伺服电机的工作原理

伺服电机的工作原理2008-04-10

10:42伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目的值进行比较，调节转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。什么是伺服电机？有几个类型？工作特点是什么？答：伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其重要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降.。请问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功效上有什么区别？答：交流伺服要好某些，由于是正弦波控制滚珠丝杆，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简朴，便宜。永磁交流伺服电动机20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国知名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不停完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的重要发展方向，使原来的直流伺服面临被裁减的危机。90年代后来，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，重要优点有：⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养规定低。⑵定子绕组散热比较方便。⑶惯量小，易于提高系统的快速性波纹管联轴器。⑷适应于高速大力矩工作状态。⑸同功率下有较小的体积和重量。伺服和步进电机伺服重要靠脉冲来定位，基本上能够这样理解，伺服电机接受到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，由于，伺服电机本身含有发出脉冲的功效，因此伺服电机每旋转一种角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会懂得发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，能够达成0.001mm。步进电机是一种离散运动的装置，它和当代数字控制技术有着本质的联系。在现在国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。即使两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号）弹性联轴器，但在使用性能和应用场合上存在着较大的差别。现就两者的使用性能作一比较。一、控制精度不同两相混合式步进电机步距角普通为3.6°、1.8°，五相混合式步进电机步距角普通为0.72°、0.36°。也有某些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°；德国百格拉公司（BERGERLAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设立为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器确保。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带原则2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接受217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。二、低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载状况和驱动器性能有关，普通认为振动频率为电机空载起跳频率的二分之一。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，普通应采用阻尼技术来克服低频振动现象，例如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳膜片联轴器，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统含有共振克制功效，可涵盖机械的刚性局限性，并且系统内部含有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调节。