第5章 控制电机(徐)

1、2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 1第第 五五 章章 控制电机控制电机第二节第二节 步进电动机步进电动机第三节第三节 测速发电机测速发电机第四节第四节 自整角机自整角机第一节第一节 伺服电动机伺服电动机第二节第二节 步进电动机步进电动机第三节第三节 测速发电机测速发电机第四节第四节 自整角机自整角机第一节第一节 伺服电动机伺服电动机2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 2本章基本要求本章基本要求1. 掌握伺服电机的结构特点和工作原理掌握伺服电机的结构特点和工作原理2. 掌握反应式步进电机的结构特点、工作原掌握反应式步进电机的结构特点、

2、工作原理和步进电机的参数理和步进电机的参数3. 掌握测速发电机的工作原理和误差产生的掌握测速发电机的工作原理和误差产生的原因原因4. 掌握自整角机的基本结构和工作原理掌握自整角机的基本结构和工作原理2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 3 根据输入信号来操纵或驱动负载机械的动力元件称根据输入信号来操纵或驱动负载机械的动力元件称为伺服电动机为伺服电动机(文字代号文字代号SM)。 1. 系统对系统对SM的基本要求：的基本要求： (1)调速范围宽；调速范围宽； (2)无无“自转自转”； (3)机械、调节特性线性度好；机械、调节特性线性度好； (4)响应快。响应快。 还要求

3、控制功率小、可靠性高、体积小、重量轻等。还要求控制功率小、可靠性高、体积小、重量轻等。一、概一、概 述述伺服电动机是自动控制系统中具有特殊用途的电动机。伺服电动机是自动控制系统中具有特殊用途的电动机。第一节第一节 伺服电动机伺服电动机2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 42. SM的分类的分类 按电源性质分：按电源性质分：直流直流和和交流交流。 直流输出功率较大，约直流输出功率较大，约1600W(也有数千瓦的也有数千瓦的)； 交流输出功率较小，约交流输出功率较小，约0.1100W(30W以下常用以下常用)。 按结构形式分：按结构形式分：传统结构、无刷结构、低惯量型

4、传统结构、无刷结构、低惯量型。 低惯量型低惯量型SM有：有： 空心杯电枢空心杯电枢、盘形电枢盘形电枢 和和无槽电枢无槽电枢等等。还能继续分，如：盘形电枢有还能继续分，如：盘形电枢有线绕盘式、印刷绕组线绕盘式、印刷绕组等。等。由于直流伺服电动机的工作原理基本结构及其电磁关由于直流伺服电动机的工作原理基本结构及其电磁关系与普通直流电动机相同，所以在此只介绍伺服电动系与普通直流电动机相同，所以在此只介绍伺服电动机的特点和性能。机的特点和性能。2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 5二、直流伺服电动机二、直流伺服电动机 1. 基本结构基本结构 与普通小型直流电动机相同。与普

5、通小型直流电动机相同。 励磁方式励磁方式 电磁式：电磁式： 永磁式：永磁式： SM+Ua IaE电磁式电磁式If+Uf 他励式、并励式、串励式。他励式、并励式、串励式。稀土永磁材料稀土永磁材料 SM+Ua IaE永磁式永磁式（如稀土钴、稀土钕铁硼）。（如稀土钴、稀土钕铁硼）。 2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 62. 工作原理工作原理 施加施加 UaIa主磁通：主磁通： TenEa电磁转矩：电磁转矩： Te = CT Ia 电动势：电动势： Ea= Ce n电枢电路电压方程：电枢电路电压方程： Ua = Ea + Ra Ian =UaCeRaCeCT2Te202

6、2-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 7 (1)直流直流伺服电机的伺服电机的控制控制方式方式 a.电枢控制电枢控制 励磁回路加恒定电压励磁回路加恒定电压Uf ，电电枢回路枢回路加控制电压信号。加控制电压信号。UfUa3. 直流伺服电动机的静态特性直流伺服电动机的静态特性 可贵的优点：可贵的优点：运行特性好。运行特性好。 不足：所需控制功率较大。不足：所需控制功率较大。SM电枢控制方式获得广泛应用，电枢控制方式获得广泛应用，所以所以永磁化永磁化也是小型直流也是小型直流SM的一个发展趋势。的一个发展趋势。2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 8 电

7、枢绕组加恒定电压电枢绕组加恒定电压Ua , 励励磁回路加控制电压信号。磁回路加控制电压信号。b. 磁极控制方式磁极控制方式 优点：所需控制功率较小。优点：所需控制功率较小。 缺点缺点: 控制信号减弱控制信号减弱( 减少减少)时时,使机械特性变软使机械特性变软,且调节特且调节特性为非线性性为非线性,故少用。故少用。UfUaSM 直流直流SM的静态运行特性包括的静态运行特性包括机械特性机械特性和和控制特性控制特性。(2)静态运行特性静态运行特性 a. 机械特性机械特性 在电枢控制方式下在电枢控制方式下2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 9n =UaCe - -Ce C

