《電機(jī)拖動(dòng)與控制》課件第7章

第7章控制電機(jī)7.1概述7.2伺服電動(dòng)機(jī)7.3測(cè)速發(fā)電機(jī)7.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)*7.5自整角機(jī)思考題與習(xí)題7.1概

述

7.1.1控制電機(jī)的基本用途和分類(lèi)

1.控制電機(jī)的用途控制電機(jī)已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代軍事裝備中必不可少的重要元件。它的使用范圍非常廣泛。例如，火炮和雷達(dá)的自動(dòng)定位，艦船方向舵的自動(dòng)操縱，飛機(jī)的自動(dòng)駕駛，遙遠(yuǎn)目標(biāo)位置的顯示，機(jī)床加工過(guò)程的自動(dòng)控制和自動(dòng)顯示，閥門(mén)的遙控，天文望遠(yuǎn)鏡和大型繪圖機(jī)的自動(dòng)控制，以及電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)記錄儀表、醫(yī)療設(shè)備、錄音、錄像、攝影等方面的自動(dòng)控制系統(tǒng)，都經(jīng)常使用控制電機(jī)。

2.控制電機(jī)的分類(lèi)控制電機(jī)的種類(lèi)很多，盡管各種控制電機(jī)的用途和功能不同，但基本上可劃分為信號(hào)元件和功率元件兩大類(lèi)。凡是用來(lái)轉(zhuǎn)換信號(hào)的都為信號(hào)元件，凡是把信號(hào)轉(zhuǎn)換成輸出功率或把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的都為功率元件。根據(jù)它們?cè)谧詣?dòng)控制系統(tǒng)中的作用，控制電機(jī)可以作如下的分類(lèi)。

1）執(zhí)行元件(功率元件)執(zhí)行元件主要包括直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)等。這些電動(dòng)機(jī)的任務(wù)是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度以及直線位移和線速度，并帶動(dòng)控制對(duì)象運(yùn)動(dòng)。

（1)交流和直流伺服電動(dòng)機(jī)。伺服電動(dòng)機(jī)是一種受輸入電信號(hào)控制并作快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向取決于控制電壓的大小與極性（相位），轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加而近似均勻降低。實(shí)際使用時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)通常經(jīng)齒輪減速后帶動(dòng)負(fù)載，

在系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。

（2)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子鐵心上放置多相繞組，并由專(zhuān)用電源供給電脈沖。它的角位移與所接收的電脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與每秒的電脈沖數(shù)成正比。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通常用在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。（3）力矩式自整角機(jī)。自整角機(jī)一般為兩個(gè)以上的元件對(duì)接使用，輸出轉(zhuǎn)矩的力矩式自整角機(jī)屬于功率元件，輸出的轉(zhuǎn)矩近似為兩個(gè)元件轉(zhuǎn)子角差的正弦函數(shù)。

2）測(cè)量元件（信號(hào)元件）測(cè)量元件包括自整角機(jī)、交直流測(cè)速發(fā)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器等。它們能夠用來(lái)測(cè)量機(jī)械轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)角差和轉(zhuǎn)速，一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為敏感元件和校正元件。（1)旋轉(zhuǎn)變壓器(包括多極旋轉(zhuǎn)變壓器)。普通的旋轉(zhuǎn)變壓器都做成一對(duì)極，其輸出電壓是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的正弦、余弦或其他函數(shù)。旋轉(zhuǎn)變壓器主要用于坐標(biāo)變換、三角運(yùn)算，也可以作為角度數(shù)據(jù)傳輸和移相元件(如感應(yīng)移相器)使用。

（2)交直流測(cè)速發(fā)電機(jī)。測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓精確地與轉(zhuǎn)速成正比，在系統(tǒng)中用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)速或進(jìn)行速度反饋，也可以作為微分、積分的計(jì)算元件使用。（3)控制式自整角機(jī)。自整角機(jī)的基本用途是角度數(shù)據(jù)傳輸，兩個(gè)以上元件對(duì)接使用。輸出電壓信號(hào)的控制式自整角機(jī)屬于信號(hào)元件，信號(hào)元件的輸出電壓是兩個(gè)元件轉(zhuǎn)子角差的正弦函數(shù)。

7.1.2對(duì)控制電機(jī)的基本要求

1.高可靠性

控制電機(jī)的工作可靠性對(duì)保證自動(dòng)控制系統(tǒng)的正常工作極為重要。在航空航天系統(tǒng)、軍事裝備和一些現(xiàn)代化的大型工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，對(duì)所用控制電機(jī)的可靠性要求很高。如采用自動(dòng)化程序生產(chǎn)的煉鋼廠，一旦伺服機(jī)構(gòu)中的控制電機(jī)發(fā)生故障，就會(huì)造成停產(chǎn)事故，甚至損壞煉鋼設(shè)備。此外，如核反應(yīng)堆中使用的執(zhí)行元件，由于工作條件所限，不便于維修，因而要求能夠長(zhǎng)期可靠地工作。據(jù)概率計(jì)算，如果元件的可靠性是99.5％，則40個(gè)元件所組成的系統(tǒng)的可靠性僅為0.99540，即81.8％；100個(gè)元件組成的系統(tǒng)，其可靠性僅為60.5％。

2.高精度

在各種軍事裝備、無(wú)線電導(dǎo)航、無(wú)線電定位、位置指示、自動(dòng)記錄、遠(yuǎn)程控制、機(jī)床加工自動(dòng)控制等系統(tǒng)中，對(duì)精度的要求越來(lái)越高，因此相應(yīng)地對(duì)這些系統(tǒng)中所使用的控制電機(jī)在精度方面也提出了更高、更新的要求，有時(shí)它們的精度對(duì)系統(tǒng)起著決定性的作用?？刂齐姍C(jī)的精度主要包括信號(hào)元件的靜態(tài)誤差、動(dòng)態(tài)誤差、溫度變化、電源頻率、電壓變化所引起的漂移等。功率元件如伺服電動(dòng)機(jī)的線性度和失靈區(qū)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距精度等，

都直接影響到控制系統(tǒng)的精度。

3.快速響應(yīng)

由于自動(dòng)控制系統(tǒng)中主令信號(hào)變化很快，因而要求控制電機(jī)特別是功率元件能對(duì)信號(hào)作出快速響應(yīng)。表征快速響應(yīng)的主要指標(biāo)是機(jī)電時(shí)間常數(shù)和靈敏度，這些又直接影響到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差。

4.適應(yīng)性強(qiáng)

控制電機(jī)的使用范圍很廣，而且工作環(huán)境常常十分復(fù)雜，這就要求電機(jī)在各種惡劣的環(huán)境條件下仍能準(zhǔn)確、可靠地工作。另外，很多使用場(chǎng)合(尤其在航空航天技術(shù)中)還要求控制電機(jī)體積小、重量輕、耗電少，因此我們常見(jiàn)到的控制電機(jī)很多都是體積很小的微電機(jī)。例如電子手表中用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，直徑只有6mm，長(zhǎng)度為4mm左右，耗電僅幾微瓦，

重量只有十幾克。

7.2伺服電動(dòng)機(jī)

7.2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)

1.直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)直流伺服電動(dòng)機(jī)就是微型的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)與原理都與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)相同。直流伺服電動(dòng)機(jī)按磁極的種類(lèi)劃分為兩種：一種是永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)，它的磁極是永久磁鐵；另一種是電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)，它的磁極是電磁鐵，磁極外面套著勵(lì)磁繞組。直流伺服電動(dòng)機(jī)就其用途來(lái)講，既可作為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(例如一些便攜式電子設(shè)備中使用的永磁式直流電動(dòng)機(jī))，也可作為伺服電動(dòng)機(jī)(例如錄相機(jī)、精密機(jī)床中的電動(dòng)機(jī))。