三、矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，因此其最高工作转速普通在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（普通为RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。四、过载能力不同步进电机普通不含有过载能力。交流伺服电机含有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它含有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机由于没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选用较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。五、运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所觉得确保其控制精度，应解决好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，普通不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。六、速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（普通为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于规定快速启停的控制场合。总而言之，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在某些规定不高的场合也经惯用步进电机来做执行电动机。因此，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制规定、成本等多方面的因素，选用合适的控制电机。交流伺服电机的构造及控制原理[2009-3-53:19:00|By:Dony]与普通电机同样，交流伺服电机也由定子和转子构成。定子上有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间相差90°电角度。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动gS控制的u／V／W三相电形成电磁场转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目的值进行比较调节转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度{线数)。交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差别。但是，交流伺服电机必须含有一种性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立刻停止转动。而普通的感应电动机转动起来后来，如控制信号消失，往往仍在继续转动。当电机原来处在静止状态时，如控制绕组不加控制电压，此时只有励磁绕组通电产生脉动磁场。能够把脉动磁场当作两个圆形旋转磁场。这两个圆形旋转磁场以同样的大小和转速，向相反方向旋转，所建立的正、反转旋转磁场分别切割笼型绕组（或杯形壁）并感应出大小相似，相位相反的电动势和电流（或涡流），这些电流分别与各自的磁场作用产生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩为零，伺服电机转子转不起来。一旦控制系统有偏差信号，控制绕组就要接受与之相对应的控制电压。在普通状况下，电机内部产生的磁场是椭圆形旋转磁场。一种椭圆形旋转磁场能够当作是由两个圆形旋转磁场合成起来的。这两个圆形旋转磁场幅值不等（与原椭圆旋转磁场转向相似的正转磁场大，与原转向相反的反转磁场小），但以相似的速度，向相反的方向旋转。它们切割转子绕组感应的电势和电流以及产生的电磁力矩也方向相反、大小不等（正转者大，反转者小）合成力矩不为零，因此伺服电机就朝着正转磁场的方向转动起来，随着信号的增强，磁场靠近圆形，此时正转磁场及其力矩增大，反转磁场及其力矩减小，合成力矩变大，如负载力矩不变，转子的速度就增加。如果变化控制电压的相位，即移相180o，旋转磁场的转向相反，因而产生的合成力矩方向也相反，伺服电机将反转。