8、T Ra 2Te或或 n=n0- - kfTeTenTdn0on=n0- - kfTen0 =UaCe 为为理想空载转速。理想空载转速。Td= CT RaUa为为堵转转矩。堵转转矩。 也是也是起动转矩、最大转矩起动转矩、最大转矩。关注关注 n0、Td和和 kfkf =Ce CT 2Ra在自动控制系统中，在自动控制系统中，为提高快速性，总是希望机械为提高快速性，总是希望机械特性特性“硬硬”些。些。斜率斜率kf ，反映了，反映了Te 对对n 的影响程度。的影响程度。2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 10OTn Ua3 Ua2Ua1Ua3Ua2Ua1 机械特性机械特性

9、不同电枢电压下的机械特性不同电枢电压下的机械特性如图所示。如图所示。由于由于kf 与与 Ua无关，所以不同无关，所以不同Ua下的机械特性是一组相互下的机械特性是一组相互平行的直线。平行的直线。但硬度不变，这是电枢控制方式的可贵优点。但硬度不变，这是电枢控制方式的可贵优点。随着随着控制电压控制电压的的减少减少，机械特性机械特性朝朝低转速低转速、小转矩小转矩的方向移动的方向移动。b. 控制特性控制特性轴上总转距轴上总转距TL不变不变时，转速时，转速n随随控制电压控制电压Ua的变化规的变化规律律。2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 11n =- -Ce CT 2TLn

10、=Ce RaUa1Ce Ua- - CT TLRan=kc(Ua- - Ua0)UanoUa0TLn=kc(Ua- -Ua0)kc=1Ce 因为因为kc与负载转距与负载转距TL无无关，所以对应不同的关，所以对应不同的TL，控制特性是一簇平行的控制特性是一簇平行的直线。直线。TL1Ua01Ua02TL2控制特性控制特性kc、Ua0的物理意义的物理意义斜率斜率 kc：表示转子转速：表示转子转速随控制电压的变化程度。随控制电压的变化程度。2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 12Ua0=TcCT Ra显然显然，TL越大，越大，Ua0越大。越大。死死区区UanoUa0TLn

11、=k1(Ua-Ua0)当当TL不变时：不变时：Ua0= Ia RaTL1Ua01Ua02TL2始动电压始动电压Ua0：电动机处于待动而未动电动机处于待动而未动时的临界控制电压。时的临界控制电压。控制电压控制电压Ua Ua0，电动机，电动机虽有电压，但不能转动，虽有电压，但不能转动，此范围称死区；此范围称死区；控制电压控制电压Ua Ua0，电动，电动机开始转动。机开始转动。Ua0是是SM的一个主要参的一个主要参数，反映灵敏度。数，反映灵敏度。2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 131. 基本结构基本结构 定子定子 转子转子三、交流伺服电动机三、交流伺服电动机 空心杯

12、形转子交空心杯形转子交流伺服电动机的流伺服电动机的结构示意图结构示意图转子转子 内定子内定子 外定子外定子 绕组绕组 转轴转轴 2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 14 当两相绕组分别加上相位相差当两相绕组分别加上相位相差 90o 的额定电的额定电 压时。压时。 对称两相运行对称两相运行 ic 和和 if 产生产生 圆形旋转磁场圆形旋转磁场产生产生 Te 转子旋转。转子旋转。 如果如果 uc 反相，即改变反相，即改变 ic 和和 if 的相序的相序旋转磁场改变方向旋转磁场改变方向 n 的方向改变。的方向改变。 同时减小同时减小 uc 和和 uf 而保持其而保持其

13、90o 的相位差的相位差圆形磁通势圆形磁通势 的幅值的幅值 Te n 。2. 工作原理工作原理SM 控制绕组控制绕组 励磁绕组励磁绕组 Uc Uf cfIcIf2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 15 当当 uc = 0 或或 uc 0，但，但 uc 和和 uf 同相位时。同相位时。 电机处在单相状态电机处在单相状态脉振磁通势脉振磁通势 F0 。 静止时：静止时：n = 0， F0FFFRTFTRT = TFTR TF = TR，T = 0，不能起动；，不能起动； 正在运行时：正在运行时： T 0，转子继续旋转，转子继续旋转 单相自转！单相自转！ TOnn= f(

14、TF)n= f(TR)n= f(T)普普通通异异步步电电动动机机nTOR2 n= f(TF)n= f(TR)n= f(T)交交流流伺伺服服电电动动机机2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 16 Uf = UN，UcUN 且保持相位差为且保持相位差为 90o 时，时， 或者或者 Uf = Uc = UN 但两者的相位差小于但两者的相位差小于 90o 时。时。 电机处在不对称运行状态，将产生一个椭圆形电机处在不对称运行状态，将产生一个椭圆形旋转磁通势。旋转磁通势。SMUc Uf cfFcFfIcIf 椭圆形旋转磁椭圆形旋转磁通势的产生通势的产生 椭圆形旋转磁椭圆形旋转磁

15、通势的分解通势的分解 2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 17工作状态越不对称，工作状态越不对称，FF 和和 FR 相差越小，相差越小， 椭圆形越扁长，椭圆形越扁长，Te 越小，越小，n 越低。越低。例如例如保持保持 = 90o 和和 Uf 不变，改变不变，改变 Uc 的大小的大小 Uc 由由 0UfFF 增强增强FR 减弱减弱0nnmax椭圆形旋转磁场椭圆形旋转磁场两个旋转磁场两个旋转磁场（脉振磁场）（脉振磁场）一个旋一个旋转磁场转磁场如果改变如果改变 uc 的相位，则的相位，则 F 的旋转方向改变，的旋转方向改变，使使 Te 反向，从而改变反向，从而改变 n

