常見的一種小步距角的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

圖2-4小步距角的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

在圖2-4中，三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子上有六個(gè)極，極上有定子繞組，沿直徑相對(duì)的兩個(gè)極的線圈串聯(lián)，構(gòu)成一相控制的繞組，共有A、B、C三相。轉(zhuǎn)子圓周上均勻分布若干個(gè)小齒，定子每個(gè)磁極端面上也有若干個(gè)小齒。根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作的要求，定子、轉(zhuǎn)子的齒寬、齒距必須相等，定子、轉(zhuǎn)子齒數(shù)要適當(dāng)配合，即要求在A相一對(duì)極下，定子、轉(zhuǎn)子齒一一對(duì)齊時(shí)，下一相（B相）所在一對(duì)極下的定子、轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開一齒距(t)的1/m（m為相數(shù)），即為t/m；再下一相（C相）的一對(duì)極下定子、轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開2t/m，依次類推。

一轉(zhuǎn)子齒數(shù)zr=40，相數(shù)m=3，一相繞組通電時(shí)，在氣隙圓周上形成的磁極數(shù)2p=2，以三相單三拍運(yùn)行為例，每一齒距的空間角為

每一極距的空間角為(2-1)(2-2)

由于每一極距所占的齒數(shù)不是整數(shù)，因此當(dāng)A極下的定、轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊時(shí)，B極的定子齒和轉(zhuǎn)子齒必然錯(cuò)開1/3齒距，即為3°，如圖2-5所示。每一極距所占的齒數(shù)為(2-3)圖2-5小步距角的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的展開圖

由圖2-5可以看出，若斷開A相定子繞組而接通B相定子繞組，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生沿B極軸線方向的磁場(chǎng)，因磁通力圖走磁阻最小路徑閉合，就使轉(zhuǎn)子受到同步轉(zhuǎn)矩的作用而轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過1/3齒距(3°)，直到B極下的定子齒與轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊。相應(yīng)的A極和C極下的定子齒又分別和轉(zhuǎn)子齒相錯(cuò)1/3齒距。按此順序連續(xù)不斷通電，轉(zhuǎn)子便連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)。

若采用三相單、雙六拍通電方式運(yùn)行，即按A—AB—B—BC—C—CA—A順序循環(huán)通電，同樣，步距角也要減少一半，即每一脈沖時(shí)轉(zhuǎn)子僅轉(zhuǎn)動(dòng)1.5°。由上面分析可知，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，相當(dāng)于在空間轉(zhuǎn)過360°/zr，則每一拍轉(zhuǎn)過的角度只是齒距角的1/N（N為運(yùn)行拍數(shù)），因此，步距角為(2-4)

如果脈沖頻率很高，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組中送入的是連續(xù)脈沖，各相繞組不斷地輪流通電，這時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不是一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)，而是連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。由θs=360°/(zrN)可知，每輸入一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度是整個(gè)圓周角的1/(zrN)，也就是轉(zhuǎn)過1/(zrN)轉(zhuǎn)，因此每分鐘轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的圓周數(shù)，即轉(zhuǎn)速為式中,n為轉(zhuǎn)速，單位是r/min。

以上討論的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)都是三相的，也有其他多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù)越多，則步距角θs就越小。在一定的脈沖頻率下，步距角越小，轉(zhuǎn)速也越低。但是相數(shù)越多，電源就越復(fù)雜，成本也較高，因此，目前步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般最多六相，也有個(gè)別更多相的。2.2.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性下面主要通過靜態(tài)和步進(jìn)兩種運(yùn)行狀態(tài)來分析反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性。

1.靜態(tài)運(yùn)行狀態(tài)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電方式保持穩(wěn)定的狀態(tài)稱為靜態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。靜態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角特性簡(jiǎn)稱矩角特性T=f（θ），這是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本特性。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩就是同步轉(zhuǎn)矩（即電磁轉(zhuǎn)矩），轉(zhuǎn)角就是通電相的定、轉(zhuǎn)子齒中心線間用電角度表示的夾角θ，如圖2-6所示。

當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電相（一相通電時(shí)）的定、轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊時(shí)，θ=0，電機(jī)轉(zhuǎn)子上無切向磁拉力作用，轉(zhuǎn)矩T等于零，如圖2-6(a)所示。若轉(zhuǎn)子齒相對(duì)于定子齒向右錯(cuò)開一個(gè)角度θ，這時(shí)出現(xiàn)了切向磁拉力，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩T，轉(zhuǎn)矩方向與θ偏轉(zhuǎn)方向相反，規(guī)定為負(fù)，如圖2-6(b)所示。顯然，在θ＜90°時(shí)，θ越大，轉(zhuǎn)矩T越大。當(dāng)θ＞90°時(shí)，由于磁阻顯著增大，進(jìn)入轉(zhuǎn)子齒頂?shù)拇磐考眲p少，切向磁拉力以及轉(zhuǎn)矩減少，直到θ=180°時(shí)，轉(zhuǎn)子齒處于兩個(gè)定子齒正中，因此，兩個(gè)定子齒對(duì)轉(zhuǎn)子齒的磁拉力互相抵消，如圖2-6(c)所示，此時(shí)，轉(zhuǎn)矩T又為零。

如果θ再增大，則轉(zhuǎn)子齒將受到另一個(gè)定子齒的作用，出現(xiàn)相反的轉(zhuǎn)矩，如圖2-6(d)所示。由此可見，轉(zhuǎn)矩T隨轉(zhuǎn)角θ作周期變化，變化周期是一個(gè)齒距，即2π電弧度。圖2-6定、轉(zhuǎn)子間的作用力T=f(θ)的形狀比較復(fù)雜，它與定、轉(zhuǎn)子沖片齒的形狀以及飽和程度有關(guān)。實(shí)踐證明，反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩角特性接近正弦曲線，如圖2-7所示（圖中只畫出θ從-π到+π的范圍）。若電動(dòng)機(jī)空載，在靜態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子必然有一個(gè)穩(wěn)定平衡位置。從上面分析看出，這個(gè)穩(wěn)定平衡位置在θ=0處，即通電相定、轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊位置。因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)子處于這個(gè)位置時(shí)，如有外力使轉(zhuǎn)子齒偏離這個(gè)位置，只要偏離角0°＜θ＜180°，除去外力，轉(zhuǎn)子能自動(dòng)地重新回到原來位置。

