第4章控制电机

第

4

章控制电机4.2力矩电动机4.5步进电动机4.3测速发电机4.4自整角机4.1伺服电动机电机与拖动控制电机概述在普通旋转电机的基础上产生的具有特殊性能的小功率电机;不以能量转换、传递功率为主要功能，而主要任务是完成控制信号的传递和转换;在系统中起检测、放大、执行和校正作用，经常用作执行元件和检测元件;1.什么是控制电机2.控制电机的特点

普通电机:主要任务是能量转换，它们的主要问题是提高能量转换的效率。体积小、重量轻、耗电少；高可靠性；高精度；快速响应；控制电机:在自动控制系统中，只起一个元件的作用，其主要任务是完成控制信号的传递和转换，而能量转换是次要的。输出功率较小，一般从数百毫瓦到几百瓦；系列产品的外径，一般由12.5mm到130mm；重量从数十克到数千克；3.控制电机的种类控制电机测量元件（信号元件）旋转变压器交直流测速发电机自整角机感应同步机执行元件（功率元件）步进电动机交直流伺服电动机力矩电机无刷直流电动机（1）

执行元件（功率元件）任务:将电信号转换成轴上的角位移或角速度以及直线位移和线速度，并带动控制对象运动。控制特性:电机的转速和控制信号（如控制电压、脉冲频率）之间的关系。执行元件（功率元件）步进电动机交直流伺服电动机力矩电机无刷直流电动机图1伺服电动机的控制特性图2步进电动机的控制特性（2）

测量元件(信号元件)测量元件（信号元件）旋转变压器交直流测速发电机自整角机感应同步机用来测量机械转角、转角差和转速，一般在自动控制系统中作为敏感元件和校正元件。任务:控制特性:自整角机、测速发电机、旋转变压器图3自整角机的控制特性图4测速发电机的控制特性图5旋转变压器的控制特性4.控制电机的发展概况（1）

国外20世纪30年代：迅速发展，规模和使用领域日益壮大；40年代以后：逐步形成基本系列；60年代以后：品种日益增多；（2）

我国60年代前后：全面发展，仿制为主；60年代后期：自行设计与研发；初具规模的专业生产体系。（3）

发展趋势提高精度、可靠性和适应性；小型化；发展特殊用途和特殊性能的控制电机；开展新原理、新结构电机的研制工作；火炮和雷达的自动定位；舰船方向舵的自动操纵；飞机的自动驾驶；遥远目标位置的显示；机床加工过程的自动控制和自动显示；阀门的遥控；机器人、电子计算机、自动记录仪表、医疗设备、录音录像设备等中的自动控制系统。5.控制电机的使用范围2个控制系统为实例放大器KA速度传感器负载伺服电动机w0VRε+_图1：简单的速度控制系统原理图KSw0图2：机床的数控系统原理图可控制编程器刀具测速发电机数模转换器放大器电动机模数转换器脉冲反馈传感器输出量刀具位置P4.1伺服电动机（servomotor）

伺服电动机——执行电动机。

功能将电压信号转换成转角或转速信号。

种类直流伺服电动机、交流伺服电动机。1.直流伺服电动机2.交流伺服电动机转速和转向应方便地受控制信号的控制，调速范围要大；

整个运行范围内的特性应具有线性关系，保证运行的稳定性；

当控制信号消除时，伺服电动机应立即停转，也就是要求伺服电动机无“自转”现象；

控制功率要小，启动转矩应大；

机电时间常数要小，始动电压要低。当控制信号变化时，反应应快速灵敏。自动控制系统提出的要求：伺服电动机可控性好，反应迅速。是自动控制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。一、直流伺服电动机1.基本结构与普通小型直流电动机相同。直流伺服电动机的功率1~600W。

励磁方式电磁式：永磁式：+Ua－电磁式If+Uf－

他励式、并励式、串励式。稀土永磁材料+Ua－永磁式（如稀土钴、稀土钕铁硼）。SMIaEESMIa按结构可分成传统型和低惯量型两大类。②低惯量型直流伺服电动机

传统型直流伺服电动机这种电动机的结构和普通直流同基本相同，也是由定子和转子两大部分组成。一般有杯形电枢、圆盘电枢、无槽电枢等结构形式。低惯量型直流伺服电动机的特点是转子轻，转动惯量小，响应快速。2.工作原理施加Ua→Ia主磁通：ΦT→n→E电磁转矩：

T

=CTΦ

Ia

电动势：

E

=CEΦ

n电枢电路电压方程：

Ua

=E+Ra

Ian=UaCEΦ－RaCECTΦ2T3.控制方式及其特性(1)电枢控制式

Uf

=UfN，Ua

=Uc（控制电压）n=UcCEΦN－RaCECTΦN2TOTn

Uc3

Uc2Uc1Uc3＞Uc2＞Uc1机械特性T1

T2

T3T3＞T2＞T1控制特性OUcn定义：电动机在一定的负载转矩下，稳态转速随控制电压变化的关系，n=f（Ua）。※补充：

调节特性（控制特性）※负载为常数时的调节特性当n=0时斜率：始动电压图直流伺服电动机的调节特性在实际工作中经常以试验的方法获得调节特性。表征调节特性的两个量：（1）始动电压Ua0死区负载越大：Ua0越大，死区越大。（2）斜率k与负载无关，电机本身参数决定所以，对于不同负载得到一组的调节特性相互平行(2)磁场控制式Ua

=UaN，

Uf

=Uc（控制电压）忽略磁路饱和、不计电枢反应，则

Φ=CΦ

Uf=CΦ

Ucn=UaNCECΦUc

－RaCECT

CΦ2Uc2T

Uc3Uc2Uc1Uc3<Uc2<Uc1机械特性

控制特性非线性，只用于小功率电动机。电枢控制优点多，大多采用此法。OTn两大部分定子部分:转子部分空间互成90°电角度的两相绕组励磁绕组控制绕组1.基本结构——两相的感应电动机二、交流伺服电动机励磁绕组控制绕组控制绕组励磁绕组转子

