《電機及拖動基礎》課件第7章

第7章控制電機7.1伺服電動機7.2步進電動機7.3測速發(fā)電機7.4自整角機7.5旋轉變壓器思考與練習題7.1伺服電動機

伺服電動機在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件,可將控制電信號轉換為轉軸的角位移或角速度。通過改變控制電信號的大小和極性,可改變電動機的轉速大小和轉向。交、直流伺服電動機作為執(zhí)行元件,可用于中高檔數(shù)控機床的主軸驅動和速度進給伺服系統(tǒng),工業(yè)用機器人的關節(jié)驅動伺服系統(tǒng),火炮、機載雷達等伺服系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)對伺服電動機的基本要求如下：

（1）無“自轉”現(xiàn)象：即要求控制電機在有控制信號時迅速轉動,而當控制信號消失時必須立即停止轉動?？刂菩盘栂Ш?電機仍然轉動的現(xiàn)象稱為自轉,自動控制系統(tǒng)不允許有“自轉”現(xiàn)象。（2）空載始動電壓低:電機空載時,轉子從靜止到連續(xù)轉動的最小控制電壓稱為始動電壓。始動電壓越小,電機的靈敏度越高。

（3）機械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好:線性的機械特性和調(diào)節(jié)特性有利于提高系統(tǒng)的控制精度,能在寬廣的范圍內(nèi)平滑穩(wěn)定地調(diào)速。（4）快速響應性好:即要求電機的機電時間常數(shù)要小,堵轉轉矩要大,轉動慣量要小,轉速能隨控制電壓的變化而迅速變化。根據(jù)使用電源性質的不同,伺服電動機可分為直流伺服電動機和交流伺服電動機兩大類。7.1.1直流伺服電動機

1.直流伺服電動機的結構

按結構,直流伺服電動機可分為傳統(tǒng)型和低慣量型兩大類。

1）傳統(tǒng)型直流伺服電動機傳統(tǒng)型直流伺服電動機的結構形式與普通直流電動機的相同,只是它的容量和體積要小得多。按勵磁方式,它又可以分為電磁式和永磁式兩種。電磁式直流伺服電動機的定子鐵心通常由硅鋼片沖制疊壓而成,勵磁繞組直接繞制在磁極鐵心上,使用時需加勵磁電源。永磁式直流伺服電動機的定子上安裝由永久磁鋼制成的磁極,不需勵磁電源。2）低慣量型直流伺服電動機低慣量型直流伺服電動機的機電時間常數(shù)小,大大改善了電機的動態(tài)特性。常見的低慣量型直流伺服電動機如下：1—內(nèi)定子;2—外定子;3—空心杯電樞;4—電刷;5—換向器圖7-1空心杯形轉子直流伺服電動機的結構簡圖(1)空心杯形轉子直流伺服電動機:圖7-1所示為空心杯形轉子直流伺服電動機的結構簡圖。其定子部分包括一個外定子和一個內(nèi)定子。外定子可以由永久磁鋼制成,也可以是通常的電磁式結構。內(nèi)定子由軟磁材料制成,以減小磁路的磁阻,僅作為主磁路的一部分?？招谋无D子上的電樞繞組,可以采用印制繞組,也可先繞成單個成型繞組,然后將它們沿圓周的軸向排列成空心杯形,再用環(huán)氧樹脂固化。電樞繞組的端側與換向器相連,由電刷引出?？招谋无D子直接固定在轉軸上,在內(nèi)、外定子的氣隙中旋轉。(2)盤式電樞直流伺服電動機:圖7-2所示為盤式電樞直流伺服電動機的結構簡圖。其定子由永久磁鋼和前后軟磁鐵組成,磁鋼放置在圓盤的一側,并產(chǎn)生軸向磁場,它的極數(shù)比較多,一般制成6極、8極或10極。在磁鋼和另一側的軟鐵之間放置盤式電樞繞組。電樞繞組可以是繞線式繞組或印制繞組。繞線式繞組先繞制成單個繞組元件,并將繞好的全部繞組元件沿圓周徑向排列,再用環(huán)氧樹脂澆制成圓盤形。印制繞組采用與制造印制電路板相類似的工藝制成。盤形電樞上的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產(chǎn)生電磁轉矩。因此,繞組的徑向段為有效部分,彎曲段為端接部分。1—軟磁鐵;2—磁鋼;3—電樞繞組;4—換向器圖7-2盤式電樞直流伺服電動機的結構簡圖圖7-3無槽電樞直流伺服電動機示意圖(3)無槽電樞直流伺服電動機:

無槽電樞直流伺服電動機的電樞鐵心上不開槽,電樞繞組直接排列在鐵心圓周表面,再用環(huán)氧樹脂將它和電樞鐵心固化成一個整體,如圖7-3所示。這種電機的轉動慣量和電樞繞組的電感比前面介紹的兩種無鐵心轉子的電機要大些,動態(tài)性能也比它們差。此外,還有無刷直流伺服電動機,它可以實現(xiàn)無接觸(無刷)電子換向,既具有直流伺服電動機良好的機械特性和調(diào)節(jié)特性,又具有交流電動機維護方便、運行可靠的優(yōu)點。2.直流伺服電動機的工作原理與控制方式

直流伺服電動機的工作原理與普通直流電動機的相同。只要在其勵磁繞組通入電流且產(chǎn)生磁通,當電樞繞組中通過電流時,電樞電流就與磁通相互作用產(chǎn)生電磁轉矩,使電動機轉動。這兩個繞組其中一個斷電時,電動機立即停轉,無自轉現(xiàn)象。直流伺服電動機工作時有兩種控制方式,即電樞控制方式和磁場控制方式。永磁式的直流伺服電動機只有電樞控制方式。電樞控制方式是指勵磁繞組接恒定的直流電源Uf，產(chǎn)生額定磁通Φ，電樞繞組接控制電壓Uc，如圖7－4所示，當控制電壓的大小和方向改變時，電動機的轉速和轉向隨之改變，當控制電壓消失時，電樞停止轉動。磁場控制方式是指將電樞繞組接到恒定的直流電源，勵磁繞組接控制電壓，在這種控制方式下，當控制電壓消失時，電樞停止轉動，但電樞中仍有很大的電流，相當于普通直流電動機的直接啟動電流，因而損耗的功率很大，還容易燒壞換向器和電刷，此外，電動機的特性為非線性。因此，自動控制系統(tǒng)中一般不采用磁場控制方式。圖7－4直流伺服電動機電樞控制方式接線圖3.直流伺服電動機的靜態(tài)特性(電樞控制方式)