當(dāng)θ=±π時(shí)，雖然兩個(gè)定子齒對(duì)轉(zhuǎn)子一個(gè)齒的磁拉力互相抵消，但是只要轉(zhuǎn)子向任一方向稍偏離，磁拉力就失去平衡，穩(wěn)定性被破壞，所以θ=±π這個(gè)位置是不穩(wěn)定的，兩個(gè)不穩(wěn)定點(diǎn)之間的區(qū)域構(gòu)成靜穩(wěn)定區(qū)，如圖2-7所示。矩角特性上，電磁轉(zhuǎn)矩的最大值稱為最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Tm，它表示步進(jìn)電動(dòng)機(jī)承受負(fù)載的能力，是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最主要的性能指標(biāo)之一。圖2-7反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩角特性2.步進(jìn)運(yùn)行狀態(tài)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行狀態(tài)與控制脈沖的頻率有關(guān)。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在極低的頻率下運(yùn)行時(shí)，后一個(gè)脈沖到來之前轉(zhuǎn)子已完成一步，并且運(yùn)動(dòng)已基本停止，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)由一個(gè)個(gè)單步運(yùn)行狀態(tài)所組成。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單步運(yùn)行狀態(tài)為一振蕩過程。參看圖2-8，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空載，A相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子齒1和齒3的軸線與定子A極軸線對(duì)齊。A相斷電，B相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子將按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)子齒2和齒4轉(zhuǎn)到對(duì)準(zhǔn)定子B極軸線的瞬間，電動(dòng)機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩為零。但由于轉(zhuǎn)子慣性的影響,它將繼續(xù)向逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子齒2和齒4的軸線越過B極軸線位置后，就受到反向轉(zhuǎn)矩的作用而減速直到停轉(zhuǎn)，但此時(shí)轉(zhuǎn)子仍受到反向轉(zhuǎn)矩的作用，于是開始沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子齒2和齒4的軸線再次對(duì)齊B極軸線時(shí)，又會(huì)因轉(zhuǎn)子慣性的影響同樣繼續(xù)沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，如此來回振蕩。圖2-8步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子振蕩過程

由于摩擦等阻尼力矩的影響，最終將使齒2和齒4的軸線停止在B極軸線位置?？梢姡?dāng)電脈沖由A相切換到B相繞組時(shí)，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角θs，但整個(gè)過程是一個(gè)振蕩過程。一般來說，這一振蕩是不斷衰減的，如圖2-8所示。阻尼作用越大，衰減得越快。當(dāng)通電脈沖的頻率增高時(shí)，脈沖周期縮短，因而可能出現(xiàn)在一個(gè)周期內(nèi)轉(zhuǎn)子振蕩還未衰減完，下一個(gè)脈沖就來到的情況。這種運(yùn)行狀態(tài)表現(xiàn)的特性主要有以下兩個(gè)方面。(1)動(dòng)穩(wěn)定區(qū)。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)時(shí)，不致引起失步的區(qū)域。如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空載，且在A相通電狀態(tài)下，其矩角特性如圖2-9(a)中曲線A所示，轉(zhuǎn)子位于穩(wěn)定平衡點(diǎn)OA處。加一脈沖，則A相斷電，B相通電，矩角特性變?yōu)榍€B。曲線A與曲線B之間相隔一個(gè)步距角θs，轉(zhuǎn)子新的穩(wěn)定平衡位置為OB。只要改變通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子位置處于B′—B″間，轉(zhuǎn)子就能向OB點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，而達(dá)到新的穩(wěn)定平衡。

區(qū)間B′—B″為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空載狀態(tài)下的動(dòng)穩(wěn)定區(qū)，如圖2-9(a)所示?？梢?，步距角越小，即相數(shù)增加或拍數(shù)增加，則動(dòng)穩(wěn)定區(qū)越接近靜穩(wěn)定區(qū)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行越穩(wěn)定，如圖2-9(b)所示。圖2-9三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)穩(wěn)定區(qū)(2)最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩TST

。圖2-10所示為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩角特性。圖中相鄰兩個(gè)矩角特性的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩用TST

表示。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩TZ1

＜TST

時(shí)，在A相通電狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子處在失調(diào)角（定子磁極A的軸線和轉(zhuǎn)子齒1的軸線的夾角）θA′的平衡點(diǎn)a′。當(dāng)A相斷電，B相通電時(shí)，在改變通電狀態(tài)的瞬間，由于慣性，轉(zhuǎn)子位置還來不及改變，矩角特性躍變?yōu)榍€B，這時(shí)對(duì)應(yīng)角θA′的電磁轉(zhuǎn)矩為特性曲線B上的b點(diǎn)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TZ1

，使轉(zhuǎn)子加速，向著θ增大方向運(yùn)動(dòng)，最后達(dá)到新的穩(wěn)定平衡點(diǎn)b′。

如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TZ2

，如圖2-10所示，其穩(wěn)定平衡點(diǎn)是曲線A上的a″點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的失調(diào)角為θA″。當(dāng)A相斷電，B相通電后，這時(shí)對(duì)應(yīng)角θA″的轉(zhuǎn)矩為特性曲線B上的b″點(diǎn)，顯然，此時(shí)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TZ2

，電動(dòng)機(jī)不能做步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。因此，各相矩角特性的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩TST

就是最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，也稱為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩TST

比最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Tm

要小。隨著步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相數(shù)m或拍數(shù)N的增加，步距角減小，兩曲線的交點(diǎn)就升高。TST

越大，就越接近于最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Tm。圖2-10步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩將小于最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，并隨著脈沖頻率的升高而降低。這是因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子繞組中存在電感，具有一定的電氣時(shí)間常數(shù)，使繞組中電流呈指數(shù)曲線上升或下降。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率很高，周期很短，電流來不及增長(zhǎng)，電流峰值隨脈沖頻率增大而減小，勵(lì)磁磁通隨之減小，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩也將隨之減小。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩與頻率的關(guān)系即矩頻特性，是一條下降的曲線，這也是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的重要特性之一。當(dāng)控制脈沖頻率繼續(xù)升高時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將不是一步步地轉(zhuǎn)動(dòng)，而是像普通同步電動(dòng)機(jī)一樣，作連續(xù)勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。2.2.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)由專用的驅(qū)動(dòng)電源來供電，由驅(qū)動(dòng)電源和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成一套伺服裝置來驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源主要包括變頻信號(hào)源、脈沖分配器和脈沖放大器三個(gè)部分，如圖2-11所示。變頻信號(hào)源是一個(gè)頻率從幾十赫茲到幾千赫茲的可連續(xù)變化的信號(hào)發(fā)生器，可以采用多種線路，最常見的有多諧振蕩器和單結(jié)晶體管構(gòu)成的弛張振蕩器兩種，它們都是通過調(diào)節(jié)電阻R和電容C的大小來改變電容充放電的時(shí)間常數(shù)，以達(dá)到選取脈沖信號(hào)頻率的目的。圖2-11步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源

