《電機拖動與控制》課件第7章

第7章控制電機7.1概述7.2伺服電動機7.3測速發(fā)電機7.4步進電動機*7.5自整角機思考題與習題7.1概

述

7.1.1控制電機的基本用途和分類

1.控制電機的用途控制電機已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng)、現(xiàn)代科學技術(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，火炮和雷達的自動定位，艦船方向舵的自動操縱，飛機的自動駕駛，遙遠目標位置的顯示，機床加工過程的自動控制和自動顯示，閥門的遙控，天文望遠鏡和大型繪圖機的自動控制，以及電子計算機、自動記錄儀表、醫(yī)療設備、錄音、錄像、攝影等方面的自動控制系統(tǒng)，都經(jīng)常使用控制電機。

2.控制電機的分類控制電機的種類很多，盡管各種控制電機的用途和功能不同，但基本上可劃分為信號元件和功率元件兩大類。凡是用來轉(zhuǎn)換信號的都為信號元件，凡是把信號轉(zhuǎn)換成輸出功率或把電能轉(zhuǎn)換為機械能的都為功率元件。根據(jù)它們在自動控制系統(tǒng)中的作用，控制電機可以作如下的分類。

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機、交流伺服電動機、步進電動機和無刷直流電動機等。這些電動機的任務是將電信號轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度以及直線位移和線速度，并帶動控制對象運動。

（1)交流和直流伺服電動機。伺服電動機是一種受輸入電信號控制并作快速響應的電動機，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。實際使用時，伺服電動機通常經(jīng)齒輪減速后帶動負載，

在系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。

（2)步進電動機。步進電動機的定子鐵心上放置多相繞組，并由專用電源供給電脈沖。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。步進電動機通常用在開環(huán)系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。（3）力矩式自整角機。自整角機一般為兩個以上的元件對接使用，輸出轉(zhuǎn)矩的力矩式自整角機屬于功率元件，輸出的轉(zhuǎn)矩近似為兩個元件轉(zhuǎn)子角差的正弦函數(shù)。

2）測量元件（信號元件）測量元件包括自整角機、交直流測速發(fā)電機和旋轉(zhuǎn)變壓器等。它們能夠用來測量機械轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)角差和轉(zhuǎn)速，一般在自動控制系統(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變換、三角運算，也可以作為角度數(shù)據(jù)傳輸和移相元件(如感應移相器)使用。

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

7.1.2對控制電機的基本要求

1.高可靠性

控制電機的工作可靠性對保證自動控制系統(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)自動化系統(tǒng)中，對所用控制電機的可靠性要求很高。如采用自動化程序生產(chǎn)的煉鋼廠，一旦伺服機構(gòu)中的控制電機發(fā)生故障，就會造成停產(chǎn)事故，甚至損壞煉鋼設備。此外，如核反應堆中使用的執(zhí)行元件，由于工作條件所限，不便于維修，因而要求能夠長期可靠地工作。據(jù)概率計算，如果元件的可靠性是99.5％，則40個元件所組成的系統(tǒng)的可靠性僅為0.99540，即81.8％；100個元件組成的系統(tǒng)，其可靠性僅為60.5％。

2.高精度

在各種軍事裝備、無線電導航、無線電定位、位置指示、自動記錄、遠程控制、機床加工自動控制等系統(tǒng)中，對精度的要求越來越高，因此相應地對這些系統(tǒng)中所使用的控制電機在精度方面也提出了更高、更新的要求，有時它們的精度對系統(tǒng)起著決定性的作用?？刂齐姍C的精度主要包括信號元件的靜態(tài)誤差、動態(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機的線性度和失靈區(qū)、步進電動機的步距精度等，

都直接影響到控制系統(tǒng)的精度。

3.快速響應

由于自動控制系統(tǒng)中主令信號變化很快，因而要求控制電機特別是功率元件能對信號作出快速響應。表征快速響應的主要指標是機電時間常數(shù)和靈敏度，這些又直接影響到系統(tǒng)的動態(tài)誤差。

4.適應性強

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

重量只有十幾克。

7.2伺服電動機

7.2.1直流伺服電動機

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

2.控制方式

一般用電壓信號控制直流伺服電動機的轉(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；改變直流伺服電動機勵磁繞組電壓Uf的大小與方向的控制方式叫做磁場控制。

后者性能不如前者，

很少采用。下面只介紹電樞控制時的特性。

3.運行特性

采用電樞控制時，電樞繞組也就是控制繞組，控制電壓為Uk=Ua。對于電磁式直流伺服機，勵磁電壓Uf為常數(shù)；另外，不考慮電樞反應的影響，Φ=C，在這些前提下，電樞控制的直流伺服電動機的機械特性表達式為（7.2.1）

式中：

當Ua大小不同時，機械特性為一組平行的直線，如圖7.2.1(a)所示。當Ua大小一定時，轉(zhuǎn)矩T大時轉(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)特性可以由機械特性得到。直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性是一組平行直線，如圖7.2.1(b)所示。圖7.2.1直流伺服電動機的特性(a)機械特性；