2.控制方式

一般用電壓信號(hào)控制直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速大小。改變電樞繞組電壓Ua的大小與方向的控制方式叫做電樞控制；改變直流伺服電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組電壓Uf的大小與方向的控制方式叫做磁場(chǎng)控制。

后者性能不如前者，

很少采用。下面只介紹電樞控制時(shí)的特性。

3.運(yùn)行特性

采用電樞控制時(shí)，電樞繞組也就是控制繞組，控制電壓為Uk=Ua。對(duì)于電磁式直流伺服機(jī)，勵(lì)磁電壓Uf為常數(shù)；另外，不考慮電樞反應(yīng)的影響，Φ=C，在這些前提下，電樞控制的直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式為（7.2.1）

式中：

當(dāng)Ua大小不同時(shí)，機(jī)械特性為一組平行的直線，如圖7.2.1(a)所示。當(dāng)Ua大小一定時(shí)，轉(zhuǎn)矩T大時(shí)轉(zhuǎn)速n低，轉(zhuǎn)矩的增加與轉(zhuǎn)速的下降成正比，這是十分理想的特性。另一個(gè)重要的特性是調(diào)節(jié)特性。所謂調(diào)節(jié)特性，是指在一定的轉(zhuǎn)矩下，轉(zhuǎn)速n與控制電壓Uk的關(guān)系，即n=f(Uk)。調(diào)節(jié)特性可以由機(jī)械特性得到。直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性是一組平行直線，如圖7.2.1(b)所示。圖7.2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)的特性(a)機(jī)械特性；

(b)調(diào)節(jié)特性

從直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性可以看出，Tem一定時(shí)，控制電壓Uk高時(shí)轉(zhuǎn)速n也高，控制電壓增加與轉(zhuǎn)速增加成正比。另外，當(dāng)n=0時(shí)，不同的轉(zhuǎn)矩所需要的控制電壓Ua也不同。由式（7.2.1）可知，當(dāng)n=0時(shí)，有（7.2.2）

例如圖7.2.1(b),T＝T1，Ua0=U1，表示只有當(dāng)控制電壓Ua>U1的條件下，電動(dòng)機(jī)才能轉(zhuǎn)起來(lái)，而當(dāng)Uk=Ua＝0～U1區(qū)間，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)，我們稱0～Ul區(qū)間為死區(qū)或失靈區(qū)，稱Ua0為始動(dòng)電壓,T不同，始動(dòng)電壓也不同，T大的始動(dòng)電壓也大，T＝0。即電動(dòng)機(jī)理想空載時(shí)，Ua0=0只要有信號(hào)電壓Ua電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)。直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性也是很理想的。為了提高直流伺服電動(dòng)機(jī)控制的靈敏性，應(yīng)盡力減小失靈區(qū)。減小失靈區(qū)的辦法是：

1）減小直流伺服電動(dòng)機(jī)電樞回路的電阻R；

2）減小直流伺服電動(dòng)機(jī)的空載轉(zhuǎn)矩。

7.2.2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)實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)兩相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，它的定子上有空間上互差90°電角度的兩相分布繞組，一相為勵(lì)磁繞組Nf，一相為控制繞組Nk。電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，勵(lì)磁繞組Nf

接單相交流電壓Uf，控制繞組接控制信號(hào)電壓Uk。Uf與Uk二者同頻率，一般采用50Hz或400Hz的電源供電。

轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)通常有兩種形式：一種為籠形轉(zhuǎn)子，另一種為非磁性空心杯轉(zhuǎn)子。交流伺服電動(dòng)機(jī)的籠形轉(zhuǎn)子的外形和普通籠形轉(zhuǎn)子一樣，但是為了減小交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高靈敏度，轉(zhuǎn)子通常做成細(xì)而長(zhǎng)的形式。為了使交流伺服電動(dòng)機(jī)的特性（機(jī)械特性、調(diào)節(jié)特性）為線性，改善控制特性，同時(shí)也為了防止“自轉(zhuǎn)現(xiàn)象”（Uk=0→n≠0）的發(fā)生，轉(zhuǎn)子電阻通常比較大，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體一般采用高電阻率的材料（如黃銅或青銅）制成。非磁性空心杯轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)如圖7.2.2所示。它采用內(nèi)、外定子結(jié)構(gòu)，外定子上放置定子繞組；內(nèi)定子相當(dāng)于普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心，作為電機(jī)磁路的一部分，不裝繞組。轉(zhuǎn)子采用非磁性材料（鋁或銅）制成杯形，杯的厚度一般為0.3mm左右。這種結(jié)構(gòu)的交流伺服電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，阻轉(zhuǎn)矩小，響應(yīng)速度快，運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)抖動(dòng)現(xiàn)象；缺點(diǎn)是氣隙大，

勵(lì)磁電流大，

功率因數(shù)小，

同時(shí)體積也大。

圖7.2.2非磁性空心杯轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)

2.工作原理交流伺服電動(dòng)機(jī)是兩相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，從控制特性上要求必須像直流伺服機(jī)一樣具有伺服性，即控制信號(hào)電壓強(qiáng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高；控制信號(hào)電壓弱時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低；若控制信號(hào)電壓等于零，電動(dòng)機(jī)就不轉(zhuǎn)了。為了滿足信號(hào)電壓強(qiáng)時(shí)轉(zhuǎn)速高、信號(hào)電壓弱時(shí)轉(zhuǎn)速低這一要求，可以讓信號(hào)強(qiáng)時(shí)電機(jī)氣隙磁通勢(shì)接近圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)；信號(hào)弱時(shí)氣隙磁通勢(shì)橢圓度增大至接近脈振磁通勢(shì)就行了。那么要求信號(hào)電壓消失即Uk＝0后電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)，這是怎樣做到的呢?下面首先分析這一點(diǎn)。

前面分析過(guò)單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子若只有一相繞組通電時(shí)，其機(jī)械特性為過(guò)原點(diǎn)(T=0，n＝0)的對(duì)稱曲線，在其正轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩特性曲線 上，T+=T+m時(shí)的臨界轉(zhuǎn)差率 ， 與 對(duì)稱。因此0<n<n0(n0為理想空載轉(zhuǎn)速，n0<n1)，合成轉(zhuǎn)矩T>0；而-n0<n<0，合成轉(zhuǎn)矩T<0。如果交流伺服電動(dòng)機(jī)的定子繞組與一般單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的一樣，那么正在運(yùn)行的交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制信號(hào)電壓一旦變?yōu)榱悖姍C(jī)就運(yùn)行于只有勵(lì)磁繞組一相通電的情況下，那么電機(jī)還必然在原來(lái)的旋轉(zhuǎn)方向上繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，只是轉(zhuǎn)速略有下降，但絕不可能停下來(lái)。

這種信號(hào)電壓消失后電動(dòng)機(jī)仍然旋轉(zhuǎn)不停的現(xiàn)象稱為“自轉(zhuǎn)”，自轉(zhuǎn)現(xiàn)象破壞了伺服性，顯然是要避免的。那么交流伺服電動(dòng)機(jī)怎樣避免單相運(yùn)行時(shí)的自轉(zhuǎn)呢?我們?cè)倏匆幌聢D7.2.3所示的機(jī)械特性，這也是只有一相繞組通電時(shí)的機(jī)械特性，T+=f(s)與T-=f(s)對(duì)稱，當(dāng)s+m=s-m=1時(shí)，電機(jī)總的電磁轉(zhuǎn)矩特性T=f(s)具有這樣的特點(diǎn)：

(1)當(dāng)n=0時(shí)，Tem=0，無(wú)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

(2)當(dāng)0<n<n1(即1>s>0)時(shí)，n≥0，Tem<0，Tem是制動(dòng)性電磁轉(zhuǎn)矩；當(dāng)-n1<n<0（即2>s>1)時(shí)，n<0，

