《机电传动控制》课件第3章

3.1直流电动机3.2三相异步电动机3.3单相异步电动机3.4伺服电机3.5步进电机3.6自整角机小结习题与思考题3.1.1直流电动机的构造

直流电动机的结构如图3-1所示，它主要由定子、转子和机座组成。3.1直流电动机图3-1直流电动机的结构示意图

1.定子

定子又称磁极，其作用是在电动机中产生磁场。定子包括极芯和极掌等。极芯上放置励磁绕组；极掌的作用是提供一种分布最合适的磁感应强度，并用于固定励磁绕组。磁极一般用硅钢片叠装而成。

2.转子

转子又称电枢，其作用是引入电动势。转子包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、轴和风扇等。电枢铁芯呈圆柱状，由硅钢片叠装而成，表面冲有槽，槽中放电枢绕组。

3.机座

直流电动机的机座有两种形式，一种为整体机座，另一种为叠片机座。整体机座使用导磁效果较好的铸钢材料制成，该种机座能同时起到导磁和机械支撑作用。叠片机座是用薄钢板冲片叠压成定子铁轭，再把定子铁轭固定在一个起支撑作用的机座里，这样定子铁轭和机座是分开的，机座只起支撑作用，可用普通钢板制成。3.1.2直流电动机的工作原理

直流电动机的工作原理简图如图3-2所示。

图中，电枢由原动机驱动在磁场中旋转，电枢线圈的两根有效边便切割磁力线，感应出电动势。线圈随电枢铁芯转动时，每一有效边中的电动势是交变的，即在N极下是一个

方向，当它转到S极下是另一个方向。但由于电刷A总是同与N极下的一边相连的换向片接触，而电刷B总是同与S极下的一边相连的换向片接触，因此在电刷上就出现一个极性不变的电动势或电压。图3-2直流电动机的工作原理简图在电刷A、B之间加上直流电压U，电枢线圈中的电流流向为:N极下的有效边中的电流总是一个方向，而S极下的有效边中的电流总是另一个方向。这样两个有效边中受到的电

磁力的方向一致，电枢开始转动。通过换向器可以实现线圈的有效边从一个磁极(如N极)转到另一个磁极下(如S极)时，电流的方向同时发生改变，从而电磁力或电磁转矩的方向不发生改变。电磁转矩是驱动转矩，其大小为T=CTΦIa。3.1.3直流电动机的分类

直流电动机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。

根据励磁方式的不同，直流电动机可分为下列几种类型

1.他励直流电动机

励磁绕组与电枢绕组无连接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电动机称为他励直流电动机，其接线如图3-3(a)所示，图中M表示电动机。永磁直流电动机也可看做他励直流电动机。图3-3直流电动机的类型简图(a)他励式；(b)并励式；(c)串励式；(d)复励式

2.并励直流电动机

并励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组相并联，其接线如图3-3(b)所示。并励直流电动机的励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。

3.串励直流电动机

串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，其接线如图3-3(c)所示。这种直流电动机的励磁电流就是电枢电流。

4.复励直流电动机

复励直流电动机有并励和串励两个励磁绕组，其接线如图3-3(d)所示。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同，则称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。

不同励磁方式的直流电动机有着不同的特性。一般情况下，直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式。3.1.4直流电动机的特性

1.直流电动机的基本方程

直流电动机等效电路图如图3-4所示。直流电动机的电磁转矩和电压平衡方程分别为:

T=CmΦIa

(3-1)

U=E+IaRa

(3-2)

E=CeΦn

(3-3

T=T1+T0

(3-4)

(3-5)

(3-6)

式中:T——直流电动机的电磁转矩；

Cm——转矩常数；

Φ——电动机每极磁通；

Ia——电枢电流；

E——电动机的电动势；Ce——电动机常数；

Ra——负载等效电阻；

n——电动机转速；

T1——电动机转轴上的输出机械转矩，即负载转矩；

T0——空载转矩；

p——电枢绕组磁极对数；

N——电枢导体总数；

a——并联支路对数。图3-4直流电动机的等效电路图

2.直流电动机的工作特性(以他励直流电动机为例)

直流电动机的工作特性是指供给电机额定电压UN、额定励磁电流IfN时，转速与负载电流之间的关系、转矩与负载电流之间的关系及效率与负载电流之间的关系，分别称为电动机的转速特性、转矩特性和效率特性。

1)转速特性

他励直流电动机的转速特性可表示为n=f(Ia)，把式(3-3)代入式(3-2)并整理得

(3-7)