(b)調(diào)節(jié)特性

從直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性可以看出，Tem一定時，控制電壓Uk高時轉(zhuǎn)速n也高，控制電壓增加與轉(zhuǎn)速增加成正比。另外，當n=0時，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n=0時，有（7.2.2）

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

1）減小直流伺服電動機電樞回路的電阻R；

2）減小直流伺服電動機的空載轉(zhuǎn)矩。

7.2.2交流伺服電動機

1.基本結(jié)構(gòu)交流伺服電動機實質(zhì)上就是一個兩相感應電動機，它的定子上有空間上互差90°電角度的兩相分布繞組，一相為勵磁繞組Nf，一相為控制繞組Nk。電動機工作時，勵磁繞組Nf

接單相交流電壓Uf，控制繞組接控制信號電壓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。交流伺服電動機的籠形轉(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機的轉(zhuǎn)動慣量，提高靈敏度，轉(zhuǎn)子通常做成細而長的形式。為了使交流伺服電動機的特性（機械特性、調(diào)節(jié)特性）為線性，改善控制特性，同時也為了防止“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)子伺服電動機如圖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)定子相當于普通感應電動機的轉(zhuǎn)子鐵心，作為電機磁路的一部分，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)的交流伺服電動機的優(yōu)點是轉(zhuǎn)動慣量小，阻轉(zhuǎn)矩小，響應速度快，運行平穩(wěn)，無抖動現(xiàn)象；缺點是氣隙大，

勵磁電流大，

功率因數(shù)小，

同時體積也大。

圖7.2.2非磁性空心杯轉(zhuǎn)子伺服電動機

2.工作原理交流伺服電動機是兩相感應電動機，從控制特性上要求必須像直流伺服機一樣具有伺服性，即控制信號電壓強時，電動機轉(zhuǎn)速高；控制信號電壓弱時，電動機轉(zhuǎn)速低；若控制信號電壓等于零，電動機就不轉(zhuǎn)了。為了滿足信號電壓強時轉(zhuǎn)速高、信號電壓弱時轉(zhuǎn)速低這一要求，可以讓信號強時電機氣隙磁通勢接近圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢；信號弱時氣隙磁通勢橢圓度增大至接近脈振磁通勢就行了。那么要求信號電壓消失即Uk＝0后電動機不轉(zhuǎn)，這是怎樣做到的呢?下面首先分析這一點。

前面分析過單相感應電動機定子若只有一相繞組通電時，其機械特性為過原點(T=0，n＝0)的對稱曲線，在其正轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩特性曲線 上，T+=T+m時的臨界轉(zhuǎn)差率 ， 與 對稱。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。如果交流伺服電動機的定子繞組與一般單相感應電動機的一樣，那么正在運行的交流伺服電動機的控制信號電壓一旦變?yōu)榱?，電機就運行于只有勵磁繞組一相通電的情況下，那么電機還必然在原來的旋轉(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。

這種信號電壓消失后電動機仍然旋轉(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。那么交流伺服電動機怎樣避免單相運行時的自轉(zhuǎn)呢?我們再看一下圖7.2.3所示的機械特性，這也是只有一相繞組通電時的機械特性，T+=f(s)與T-=f(s)對稱，當s+m=s-m=1時，電機總的電磁轉(zhuǎn)矩特性T=f(s)具有這樣的特點：

(1)當n=0時，Tem=0，無起動轉(zhuǎn)矩。

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

Tem≥0，Tem也是制動性電磁轉(zhuǎn)矩。

圖7.2.3轉(zhuǎn)子電阻變化對交流伺服電動機機械特性的影響

若交流伺服電動機原來運行在電動狀態(tài)，在控制信號電壓消失后，由于一相繞組通電運行時的電磁轉(zhuǎn)矩是制動性的，因而電動機轉(zhuǎn)速將被制動到n=0，只要sm≥1，就能避免自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在實際的交流伺服電動機中，加大sm的方法是增大轉(zhuǎn)子回路的電阻，因為sm∝R2，所以交流伺服電動機轉(zhuǎn)子電阻相對于一般感應電動機來說是很大的。

3.控制方式

設計交流伺服電動機時，當勵磁繞組與控制繞組電壓分別為額定值時(對控制繞組來講，額定電壓指最大的控制電壓)，兩繞組產(chǎn)生的磁通勢幅值也一樣大，合成磁勢為一圓形旋轉(zhuǎn)磁勢。交流伺服電動機運行時，勵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，電動機氣隙磁通勢則隨著信號電壓Uk的大小和相位而改變，有可能為圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢，也有可能為不同橢圓度的橢圓旋轉(zhuǎn)磁通勢，還有可能為脈振磁通勢。而由于氣隙磁通勢的不同，電動機機械特性也相應改變，因而拖動著負載運行的交流伺服電動機的轉(zhuǎn)速n也隨之變化。這就是交流伺服電動機利用控制信號電壓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現(xiàn)對交流伺服電動機的控制，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電壓的幅值大小來控制交流伺服電動機轉(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稱為有效信號系數(shù)，最大值為1。若以UkN為基值，則控制信號電壓Uk的有效信號系數(shù)α=Uk/UkN