原理与两相交流异步电机相同，定子上装有两个绕组—励磁绕组和控制绕组。转子结构非磁性杯形转子鼠笼形转子图：鼠笼形转子交流伺服电动机

转子冲片

鼠笼式转子绕组非磁性杯形转子交流伺服电动机空心杯形转子交流伺服电动机的结构示意图转子内定子外定子绕组转轴励磁绕组控制绕组杯形转子内定子杯形转子只是鼠笼转子的一种特殊形式。

杯形转子与鼠笼转子相似导条数目非常多；条与条之间彼此紧靠惯量小，轴承摩擦阻转矩小；恒速旋转时，转子一般不会有抖动现象，运转平稳内、外定子间气隙较大，励磁电流大，利用率低；在相同的体积和重量下，在一定的功率范围内，杯形转子伺服电动机产生的启动转矩和输出功率小。杯形转子伺服电动机结构和制造工艺又比较复杂。与鼠笼形转子相比较，非磁性杯形转子的优缺点：适用范围：鼠笼形转子伺服电动机：广泛应用；非磁性杯形转子伺服电动机：某些特殊场合下交流伺服电动机交流伺服电动机使用时:

励磁绕组两端施加恒定的励磁电压Uf；控制绕组两端施加控制电压Uc。电气原理图2.工作原理UC(1)当两相绕组分别加上相位相差90o的额定电压时。

对称两相运行→

ic和if产生圆形旋转磁场→产生T→转子旋转。如果uc反相，即改变ic和if

的相序→旋转磁场改变方向→n的方向改变。同时减小uc和uf

而保持其

90o的相位差→圆形磁通势的幅值

→

T

→n

。SM~

控制绕组

励磁绕组＋Uc－＋Uf

－cfIcIfFcFf(2)

当uc=0或uc≠0，但uc和uf同相位时。电动机处在单相状态→脉振磁通势F0

。静止时：n=0，F0FFFR→TF→TRT=TF－TRTF

=TR，T

=0，不能起动；正在运行时：T≠0，转子继续旋转——单相自转！TOnn=f(TF)n=f(TR)n=f(T)普通异步电动机nTOR2

n=f(TF)n=f(TR)n=f(T)交流伺服电动机转子电阻不够大，引起的自转；工艺性的自转。由于定子绕组有匝间短路；铁心有片间短路；各向磁导不均；无自转现象是自动控制系统对交流伺服电动机的基本要求之一。所以为了消除自转现象，要求有相当大的转子电阻。(3)Uf=UN，Uc＜UN且保持相位差为90o时，或者Uf=Uc=UN但两者的相位差小于90o时。

电动机处在不对称运行状态，将产生一个椭圆形旋转磁通势。SM~＋Uc－＋Uf

－cfFcFfIcIf

椭圆形旋转磁通势的产生

椭圆形旋转磁通势的分解

椭圆形旋转磁通势的产生(uc和uf大小不相等时)OFωtFfFfmFcmFcF=Fc45oFcFfF90oF=Ff135oFcFfF180oF=Fc225oFcFfF270oF=Ff315oFcFfF360oF=FcOFωtFfFfmFcmFc45o90o135o180o225o270o315o360o

椭圆形旋转磁通势的产生(uc和uf大小不相等时)ωt=0o45o90o135o180o225o270o315o360oωt=0o45o90o135o180o225o270o315o360o

椭圆形旋转磁通势的产生(uc和uf大小不相等时)OFωtFfFfmFcmFcωt=0o45o90o135o180o225o270o315o

椭圆形旋转磁通势的产生(uc和uf大小不相等时)长轴为Bfm

，短轴为Bcm

，α=Bcm/Bfmα的值决定了磁场椭圆的程度BfBc

不同α值时的椭圆

随着α值的减小，磁场的椭圆度增大单相脉振磁场圆形旋转磁场FfFfm=FcmFcOFωt

F=Fc

/2FcFfF90oFfFcF90o

+

2FfFcF180oF=Fc180o

+

2FcFfF270oFfFcF270o

+

2FfFcF360oF=Fc

椭圆形旋转磁通势的产生(

＜90o时)FfFfm=FcmFcOFωt

/290o90o

+

2180o180o

+

2270o270o

+

2360o90o

290o

+

2180o180o

+

2270o

2270o

+ωt=0o360o

椭圆形旋转磁通势的产生(

＜90o时)90o

290o

+

2180o180o

+

2270o

2270o

+ωt=0o360oFfFfm=FcmFcOFωt

椭圆形旋转磁通势的产生(

＜90o时)ωt=0o90o

2180o270o90o

+

2180o

+

2270o

+

2若两个磁势（磁密）幅值之比为α，则磁通密度向量随时间变化的关系式为：

Bf=Bfmsin(ωt-90°)

Bc=αBfmsin

ωt※一般椭圆磁场的分解两个绕组中的电流相位差为90°，但磁势的幅值不相等即Bf可看作由两个磁通密度向量的合成：

Bf1

=αBfm

·sin(ωt-90°)Bf2

=(1-α)Bfmsin(ωt-90°)将磁通密度向量Bf进行分解：Bf=Bfmsin(ωt-90°)=αBfmsin(ωt-90°)+(1-α)Bfmsin(ωt-90°)=Bf1

+Bf2Bc=αBfmsin

ωtBf1

=αBfm

·sin(ωt-90°)对称电流圆形旋转磁场正向旋转Bf2

=(1-α)Bfmsin(ωt-90°)单相电流脉振磁场沿着励磁绕组轴线=+αBfmBfmn0n0αBfm(1-α)BfmBf2

=(1-α)Bfmsin(ωt-90°)脉振磁场Bf2:分解转向相反幅值相等两个圆磁场=+αBfmBfmn0n0αBfm(1-α)Bfm/2+n0n0=αBfmBfmn0n0+n0椭圆度越小(即α越接近1，工作状态越近于对称)，反向旋转磁场越小，正向旋转磁场越大；椭圆度越大(即α越接近0，工作状态越不对称)，反向旋转磁场越大，正向旋转磁场越小；不过不论α多大，反向旋转磁场的幅值总是小于正向旋转磁场的幅值；