此式即为转速特性的表达式。可见，转速与负载电流按线性关系变化，当负载电流增加时，转速有所下降。他励直流电动机的工作特性如图3-5所示。图3-5他励直流电动机的工作特性

2)转矩特性

当U=UN，If=IfN时，T=f(Ia)的关系称为转矩特性。由式(3-1)可得电动机转矩特性的表达式如下:

T=CmΦNIa

(3-8)

在忽略电枢反应的情况下，电磁转矩与电枢电流成正比。若考虑电枢反应使主磁通略有下降，则电磁转矩上升的速度比电流上升的速度要慢一些，曲线的斜率略有下降。

3)效率特性

当U=UN，If=IfN时，η=f(Ia)的关系称为效率特性。

(3-9)

空载耗损P0是不随负载电流变化的，当负载电流较小时效率较低，输出的功率大部分消耗在空载损耗上；当负载电流增大时效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但当负载电流大到一定程度时，铜损快速增大，此时效率又开始变小。3.1.5直流电动机的运行与控制

1.直流电动机的启动

直流电动机的启动可由式(3-10)描述，即

(3-10)

直流电动机直接启动时的启动电流很大，达到额定电流的10～20倍，因此必须限制启动电流。限制启动电流的方法就是启动时在电枢电路中串接启动电阻Rst。一般规定，启动电流不应超过额定电流的1.5～2.5倍。启动时将启动电阻调至最大，待启动后，随着电动机转速的上升将启动电阻逐渐减小。

2.直流电动机的调速

根据直流电动机的转速公式可知，直流电动机的调速方法有三种:改变磁通Φ调速、改变电枢电压U调速和电枢串联电阻调速。

改变磁通调速的优点是调速平滑，可做到无级调速；调速经济，控制方便；机械特性较硬，稳定性较好。但由于电动机在额定状态运行时磁路已接近饱和，因此通常只是减小磁通将转速往上调，调速范围较小。改变电枢电压调速的优点是不改变电动机机械特性的硬度，稳定性好；控制灵活、方便，可实现无级调速；调速范围较宽，可达到6～10(电动机最高转速与最低转速的比值)。但电枢绕组需要一个单独的可调直流电源，设备较复杂。

电枢串联电阻调速方法简单、方便，但调速范围有限，机械特性变软，且电动机的损耗增大太多，因此只适用于调速范围要求不大的中、小容量直流电动机的调速场合。

3.直流电动机的制动

直流电动机的制动有能耗制动、反接制动和发电反馈制动三种。

能耗制动是在停机时将电枢绕组接线端从电源上断开后立即与一个制动电阻短接，由于惯性，短接后电动机仍保持原方向旋转，电枢绕组中的感应电动势仍存在并保持原方向，但因为没有外加电压，电枢绕组中的电流和电磁转矩的方向改变了，即电磁转矩的方向与转子的旋转方向相反，起到了制动作用。反接制动是在停机时将电枢绕组接线端从电源上断开后立即与一个相反极性的电源相接，电动机的电磁转矩立即变为制动转矩，使电动机迅速减速至停转。

发电反馈制动是在电动机转速超过理想空载转速时，电枢绕组内的感应电动势将高于外加电压，使电机变为发电状态运行，电枢电流改变方向，电磁转矩成为制动转矩，限制电机转速过分升高。3.2.1三相异步电动机的结构与转动原理

1.三相异步电动机的结构

三相异步电动机主要由定子和转子两部分组成，这两部分之间由气隙隔开。根据转子结构的不同，它可分成笼型和绕线型两种。图3-6为三相笼型异步电动机的结构。3.2三相异步电动机图3-6三相笼型异步电动机的结构

1)定子

定子由定子铁芯、定子绕组和机座三部分组成。

定子铁芯是电机磁路的一部分，它由0.5mm厚、两面涂有绝缘漆的硅钢片叠成，如图3-7所示。

定子绕组是电机的电路部分，它用铜线缠绕而成，三相绕组根据需要可接成星(Y)形和三角(△)形，由接线盒的端子板引出。

机座是电动机的支架，一般用铸铁或铸钢制成。图3-7定子铁芯冲片

2)转子

转子铁芯由0.5mm厚、两面涂有绝缘漆的硅钢片叠成，如图3-8所示。

笼型转子绕组的结构如图3-9(a)所示。

绕线型转子绕组的结构与定子绕组相似，如图3-10所示。转轴由中碳钢制成，其两端由轴承支撑着，用来输出转矩。图3-8转子铁芯冲片图3-9笼型转子图3-10绕线型异步电动机接线