。若有效信號系數(shù)α≠1，則控制繞組磁通勢幅值與勵磁繞組磁通勢幅值不一樣大，而兩繞組空間相差90°電角度，所加電壓相位差90°電角度，電機總的氣隙合成磁通勢為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢。α值越小，橢圓度越大，越接近脈振磁通勢。采用與分析單相感應電動機兩相繞組通電時同樣的方法，正轉(zhuǎn)磁通勢與反轉(zhuǎn)磁通勢分別產(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系數(shù)α為不同值時相應的機械特性，如圖7.2.5(a)所示。該圖中，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速都采用標么值。轉(zhuǎn)矩的基值是α＝1且為圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢時電機的起動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速的基值是同步轉(zhuǎn)速n1。幅值控制時的機械特性不是直線。交流伺服電動機幅值控制時的調(diào)節(jié)特性也可以從機械特性得到，如圖7.2.5(b)所示。幅值控制時調(diào)節(jié)特性也不是直線，只在n較小時近似為直線。為了盡量使交流伺服電動機調(diào)節(jié)特性在n較小的區(qū)域，以保證伺服系統(tǒng)的動態(tài)誤差較小，許多交流伺服電動機采用頻率為400Hz的交流電源，以提高它的同步轉(zhuǎn)速n1。與直流伺服電動機相似，調(diào)節(jié)特性與橫軸交點的有效信號系數(shù)的值為始動電壓的標么值，轉(zhuǎn)矩大時，始動電壓高。圖7.2.5幅值控制時的機械特性與調(diào)節(jié)特性(a)機械特性；

(b)調(diào)節(jié)特性

交流伺服電動機在一定的控制信號電壓下，若轉(zhuǎn)速低，則輸出功率P2=T2Ω≈TemΩ也很??；若轉(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。交流伺服電動機的額定功率通常規(guī)定為當α＝1時的最大輸出功率，此時相應的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，相應的輸出轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩。

2)相位控制通過改變加在控制繞組上的信號電壓的相位來控制交流伺服電動機轉(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，則信號系數(shù)為sinβ=0～1，sinβ稱為相位控制的信號系數(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機幅值－相位控制接線圖如圖7.2.7所示（圖中f表示勵磁繞組，k表示控制繞組)。勵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機的控制信號變化時，電機內(nèi)合成磁通勢的性質(zhì)或橢圓度也隨之改變，

從而具有不同的機械特性，

使電機具有伺服性。

7.3測速發(fā)電機

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

如圖7.3.1所示。

圖7.3.1直流測速發(fā)電機的原理

當每極磁通Φ為常數(shù)時，

發(fā)電機的電動勢為

若負載電阻為R，則其輸出電壓為則

因此

（7.3.1）

當負載R=C時，Ke=C，因此U∝n，即輸出電壓U與轉(zhuǎn)速n成正比。負載運行時，U<Ea。若將測速發(fā)電機安裝在某拖動電動機的轉(zhuǎn)軸上，則輸出端提供了一個與電動機轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號，它既可作為反饋信號用于實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速的自動調(diào)整，也可通過電壓表對電動機轉(zhuǎn)速進行間接測量。然而在實際運行中，以測速發(fā)電機的輸出電壓間接測量電動機轉(zhuǎn)速時，其精確程度會受以下因素的影響：

（1）他勵式測速發(fā)電機勵磁電壓的波動、勵磁繞組電阻值因工作溫度而產(chǎn)生的變化以及電樞反應的影響，都會使磁通Φ發(fā)生變化。圖7.3.2直流測速發(fā)電機的不靈敏區(qū)（2）由于電刷接觸壓降的存在，因而會引起低速時出現(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，因而低速運行時輸出電壓中存在著一定大小的紋波。（4）負載電阻R一定，當轉(zhuǎn)速較高時U較大，Ia也較大，電樞反應產(chǎn)生去磁作用使磁通Φ減小，輸出電壓U相應要降低，破壞了U與n之間的線性關(guān)系。針對上述情況，

通常采用以下措施來提高測速發(fā)電機的檢測精度：

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

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

選用永磁式測速發(fā)電機，

減小溫度對檢測精度的影響。

7.3.2交流測速發(fā)電機

1.結(jié)構(gòu)空心杯轉(zhuǎn)子感應測速發(fā)電機定子上有兩相互相垂直的分布繞組，其中一相為勵磁繞組，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

取勵磁繞組的軸線為d軸，輸出繞組的軸線為q軸。工作時勵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；電機轉(zhuǎn)子逆時針方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為n，如圖7.3.3所示。圖7.3.3空心杯轉(zhuǎn)子感應測速發(fā)電機原理