1)機械特性采用電樞控制方式的直流伺服電動機,當控制電壓Uc=常數(shù)時,磁通Φ=常數(shù)（不考慮電樞反應）,其轉速n

與電磁轉矩T

之間的關系曲線n=f(T)稱為機械特性。直流伺服電動機的機械特性表達式與他勵直流電動機的機械特性表達式相同,為(7–1)式中:n0——電動機的理想空載轉速,n0=Uc／(ＣeΦ)。n0與控制電壓Uc

成正比。式(7-1)表明,電動機的轉速n

與電磁轉矩T

為線性關系,在控制電壓不同時,機械特性為一組平行的直線,如圖7-5所示。從圖7-5中可以看出:控制電壓Uc

一定時,電磁轉矩越大,電動機的轉速越低;控制電壓升高,機械特性向右平移,堵轉轉矩Td

成正比地增大。圖7–5直流伺服電動機的機械特性圖7-6直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性2)調(diào)節(jié)特性在電動機的電磁轉矩T=常數(shù)時,伺服電動機的轉速n

與控制電壓Uc

之間的關系曲線n=f(Uc)稱為調(diào)節(jié)特性。由式（7-1）可知,在T=常數(shù)時,磁通Φ=常數(shù),轉速n

與控制電壓Uc

為線性關系,轉矩T

不同時,調(diào)節(jié)特性是一組平行的直線,如圖7-6所示。

從圖7-6中可以看出：在T

一定時,控制電壓Uc

升高,轉速n

也升高；負載轉矩增大,即T

增大,調(diào)節(jié)特性向右平移,始動電壓Uc0

成正比地增大。例如在L=T1時,只有當控制電壓Uc>Uc01

時,電動機才能轉起來,而當c=0～Uc01時,電動機不轉,我們稱0～Uc01

區(qū)間為失靈區(qū)或死區(qū),電壓Uc01

稱為始動電壓。負載轉矩TL

不同,始動電壓也不同,TL

越大,始動電壓越大,且始動電壓或失靈區(qū)的大小與負載轉矩成正比。T=0時的特性為理想空載特性,這時只要有控制電壓Uc,電動機就轉動。實際空載時,T=T0≠0,始動電壓不為零,T0越大,需要的始動電壓越大。4.直流伺服電動機的應用

電子電位差計是用伺服電動機作為執(zhí)行元件的閉環(huán)自動測溫系統(tǒng),常用于工業(yè)企業(yè)的加熱爐溫度測量,它的基本電路原理圖如圖7-7所示。其基本工作原理是：測溫系統(tǒng)工作時,金屬熱電偶1處于爐膛中,并產(chǎn)生與溫度對應的熱電動勢,經(jīng)補償和放大后得到與溫度成正比的熱電壓Ut,然后與工作電源Ug

經(jīng)變阻器的分壓UR

進行比較,得到誤差電壓,若為正,則經(jīng)放大后加在伺服電動機3上的控制電壓Uc

為正,伺服電動機正轉,經(jīng)變速機構帶動變阻器和溫度指示器指針順時針方向偏轉,一方面指示溫度值升高,另一方面變阻器分壓UR

升高,使誤差電壓減小。當伺服電動機旋轉至使UＲ

=Ut時,誤差電壓變?yōu)榱?伺服電動機的控制電壓也為零,電動機停止轉動,則溫度指示器指針也就停止在某一對應位置上,指示出相應的爐溫。若誤差電壓為負,則伺服電動機的控制電壓也為負,電動機將反轉,帶動變阻器及溫度指示器指針逆時針方向偏轉,UR

減小,直至為零,電動機才停止轉動,指示爐溫較低。1—熱電偶;2—放大器;3—伺服電動機;4—變速機構;5—變阻器;6—溫度指示器圖7-7電子電位差計的基本電路原理圖7.1.2交流伺服電動機

交流伺服電動機包括交流異步伺服電動機和交流同步伺服電動機。這里所分析的交流伺服電動機是指交流異步伺服電動機。

1．交流伺服電動機的基本結構

交流異步伺服電動機的結構類似單相異步電動機。其定子鐵心中安放著空間相距90°電角度的兩相繞組,其中一相作為勵磁繞組,另一相作為控制繞組。交流異步伺服電動機的轉子通常采用以下兩種結構形式。1）高電阻率導條的籠型轉子高電阻率導條的籠型轉子結構與普通籠型異步電動機的類似,但是為了減小轉子的轉動慣量,轉子做得細而長。轉子籠條和端環(huán)既可采用高電阻率的導電材料(如黃銅、青銅等)制造,也可采用鑄鋁轉子。1—機殼;2—外定子;3—杯形轉子;4—內(nèi)定子;5—端蓋圖7-8非磁性空心杯形轉子2）非磁性空心杯形轉子非磁性空心杯形轉子的結構如圖7-8所示。定子分外定子鐵心和內(nèi)定子鐵心兩部分,由硅鋼片沖制后疊成。外定子鐵心槽中放置空間相距90°電角度的兩相繞組。內(nèi)定子鐵心中不放繞組,僅作為磁路的一部分,以減小主磁通磁路的磁阻?？招谋无D子由非磁性鋁或鋁合金制成,放在內(nèi)、外定子鐵心之間,并固定在轉軸上。