α

＝0时，正反转旋转磁场幅值相等。FRFFF

结论：①一个椭圆形旋转磁通势

F可以分解为两个不等幅、等速的反向旋转的圆形磁通势FF和FR

。FFFFR→TF→TRT=TF－TR②工作状态越不对称，FF和FR相差越小，椭圆形越扁长，T越小，n越低。例如保持

=90o和Uf不变，改变Uc的大小Uc

由0UfFF增强FR减弱0＜n＜nmax椭圆形旋转磁场两个旋转磁场（脉振磁场）一个旋转磁场③如果改变uc的相位，则F

的旋转方向改变，使T反向，从而改变

n的方向。(1)两相控制保持

=90o和Uc=Uf

，同时改变Uc和Uf

的大小（始终为对称运行）。(2)

幅值控制

保持

=90o和Uf=UN，改变Uc的大小。(3)

相位控制

保持Uc=Uf

=UN

，改变

的大小。(4)

幅相控制

同时改变uc的大小和相位。※

交流伺服电动机的功率和频率：

0.1~100W，50Hz、400Hz等。3.控制方式4.2力矩电动机一、概述：

在某些自动控制系统中，被控制对象的转速相对于伺服电动机的转速低得多，所以，两者之间常常必须用减速机构连接。但采用减速器会有很多影响，例如：使系统装置变得复杂；使闭环控制系统产生自激振荡。因此，就需要低转速、大转矩的伺服电动机直接带动。力矩电动机就是其中一种能和负载直接连接产生较大转矩、低速的电动机。力矩电动机又有交流和直流两类。下面以直流力矩电动机为例。是一种低转速、大转矩的电动机。4.2直流力矩电动机（MT，Torquemotor）能在长期堵转或低速运行时产生足够大的转矩；不需经过齿轮减速而直接带动负载；能在很低转速下稳定运行反应速度快、转矩和转速波动小；机械特性和调节特性线性度好。特点适用场合适用于位置伺服系统和低速伺服系统中作执行元件；适用于需要转矩调节、转矩反馈和一定张力的场合用于对位置、速度的控制精度要求较高的系统。1、结构组成NSNSNSNSNSNSNSNSNSNS刷架环转子绕组电刷

结构特点扁平形，带槽的定子圆盘中嵌入永磁体。有分装式和内装式两种结构形式。直流力矩电动机的结构式意图转子铁心定子一、基本结构槽楔2、结构特点转子一般做成圆盘状；电枢长度和直径之比一般为0.2左右；一般做成永磁多极的选取较多的槽数、换向片数和串联导体数。总体结构型式分装式内装式刷架定子转子－－电枢的外形尺寸变化对转矩和转速的影响3.直流力矩电动机转矩大、转速低的原因电磁转矩大致和直径成正比n0和D近似成反比总结：在其他条件（体积、电枢电压）相同时，如何增加电动机的转矩和降低空载转速？增大电动机直径，减少其轴向长度1.长期堵转运行时，要求温度

≤

max。与

max

对应的Iamax

称为连续堵转电流

Ib。与Ib对应的有：连续堵转转矩Tb、连续堵转电压Ub、连续堵转功率Pb。

Pb=UbIb，二、工作原理Ib=（Ra为电枢电阻）Ub

Ra2.

受定子永磁体去磁条件限制的参数峰值堵转电流

IP、峰值堵转转矩Tp、峰值堵转电压UP、峰值堵转功率PP。

PP=UPIP，IP=（Ra为电枢电阻）UP

Ra3.力矩大的原因从直流电动机基本原理可知：电磁力为：电枢绕组导体上的电流；导体的有效长度为；每个磁极下磁感应强度平均值为电磁转矩为：式中：N——电枢绕组总的导体数；

D——电枢铁芯直径。上式表明，电磁转矩与电动机结构参数l、D的关系。在保持不变时，当D增大时，铁芯长度l就应减小。其次在相同电流以及相同用铜量的条件下，电枢绕组的粗细不变，则总导体数N应随l的减小而增加。导体在磁场中运动切割磁力线所产生的感应电动势为：式中：如果电枢总导体数N，若一对电刷之间的并联支路数为2，则一对电刷所串联的导体数为N/2，这样电刷间电势为二、转速低的原因在理想空转时，电动机转速n，电枢电压U和反电动势E相等，因此：由上式分析可知：在其他条件相同的情况下，增大电动机直径，减小轴向长度，有利于增加电动机的转矩和降低空载转速，故力矩电动机都做成扁平盘状结构。三、直流力矩电动机性能特点1、力矩波动小，低速下能稳定运行这是力矩电动机的重要性能指标之一，力矩波动将导致运行不平稳或不稳定。2、机械特性和调节特性的线性度3、响应迅速，动态特性好决定过度过程快慢的两个时间常数是机电时间常数和电磁时间常数。虽然直流力矩电动机电枢直径大，转动惯量大，但由于它的堵转力矩很大，空转转速很低，力矩电动机的机电常数还是比较小的，这样，其电磁时间常数相对较大。已知，其中电枢绕组电感主要取决于电枢绕组的电枢反应磁链4.3测速发电机（TG，tachometergenerator）

功能将转速信号转换成与之成正比的电压信号。用途校正元件、计算元件。

种类1.直流测速发电机2.交流测速发电机一、直流测速发电机1.基本结构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。＋Uf－If电磁式永磁式2.工作原理空载时：U=E