Tem≥0，Tem也是制動(dòng)性電磁轉(zhuǎn)矩。

圖7.2.3轉(zhuǎn)子電阻變化對(duì)交流伺服電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的影響

若交流伺服電動(dòng)機(jī)原來(lái)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)，在控制信號(hào)電壓消失后，由于一相繞組通電運(yùn)行時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩是制動(dòng)性的，因而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將被制動(dòng)到n=0，只要sm≥1，就能避免自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在實(shí)際的交流伺服電動(dòng)機(jī)中，加大sm的方法是增大轉(zhuǎn)子回路的電阻，因?yàn)閟m∝R2，所以交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻相對(duì)于一般感應(yīng)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)是很大的。

3.控制方式

設(shè)計(jì)交流伺服電動(dòng)機(jī)時(shí)，當(dāng)勵(lì)磁繞組與控制繞組電壓分別為額定值時(shí)(對(duì)控制繞組來(lái)講，額定電壓指最大的控制電壓)，兩繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)幅值也一樣大，合成磁勢(shì)為一圓形旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)。交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁繞組如果接在額定電壓上，大小、相位都不變，那么改變控制繞組所加的電壓Uk

的大小和相位，電動(dòng)機(jī)氣隙磁通勢(shì)則隨著信號(hào)電壓Uk的大小和相位而改變，有可能為圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)，也有可能為不同橢圓度的橢圓旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)，還有可能為脈振磁通勢(shì)。而由于氣隙磁通勢(shì)的不同，電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性也相應(yīng)改變，因而拖動(dòng)著負(fù)載運(yùn)行的交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n也隨之變化。這就是交流伺服電動(dòng)機(jī)利用控制信號(hào)電壓Uk的大小和相位的變化控制轉(zhuǎn)速隨之變化的道理。改變Uk的大小與相位即可實(shí)現(xiàn)對(duì)交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制，控制方法主要有三種：幅值控制、相位控制和幅值－相位控制。

圖7.2.4幅值控制接線圖

1)幅值控制由加在控制繞組上信號(hào)電壓的幅值大小來(lái)控制交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，這種控制方式稱為幅值控制。幅值控制接線圖如圖7.2.4所示。勵(lì)磁繞組Uf直接接交流電源，電壓大小為額定值?？刂评@組所加的電壓為Uk，其相位與勵(lì)磁繞組電壓相差90°，Uk的大小可以改變。Uk＝αUkN，UkN為控制繞組額定電壓；α稱為有效信號(hào)系數(shù)，最大值為1。若以UkN為基值，則控制信號(hào)電壓Uk的有效信號(hào)系數(shù)α=Uk/UkN

。若有效信號(hào)系數(shù)α≠1，則控制繞組磁通勢(shì)幅值與勵(lì)磁繞組磁通勢(shì)幅值不一樣大，而兩繞組空間相差90°電角度，所加電壓相位差90°電角度，電機(jī)總的氣隙合成磁通勢(shì)為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)。α值越小，橢圓度越大，越接近脈振磁通勢(shì)。采用與分析單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)兩相繞組通電時(shí)同樣的方法，正轉(zhuǎn)磁通勢(shì)與反轉(zhuǎn)磁通勢(shì)分別產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T+與T-，總的電磁轉(zhuǎn)矩T＝T++T-，最后可以得出有效信號(hào)系數(shù)α為不同值時(shí)相應(yīng)的機(jī)械特性，如圖7.2.5(a)所示。該圖中，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速都采用標(biāo)么值。轉(zhuǎn)矩的基值是α＝1且為圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)時(shí)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速的基值是同步轉(zhuǎn)速n1。幅值控制時(shí)的機(jī)械特性不是直線。交流伺服電動(dòng)機(jī)幅值控制時(shí)的調(diào)節(jié)特性也可以從機(jī)械特性得到，如圖7.2.5(b)所示。幅值控制時(shí)調(diào)節(jié)特性也不是直線，只在n較小時(shí)近似為直線。為了盡量使交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)特性在n較小的區(qū)域，以保證伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差較小，許多交流伺服電動(dòng)機(jī)采用頻率為400Hz的交流電源，以提高它的同步轉(zhuǎn)速n1。與直流伺服電動(dòng)機(jī)相似，調(diào)節(jié)特性與橫軸交點(diǎn)的有效信號(hào)系數(shù)的值為始動(dòng)電壓的標(biāo)么值，轉(zhuǎn)矩大時(shí)，始動(dòng)電壓高。圖7.2.5幅值控制時(shí)的機(jī)械特性與調(diào)節(jié)特性(a)機(jī)械特性；

(b)調(diào)節(jié)特性

交流伺服電動(dòng)機(jī)在一定的控制信號(hào)電壓下，若轉(zhuǎn)速低，則輸出功率P2=T2Ω≈TemΩ也很?。蝗艮D(zhuǎn)速接近于理想空載轉(zhuǎn)速，則由于Tem很小，因而輸出功率也很小。α越大，輸出的功率也越大。交流伺服電動(dòng)機(jī)的額定功率通常規(guī)定為當(dāng)α＝1時(shí)的最大輸出功率，此時(shí)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，相應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩。

2)相位控制通過(guò)改變加在控制繞組上的信號(hào)電壓的相位來(lái)控制交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方式稱為相位控制。相位控制接線圖如圖7.2.6所示。勵(lì)磁繞組接在單相交流電源上，大小為額定電壓值?？刂评@組所加信號(hào)電壓Uk的大小為額定值，但是相位可以改變。Uk與Uf是同頻率的交流電，二者相位差為β，β＝0°～90°。如Uk落后于Uf

，若其幅值Uk=Uf，有效控制電壓為Uksinβ，則信號(hào)系數(shù)為sinβ=0～1，sinβ稱為相位控制的信號(hào)系數(shù)。

圖7.2.6相位控制接線圖

圖7.2.7幅值－相位控制接線圖

3）幅值－相位控制交流伺服電動(dòng)機(jī)幅值－相位控制接線圖如圖7.2.7所示（圖中f表示勵(lì)磁繞組，k表示控制繞組)。勵(lì)磁繞組外串電容器后再接交流電源，控制電壓為Uk，Uk與電源電壓同頻率，但相位、大小可以改變。

幅值控制、相位控制、幅值－相位控制的交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制信號(hào)變化時(shí)，電機(jī)內(nèi)合成磁通勢(shì)的性質(zhì)或橢圓度也隨之改變，

從而具有不同的機(jī)械特性，

使電機(jī)具有伺服性。

7.3測(cè)速發(fā)電機(jī)

7.3.1直流測(cè)速發(fā)電機(jī)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)有兩種：一種是電磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，即微型他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)；另一種是永磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，即磁極為永久磁鐵的微型直流發(fā)電機(jī)。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理都與直流發(fā)電機(jī)相同，

如圖7.3.1所示。

圖7.3.1直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的原理

當(dāng)每極磁通Φ為常數(shù)時(shí)，

發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)為

若負(fù)載電阻為R，則其輸出電壓為則

因此

（7.3.1）

當(dāng)負(fù)載R=C時(shí)，Ke=C，因此U∝n，即輸出電壓U與轉(zhuǎn)速n成正比。負(fù)載運(yùn)行時(shí)，U<Ea。若將測(cè)速發(fā)電機(jī)安裝在某拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，則輸出端提供了一個(gè)與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)，它既可作為反饋信號(hào)用于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)整，也可通過(guò)電壓表對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行間接測(cè)量。然而在實(shí)際運(yùn)行中，以測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓間接測(cè)量電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，其精確程度會(huì)受以下因素的影響：