非磁性空心杯形轉子的壁很薄,一般在0.3mm左右,因而具有較大的轉子電阻和很小的轉動慣量。其轉子上無齒槽,故運行平穩(wěn),噪聲小。這種結構的電動機內(nèi)、外定子之間的氣隙較大,因此,電動機的勵磁電流較大,致使電動機的功率因數(shù)較低,效率也較低。同樣體積下,杯形轉子伺服電動機的堵轉轉矩要比籠型的小得多,因此,采用杯形轉子大大減小了轉動慣量，但是它的快速響應性能并不一定優(yōu)于籠型結構?；\型伺服電動機在低速運行時有抖動現(xiàn)象,而非磁性空心杯形轉子伺服電動機克服了這一缺點,常被用于要求低速平滑運行的系統(tǒng)中。國產(chǎn)的SK系列伺服電動機就采用這種結構形式。圖7–9交流異步伺服電動機的原理圖

2.交流伺服電動機的工作原理

交流異步伺服電動機實際上是一種兩相異步電動機,運行時,勵磁繞組接至電壓恒為的交流電源,控制繞組輸入控制電壓,與頻率相同,如圖7-9所示。當電動機啟動時,若控制電壓=0,相當于定子單相通電,氣隙中只有脈振磁動勢,無啟動轉矩,轉子不會轉起來；若≠0,且與不同相,定子兩相繞組則通以兩相交流電,氣隙中就產(chǎn)生旋轉磁場,對轉子產(chǎn)生電磁轉矩,力圖使電動機轉起來。若啟動轉矩大于負載轉矩,轉子就會按控制信號要求旋轉。當電動機旋轉時,若控制信號Uc=0,轉子理應立即停下來,但是由于此時勵磁繞組所加電壓不變,則相當于單相異步電動機的運行情況。若電動機參數(shù)選擇不合理,電動機將會繼續(xù)旋轉,使電動機失控,這種控制電壓為零時,電動機自行旋轉的失控現(xiàn)象稱為“自轉”。自動控制系統(tǒng)中,不允許伺服電動機出現(xiàn)“自轉”現(xiàn)象。因為出現(xiàn)“自轉”現(xiàn)象是由于伺服電動機處于單相異步電動機的工作條件下,而單相異步電動機的機械特性可由正、反旋轉磁場產(chǎn)生的兩條正、反轉機械特性合成,如圖7-10(a)所示。伺服電動機處于正轉狀態(tài)時,0<s+<1,在這整個范圍內(nèi),|T+|>|T_|,合成轉矩T>0,所以當Uc=0時,伺服電動機停不下來；由于機械特性中異步電動機最大轉矩所對應的臨界轉差率sm

隨轉子電阻的增大成正比地增大,若增大轉子繞組電阻,使其臨界轉差率sm=1,如圖7-10(b）所示,在電動機運行的0<s+<1范圍內(nèi),始終有|T_|>|T+|,合成電磁轉矩T<0,使它成為制動轉矩,迫使轉速下降,并迅速在n=0時停下來,這樣就消除了自轉現(xiàn)象。由圖7-10(b)中還可知,這種電動機在反向運行時,其合成電磁轉矩T>0,這時電磁轉矩也為制動轉矩,同樣可消除“自轉”現(xiàn)象。圖7-10轉子繞組電阻對單相異步電動機機械特性的影響(非磁性杯形轉子)

（a)正常轉子電阻；（b）增大轉子電阻

增大轉子繞組電阻的第三個優(yōu)點是使機械特性更接近線性。因為在穩(wěn)定運行范圍0<s<sm內(nèi),機械特性是線性的。

3.交流伺服電動機的控制方式對于兩相交流伺服電動機，若在其定子對稱的兩相交流繞組中通以兩相不對稱交流電流，即兩相電流幅值不同或相位差不是90°電角度，則氣隙旋轉磁場是橢圓形的。所以，當改變控制電壓Uc時，氣隙磁場一般是橢圓形的，由這個橢圓形旋轉磁場產(chǎn)生相應的電磁轉矩，使伺服電動機的轉子按要求轉動。由于改變控制電壓的大小或改變它與勵磁電壓之間的相位角，都能使氣隙旋轉磁場的大小和橢圓度發(fā)生變化，從而引起電磁轉矩的變化，達到改變電動機轉速和轉向的目的，因此兩相交流伺服電動機有以下三種控制方式：圖7－11幅值控制接線原理圖(1)幅值控制:即保持控制電壓與勵磁電壓的相位差為90°,僅改變的幅值。其接線原理圖如圖7-11所示。(2)相位控制:即保持控制電壓的幅值不變,僅改變其相位。其接線原理圖如圖7-12所示。圖7-12相位控制接線原理圖(3)幅相控制：同時改變控制電壓的幅值和相位進行控制。其接線原理圖如圖7-13所示。圖7-13幅相控制接線原理圖4.交流伺服電動機的靜態(tài)特性

1）機械特性機械特性是指控制電壓(控制電信號)保持定值不變時,電磁轉矩與轉速之間的函數(shù)關系。由于控制電壓是可變的,故兩相交流伺服電動機一般不滿足兩相對稱繞組通以兩相對稱交流電的條件,使交流伺服電動機在不對稱狀態(tài)下運行,不對稱的程度將影響電動機電磁轉矩的大小。因此機械特性應在一個表征控制電信號的系數(shù)為一定值的條件下求取。

幅值控制方式中,有效信號系數(shù)等于控制電壓Uc

與歸算到控制繞組的勵磁電壓之比,即。由于這種控制方式中,電源電壓

就是勵磁電壓Uf,故為電源電壓歸算到控制繞組的值）。

相位控制方式中,有效信號系數(shù)等于控制電壓的有效分量與歸算到控制繞組的勵磁電壓之比,即在這里可看作控制電壓的有效分量的原因是,控制電壓滯后于勵磁電壓相位角β,而幅值控制時滯后于

90°。由于相位控制時控制電壓的幅值保持不變,,因此。

幅相控制方式中,有效信號系數(shù)等于控制電壓與電源電壓之比,即。這是由于勵磁回路串電容進行幅相控制時,勵磁繞組電壓Uf

是變化的且不等于電源電壓U1。設電動機啟動時,以使氣隙磁動勢為圓形旋轉磁動勢為條件選擇串接電容值,滿足這個條件的控制電壓設為Uc0,這時的信號系數(shù),從而使有效信號系數(shù)。