脈沖分配器是由門電路和雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的邏輯電路，它根據(jù)指令把脈沖信號(hào)按一定的邏輯關(guān)系加到放大器上，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按一定的運(yùn)行方式運(yùn)轉(zhuǎn)。目前，隨著微型計(jì)算機(jī)特別是單片機(jī)的發(fā)展，變頻信號(hào)源和脈沖分配器的任務(wù)均可由單片機(jī)來承擔(dān)，這樣不但工作更可靠，而且性能更好。從脈沖分配器輸出的電流只有幾個(gè)毫安，不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流為幾安到幾十安，因此在脈沖分配器后面都接有功率放大電路作為脈沖放大器，經(jīng)功率放大后的電脈沖信號(hào)可直接輸出到定子各相繞組中去控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作。

功率放大是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最為重要的部分。步進(jìn)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動(dòng)態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上的電流均為靜態(tài)電流）。平均電流越大電機(jī)力矩越大，要達(dá)到平均電流大這就需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)盡量克服電機(jī)的反電勢(shì)。因而不同的場(chǎng)合采取不同的的驅(qū)動(dòng)方式，到目前為止，驅(qū)動(dòng)方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動(dòng)、恒流、細(xì)分?jǐn)?shù)等。單片機(jī)串行控制

單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器直接只需要兩條控制線即可，一條發(fā)送控制器發(fā)生的走步脈沖串（CP），另一條發(fā)送控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制電平信號(hào)。脈沖分配器目前有專用集成芯片，如CH250，L297等。其中CH250用于3相步進(jìn)電機(jī)，L297用于2相或4相步進(jìn)電機(jī)。單片機(jī)并行控制

單片機(jī)的P1.0~P1.3四個(gè)端口作為并行口輸出，依次循環(huán)輸出驅(qū)動(dòng)四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)所需的8個(gè)反應(yīng)狀態(tài)：ABABCBCBCDCDCDADADABAB

不使用獨(dú)立的脈沖分配器，而用單片機(jī)數(shù)據(jù)線直接控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，脈沖分配器的功能全部由單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。軟件控制用查表的方式實(shí)現(xiàn)，在存儲(chǔ)器中開辟一個(gè)存儲(chǔ)空間存放這8種狀態(tài)，形成數(shù)據(jù)表，控制軟件按照電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)的要求，依次從數(shù)據(jù)表中將端口狀態(tài)取出并配置P1口，對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制變成順序查表及寫P1口的軟件處理過程。但這種控制方法的缺點(diǎn)是占用大量的控制器資源。轉(zhuǎn)速控制軟件延時(shí)法：編寫一個(gè)延時(shí)子程序，每次換相后，調(diào)用該子程序，延時(shí)結(jié)束后，再次執(zhí)行換相子程序；定時(shí)器延時(shí)法：設(shè)置定時(shí)器溢出中斷，將步進(jìn)電機(jī)換相子程序放在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中，每次溢出中斷，電機(jī)就換相一次；硬件PWM法：利用片載的硬件PWM模塊，通過配置相關(guān)寄存器，產(chǎn)生不同頻率的基波，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度控制。微步距控制步進(jìn)電機(jī)從一相通電切換到另一相通電時(shí)，不一步完成，而是分若干微步讓前一相電流逐次減小，后一相電流逐次增大，就可以按微步距控制步進(jìn)電機(jī)的步距，從提高角度分辨率或增加步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的平穩(wěn)性，提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能。2.3伺服電動(dòng)機(jī)

伺服電動(dòng)機(jī)把輸入的信號(hào)電壓變?yōu)檗D(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出，轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速隨信號(hào)電壓的方向和大小而改變，并且能帶動(dòng)一定大小的負(fù)載，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，故伺服電動(dòng)機(jī)又稱為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。

伺服電動(dòng)機(jī)的種類多，用途廣。例如在雷達(dá)天線系統(tǒng)中，雷達(dá)天線是由交流伺服電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的,當(dāng)天線發(fā)出去的無線電波遇到目標(biāo)時(shí)，就會(huì)被反射回來送給雷達(dá)接收機(jī)；雷達(dá)接收機(jī)將目標(biāo)的方位和距離確定后，向交流伺服電動(dòng)機(jī)送出電信號(hào)，交流伺服電動(dòng)機(jī)按照該電信號(hào)拖動(dòng)雷達(dá)天線跟蹤目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的基本要求有如下幾點(diǎn)：

（1）可控性好。有控制電壓信號(hào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速上應(yīng)能做出正確的反應(yīng)；控制電壓信號(hào)消失時(shí)，電動(dòng)機(jī)應(yīng)能可靠停轉(zhuǎn)，即無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。（2）響應(yīng)快。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的高低和方向應(yīng)能隨控制電壓信號(hào)改變而快速變化，即要求機(jī)電時(shí)間常數(shù)小和靈敏度高。（3）具有線性的機(jī)械特性和線性的調(diào)節(jié)特性，調(diào)速范圍大，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。伺服電動(dòng)機(jī)可分為直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類。

由于自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)的性能及快速響應(yīng)的要求越來越高，促使伺服電動(dòng)機(jī)有了很大的發(fā)展，出現(xiàn)了各種低慣量的伺服電動(dòng)機(jī)，如低慣量的空心杯轉(zhuǎn)子直流電動(dòng)機(jī)、盤形電樞直流電動(dòng)機(jī)和電樞繞組直接繞在鐵心上的無槽電樞直流電動(dòng)機(jī)等。另外，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，又出現(xiàn)了采用電子元件換向的無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)。

2.3.1直流伺服電動(dòng)機(jī)

1.結(jié)構(gòu)和分類直流伺服電動(dòng)機(jī)分傳統(tǒng)型和低慣量型兩大類。傳統(tǒng)型直流伺服電動(dòng)機(jī)就是微型的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，也是由定子、轉(zhuǎn)子（電樞）、電刷和換向器四大部分組成的，按定子磁極的種類可分為永磁式和電磁式兩種。永磁式電動(dòng)機(jī)的磁極是永久磁鐵；電磁式電動(dòng)機(jī)的磁極是電磁鐵，磁極外面套著勵(lì)磁繞組。以上兩種傳統(tǒng)式電機(jī)的轉(zhuǎn)子（電樞）鐵心均由硅鋼片沖制疊壓而成，在轉(zhuǎn)子沖片的外圓周上開有均勻分布的齒和槽，在轉(zhuǎn)子槽中放置電樞繞組，并經(jīng)換向器、電刷與外電路相連。

低慣量型直流伺服電動(dòng)機(jī)的明顯特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子輕，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，快速響應(yīng)好。按照電樞形式的不同，低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)分為盤形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)、空心杯電樞永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)及無槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)。