交流感應測速發(fā)電機工作時，空心杯轉(zhuǎn)子上有兩種電動勢存在，一種是變壓器電動勢，一種是切割電動勢。

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

這樣一來，當n=0時，

該磁勢不會在輸出繞組（q軸方向）中感應電動勢。

當n≠0時，將產(chǎn)生切割電動勢。切割電動勢是指轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時切割縱軸磁通Φd產(chǎn)生的電動勢。空心杯轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n，切割電動勢E的方向用右手定則確定，如圖7.3.3所示。分析切割電動勢時，我們可以把轉(zhuǎn)子看成為無數(shù)多根并聯(lián)的導條，每根導條切割電動勢的大小與導條所在處的磁密大小、導條和磁密的相對切割速度成正比。設轉(zhuǎn)子杯軸向長度為l，磁通為Φd，則切割電動勢大小為(7.3.2)感應測速發(fā)電機的空心杯轉(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，認為只有電阻存在。因此，切割電動勢Er在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的電流與電動勢同方向、同相位，該電流建立的磁通勢在q軸方向，用Frq表示，其大小正比于Er，即

（7.3.3）

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

和E2也都是時間交變量，頻率也是?。輸出繞組感應電動勢E2的大小，即（7.3.4）

忽略勵磁繞組漏阻抗時，U1＝E1，只要電源電壓U1不變，縱軸磁通為常數(shù)，測速發(fā)電機輸出電動勢E2只與電機轉(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步進電動機

7.4.1概述步進電動機是數(shù)字控制系統(tǒng)的一種執(zhí)行元件。它是用電脈沖信號進行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應的角位移或線位移的電動機，

因此又被稱為脈沖電動機。

給一個電脈沖信號，電動機就轉(zhuǎn)過一個角度或前進一步，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)系在負載能力范圍內(nèi)不因電源電壓與負載大小以及環(huán)境條件的波動而變化。步進電動機可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速，如快速、起－停、正－反轉(zhuǎn)控制及制動等，這是步進電動機最突出的優(yōu)點。圖7.4.1步進電動機的工作特點轉(zhuǎn)角（線位移）與脈沖個數(shù)的關(guān)系；

(b)轉(zhuǎn)速（線速度）與脈沖頻率的關(guān)系

步進電動機既可以在某一固定頻率脈沖源作用下作為驅(qū)動電動機恒速運行，也可以在某一受控脈沖源作用下作為伺服電動機運行。當它作為自控系統(tǒng)中的執(zhí)行元件時，系統(tǒng)對它的基本要求是：（1）步進電動機在脈沖信號作用下要能快速起動、停轉(zhuǎn)、正反轉(zhuǎn)及在很寬的范圍內(nèi)調(diào)速。（2）要求步進電動機步距精度高，不得丟步或越步。（3）快速響應，即起動、停轉(zhuǎn)、正反轉(zhuǎn)要迅速。（4）

能直接帶負載，

輸出一定的轉(zhuǎn)矩。

7.4.2反應式步進電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.典型結(jié)構(gòu)三相反應式步進電動機的典型結(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。定子上共有六個磁極，每個磁極上都有許多小齒。在徑向相對的兩個磁極上的線圈串聯(lián)起來組成一相繞組，三相繞組接成星形。轉(zhuǎn)子上沒有繞組，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，定子每個磁極上有5個小齒。圖7.4.2三相反應式步進電動機的結(jié)構(gòu)

2.工作原理

反應式步進電動機是利用凸極轉(zhuǎn)子橫軸磁阻與直軸磁阻不同所產(chǎn)生的反應轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動的。為便于討論，先以一臺最簡單的三相反應式步進電動機為例。圖7.4.3所示為一臺三相反應式步進電動機，定子有六個磁極，不帶小齒，相對的兩個磁極繞有一相繞組，三相繞組接成星形。轉(zhuǎn)子上沒有繞組，只有四個齒。定子與轉(zhuǎn)子齒寬相同。當A相繞組通電而B、C相繞組不通電時，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點，因而轉(zhuǎn)子1齒和3齒的軸線與定子A相磁極軸線對齊，如圖7.4.3(a)所示。當A相繞組斷電，B相繞組通電時，在B相繞組建立的磁場作用下，轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)過30°，使轉(zhuǎn)子2齒和4齒軸線與B相磁極軸線對齊，

如圖7.4.3(b)所示。

同理，當B相繞組斷電，C相繞組通電時，轉(zhuǎn)子又逆時針方向轉(zhuǎn)過300，使轉(zhuǎn)子1和3齒的軸線與C相磁極軸線對齊。按此順序不斷地使各相繞組輪流通電和斷電，轉(zhuǎn)子就會按逆時針方向一步一步地轉(zhuǎn)下去。每一步轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，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)過一個通電循環(huán)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距角，故步距角θb=900/3=300。圖7.4.3三相反應式步進電動機的工作原理

上述過程中，如果在A相斷電時，不是給B相通電而是給C相通電，在C相繞組建立的磁場作用下，轉(zhuǎn)子將順時針方向轉(zhuǎn)過300，使轉(zhuǎn)子2和4齒的軸線與C相磁極軸線對齊。當C相繞組斷電，B相繞組通電時，轉(zhuǎn)子又順時針方向轉(zhuǎn)過300，使轉(zhuǎn)子1和3齒的軸線與B相磁極軸線對齊。顯然，按A—C—B—A…順序通電，轉(zhuǎn)子將按順時針方向旋轉(zhuǎn)?？梢姡竭M電動機的旋轉(zhuǎn)方向由三相繞組輪流通電順序決定。