=CEΦ

n负载时：U=E

－Ra

ITGRLI＋

U－ETGRLEI＋

U－3输出特性Ua=f（n）电压平衡方程式Ua=E-IaRa输出电压、电流之间关系U=CEΦ

n－RaURLU=nCEΦ

1+RaRLU∝

nUnO不同负载电阻时的理想输出特性UaRL=

RL1RL2nRL1>RL2RL越小，斜率越小理想

产生误差的原因①电枢反应。②环境温度的变化，引起各绕组的电阻值变化。③负载变化，引起电刷与换向器接触电阻的变化。图不同负载电阻时的实际输出特性UaRL=

RL1RL2nn越高，RL越小，误差越大规定：最大线性工作转速最小负载电阻值

1）温度影响及消除办法周围环境温度变化电机本身发热电机绕组电阻的变化励磁绕组电阻Rf增大励磁电流减小磁通减小感应电动势减小输出电压减小4直流测速发电机的误差及其减小的方法一台ZCF－16型直流测速发电机：励磁电流IfmA转速n（r/min）输出电压Ua（v）结论室温启动3002400551hour后277240052.965Ua降低了3.7％调回励磁电流300240054.637Ua降低了0.66％励磁绕组温升对输出电压影响显著减小温度对励磁电流影响的办法：a.改进电机的铁心磁路磁化特性曲线在设计电机时，磁路设计足够饱和，减小温度变化所引起的磁通的变化。b.在励磁回路串稳流电阻c.在励磁回路中串联负温度系数的热敏电阻并联网络图

励磁回路中的热敏电阻并联网络－－电枢磁场对气隙磁场的影响合成磁场发生了畸变，2.电枢反应使主磁场消弱，去磁。负载电阻越小，转速越高，电枢电流越大，电枢反应的去磁作用越强。2）电枢反应影响及消除办法消除电枢反应在设计时，采用补偿绕组；结构上,加大气隙

2.规定最大转速和最小负载电阻值。

3）电刷接触压降当转速低时：接触电阻大，实际输出电压小；当转速高时：接触电阻小，实际输出电压大；电压方程式：Ua=Ea-IaRa改写为：Ua=Ea-IaRw-ΔUb其中:Rw为扣除接触电阻之后的电枢绕组电阻；

ΔUb为电刷接触压降。用Δub表示的电压平衡方程式Ua=Ea-IaRw-ΔUb用Ua和n之间不再是线性关系考虑电刷接触压降后的输出特性①电刷和换向器的材料；②电刷的电流密度；③电流的方向；④电刷单位面积上的压力；⑤接触表面的温度；⑥换向器圆周线速度；⑦换向器表面的化学状态和机械方面的因素等电刷接触压降ΔUb与下述因素有密切关系:采用接触压降较小的银—石墨电刷。采用铜电刷,并在与换向器接触的表面上镀银层。在测速机的输出端连接滤波电路。减小电刷接触压降的影响，缩小不灵敏区的措施：电刷和换向器的滑动接触不稳定，使输出的电枢电流含有高频脉冲，对邻近的设备和通信电缆造成干扰5、直流测速发电机的应用自动控制系统：测量或自动调节电动机转速；随动系统：产生电压信号；计算解答装置：作为微分和积分元件。可测量各种机械在有限范围内的摆动或非常缓慢的转速；可代替测速计直接测量转速。可靠性比较差，精度比较差；所以,在系统中使用不及交流异步测速机广泛；输出电压斜率大；没有剩余电压(即转速为零时没有输出电压)；没有相位误差(励磁和输出电压之间没有相位移)；温度补偿容易实现等优点，所以,在自动控制系统中的应用还是很广泛的。6、直流测速发电机的特点（优缺点）是一种测量转速或传感转速信号的元件；将转速信号变为电压信号；U2=kn输出电压与转速的关系理想的测速发电机的输出特性：二、交流测速发电机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。※交流测速发电机的主要用途：不需要电刷和换向器，构造简单，维护容易，运行可靠；无滑动接触，输出特性稳定，精度高；摩擦力矩小，惯量小；不产生干扰无线电的火花；正、反转输出电压对称。交流异步测速发电机的主要优点是：存在相位误差和剩余电压；输出斜率小；输出特性随负载性质(电阻、电感、电容)而有所不同。主要缺点是：在选用时，应根据系统的频率、电压、工作转速的范围和具体用途来选择。解算元件：精度要高，输出电压稳定性要好；转速检测或作阻尼元件：输出斜率要大，对精度的要求不是很高。1基本结构转子：鼠笼转子异步测速发电机非磁杯形转子异步测速发电机定子：铁心上有两相对称绕组交流异步测速发电机的示意图励磁绕组输出绕组输出电压输出斜率大，特性差，误差大，转子惯性大，适用于精度要求不高的系统中精度高，转子惯量较小，是目前应用最广泛的一种交流测速发电机转子薄壁非磁性杯，通常用高电阻率的硅锰青铜或锡锌青铜制成。定子嵌有空间互差90°电角度的两相绕组，励磁绕组W1

；输出绕组W2

。机座号较小的电机：两相绕组都放在外定子上；机座号较大的电机：励磁绕组放在外定子上，输出绕组放在内定子上。※杯形转子异步测速发电机的结构测速发电机

更多的图片2.工作原理输出绕组励磁绕组－Uf＋IfΦd正弦交流uf→if→Φd

Φd=Φdm

sinωt(1)

转子静止时励磁绕组→一次绕组转子绕组→二次绕组××··Ed→Ef→Ed→IdEfIfId→Ff→Fd→ΦdIfId→Ff→Fd→Φd××··－Uf＋IfΦdEd忽略励磁绕组的漏阻抗，则Uf=－Ef=

j

4.44fkwfNfΦdm输出绕组：与Φd

无交链，不会产生E0。即：n=0时，U0

=0。＋

U0－Ed=－j

4.44fkwrNrΦdmEf－Uf＋IfΦdEd(2)转子旋转时Φd交变感应旋转切割

Ed→Id

Eq→IqEq·×××··→ΦqΦq

eq=

C1Φd

n=

C1n

Φdm

sinωtΦq

=C2

eq=

C1

C2

n

Φdm

sinωt

=

Φqm

sinωtC1、C2——电机常数。Φqm

=

C1C2n

Φdm＋

U0－Ef输出绕组：U0=－E0=j4.44fkw0N0Φqm=j4.44fkw0

N0C1C2n

Φdm

=C1C2n

Uf

kw0

N0KwfNfΦq→E0→U0输出空载电压：－Uf＋IfΦd＋

U0－Eq·×××··Φq

结论：①U0

∝n。②

u0与uf同频率、同相位。EdEfE0Uf=－Ef=

j

4.44fkwfNfΦdm励磁绕组的电阻、漏电抗；输出绕组的电阻、漏电抗转子绕组的漏电抗；磁路的非线性；输出绕组和励磁绕组空间是否正好相差90°实际情况与理想情况有误差存在：线性误差；相位误差；剩余电压。误差：误差产生的原因：减小误差：负载阻抗＞＞电机的输出阻抗，使其尽量工作在空载状态，以减少误差；4.4自整角机（BS）