盤形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2-12所示。它的定子是由永久磁鋼和前后磁軛組成的，轉(zhuǎn)軸上裝有圓盤。電機(jī)的氣隙位于圓盤的兩側(cè)，圓盤上有電樞繞組，繞組可分為印制繞組和繞線盤式繞組兩種形式。印制繞組是采用與制造印制電路板相類似的工藝制成的，可以是單片雙面，也可以是多片重疊。繞線盤式繞組則是先繞成單個(gè)線圈，然后將繞好的全部線圈沿徑向圓周排列起來，再用環(huán)氧樹脂澆注成圓盤形。盤形電樞上電樞繞組中的電流沿徑向流過圓盤表面，并與軸向磁通相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。圖2-12盤形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

空心杯電樞永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2-13所示，它由一個(gè)外定子和一個(gè)內(nèi)定子構(gòu)成定子磁路。通常外定子由兩個(gè)半圓形的永久磁鐵組成，而內(nèi)定子則由圓柱形的軟磁材料制成，僅作為磁路的一部分，以減小磁路磁阻?？招谋姌惺且粋€(gè)用非磁性材料制成的空心杯形圓筒，直接裝在電機(jī)軸上。在電樞表面可采用印制繞組，亦可采用沿圓周軸向排成空心杯狀并用環(huán)氧樹脂固化成型的電樞繞組。當(dāng)電樞繞組流過一定的電流時(shí)，空心杯電樞能在內(nèi)、外定子間的氣隙中旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。圖2-13空心杯電樞永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

無槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2-14所示。電樞鐵心為光滑圓柱體，其上不開槽，電樞繞組直接排列在鐵心表面，再用環(huán)氧樹脂把它與電樞鐵心粘成一個(gè)整體，定轉(zhuǎn)子間氣隙大。定子磁極可以采用永久磁鐵做成，也可以采用電磁式結(jié)構(gòu)。這種電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和電樞電感都比杯形或圓盤形電樞大，因而動(dòng)態(tài)性能較差。

圖2-14無槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.控制方式直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方式有兩種：一種是電樞控制，一種是磁極控制。當(dāng)勵(lì)磁電壓恒定，負(fù)載轉(zhuǎn)矩也一定時(shí)，升高電樞電壓，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之升高；反之，減小電樞電壓，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就降低。若電樞電壓為零，則電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。改變電樞電壓極性，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向也隨之改變。這種把電樞電壓作為控制信號(hào)即采用改變電樞電壓控制轉(zhuǎn)速的方法稱為電樞控制。

把勵(lì)磁繞組電壓作為控制信號(hào)即改變勵(lì)磁繞組電壓控制轉(zhuǎn)速的方法稱為磁極控制或磁場(chǎng)控制。電樞控制較磁場(chǎng)控制具有較多的優(yōu)點(diǎn)，因此自動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用電樞控制，而磁場(chǎng)控制只用于小功率電動(dòng)機(jī)中。永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)由永磁磁極勵(lì)磁，采用電樞控制方式。3.運(yùn)行特性電樞控制時(shí)，直流伺服電動(dòng)機(jī)的原理如圖2-15所示。為了分析簡(jiǎn)便，先作如下假設(shè)：電機(jī)磁路不飽和，即認(rèn)為電機(jī)的磁化曲線為一直線；電樞反應(yīng)的去磁作用忽略不計(jì)；電機(jī)電刷位于幾何中性線，電動(dòng)機(jī)的每相氣隙磁通Φ保持恒定。這樣，直流伺服電動(dòng)機(jī)電樞回路的電壓平衡方程式為

Ua=Ea+IaRa(2-5)

式中，Ra為電動(dòng)機(jī)電樞回路的總電阻（包括電刷接觸電阻）。

當(dāng)磁通Φ恒定時(shí)，電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比，即有

Ea=CenΦ(2-6)

電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為

T=CTΦIa(2-7)

將式(2-5)、式(2-6)、式(2-7)聯(lián)立求解，即可得出直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系公式：(2-8)圖2-15電樞控制原理圖2-16電樞控制式直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

由轉(zhuǎn)速公式便可得到直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。

(1)機(jī)械特性是指控制電壓恒定時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，即Ua=常數(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)矩T之間的關(guān)系n=f(T)。電樞控制時(shí)直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖2-16所示。從圖中可以看出，機(jī)械特性是線性的，這些特性曲線與縱軸的交點(diǎn)為電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速n0=Ua/(CeΦ)，它相當(dāng)于無損耗時(shí)的空載轉(zhuǎn)速。特性曲線的斜率表示伺服電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的硬度，即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩變化而變化的程度，斜率大，硬度軟。

由轉(zhuǎn)速公式或機(jī)械特性都可以看出，隨著控制電壓增大，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線平行地向轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩增加的方向移動(dòng)，但是它的斜率保持不變，所以電樞控制時(shí)直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是一組平行的直線。圖2-17電樞控制直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性(2)調(diào)節(jié)特性是指電磁轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制電壓變化的關(guān)系，即T=常數(shù)時(shí)，n=f(Ua)。由轉(zhuǎn)速公式便可畫出直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性，如圖2-17所示，它們也是一組平行的直線。這些調(diào)節(jié)特性曲線與橫軸的交點(diǎn)表示在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)電動(dòng)機(jī)的始動(dòng)電壓。若負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定，電動(dòng)機(jī)的控制電壓大于相對(duì)應(yīng)的始動(dòng)電壓，則電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)起來并達(dá)到某一轉(zhuǎn)速；

反之，控制電壓小于相對(duì)應(yīng)的始動(dòng)電壓，則電動(dòng)機(jī)的最大電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，它就不能起動(dòng)。因此，在調(diào)節(jié)特性曲線上，從坐標(biāo)原點(diǎn)到始動(dòng)電壓點(diǎn)的這一段橫坐標(biāo)所表示的范圍稱為在某一電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)伺服電動(dòng)機(jī)的失靈區(qū)。顯然，失靈區(qū)的大小與電磁轉(zhuǎn)矩的大小成正比。

由以上分析可知，電樞控制直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性都是一組平行的直線，這是直流伺服電動(dòng)機(jī)突出的優(yōu)點(diǎn)。但上述結(jié)論是在理想假設(shè)的條件下得到的，實(shí)際直流伺服電動(dòng)機(jī)的特性曲線是一組接近直線的曲線。直流伺服電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)除了機(jī)械性能是線性的之外，還包括速度調(diào)節(jié)范圍寬而且平滑，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，反應(yīng)也相當(dāng)靈敏，與同容量的交流伺服電動(dòng)機(jī)相比，體積和重量可減少到1/2～1/4。其缺點(diǎn)是由于存在換向器和電刷的滑動(dòng)接觸，常因接觸不良而影響運(yùn)行的穩(wěn)定性，電刷火花會(huì)產(chǎn)生干擾。2.3.2交流伺服電動(dòng)機(jī)

