自动控制元件讲义2014

1、1.1 直流电机在微型控制电机中，直流电机包括直流伺服电动机、直流测速发电机，前者将电能转换为机械能，后者将机械能转换为电能。二者在结构上没有差别。直流电机虽然结构比较复杂，造价比较高，但是因其具有良好的启动和调速特性，被广泛应用于各种自动控制系统中。1.1.1直流电机分类直流电机按结构及工作原理可分为无刷直流电机和有刷直流电机。有刷直流电机可分为永磁直流电机和电磁直流电机。电磁直流电动机又分为串励直流电机、并励直流电机、他励直流电机和复励直流电机。永磁直流电机又分为稀土永磁直流电机、铁氧体永磁直流电机和铝镍钴永磁直流电机。下面分别简单介绍。一 电磁直流电机按照励磁方式可分为他励电机、并励电机

2、、串励电机和复励电机。 1他励电机见图1-1。励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供电。 图1-1他励电机 图1-2并励电机2并励电机见图1-2。励磁绕组和电枢绕组并联，由一个直流电源供电。3串励电动机见图1-3。励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。 图1-3串励电机 图1-4复励电机4复励电动机见图1-4。励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。二 永磁式直流电机永磁式直流电机也由定子磁极、转子、电刷、外壳等组成， 定子磁极采用永磁体（永久磁钢），有铁氧体、铝镍钴、钕铁硼等材料。按其结构形式可分为圆筒型和瓦块型等几种。录放机中使用的电多数为圆筒型磁体，而电动工具及汽车用

3、电器中使用的电机多数采用专块型磁体。三 无刷直流电机无刷直流电机是采用半导体开关器件来实现电子换向的，即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点，广泛应用于高档录音座、录像机、电子仪器及自动化办公设备中。 1.1.2直流伺服电动机一 有刷直流伺服电动机结构及工作原理有刷直流伺服电动机结构与普通小型直流电动机相同，由定子(磁极)、转子 (电枢)和机座等部分构成。见图1-5。图1-5 有刷直流伺服电动机基本结构磁极：用来在电机中产生磁场。永磁式直流电动机的磁极由永久磁铁做成；励磁式直流电动机的磁极上绕线圈，线圈中通过直流电，形成电磁铁。磁极

4、上的线圈通以直流电产生磁通，称为励磁。转子(电枢)：由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。电枢铁心由硅钢片叠装而成。电枢绕组由结构、形状相同的线圈组成。直流伺服电动机的工作原理与普通直流电动机相同。励磁绕组中流过电流所产生的磁通与电枢绕组中通过的电流互相作用时即产生电磁转矩，使伺服电动机旋转。如图1-6a所示，直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向如图。 a)直流伺服电动机工作原理 b)电枢感应电动势E的方向 图1-6 直流伺服电动机由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里, N极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后中受力(左手定则)按顺时针方向旋转。线

5、圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方向相反。 电枢感应电动势： (V) (1-1)式中，：反电动势常数；n：电动机转速；F：磁通。由图1-6b可知，电枢感应电动势Ea与电枢电流或外加电压方向总是相反，故称反电势。 电枢回路电压平衡式： (1-2)式中，Ua：外加电压；Ra：绕组电阻。电磁转矩：直流电动机电枢绕组中的电流(电枢电流Ia)与磁通j相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的电磁转矩公式为 (Nm) (1-3)式中，：电磁转矩常数；F：线圈所处位置的磁通；Ia：电枢绕组中的电流。转矩平衡关系：电动机的电磁转矩Te为驱动转矩, 它使电枢转动。在

6、电机运行时，电磁转矩必须和机械负载转矩及空载损耗转矩相平衡，即 (Nm) (1-4)式中，：机械负载转矩；：空载转矩。 转矩平衡过程：当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。例：设外加电枢电压Ua 一定，Te=TL (平衡)，此时，若TL突然增加，则调整过程为：二 直流力矩电动机结构和工作原理直流力矩电机属于输出低转速、大力矩的伺服电动机。为了省去或简化机械变速机构，往往在驱动控制系统中采用力矩电动机来驱动机械负载。力矩电动机反应速度快，转速波动小，能在高转矩低转速下稳定运行，机械特性和调节特性线性度好，具有