16、的方向。的方向。2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 18 两相控制两相控制 保持保持 = 90o 和和 Uc = Uf ，同时改变，同时改变Uc 和和 Uf 的大小（始终为对称运行）。的大小（始终为对称运行）。 幅值控制幅值控制 保持保持 = 90o 和和 Uf = UN，改变，改变 Uc 的大小。的大小。 相位控制相位控制 保持保持 Uc = Uf = UN ，改变，改变 的大小。的大小。 幅相控制幅相控制 同时改变同时改变 uc 的大小和相位。的大小和相位。 交流伺服电动机的功率和频率：交流伺服电动机的功率和频率： 0.1 100 W，50Hz 、400Hz

17、等。等。3. 控制方式控制方式2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 19交流伺服电动机交流伺服电动机2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 20交流伺服电动机交流伺服电动机2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 21 步进电动机是一种步进电动机是一种将输入的数字脉冲信号转换成将输入的数字脉冲信号转换成机械角位移或线位移的执行元件机械角位移或线位移的执行元件。 是一种多相同步电动机。是一种多相同步电动机。 由专用的脉冲电源供电，每输入一个脉冲，就转由专用的脉冲电源供电，每输入一个脉冲，就转过一个角度或前进一步，故称步

18、进电动机。过一个角度或前进一步，故称步进电动机。 因输入既不是正因输入既不是正弦交流，也不是弦交流，也不是恒定直流，而是恒定直流，而是脉冲电流，故又脉冲电流，故又称称脉冲电动机脉冲电动机。第二节第二节 步进电动机步进电动机一、概述一、概述2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 22 按工作原理分为：按工作原理分为： 反应式反应式 、 永磁式永磁式 和和永磁感应子式永磁感应子式。 按运动方式有：按运动方式有：旋转运动，直线运动旋转运动，直线运动和和平面运动平面运动。 按结构分：按结构分：单段式单段式和和多段式多段式。 主要特点：主要特点： 位移量正比于输入的脉冲数，步距

19、误差不积累位移量正比于输入的脉冲数，步距误差不积累; 转速或线速度正比于脉冲频率，故改变频率可以方转速或线速度正比于脉冲频率，故改变频率可以方便地调速，且调速范围宽广便地调速，且调速范围宽广; 主要用于：开环系统，也可用于闭环系统：主要用于：开环系统，也可用于闭环系统： 如经济型数控机床，绘图机，自动记录仪，钟表，如经济型数控机床，绘图机，自动记录仪，钟表，打印机走纸机构等恒速装置。打印机走纸机构等恒速装置。2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 23步进电动机的优点步进电动机的优点: 直接实现数字控制直接实现数字控制 控制性能好控制性能好 无接触式无接触式 抗干扰能

20、力强抗干扰能力强 误差不长期积累误差不长期积累 具有自锁能力具有自锁能力(反应式反应式)和保持转矩和保持转矩(永磁式永磁式)2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 24 结构特点结构特点 单段式又称径向分相式，单段式又称径向分相式，是目前使用较多的结构形是目前使用较多的结构形式。式。 定子：定子： 总磁极数等于相总磁极数等于相数的两倍，每个磁极上都数的两倍，每个磁极上都装有控制绕组，并接成装有控制绕组，并接成m相相(36相常用相常用) ，定子磁，定子磁极的极面上有小齿。极的极面上有小齿。 转子：沿圆周均布小转子：沿圆周均布小齿，其齿距和齿形与齿，其齿距和齿形与定子小齿

21、相同。定子小齿相同。 单段式单段式结构的优点：结构的优点： 制造简单，精度容易制造简单，精度容易保证，步距角可以做保证，步距角可以做得较小，易得到较高得较小，易得到较高的起动和运行频率。的起动和运行频率。不足：不足： 断电后无定位转矩断电后无定位转矩， 消耗功率较大，消耗功率较大，直径小相数多，有时分相困难。直径小相数多，有时分相困难。二、反应式步进电动机的结构二、反应式步进电动机的结构2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 2514 23(1) 定子定子 (2) 转子转子基本结构基本结构 AXBYZC三相反应式步进三相反应式步进电动机原理图电动机原理图2022-5-

22、24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 26 步进电动机的典型结构步进电动机的典型结构 XAZCBY2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 27 磁通的一个性质：磁通的一个性质：尽量把自己收缩到尽量把自己收缩到最短，使之所经过最短，使之所经过的路径磁阻最小的路径磁阻最小。 (1)以以3相相6极为例：极为例： m=3(三相三相) p=1(每相一对极每相一对极) ZR=4(转子转子4个齿个齿) 转子在磁拉力作用下顺时针转动。转子在磁拉力作用下顺时针转动。AXBYCZ1234AXBYCZ1234AXBYCZ123430o30oAXBYCZ412330o30o30