三種控制方式的機械特性如圖7-13所示。圖中T*為輸出轉矩對時的啟動轉矩的相對值,n*為實際轉速對時的理想空載轉速的相對值。從圖中可以看出,無論哪種控制方式,控制電信號越小,機械特性越下移,理想空載轉速越小,同一負載轉矩下的轉速就越低。

圖7-14交流伺服電動機的機械特性（a）幅值控制；（b）相位控制；（c）幅相控制2）調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性是指輸出轉矩保持定值不變時,轉速與控制電信號之間的函數(shù)關系。通過已得到的機械特性,可用作圖法求出三種控制方式對應的調(diào)節(jié)特性,如圖7-15所示。通過調(diào)節(jié)特性可以直觀地看出轉速隨控制電信號的變化規(guī)律。

圖7-15交流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性（a）幅值控制；（b）相位控制；（c）幅相控制7.2步進電動機步進電動機是一種將電脈沖信號轉換為相應角位移或直線位移的電動機,每當輸入一個電脈沖信號,轉子就轉動一個角度或前進一步,其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數(shù)成正比,轉速與脈沖頻率成正比。因此,步進電動機又稱脈沖電動機。步進電動機的種類很多,一般按勵磁方式可分為磁阻式（俗稱反應式）、永磁式和混磁式三種；按相數(shù)可分為單相、兩相、三相和多相等。下面以應用較多的三相磁阻式步進電動機為例,介紹其結構、工作原理及運行特性。7.2.1三相磁阻式步進電動機的結構和工作原理圖7–16所示為一個三相磁阻式步進電動機的工作原理圖,其定、轉子鐵心均由硅鋼片疊成。定子上有6個磁極,每兩個相對的極繞有一相控制繞組,所以定子共有三相繞組(圖中未畫出繞組)。轉子是四個均勻分布的齒,齒寬等于定子極靴的寬度,轉子上沒有繞組。工作時,各相繞組按一定順序先后通電。當U相定子繞組通電時,V相和W相都不通電,由于磁通具有通過磁阻最小路徑的特點,因此轉子齒1和3的軸線與定子極U、U′的軸線對齊(負載轉矩為零時),如圖7–16(a)所示；當U相斷電,而V相通電時,則轉子將逆時針轉過30°，使轉子齒2和4的軸線與定子極V和V′的軸線對齊,如圖7-16(b)所示;當V相斷電,而W相通電時,轉子再逆時針轉過30°,轉子1和3的軸線與定子極W和W′的軸線對齊,如圖7–16(c)所示。如此循環(huán)往復按U→V→W→U的順序通電,氣隙中就產(chǎn)生步進式的旋轉磁場,轉子就會一步一步地按逆時針方向轉動。電動機的轉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；電動機的轉向則取決于定子繞組輪流通電的順序。若電動機通電順序改為U→W→V→U,則電動機為順時針方向旋轉。定子繞組與電源的接通或斷開,一般由數(shù)字邏輯電路或計算機軟件來控制。

圖7-16三相磁阻式步進電動機的工作原理圖

(a)U相通電,V相和W相不通電；(b)U相斷電,V相通電；(c)V相斷電,W相通電

上述通電過程中,定子繞組每改變一次通電方式,步進電動機就走一步,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)為一個循環(huán),再下一拍通電時就重復第一拍通電方式。這種工作方式的三相步進電動機每一拍轉過的角度即步距角=30°。

除了單三拍通電方式外,這種三相步進電動機還可工作在單、雙六拍通電方式。這種方式的通電順序為U→UV→V→VW→W→WU→U。在這種工作方式下,定子三相繞組需經(jīng)過六次切換才能完成一個循環(huán),故稱為“六拍”,而“單、雙六拍”則是指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。三相單、雙六拍時電動機運行情況如圖7-17所示。當U相定子繞組通電時,和單三拍運行的情況相同,轉子齒1和3的軸線與定子極U軸線對齊,如圖7-17(a)所示；當U、V相定子繞組同時通電時,轉子齒2和4又將在定子極V和V′的吸引下,使轉子沿逆時針方向轉動,直至轉子齒1和3與定子極U和U′之間的作用力被轉子齒2和4與定子極V和V′之間的作用力所平衡為止,如圖7–17(b)所示;當斷開U相定子繞組而由V相定子繞組單獨通電時,轉子將繼續(xù)沿逆時針方向轉過一個角度使轉子齒2和4的軸線

圖7-17三相磁阻式步進電動機單、雙六拍運行(a)U相通電,V相和W相不通電；(b)U、V相同時通電；(c)U相斷電,V相通電與定子極V、V′的軸線對齊,如圖7-17(c)所示。轉子轉過的角度與相應的單三拍運行時V相繞組通電時轉過的角度相等。若繼續(xù)按VW→W→WU→U的順序通電,那么步進電動機就按逆時針方向連續(xù)轉動。在單三拍運行方式時,每經(jīng)過一拍,轉子轉過的步距角

=30°。采用單、雙六拍通電方式后,在由U相定子繞組通電到V相繞組單獨通電,中間還要經(jīng)過U和V兩相繞組同時通電這一狀態(tài),也就是說要經(jīng)過二拍轉子才轉過30°。所以單、雙六拍運行方式時,三相步進電動機的步距角。由此可知,同一個步進電動機,因通電方式不同,運行時的步距角也是可以不同的,采用單、雙拍運行時,步距角要比單拍運行時減小一半。若通電順序改為U→UW→W→WV→V→VU→U,則電動機為順時針方向轉動。

實際工作中,步進電動機還常采用“雙三拍”通電方式,即UV→VW→WU→UV的通電順序。以雙三拍工作的步進電動機,其通電方式改變時的轉子位置與相應的單、雙六拍通電方式兩個繞組同時通電時的情況相同,因此雙三拍通電方式每經(jīng)過一拍轉子轉過的角度恰好與單、雙六拍通電方式經(jīng)過二拍轉子轉過的角度相同。這樣,雙三拍運行方式的步距角也為30°,與單三拍運行方式相同。