1.基本結(jié)構(gòu)交流伺服電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上為兩相異步電動(dòng)機(jī)，其定子上有空間相差90°電角度的兩相分布繞組，它們可以有相同或不同的匝數(shù)。定子繞組的一相作為勵(lì)磁繞組，運(yùn)行時(shí)接到電壓為Uf的交流電源上，另一相作為控制繞組，輸入控制信號(hào)電壓Uk。電壓Uf和Uk同頻率，一般為50Hz或400Hz。

常用的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式：高電阻籠型轉(zhuǎn)子和非磁性空心杯轉(zhuǎn)子。高電阻籠型轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和普通籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一樣，但是為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，常將轉(zhuǎn)子做成細(xì)而長(zhǎng)的形狀?；\型轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條和端環(huán)可以采用高電阻率的材料（如黃銅、青銅等）制造，也可采用鑄鋁轉(zhuǎn)子。目前我國(guó)生產(chǎn)的SL系列兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)就采用鑄鋁轉(zhuǎn)子。由于轉(zhuǎn)子回路的電阻增大，使得交流伺服電動(dòng)機(jī)的特性曲線變軟，這主要是為了消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。圖2-18杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

非磁性空心杯轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)如圖2-18所示。電動(dòng)機(jī)中除了有和一般感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一樣的定子外，還有一個(gè)內(nèi)定子。內(nèi)定子是由硅鋼片疊壓而成的圓柱體，通常內(nèi)定子上無繞組，只是代替籠形轉(zhuǎn)子鐵心作為磁路的一部分，作用是減少主磁通磁路的磁阻。在內(nèi)外定子之間有一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的、裝在轉(zhuǎn)軸上的空心杯形轉(zhuǎn)子，杯形轉(zhuǎn)子通常用非磁性材料鋁或銅制成，壁很薄，一般只有0.2～0.8mm，因而具有較大的轉(zhuǎn)子電阻和很小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。杯形轉(zhuǎn)子可以在內(nèi)外定子間的氣隙中自由旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)依靠杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)感應(yīng)的渦流與氣隙磁場(chǎng)作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。

可見，杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，摩擦轉(zhuǎn)矩小，因此快速響應(yīng)好；另外，由于轉(zhuǎn)子上無齒槽，所以運(yùn)行平穩(wěn)，無抖動(dòng)，噪聲小。其缺點(diǎn)是由于這種結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)的氣隙較大，勵(lì)磁電流也較大，致使電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)較低，效率也較低，它的體積和容量要比同容量的籠型伺服電動(dòng)機(jī)大得多。目前我國(guó)生產(chǎn)的這種伺服電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為SK，這種伺服電動(dòng)機(jī)主要用于要求低噪聲及低速平穩(wěn)運(yùn)行的某些系統(tǒng)中。2.工作原理圖2-19所示為兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)的原理圖。兩相繞組軸線位置在空間相差90°電角度，當(dāng)兩相繞組分別加以交流電壓以后，就會(huì)在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁力線時(shí)，便會(huì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生電流，轉(zhuǎn)子電流與氣隙磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向而旋轉(zhuǎn)。圖2-19交流伺服電動(dòng)機(jī)的原理圖

若控制繞組無控制信號(hào)，只有勵(lì)磁繞組中有勵(lì)磁電流，則氣隙中形成的是單相脈振磁動(dòng)勢(shì)。單相脈振磁動(dòng)勢(shì)可以分解為正、負(fù)序兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，它們大小相等，轉(zhuǎn)速相同，轉(zhuǎn)向相反。單相脈振磁動(dòng)勢(shì)所建立的正序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子起拖動(dòng)作用，產(chǎn)生拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩T+；負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子起制動(dòng)作用，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩T-。當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于靜止時(shí)，轉(zhuǎn)差率s=1，T+=T-，合成轉(zhuǎn)矩T=0，伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

一旦控制繞組有信號(hào)電壓，一般情況下，兩相繞組上所加的電壓

和

、流入的電流

和

以及由電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)

和

是不對(duì)稱的，則電動(dòng)機(jī)內(nèi)部便建立起橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。一個(gè)橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同樣可以分解為兩個(gè)速度相等、轉(zhuǎn)向相反的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，但它們大小不等（與原橢圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向相同的正序磁場(chǎng)大，與原轉(zhuǎn)向相反的負(fù)序磁場(chǎng)?。?，因此轉(zhuǎn)子上兩個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩也大小不等，方向相反，合成轉(zhuǎn)矩不為零，這樣轉(zhuǎn)子就不再保持靜止?fàn)顟B(tài)，而隨著正轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)起來。

兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)后，當(dāng)控制信號(hào)消失，即控制電壓等于零時(shí)，按照自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的要求，伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)立即停轉(zhuǎn)。但是此時(shí)定子中的磁場(chǎng)完全由勵(lì)磁繞組產(chǎn)生，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部建立的是單相脈振磁場(chǎng)，根據(jù)單相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理，電動(dòng)機(jī)將繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱之為“自轉(zhuǎn)”?！白赞D(zhuǎn)”現(xiàn)象在自動(dòng)控制系統(tǒng)中是不允許存在的，解決的辦法是增大轉(zhuǎn)子電阻。下面分析轉(zhuǎn)子電阻的大小對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)單相運(yùn)行的機(jī)械特性曲線的影響及產(chǎn)生自轉(zhuǎn)的原因。

當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻為r時(shí)，此時(shí)轉(zhuǎn)子電阻較小，臨界轉(zhuǎn)差率sm=0.4。圖2-20所示為單相供電且sm=0.4時(shí)的機(jī)械特性曲線。從圖中可以看出，在電動(dòng)機(jī)工作的轉(zhuǎn)差率范圍內(nèi)，即0＜s＜1時(shí)，合成轉(zhuǎn)矩T絕大部分都是正的。因此，如果伺服電動(dòng)機(jī)突然切去控制電壓信號(hào)，那么只要阻轉(zhuǎn)矩小于單相運(yùn)行時(shí)的最大電磁轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)將在轉(zhuǎn)矩T作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，這樣就產(chǎn)生了自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。圖2-20sm=0.4時(shí)的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象和轉(zhuǎn)子電阻關(guān)系

圖2-21sm＞1時(shí)的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象和轉(zhuǎn)子電阻關(guān)系

當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻增大到使臨界轉(zhuǎn)差率大于1的程度時(shí),合成轉(zhuǎn)矩曲線與橫軸相交僅有一點(diǎn)(s=1)，如圖2-21所示。從圖中可見，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)，0＜s＜1時(shí)，合成轉(zhuǎn)矩均為負(fù)值，即為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因而當(dāng)控制電壓Uk等于零為單相運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)就立刻產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，與負(fù)載轉(zhuǎn)矩一起促使電動(dòng)機(jī)迅速停轉(zhuǎn)，這樣就不會(huì)產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在這種情況下，停轉(zhuǎn)時(shí)間甚至比兩相繞組電壓同時(shí)取消還要快些。從圖中還可以看出，當(dāng)電動(dòng)機(jī)在0＜s1＜1范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，合成轉(zhuǎn)矩T是負(fù)的，表示產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，阻止電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