23、oAXBYCZ123430oAXBYCZ1234按按ABC的顺序通电，的顺序通电，ABBCAC三、工作原理三、工作原理2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 28AXBYCZ123430o30oAXBYCZ412330o30o30oAXBYCZ123430oAXBYCZ1234AB 一个通电循环转子一个通电循环转子转过一个齿距！转过一个齿距！ 若通电顺序相反，若通电顺序相反，则转向相反则转向相反:按按ACB将逆时针旋转。将逆时针旋转。234130oAXBYCZACCBAXBYCZ234130o30o每一步转过的机械每一步转过的机械角度称为步距角，角度称为步距角，用用

24、b表示表示 。2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 29三相控制绕组三相控制绕组(m=3)每次有一相每次有一相绕组通电绕组通电切换电源为切换电源为“拍拍”。“三三拍拍”指切换三指切换三次电源完成一次电源完成一 个供电循环。个供电循环。AXBYCZ1234AXBYCZ123415oABBCCAAXBYCZ123415o30o一个通电循环转一个通电循环转过一个齿距！过一个齿距！A15o30o30o30oABBC四、运行方式四、运行方式1. 上述运行方式称为上述运行方式称为“三相三相 单单 三拍三拍”2. 若每次有两相绕组通电，若每次有两相绕组通电，则称为则称为“三相三相

25、 双双 三拍三拍”运行方式。运行方式。2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 30 将将“单三拍单三拍”和和 “双三拍双三拍”通电方式组合起来，通电方式组合起来，可使三相绕组有六种不同的通电状态：可使三相绕组有六种不同的通电状态： 一个通电循一个通电循环也转过一环也转过一个齿距！个齿距！AABBBCCCA15o15o15o15o15o15oAXBYCZ1234AXBYCZ123415oAABABBB AXBYCZ123415o15o3. “三相单三相单-双六拍双六拍” 运行方式运行方式2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 31综上所述综上所

26、述 t=360oZR=90o同一台步进电动机可同一台步进电动机可以采用不同的供电方以采用不同的供电方式；式；一个通电循环转过一一个通电循环转过一个齿距角。个齿距角。每个齿距在空间所占每个齿距在空间所占的角度，即的角度，即齿距角齿距角：齿数齿数ZR 越多，齿距角越多，齿距角 t 越越小。小。一个通电循环为三拍时，一个通电循环为三拍时，步距角步距角 b =30o；一个通电一个通电循环为六拍时，步距角循环为六拍时，步距角 b=15o。步距角步距角 b = 齿距角齿距角 t 拍数拍数N齿距角齿距角 t越小、越小、 N 越多越多, 步步距角距角 b越小。越小。2022-5-24山东理工大学电工电子教研室

27、weipeiyu制作 32ABCDA t41 t21 t41 t通常为通常为36相，每相一相，每相一对极对极(p=1) , 大型的每相大型的每相多对极。多对极。定、转子有很多小齿，定、转子有很多小齿，故故 b是很小。是很小。当某相的定、转子齿对齐当某相的定、转子齿对齐时，其时，其相邻两相极下的定、相邻两相极下的定、转子齿应错开转子齿应错开 (1/m) 齿距齿距角角，以便为下一相的齿能，以便为下一相的齿能吸引做准备。吸引做准备。五、五、实用的步进电动机实用的步进电动机2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 33ABCDA t41 t21 t41 tABCDAABCD设通

28、电顺序为设通电顺序为当当A相对齐时，与相对齐时，与A相相相邻的相邻的B相和相和D相各错相各错开开(1/4) t。2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 34UkUaUbUctttt1 2 3 43拍拍所以，控制脉冲频所以，控制脉冲频率率f是每相脉冲频率是每相脉冲频率f 的的N倍：即倍：即 f =N f 1. 每相脉冲频率每相脉冲频率f 步进电动机在工作时，每相步进电动机在工作时，每相绕组要通过绕组要通过“环形分配器环形分配器”按一定的规律轮流通电。按一定的规律轮流通电。分配方式分配方式：轮流通电方式：轮流通电方式状态数状态数：循环一次的拍数：循环一次的拍数N单拍制分配

29、方式单拍制分配方式：N = m单双拍制分配方式单双拍制分配方式：N =2m六、步进电机的几个参数六、步进电机的几个参数不论何种分配方式，每循环不论何种分配方式，每循环一次，加在每相绕组上的脉一次，加在每相绕组上的脉冲个数等于冲个数等于1。2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 35运行拍数运行拍数N=km ; (k=1,2;m为相数为相数) b =360oN ZR(机械角机械角) be =360oN(电角度电角度)用电角度表示的步距用电角度表示的步距角与齿数无关。角与齿数无关。因一个通电循环转过一个齿距角因一个通电循环转过一个齿距角。故当运行拍数为故当运行拍数为时，步

30、距角时，步距角 b = t / N；齿距角齿距角 t= 360o / ZR ；所以步距角：所以步距角：2. 步距角步距角 b若把转子齿数视为转子极对数，若把转子齿数视为转子极对数，则则一个齿距就对应一个齿距就对应360o 电角度电角度。拍一个循环，即走过一个齿距角，所以步距角拍一个循环，即走过一个齿距角，所以步距角2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 36 步距角有步距角有机械角度机械角度和和电角度电角度两种表示方法。两种表示方法。 be=360oNZRZR= b ZR两者的关系为：两者的关系为：n =N ZR60 frpm每输入一个脉冲，每输入一个脉冲， 步进电动