若控制信号消失，只有励磁绕组通入电流，伺服电机产生的磁场将是脉动磁场，转子很快地停下来。为使交流伺服电机含有控制信号消失，立刻停止转动的功效，把它的转子电阻做得特别大，使它的临界转差率Sk不小于1。在电机运行过程中，如果控制信号降为“零”，励磁电流仍然存在，气隙中产生一种脉动磁场，此脉动磁场可视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成。一旦控制信号消失，气隙磁场转化为脉动磁场，它可视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成，电机即按合成特性曲线运行。由于转子的惯性，运行点由A点移到B点，此时电动机产生了一种与转子原来转动方向相反的制动力矩。在负载力矩和制动力矩的作用下使转子快速停止。必须指出，普通的两相和三相异步电动机正常状况下都是在对称状态下工作，不对称运行属于故障状态。而交流伺服电机则能够靠不同程度的不对称运行来达成控制目的。这是交流伺服电机在运行上与普通异步电动机的根本区别。就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快;位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。对运动中的动态性能有比较高的规定时，需要实时对电机进行调节。那么如果控制器本身的运算速度很慢(例如PLC，或低端运动控制器)，就用位置方式控制。如果控制器运算速度比较快，能够用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率(例如大部分中高端运动控制器);如果有更加好的上位控制器，还能够用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这普通只是高端专用控制器才干这样干，并且，这时完全不需要使用伺服电机。换一种说法是：1、转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体体现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm:如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，不小于2.5Nm时电机反转(普通在有重力负载状况下产生)。能够通过即时的变化模拟量的设定来变化设定的力矩大小，也可通过通讯方式变化对应的地址的数值来实现。应用重要在对材质的受力有严格规定的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而变化。2、位置控制：位置控制模式普通是通过外部输入的脉冲的频率来拟定转动速度的大小，通过脉冲的个数来拟定转动的角度，也有些伺服能够通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式能够对速度和位置都有很严格的控制，因此普通应用于定位装置。应用领域如数控机床、印刷机械等等。3、速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都能够进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也能够进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最后负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于能够减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。第一章直流测速发电机直流测速发电机是一种微型直流发电机，其电磁原理与直流发电机相似。本章首先介绍直流发电机的工作原理、构造及特性，然后分析直流测速发电机的特性及应用。第一节直流发电机一、直流发电机的工作原理直流发电机的工作基于电磁感应定律，如图1—1所示为其原理示意图。直流发电机采用固定的磁极和旋转的电枢，有与电枢同时旋转的换向片(换向器)和与换向片相接触的空间位置固定的电刷A和B，换向器与电刷构成机械整流子，转子绕组任一线圈的两边分别接到互相绝缘的两片换向片上。由图中可见，线圈abcd通过换向片和电刷与外电路接通，从而形成一种闭合回路。根据电磁感应定律，当电机转子(又称电枢)在原动机驱动下匀速旋转时，导体内将感应交流电动势为：由于气隙磁通密度沿圆周近似按梯形波分布，如图l—2(a)所示，因此当线圈随电枢同时旋转时，电刷A、B两端将输出通过机械整流的脉动直流电动图1—1直流发电机原理示意图势，其电动势波形如图l—2(b)所示，如果在两电刷间接一负载，则负载上的电流是脉动直流。