而當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向相反，在1＜s1＜2范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，合成轉(zhuǎn)矩T變?yōu)檎?，則轉(zhuǎn)矩方向也發(fā)生變化，表示仍然產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩阻止電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣依靠轉(zhuǎn)子電阻的增大，就可以消除電動(dòng)機(jī)在取消控制信號(hào)時(shí)出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象。無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象是交流伺服電動(dòng)機(jī)的基本特性之一，也是自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)交流伺服電動(dòng)機(jī)的基本要求。所以為了消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，交流伺服電動(dòng)機(jī)單相供電時(shí)的機(jī)械特性曲線必須如圖2-21所示，這就要求伺服電動(dòng)機(jī)有相當(dāng)大的轉(zhuǎn)子電阻，最理想的是使sm＞1，可以完全消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。前面講到的轉(zhuǎn)子的兩種特殊結(jié)構(gòu)形式正是為了滿足這種要求。3.控制方式交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，控制繞組上所加的控制電壓Uk是變化的,一般來說，得到的是橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并由此產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩而使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。若改變控制電壓的大小或改變它與勵(lì)磁電壓之間的相位角，則能使電動(dòng)機(jī)氣隙中旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的橢圓度發(fā)生變化，從而影響到電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)控制電壓的大小或相位差來達(dá)到改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。因此，交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方式有以下三種：(1)幅值控制。這種控制方式通過調(diào)節(jié)控制電壓的大小來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，而控制電壓Uk與勵(lì)磁電壓Uf之間的相位角保持90°電角度，通常Uk滯后于Uf。當(dāng)控制電壓Uk=0時(shí)，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，即n=0。

(2)相位控制。這種控制方式通過調(diào)節(jié)控制電壓的相位（即調(diào)節(jié)控制電壓與勵(lì)磁電壓之間的相位角β

）來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，而控制電壓的幅值保持不變，當(dāng)β=0時(shí)，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。這種控制方式較少采用。.....(3)幅值—相位控制（電容移相控制）。這種控制方式將勵(lì)磁繞組串聯(lián)電容C以后接到穩(wěn)壓電源上，其接線圖如圖2-22所示，這時(shí)勵(lì)磁繞組上仍外施勵(lì)磁電壓（參看圖2-23），控制繞組仍外施控制電壓Uk，而Uk的相位始終與U1的相位同相。當(dāng)調(diào)節(jié)控制電壓Uk的幅值來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，由于轉(zhuǎn)子繞組與勵(lì)磁繞組的耦合作用（相當(dāng)于變壓器的二次繞組與一次繞組），使勵(lì)磁繞組的電流If也發(fā)生變化，.....

致使勵(lì)磁繞組的電壓Uf及電容C上的電壓UCa

也隨之改變，即電壓Uk與Uf的大小及它們之間的相位角β也都隨之改變，所以這是一種幅值和相位的復(fù)合控制方式。若控制電壓Uk=0，電動(dòng)機(jī)就停轉(zhuǎn)。這種控制方式是利用串聯(lián)電容器來分相的，它不需要復(fù)雜的移相裝置，所以設(shè)備簡(jiǎn)單，成本較低，成為最常用的一種控制方式。.....圖2-22幅值—相位控制接線圖圖2-23幅值—相位控制電壓相量圖2.4微型同步電動(dòng)機(jī)

前面討論過的伺服電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速是隨控制信號(hào)或負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化而變化的。而在傳真機(jī)、磁帶錄音機(jī)和各種精確的計(jì)時(shí)或記錄裝置中，往往需要一種能在電源電壓波動(dòng)或負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)仍可保持轉(zhuǎn)速恒定不變的電動(dòng)機(jī)。額定功率從零點(diǎn)幾瓦到數(shù)百瓦的各種微型同步電動(dòng)機(jī)就是在一定的輸出功率范圍內(nèi)具有這種恒速特性的微型同步電動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱微電機(jī)）。

微型同步電動(dòng)機(jī)是依靠同步轉(zhuǎn)矩運(yùn)轉(zhuǎn)的交流電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速同步，按定子繞組所接電源種類的不同可分為三相和單相同步電動(dòng)機(jī)兩大類。三相微型同步電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與普通三相交流電動(dòng)機(jī)相同，在定子鐵心槽內(nèi)放有彼此相差120°的三相繞組，工作時(shí)由三相電源供電。由于三相繞組始終工作在對(duì)稱狀態(tài)，故與單相微型同步電動(dòng)機(jī)相比，三相微電機(jī)效率高，功率因數(shù)大，在同樣的體積下能輸出較多的功率。

單相微型同步電動(dòng)機(jī)按定子結(jié)構(gòu)的不同可分為電容移相式和罩極式兩種，工作時(shí)都由單相電源供電。電容移相式微電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與交流伺服電動(dòng)機(jī)的定子相同，定子鐵心槽內(nèi)放有兩個(gè)互差90°的兩相繞組，利用電容移相方法來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。其中，不串電容的繞組稱為主繞組，串電容的繞組稱為副繞組。這種電動(dòng)機(jī)又可細(xì)分為電容起動(dòng)、電容運(yùn)轉(zhuǎn)及電容起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)三種，它們的不同之處在于：電容起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，其副繞組只在起動(dòng)時(shí)接在電源上，起動(dòng)之后通過離心開關(guān)自行與電源斷開，電容值按起動(dòng)時(shí)獲得圓磁場(chǎng)的條件選擇；

電容運(yùn)轉(zhuǎn)和電容起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的同步電動(dòng)機(jī)，其副繞組與主繞組在起動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)始終接在電源上。電容運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)的電容值按額定狀態(tài)下獲得圓形磁場(chǎng)的條件選取；電容起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)由于起動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)的要求不同，需要兩只不同大小的電容，起動(dòng)時(shí)副繞組串聯(lián)大電容，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)串聯(lián)小電容。就性能來說，電容起動(dòng)的同步電動(dòng)機(jī)具有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而電容運(yùn)轉(zhuǎn)的同步電動(dòng)機(jī)具有較好的性能指標(biāo)，電容起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的同步電動(dòng)機(jī)則兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)。罩極式同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，運(yùn)行性能差，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般用在小容量的同步電動(dòng)機(jī)中。

按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，微型同步電動(dòng)機(jī)可分為永磁式、反應(yīng)式和磁滯式三種。