（1）他勵(lì)式測(cè)速發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓的波動(dòng)、勵(lì)磁繞組電阻值因工作溫度而產(chǎn)生的變化以及電樞反應(yīng)的影響，都會(huì)使磁通Φ發(fā)生變化。圖7.3.2直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的不靈敏區(qū)（2）由于電刷接觸壓降的存在，因而會(huì)引起低速時(shí)出現(xiàn)n≠0而U=0的情況，形成如圖7.3.2所示的不靈敏區(qū)。（3）由于換向片數(shù)目有限，因而低速運(yùn)行時(shí)輸出電壓中存在著一定大小的紋波。（4）負(fù)載電阻R一定，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)U較大，Ia也較大，電樞反應(yīng)產(chǎn)生去磁作用使磁通Φ減小，輸出電壓U相應(yīng)要降低，破壞了U與n之間的線性關(guān)系。針對(duì)上述情況，

通常采用以下措施來(lái)提高測(cè)速發(fā)電機(jī)的檢測(cè)精度：

（1）以穩(wěn)壓電源勵(lì)磁，并在勵(lì)磁電路中串入阻值較大且受溫度影響極小的電阻，以減小電壓波動(dòng)和溫度變化造成的磁通變化。（2）為了減少電樞反應(yīng)的去磁作用的非線性影響，當(dāng)使用直流測(cè)速發(fā)電機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)速變化范圍不要太大，通常要限制最高轉(zhuǎn)速nmax；負(fù)載電阻不能太小，要限制最小負(fù)載電阻R

min。此外，電磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)可以安裝補(bǔ)償繞組。（3）選用接觸電阻較小的金屬電刷，減小低速時(shí)的不靈敏區(qū)。（4）

選用永磁式測(cè)速發(fā)電機(jī)，

減小溫度對(duì)檢測(cè)精度的影響。

7.3.2交流測(cè)速發(fā)電機(jī)

1.結(jié)構(gòu)空心杯轉(zhuǎn)子感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)定子上有兩相互相垂直的分布繞組，其中一相為勵(lì)磁繞組，另一相為輸出繞組。轉(zhuǎn)子呈空心杯狀，用電阻率較大的磷青銅制成，屬于非磁性材料?？招谋D(zhuǎn)子里還有一個(gè)由硅鋼片疊成的定子，稱為內(nèi)定子，

其作用是減小主磁路的磁阻。

2.基本原理

取勵(lì)磁繞組的軸線為d軸，輸出繞組的軸線為q軸。工作時(shí)勵(lì)磁繞組接單相交流電源，頻率為f；d軸方向的脈振磁通為Φd；電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為n，如圖7.3.3所示。圖7.3.3空心杯轉(zhuǎn)子感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)原理

交流感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)工作時(shí)，空心杯轉(zhuǎn)子上有兩種電動(dòng)勢(shì)存在，一種是變壓器電動(dòng)勢(shì)，一種是切割電動(dòng)勢(shì)。

變壓器電動(dòng)勢(shì)指不考慮轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而僅僅由縱軸磁通空心杯轉(zhuǎn)子感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)。在空心杯中，由于變壓器電動(dòng)勢(shì)而引起的轉(zhuǎn)子磁通勢(shì)大小是一個(gè)與轉(zhuǎn)子位置無(wú)關(guān)的常數(shù)，方向始終在d軸上，

這樣一來(lái)，當(dāng)n=0時(shí)，

該磁勢(shì)不會(huì)在輸出繞組（q軸方向）中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

當(dāng)n≠0時(shí)，將產(chǎn)生切割電動(dòng)勢(shì)。切割電動(dòng)勢(shì)是指轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)切割縱軸磁通Φd產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)?？招谋D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n，切割電動(dòng)勢(shì)E的方向用右手定則確定，如圖7.3.3所示。分析切割電動(dòng)勢(shì)時(shí)，我們可以把轉(zhuǎn)子看成為無(wú)數(shù)多根并聯(lián)的導(dǎo)條，每根導(dǎo)條切割電動(dòng)勢(shì)的大小與導(dǎo)條所在處的磁密大小、導(dǎo)條和磁密的相對(duì)切割速度成正比。設(shè)轉(zhuǎn)子杯軸向長(zhǎng)度為l，磁通為Φd，則切割電動(dòng)勢(shì)大小為(7.3.2)感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的空心杯轉(zhuǎn)子采用具有高電阻率的磷青銅制成，因此轉(zhuǎn)子電阻數(shù)值很大，轉(zhuǎn)子漏磁通和漏電抗數(shù)值均很小，這樣完全可以忽略轉(zhuǎn)子漏阻抗中的漏電抗，認(rèn)為只有電阻存在。因此，切割電動(dòng)勢(shì)Er在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的電流與電動(dòng)勢(shì)同方向、同相位，該電流建立的磁通勢(shì)在q軸方向，用Frq表示，其大小正比于Er，即

（7.3.3）

磁通勢(shì)Frq產(chǎn)生q軸方向的磁通，交鏈著q軸上的輸出繞組，并在其中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E2，由于Φd以頻率?交變，Er、Frq

和E2也都是時(shí)間交變量，頻率也是?。輸出繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E2的大小，即（7.3.4）

忽略勵(lì)磁繞組漏阻抗時(shí)，U1＝E1，只要電源電壓U1不變，縱軸磁通為常數(shù)，測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電動(dòng)勢(shì)E2只與電機(jī)轉(zhuǎn)速n成正比。

因此，輸出電壓U2也只與轉(zhuǎn)速n成正比，

即

(7.3.5)7.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

7.4.1概述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)的一種執(zhí)行元件。它是用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的電動(dòng)機(jī)，

因此又被稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。

給一個(gè)電脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度或前進(jìn)一步，其角位移量θ(或線位移S)與脈沖數(shù)k成正比，如圖7.4.1(a)所示。它的轉(zhuǎn)速n(或線速度v)與脈沖頻率f成正比，如圖7.4.1(b)所示。這些關(guān)系在負(fù)載能力范圍內(nèi)不因電源電壓與負(fù)載大小以及環(huán)境條件的波動(dòng)而變化。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，如快速、起－停、正－反轉(zhuǎn)控制及制動(dòng)等，這是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)。圖7.4.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)轉(zhuǎn)角（線位移）與脈沖個(gè)數(shù)的關(guān)系；

(b)轉(zhuǎn)速（線速度）與脈沖頻率的關(guān)系

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)既可以在某一固定頻率脈沖源作用下作為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)恒速運(yùn)行，也可以在某一受控脈沖源作用下作為伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。當(dāng)它作為自控系統(tǒng)中的執(zhí)行元件時(shí)，系統(tǒng)對(duì)它的基本要求是：（1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在脈沖信號(hào)作用下要能快速起動(dòng)、停轉(zhuǎn)、正反轉(zhuǎn)及在很寬的范圍內(nèi)調(diào)速。（2）要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距精度高，不得丟步或越步。（3）快速響應(yīng)，即起動(dòng)、停轉(zhuǎn)、正反轉(zhuǎn)要迅速。（4）

能直接帶負(fù)載，

輸出一定的轉(zhuǎn)矩。

7.4.2反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.典型結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)如圖7.4.2所示。它的定子和轉(zhuǎn)子是用硅鋼片或其它軟磁材料制成的。定子上共有六個(gè)磁極，每個(gè)磁極上都有許多小齒。在徑向相對(duì)的兩個(gè)磁極上的線圈串聯(lián)起來(lái)組成一相繞組，三相繞組接成星形。轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，沿圓周也有許多小齒。根據(jù)工作要求，定子磁極上小齒的齒距和轉(zhuǎn)子上小齒的齒距必須相等，而且轉(zhuǎn)子上齒數(shù)有一定限制。圖中所示轉(zhuǎn)子的齒數(shù)Zr=40，定子每個(gè)磁極上有5個(gè)小齒。圖7.4.2三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