3)旋转磁场

三相异步电动机的三相绕组用三个线圈U1-U2、V1-V2、W1-W2表示，它们在空间互差120°电角度，采用Y形连接，如图3-11所示。图3-11对称三相定子绕组设流过三相线圈的电流分别为:

iU=Imsinωt

(3-11)

iV=Imsin(ωt-120°)

(3-12)

iW=Imsin(ωt+120°)(3-13)

假定电流的正方向由线圈的始端流向末端，其波形如图3-12所示。图3-12三相定子电流波形由于电流随时间而变，因此电流流过线圈产生的磁场分布情况也随时间而变，现研究几个瞬间，如图3-13所示。图3-13三相两极旋转磁场

(1)在ωt=0°瞬间，由图3-12看出，iU=0，U相没有电流流过，iV

为负，表示电流由末端流向首端(即V2端为，V1端为⊙)；iW为正，表示电流由首端流入(即W1端为，W2端为⊙)，如图3-13(a)所示。这时三相电流所产生的合成磁场方向由右手螺旋定则判得为水平向右，如图3-13(a)所示。

(2)在ωt=120°瞬间，三相合成磁场顺相序方向旋转了120°，如图3-13(b)所示。

(3)在ωt=240°瞬间，合成磁场又顺相序方向旋转了120°，如图3-13(c)所示。

(4)在ωt=360°(即为0°)瞬间，又转回到(1)的情况，如图3-13(d)所示。由此可见，三相绕组通入三相交流电流时，将产生旋转磁场。若满足两个对称(即绕组对称、电流对称)，则此旋转磁场的大小便恒定不变(称为圆形旋转磁场)。

由上图可看出，旋转磁场的旋转方向与相序方向一致，如果改变相序，则旋转磁场的旋转方向也就随之改变。三相异步电动机的反转正是利用这个原理设计的。

旋转磁场的转速(同步速度)为

(3-14)式中:f1——电网频率;

p——磁极对数。

2.三相异步电动机转动原理

图3-14是三相异步电动机的工作原理图。图3-14三相异步电动机的工作原理图

(1)电生磁:定子三相绕组U、V、W，通三相交流电流产生旋转磁场，其转向与相序一致，为顺时针方向。假定该瞬间定子旋转磁场方向向下。

(2)(动)磁生电:定子旋转磁场旋转切割转子绕组，在转子绕组感应电动势，其方向由“右手螺旋定则”确定。由于转子绕组自身闭合，便有电流流过，并假定电流方向与电动势方向相同，如图3-14所示。

(3)电磁力(矩):这时转子绕组感应电流在定子旋转磁场作用下，产生电磁力，其方向由“左手螺旋定则”判断，如图3-14所示。该力对转轴形成转矩(称电磁转矩)，并可见，它的方向与定子旋转磁场(即电流相序)一致，于是，电动机在电磁转矩的驱动下，以n的速度顺着旋转磁场的方向旋转。n<n1(有转速差)是异步电动机旋转的必要条件，异步的名称也由此而来。异步电动机的转速差n1-n与旋转磁场转速n1的比率，称为转差率，用s表示，即

(3-15)

转差率是分析异步电动机运行的一个重要参数，在启动瞬间，n=0，s=1；空载运行时，n≈n1，s≈0。因此对异步电动机来说，s在1～0范围内变化，由上式推得:

n=(1-s)n1

在正常运行范围内，异步电动机的转差率很小，仅为0.01～0.06。3.2.2三相异步电动机的电磁转矩与机械特性

1.三相异步电动机的电磁转矩

1)电磁转矩的物理表达式

由工作原理可知，电磁转矩与转子电流有功分量(

)及定子旋转磁场的每极磁通(Φ0)成正比，即

(3-16)式中:CT——计算转矩的结构常数；

cosφ2——转子回路的功率因数。

当磁通一定时，电磁转矩与转子电流有功分量成正比，而并非与转子电流成正比。

由式(3-16)可见，Tem∝。

2)电磁转矩的参数表达式

经推导还可以算出电磁转矩与电动机参数之间的关系:

(3-17)式中:CT——电动机结构常数；

R2——转子绕组电阻；

X20——转子不转时转子绕组漏抗。

2.三相异步电动机的机械特性

1)机械特性曲线

根据电磁转矩的参数表达式可得T=f(s)之间的关系曲线，该曲线称为T-s曲线，如图3-15所示。

由n=(1-s)n1关系，可将T-s关系改为n=f(T)关系，此即为异步电动机的机械特性，如图3-16所示。它直接反映了当电动机转矩变化时，转速的变化情况。图3-15三相异步电动机的T-s曲线图3-16三相异步电动机的机械特性