1.永磁式同步電動(dòng)機(jī)永磁式同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子由永久磁鋼制成，結(jié)構(gòu)形式可以是凸極式，也可以是隱極式。它的工作原理可用圖2-24所示的原理圖來說明。圖中旋轉(zhuǎn)的磁極用來代表定子繞組與電源接通后所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子是隱極式的。N極與S極相互吸引的結(jié)果是在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生了與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向一致的電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子隨著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同一速度旋轉(zhuǎn)起來。圖2-24永磁式同步電動(dòng)機(jī)的工作原理

轉(zhuǎn)子是否有可能沿著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向，但以不同于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)呢？若如此，則定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在圖示瞬間，轉(zhuǎn)子上受到逆時(shí)針方向電磁轉(zhuǎn)矩的作用，而當(dāng)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子分別轉(zhuǎn)了180°和90°時(shí)，即相當(dāng)于轉(zhuǎn)子的位置不變，而定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的N極與S極換了位置，作用在轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩變成了順時(shí)針方向。因而，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，電磁轉(zhuǎn)矩的平均值等于零。

這說明，轉(zhuǎn)子不可能在這種電磁轉(zhuǎn)矩的作用下以不同于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速只能等于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，即等于同步轉(zhuǎn)速：

式中，f是定子電流的頻率，p是電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)?？梢?，只要f和p一定，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n就是恒定的。增加磁極對(duì)數(shù)p，就可以做成低轉(zhuǎn)速的同步電動(dòng)機(jī)。

同步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的大小與定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線之間的夾角α的大小有關(guān)，如圖2-25所示。對(duì)于p=1的隱極式轉(zhuǎn)子的永磁式同步電動(dòng)機(jī)來說，當(dāng)α=0°時(shí),如圖2-25(a)所示，轉(zhuǎn)子只受到徑向力的作用，不會(huì)形成電磁轉(zhuǎn)矩，即T=0。當(dāng)0°＜α＜90°時(shí)，如圖2-25(b)所示，轉(zhuǎn)子受到的作用力可以分解為一個(gè)徑向分量和一個(gè)切向分量，其中切向分量產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，故T≠0。當(dāng)α=90°時(shí)，如圖2-25(c)所示，轉(zhuǎn)子只受到切向力的作用，電磁轉(zhuǎn)矩最大，稱為最大同步轉(zhuǎn)矩。

上述電磁轉(zhuǎn)矩的形成也可以用磁力線的性質(zhì)來說明。當(dāng)0°＜α＜90°時(shí)，從圖2-25(b)可知，磁力線被扭彎和拉長(zhǎng)了，由于磁力線的收縮，使轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生了電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)α=90°時(shí)，磁力線被扭歪和拉長(zhǎng)得最厲害，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也就最大。若電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)p=2，則當(dāng)α=0°和α=90°時(shí)，轉(zhuǎn)子都只受到徑向力的作用，磁力線沒有被扭歪拉長(zhǎng)，不會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩；而α=45°時(shí)，磁力線被扭歪得最厲害，電磁轉(zhuǎn)矩最大。若磁極對(duì)數(shù)p為其他數(shù)值，可依次類推。

從幾何的觀點(diǎn)看，沿轉(zhuǎn)子表面一周，角度變化了360°，但是磁場(chǎng)卻變化了p個(gè)周期；從電磁的觀點(diǎn)看，即變化了p×360°。我們把前一種由幾何觀點(diǎn)確定的角度稱為機(jī)械角度，把后一種由電磁觀點(diǎn)確定的角度稱為電角度。顯然，電角度θ和機(jī)械角度α之間的關(guān)系為

θ=p

α(2-10)

圖2-25永磁式同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩(a)α=0°;(b)0°＜α＜90°;(c)α=90°(a)(b)(c)

有了電角度這一概念，我們就可以把同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線之間的關(guān)系統(tǒng)一起來：無論磁極對(duì)數(shù)p等于多少，當(dāng)定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線之間的電角度θ=0°時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩T=0；當(dāng)θ由0°向90°增加時(shí)，T隨之增加；當(dāng)θ=90°時(shí)，T最大。因此，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加時(shí)，穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)速n雖然不變，θ卻相應(yīng)增大。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過最大同步轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)就會(huì)帶不動(dòng)負(fù)載，轉(zhuǎn)速便會(huì)下降即而出現(xiàn)所謂的失步現(xiàn)象，直到轉(zhuǎn)速下降為零。

永磁式同步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速比較高，轉(zhuǎn)子慣性又比較大的情況下，單靠永磁式轉(zhuǎn)子本身是無法起動(dòng)的。因?yàn)?，在剛起?dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子不可能從靜止?fàn)顟B(tài)立即跟上并達(dá)到旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，兩者之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)。如前所述，作用在轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩的平均值等于零，即永磁式同步電動(dòng)機(jī)即使在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下也沒有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，不能自行起動(dòng)。

為此，通常需在轉(zhuǎn)子上安裝鼠籠式起動(dòng)繞組，它主要由兩部分組成：一部分是兩塊圓形的永久磁鐵，做成一對(duì)或多對(duì)磁極，裝在轉(zhuǎn)子的兩端；另一部分是鼠籠式起動(dòng)繞組，位于轉(zhuǎn)子中部，其結(jié)構(gòu)形式與普通鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子相同。起動(dòng)時(shí)，依靠鼠籠式起動(dòng)繞組，像異步電動(dòng)機(jī)一樣產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與永久磁鐵相互吸引，把轉(zhuǎn)子拉入同步，一起以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。這時(shí)，由于轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)已無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，起動(dòng)繞組便不起作用了。如果永磁式同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小或是轉(zhuǎn)速低，則轉(zhuǎn)子上可以不另裝起動(dòng)繞組，電動(dòng)機(jī)能夠自行起動(dòng)。

永磁式同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，轉(zhuǎn)子又能做成多對(duì)磁極，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，因而，在自動(dòng)化儀表中應(yīng)用廣泛，其額定功率一般非常小。2.反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是由既不用直流電流勵(lì)磁，本身又無磁性的導(dǎo)磁材料制成的，轉(zhuǎn)子的極性由定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁化而來，故稱反應(yīng)式電動(dòng)機(jī)。又由于它是依靠轉(zhuǎn)子縱向和橫向磁阻的不同來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的，故又稱磁阻電動(dòng)機(jī)。反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)通常由籠型異步電動(dòng)機(jī)派生而來，它的定子結(jié)構(gòu)與異步電動(dòng)機(jī)基本相同；轉(zhuǎn)子可由異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心沖片加開反應(yīng)槽制成；籠型起動(dòng)繞組多為鑄鋁的。常見的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有三種：外反應(yīng)式、內(nèi)反應(yīng)式和內(nèi)外反應(yīng)式，如圖2-26所示。