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

“三拍”是指經(jīng)過三次切換繞組的通電狀態(tài)為一個循環(huán)，第四次通電時又重復第一拍的通電狀態(tài)。在這種運行方式時，步距角θb=300。三相反應式步進電動機除三相單三拍運行方式外，還有三相雙三拍與三相單、雙六拍運行方式。當采用三相雙三拍運行方式時，每次有兩相繞組同時通電，其通電順序為AB—BC—CA—AB或AC—CB—BA—AC。當AB兩相繞組同時通電時，轉(zhuǎn)子的齒既不與A相磁極軸線對齊也不與B相磁極軸線對齊。其步距角θb=300與單三拍時相同。

把上述兩種運行方式結(jié)合起來，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，完成一個循環(huán)有六個通電狀態(tài)。經(jīng)過六個通電狀態(tài)完成一個循環(huán)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距角,步距角θb=900/6=150?？梢娙鄦巍㈦p六拍運行時步距角比三相三拍(無論是單三拍還是雙三拍)小一半，因此，同一臺步進電動機采用不同的通電方式，步距角有兩個不同的值。如上所述的簡單結(jié)構(gòu)的步進電動機，三拍時，θb=300；六拍時θb=150。綜上所述，反應式步進電動機可以有不同的相數(shù)，如三相、四相、五相等，也可以有不同的運行拍數(shù)，但其基本工作原理是相同的。

由步進電動機工作原理的討論可知，步進電動機每來一個脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，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—運行拍數(shù)，N=Km，K為狀態(tài)系數(shù),m為相數(shù)。當采用單三拍或雙三拍分配方式時，運行拍數(shù)等于相數(shù)，K=l，即N=m，稱為單拍制；當采用單、雙六拍分配方式時，運行拍數(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)、電機相數(shù)及拍數(shù)有關(guān)。同一相數(shù)的步進電動機，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)的增加受到電機外形尺寸及驅(qū)動電源的限制，只能適當增加；而轉(zhuǎn)子齒數(shù)在一定條件下可以增加。目前國內(nèi)外常用的小步距角的反應式步進電動機就是通過增加轉(zhuǎn)子齒數(shù)來實現(xiàn)的，其步距角可以做得很小，以滿足生產(chǎn)實踐中實現(xiàn)微量進給的需要。

由步進電動機的工作原理還可以知道，步進電動機在電脈沖信號作用下，每來一個脈沖轉(zhuǎn)過一個角度，每分鐘轉(zhuǎn)過的角度為60?θb。因此，電機轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率?的關(guān)系為

(7.4.2)或

(7.4.3)因此，電機轉(zhuǎn)速與脈沖源頻率保持嚴格的正比關(guān)系。步進電動機可以在恒定脈沖源作用下作為同步電動機使用，也可以在受控脈沖源作用下很方便地實現(xiàn)速度控制。此外，

步進電動機轉(zhuǎn)過的角度θ與脈沖個數(shù)k保持嚴格的比例關(guān)系，

即

(機械角度)(7.4.4)

這個特點在許多工程實踐中是很有用的。如在一個自動控制系統(tǒng)中，用步進電動機帶動管道閥門，為了控制流量，要求閥門能按精確的角度開啟，這就要求能對步進電動機進行精確的角度控制。

例7—l

一臺三相反應式步進電動機，采用三相單、雙六拍分配方式，轉(zhuǎn)子上共有40個齒，已知脈沖源頻率為600HZ，試完成下列要求：

(1)寫出—個循壞的通電順序；

(2)求電機的步距角；

(3)求電機的轉(zhuǎn)速n。解

1．采用三相單、雙六拍分配方式，完成一個循環(huán)的通電順序為：A—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，N=2m=6，故步距角

采用三拍分配方式時，N=3，故此臺電機步距角為30。

3．電機轉(zhuǎn)速

單拍制時,N=m=3雙拍制時，N=2m=67.4.3步進電動機的運行特性

1.靜態(tài)運行特性

步進電動機在電脈沖信號作用下，各相繞組輪流通電，電機就一步一步地轉(zhuǎn)動。停止輸入脈沖信號，電機的一相或多相繞組(如三相步進電動機的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作用下固定于某一位置保持不動，這種狀態(tài)稱為靜態(tài)。此時，轉(zhuǎn)子停留在一個初始穩(wěn)定平衡位置上，在這個位置上，即使有小小的擾動，電磁力也會把轉(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)稱為步進電動機的矩角特性。步進電動機的靜態(tài)運行狀態(tài)可以是一相繞組通電，也可以是多相繞組同時通電。

1）單相通電當步進電動機一相繞組通入恒定不變的直流電流時，該相極下定子齒與轉(zhuǎn)子齒的相對位置及所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩情況是相同的。因此，可以用一對定子齒、轉(zhuǎn)子齒的相對位置及轉(zhuǎn)矩情況來討論，電機所產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩應該是該極下各個定子齒、