功能将转角信号转换成电压信号，或反之。通过两个或两个以上的组合，以实现转角的传输、转换和接收。同步联接系统无机械联接的两个系统同步转动。

种类①按作用的不同：力矩式、控制式。②按相数的不同：单相、三相。一.自整角机分类：自整角机两个(或两个以上)组合使用（1）按力矩式运行时力矩式发送机(ZLF，TX)力矩式接收机(ZLJ，TR)（2）按控制式运行时控制式发送机(ZKF，CX)控制式变压器(ZKB，CT)差动式发送机：串接于力矩式发送机和接收机之间，将发送机转角及自身转角的和(或差)转变为电信号，输至接收机；差动式接收机：串接于两个力矩式发送机之间，接收其电信号，并使自身转子转角等于两发送机转角的和(或差)。差动式发送机(ZCF、TDX)差动式接收机(ZCJ、TDR)力矩式自整角机用到控制式差动发送机：串接于控制式发送机和控制式变压器之间，将发送机转角及其自身转角的和(或差)转变成电信号，输至自整角机变压器。控制式自整角机还用到：控制式差动发送机(ZKC、CDX)二.自整角机的基本结构与一般旋转电机相似：定子、转子、气隙。图

自整角机结构简图定子铁心冲片三相对称绕组示意图整步绕组自整角机转子a隐极转子b凸极转子ZKB,ZKCZLF,ZLJ,ZKF图

自整角机电路图但是，无论是整体式或是分装式，无论是隐极转子或是凸极转子，它们的工作原理都是一致的。整体式结构：自整角机的定、转子都装在一个机壳里。分装式结构：定、转子是分开，分别是在现场安装固定。特点：电机外径较大；轴向长度较短；图5-10整体式自整角机的基本结构(此图转子为凸极式)档圈轴承转子集电环定子端盖轴承档圈接线板自整角机的结构示意图转子铁心单相绕组定子铁心三相绕组电刷※单相：定子为三相绕组、转子为单相绕组。※三相：定子、转子均为三相绕组。自整角机的结构图后端盖前球轴承集电环端部电刷

集流环端部触点电刷定子外壳转轴前端盖定子绕组转子绕组减震器轮罩壳自整角机A型发送器M型指示器115V，60Hz单相交流输入直接带负载运行，无需其他辅助元件系统结构简单，价格低廉接收误差稍大，负载能力较差，只适用于轻负载转矩及精度要求不太高的开环控制的伺服系统里。－－直接达到转角随动的目的远距离转角指示机械角度力矩输出转换1、力矩式自整角机三.自整角机的工作原理力矩式自整角机工作原理UVWUVWa发送机b接收机~ΦΦ1.转子处在协调位置时

纵向脉振Φ

→EUa=EUb，EVa=EVb，EWa=EWb;IUIVIWIU=IV=

IW=0

→T

=0，转子静止。定同子步绕组EUbEVbEWbEUaEVaEWa2.转子处在非协调位置时

Φ

→EUa≠EUb，EVa≠EVb，EWa≠EWb;IU、IV、IW≠0

Φ→T

≠

0，ΦUVWUVWa发送机b接收机~IUIVIWΦEUaEVaEWaEUbEVbEWb2.转子处在非协调位置时Φ→EUa≠EUb，EVa≠EVb，EWa≠EWb;IU、IV、IW≠0

→T

≠

0，接收机转子旋转

角。Φ重新达到协调位置，使IU=IV=

IW=0，

T

=0。Φ

UVWUVWa发送机b接收机~IUIVIW

ΦEUaEVaEWaEUbEVbEWb详细分析：力矩式自整角机的运行1）力矩式自整角机的工作原理图

力矩式自整角机的工作原理图励磁绕组整步绕组(1)只有ZLF励磁绕组接通电源发送机转子励磁磁通在发送机定子绕组中感应电势两机定子绕组回路中引起电流在发送机的气隙中产生合成磁密在接收机气隙中形成合成磁密与反向与发送机的磁场反向(2)只将ZLJ单独加励磁接收机转子励磁磁通在接收机定子绕组中感应电势两机定子绕组回路中引起电流在接收机的气隙中产生合成磁密在发送机气隙中形成合成磁密与反向与接收机的磁场反向把接收机中由ZLF励磁产生的磁密沿向分解成两个分量：(3)发送机和接收机应同时励磁和转子绕组轴线垂直，与励磁电流相互作用，产生电磁力，使励磁绕组转动（逆时针方向）。①一个分量转子绕组轴线方向上,定子合成磁密矢量为：实际方向与接收机励磁磁密相反，起去磁作用，不会使ZLJ的转子旋转。②另一个分量ffffb.转角随动的目的（自动协调，自整角随动）a.协调或同步的目的发送机转子一旦转过一个角度δ，接收机转子就会朝着使角度δ减小的方向转动，当δ＝0时，力矩＝0，停止转动。发送机转子连续转动，则接收机转子便跟着转动。1）控制式自整角机的功用－－角度和位置的检测元件机械角度电信号角度的数字量电压模拟量转换转换精度高，适用于精密的闭环控制的伺服系统。2、控制式自整角机UVWa控制式发送机UVWb自整角变压器ΦΦ'IUIVIW＋Uf－＋U0－1转子处在协调位置时