圖2-26磁阻式同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子沖片(a)外反應(yīng)式；(b)內(nèi)反應(yīng)式；(c)內(nèi)外反應(yīng)式(a)(b)(c)

外反應(yīng)式轉(zhuǎn)子由于反應(yīng)槽開在轉(zhuǎn)子外圓，相當(dāng)切去轉(zhuǎn)子沖片的一部分，使轉(zhuǎn)子形成固定磁極，故結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工。內(nèi)反應(yīng)式轉(zhuǎn)子由于反應(yīng)槽開在轉(zhuǎn)子軸邊磁軛部，對(duì)交軸磁通形成較大的磁阻，籠型起動(dòng)繞組又完整，故同步運(yùn)行性能比外反應(yīng)式結(jié)構(gòu)好。內(nèi)外反應(yīng)式轉(zhuǎn)子的沖片結(jié)構(gòu)磁阻差別最大，與同機(jī)座號(hào)的外反應(yīng)式相比，容量可以提高一個(gè)等級(jí)，其性能也較好，但工藝復(fù)雜。在功率較大的反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)中，大都采用這種結(jié)構(gòu)。

反應(yīng)式微型同步電動(dòng)機(jī)小功率時(shí)常做成單相的，功率稍大時(shí)也有三相的。圖2-27所示是單相反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖，現(xiàn)以單相反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)為例，說明其工作原理。定子鐵心用硅鋼片沖制而成，磁極各有一個(gè)裂口，在對(duì)角的半個(gè)磁極鐵心上各套一只短路環(huán)，如同單相罩極異步電動(dòng)機(jī)的定子鐵心。定子鐵心上裝有勵(lì)磁線圈。轉(zhuǎn)子用硬磁材料做成凸極式，一經(jīng)磁化便產(chǎn)生固定的磁極。

當(dāng)定子繞組通入交流電時(shí)，由于短路環(huán)的電磁感應(yīng)作用，像罩極異步電動(dòng)機(jī)的定子鐵心一樣，在電動(dòng)機(jī)的氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。從圖2-27中可知，電流變化一周，定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周。轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中被磁化，形成磁性固定不變的磁極。由于磁極的相互作用，轉(zhuǎn)子被定子磁場(chǎng)吸引，由于定子磁場(chǎng)在旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子也就跟隨定子磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。

圖2-27單相反應(yīng)同步電動(dòng)機(jī)原理結(jié)構(gòu)圖(a)0≤t＜T/4;(b)T/4≤t＜T/2;(c)T/2≤t＜3T/4;(d)3T/4≤t＜T

(a)(b)

圖2-27單相反應(yīng)同步電動(dòng)機(jī)原理結(jié)構(gòu)圖(a)0≤t＜T/4;(b)T/4≤t＜T/2;(c)T/2≤t＜3T/4;(d)3T/4≤t＜T

(c)(d)

反應(yīng)式微型同步電動(dòng)機(jī)如同大型同步電動(dòng)機(jī)一樣，不能自行起動(dòng)，必須裝起動(dòng)繞組以產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是由轉(zhuǎn)子上的籠型起動(dòng)繞組產(chǎn)生的，在轉(zhuǎn)子加速到接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，依靠磁阻轉(zhuǎn)矩將轉(zhuǎn)子牽入同步并在同步下運(yùn)行，起動(dòng)繞組失去起動(dòng)作用。轉(zhuǎn)子上沒有勵(lì)磁繞組和集電環(huán)，也不使用永磁材料，其磁場(chǎng)由定子磁通產(chǎn)生。由于沒有滑動(dòng)接觸，又由于籠型繞組在正常運(yùn)行時(shí)存在起動(dòng)阻尼繞組的作用，因此運(yùn)行穩(wěn)定可靠。這種電動(dòng)機(jī)可以改變定、轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)，改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，也可以改變交流電的頻率來改變轉(zhuǎn)速。反應(yīng)式微型同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，可以用于記錄儀表、攝像機(jī)、錄音機(jī)及復(fù)印機(jī)等設(shè)備中。3.磁滯式同步電動(dòng)機(jī)磁滯式同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子由硬磁材料制成，預(yù)先不進(jìn)行磁化，外表呈光滑圓柱形或圓片形；定子結(jié)構(gòu)和異步電動(dòng)機(jī)相似，可以做成三相或單相。這種電動(dòng)機(jī)在接通電源時(shí)，將產(chǎn)生渦流轉(zhuǎn)矩和磁滯轉(zhuǎn)矩，從而使電動(dòng)機(jī)不需另裝鼠籠式起動(dòng)繞組便可自行起動(dòng)。由于轉(zhuǎn)子材料是導(dǎo)電材料，當(dāng)它與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，便會(huì)切割磁力線而在其外表層產(chǎn)生渦流，渦流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為渦流轉(zhuǎn)矩，它與交流伺服電動(dòng)機(jī)中的電磁轉(zhuǎn)矩性質(zhì)相同。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越低于同步轉(zhuǎn)速，渦流轉(zhuǎn)矩就越大。

由于轉(zhuǎn)子材料又是導(dǎo)磁材料，因而定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的每對(duì)磁極繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子沿圓周的各個(gè)部分將輪流被磁化一次。假如轉(zhuǎn)子是由磁滯現(xiàn)象可忽略的軟磁材料制成的，該轉(zhuǎn)子便如同一個(gè)隱極反應(yīng)式轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上因磁化而產(chǎn)生的磁極將隨定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以相同的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速在轉(zhuǎn)子外圓上旋轉(zhuǎn)，而且定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的軸線始終重合，轉(zhuǎn)子只受到徑向力的作用，不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。

可是，實(shí)際的轉(zhuǎn)子是由磁滯現(xiàn)象非常顯著的硬磁性材料制成的，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子磁極雖然仍隨定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以相同的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速在空間旋轉(zhuǎn)，但是由于磁滯現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子磁極的軸線總是滯后于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軸線一個(gè)固定的角度，如圖2-28所示。其中圖2-28（a）沒有切向力，不能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；圖2-28（b）沒有切向力，也不能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。圖2-28（c）有切向力Ft，能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果是將在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向相同的電磁轉(zhuǎn)矩。

轉(zhuǎn)子在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的反復(fù)磁化下，因磁滯現(xiàn)象而引起的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線滯后于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軸線的電角度和由此而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為磁滯角和磁滯轉(zhuǎn)矩。顯然，磁滯角的大小完全是由硬磁材料的磁滯特性決定的。一定的硬磁材料在一定的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下，其磁滯角和磁滯轉(zhuǎn)矩也是一定的，與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速無關(guān)。也就是說，在轉(zhuǎn)子由靜止增速到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的整個(gè)起動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)子因磁化而形成的磁極軸線與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極軸線之間的電角