7、高耦合刚度。因此，它特别适合于在位置控制系统和宽调速系统中作执行元件，也适用于需要大转矩、低速、转速调节、转速反馈和需要一定张力的场合。广泛应用于各种雷达天线的驱动、光电跟踪等高精度传动系统、以及一般仪器仪表驱动装置上。直流力矩电动机大多采用永磁励磁。其基本要求与直流伺服电动机相似。为了获得大的输出转矩和低的转速，一般作成扁平结构（见图1-7）。电机电枢铁心长度和外径之比很小（图中仅0.2左右）。为了使电机工作稳定，电机的输出转矩不能超过最大堵转转矩。后者又称峰值堵转转矩。与峰值堵转转矩相应的电枢电流称为峰值堵转电流。如果电枢电流超过峰值堵转电流，电机便去磁，需要重新充磁才能正常工作。为了减小

8、转矩和转速的脉动，定子采用多对磁极，电枢选用较多的槽数、换向片数和串联导体数。力矩波动M表示电枢处于不同位置时的输出力矩的变化，M=(M最大-M最小)/ (M最大+M最小)×100%。图1-7直流力矩电动机结构直流力矩电动机采用大内孔扁平结构，有利于电机直接套在负载轴上，提高系统的耦合刚度，使系统反应迅速，频带展宽，稳定工作，满足动态性能要求。电机常数KL是力矩电动机的一个重要指标，它表示峰值堵转转矩与输入峰值堵转功率平方根之比,它既反映了电机本身的利用率，又考虑到电机所消耗的功率。直流力矩电动机的总体结构可分为分装式和组装式两种。分装式是由定子、电枢和刷架3大件组成，其余支承部分由

9、用户根据整机安装要求自行选定。组装式与一般电机相同，电机成一独立整体。为了克服直流力矩电动机采用电刷、换向器带来的弊病，70年代末发展了无刷直流力矩电动机，其原理、结构与无刷直流电动机相同。三 永磁直流电动机结构和工作原理 a)圆筒式 b) 带软铁极靴式图1-8铝镍钴永磁体励磁结构永磁直流电动机在结构上除定子部分没有励磁绕组外，其电枢、电刷、换向器等零部件均与普通直流电动机相同。图1-8中所示为铝镍钴永磁体励磁结构。由于铝镍钴的矫顽力较小，需要较长的永磁体有效长度(图中lm)以产生足够的磁通势，所以常采用圆筒式结构，图1-8a。为避免电枢反应磁场对永磁体的影响，在永磁电机中可加软铁极靴，图1-

10、8b。在电机带负载时，这种结构可以使电枢电流产生的电枢反应磁通只通过极靴而不进入永磁体，保证了工作磁通的恒定，提高了永磁体的利用率，也有利于换向。极靴和永磁体应贴合紧密，工艺上要求较高。采用铁氧体励磁时，可采用瓦块式结构、瓦块带极靴式结构和圆筒式结构。前者适用各向异性材料，磁钢利用率高，结构简单，便于批量生产，但气隙磁通密度低。瓦块带极靴式结构可提高气隙磁通密度，但结构较复杂。圆筒式结构简单，便于生产，但材料利用率低，不利于换向。采用稀土永磁体励磁时，其磁路结构与瓦块式相似。但因它的矫顽力更大，磁极的径向尺寸可进一步缩小。永磁电动机的电刷使用单性金属片或金属石墨电刷、电化石墨电刷。 

11、录放机中使用的永磁式直流电动机，采用电子稳速电路或离心式稳速装置。四 无刷直流电动机结构和工作原理无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成。定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。无刷直流电动机的原理简图如图1-9所示。图1-9 无刷直流电

12、动机的原理简图主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频5-26KHZ调制波的对称交变矩形波。永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差120°的U、V、W方波，结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组件处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，T1-T6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次

13、改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电角度，转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需

14、另设启动绕组。由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流-转矩特性。无刷直流电动机的位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型。采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机，其磁敏传感器件（例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏诂极管、磁敏电阻器或专用集成电路等）装在定子组件上，用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。采用光电式位置传感器的无刷直流电动机，在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件，转子上装有遮光板，光源为发光二极管或小灯泡。转子旋转时，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇间生脉冲信号。采用电磁式

15、位置传感器的无刷直流电动机，是在定子组件上安装有电磁传感器部件（例如耦合变压器、接近开关、LC谐振电路等），当永磁体转子位置发生变化时，电磁效应将使电磁传感器产生高频调制信号（其幅值随转子位置而变化）。 五 直流伺服电动机基本特性1直流伺服电动机静态特性对于直流伺服电动机，静态特性是指当控制电压和负载转矩均不变的情况下，电机运行在一定转速时对应的稳定工作状态时所具有的特性。直流电动机通常以机械特性和调节特性表征其静态工作特性。机械特性是指在控制电压一定的情况下，电动机电磁转矩Te与转速n之间的关系Te=f(n)；调节特性是指在负载转矩一定的情况下，转速与控制电压之间的关系n=f(Ua)。图1-