31、机前进一步，步距步进电动机前进一步，步距(机机械械)角角 b=360o / N ZR ；也就是也就是1 / N ZR 转。转。当每分钟送入当每分钟送入60f个脉冲时，其转速为个脉冲时，其转速为3. 转速转速f 为脉冲频率，即每秒输入的脉冲个数；为脉冲频率，即每秒输入的脉冲个数；可见，可见，改变改变 f 能方便地进行无级调速能方便地进行无级调速。2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 37n =N ZR60 frpm360o360o= f6o b其他参数其他参数 最大静转矩、起动频率、运行频率。最大静转矩、起动频率、运行频率。当当 f 一定时，一定时， b小，小，n低，

32、因而输出功率低，因而输出功率P2小。小。从加工精度上看，应选小从加工精度上看，应选小 b ；从提高从提高P2上看，上看， b不能太小。不能太小。4.自锁能力自锁能力停止输入脉冲时，让最后一个脉冲控制的绕组继停止输入脉冲时，让最后一个脉冲控制的绕组继续通入直流电，则步进电动机就能保持在固定的续通入直流电，则步进电动机就能保持在固定的位置上，实现停车时转子定位。位置上，实现停车时转子定位。n 也可以用步距角表示也可以用步距角表示2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 38步进电动机步进电动机2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 39步进电动机步

33、进电动机PK系列：系列：5 相为相为 0.72步距角的大转矩、低振动步进电动机。步距角的大转矩、低振动步进电动机。2 相为相为 0.9 1.8步距角的大转矩、低振动步进电动机。步距角的大转矩、低振动步进电动机。5 相步进电动机相步进电动机2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 40首先介绍直流首先介绍直流TG第三节第三节 测速发电机（测速发电机（TG）测速发电机测速发电机(TG)是一种能把转子转速转换为电压信是一种能把转子转速转换为电压信号的机电式元件。号的机电式元件。输出电压与转速成正比关系：输出电压与转速成正比关系： Ua=Kn 或或 Ua=K =K d /dtT

34、G可以在自动控制系统和解算装置中作为可以在自动控制系统和解算装置中作为测速元件测速元件、校正元件校正元件、解算元件解算元件 等等。TG有直流和交流之分，直流有直流和交流之分，直流TG分为模拟型和数字分为模拟型和数字型两大类，交流型两大类，交流TG分为异步和同步两大类。分为异步和同步两大类。一、概述一、概述2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 41二、直流测速发电机二、直流测速发电机(1) 基本结构基本结构 与普通小型直流发电机相同。与普通小型直流发电机相同。 励磁方式：电磁式（他励）和永磁式。励磁方式：电磁式（他励）和永磁式。EaTGRLUf If电磁式电磁式I U

35、TGRLEaI U 永磁式永磁式(2) 工作原理工作原理 空载时：空载时： U = Ea= Ce n负载时：负载时：U = Ea- Ra I2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 42U = CE nRaURLU = n CE 1 +RaRLU nRL RL2 RL1UnORL2RL1 产生误差的原因产生误差的原因 电枢反应。电枢反应。 环境温度的变化，引起各环境温度的变化，引起各 绕组的电阻值变化。绕组的电阻值变化。 负载变化，引起电刷与换负载变化，引起电刷与换 向器接触电阻的变化。向器接触电阻的变化。2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作

36、 431. 基本结构基本结构 定子：定子： 转子：转子：2. 工作原理工作原理 定子铁心上有两相对称绕组。定子铁心上有两相对称绕组。 笼型、杯型。笼型、杯型。输出绕组输出绕组 励磁绕组励磁绕组 Uf Ifd 正弦交流正弦交流 uf if d d =dm sint 转子静止时转子静止时励磁绕组励磁绕组一次绕组一次绕组转子绕组转子绕组二次绕组二次绕组EfEdEfEd Id 三、交流测速发电机三、交流测速发电机2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 44IfIdFf Fdd Uf IfEfd Ed忽略励磁绕组的漏阻抗，则忽略励磁绕组的漏阻抗，则 Uf =Ef = j 4.4

37、4 f kwf Nfdm 输出绕组：输出绕组： 与与d 无交链，不会产生无交链，不会产生 E0。 即：即：n = 0 时，时，U0 = 0 。 U0 Ed =j 4.44 f kwr Nrdm 2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 45 Uf IfEfd Ed 转子旋转时转子旋转时 d 交变感应交变感应旋转切割旋转切割 Ed Id Eq Iq Eq q q eq = C1d n = C1 n dm sintq = C2 eq = C1 C2 n dm sint = qm sintC1、C2 电机常数。电机常数。qm = C1 C2 n dm U0 2022-5-24

38、山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 46输出绕组：输出绕组： U0 =E0 = j4.44 f kw0N0qm = j4.44 f kw0 N0 C1 C2 n dm = C1 C2 n Uf kw0 N0Kwf Nfq E0 U0 输出空载电压：输出空载电压： Uf IfEfd U0 Eq q E0 结论：结论： U0 n 。 u0 与与 uf 同频率、同相位。同频率、同相位。 Ed2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 47四、测速发电机选择的基本原则四、测速发电机选择的基本原则1. 考虑系统的频率、电压、工作速度范围；考虑系统的频率、电压、工作速度范