2.工作原理

反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是利用凸極轉(zhuǎn)子橫軸磁阻與直軸磁阻不同所產(chǎn)生的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動(dòng)的。為便于討論，先以一臺(tái)最簡(jiǎn)單的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例。圖7.4.3所示為一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，定子有六個(gè)磁極，不帶小齒，相對(duì)的兩個(gè)磁極繞有一相繞組，三相繞組接成星形。轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，只有四個(gè)齒。定子與轉(zhuǎn)子齒寬相同。當(dāng)A相繞組通電而B(niǎo)、C相繞組不通電時(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1齒和3齒的軸線與定子A相磁極軸線對(duì)齊，如圖7.4.3(a)所示。當(dāng)A相繞組斷電，B相繞組通電時(shí)，在B相繞組建立的磁場(chǎng)作用下，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)30°，使轉(zhuǎn)子2齒和4齒軸線與B相磁極軸線對(duì)齊，

如圖7.4.3(b)所示。

同理，當(dāng)B相繞組斷電，C相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子又逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)300，使轉(zhuǎn)子1和3齒的軸線與C相磁極軸線對(duì)齊。按此順序不斷地使各相繞組輪流通電和斷電，轉(zhuǎn)子就會(huì)按逆時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊降剞D(zhuǎn)下去。每一步轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角，用θb表示。轉(zhuǎn)子相鄰兩齒軸線間的夾角稱為齒距角，用θt表示。若用Zr表示轉(zhuǎn)子齒數(shù)，則θt=3600／Zr，在此Zr=4，所以θt=3600／4=900。顯然，經(jīng)過(guò)一個(gè)通電循環(huán)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角，故步距角θb=900/3=300。圖7.4.3三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理

上述過(guò)程中，如果在A相斷電時(shí)，不是給B相通電而是給C相通電，在C相繞組建立的磁場(chǎng)作用下，轉(zhuǎn)子將順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)300，使轉(zhuǎn)子2和4齒的軸線與C相磁極軸線對(duì)齊。當(dāng)C相繞組斷電，B相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子又順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)300，使轉(zhuǎn)子1和3齒的軸線與B相磁極軸線對(duì)齊。顯然，按A—C—B—A…順序通電，轉(zhuǎn)子將按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)?？梢?jiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向由三相繞組輪流通電順序決定。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按上述A—B—C—A(或A—C—B—A)的方式運(yùn)行，稱為三相單三拍運(yùn)行方式?！叭唷笔侵覆竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)具有三相定子繞組；“單”是指每個(gè)通電狀態(tài)只有一相繞組通電；

“三拍”是指經(jīng)過(guò)三次切換繞組的通電狀態(tài)為一個(gè)循環(huán)，第四次通電時(shí)又重復(fù)第一拍的通電狀態(tài)。在這種運(yùn)行方式時(shí)，步距角θb=300。三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)除三相單三拍運(yùn)行方式外，還有三相雙三拍與三相單、雙六拍運(yùn)行方式。當(dāng)采用三相雙三拍運(yùn)行方式時(shí)，每次有兩相繞組同時(shí)通電，其通電順序?yàn)锳B—BC—CA—AB或AC—CB—BA—AC。當(dāng)AB兩相繞組同時(shí)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子的齒既不與A相磁極軸線對(duì)齊也不與B相磁極軸線對(duì)齊。其步距角θb=300與單三拍時(shí)相同。

把上述兩種運(yùn)行方式結(jié)合起來(lái)，有A—AB—B—BC—C—CA—A或A—AC—C—CB—B—BA—A，即一相與兩相間隔地輪流通電，完成一個(gè)循環(huán)有六個(gè)通電狀態(tài)。經(jīng)過(guò)六個(gè)通電狀態(tài)完成一個(gè)循環(huán)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角,步距角θb=900/6=150?？梢?jiàn)三相單、雙六拍運(yùn)行時(shí)步距角比三相三拍(無(wú)論是單三拍還是雙三拍)小一半，因此，同一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用不同的通電方式，步距角有兩個(gè)不同的值。如上所述的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，三拍時(shí)，θb=300；六拍時(shí)θb=150。綜上所述，反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以有不同的相數(shù)，如三相、四相、五相等，也可以有不同的運(yùn)行拍數(shù)，但其基本工作原理是相同的。

由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理的討論可知，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每來(lái)一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角，用θb表示，步距角的大小與轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)的關(guān)系為

(7.4.1)式中

Zr—轉(zhuǎn)子齒數(shù),N—運(yùn)行拍數(shù)，N=Km，K為狀態(tài)系數(shù),m為相數(shù)。當(dāng)采用單三拍或雙三拍分配方式時(shí)，運(yùn)行拍數(shù)等于相數(shù)，K=l，即N=m，稱為單拍制；當(dāng)采用單、雙六拍分配方式時(shí)，運(yùn)行拍數(shù)等于相數(shù)的二倍，K=2，即N=2m，稱為雙拍制。式（7.4.1）表明，步距角和轉(zhuǎn)子齒數(shù)、電機(jī)相數(shù)及拍數(shù)有關(guān)。同一相數(shù)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，若轉(zhuǎn)子齒數(shù)不同，則步距角大小不同。采用的分配方式不同，步距角也有兩個(gè)不同的值。增加相數(shù)或齒數(shù)可以減小步距角，但相數(shù)的增加受到電機(jī)外形尺寸及驅(qū)動(dòng)電源的限制，只能適當(dāng)增加；而轉(zhuǎn)子齒數(shù)在一定條件下可以增加。目前國(guó)內(nèi)外常用的小步距角的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就是通過(guò)增加轉(zhuǎn)子齒數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其步距角可以做得很小，以滿足生產(chǎn)實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給的需要。

由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理還可以知道，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在電脈沖信號(hào)作用下，每來(lái)一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，每分鐘轉(zhuǎn)過(guò)的角度為60?θb。因此，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率?的關(guān)系為

(7.4.2)或

(7.4.3)因此，電機(jī)轉(zhuǎn)速與脈沖源頻率保持嚴(yán)格的正比關(guān)系。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以在恒定脈沖源作用下作為同步電動(dòng)機(jī)使用，也可以在受控脈沖源作用下很方便地實(shí)現(xiàn)速度控制。此外，

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度θ與脈沖個(gè)數(shù)k保持嚴(yán)格的比例關(guān)系，

即

(機(jī)械角度)(7.4.4)

這個(gè)特點(diǎn)在許多工程實(shí)踐中是很有用的。如在一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)管道閥門(mén)，為了控制流量，要求閥門(mén)能按精確的角度開(kāi)啟，這就要求能對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行精確的角度控制。

例7—l

一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，采用三相單、雙六拍分配方式，轉(zhuǎn)子上共有40個(gè)齒，已知脈沖源頻率為600HZ，試完成下列要求：

(1)寫(xiě)出—個(gè)循壞的通電順序；

(2)求電機(jī)的步距角；

(3)求電機(jī)的轉(zhuǎn)速n。解

1．采用三相單、雙六拍分配方式，完成一個(gè)循環(huán)的通電順序?yàn)椋篈—AB—B—BC—C—CA，或者是：A—AC—C—CB—B—BA—A。

(2)

采用三相單、雙六拍分配方式時(shí)，N=2m=6，故步距角

采用三拍分配方式時(shí)，N=3，故此臺(tái)電機(jī)步距角為30。

3．電機(jī)轉(zhuǎn)速

單拍制時(shí),N=m=3雙拍制時(shí)，N=2m=67.4.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性