單三拍通電方式在切換時出現(xiàn)的一相繞組斷電而另一相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子,也易使轉子在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩。而單、雙六拍和雙三拍通電方式在切換過程中,總有一相繞組處于持續(xù)通電狀態(tài),轉子磁極受其磁場的控制,因此不易失步,運行可靠、穩(wěn)定,在實際中應用較廣泛。圖7-18小步距角的三相磁阻式步進電動機的結構

由于上述步進電動機的步距角較大,如用于精度要求很高的數(shù)控機床等控制系統(tǒng),會嚴重影響到加工工件的精度。這種結構只在分析原理時采用,實際使用的步進電動機都是小步距角的。圖7-18所示為最常見的一種小步距角的三相磁阻式步進電動機的結構。

在圖7-18中,三相磁阻式步進電動機定子上有6個磁極,極上有定子繞組,兩個相對極由一相繞組控制,共有U、V、W三相定子繞組。轉子圓周上均布若干小齒,定子每個磁極的極靴上也均布若干小齒。根據(jù)步進電動機的工作要求,定子及轉子的齒寬、齒距必須相等,定、轉子齒數(shù)要適當配合。即要求U、U′相所在一對極下,定子齒與轉子齒一一對齊時,下一相(V相)所在一對極下的定子齒與轉子齒錯開一個齒距(t)的m(相數(shù))分之一,即為t／m

；再下一相(W相)所在一對極下的定、轉子齒錯開2t／m,依此類推。

以轉子齒數(shù)Zr=40,相數(shù)m=3,每相繞組有兩個極,三相單三拍運行方式為例：每一齒距的空間角度為

每一極距所占的齒數(shù)為

由于每一極距所占的齒數(shù)不是整數(shù),因此當U相定子繞組通電時,電機產(chǎn)生沿U極軸線方向的磁場,因磁通要按磁阻最小的路徑閉合,使轉子受到磁阻轉距的作用而轉動,直到U-U′極下的定、轉子齒對齊時,定子V-V′極的齒和轉子齒必然錯開1／3齒距,即錯開9°,如圖7–19所示。由此可知,當定子的相鄰極為相鄰相時,在某一極下若定、轉子齒對齊,則要求在相鄰極下的定、轉子齒之間錯開轉子齒距的1／m,即它們之間在空間位置上錯開角度。由此可得出這時轉子齒數(shù)應符合下式條件：(7–2)式中:K——正整數(shù)；

2p——一相繞組通電時在氣隙中形成的磁極數(shù)；

m——定子相數(shù)。例如上例中,由于2p=1,m=3,可選K=7,則得Zr=40。

由圖7-19可知,若斷開U相定子繞組而接通V相定子繞組,這時電動機中產(chǎn)生沿V極軸線方向的磁場,在磁阻轉距的作用下,轉子按逆時針方向轉過3°,使定子V-V′極下的齒和轉子齒對齊。此時U-U′極和W-W′極下的齒又分別與轉子齒相互錯開1／3的齒距。這樣當定子繞組按U→V→W→U順序循環(huán)通電時,轉子就沿逆時針方向以每一脈沖走3°的規(guī)律進行轉動。若改變通電順序，即按U→W→V→U順序循環(huán)通電時,轉子則沿順時針以每一拍3°的規(guī)律轉動。以上為三相單三拍運行。若按三相單、雙六拍運行,步距角則為15°,是單三拍的一半。圖7-19小步距角三相磁阻式步進電動機的展開圖根據(jù)以上討論可得出步進電動機的步距角公式為(7–3)式中:N——拍數(shù),N=mC;

C——狀態(tài)系數(shù),采用單三拍或雙三拍方時, C=1,采用單、雙六拍方式時,C=2。

由此可知,增加拍數(shù)和轉子的齒數(shù)可減小步距角,有利于提高控制精度。增加電機的相數(shù)可增加拍數(shù),從而減小步距角。但相數(shù)越多,電源及電機的結構越復雜,目前步進電動機一般做到六相。所以增加轉子齒數(shù)是減小步距角的一個有效途徑。由式（7–3）可求得步進電動機的轉速公式為(7–4)式中:f——步進電動機的脈沖頻率（拍/s或脈沖數(shù)/s）。由此可知,步進電動機的轉速與拍數(shù)N、轉子齒數(shù)Zr及脈沖頻率f

有關。當轉子齒數(shù)一定時,轉速與輸入的脈沖頻率成正比,與拍數(shù)成反比。7.2.2步進電動機的應用

1）數(shù)控機床數(shù)控機床是數(shù)字程序控制機床的簡稱。它具有通用性、靈活性及高度自動化的特點。主要適用于加工零件精度要求高,形狀比較復雜的生產(chǎn)中。它的工作過程是:首先應按照零件加工的要求和加工的工序,編制加工程序,并將該程序送入微型計算機中,計算機根據(jù)程序中的數(shù)據(jù)和指令進行計算和控制；然后根據(jù)所得的結果向各個方向的步進電動機發(fā)出相應的控制脈沖信號,使步進電動機帶動工作機構按加工的要求依次完成各種動作,如轉速變化、正反轉、起停等等,這樣就能自動地加工出程序所要求的零件。圖7-20為數(shù)控機床方框圖,圖中實線所示的系統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng),在開環(huán)控制系統(tǒng)的基礎上,再加上虛線所示的測量裝置,即構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖7–20數(shù)控機床方框圖2）軟磁盤驅動系統(tǒng)軟磁盤存儲器是一種十分簡便的外部信息存儲裝置,當軟磁盤插入驅動器后,驅動電機帶動主軸旋轉,使盤片在盤套內(nèi)轉動。磁頭安裝在磁頭小車上,步進電動機通過傳動機構驅動磁頭小車,將步矩角變換成磁頭的位移。步進電動機每行進一步,磁頭移動一個磁道。3）針式打印機一般針式打印機的字車電機和走紙電機都采用步進電動機,如LQ-1600K打印機。在邏輯控制電路（CPU和門陣列)的控制下,走紙步進電機通過傳動機構帶動紙滾轉動,每轉一步使紙移動一定的距離。字車步進電機可以加速或減速,使字車停在任意指定位置,或返回到打印起始位置。字車電機的步進速度是由一單元時間內(nèi)多個驅動脈沖所決定的,改變步進速度可產(chǎn)生不同的打印模式中的字距。7.3測速發(fā)電機