为了减小电动势的脉动程度，实际电机中不只有一种线圈(元件)，而是山许多元件构成电枢绕组。这些元件均匀分布在电枢表面，按一定规律连接起来。图l—3所示是一种实际电机的模型，电枢铁芯表面有齿有槽，槽内安放多匝元件。放在槽巾的元件边称为有效边(见图1—4)，连接有效边的导线称为端部接线(端接)。元件的两个有效边分别安放在电枢圆周两个相对的槽内，一种有效边放在槽钢的上层(槽口)，另一种有效边放在槽钢的下层(槽底)。元件的头、尾分别与相邻的两个换向片相连。电枢绕组白成闭合回路。为简化分析，模型表面均匀开出4个槽，换向器有4个换向片，1号元件的一种有效边放在1号槽的上层，另一种有效边放在3号槽的下层，其头、尾分别与1、2换向片相连，1号元件尾与2号元件头在换向片2上相连……，4个元件形成闭合回路。电刷的放置应当使电刷间获得最大电动势。对于端部刘·称的元件，电刷应放置在主磁极轴线上。随着电机的旋转，电刷经换向片轮流与元件l、2、3、4连接。电刷间所连接的元件总是位于一定的磁极下，由图l—3可见，从电刷B到电刷A，由元件1和元件3并联构成两条支路，如图l—5所示。能够证明，在电枢旋转时，A、B之间仍然含有2条并联支路，这样，电刷间的电动势为一条支路的电动势。若电枢表面槽数越多，元件数越多，则电刷问串联的元件数越多，输出的电动势平均值将更大，脉动更小。二、直流电机的基本构造多种型号的直流电机的基本构造都是同样的，这里简述小型直流电机的基本构造。直流电机由定子和转子两大重要部分构成，定子、转子之间是空气隙。定子作为电机的机械支撑并用来产生聿磁场，山机座、定子铁芯、励磁绕组、端盖和连接外部电路的电刷装置构成。定子铁芯往往将主磁极和磁轭加上成一体，由o．35～o．5mm厚的电工钢板冲片叠压而成，川铆钉把冲片铆紧，固定在机座上，如图1—6所示。主磁极铁芯分成极靴和极身，极靴的作用是使气隙磁通密度的空间分布均匀并减小气隙磁阻，使励磁绕组牢固地套在主第二章直流伺服电动机直流伺服电动机是自动控制系统中含有特殊用途的直流电动机，又称执行电机，它能够把输入的电压信号变换成轴上的角位移和角速度等机械信号。直流伺服电动机的工作原理、基本构造及内部电磁关系与普通用途的直流电动机相似，考虑到直流伺服电动机广泛应用于工业自动化，因此本章先分析普通自流电动机的工作原理和使用办法，然后分析直流伺服电动机的特点和性能。第一节直流电动机一、直流电动机的基本工作原理直流电动机的基本构造与直流发电机相似。电动机输入电压信号，输出转速信号。图2—l所示是直流电动机模型示意图，在两电刷A和B间加上直流电源，则在电源电压的作用下电流从电源经电刷A、换向器流向电枢绕组abcd，经换向器、电刷B回到电源。电枢绕组作为载流体在磁场作用下受到电磁力f的作用，电磁力的大小为：f=Bial(2—1)式中l——导体在磁场中的长度；ia——流过的电枢电流；B——导体所在处的磁感应强度。电磁力f对转轴形成转矩，驱动转子旋转。由于每一种主磁极下电枢电流方向不变，因此电磁转矩方向恒定；用同一种模型，既分析了直流发电机，又分析了直流电动机，阐明直流电机是可逆的，根据不同的外界条件电机处在不同的运行状态。当外力作用使其旋转，输入机械能，电机处在发电机状态，输出电能；当通过电刷施加电压，输入电能，电机处在电动机状态，驱动负载旋转，输出机械能。在直流电动机铭牌上标明电动机的额定值，有额定功率户N(w)、额定电压UN(V)、额定电流IN(A)和额定转速nN(r／min)等。电动机的额定值表明了电动机的重要性能和使用条件，是选用和使用电动机的根据。二、电磁转矩和转矩平衡方程1．电磁转矩当电枢绕组中流过电流时，电枢电流将与气隙磁场互相作用而产生电磁转矩。假设电电磁力f对转轴形成转矩，驱动转子旋转。由于每一种主磁极下电枢电流方向不变，因此电磁转矩方向恒定；用同一种模型，既分析了直流发电机，又分析了直流电动机，阐明直流电机是可逆的，根据不同的外界条件电机处在不同的运行状态。当外力作用使其旋转，输入机械能，电机处在发电机状态，输出电能；当通过电刷施加电压，输入电能，电机处在电动机状态，驱动负载旋转，输出机械能。在直流电动机铭牌上标明电动机的额定值，有额定功率户N(w)、额定电压UN(V)、额定电流IN(A)和额定转速nN(r／min)等。电动机的额定值表明了电动机的重要性能和使用条件，是选用和使用电动机的根据。二、电磁转矩和转矩平衡方程1．电磁转矩当电枢绕组中流过电流时，电枢电流将与气隙磁场互相作用而产生电磁转矩。假设电枢是光滑的，导体均匀分布在电枢表面，电刷放在几何中心线上。载流导体在磁场中将受到电磁力的作用。根据这一规律，不管是直流电动机还是直流发电机，当电枢绕组中流过电流时，都要产生对应的电磁力和电磁转矩。