16、10永磁直流电动机的机械特性曲线簇和调节特性曲线簇。a)机械特性 b) 调节特性 图1-10直流伺服电动机静态特性曲线从直流伺服电动机的调节特性可以看出，电磁转矩一定时，控制电压愈高，电动机转速愈高，转速与控制电压成正比。调节特性与横轴交点的横坐标为负载转矩一定时的始动电压。当负载转矩大于零并为一定值时，电动机的控制电压大于相应的始动电压，则电机的电磁转矩大于负载转矩，电动机才能起动并达到 某一转速；反之，控制电压小于相应的始动电压，则电动机的最大电磁转矩小于负载转矩，它就不能起动。我们称调节特性曲线的横坐标从零到始动电压的这一范围为在一定负载转矩时的控制失灵区。显然，失灵区的大小与

17、负载转矩成正比，即负载转矩愈大，始动电压也愈大。直流伺服电动机的机械持性和调节特性都是一组平行线，线性度好，这是直流伺服电动机很可贵的优点。但是，以上所述结论是在假设电动机磁路磁化曲线为直线和不计电枢反应的情况下得到的，实际工作中的直流伺服电动机其机械持性和调节持性都是一条接近于直线的曲线，线性度不是十分理想。2直流伺服电动机动态特性动态工作特性是指实际的动作与相应的动作命令之间的响应关系。图1-11直流伺服电动机等效电路直流伺服电动机的等效电路如图1-11所示。电路的电压平衡方程和力矩平衡方程的拉氏变换为: (1-5) (1-6) (1-7) (1-8)式中，L a：电枢电感；J：转动惯量；

18、：转动角速度；：转动部分阻尼系数。上述特性可以用图1-12的方框图表示：图1-12直流伺服电动机方框图令，为电机转速；，为电磁时间常数；，为机械时间常数。则在控制电压作用下，直流伺服电动机输出转速的过渡过程曲线(不同曲线对应的电机时间常数不同)如图1-13。图1-13直流伺服电动机输出转速的过渡过程曲线图中，n0为直流伺服电动机理想空载转速。1.1.3直流测速发电机一 直流测速发电机结构及工作原理直流测速发电机结构与直流伺服电动机相似，也由定子(磁极)、转子 (电枢)和机座等部分构成。直流测速发电机原理图见图1-14a。电枢电动势： (1-9)测速发电机空载时，其输出电压Ua为 (1-10)当

19、直流测速发电机负载时，电枢绕组中因流过电枢电流Ia而在电枢绕组电阻Ra上产生电压降Ia·Ra，如果忽略电枢反应、工作温度对主磁通F 的影响，忽略电刷与换向器之间的接触压降，则有: (1-11)得 (1-12)由上式可见，只要主磁通F、接触电压降、电枢电阻Ra、负载电阻RL为常数，则输出电压Ua与电机的转速n成线性关系。 a)直流测速发电机原理图 b)直流测速发电机输出特性曲线图1-14 直流测速发电机二 直流测速发电机基本特性由直流测速发电机工作原理可知：输出电压Ua与电机的转速n成线性关系。输出电压Ua随电机转速n变化而变化的关系曲线称为输出特性，如图1-14b实线所示。负载电阻R

20、L的值越大时，曲线斜率越大，测速发电机灵敏度越高。考虑到温度影响，电枢反应和电刷与换向器接触压降的影响，直流测速发电机实际输出特性如图1-14b中虚线所示。1.2 步进电机1.2.1步进电机基本工作原理一 步进电机基本原理步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置，是一种特殊的电动机。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转

21、角、转速及转动方向。一个步进电机系统的组成如图1-20所示。图1-20 步进电动机系统原理图根据步进电机的电流，需要配用大于或等于此电流的驱动器。如果需要低振动或高精度时，可配用细分型驱动器。对于大转矩电机，尽可能用高电压型驱动器，以获得良好的高速性能。步进电机驱动器不合理一般引起的故障现象包括：不工作，丢步（也可能电机力不够），时走时停，大小步，震动大，抖动明显，乱转等。步进电机还涉及到控制器的设计，因为步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机（或其它如PLC（可编程控制器），FPGA（可编程逻辑器件）等）产生。控制器基本原理作用如下：1控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配