測速發(fā)電機可將輸入的機械轉速轉換為電壓信號輸出。在自動控制和計算裝置中,測速發(fā)電機通常作為測速元件、校正元件、解算元件和角加速度信號元件。自動控制系統(tǒng)對測速發(fā)電機的主要要求是：（1）輸出電壓與轉速保持良好的線性關系；（2）輸出特性的斜率大,即輸出電壓對轉速的變化反應靈敏；（3）溫度變化對輸出特性的影響??；（4）剩余電壓（轉速為零時的輸出電壓）要小。7.3.1直流測速發(fā)電機

1.直流測速發(fā)電機的輸出特性

直流測速發(fā)電機的結構與普通小型直流發(fā)電機的相同,按勵磁方式可分為永磁式和電磁式兩種。其中永磁式直流測速發(fā)電機的定子用永久磁鋼制成,無需勵磁繞組,具有結構簡單、不需勵磁電源、使用方便、溫度對磁場的影響小等優(yōu)點,因此應用最廣泛。直流測速發(fā)電機的工作原理與直流發(fā)電機的相同,其工作原理圖如圖7-21所示。在恒定磁場中,當發(fā)電機電樞以轉速n切割磁通Φ時,電刷兩端產(chǎn)生的感應電動勢為(7–5)上式表明感應電動勢Ea

與轉速n

成正比。圖7-21直流測速發(fā)電機的工作原理圖

空載運行時,負載電流Ia=0,直流測速發(fā)電機的輸出電壓就是感應電動勢,U0=Ea,所以輸出電壓U0與轉速n

成正比。直流測速發(fā)電機的輸出特性是指在勵磁磁通Φ和負載電阻RL

為常數(shù)時,發(fā)電機的輸出電壓U

隨轉速n

的變化關系,即U=f(n)。實際負載運行時,因負載電流Ia=U／ＲL,若不計電樞反應的影響,直流測速發(fā)電機的輸出電壓應為(7–6)式中,Ra

為電樞回路的總電阻,包括電樞繞組電阻和電刷與換向器之間的接觸電阻。把式（7-5）代入式（7–6）,經(jīng)整理后可得(7–7)

上式表明,當Φ、Ｒa

及負載電阻RL

不變時,輸出特性的斜率C

為常數(shù)，輸出電壓U與轉速n

成正比。當負載電阻RL

不同時,輸出特性的斜率也不同,隨RL

的減小而減小。理想的輸出特性是一組直線,如圖7–22所示。圖7–22直流測速發(fā)電機的輸出特性2．輸出特性產(chǎn)生誤差的原因和減小誤差的方法實際上,直流測速發(fā)電機在負載運行時,輸出電壓與轉速并不能保持嚴格的正比關系,存在誤差,引起誤差的主要原因有：1）電樞反應的去磁作用當測速發(fā)電機帶負載時,電樞電流引起的電樞反應的去磁作用,使發(fā)電機氣隙磁通Φ減小。當轉速一定時,若負載電阻越小,則電樞電流越大；當負載電阻一定時,若轉速越高，則電動勢越大,電樞電流也越大,它們都使電樞反應的去磁作用增強,Φ減小,輸出電壓和轉速的線性誤差增大,如圖7–22實線所示。因此為了改善輸出特性,必須削弱電樞反應的去磁作用。例如,使用直流測速發(fā)電機時,RL

不能小于規(guī)定的最小負載電阻,轉速n

不能超過規(guī)定的最高轉速。2）電刷接觸電阻的非線性因為電樞電路總電阻Ra

包括電刷與換向器的接觸電阻,而這種接觸電阻是非線性的,隨負載電流的變化而變化。當電機轉速較低時,相應的電樞電流較小,而接觸電阻較大,電刷壓降較大,這時測速發(fā)電機雖然有輸入信號(轉速),但輸出電壓卻很小,因而在輸出特性上有一失靈區(qū),引起線性誤差,如圖7–22所示。因此,為了減小電刷接觸電阻的非線性,縮小失靈區(qū),直流測速發(fā)電機常選用接觸壓降較小的金屬——石墨電刷或銅電刷。

3）溫度的影響對電磁式直流測速發(fā)電機,因勵磁繞組長期通電而發(fā)熱,它的電阻也相應增大,引起勵磁電流及磁通Φ的減小,從而造成線性誤差。為了減小由溫度變化引起的磁通變化,在設計直流測速發(fā)電機時使其磁路處于足夠飽和的狀態(tài),同時在勵磁回路中串一個溫度系數(shù)很小、阻值比勵磁繞組電阻大3～5倍的用康銅或錳銅材料制成的電阻。

3．直流測速發(fā)電機的應用圖7－23是直流測速發(fā)電機在恒速控制系統(tǒng)中的應用原理圖。若單獨采用直流伺服電動機來帶動這個機械負載，因為直流伺服電動機的轉速是隨負載轉矩的大小而變化的，所以不能實現(xiàn)負載轉矩變化而負載轉速恒定的要求。因此，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的轉速恒定，可采用與直流伺服電動機同軸連接一個直流測速發(fā)電機的方法來達到目的。圖7－23直流測速發(fā)電機在恒速控制系統(tǒng)中的應用原理圖

系統(tǒng)工作時，先調(diào)節(jié)給定電壓Ug，使直流伺服電動機的轉速等于負載要求的轉速。當負載轉矩由于某種因素減小時，直流伺服電動機的轉速便上升，與其同軸的直流測速發(fā)電機轉速也隨之上升，輸出電壓Uf增加，Uf將反饋到輸入端，并與Ug比較，使差值電壓Ud=Ug-Uf減小，經(jīng)放大器放大后加在直流伺服電動機上的控制電壓隨之減小，因而直流伺服電動機減速，使系統(tǒng)轉速基本不變。反之，當負載轉矩由于某種原因略有增加時，系統(tǒng)的轉速將下降，直流測速發(fā)電機的輸出電壓減小，因而差值電壓Ud變大，經(jīng)放大后加在直流伺服電動機上的控制電壓也增大，使直流伺服電動機轉速上升。由此可見，該系統(tǒng)由于測速發(fā)電機的接入，具有自動調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)的轉速近似于恒定值。7.3.2交流測速發(fā)電機