由于B、l与i．三者的方向互相垂直，根据电磁力定律，可直接运用f＝Bial这个公式来计算。由式(2—5)可看出，对于一种已经制造好的电机，它的电磁转矩Tem。正比于每极磁通中和电枢电流Is。2．稳态转矩平衡方程在直流电动机的稳态运行中，多种转矩之间存在一定的平衡关系，它们町表述为对应的平衡方程。当电动机带着负载匀速旋转时，转轴上除了有驱动性质的电磁转矩丁。和制动性质的负载转矩丁2外，尚有由于电机本身机械摩擦、电枢铁芯中的铁损耗而引发的阻转矩To——空载转矩，电机要运用电磁转矩克服负载转矩和空载转矩，保持电机稳定运行，此时满足：Tem=T2+T0=TL(2—6)式中TL——电动机轴上的阻转矩，涉及负载转矩丁2和空载转矩T0。忽视空载转矩T0时，TL＝T2。第三章脉冲变压器变压器是一种静止的电机，它运用电磁感应原理，把一种形式的电信号转换成另一种形式的电信号。在自动控制系统中，惯用的变压器有小功率电源变压器和作为信号传递的脉冲变压器、输入变压器等。本章仅分析自动控制系统中的脉冲变压器。第一节变压器的工作原理一、变压器的基本工作原理变压器工作原理的基础是电磁感应定律。两个互相绝缘的绕组套在同一种铁芯上，绕组之间只有磁的耦合而没有电的联系，如图3—1所示。其中接到交流电源的绕组称为一次侧(或原边)绕组，如图3—l绕组1所示；接到负载或输出电信号的绕组称为二次侧(或副边)绕组，如图3—1绕组2所示。当一次绕组接交流电源时，绕组中有交流电流流过，在铁芯中产生与外加电压频率相似的交变磁通φ。交变磁通φ同时交链一、二次绕组，根据电磁感应定律，交变磁通φ在一、二次绕组中感应出相似频率的电动势e1、e2：式(3—1)阐明变化一、二次绕组的匝数比即可变化变压器的输出电压。若在二次侧接上负载，二次侧就有电流输出，实现了变化电压大小或把电信号传递给负载的目的，这就是变压器的基本原理。二、变压器的构造和分类在自动控制系统中的变压器，其构造重要由铁芯和绕在铁芯上的绕组构成。绕组和铁芯是变压器的最基本部件，称为电磁部分。铁芯是变压器中耦合磁通的主磁路，为了提高磁路的导磁性能，减少铁芯中的磁滞、涡流损耗，铁芯普通用o．35～o．5mm厚、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。铁芯型式有心式和壳式。铁芯由铁芯柱和铁轭两部分构成，铁轭将铁芯柱连接起来形成闭合磁路。图3—2所示为环型变压器构造，图3—3所示为Ⅲ型铁芯变压器构造。绕组是变压器的电路部分，惯用包有绝缘材料的铜线绕制而成。为了使绕组含有良好的机械性能，其外形普通为圆筒形状。一次绕组只有一种，二次绕组有一种或多个。三、变压器的空载运行1．空载时电磁关系图3—4所示是变压器空载运行时的物理模型图，当一次绕组接上电源后．绕组中右电流i。流过，称为空载电流。i0流过一次绕组，建立交变磁动势f0＝i0Nl，在fo作用下产生交变磁通。根据所通过的途径不同，可把磁通分为主磁通φ和漏磁通φ10。主磁通沿铁芯闭合，同时交链一、二次绕组；漏磁通以非铁磁材料为磁路，只交链一次绕组。磁通中的绝大部分是主磁通，而漏磁通只占总磁通的一小部分(约o．1％一o．2％)。交变的主磁通分别在一、二次绕组中感应电动势e1、e2，若主磁通按正弦规律变化，即：第四章旋转变压器旋转变压器是自动装置中的一类精密控制电机。从工作原理．卜看，旋转变压器又是一种能旋转的变压器，其…、二次侧绕组分别装在定、转子上。一、二次绕组的电磁感应耦合程度由转子的转角决定。当旋转变压器的一次侧外施单相交流电压励磁时，二次侧的输出电压将与转子转角严格保持某种函数关系。在控制系统中，旋转变压器可作为解算元件，重要用于坐标变换、三角函数运算等；在随动系统中，可用于传输与转角对应的电信号；另外，还可用作移相器和角度一数字转换装置。第一节旋转变压器的构造特点和分类旋转变压器的典型构造与普通绕线式异步电动机相似，由定子和转子两部分构成。定子，转子铁芯采用高磁导率的铁镍软磁合金片或硅钢片经冲制、绝缘、叠装而成。定子、转子之间的气隙是均匀的，定子铁芯内圆和转子铁芯外圆都有齿槽，在槽内分别嵌入两个轴线在空间互相垂直的分布绕组。定子绕组用D1D2和D3D4表达，两个绕组完全相似；转子绕组用Z1Z2和Z3Z4表达，两个绕组也完全相似。定子、转子绕组如图4—l所示。转子绕组和滑环相接并经电刷引出。线性旋转变压器因其转子转角较小，因此转子绕组引出线普通做成弹性卷带状引到固定的接线板上。旋转变压器的构造和外形即使与普通变压器不同，但其基本工作原理完全同样，定子绕组相称于普通变压器的原边线圈，转子绕组相称于副边线圈，转子相对于定子能够旋转。随着转子的旋转，原边、副边绕组之间的磁耦合程度(互感)要发生变化，副边输出电压与转子的转角e成一定的函数关系。