22、。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-D，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A，B，C，D相的通断。 2控制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。 3控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。二 步进电机分类1步进电动机按其输出转矩划分可以分为快速步进电动机和功率步进电动机。快速步进电动机连续工作频率高而输出转矩较小，一般在N·cm级，可以作为控制小型精密机床

23、的工作台(例线切割机床)也可以和液压转矩放大器组成电液脉冲马达去驱动数控机床的工作台，而功率步进电动机的输出转矩就比较大是N·m级的，可以直接去驱动机床的移动部件。2步进电动机按其励磁相数划分可以分为三相、四相、五相、六相甚至八相。一般来说随着相数的增加，在相同频率的情况下，每相导通电流的时间增加，各相平均电流会高些，从而使电动机的转速-转矩特性会好些，步距角亦小。但是随着相数的增加，电动机的尺寸就增加，结构亦复杂，目前多用36相的步进电动机。3步进电动机按其工作原理划分主要有反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积

24、较小，步进角一般为7.5度 或15度。反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度，这种步进电机的应用最为广泛。目前，在国际上，混合式步进电动机也是最有发展前景的步进电机，其发展趋势可以总结如下：1继续沿着小型化的方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小。瑞士ESCAP公司最近研制出外径仅10

25、mm的步进电动机。2改圆形电动机为方形电动机。由于电动机采用方型结构，使得转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体积比将大为提高。同样机座号的电动机，方形的力矩比圆形的将提高3040。3对电动机进行综合设计，即把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性能。4向五相和三相电动机方向发展。目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机复杂，因此三相电动机系统的性能价格比要比五相电动机更好一些。1.2.2步进电动机技术参数一 重要参数1相数产生

26、不同对极N、S磁场的激磁线圈对数，是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。目前应用最广泛的是两相和四相，四相电机一般用作两相，五相的成本较高。2拍数完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转

27、过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。3步距角对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移。步距角用表示，=360度/（转子齿数*运行拍数）。以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例，四拍运行时步距角为=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。4定位转矩（DETENT TORQUE）步进电机在不通电状态下，电机转子自身

28、的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的），DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。5最大静转矩也叫保持转矩（HOLDING TORQUE），电机在额定静态电作用下（通电），电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩，即定子锁住转子的力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说

29、2N·m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N·m的步进电机。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。二 步进电动机动态指标1步距角精度步进电机

30、每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角×100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。一般步进电机的精度为步进角的35%，且不累积。2失步电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。步进电动机正常工作时，每接收一个控制脉冲就移动一个步距角，即前进一步。若连续地输入控制脉冲，电动机就相应地连续转动。步进电动机失步包括丢步和越步。丢步时，转子前进的步数小于脉冲数；越步时，转子前进的步数多于脉冲数。一次丢步和越步的步距数等于运行拍数的整数倍。丢步严重时，将使转子停留在一个位置上或围绕一个位置振动。目前，解决步进电动机

31、失步的方法有：适当减小步进电动机的驱动电流；采用细分驱动方法；采用阻尼方法，包括机械阻尼法。以上方法都能有效消除电动机振荡，避免失步现象发生。3失调角转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。4最大空载起动频率电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。5最大空载的运行频率电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。6运行矩频特性电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据，当速度越大，其输出力矩

32、越小，当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。7电机的共振点步进电机均有固定的共振区域。二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180250pps(每秒脉冲数)之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。8电机正反转控制当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB时

33、为反转。最简单的反向是将A+，A-和B+，B-对调即可。1.3 旋转变压器1.3.1旋转变压器基本工作原理一 基本结构及工作原理旋转变压器是一种输出电信号与转子转角成某种函数关系的电感式角度传感元件，微特电机的一种。其工作原理与一般变压器基本相同。对于变压器来说，其原、副边绕组耦合位置固定，输出电压恒定；旋转变压器的原、副边绕组则随转子位置而变化，故随着转子转角位置的改变，两相输出绕组的输出电压随转角改变而呈特定的函数关系。旋转变压器的结构与两相线绕式异步电动机相似，由定子和转子组成。在定、转子铁芯槽内分别嵌装两组轴线互相垂直的分布式绕组。为减小体积，铁芯常采用坡莫合金等高磁导率材料叠装而成。