39、围；2. 考虑在系统中所起的作用：考虑在系统中所起的作用： 作解算元件、高精度伺服系统中的测量元件时，要作解算元件、高精度伺服系统中的测量元件时，要求线性误差要小、输出电压的稳定性要好；求线性误差要小、输出电压的稳定性要好； 作一般速度检测或阻尼元件时，灵敏度作一般速度检测或阻尼元件时，灵敏度K要高；要高； 对要求快速响应的系统则应选转动惯量小的测速对要求快速响应的系统则应选转动惯量小的测速发电机。发电机。3. 若交、直若交、直TG都能满足要求时，则需考虑它们的优都能满足要求时，则需考虑它们的优缺点：缺点：2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 48 没有电刷换向器，

40、构造简单，没有电刷换向器，构造简单，维护方便，运行可靠；维护方便，运行可靠； 无滑动接触，输出特性稳定，无滑动接触，输出特性稳定，精度高；精度高； 摩擦力矩小，惯量小，无火摩擦力矩小，惯量小，无火花干扰；花干扰； 正反转输出电压对称。正反转输出电压对称。 不足：存在相位误差和剩余不足：存在相位误差和剩余电压；输出斜率小；输出特电压；输出斜率小；输出特性随负载性质的改变而有所性随负载性质的改变而有所不同。不同。输出电压没有相移；输出电压没有相移； 无剩余电压；无剩余电压； 输出功率较大，可带输出功率较大，可带较大负载；较大负载； 温度补偿较容易。温度补偿较容易。 不足：有电刷换向器，不足：有电刷

41、换向器，故结构复杂，维护困故结构复杂，维护困难，且摩擦转矩较大，难，且摩擦转矩较大，对无线电有干扰，存对无线电有干扰，存在不灵敏区。在不灵敏区。交流交流TG的特点的特点直流直流TG的特点的特点2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 49测速发电机测速发电机2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 50 自整角机是一种能把转角变换成电压信号或把电自整角机是一种能把转角变换成电压信号或把电压信号变换成转角的感应式机电元件。压信号变换成转角的感应式机电元件。 在系统中用于角度的在系统中用于角度的传输传输、变换变换和和指示指示。 通常是两台或多台组合使

42、用。例如，在随动系统通常是两台或多台组合使用。例如，在随动系统中，通过两台自整角机在电路上的联系，使机械中，通过两台自整角机在电路上的联系，使机械上互不相联的两根转轴同时偏转或同步旋转。上互不相联的两根转轴同时偏转或同步旋转。第四节第四节 自整角机自整角机控制式主要用于控制式主要用于随动系统随动系统，力矩式主要用于力矩式主要用于指示指示系统系统。一、分类一、分类按照在系统中的作用不同，分为按照在系统中的作用不同，分为控制式控制式和和力矩式力矩式两大类；两大类；2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 51 控制式自整角机按功能不同分为控制式自整角机按功能不同分为发送机发

43、送机、差动发送差动发送机机和和自整角变压器自整角变压器三种。三种。 力矩式自整角机按功能不同分为力矩式自整角机按功能不同分为发送机发送机、接收机接收机、差动发送机差动发送机和和差动接收机差动接收机四种。四种。 按极数多少分按极数多少分单对极单对极和和多对极多对极； 按供电电源相数分按供电电源相数分单相单相和和三相三相； 按结构形式分按结构形式分接触式接触式和和非接触式非接触式； 按工作原理分按工作原理分旋转式旋转式和和固态式固态式。利用电力电子器件和微电子器件组成的非旋转式的利用电力电子器件和微电子器件组成的非旋转式的数字型自整角机，适用于伺服系统的数字量控制。数字型自整角机，适用于伺服系统的

44、数字量控制。2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 521. 定子定子各种自整角机的各种自整角机的定子结构基本相定子结构基本相同，皆为隐极结同，皆为隐极结构，构，定子隐极定子隐极2. 转子转子(1) ZLF、ZLJ、ZKF 皆皆为凸极结构，为凸极结构，转子凸极转子凸极嵌有星形联嵌有星形联接的三相绕组接的三相绕组，称称整步绕组整步绕组。嵌有集中绕组嵌有集中绕组作为励磁绕组作为励磁绕组；二、结构二、结构特征特征定、转子铁心均由定、转子铁心均由高导磁率、低损耗高导磁率、低损耗的薄片叠成。的薄片叠成。2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 53差动式

45、自整角机的转子差动式自整角机的转子自整角变压器的转子自整角变压器的转子单相正单相正弦绕组弦绕组三相星三相星接绕组接绕组嵌有单相高精度嵌有单相高精度正弦绕组作为正弦绕组作为输出绕输出绕组组；ZKB和差动式不能和差动式不能采用凸极转子结构采用凸极转子结构(3)ZCF、ZCJ、ZKC 的转子也都的转子也都采用隐极式采用隐极式结构，便于按放对称三结构，便于按放对称三相星接的绕组。相星接的绕组。(2)为提高电气精度并为提高电气精度并降低零位电压，降低零位电压，ZKB的转子均采用隐极式的转子均采用隐极式结构结构，2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 54阻尼条阻尼条 用于消除用