交流測速發(fā)電機有異步式和同步式兩種,下面主要介紹在自動控制系統(tǒng)中應用較廣的交流異步測速發(fā)電機的結構和工作原理。交流異步測速發(fā)電機的結構與交流伺服電動機的相同,按結構可分為籠型轉子和空心杯形轉子兩種。由于空心杯形轉子測速發(fā)電機的精度高,轉動慣量小,性能穩(wěn)定,因此應用比較廣泛。對于空心杯形轉子的測速發(fā)電機,機座號較小時,空間相差90°電角度的兩相繞組全部嵌放在內(nèi)定子鐵心槽內(nèi),其中一相為勵磁繞組,另一相為輸出繞組。機座號較大時,常把勵磁繞組嵌放在外定子上,而把輸出繞組嵌放在內(nèi)定子上,以便調(diào)節(jié)內(nèi)、外定子間的相對位置,使剩余電壓最小。

交流異步測速發(fā)電機的工作原理圖如圖7–24所示。勵磁繞組N１接于恒定的單相交流電源,電源頻率為f１。輸出繞組N2則輸出與轉速大小成正比的電壓信號。當頻率為f1的勵磁電壓加在勵磁繞組以后,勵磁繞組中便有勵磁電流流入,產(chǎn)生直軸(d軸)方向的脈振磁場。

圖7-24交流異步測速發(fā)電機的工作原理圖（a）轉子靜止時；（b）轉子轉動時

當n=0,即轉子靜止時,勵磁繞組與杯形轉子之間的電磁關系和二次側短路時的變壓器一樣,勵磁繞組相當于變壓器的一次繞組,杯形轉子(看作是無數(shù)根并聯(lián)導條組成的籠型轉子)則是短路的二次繞組。此時,測速發(fā)電機的氣隙磁場為脈振磁場,脈振頻率為f1,脈振磁場的軸線就是勵磁繞組軸線,與輸出繞組的軸線(q軸)互相垂直。直軸的脈振磁通只能在空心杯形轉子中感應出變壓器電動勢,由于轉子是閉合的,這一變壓器電動勢將產(chǎn)生轉子電流,電流的方向可根據(jù)楞次定律判斷,如圖7-24(a)所示。此電流所產(chǎn)生的磁通與勵磁繞組產(chǎn)生的磁通方向相反,所以合成磁通僅為沿d

軸方向的磁通,如圖7-24(a)所示。而輸出繞組的軸線與勵磁繞組的軸線在空間位置上相差90°電角度,它與d

軸磁通沒有耦合關系,故不產(chǎn)生感應電動勢,輸出電壓為零,即n=0,。

當n≠0,即轉子轉動以后,杯形轉子中除了感應有變壓器電動勢外,同時還因杯形轉子切割磁通,在轉子中感應一旋轉電動勢,其方向可根據(jù)給定的轉子轉向和磁通方向,用右手定則判斷,如圖7–24(b)所示。旋轉電動勢與磁通同頻率,頻率也為f1,而其有效值為·····(7–8)式中：Cr——比例常數(shù)。

上式表明,若磁通Φd

的幅值恒定,則電動勢Er

與轉子的轉速成正比。在旋轉電動勢的作用下,轉子繞組中將產(chǎn)生頻率為f1的交流電流。由于杯形轉子的轉子電阻很大,遠大于轉子電抗,則與基本上同相位,如圖7-24(b)所示。由所產(chǎn)生的脈振磁通也是交變的,其脈振頻率為f1。若在線性磁路下,的大小與以及的大小成正比,即····(7–9)

無論轉速如何變化,由于杯形轉子的上半周導體電流方向與下半周導體電流方向總是相反的,因此電流產(chǎn)生的脈振磁通在空間的方向總是與垂直,結果的軸線與輸出繞組軸線（q軸）重合,由在輸出繞組中感應出變壓器電動勢,其頻率仍為f1,而有效值與Φq

成正比,即·······(7–10)

綜合以上分析可知,若磁通的幅值恒定,且在線性磁路下,則輸出繞組中的電動勢的頻率與勵磁電源頻率相同,其有效值與轉速大小成正比,即··(7–11)

根據(jù)輸出繞組的電動勢平衡方程式,在理想狀況下,異步測速發(fā)電機的輸出電壓U2也應與轉速n成正比,輸出特性為直線；輸出電壓的頻率與勵磁電源頻率相同,與轉速n

的大小無關，使負載阻抗不隨轉速的變化而變化,這一優(yōu)點使它被廣泛應用于控制系統(tǒng)。

若轉子反轉,則轉子中的旋轉電動勢電流及其所產(chǎn)生的磁通的相位均隨之反相,使輸出電壓的相位也反相。實際上,由于勵磁繞組的漏阻抗及杯形轉子漏抗等因素的影響,使磁通不能完全保證是恒定值。此外,還有勵磁電源的影響及溫度的影響。因此異步測速發(fā)電機的輸出電壓與轉速之間并不是嚴格的線性關系,即輸出特性不是直線而是曲線。詳情請參閱有關控制電機的書籍。····7.4自整角機

自整角機是一種對角位移或角速度的偏差能自動整步的控制電機,在自動控制系統(tǒng)中實現(xiàn)角度的傳輸、變換和指示,如液面高度、電梯和礦井提升機高度的位置顯示,兩扇閘門的開度控制,軋鋼機軋輥之間的距離與軋輥轉速的控制,變壓器分接開關的位置指示等。自整角機通常是兩臺或多臺組合使用,主令軸上裝的是自整角發(fā)送機,從動軸上裝的是自整角接收機。一臺自整角發(fā)送機可以帶一臺或多臺自整角接收機工作。發(fā)送機與接收機在機械上互不相連,只有電路的連接。