1.靜態(tài)運(yùn)行特性

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在電脈沖信號(hào)作用下，各相繞組輪流通電，電機(jī)就一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)。停止輸入脈沖信號(hào)，電機(jī)的一相或多相繞組(如三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的A相)通入恒定不變的直流電流，轉(zhuǎn)子在該電流所形成的磁場(chǎng)作用下固定于某一位置保持不動(dòng)，這種狀態(tài)稱為靜態(tài)。此時(shí)，轉(zhuǎn)子停留在一個(gè)初始穩(wěn)定平衡位置上，在這個(gè)位置上，即使有小小的擾動(dòng)，電磁力也會(huì)把轉(zhuǎn)子拉回到該平衡位置。轉(zhuǎn)子偏離初始穩(wěn)定平衡位置的電角度稱為失調(diào)角，用θ表示。靜態(tài)時(shí)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，用T表示。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩T與失調(diào)角θ的關(guān)系T=f(θ)稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩角特性。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)運(yùn)行狀態(tài)可以是一相繞組通電，也可以是多相繞組同時(shí)通電。

1）單相通電當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一相繞組通入恒定不變的直流電流時(shí)，該相極下定子齒與轉(zhuǎn)子齒的相對(duì)位置及所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩情況是相同的。因此，可以用一對(duì)定子齒、轉(zhuǎn)子齒的相對(duì)位置及轉(zhuǎn)矩情況來(lái)討論，電機(jī)所產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩應(yīng)該是該極下各個(gè)定子齒、

轉(zhuǎn)子齒間轉(zhuǎn)矩之和。

用電角度表示轉(zhuǎn)子相鄰兩齒中心線之間的夾角，則齒距角為θt=360°(電角度)=2π(電弧度)。對(duì)于理想空載情況，當(dāng)某相繞組通入恒定不變的直流電流時(shí)，該相極下定子齒與轉(zhuǎn)子齒軸線重合，此時(shí)轉(zhuǎn)子只受徑向力作用，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，即當(dāng)失調(diào)角θt=0°時(shí)，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩T=0，如圖7.4.4(a)所示。此時(shí)，如果使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)某一個(gè)角度，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩T隨著失調(diào)角θ的增加而增大。當(dāng)θ=90°時(shí)，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩為最大，稱為最大靜轉(zhuǎn)矩，如圖7.4.4(b)所示。繼續(xù)增大θ，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩反而變小，當(dāng)θ=180°時(shí)，如圖7.4.4(c)所示，此時(shí)相鄰兩個(gè)定子齒對(duì)轉(zhuǎn)子齒的作用互相平衡，因此靜態(tài)轉(zhuǎn)矩為零，即T=0。當(dāng)θ>180°時(shí)，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩改變方向且隨θ增大而增大，如圖7.4.4(d)所示。

圖7.4.4反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系

如果規(guī)定轉(zhuǎn)矩方向與正的失調(diào)角增加方向一致時(shí)為正，那么轉(zhuǎn)矩方向與正的失調(diào)角增加方向相反時(shí)即為負(fù)。因此，圖7.4.4(b)中最大靜轉(zhuǎn)矩為負(fù)，用-Tmax表示。同理，當(dāng)θ在0～-π之間變化時(shí)，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的方向與正的失調(diào)角增加方向一致，故為正值。當(dāng)在一相繞組中通入恒定直流電流時(shí)，所產(chǎn)生的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩T與失調(diào)角θ的關(guān)系用曲線表示出來(lái)，稱其為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩角特性，如圖7.4.5所示。在理想情況下這條曲線近似為正弦曲線。由矩角特性可以看出，對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)子位置，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是不同的。圖7.4.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩角特性

當(dāng)失調(diào)角θ=0°時(shí)，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩T=0，稱此位置為初始穩(wěn)定平衡位置或協(xié)調(diào)位置。由矩角特性還可以看出，當(dāng)外力使轉(zhuǎn)子偏離平衡位置，使失調(diào)角θ在-π～+π的范圍內(nèi)時(shí)，一旦外力消失，在靜態(tài)轉(zhuǎn)矩作用下，轉(zhuǎn)子仍能回到初始穩(wěn)定平衡位置。因此，-π<θ<+π的區(qū)域稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。

θ=±π為兩個(gè)不穩(wěn)定平衡位置，在這個(gè)位置，如果外力使θ偏離±π，則一旦外力消失，轉(zhuǎn)子在靜態(tài)轉(zhuǎn)矩作用下不會(huì)回到初始穩(wěn)定平衡位置，而是向前一個(gè)齒或后一個(gè)齒的平衡位置運(yùn)動(dòng)。矩角特性上靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩并用Tmax表示。最大靜轉(zhuǎn)矩表示步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力，是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最重要的性能指標(biāo)之一，

通常在技術(shù)數(shù)據(jù)中都會(huì)給出此值。

2）多相通電由于Tmax與通電狀態(tài)及繞組中電流的大小有關(guān)，因而當(dāng)兩相或多相同時(shí)通電時(shí)，其矩角特性由多個(gè)單相通電時(shí)的矩角特性疊加而成。矩角特性是由總磁通形成的，顯然其最大轉(zhuǎn)矩比單相繞組通電時(shí)要大，因此功率較大的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相數(shù)較多，多為五相或六相。

2.步進(jìn)運(yùn)行狀態(tài)

1）動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)前面討論了靜態(tài)轉(zhuǎn)矩、矩角特性、靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)、穩(wěn)定平衡點(diǎn)與不穩(wěn)定平衡點(diǎn)等概念，它們都是用來(lái)描述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不改變通電狀態(tài)時(shí)的運(yùn)行特性（即靜態(tài)特性）的。下面研究改變通電狀態(tài)時(shí)的運(yùn)行特性。在圖7.4.6中，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相單三拍工作時(shí)，A相繞組通電，其矩角特性如圖中的曲線A所示，設(shè)電機(jī)空載運(yùn)行，轉(zhuǎn)子平衡點(diǎn)為矩角特性上的OA點(diǎn)。A相斷電而B(niǎo)相通電時(shí)，矩角特性如圖中的曲線B所示，轉(zhuǎn)子新的平衡位置為OB，這兩條特性曲線的橫軸截距就是步距角θb。

圖7.4.6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)當(dāng)改變通電狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子位置只要在曲線B的穩(wěn)定區(qū)（-π+θb）<θ<(+π+θb)之間，轉(zhuǎn)子即可向OB點(diǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)入穩(wěn)定位置。因此，空載狀態(tài)下，區(qū)間B1～B2為動(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)切換為另一種通電狀態(tài)時(shí)，不致引起失步的區(qū)域。拍數(shù)越多，步距角越小，動(dòng)穩(wěn)定區(qū)就越接近靜穩(wěn)定區(qū)，在運(yùn)行中就越不易失步。由式(7.4.1)可知，增加轉(zhuǎn)子齒數(shù)以及拍數(shù)均可縮小步距角。因?yàn)榕臄?shù)與相數(shù)及通電方式有關(guān)，所以增加相數(shù)也有利于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。

2）最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩（最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩）TLmax

在圖7.4.6中，矩角特性曲線A與矩角特性曲線B的交點(diǎn)C所對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為T(mén)Lmax。若負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL<TLmax，當(dāng)控制脈沖切換通電繞組時(shí)，電機(jī)能夠在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下前進(jìn)一個(gè)步矩角達(dá)到新的平衡位置；若TL>TLmax，當(dāng)控制脈沖切換通電繞組時(shí)，電機(jī)不能作步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。TLmax是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單步運(yùn)行時(shí)所能帶的極限負(fù)載，稱為最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，也稱為最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)實(shí)際所帶的負(fù)載只有小于TLmax才能運(yùn)行。