46、于消除指示状态工作指示状态工作时转子所产生的时转子所产生的振荡振荡，以以减少阻尼时间减少阻尼时间，故该，故该绕组又称绕组又称阻尼绕组阻尼绕组。 当阻尼绕组不能满足当阻尼绕组不能满足阻尼时间要求时，还要阻尼时间要求时，还要装机械阻尼器。装机械阻尼器。机械阻尼器机械阻尼器 但但力矩式发送机没有力矩式发送机没有阻尼。可见阻尼。可见力矩式接受力矩式接受机与发送机的结构有差别，不可对调使用机与发送机的结构有差别，不可对调使用。(4)在在力矩式接收机力矩式接收机中，中，与励磁绕组正交处有一与励磁绕组正交处有一短路绕组短路绕组(称称阻尼条阻尼条)。2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu

47、制作 55自整角机的结构示意图自整角机的结构示意图转子铁心转子铁心 单相绕组单相绕组 定子铁心定子铁心 三相绕组三相绕组 电刷电刷 单相：单相：定子为三相绕组、转子为单相绕组。定子为三相绕组、转子为单相绕组。 三相：三相：定子、转子均为三相绕组。定子、转子均为三相绕组。2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 56在随动系统中的基本接法示意图在随动系统中的基本接法示意图放大与放大与控制控制机械机械负载负载 U2=Umsin( - - )UfUjUkZKFZKBSM2C三、控制式自整角机的工作原理三、控制式自整角机的工作原理2022-5-24山东理工大学电工电子教研室we

48、ipeiyu制作 57转子绕组轴线与基准相重转子绕组轴线与基准相重合的位置为基准零位。合的位置为基准零位。D1 (D1) 轴线与轴线与 Z1Z2 (Z1Z2 ) 轴线之夹角轴线之夹角为转子位置角。为转子位置角。顺时针偏转取正；顺时针偏转取正；两转子转角之差为两转子转角之差为( 1- 2 )。D1D2D3D3D2D1ZKFZKBUjZ1Z2 1U2Z1Z2 2ZKF的转子绕组接单相电源励磁；的转子绕组接单相电源励磁；ZKF与与 ZKB的三相整步的三相整步绕组对应联接；绕组对应联接；ZKB的转子绕组向外输的转子绕组向外输出电压，称输出绕组。出电压，称输出绕组。D1相是相是ZKF的基准相，的基准相，

49、D1相是相是ZKB的基准相。的基准相。2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 58 .Bj当转子位置角为当转子位置角为 1时，时，各绕组中的变压器电势各绕组中的变压器电势的有效值分别为：的有效值分别为：E1=Ecos 1E2=Ecos( 1+120o)E3=Ecos( 1-120o)当磁通全部与某相绕组匝链时当磁通全部与某相绕组匝链时, 该相感应电动势达到最大，其该相感应电动势达到最大，其有效值为：有效值为： E = 4.44fWD mD1D2D3D3D2D1ZKFZKBUjZ1Z2 1U2Z1Z2 2 .E1 .E2 .E31. ZKF的定子电势的定子电势当励磁绕组

50、通入正弦交流当励磁绕组通入正弦交流电时，便在自己的轴线上电时，便在自己的轴线上产生脉振磁场产生脉振磁场Bj。Bj在各相绕组中感应变压在各相绕组中感应变压器电势，器电势，其大小与转子位其大小与转子位置角有关。置角有关。2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 59把把ZKF的整步绕组视为的整步绕组视为 三相对称电源，把三相对称电源，把ZKB的整步绕组视为三相对的整步绕组视为三相对称负载。称负载。则各相电流的则各相电流的有效值分别为：有效值分别为：I1=E1Z=Ecos 1Z=Icos 1I2= Icos( 1+120o) I3= Icos( 1-120o) I =E/Z

51、为最大相电流为最大相电流有效值，有效值，Z为回路总阻为回路总阻抗。抗。 .I1 .I2 .I3D1D2D3D3D2D1ZKFZKBUjZ1Z2 1U2Z1Z2 2 .E1 .E2 .E3 .Bj2. 定子电流定子电流ZKF与与ZKB对应联接，对应联接，定子绕组中必产生电流。定子绕组中必产生电流。2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 60 三相电流各自在自己的三相电流各自在自己的相轴上产生脉振磁场，相轴上产生脉振磁场，三个脉振磁场可写成三个脉振磁场可写成B1B3B2D1D3D2ZKF .I1 .I2 .I3三个脉振磁场的相位相三个脉振磁场的相位相同，幅值正比于各自的同

52、，幅值正比于各自的相电流：相电流：Bm=K2IB1=Bmcos 1sin tB2=Bmcos( 1+120o) sin tB3=Bmcos( 1-120o) sin t3. 定子磁场及其分解与合成定子磁场及其分解与合成2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 61B1x= -B1cos 1B1y=B1sin 1B2x= -B2cos( 1+120o)B2y=B2sin( 1+120o)B3x= -B3cos( 1-120o)B3y=B3sin( 1 -120o)yD1D3D2B1B3B2 1120o- 1180o-(120o + 1)y 轴与轴与x 轴正交。轴正交。则则