转子转轴两端的轴承档和端盖的轴承室之间装有轴承，以达成转子能自由旋转的目的。转子绕组引出线和滑环相接，滑环应有4个，都固定在转轴的一端。电刷固定在后端盖上与滑环摩擦接触，转子绕组引出线通过滑环和电刷接在固定的接线柱上。对于线性旋转变压器，由于转子并非持续旋转，而是仅转过一定角度，因此普通是用软导线直接将转子绕组接到固定的接线柱上，省去滑环和电刷装置，简化了构造。为了提高旋转变压器的精度，整个电机通过了精密的加工，电机绕组也进行了特殊设计，各部分材料通过严格选择和解决。旋转变压器的绕组普通采用正弦绕组，以提高精度；电刷和滑环采用金属合金，以提高接触可靠性及寿命；转轴采用不锈钢材料，机壳采用经阳极氧化解决的铝合金；电机各零部件之间的连接采用波纹垫圈及档圈；整个电机采用了全封闭构造，以适应冲击、振动、潮湿、污染等恶劣环境。按照输出电压和转子转角的函数关系来分，旋转变压器有四种基本形式：(1)正余弦旋转变压器(代号XZ)。旋转变压器的原边加单相交流电源励磁时，副边的两个输出电压分别与转角呈正弦或余弦函数关系。(2)线性旋转变压器(代号XX)。旋转变压器在一定的工作转角范畴内，输出电压与转子转角(弧度)呈线性函数关系。(3)比例式旋转变压器(代号XL)。旋转变压器在构造上增加一种带有调节和固定转子位置的装置，其输出电压也与转子转角成正余弦关系，在自动控制系统中常作为调节电压的比例元件。(4)特殊函数旋转变压器。旋转变压器在一定工作转角范畴内，输出电压与转子转角呈一定的函数关系(正切函数、倒数函数、圆函数、对数函数等)，工作原理和构造与正余弦旋转变压器基本相似。按照电机极对数多少来分，旋转变压器可分为单极对和多极对两类，多极对数能够提高系统的精度。按照有无电刷与滑环间的滑动接触来分，旋转变压器可分为接触式和无接触式两类。本章以单极对、接触式旋转变压器为研究对象分析旋转变压器的工作原理及误差赔偿等。第二节正余弦旋转变压器的工作原理正余弦旋转变压器的二次侧输出电压与转子的转角。成正弦或余弦函数关系。一、正弦绕组在旋转变压器中惯用的绕组有两种形式：即双层短距分布绕组和同心式正弦绕组。双层短距分布绕组能够达成较高的绕组精度并有良好的工艺性，但在绕组中存在一定量的谐波磁动势分量，其所引发的正余弦函数的误差达o．01％～o．07％，再加上工艺因素引发的误差，使旋转变压器的精度受到一定的限制，故双层短距分布绕组只适合对精度规定不很高的旋转变压器。同心式正弦绕组为高精度绕组，它使各次谐波削弱到相称小，正余弦函数的误差在o．03％下列。缺点为工艺性差，绕组系数低。正弦绕组是指绕组各元件的导体数沿定子内圆或转子外圆按正弦规律分布的同心式绕组。普通有两种分布形式：第一类是绕组的轴线对准槽的中心线；第二类是绕组的轴线对准齿的中心线。旋转变压器大都采用这两类正弦绕组。如图4—2所示，表达了正弦绕组中各元件在空间沿转子圆周外圆分布的状况及空间磁动势的分布情第五章交流伺服电动机本章重要介绍两相交流伺服电动机的基本构造、工作原理和工作特性，着重分析脉动磁场和旋转磁场的基本概念及产生原理，具体分析交流伺服电动机的运行原理，叙述转差与电磁转矩的关系及产生自转的因素和消除自转的办法，叙述交流伺服电动机的调速原理。本章规定掌握单相交流绕组产生的脉动磁场的性质和两相交流绕组产生的旋转磁场的性质；交流伺服电动机在圆形和椭圆形旋转磁场下运行的机械特性和控制特性，理解电容移相及电容值的计算办法，熟悉交流伺服电动机的选择及使用办法和重要技术性能。第一节概述交流伺服电动机在小功率随动系统中应用非常广泛，输出功率普通为0．1～l00W。交流伺服电动机在控制系统中重要作为执行元件，又称执行电动机，自控系统对其规定以下：(1)转速和转向应便于控制信号的控制，调速范畴要大。(2)运行范畴内应含有线性特性，保匪运行的稳定性。(3)无“自转”现象。(4)控制功率要小，起动转矩应大。(5)机电时间常数要小，始动电压要低，当控制信号变化时，反映要快速敏捷。交流伺服电动机普通是指两相异步电动机，它在自动控制系统中，把输入的电压信号变换成转轴的角速度输出。输人的电压信号称为控制信号或控制电压，当控制电压的相位变化180‘时，交流伺服电动机的转子就会反转，当变化控制电压的大小时，伺服电动机的转速随着变化。交流伺服电动机必须有广阔的调速范畴，也就是指伺服电动机的转速随着控制电压的变化能在广阔的范畴内持续调节。线性的机械特性和调节特性有助于提高自动控制系统的动态精度。伺服电动机的机械特性是指控制电压一定时，转速随转矩的变化关系，调节特性是指电动机负载转矩一定时，转速随控制电压的变化关系。伺服电动机应无“自转”现象，即规定交流伺服电动机在控制电压降为零时能立刻自行停转。