Φ→EU、EV、EW

不同大小同相位，则IU、IV、IW不同大小同相位→产生纵向脉振磁场Φ'→与输出绕组不交链→U0=0。EUaEVaEWa励磁绕组输出绕组＋Uf－2.转子处在非协调位置时＋Uf－

ΦΦ'Φ→EU、EV、EW→IU、IV、IW→Φ'→Φ'与输出绕组交链→产生E0∝sin

。

即U0∝sin

。Φ'与输出绕组交链的分量EUaEVaEWaUVWa控制式发送机UVWb自整角变压器＋U0－IUIVIWE04.5步进电动机

功能将电脉冲信号转换成转角或转速信号。转角θ∝脉冲信号的个数；转速n∝脉冲信号的频率。与电源、负载、环境等因素无关脉冲放大器步进电动机脉冲分配器脉冲输入负载驱动电源用途高精度的角度控制。在电脉冲的控制下能迅速启动、正反转、停转在很宽的范围内进行转速调节；动作快速；步距小、步距精度高，不丢步和越步；输出转矩大，可直接带动负载。对步进电动机的基本要求是:分类按定子相数不同：三相、四相、五相、六相等；按转子材料不同：永磁式、磁阻式（反应式）。反应式：转子为软磁材料，无绕组；定、转子开小齿、步距小。应用最广。永磁式：转子为永磁材料，转子的极数=每相定子极数，不开小齿，步距角较大，力矩较大感应子式(混合式)：转子为永磁式、两段，开小齿，转矩大、动态性能好、步距角小。但结构复杂，成本较高。4.5.1 步进电动机工作原理几个概念：单：每次切换前后只有一相绕组通电双：每次切换前后有两相绕组通电拍：从一种通电状态转换到另一种通电状态三相步进电动机绕组的通电方式一般有单三拍、单六拍及双三拍等几种。4.5.1 步进电动机工作原理一、三相单三拍运行方式（单拍方式）每次只有一相绕组通电，使步进电机按顺时针或逆时针方向旋转，这种控制方式称为单相控制方式。对三相电动机又称单三拍控制方式，其绕组波形如图1423142314231423U1U2V1V2W2W11.m相单m拍运行（三相单三拍运行）

通电顺序：U相→V相→W

相→U相。①U相通电1423U1U2V1V2W2W11423②V相通电U1U2V1V2W2W1③W相通电14231423一步两步三步※

步距角：θ=30°4.5.1 步进电动机工作原理二、三相双三拍运行方式（双拍方式）三相双三拍运行方式工作比较稳定，功耗比单拍方式相比增大近一倍，其绕组电流波形图2.m相双m拍运行（三相双三拍运行）

通电顺序：UV相→VW相→WU相。1423U1U2V1V2W2W1①UV相通电14231423U1U2V1V2W2W1②VW相通电14231423U1U2V1V2W2W1③WU相通电1423※

步距角：θ=30°142314234.5.1 步进电动机工作原理其绕组电流波形如图二、三相六拍运行方式（单－双拍方式）3.m相单－双2m拍运行(三相单－双六拍运行）通电顺序：U→UV→V→VW→W→WU→U。1423U1U2V1V2W2W111423U1U2V1V2W2W121423U1U2V1V2W2W131423U1U2V1V2W2W141423U1U2V1V2W2W151423U1U2V1V2W2W161423※步距角：