3）起動(dòng)頻率和起動(dòng)特性若步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原來(lái)靜止在某一相的平衡位置上，當(dāng)輸入一定頻率的脈沖時(shí)，電機(jī)就開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，但其轉(zhuǎn)速不能立刻達(dá)到穩(wěn)定值，而需要有一個(gè)過(guò)程，這就是起動(dòng)過(guò)程。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中，如果脈沖頻率低于某一極限頻率，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，繞組由A相通電切換為B相通電，如圖7.4.7所示，電機(jī)的工作點(diǎn)就由初始穩(wěn)定平衡點(diǎn)瞬時(shí)移到b點(diǎn)，并在電磁轉(zhuǎn)矩Tb作用下加速運(yùn)動(dòng)。在第二個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，若電機(jī)工作點(diǎn)已經(jīng)到b′點(diǎn)，因?yàn)橥姞顟B(tài)改變，所以工作點(diǎn)由b′點(diǎn)移到第二拍矩角特性上的c點(diǎn)，電機(jī)在此轉(zhuǎn)矩作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。這表明當(dāng)?shù)诙牡絹?lái)時(shí)，只要電機(jī)處于穩(wěn)定區(qū)d～c范圍內(nèi)，就能保證電機(jī)不失步地起動(dòng)起來(lái)。

圖7.4.7步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程

如果脈沖頻率高于某一極限值，則當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，電機(jī)工作點(diǎn)由Oa點(diǎn)一躍到達(dá)b點(diǎn)并開(kāi)始加速，電機(jī)轉(zhuǎn)到b″點(diǎn)時(shí)第二個(gè)脈沖到來(lái)，工作點(diǎn)由b″點(diǎn)移到第二拍矩角特性的c′點(diǎn)，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)樨?fù)值，因此電機(jī)在該轉(zhuǎn)矩作用下不是加速而是減速。如果在速度降低到零時(shí)轉(zhuǎn)子還不能進(jìn)入動(dòng)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，則電機(jī)將在負(fù)電磁轉(zhuǎn)矩作用下向相反方向運(yùn)動(dòng)，從而造成電機(jī)失步或振蕩，這樣電機(jī)就無(wú)法起動(dòng)。

電機(jī)正常起動(dòng)(不丟步、不失步)所能加的最高控制脈沖頻率稱為起動(dòng)頻率，它是衡量步進(jìn)電動(dòng)機(jī)快速性能的重要指標(biāo)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)頻率要比連續(xù)運(yùn)行時(shí)的頻率低得多，這是由于電機(jī)剛起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速為零。在起動(dòng)過(guò)程中，電磁轉(zhuǎn)矩除了要克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩外，還要提供產(chǎn)生加速度的轉(zhuǎn)矩，并且由于機(jī)械系統(tǒng)存在慣性，因而轉(zhuǎn)速不能突變。為了能正常起動(dòng)，起動(dòng)頻率不能過(guò)高，但是電機(jī)一旦起動(dòng)起來(lái)以后，如果再繼續(xù)升高頻率，則由于轉(zhuǎn)子加速度比較小，慣性轉(zhuǎn)矩不大，因而電機(jī)仍能升速。

顯然連續(xù)運(yùn)行頻率要比起動(dòng)頻率高。

圖7.4.8步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)矩頻特性當(dāng)電機(jī)帶負(fù)載起動(dòng)時(shí)，作用在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的加速轉(zhuǎn)矩為電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩之差。負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，加速轉(zhuǎn)矩就越小，電機(jī)就不易轉(zhuǎn)起來(lái)。只有當(dāng)每步有較長(zhǎng)的加速時(shí)間(即較低的脈沖頻率)時(shí)，電機(jī)才可能起動(dòng)。因此，隨著負(fù)載的增加，起動(dòng)頻率是下降的。在一定的負(fù)載慣量下，起動(dòng)頻率隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化的特性稱為起動(dòng)矩頻特性，

如圖7.4.8所示。

3.連續(xù)運(yùn)行特性

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一旦起動(dòng)以后，如果再逐漸升高脈沖頻率，則電機(jī)仍能不丟步地運(yùn)行，連續(xù)旋轉(zhuǎn)。連續(xù)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)動(dòng)態(tài)平均轉(zhuǎn)矩比起動(dòng)時(shí)要小。頻率愈高，電機(jī)轉(zhuǎn)速愈快，動(dòng)態(tài)平均轉(zhuǎn)矩也愈小。顯然連續(xù)運(yùn)行頻率要比起動(dòng)頻率高得多。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，當(dāng)控制脈沖頻率繼續(xù)上升時(shí)，電動(dòng)機(jī)能不失步運(yùn)行的最高控制脈沖頻率稱為連續(xù)運(yùn)行頻率，簡(jiǎn)稱運(yùn)行頻率，它可以比起動(dòng)頻率高幾倍甚至十幾倍。當(dāng)電機(jī)參數(shù)和驅(qū)動(dòng)電路一定時(shí)，它與負(fù)載有關(guān)。在負(fù)載慣量不變的情況下，運(yùn)行頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱為運(yùn)行矩頻特性，如圖7.4.9所示。圖7.4.9步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行矩頻特性

從運(yùn)行矩頻特性曲線可以看出，隨著頻率的升高，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能帶動(dòng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下降。這主要是由于電路時(shí)間常數(shù)的影響。電機(jī)的每相繞組是一個(gè)電感線圈，它具有一定的電感量，而電感元件的主要特性是流過(guò)它的電流不能夠躍變，脈沖電壓的接入與斷開(kāi)引起定子繞組中的電流按由時(shí)間常數(shù)決定的指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)或衰減。圖7.4.10所示為不同頻率時(shí)，定子繞組在相同幅值脈沖電壓作用下電流的波形。當(dāng)輸入脈沖頻率比較低時(shí)，每相繞組的通電和斷電周期比較長(zhǎng)，電流波形接近于穩(wěn)態(tài)值，電流的平均值比較大。頻率升高以后，

電流波形與理想波形差別加大。

如圖7.4.10(c)所示，電流平均值減小，因此電機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩下降。脈沖信號(hào)的頻率升高到一定值以后，電機(jī)根本就不能轉(zhuǎn)動(dòng)了。從圖7.4.9所示的運(yùn)行矩頻特性可見(jiàn)，隨頻率f的增加，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所能帶的負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小。要減小頻率f對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的影響，可采用同時(shí)多相通電（如A—AB—B—BC—C，相當(dāng)于降低了某一相通電電源的頻率）。圖7.4.10頻率變化時(shí)繞組電流波形

7.4.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是在專(zhuān)用電源驅(qū)動(dòng)下運(yùn)行的。驅(qū)動(dòng)電源(又稱驅(qū)動(dòng)器)不僅僅按一定要求向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)提供功率脈沖信號(hào)，而且與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能密切相關(guān)。可以說(shuō)，評(píng)價(jià)一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能的好壞，一方面要看電機(jī)本身的設(shè)計(jì)、制造水平，另一方面則要看驅(qū)動(dòng)電源的水平。驅(qū)動(dòng)電源和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一個(gè)有機(jī)的整體，一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能是電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電源二者配合的綜合效果。因此，隨著步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用，其驅(qū)動(dòng)電源的研究也愈加深入，并取得了可喜成果。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源由脈沖信號(hào)源、脈沖分配器和功率放大器三個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，如圖7.4.11所示。

圖7.4.11步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源框圖

脈沖信號(hào)源產(chǎn)生一系列脈沖信號(hào)。根據(jù)使用要求，脈沖信號(hào)源可以是一個(gè)頻率連續(xù)可調(diào)的多諧振蕩器、單結(jié)晶體管振蕩器或壓控振蕩器等受控脈沖源，也可以是恒定頻率的晶體振蕩器，還可以是計(jì)算機(jī)或其它數(shù)控裝置給出的一系列控制脈沖信號(hào)源。脈沖分配器根據(jù)控制要求按一定的邏輯關(guān)系對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行分配，如對(duì)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以按單三拍，雙三拍及單、雙六拍三種分配方式分配脈沖信號(hào)。由于分配方式周而復(fù)始地不斷重復(fù)，因而又把產(chǎn)生脈沖分配的邏輯部件稱為環(huán)形分配器。脈沖分配器可以由門(mén)電路和觸發(fā)器構(gòu)成，也可以由專(zhuān)用集成電路或由計(jì)算機(jī)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。功率放大電路實(shí)際上是功率開(kāi)關(guān)電路，有單電壓、雙電壓、斬波型、調(diào)頻調(diào)壓型和細(xì)分型等多種形式，可以由晶體管、晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、功率集成器件構(gòu)成。