伺服电动机应有快速响应，即电动机的机电时间常数要小，对应的伺服电动机要有较大的堵转转矩和较小的转动惯量，这样，电动机的转速才干随着控制电压的变化而快速变化。第二节交流伺服电动机的构造特点和工作原理一、交流伺服电动机的基本构造交流伺服电动机的构造重要由定子和转子两部分构成。定子涉及铁芯和绕组，定子铁芯由硅钢片或坡莫合金叠压而成，在铁芯槽内安放空间互差90°电角度的两相定子绕组：励磁绕组1112和控制绕组klk2，如图5—l所示，重要是用来建立旋转磁场。因此交流伺服电动机是两相的交流电动机。根据转子构造的不同，交流伺服电动机町分为鼠笼转子交流伺服电动机和空心杯转子交流伺服电动机两种型式。鼠笼转子交流伺服电动机广泛应用于小功率自控系统中。笼型转子交流伺服电动机的鼠笼条采用高电阻率的导电材料，以获得转差率在0～1范畴内都能稳定运转的机械特性，但其低速运转时不够平滑，有抖动现象。为了减少转动惯量，鼠笼转子做得细而长，如图5—2所示。非磁性杯型转子交流伺服电动机，外定子与笼型转子伺服电动机的定子完全同样，内定子由环形钢片叠成，普通内定子不放绕组，只是替代转子的铁芯，作为磁路的一部分。在内、外定子之间有细长的空心转子装在转轴上，空心转子作成杯型，由非磁性材料铝或铜制成，杯壁极薄，普通在0．3mm，如图5—3所示。即使杯型转子与笼型转子从外形看不同，但事实上杯型转子能够看做是笼条诸多、条与条之间紧靠在一起的笼型转子，杯型的两端相称于短路环，如图5—4所示。与笼型转子相比，非磁性杯型转子转动惯量很小，运行平滑，轴承摩擦阻转矩小，无抖动现象。由于转子无齿和槽，因此定子、转子之间没有齿槽效应，转矩不会随转子的位置而发生变化。但由于内、外定子间气隙较大，因此励磁电流就第六章交流异步测速发电机交流测速发电机分为同时和异步测速发电机两种。同时测速发电机的输出频率和电压幅值均随转速的变化而变化，因此普通只用作批示式转速计，极少用于控制系统的转速测量。异步测速发电机的输出电压频率和励磁电压频率相似而与转速无关，其输出电压与转速成正比，即：U＝k2在自控系统中，交流测速发电机的重要用途有：在计算解答装置中作为解算元件；在伺服系统中作为阻尼元件，其典型用途与直流测速发电机相似。第一节交流异步测速发电机的构造特点和工作原理交流异步测速发电机的构造与交流伺服电动机的构造完全相似，它的转子能够做成非磁性空心杯型，也可做成笼型的。笼型转子的异步测速发电机输出斜率大，但特性差、误差大、转子惯量大，重要用于精度规定不高的系统中。非磁性杯型转子异步测速发电机精度高，转子的惯量较小，现在应用最广泛。下面以空心杯型异步测速发电机为例阐明其构造特点和工作原理。一、构造特点空心杯型测速发电机的构造与空心杯型伺服电动机的构造基本相似，如图6—1所示，其转子也是一种薄壁非磁性杯，普通用电阻比较高的硅锰青铜或锡锌青铜制成。在杯子内还装有一种由硅钢片叠成的铁芯，与杯子外部铁芯相对固定，称为内定子，这是为了减少磁路的磁阻。转子电阻比空心杯型伺服电动机的转子电阻还要大。异步测速发电机的定子有两相绕组，一相为励磁绕组，匝数为N1，另一相为输出绕组，匝数为N2，两相绕组在空间位置上严格相差90°电角度。在机座号较小的电机中，普通把两相绕组都放在内定子上；对机座号较大的电机，常把励磁绕组放在外定子上，输出绕组放在内定子上。二、工作原理异步测速发电机是将转速信号转变为电压信号，实现测速目的的。测速发电机的励磁绕组接恒频恒压的交流电源，励磁电压为u1，励磁电流I1产生同频率的脉动磁动势几和脉动磁通φd，在励磁绕组的轴线方向脉动，称为直轴磁动势和直轴磁通。φd在励磁绕组中感应电势直E1。忽视励磁绕组的电阻兄和漏抗Rl，有：Ul=E＝4．44flNlφd(6—1)可知，φdUl，所当电源电压一定时，磁通φd也基本保持不变。1．当电机不转时(n＝o)励磁电流产生的脉动磁通6d在转子杯导体中感应出变压器电动势和电流，如图6—2所示。由于输出绕组与励磁绕组在空间相差90°电角度，由d不能在输出绕组中感应电动势，因此输出绕组的输出电压U2＝o，即转速n＝o时，输出绕组没有电压输出。2．电机旋转时(n≠o)当转子被拖动，以转速n转动时，仍然忽视励磁绕组的电阻R1和漏抗X1，脉动磁通φd不变，转子绕组切割脉动磁通巾d，感应切割电动势Er,大小为：电流j，建立的磁动势Fr＝Frq为交轴磁动势，产生频率为fl的交轴脉动磁通φqo，尽管φd是交变的，方向有正有负，其感应的Er和Ir也是交变的，但是由Ir建立的磁动势第七章自整角机在转角随动系统中，自整角机是一种能对角位移或角速度的偏差自动整步的感应式控制电机，属于测位用微特电机。第一节自整角机的基本构造自整角机的构造与普通电机相似，重要由定子和转子两大部分构成。定子和转子之间有很小的气隙。转子构造有隐极(ZKB或ZKC采用)和凸极(ZLF、ZI．