53、 B1、B2、B3分解分解到到x 和和 y 方向上的磁方向上的磁密向量长度分别为：密向量长度分别为：xZ1Z2Bjx方向的合成磁密向量长度为方向的合成磁密向量长度为Bx=B1x+B2x+B3xBx = - B1cos 1+B2cos( 1+120o)+B3cos( 1-120o)以励磁绕组轴线为以励磁绕组轴线为x 轴轴2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 62代入代入B1= Bmcos 1sin t B2= Bmcos( 1+120o) sin t B3= Bmcos( 1-120o) sin tBx=-Bmcos2 1+cos2( 1+120o) +cos2( 1

54、-120o)sin t(1)利用倍角公式化简利用倍角公式化简Bx=-32Bmsin t Bx = - B1cos 1+B2cos( 1+120o)+B3cos( 1-120o)y方向的合成磁密向量长度为：方向的合成磁密向量长度为：By=B1y+B2y+B3y =B1sin 1+B2sin( 1+120o)+B3sin( 1-120o)代入式代入式(1)并并利用倍角公式化简利用倍角公式化简得得 By=02022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 63因因ZKF与与ZKB的三的三相绕组相绕组对应联接对应联接，所以所以B必与必与D1相轴相轴线相夹线相夹 1角度。角度。 .B 1

55、电流电流 I1、I2、I3 流过流过ZKB的三相绕组时的三相绕组时也产生合成磁场也产生合成磁场B。 .BjD3D1D2D3D2D1ZKFZKBUjZ1Z2U2Z1Z2 1 2 1 .B .I1 .I2 .I3若电流在若电流在ZKF是是流出，则在流出，则在ZKB就是流入，故就是流入，故B的方向与的方向与B相反。相反。B与与D1的夹角的夹角 = B与与D1的夹角的夹角4. ZKB的定子磁场的定子磁场2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 64d d 1 .BE2max是是B与输出绕与输出绕组轴线重合组轴线重合(B全全部与输出绕组部与输出绕组匝链匝链)时的输出电势，也是最大

56、电势。时的输出电势，也是最大电势。 .B 1 .BjD3D1D2D3D2D1ZKFZKBUjZ1Z2U2Z1Z2 1 2 1 .B .I1 .I2 .I35. ZKB的输出电势的输出电势如果如果ZKB的转子的转子位置角是位置角是 2 ，则，则B 与输出绕组轴与输出绕组轴线之夹角就是线之夹角就是( 2- 1)=d d所以输出电势所以输出电势E2= E2maxcosd d2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 65新协调新协调位置位置Z1Z2 2D1相轴线相轴线 1Bd d E2=E2maxcos(90o- ) 显然显然 + d d = 90oE2= E2maxcos d

57、 d处于协调位置时处于协调位置时d d= 0， E2 = E2max最大，使用最大，使用不方便。不方便。在随动系统中希望位在随动系统中希望位置协调时，置协调时，E20。实用中取实用中取 d d= 90o 的位的位置作为协调位置置作为协调位置，把，把偏离偏离d d=90o这一位置的这一位置的角度角度 称为失调角。称为失调角。E2=E2maxsin 当当 很小时，可认为很小时，可认为E2E2max 。 ZKB的输出电压：的输出电压：U2=U2maxsin U2max 2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 66对控制式自整角机的工作原理归纳如下对控制式自整角机的工作原理归

58、纳如下ZKF的励磁绕组的励磁绕组通入交流电建立脉通入交流电建立脉振磁场振磁场Bj ； .BjD3D1D2D3D2D1ZKFZKBUjZ1Z2U2Z1Z2 1 2Bj在在ZKF整步绕整步绕组中感应电势。组中感应电势。 .E3 .E1 .E2电势有效值与定、电势有效值与定、转子的相对位置转子的相对位置有关，但在时间有关，但在时间上同相位；上同相位；感应电势在对应联接的整步绕组中产生电流；感应电势在对应联接的整步绕组中产生电流； .I1 .I2 .I32022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 67 1 .B .BjD3D1D2D3D2D1ZKFZKBUjZ1Z2U2Z1Z2

59、1 2 .E3 .E1 .E2 .I1 .I2 .I3在在ZKB中，因中，因D1相相与与D1相对接，故合相对接，故合成磁场成磁场B与与 D1相轴相轴线的夹角等于线的夹角等于B与与 D1相轴线的夹角！相轴线的夹角！ .B 1因因ZKB的转子的转子位置角为位置角为 2，故，故合成磁场与输出合成磁场与输出绕组轴线的夹角绕组轴线的夹角 d d = 2- 1； 1 .Bd d实用中，把实用中，把 d d =90o 的位置作的位置作为协调位置，偏离此位置的转为协调位置，偏离此位置的转角称失调角，用角称失调角，用 表示；表示； 电流经过整步绕组时也产生脉振磁场。电流经过整步绕组时也产生脉振磁场。在在ZKF中，中，合成磁场合成磁场 B与励磁磁与励磁磁场场Bj在同一轴线上！在同一轴线上！2022-5-24山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 680oE2 180o-