7.4.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要技術(shù)數(shù)據(jù)和性能指標(biāo)

1.額定電壓額定電壓是指加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組主回路的電壓。它一般不等于加在繞組兩端的電壓，而是繞組兩端電壓、限流電阻壓降和晶體管上電壓的總和。該電壓的紋波系數(shù)不易過(guò)大，應(yīng)小于5%。為了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其配套電源的標(biāo)準(zhǔn)化，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的額定電壓為單電壓驅(qū)動(dòng)：6，12，27，48，60，80(V)；雙電壓驅(qū)動(dòng)：

60／12,80／12(V)。

2.額定電流

在額定電壓作用下，電機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)一相繞組允許通過(guò)的電流定為額定電流。電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)電流表測(cè)出的是脈沖電流的平均值，

這個(gè)平均電流小于額定電流。

3.步距角θb

每輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的機(jī)械角度稱為步距角。理論上的步距角θb=360°/ZrN。步距角的大小會(huì)直接影響起動(dòng)和運(yùn)行頻率。

4.靜態(tài)步距角誤差Δθb

靜態(tài)步距角誤差即實(shí)際的步距角與理論的步距角之間的差值，通常用理論步距角的百分?jǐn)?shù)或絕對(duì)值來(lái)衡量，可用來(lái)表示電機(jī)精度。

靜態(tài)步距角誤差小表示電機(jī)精度高。

5.最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax

最大靜轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在規(guī)定的通電相數(shù)下矩角特性上的最大轉(zhuǎn)矩值。繞組電流越大，最大靜轉(zhuǎn)矩也越大。最大靜轉(zhuǎn)矩隨繞組電流變化的曲線叫做步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性，通常技術(shù)數(shù)據(jù)中給出的最大靜轉(zhuǎn)矩是指每相繞組通入額定電流時(shí)的最大靜轉(zhuǎn)矩。一般來(lái)講，最大靜轉(zhuǎn)矩大的電機(jī)，負(fù)載能力強(qiáng)。負(fù)載轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的比值通常取為0.3～0.5左右，即

6.起動(dòng)頻率fq

起動(dòng)頻率又稱突跳頻率，是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能夠不失步起動(dòng)的最高脈沖頻率。起動(dòng)頻率分空載起動(dòng)頻率和負(fù)載起動(dòng)頻率兩種，負(fù)載起動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小有關(guān)。

7.連續(xù)運(yùn)行頻率f

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，脈沖頻率連續(xù)上升能不失步運(yùn)行的最高脈沖頻率稱為連續(xù)運(yùn)行頻率。連續(xù)運(yùn)行頻率比起動(dòng)頻率高得多。

8.起動(dòng)矩頻特性

在一定的負(fù)載慣量下，起動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱為起動(dòng)矩頻特性。

9.運(yùn)行矩頻特性

在負(fù)載慣量不變的情況下，

運(yùn)行頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱為運(yùn)行矩頻特性。

*7.5自整角機(jī)

單相自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖7.5.1所示。其定子結(jié)構(gòu)與三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相似，定子槽中嵌放著三個(gè)軸線互成120°電角度、電路上采用無(wú)中線星形連接的分布繞組，稱為整步繞組。單相自整角機(jī)的轉(zhuǎn)子有凸極式和隱極式兩種，均裝有勵(lì)磁繞組，通過(guò)集電環(huán)和電刷引出。該自整角機(jī)采用幅值和頻率均不變的交流電壓勵(lì)磁，磁極對(duì)數(shù)通常為1。

圖7.5.1單相自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)

7.5.1力矩式自整角機(jī)力矩式自整角機(jī)是功率元件，成對(duì)使用，可直接帶負(fù)載，

其原理示意圖如圖7.5.2所示。

圖7.5.2力矩式自整角機(jī)原理示意圖(a)原理框圖；

(b)結(jié)構(gòu)示意

力矩式自整角機(jī)的接線圖如圖7.5.3所示。

圖7.5.3力矩式自整角機(jī)的接線圖(a)整步繞組與勵(lì)磁繞組軸線重合；

(b)失調(diào)

以下討論整步轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的電磁過(guò)程。為簡(jiǎn)化分析，假定：

(1)自整角機(jī)的氣隙磁通密度空間量正弦分布。

(2)

忽略飽和效應(yīng)和整步繞組磁通勢(shì)對(duì)勵(lì)磁磁通勢(shì)的影響。

勵(lì)磁繞組接上電源后，它所建立的脈振磁通勢(shì)可以分解為幅值和轉(zhuǎn)速均相等的正、反兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)F+和F-，并建立相應(yīng)的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)Φ+和Φ-。Φ+、Φ-分別在三個(gè)整步繞組中感應(yīng)產(chǎn)生對(duì)稱的三相交流電動(dòng)勢(shì)。由于三整步繞組參數(shù)相同，定子三相電路對(duì)稱，繞組參數(shù)也相同，因而在分析其電磁過(guò)程時(shí)只需取其中的一相繞組作為代表。圖7.5.4中發(fā)送機(jī)取繞組OA，接收機(jī)取繞組Ｏ′A。當(dāng)失調(diào)角為0時(shí)，ＯA和O′A空間軸線重合，如圖7.5.4(a)所示，發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的Φ+同時(shí)分別“切割”ＯA和Ｏ′A，并在其中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。若取E+和E+′的正方向與整步繞組中的均衡電流方向一致，則E+與E′+的相位相差為180°電角度，如圖7.5.4(c)所示。此時(shí)，合成電動(dòng)勢(shì)ΔE+=E+－E+′為零，不能在兩自整角機(jī)的整步繞組電路中建立均衡電流和整步轉(zhuǎn)矩。同理，Φ-在圖中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)E-和E-′

相位上也相差180°電角度，如圖7.5.3(d)所示，合成電動(dòng)勢(shì)ΔE—=E—－E—′亦為零，同樣不能建立均衡電流和整步轉(zhuǎn)矩。

圖7.5.4失調(diào)角下自整角機(jī)電勢(shì)分析

當(dāng)發(fā)送機(jī)的轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度時(shí)，由圖7.5.4(b)可看出，若取逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的磁場(chǎng)為Φ+，則Φ+的幅值切割OA的時(shí)間超前于切割Ｏ′A的時(shí)間，即E+′

滯后E+θ電角度，因此，ΔE+=E+－E+′不再為零，整步繞組中將出現(xiàn)均衡電流I+，如圖7.5.4(e)所示。同理，由于Φ-的幅值切割ＯA的時(shí)間滯后于它切割Ｏ′A的時(shí)間，使E－′超前E-θ電角度，因而，合成電動(dòng)勢(shì)ΔE-=E-－E′-亦不為零，并建立均衡電流I-，如圖7.5.4(f)所示。圖7.5.4中的φ角為一相整步繞組電路的總阻抗角。均衡電流I+、I-建立的四個(gè)整步轉(zhuǎn)矩分別為(7.5.1）

轉(zhuǎn)矩均作用在定子繞組上，從圖7.5.3(e)、(f)中看出，由于

故T+和T′-為正，方向與產(chǎn)生此轉(zhuǎn)矩的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向相同；T-和T′+為負(fù)，方向與產(chǎn)生此轉(zhuǎn)矩的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向相反。由于定子繞組是固定不動(dòng)的，所以在發(fā)送機(jī)中，T+和T-企圖使轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；在接收機(jī)中，T′+和T′