θ=15°每一循环换接6次，总共有6种通电状态，4.5.2 步进电动机类型与结构一、反应式步进电动机图为三相反应式步进电动机结构示意图设转子的齿数为Z，则齿距为：τ＝360º/Z每通电一次，转子就走一步，故步距角β为：式中K为状态系数。4.5.2 步进电动机类型与结构一、反应式步进电动机若步进电动机的Z＝40，三相单三拍运行时，其步距角为：若按三相六拍运行时，步距角为：由此可见，步进电动机的转子齿数Z和定子相数m愈多，则步距角β愈小，控制越精确。如果电脉冲的频率为f（电源频率），则步进电动机转速n4.5.2 步进电动机类型与结构一、反应式步进电动机可见，反应式步进电动机转速只取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，而与电压、负载、温度等因素无关。4.5.2 步进电动机类型与结构一、反应式步进电动机反应式步进电动机可以按特定指令进行角度控制，也可以进行速度控制。当步进电动机的通电方式选定后，其转速只与输入脉冲频率成正比，改变脉冲频率就可以改变转速，故可进行无级调速，调速范围宽。4.5.2 步进电动机类型与结构综上所述，步进电动机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件（温度、压力、冲击和振动等）变化的影响，只与控制脉冲同步。能按照控制的要求进行启动、停止、反转和改变速度。因此被广泛地应用于各种数字控制系统中。4.5.2 步进电动机类型与结构二、永磁式步进电动机永磁式步进电动机的结构如图。与反应式相比，具有控制功率小，内部电磁阻尼较大和断电情况下具有定位转矩等特点。4.5.2 步进电动机类型与结构三、电磁式步进电动机电磁式步进电动机转子的磁极上绕有激磁绕组，绕组中通以直流电以产生直流磁通。与反应式步进电动机相比，有如下特点：输出转矩大而脉冲电流较小低频运行时更稳定可靠高频运行时的矩频特性好4.5.2 步进电动机类型与结构四、永磁反应式（混合式）步进电动机永磁式反应式步进电动机可分为转子带磁钢和定子带磁钢两种。右图是转子带磁钢的典型结构。4.5.2 步进电动机类型与结构永磁反应式步进电动机既具有反应式步进电动机的步距角小和工作频率较高的特点，又具有永磁式步进电动机的控制功率比较小的特点，但结构较复杂，成本也较高。除了三相步进电动机外，常见的还有四相、五相和七相电动机。通常相数越多，输出转矩越平稳。大型电子机械常用三相和五相电动机，而小型精密产品中多采用四相电动机。4.5.3 步进电动机主要特性步进电动机主要特性：步距角及步距误差矩角特性动态矩频特性启动惯频特性单步运行与振荡特性4.5.3 步进电动机主要特性一、步距角及步距误差步距角β即步进电动机每步转过的空间角度。步距角越小，分辨力越高。步距误差即步进电动机每走一步，转子实际的角位移与设计的步距角之间的差值。连续走若干步，步距误差就会形成累积，转一圈范围内步距累积误差的最大值，称为步进电动机的累积误差4.5.3 步进电动机主要特性步距误差和累积误差通常用度(º)、分(')或者步距角的百分比表示。影响步距误差和累积误差的主要因素有：齿与磁极的分度精度；铁心叠压及装配精度；各相矩角特性之间的差别的大小；气隙的不均匀程度等。4.5.3 步进电动机主要特性二、矩角特性矩角特性是反映步进电动机电磁转矩T随偏转角θ变化的关系。定子一相绕组通以直流电后，如果转子上没有负载转矩的作用，转子齿和通电相磁极上的小齿对齐，这个位置称为步进电动机的初始平衡位置。4.5.3 步进电动机主要特性当转子有负载转矩作用时，转子齿就要偏离初始位置，重新平衡后转子齿偏离初始位置的角度称为转子偏转角θ（空间角），对应的电角度θe称为失调角。电角度是空间角度的Z倍，即θe＝ZθZ为电动机定子齿数。4.5.3 步进电动机主要特性电磁转矩T与失调角θe的关系曲线T＝f(θe)称为矩角特性曲线，如图。当θe达到±π/2时，即定子齿与转子齿错开1/4个齿距时，转矩T达到最大值Ts,max，称为最大静转矩。4.5.3 步进电动机主要特性最大静转矩反映了步进电动机带负载能力，是步进电动机最主要的性能指标之一。步进电动机的负载转矩必须小于最大静转矩。在实际使用中，为了能稳定运行，负载转矩一般只能是最大静转矩的0.3～0.5倍。4.5.3 步进电动机主要特性三、动态矩频特性动态矩频特性是指步进电动机所能产生的最大转矩与转速的关系曲线，如图4.5.3 步进电动机主要特性动态矩频特性是选用合适的步进电动机的最重要的指标之一。值得注意：同一电动机在使用不同的驱动方案时的矩频特性相差很大，因而在选用电动机时必须注意所给特性的测试条件。4.5.3 步进电动机主要特性曲线①为单相通电、单电压驱动时的矩频特性；曲线②为单相通电、高低压驱动时的矩频特性；曲线③为双相通电、高低压驱动时的矩频特性。如图为某型号步进电动机在三种不同驱动情况下的矩频特性。4.5.3 步进电动机主要特性从动态矩频特性曲线可见，随着电动机运行频率的提高，输出转矩逐渐下降。4.5.3 步进电动机主要特性高速运行时，相电流平均值降低，在很高速时，当激磁时间结束之前，相绕组里的电流可能尚未达到额定值，波形产生严重失真，如图(b)。相电流的减小使有效转矩减小。低速运行时，相绕组电流近似矩形，如图(a)；4.5.3 步进电动机主要特性绕组断电时相电流的衰减时间在高速运行时也影响很大，因残余电压产生的力矩和转动方向相反，减小了电动机转子的平衡转矩；高速运行时涡流损耗大大增加，且转子运动时在相绕组中产生的感生电动势会严重影响波形中间及前后沿形状，如图(c)。这些都是输出转矩下降的原因。步进电动机由静止突然启动，不失步地进入正常运行所允许的最高启动频率，称为启动频率。4.5.3 步进电动机主要特性四、启动惯频特性步进电动机的启动频率和转子负载惯量之间的关系称为启动惯频特性或牵入特性。如图4.5.3 步进电动机主要特性四、启动惯频特性在实际应用中，为了使电动机能正确地从静止状态启动到高频工作状态或反之，必须使用软硬件方法使电动机速度逐渐上升或下降，避免速度的突然跳变。4.5.3 步进电动机主要特性五、单步运行与振荡典型地步进电动机单步振荡曲线如图返回本章目录解决方法：使用粘性耦合的惯性阻尼器，使转子振荡快速衰减，该部件在速度迅速变化的情况下会产生粘性摩擦转矩，但不会妨碍恒速工作。4.5.3 步进电动机主要特性五、单步运行与振荡典型地步进电动机单步振荡曲线如图在需要频繁起停的精确定位系统中，单步振荡会对系统性能带来相当不利的影响。返回本章目录

三相步进电动机的典型结构U2U1W2W1V1V2定转子开小齿定转子均为软磁材料，硅钢片叠成小步距1.定子2.转子一、基本结构四相反应式步进电动机的结构步进电动机步进电动机PK系列：

5相为0.72°步距角的大转矩、低振动步进电动机。

2相为0.9°~1.8°步距角的大转矩、低振动步进电动机。5相步进电动机二、工作原理

一拍从一次通电到另一次通电。步距角每一拍转子转过的角度。(1)m相单m拍运行（三相单三拍运行）(2)m相双m拍运行（三相双三拍运行）(3)m相单－双2m拍运行（三相单－双六拍运行）三相磁阻式步进电动机原理图1423U1U2V1V2W2W1每来一个电脉冲，转子转过30

。此角称为步距角，用

表示。转速取决于各控制绕组通电和断电的频率(即输入的脉冲频率)，旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。“三相”：步进电动机具有三相定子绕组；“单”：每次只有一相绕组通电；“三拍”：三次换接为一个循环，第四次换接重复第一次的情况。

三相单三拍运行

三相六拍工作过程：A相通电，转子1、3齿和A相对齐。CA'BB'C'A3412供电方式：A-AB-B-BC-C-CA-A……

每一循环换接6次，总共有6种通电状态，所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA'通电，转子转了15°。（1）BB'

磁场对2、4齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动。A、B相同时通电（2）AA'

磁场继续对1、3齿有拉力。CA'BB'C'A3412150总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为15

。CA'BB'C'A3412B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15

。300以上三种工作方式，三相双三拍和三相六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。小步距角的步进电动机实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5