34、转子绕组通过滑环、电刷引出接线的为接触式旋转变压器；用环形变应器耦合到定子上引出接线的为无接触式旋转变压器。后者没有接触摩擦和无线电干扰。常用的工作频率为50Hz，400Hz，500Hz，1000Hz和5000Hz。 旋转变压器工作原理见图1-24。图1-24 旋转变压器工作原理定子绕组D1-D2接交流电源激磁Uj，输出绕组Z1-Z2接负载ZL。表1-1各类旋转变压器的特点与用途当主令轴带动转子转过角时,各输出绕组中产生的感应电压分别为： (1-13) (1-14)式中，k：一相定、转子绕组的有效匝数比（变比）如用转子绕组激磁,定子绕组输出时表达式相同（只是k值不同）。采用不同接线方

35、式或不同的绕组结构，可以获得与转角成不同函数关系的输出电压。采用不同的结构还可以制成弹道函数、圆函数、锯齿波函数等特种用途的旋转变压器。 二 分类1按输出电压与转子转角的函数关系可分为正、余弦旋转变压器（其输出电压与转子转角成正弦或余弦函数关系）；线性旋转变压器(其输出电压与转子转角成线性函数关系)，比例式旋转变压器(其输出电压与转角成比例关系)和感应移相器，特殊函数旋转变压器(其输出电压与转角成特殊函数关系)。2按在同步随动系统中功能可分为发送机、接收机、变压器等。3按结构可分为接触式和无接触式；还可分为单极、多极型和双通道旋转变压器，以及磁阻式旋转变压器。表1-1中列出各种旋转变压器的特点

36、与用途。取自"1.3.2旋转变压器基本特性一 正、余弦旋转变压器基本特性1空载运行特性空载运行是指输出绕组Z1Z2 ，Z3Z4开路，定子补偿绕组D3D4也开路，只有定子励磁绕组D1D2施加交流励磁电压（见图1-24）。由前面分析可知，空载且保持不变时，转子输出绕组Z1Z2的输出电压与转子转角呈余弦函数关系。因此，称Z1Z2绕组为余弦输出绕组；转子输出绕组Z3Z4上的输出电压与转子转角呈正弦函数关系。因此，称Z3Z4绕组为正弦输出绕组。正、余弦旋转变压器空载运行输出特性曲线如图1-25中实线所示。2负载运行特性正、余弦旋转变压器正弦输出绕组加负载后，如图1-26所示，当转子输出绕组Z3

37、Z4接上负载ZL时，在绕组Z3Z4中将有电流 流过， 在气隙中也将产生脉振磁场，用位于Z3Z4轴线上的磁密空间向量来表示，认为正比于。把分解成两个分量：一个分量与励磁绕阻D1D2轴线称为直轴分量，另一个分量与励磁绕组D1D2轴线正交，称交轴分量。交轴磁通使旋转变压器负载后输出特性曲线发生畸变。畸变与转子转角有关，而且随着负载电流增大而严重。正、余弦旋转变压器负载输出特性曲线如图1-25中虚线所示。 a)正弦输出特性 b)余弦输出特性图1-25 正、余弦旋转变压器运行特性 图1-26 正、余弦旋转变压器负载后3正、余弦旋转变压器消除输出特性畸变的方法1) 副边补偿其励磁绕组D1D2加交流励磁电压

38、Uj，D3D4绕组开路，转子Z1Z2输出绕组接阻抗。全面补偿条件：余弦绕组的负载阻抗必须与正弦绕组的负载阻抗ZL相等。2) 原边补偿用原边补偿的方法也可以消除交轴磁通的影响。此时定子D1D2励磁绕组接通交流电压Uj，定子交轴绕组D3D4短接；转子Z1Z2和Z3Z4绕组开路。3) 原、副边补偿其励磁绕组D1D2加交流励磁电压Uj，D3D4绕组短接，转子Z1Z2和Z3Z4绕组同时接大小相等的负载阻抗ZL。二 线性旋转变压器基本特性线性旋转变压器是指输出电压的大小与转子转角成正比的旋转变压器。原边补偿的线性旋转变压器如图1-27所示。 1-27 线性旋转变压器接线图 图1-28 线性旋转变压器输出特