J及ZKF采用)两种，定子铁芯内布置三相对称绕组，分别为D1一D4、D2—D5和D3一D6，如图7—1所示；转子铁芯上布置单相绕组乙一Z：(差动式自整角机为三相绕组)。自整角机按功效分为力矩式和控制式两种。如果按构造、原理的特点，又可将自整角机分为控制式、力矩式、霍尔式、多极式、固态式、无刷式、四线式等七种，前两种最惯用。自整角机在自控系统中普通成对或多台组合使用，不能单机使用，机械上互不相连的两根或多根机械轴保持相似的角变化或同时的旋转变化。当成对使用的自整角机按力矩式运行时，产生控制信号的主自整角机称为发送机(ZlF)；接受控制信号、执行控制命令与发送自整角机保持同时的自整角机称为接受机(ZLJ)。当成双使用的自整角机按控制方式运行时，其中一种是控制式发送机(ZKF)，另一种是控制式变压器(ZKB)。力矩式自整角机输出的转矩较大，可直接驱动接受机轴上的负载，重要用于批示系统或角传递系统。力矩式自整角机的功用是实现转角随动的目的，即把机械角度转换为力矩输出，无力矩放大作用，接受误差稍大，负载能力较差，其静态误差范畴在o．5’～2‘。因此，力矩式自整角机只合用于轻负载转矩及精度规定不太高的开环控制的伺服系统中。控制式自按角机的作用是作为角度和位置的检测元件，将机械角度转换为电信号或将角度的数字量转换为电压模拟量。具体说是接受机不带负载，只输出一种与发送机、接受机转子之间的角位移有关的电压信号。控制式自整角机事实上是角位置失调检测电机，精度较高，误差范畴在3’一14’。因此，控制式自整角机多用于精密的闭环控制的伺服系统中。第二节控制式自整角机的工作原理下面以控制式自整角机即控制式发送机(ZKF)和控制式变压器(ZKB)成对运行为例。图7—2所示是控制式白整角机的原理电路图，左边为自整角机发送机(ZKF)，右边为自整角机变压器(ZKB)。ZKF的定子绕组引线端D1、D2、D3和ZKB的定子绕组引线端D1、D'2、D'3对应连接，称为同时绕组或整步绕组。ZKF的转子绕组乙l称为励磁绕组，接交流电压Uf产生励磁磁通。ZKB的转子绕组Z'1z'2称为输出绕组，输出感应电动势凰。设转子位置如图7—2所示，ZKF的转子单相绕组轴线相对定子11相绕组轴线的夹角为01，ZKB的输出绕组轴线相对ZKB的定子D'1相绕组轴线的夹角为a2，井假设a2>a1,a=a2-a1。第八章微型同时电动机微型同时电动机的重要特点是其转速不随负载或电源电压的变化而变化。本章重要分析微型同时电动机的构造特点及工作原理。第一节概述在自动控制系统中，往往需要恒转速传动装置，规定电动机含有恒定不变的转速，即规定电动机的转速不随负载或电源电压的变化而变化。微型同时电动机就含有这种特性。同时电动机是交流电动机，在构造上重要由定子和转子两部分构成。定子与普通异步电动机的定子相似，定子铁芯普通由带有齿和槽的冲片叠成，槽钢内嵌放三相或两相绕组。当三相绕组通入三相电流或两相绕组通入两相电流(涉及单相电源通过电容分相)时，定子中产生旋转磁场，旋转磁场的转速为同时转速nl，即：微型同时电动机的定子构造都是相似的，或者是三相绕组通入三相交流电流，或者是两相绕组通人两相电流(涉及单相电源经电容分相)，或者是罩极式，重要作用都是为了产生一种旋转磁场。但是转子的构造型式和材料却有很大差别，运行原理也就不同。根据转子的构造型式不同，微型同时电动机重要分为永磁式微型同时电动机、反映式微型同时电动机和磁滞式微型同时电动机。无论哪类转子型式的微型同时电动机，都是定子旋转磁场拖动转子以同时转速旋转。其转速不随负载变化而变化，永远保持与电源频率所对应的同时转速相似。微型同时电动机转子上无励磁绕组，也不需电刷和滑环，因而构造简朴、运行可靠、维护方便。功率从零点几瓦到数百瓦，广泛应用于需要恒速运行的自动控制装置、遥控、无线通信、有声电影、磁带录音及同时随动系统中。同时电动机本身无起动转矩，普通需借助于辅助的电动机或运用异步起动，这是同时电动机的缺点。第二节永磁式同时电动机一、永磁式微型同时电动机的构造永磁式微型同时电动机的定子与异步电动机的定子完全相似，有两相和单相罩极式绕永磁式微型同时电动机的转子由永久磁钢制成，能够是两极，也能够是多极，N、s极沿圆周方向交替排列，其工作原理比较简朴，图8—1(a)所示为四极转子，图8—l(b)所示为二极转子。转子上装有鼠笼绕组，作为起动绕组。转子极数必须与定子绕组产生的旋转磁场的极数相等。永磁式微型同时电动机的工作原理比较简朴，现以两极永磁式微型同时电动机为例阐明。二、永磁式微型同时电动机的工作原理图8—2所示是含有两个永久磁极的转子。当同时电动机的定子接入交流电源后，产生一种旋转磁场，旋转磁场用一对旋转磁极表达。当定子旋转磁场以转速n：沿图示方向旋转时，转子笼型绕组上产生异步起动转矩，驱动转子