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)。對于理想空載情況，當某相繞組通入恒定不變的直流電流時，該相極下定子齒與轉(zhuǎn)子齒軸線重合，此時轉(zhuǎn)子只受徑向力作用，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，即當失調(diào)角θt=0°時，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩T=0，如圖7.4.4(a)所示。此時，如果使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過某一個角度，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩T隨著失調(diào)角θ的增加而增大。當θ=90°時，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θ=180°時，如圖7.4.4(c)所示，此時相鄰兩個定子齒對轉(zhuǎn)子齒的作用互相平衡，因此靜態(tài)轉(zhuǎn)矩為零，即T=0。當θ>180°時，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反應式步進電動機靜轉(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)角增加方向一致時為正，那么轉(zhuǎn)矩方向與正的失調(diào)角增加方向相反時即為負。因此，圖7.4.4(b)中最大靜轉(zhuǎn)矩為負，用-Tmax表示。同理，當θ在0～-π之間變化時，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。當在一相繞組中通入恒定直流電流時，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，稱其為步進電動機的矩角特性，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，對應不同的轉(zhuǎn)子位置，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是不同的。圖7.4.5步進電動機的矩角特性

當失調(diào)角θ=0°時，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，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)域稱為步進電動機的靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。

θ=±π為兩個不穩(wěn)定平衡位置，在這個位置，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)矩作用下不會回到初始穩(wěn)定平衡位置，而是向前一個齒或后一個齒的平衡位置運動。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)矩表示步進電動機的負載能力，是步進電動機最重要的性能指標之一，

通常在技術(shù)數(shù)據(jù)中都會給出此值。

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)，因而當兩相或多相同時通電時，其矩角特性由多個單相通電時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要大，因此功率較大的步進電動機相數(shù)較多，多為五相或六相。

2.步進運行狀態(tài)

1）動態(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)定平衡點與不穩(wěn)定平衡點等概念，它們都是用來描述步進電動機不改變通電狀態(tài)時的運行特性（即靜態(tài)特性）的。下面研究改變通電狀態(tài)時的運行特性。在圖7.4.6中，當步進電動機三相單三拍工作時，A相繞組通電，其矩角特性如圖中的曲線A所示，設電機空載運行，轉(zhuǎn)子平衡點為矩角特性上的OA點。A相斷電而B相通電時，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步進電動機的動態(tài)穩(wěn)定區(qū)當改變通電狀態(tài)時，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點運動進入穩(wěn)定位置。因此，空載狀態(tài)下，區(qū)間B1～B2為動穩(wěn)定區(qū)。動穩(wěn)定區(qū)是指步進電動機從一種通電狀態(tài)切換為另一種通電狀態(tài)時，不致引起失步的區(qū)域。拍數(shù)越多，步距角越小，動穩(wěn)定區(qū)就越接近靜穩(wěn)定區(qū)，在運行中就越不易失步。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。因為拍數(shù)與相數(shù)及通電方式有關(guān)，所以增加相數(shù)也有利于動態(tài)穩(wěn)定。

2）最大負載轉(zhuǎn)矩（最大起動轉(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C所對應的電磁轉(zhuǎn)矩為TLmax。若負載轉(zhuǎn)矩TL<TLmax，當控制脈沖切換通電繞組時，電機能夠在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下前進一個步矩角達到新的平衡位置；若TL>TLmax，當控制脈沖切換通電繞組時，電機不能作步進運動。TLmax是步進電動機單步運行時所能帶的極限負載，稱為最大負載轉(zhuǎn)矩，也稱為最大起動轉(zhuǎn)矩，電機實際所帶的負載只有小于TLmax才能運行。

3）起動頻率和起動特性若步進電動機原來靜止在某一相的平衡位置上，當輸入一定頻率的脈沖時，電機就開始轉(zhuǎn)動，但其轉(zhuǎn)速不能立刻達到穩(wěn)定值，而需要有一個過程，這就是起動過程。步進電動機在起動過程中，如果脈沖頻率低于某一極限頻率，當?shù)谝粋€脈沖到來時，繞組由A相通電切換為B相通電，如圖7.4.7所示，電機的工作點就由初始穩(wěn)定平衡點瞬時移到b點，并在電磁轉(zhuǎn)矩Tb作用下加速運動。在第二個脈沖到來時，若電機工作點已經(jīng)到b′點，因為通電狀態(tài)改變，所以工作點由b′點移到第二拍矩角特性上的c點，電機在此轉(zhuǎn)矩作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)動。這表明當?shù)诙牡絹頃r，只要電機處于穩(wěn)定區(qū)d～c范圍內(nèi)，就能保證電機不失步地起動起來。

圖7.4.7步進電動機的起動過程

如果脈沖頻率高于某一極限值，則當?shù)谝粋€脈沖到來時，電機工作點由Oa點一躍到達b點并開始加速，電機轉(zhuǎn)到b″點時第二個脈沖到來，工作點由b″點移到第二拍矩角特性的c′點，此時電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)樨撝?，因此電機在該轉(zhuǎn)矩作用下不是加速而是減速。如果在速度降低到零時轉(zhuǎn)子還不能進入動穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，則電機將在負電磁轉(zhuǎn)矩作用下向相反方向運動，從而造成電機失步或振蕩，這樣電機就無法起動。