按用途不同,自整角機可以分為力矩式自整角機和控制式自整角機；按勵磁繞組的相數(shù)不同,自整角機可以分為單相自整角機與三相自整角機；按轉子結構的不同,自整角機可以分為凸極轉子自整角機和隱極轉子自整角機。本節(jié)將簡要介紹自整角機的工作原理。7.4.1力矩式自整角機的工作原理

單相力矩式自整角機的定子結構與一般三相異步電動機的類似,定子上有星形連接的三相對稱繞組,稱為整步繞組。轉子上裝有單相繞組,稱為勵磁繞組。圖7-25力矩式自整角機的工作原理示意圖

圖7-25所示是單相力矩式自整角機的工作原理示意圖,其中一臺為發(fā)送機（用T表示）,與系統(tǒng)主令軸相連接,另一臺為接收機（用R表示）,與系統(tǒng)輸出軸相連接,兩者結構參數(shù)完全一樣。兩臺自整角機轉子上的勵磁繞組同時并接在同一交流電源上,它們的定子三相繞組按相序對應連接。設主令軸使發(fā)送機轉子從基準電氣零位逆時針轉過θ1角,而接收機的轉子位置為θ2。的轉子繞組通以單相交流電后,產(chǎn)生的脈振磁場在其定子繞組中感應的電動勢有效值分別為（7–12）接收機的轉子繞組通以同一單相交流電后,產(chǎn)生的脈振磁場在其定子繞組中感應的電動勢有效值分別為（7–13）式中：Em——發(fā)送機和接收機定子繞組感應電動勢的最大值(發(fā)送機與接收機是同類型的,兩者的最大感應電動勢是相同的)。當θ1=θ2時,失調(diào)角θ=θ1－θ2=0,系統(tǒng)中發(fā)送機和接收機的定子繞組中對應的電動勢相互平衡,定子繞組中無電流通過,轉子相對靜止,系統(tǒng)處于協(xié)調(diào)位置。

當主令軸轉過某一角度時,則θ1≠θ2,失調(diào)角θ=θ1－θ2≠0,使發(fā)送機、接收機定子繞組對應相的電動勢不平衡,定子繞組（整步繞組）中產(chǎn)生電流。載流的定子整步繞組導體與勵磁繞組的脈振磁場作用將產(chǎn)生整步轉矩,由于定子是固定的,轉子將同樣受到整步轉矩的作用而向失調(diào)角減小的方向轉動。但發(fā)送機轉子由主令軸帶動,主令軸發(fā)出指令后是固定不動的,故只有接收機的整步轉矩才能帶動接收機轉子及負載向失調(diào)角減小的方向轉動,直至θ=0,即θ1=θ2時,轉子停止轉動,系統(tǒng)進入新的協(xié)調(diào)位置。

力矩式自整角機能直接達到轉角隨動的目的,即將機械角度變換為力矩輸出,但無力矩放大作用,帶負載能力較差。因此,力矩式自整角機只適用于負載很輕(如儀表的指針等)及精度要求不高的開環(huán)控制的隨動系統(tǒng)中。目前,我國生產(chǎn)的力矩式自整角發(fā)送機的型號為ZLF,自整角接收機的型號為ZLJ。1—浮子；2—平衡錘；3—發(fā)送機；4—接收機圖7-26液面位置指示器

圖7-26所示為液面位置指示器。浮子隨著液面的上升或下降,通過繩索帶動自整角發(fā)送機轉子轉動,將液面位置轉換成發(fā)送機轉子的轉角。自整角發(fā)送機和接收機之間通過導線遠距離連接起來,于是自整角接收機轉子就帶動指針準確地跟隨自整角發(fā)送機轉子的轉角變化而偏轉,從而實現(xiàn)了遠距離液面位置的指示。這種系統(tǒng)還可以用于電梯和礦井提升機構位置的指示及核反應堆中的控制棒指示器等裝置。若需驅動較大負載,或提高傳遞角位移的精度,則要用控制式自整角機。7.4.2控制式自整角機的工作原理控制式自整角機也分為發(fā)送機和接收機兩種?？刂剖阶哉前l(fā)送機的結構形式和力矩式自整角發(fā)送機的基本一樣,轉子上通常放置勵磁繞組。與力矩式自整角接收機不同的是控制式自整角接收機不直接驅動機械負載,而是輸出電壓信號,通過伺服電動機去控制機械負載。它的轉子為隱極式,轉子上通常放置高精度的正弦繞組作為輸出繞組。單相控制式自整角機的工作原理圖如圖7–27所示。發(fā)送機T的勵磁繞組接單相交流電源，發(fā)送機T和接收機R的三相整步繞組按相序對應連接,接收機R的輸出繞組向外輸出電壓。圖7-27單相控制式自整角機的工作原理圖

當發(fā)送機轉子轉過θ1角后,其定子繞組中產(chǎn)生如（7-12）所示的感應電動勢,此電動勢使發(fā)送機與接收機的定子繞組中產(chǎn)生電流,從而分別在這兩個定子繞組中建立合成脈振磁動勢和。根據(jù)楞次定律,發(fā)送機定子繞組中產(chǎn)生的脈振磁動勢與其轉子勵磁磁動勢的方向相反,起去磁作用。因接收機中的定子電流與發(fā)送機的對應定子電流大小相等而方向相反,所以接收機定子繞組產(chǎn)生的脈振磁動勢與發(fā)送機的脈振磁動勢方向相反,即與方向相同,如圖7-27所示。而由產(chǎn)生的與接收機轉子繞組軸線重合的磁場分量,將在接收機的轉子繞組中感應出電動勢,因而轉子繞組（輸出繞組）的輸出電壓為（7–14）

式中:U2m——接收機轉子繞組的最大輸出電壓。

由于控制式自整角接收機運行于變壓器狀態(tài),故稱它為自整角變壓器。其輸出電壓U2通常經(jīng)放大器放大后輸至