39、性曲线Z3Z4绕组输出电压为： (1-15)式中，ku=WZ/WD ：旋转变压器转、定子的匝数比，即变比，是一个常数。线性条件：当ku=0.52时，在±60°范围攻内，输出电压与转子转角成线性关系，并且和理想直线相比较，误差不超过0.1.在实际的线性旋转变压器中，为了获得最佳的线性特性，在电源内阻很小时，其变比ku一般取0.560.57。其空载输出特性曲线见图1-28。1.4 自整角机1.4.1自整角机基本工作原理一 自整角机作用与结构自整角机是一种电感式角位移传感元件，用作传递或检测若干个机械上独立的转角，又称自同步机，也可以把它看成是二次测可以自由旋转的变压器。根据使用

40、系统的精度要求，将自整角电机的工作方式分为力矩式和控制式两类。根据测取单轴的角位移或是两轴的角位移可分为普通式和差动式两类。按有无滑环又可分为接触式和无接触式两类。自整角电机在结构上类似同步电机，有励磁绕组和电枢绕组，通常都做成一对极。磁极可为转子，也可为定子。磁极可做成凸极式或隐极式，如图1-33所示。通常力矩式自整角机转子磁极大多采用两极的凸极结构，其目的是为了能获得较好的配合参数，提高运行效率。在控制式自整角机接收机中，为了提高控制精度，降低零位电压，其转子多采用隐极式结构。a)隐极式定子和转子 b)隐极转子和凸极定子 c)隐极定子和凸极转子 图1-33 自整角电机铁芯冲片定、转子之间有

41、气隙。定、转子铁心由高导滋率、低损耗的薄硅钢片冲制后涂漆叠装而成。单相绕组作为励磁绕组，三相绕组称为整步绕组，它做成分布绕组的形式，并接成星形，放在铁心的槽内，各相绕组的匝数相同，阻抗一样，空间互差120度电角度。从作用原理看，励磁绕组在定子上，整步绕组在转子上；或整步绕组在定子上，励磁绕组在转子上，二者没有本质的区别，但它们的运行性能不一样。三相绕组放在转子上，转子重量大，滑环多，摩擦转矩大，因而，精度低，但转子滑环和电刷仅在转子转动时，才有电流通过，滑环的工作条件较好；单相励磁绕组放在转子上，转子重量轻，滑环少，因而，摩擦转矩小，精度高，同时，由于滑环少，可靠性也相应提高。然而，单相励磁绕

42、组长期经电刷和滑环通入励磁电流，接触处长期发热，容易烧坏滑环，它只适用于小容量角传递系统。二 基本工作原理1力矩式自整角机在自动控制和遥测系统中，经常需要监督和控制在一定距离以外，特别是处在最危险的环境的、人们无法接近的设备，以便了解它的运行情况，如闸门的开启度、高炉探尺以及核反应堆控制捧位置等等。这些位置要求在显示台上显示出来，或者由控制中心发出指令，以便控制这些设备的运行。为此，可采用自整角发送机和接收机组成角传递系统予以实现。假设自整角机发送机和接收机结构完全相同，它们的励磁绕组接到同一个单相交流电源上，三相整步绕组通过传输线对接起来(见图1-34a)，接收机的转子仅仅联接指示被传递角度

43、的指针，就构成了力矩式自整角机角度传递系统。 a)工作原理图 b)整步转矩与失调角关系曲线 图1-34力矩式自整角机工作原理图和输出特性 力矩式自整角机的工作原理是：当接收机转子和发送机的转子对定子绕组的位置相同，两边的每相绕组中的电动势相等，因此在两边的三相绕组中没有电流。若发送机转子转动一个角度，于是发送机和接收机相应的每相定子绕组中的两个电动势就不能相互抵消，定子绕组中就有电流，这个电流和接受激励此磁通作用而产生转矩。此时，整步转矩与失调角的关系为正弦关系，当失调角很小时，它们的关系近似为线性关系，见图1-34b。2控制式自整角机在上述力矩式自整角机系统中，接收机的转轴上只能带很轻的负载

44、(如指针)，不能用来直接驱动机械负载，因为一般自整角机容量较小，带不动大负载，即使能带动，也会因转轴上负载转矩较大而使系统的精度降低。为了提高远距离角传递系统的精度和负载能力，常使力矩式接收机的励磁绕组从电源断开，使其在变压器状态下工作（见图1-35a）。这时接收机直接输出的不是角位移或旋转运功，而是与失调角有关的信号电压，这个小功率信号电压再通过放大器放大，以推功伺服电动机。于是伺服电动机一方面带动机械负载偏转或作旋转运动，另一方面还带动接收机转子向失调角减小的方向偏转，直到失调角为零时，系统停止工作。由于此时接收机不是直接驱动机械负载，而是通过其输出电压去控制机械负载，所以，这种用途的自整