電機正常起動(不丟步、不失步)所能加的最高控制脈沖頻率稱為起動頻率，它是衡量步進電動機快速性能的重要指標。步進電動機的起動頻率要比連續(xù)運行時的頻率低得多，這是由于電機剛起動時轉(zhuǎn)速為零。在起動過程中，電磁轉(zhuǎn)矩除了要克服負載轉(zhuǎn)矩外，還要提供產(chǎn)生加速度的轉(zhuǎn)矩，并且由于機械系統(tǒng)存在慣性，因而轉(zhuǎn)速不能突變。為了能正常起動，起動頻率不能過高，但是電機一旦起動起來以后，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，因而電機仍能升速。

顯然連續(xù)運行頻率要比起動頻率高。

圖7.4.8步進電動機起動矩頻特性當電機帶負載起動時，作用在電機轉(zhuǎn)子上的加速轉(zhuǎn)矩為電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩之差。負載轉(zhuǎn)矩越大，加速轉(zhuǎn)矩就越小，電機就不易轉(zhuǎn)起來。只有當每步有較長的加速時間(即較低的脈沖頻率)時，電機才可能起動。因此，隨著負載的增加，起動頻率是下降的。在一定的負載慣量下，起動頻率隨負載轉(zhuǎn)矩變化的特性稱為起動矩頻特性，

如圖7.4.8所示。

3.連續(xù)運行特性

步進電動機一旦起動以后，如果再逐漸升高脈沖頻率，則電機仍能不丟步地運行，連續(xù)旋轉(zhuǎn)。連續(xù)運行時，電機動態(tài)平均轉(zhuǎn)矩比起動時要小。頻率愈高，電機轉(zhuǎn)速愈快，動態(tài)平均轉(zhuǎn)矩也愈小。顯然連續(xù)運行頻率要比起動頻率高得多。步進電動機起動后，當控制脈沖頻率繼續(xù)上升時，電動機能不失步運行的最高控制脈沖頻率稱為連續(xù)運行頻率，簡稱運行頻率，它可以比起動頻率高幾倍甚至十幾倍。當電機參數(shù)和驅(qū)動電路一定時，它與負載有關(guān)。在負載慣量不變的情況下，運行頻率與負載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱為運行矩頻特性，如圖7.4.9所示。圖7.4.9步進電動機運行矩頻特性

從運行矩頻特性曲線可以看出，隨著頻率的升高，步進電動機能帶動的負載轉(zhuǎn)矩下降。這主要是由于電路時間常數(shù)的影響。電機的每相繞組是一個電感線圈，它具有一定的電感量，而電感元件的主要特性是流過它的電流不能夠躍變，脈沖電壓的接入與斷開引起定子繞組中的電流按由時間常數(shù)決定的指數(shù)規(guī)律增長或衰減。圖7.4.10所示為不同頻率時，定子繞組在相同幅值脈沖電壓作用下電流的波形。當輸入脈沖頻率比較低時，每相繞組的通電和斷電周期比較長，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，因此電機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩下降。脈沖信號的頻率升高到一定值以后，電機根本就不能轉(zhuǎn)動了。從圖7.4.9所示的運行矩頻特性可見，隨頻率f的增加，步進電動機所能帶的負載轉(zhuǎn)矩減小。要減小頻率f對負載轉(zhuǎn)矩的影響，可采用同時多相通電（如A—AB—B—BC—C，相當于降低了某一相通電電源的頻率）。圖7.4.10頻率變化時繞組電流波形

7.4.4步進電動機的驅(qū)動電源

步進電動機是在專用電源驅(qū)動下運行的。驅(qū)動電源(又稱驅(qū)動器)不僅僅按一定要求向步進電動機提供功率脈沖信號，而且與步進電動機的運行性能密切相關(guān)?？梢哉f，評價一臺步進電動機運行性能的好壞，一方面要看電機本身的設計、制造水平，另一方面則要看驅(qū)動電源的水平。驅(qū)動電源和步進電動機是一個有機的整體，一臺步進電動機的運行性能是電機和驅(qū)動電源二者配合的綜合效果。因此，隨著步進電動機的廣泛應用，其驅(qū)動電源的研究也愈加深入，并取得了可喜成果。步進電動機的驅(qū)動電源由脈沖信號源、脈沖分配器和功率放大器三個基本環(huán)節(jié)組成，如圖7.4.11所示。