度。为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子40个齿，定子仍是6个磁极，但每个磁极上也有5个齿。转子的齿距等于360

/40=9

,为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。(1)步进电动机工作时，每相绕组由专门驱动电源通过“环形分配器”按一定规律轮流通电。

三、步进电动机基本特点

三相双三拍运行时各相控制电压波形图

在一次循环里，控制电压脉冲有3个，每相脉冲电压只通电1次

步进电动机这种轮流通电的方式——分配方式；每循环一次所包含的通电状态数——拍数N；状态数＝相数——单拍制分配方式；状态数＝相数的两倍——双拍制分配方式；每循环一次，控制电脉冲Uk的个数=拍数N，加在每相绕组上的脉冲电压(或电流)个数=1，步进机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为步距角。N:一个周期的运行拍数Z：转子齿数（2）步距角拍数：N=kmk=1单拍制2双拍制m:相数机械角度例如：三相步进电动机z=40，则①采用单/双三拍时：②采用三相六拍时：θ=360°zN360°40×3==3°θ=360°zN360°40×6==1.5°增加相数，但电源及电机的结构会变复杂。采用双拍制。为了提高工作精度，要求步距角很小。

方法一：增加拍数N=KM方法二：增加转子齿数Z(3)转速：每输入一个脉冲，电机转过因此每分钟转过的圆周数，即转速为即转过整个圆周的,也就是转脉冲频率是f，则每秒钟转：转转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数；当转子齿数一定时，转子旋转速度与输入脉冲频率成正比，或者说其转速和脉冲频率同步。改变脉冲频率可以改变转速，故可进行无级调速，调速范围很宽。若改变通电顺序，即改变定子磁场旋转的方向，就可以控制电机正转或反转。每输入一个脉冲，输出轴转过一个角度，输出轴转动的角位移量与输入脉冲数成正比。

步进电动机是用电脉冲进行控制的电机。由式可见：转速用步距角来表示：f一定时，步距角越小，n越低，输出功率越小。从提高加工精度上要求，应选用小的步距角从提高输出功率上要求，步距角又不能取得太小。可见：（4）步进电机具有自锁能力当控制脉冲停止输入、而使最后一个脉冲控制的绕组继续通电时，电机可以保持在固定位置，实现停车时转子定位。（5）步进电动机的参数

最大静转矩、起动频率、运行频率。电机不失步起动的最高频率电机不失步运行的最高频率9.6旋转变压器（BR）1.功能将转子转角变换成与之有函数关系的电压信号。应用在伺服系统、数据传输系统和随动系统中；在控制系统中，可作为解算元件，主要用于坐标变换，三角函数变换等；在随动系统中，可用于传输与转角相应的电信号；还可用作移相器和角度－数字转换装置第9章控制电机一种精密测位用的机电元件

原理是一种能旋转的变压器，其一、二次绕组分布装在定、转子上。结构相当于一台两相绕线型异步电动机。定、转子铁心上都有两个结构相同而互相垂直的绕组。按用途分计算用和数据传输用旋转变压器。1.正余弦旋转变压器2.线性旋转变压器*3.比例式旋转变压器第9章控制电机2.分类：按输出电压和转子转角间的关系分4.特殊函数旋转变压器按电机极对数的多少来分：单极对多极对：可提高系统的稳定性

根据数据传输在系统中的具体用途,可分为：旋变发送机旋变差动发送机旋变变压器按有无电刷和滑环之间的滑动，分为：接触式无接触式一、正余弦旋转变压器

将转子转角变换成与之成正余弦函数关系的电压信号。

定子

D1D2：励磁绕组。

D3D4

：补偿绕组。

转子

Z1Z2：余弦输出绕组。

Z3Z4：正弦输出绕组。D1D2D3D4Z1Z2Z3Z4基准位置（初始位置）9.6旋转变压器1.空载运行D1D2D3D4Z1Z2Z3Z4＋Uf－＋Ucos－＋Usin－转子处在基准位置时ID12Uf

→ID12→FDd→Φd

转子处在基准位置时在D1D2中：Φd→ED

在Z1Z2中：Φd→EZ

ED

=

4.44fkw1N1ΦdmEZ

=

4.44fkw2N2ΦdmUf=ED（忽略漏阻抗）

Ucos=EZ=kED=kUfUsin=0k==EZEDkw2N2kw1N19.6旋转变压器

转子偏离基准位置

角时转子偏离基准位置

角Z1Z2Z3Z4＋Ucos－＋Usin－D1D2D3D4＋Uf－ID12

ΦZ12=Φdcos

ΦZ34=Φdsin

EZ12=

EZ

cos

=

kEDcos

=kUfcos

EZ34=

EZ

sin

=

kEDsin

=

kUfsin

空载输出电压：

Ucos=kUfcos

Usin=kUfsin

9.6旋转变压器Z1Z3Z4Z2＋Ucos－＋Usin－

d

Z34

Z12

设Z1Z2接负载2.负载运行D1D2D3D4＋Uf－ID12Z1Z3Z4Z2＋Ucos－＋Usin－

ZL

EZ12→IZ12→FZ12FZd

(纵向)FZq

(横向)

FZqFZdFZ12FZd

=FZ12cos

FZq=FZ12sin

FDd

(定子)FZd

(转子)ΦdFZq→ΦZq→EZ12、EZ34''EZ12=kUfcos

＋EZ12''EZ34=kUfsin

＋EZ34IZ12∝cos

∝sin

9.6旋转变压器﹡负载后输出特性的畸变图

输出特性的畸变

﹡输出特性畸变的原因

－－交轴分量磁通密度BZq的作用﹡在一定转角下,负载电流愈大,它所产生的电动势也愈大,输出特性曲线畸变也愈严重。﹡设法消除交轴磁通的影响补偿定子补偿转子补偿双边补偿定子D1D2励磁绕组接交流电压；转子Z1Z2正弦绕组接负载ZL；

Z3Z4绕组开路。定子交轴绕组D3D4短