45、角机叫控制式自整角接收机，又叫自整角变压器。控制式自整角机的工作原理是：当发送机的励磁绕组通入励磁电流后，产生交变脉冲磁通，在相绕组中感应出感应，从而绕组中产生电流,这些电流都产生脉冲磁场，并分别在自整角变压器的单相输出绕组中感应出相同的电动势，此时，输出电势与失调角的关系也为正弦关系。当失调角很小时，它们的关系也近似为线性关系，见图1-35b。 a)工作原理图 b)输出电势与失调角关系曲线工作原理图图1-35控制式自整角机工作原理图和输出特性 3差动式自整角机在远距离角传递系统中，有时需要指示出两个角度的和或差(在随动系统中，需要指出两个速度的和或差)，在这种情况下，就要用到差动式自整角机。

46、差动式自整角机的结构和普通的自整角机不同，而与三相绕线式异步电动机相似，即它的定子和转予上都装着星形接法的三相对称绕组，并各引出三根出线端，转子绕组通过三个滑环相电刷引出。由于工作特性的要求，差动式自整角机的定子和转子槽数、绕组匝数，形式和参数完全相同。差动式自整角机分力矩式和控制式两类，前者既可做接收机，又可做发送机，而后者只能做发送机。下面以力矩式差动自整角发送机为例介绍差动式自整角机工作原理。在普通的力矩式自整角发送机和接收机之间，接上一台力矩式差动自整角发送机，它的定子和链子绕组分别和普通力矩式发送机和接收机整步绕组的对应相联接，如图1-36所示。假设差动自整角发送机的转子和定子对应相

47、绕组的轴线位置一致(如图1-36中点划线所示)，并且，将差动自整角发送机的转子固定不动，使自整角发送机的转子从与D1相绕组轴线重合的位置顺时针方向偏转1角，可知差动自整角发送机的定子绕组三相合成磁势的轴线也顺时针方向偏转1角，如图1-36所示。如果我们把差动自整角发送机看成普通力矩式自整角机，那么，它的定子合成磁势就相当于普通力矩式自整角发送机单相励磁磁势，只不过此时励磁磁势已偏离差动发送机转子D1相整步绕组的轴线1角；在差动发送机转子固定不动的请况下，接收机的转子跟随顺时针方向偏转1角(假设接收机转子绕组的轴线和它的C1相整步绕组的轴线重合)，这种情况就好比对工作的普通力矩式自整角发送机和接

48、收机系统。现在，如果除了发送机的转子顺时针方向偏转1角以外，差动自整角发送机的转子也顺(或逆)时针方向偏转2角(如图1-36中的实线所示)，则差动发送机定子合成磁势偏离D1相转子绕组轴线的角度已不是1，而是=1-2 (或=1+2)。于是，接收机的转子偏转的角度不是1，而是=1-2 (或=1+2)。由此可见利用差动式自整角发送机可以指示或传递两个指定角度的差(或和)。1-发送机；2-差动发送机；3-接收机图1-36 力矩式差机自整角发送机原理图1.4.2自整角机技术参数一 力矩式自整角机系统的主要技术指标1比整步转矩和最大整步转矩失调角=1°时的整步转矩称为比整步转矩。失调角=90&#

49、176;时，整步转矩达到最大值，称为最大整步转矩。最大整步转矩表征了力矩式自整角机的负载能力，而比整步转矩直接影响它的转角随动误差。因此，它们是力矩式自整角机系统的两项重要的性能指标。2静态误差s力矩式自整角机系统处于静态稳定时，接收机与发送机转子轴转角之差称为静态误差。它决定了接收机的精度。3阻尼时间对力矩式自整角机，当失调角为177°土2°时，接收机转子由失调位置进入到离协调位置±0.5°范围内，并且不超过这个范围时所需要的时间称为阻尼时间。阻尼时间越小，接收机跟踪性能越好。4零位误差0指力矩式自整角发送机加上励磁电压，从基准电气零位开始，转子每转过

50、60°，从理论上讲定子三相绕组中总有两根线之间电势应为零。此位置称为理论电气零位。但由于设计、制造工艺等原因影响，实际电气零位与理论电气零位有差异，此差值称为零位误差，用角分表示。力矩式自整角机发送机的精度等级是由零位误差确定的。二 控制式自整角机系统的主要技术指标1电气误差 控制式自整角机发送机定子绕组的感应电势，从理论上分析它只与转子的转角有关。但由于设计、工艺和材料等因素影响，达到理论值电势的实际转子转角值与理论上转角值之间有误差，此差值即为电气误差。控制式自整角机和接收机的精度均用电气误差来衡量。 2零位电压Uo 当控制式自整角发送机和接收机达到实际协调位置时的输出电压，称为