圖7.4.11步進電動機驅(qū)動電源框圖

脈沖信號源產(chǎn)生一系列脈沖信號。根據(jù)使用要求，脈沖信號源可以是一個頻率連續(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，還可以是計算機或其它數(shù)控裝置給出的一系列控制脈沖信號源。脈沖分配器根據(jù)控制要求按一定的邏輯關(guān)系對脈沖信號進行分配，如對三相步進電動機可以按單三拍，雙三拍及單、雙六拍三種分配方式分配脈沖信號。由于分配方式周而復始地不斷重復，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電路和觸發(fā)器構(gòu)成，也可以由專用集成電路或由計算機軟件編程來實現(xiàn)。功率放大電路實際上是功率開關(guān)電路，有單電壓、雙電壓、斬波型、調(diào)頻調(diào)壓型和細分型等多種形式，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步進電動機主要技術(shù)數(shù)據(jù)和性能指標

1.額定電壓額定電壓是指加在步進電動機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)不易過大，應小于5%。為了步進電動機及其配套電源的標準化，國家標準規(guī)定步進電動機的額定電壓為單電壓驅(qū)動：6，12，27，48，60，80(V)；雙電壓驅(qū)動：

60／12,80／12(V)。

2.額定電流

在額定電壓作用下，電機不轉(zhuǎn)時一相繞組允許通過的電流定為額定電流。電機連續(xù)運行時電流表測出的是脈沖電流的平均值，

這個平均電流小于額定電流。

3.步距角θb

每輸入一個電脈沖信號轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的機械角度稱為步距角。理論上的步距角θb=360°/ZrN。步距角的大小會直接影響起動和運行頻率。

4.靜態(tài)步距角誤差Δθb

靜態(tài)步距角誤差即實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數(shù)或絕對值來衡量，可用來表示電機精度。

靜態(tài)步距角誤差小表示電機精度高。

5.最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax

最大靜轉(zhuǎn)矩是指步進電動機在規(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電動機的轉(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的最大靜轉(zhuǎn)矩。一般來講，最大靜轉(zhuǎn)矩大的電機，負載能力強。負載轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的比值通常取為0.3～0.5左右，即

6.起動頻率fq

起動頻率又稱突跳頻率，是指步進電動機能夠不失步起動的最高脈沖頻率。起動頻率分空載起動頻率和負載起動頻率兩種，負載起動頻率與負載轉(zhuǎn)矩的大小有關(guān)。

7.連續(xù)運行頻率f

步進電動機起動后，脈沖頻率連續(xù)上升能不失步運行的最高脈沖頻率稱為連續(xù)運行頻率。連續(xù)運行頻率比起動頻率高得多。

8.起動矩頻特性

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

9.運行矩頻特性

在負載慣量不變的情況下，

運行頻率與負載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱為運行矩頻特性。

*7.5自整角機

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

圖7.5.1單相自整角機的結(jié)構(gòu)

7.5.1力矩式自整角機力矩式自整角機是功率元件，成對使用，可直接帶負載，

其原理示意圖如圖7.5.2所示。

圖7.5.2力矩式自整角機原理示意圖(a)原理框圖；

(b)結(jié)構(gòu)示意

力矩式自整角機的接線圖如圖7.5.3所示。

圖7.5.3力矩式自整角機的接線圖(a)整步繞組與勵磁繞組軸線重合；

(b)失調(diào)

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

(1)自整角機的氣隙磁通密度空間量正弦分布。

(2)

忽略飽和效應和整步繞組磁通勢對勵磁磁通勢的影響。

勵磁繞組接上電源后，它所建立的脈振磁通勢可以分解為幅值和轉(zhuǎn)速均相等的正、反兩個方向的旋轉(zhuǎn)磁通勢F+和F-，并建立相應的圓形旋轉(zhuǎn)磁場Φ+和Φ-。Φ+、Φ-分別在三個整步繞組中感應產(chǎn)生對稱的三相交流電動勢。由于三整步繞組參數(shù)相同，定子三相電路對稱，繞組參數(shù)也相同，因而在分析其電磁過程時只需取其中的一相繞組作為代表。圖7.5.4中發(fā)送機取繞組OA，接收機取繞組Ｏ′A。當失調(diào)角為0時，ＯA和O′A空間軸線重合，如圖7.5.4(a)所示，發(fā)送機和接收機的Φ+同時分別“切割”ＯA和Ｏ′A，并在其中感應出電動勢。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，合成電動勢ΔE+=E+－E+′為零，不能在兩自整角機的整步繞組電路中建立均衡電流和整步轉(zhuǎn)矩。同理，Φ-在圖中感應的電動勢E-和E-′

相位上也相差180°電角度，如圖7.5.3(d)所示，合成電動勢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)角下自整角機電勢分析

當發(fā)送機的轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)一個角度時，由圖7.5.4(b)可看出，若取逆時針方向旋轉(zhuǎn)的磁場為Φ+，則Φ+的幅值切割OA的時間超前于切割Ｏ′A的時間，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的時間滯后于它切割Ｏ′A的時間，使E－′超前E-θ電角度，因而，合成電動勢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)磁場方向相同；T-和T′+為負，方向與產(chǎn)生此轉(zhuǎn)矩的旋轉(zhuǎn)磁場方向相反。由于定子繞組是固定不動的，所以在發(fā)送機中，T+和T-企圖使轉(zhuǎn)子沿順時針方向旋轉(zhuǎn)；在接收機中，T′+和T′