51、零位电压或残余电压。零位电压的存在会引起放大器的饱和，降低系统的灵敏度，因此常采用检相器、滤波器等来减小它们的影响。 3比电压U 是指失调角为1°时，自整角接收机的输出电压。目前国产自整角接收机的比电压为0.31V(°)。 4速度误差当自整角变压器转子以一定速度旋转时，在其输出绕组中，除了有变压器输出电势外，还有旋转电势产生。此时输出的总电势和失调角之间不再是严格的正弦关系，要发生畸变。畸变引起的误差称为速度误差。转速越高，旋转电势越大，误差也越大。为了减小速度误差，可采用高频自整角机。这样旋转电势与高频脉振磁场产生的变压器电势相比较要小得多。例如频率为50 Hz，转速为3

52、000 rmin时，速度误差为0.6°2°，而当频率为500 Hz，同样转速情况下，速度误差为0.06°0.2°。1.4.3数字式旋转变压器/自整角机现代控制系统离不开诸如微处理器、微控制器、计算机等数字控制单元。它们的接口数据都是数字量。而现代控制系统中的一些控制装置，需要用到诸如位置、速度、加速度等模拟量。它们一般包含于轴角量中或由轴角量变换而来。因此需要把计算机输出的数字量变成控制系统所需的含有轴角量的模拟信号，这就是数字式轴角变换。通过一定电子电路进行处理变换，将计算机输出的数字量变换成自整角机旋转变压器输出的模拟信号，即数字式自整角机旋转变压器

53、变换(DSCDRC DSC：Digital to Synchro Converter；DRC：Digital to Resolver Converter)。一 基本原理如图1-38所示。其中象限选择器可以用模拟开关实现，功率放大器、变压器是非常普遍应用的，也是成熟的，最主要的是正余弦函数发生器。正、余弦函数发生器技术很多，如：多抽头变比到变压器函数发生器、变压器电阻网络混合函数发生器、权电阻网络函数发生器、线性可选负载电阻网络函数产生器、查表或DS转换器等。下面以多抽头变比变压器正、余弦函数发生器为例介绍其工作原理。图1-38 数字式自整角机转换器原理框图图1-39为抽头变比变压器函数发生器。

54、图1-39 多抽头变比变压器正、余弦函数发生器把参考信号Vref施加于多段、多抽头变比变压器上，利用电子开关选择这些线性(间)隔离抽头，来对应所要求的输入输出比，也就是对应于正余弦的数字角。该方案稳定，但价格昂贵、体积大，易于产生瞬态和谐波失真引起的二级误差。二 DRC/DSC主要产品DRC/DSC按其发展阶段，主要有3大类产品：塑壳封装分立元件模块、SMT工艺集成模块和混合集成模块。1塑壳封装分立元件模块 是第一代产品，以分立元件、中小规模集成电路为基础，通过PCB插装工艺将自整角机旋转变压器一数字转换功能集成在塑料封装壳体内。2SMT小型化转换模块 是通过SMT芯片及其组装工艺的应用，方便

55、实现DRC/DSC模块的小型化发展。3混合集成模块 是以AD公司DSC1745系列为代表，DDC公司在混合集成转换器件方面，不再兼容AD公司产品，独立研究自己推出的混合集成模块，先后推出DSC/DRC-10/ll5XX系列的混合集成转换器件。4接口板卡 是DRC/DSC器件的衍生产品，实现计算机各类总线与模块的接口功能。各类接口板卡产品，分不同通道、不同总线和不同驱动功率。三 DRC/DSC发展动向DRC/DSC器件经过30年的发展，其技术和工艺水平都得到了高速发展，混合集成模块DRC 占据了较大市场。综合分析看来，国外DRC/DSC发展主要有以下几个方向：1单片DRC的研究 单片DRC的出现，使得DRC/DSC器件研究进入一个全新的时代，低成本、高精度、高可靠、丰富接口功能是单片DRC的发展方向。2高精度角度测量 NAI公司因其在高精度角度模拟和角度测量的优势，逐步将高精度测角仪器独立成为的一个发展方向。3单片DRC的二次开发 由于受到芯片研究的制约，