2)稳定运行区和不稳定运行区

(1)稳定运行区:机械特性曲线的AB段。

在机械特性曲线的AB段，即n1>n>nm区段，当作用在电动机轴上的负载转矩发生变化时，电动机能适应负载的变化而自动调节达到稳定运行，故为稳定区。

该区段机械特性较硬，适用于金属切削机床等工作机械。

(2)不稳定运行区:机械特性曲线的BC段，即nm>n>0区段。

因电动机工作在该区段，其电磁转矩不能自动适应负载转矩的变化，故为不稳定运行区。

3)三个特征转矩

(1)额定转矩TN。

额定转矩是电动机额定运行时的转矩，可由铭牌上的PN和nN求取，即

(3-18)

TN的单位为N·m，PN的单位为kW。

例1

有两台功率相同的三相异步电动机，一台PN=7.5kW

，UN=380V，nN=962r／min，另一台PN=7.5kW，UN=380V，nN=1450r／min，试求它们的额定转矩。

解由式(3-18)得,

(2)最大转矩Tm。

由机械特性曲线可知，电动机有最大转矩Tm。

令=0，解得产生最大转矩的临界转差率为

(3-19)

(3-20)由上两式可知:

①sm∝R2，而与U1无关；

②Tm∝，而与R2无关。

改变电源电压U1和电阻R2的机械特性如图3-17所示。

注意:过载能力是指最大转矩与额定转矩之比，也称做最大转矩倍数，用λT表示，即

(3-21)图3-17对应于不同U1和R2的机械特性曲线一般三相异步电动机的λT在1.8～2.2的范围内。

(3)启动转矩Tst。

电动机启动瞬间，即n=0，s=1时的转矩叫启动转矩，用Tst表示，

(3-22)

启动转矩也与电源电压、转子电阻有关。电源电压U1降低，则启动转矩Tst减小。转子电阻适当增大，则启动转矩增大。当转子电阻R2=X20时，sm=1，故此时Tst=Tm。当R2继续

增大时，启动转矩又开始减小。启动转矩倍数是指最大转矩与额定转矩之比，用Kst

表示，即

(3-23)

它反映电动机启动负载的能力。一般三相异步电动机的Kst=1.0～2.2。3.2.3三相异步电动机的铭牌和技术数据

铭牌的作用是向使用者简要说明这台设备的一些额定数据和使用方法。如一台三相异步电动机的铭牌数据如表3-1所示。表3-1三相异步电动机的铭牌数据

(1)型号:由产品代号(汉语拼音字母)、电动机中心高、机座长度代号和磁极数四部分组成。

产品代号:Y为三相异步电动机；YR为绕线式异步电动机；YB为防爆型异步电动机；YQ为高启动转矩异步电动机。表3-2给出了新旧产品代号对照表。表3-2异步电动机新旧产品代号对照表电动机中心高:单位为mm。

机座长度代号:M表示中机座，L表示长机座，S表示短机座。

磁极数:用阿拉伯数字表示。

例如，Y112M-4中，“Y”表示三相异步电动机，“112”表示电动机的中心高为112mm,“M”表示中机座，“4”表示4极电动机。

(2)额定功率PN:指电动机在额定状况下运行时，转子轴上输出的机械功率，单位为kW。

(3)额定电压UN:指电动机在额定运行情况下，三相定子绕组应接的线电压值，单位为V。

(4)额定电流IN:指电动机在额定运行情况下，三相定子绕组的线电流值，单位为A。三相异步电动机额定功率、电流、电压之间的关系为

(3-24)

对380V低压异步电动机，IN≈2PN。

(5)额定转速nN:指额定运行时电动机的转速，单位为r／min。

(6)额定频率f:我国电网频率为50Hz，故国内异步电动机频率均为50Hz。

(7)接法:电动机定子三相绕组有Y形连接和△形连接两种，如图3-18所示。图3-18三相异步电动机的接线方式

(8)温升及绝缘等级:温升是指电机运行时绕组温度允许高出周围环境温度的数值，但允许高出数值的多少由该电机绕组所用绝缘材料的耐热程度决定。绝缘材料的耐热程度称为绝缘等级，不同的绝缘材料，其最高允许温升是不同的。中、小电动机常用的绝缘材料分五个等级，如表3-3所示，其中最高允许温升值是按环境温度40℃计算出来的。

(9)工作方式:连续工作制、短时工作制和断续周期工作制。表3-3绝缘材料温升限值三相异步电动机的选择原则如下所述:

1.功率选择

选择额定功率最为重要，选择功率的原则是在满足生产机械负载要求的前提下，最经济合

理地确定电动机功率。

2.结构形式的选择

为防止电动机被周围介质所损坏，或因电动机本身的故障而引起灾害，必须根据具体的环

境选择适当的防护形式。电动机常见防护形式有开启式、防护式和封闭式(适用于多尘、水

土飞溅场合)和防爆式四种。

3.类型的选择

可根据生产机械的要求选择笼型电动机或是绕线型电动机。

4.电压的选择

电动机电压的选择主要取决于电动机运行场地供电网的电压等级，另外还需考虑电动机的类型和功率。一般车间等低压电网均是380V，因此中、小容量的Y系列电动机额定电压均为380V，只有大功率异步电动机才采用3kV或6kV的高压电动机。

5.转速的选择

电动机额定转速是根据生产机械的要求而选定的，同时还需考虑机械减速机构的传动比。通常，电动机转速不低于500r／min。单相异步电动机由单相电源供电，它广泛应用于家用电器和医疗器械中，如电风扇、电冰箱、洗衣机、空调设备等都使用单相异步电动机作为原动机。

从结构上看，单相异步电动机与三相笼型异步电动机相似，其转子也为笼型，只是定子绕组为一单相工作绕组。通常为启动的需要，定子上除了有工作绕组外，还设有启动绕组，它的作用是产生启动转矩，一般只在启动时接入，当转速达到70％～85％的同步转速时，由离心开关将其从电源自动切除，所以正常工作时只有工作绕组在电源上运行。3.3单相异步电动机但也有一些电容或电阻电动机，在运行时将启动绕组接于电源上，这实质上相当于一台两相电机，但由于它接在单相电源上，故仍称为单相异步电动机。下面分别介绍单相异步电动机的基本工作原理和主要类型。图3-19为一单相异步电动机的结构示意图。图3-19单相异步电动机结构3.3.1单相异步电动机的工作原理

单相交流绕组通入单相交流电流产生脉动磁动势，这个脉动磁动势可以分解为两个幅值相等、转速相同、转向相反的旋转磁动势F+和F-，从而在气隙中建立正转和反转磁通Φ+和Φ-。这两个旋转磁场切割转子导体，并分别在转子导体中产生感应电动势和感应电流。图3-20单相异步电动机的磁场和转矩感应电流与磁场相互作用产生正向和反向电磁转矩和，如图3-20所示。企图使转子正转；企图使转子反转。这两个转矩叠加起来就是推动电动机转动的合成转矩Tem

。不论是还是，它们的大小与转差率的关系和三相异步电动机的情况是一样的。若电动机的转速为n，则对正转磁场而言，转差率s+为

(3-25)

而对反转磁场而言，转差率s-为

(3-26)

即当s+=0时，相当于s-=2；当s-=0时，相当于s+=2。三相异步电机的n(s)=f(Tem)曲线如图3-21所示。当转子转速n=n1时，转差率s=0;当转子静止时，s=1；当转子反向同步运转时，则s=2。图3-21三相异步电动机的s(n)=f(Tem)曲线单相异步电动机s+与的变化关系同三相异步电动机的s=f(Tem)特性相似。

单相异步电动机的s=f(Tem)曲线是由s+=f(

)与s-=f(

)两根特性曲线叠加而成的，如图3-22所示。由图可见，单

相异步电动机有以下几个主要特点:

(1)当转子静止时，正、反向旋转磁场均以速度n1朝相反的两个方向切割转子绕组，在转子绕组中感应出大小相等而相序相反的电动势和电流，它们分别产生大小相等而方向相反的两个电磁转矩，使其合成的电磁转矩为零。即启动瞬间，n=0，s=1，Tem=

+=0，说明单相异步电动机无启动转矩，如不采取其他措施，电动机不能启动。由此可知，三相异步电动机电源断一相时，相当于一台单相异步电动机，故不能启动。图3-22单相异步电动机的s(n)=f(Tem)曲线

(2)当s≠1时，Tem≠0，且Tem无固定方向，则Tem取决于s的正负。若用外力使电动机转动起来，则s+或s-不为1时，合成转矩不为零。这时，若合成转矩大于负载转矩，则即使去

掉外力，电动机也可以旋转起来。因此单相异步电动机虽无启动转矩，但一经启动，便可达到某一稳定转速工作，而旋转方向则取决于启动瞬间外力矩作用于转子的方向。

由此可知，三相异步电动机运行中断掉一相时，电机仍能继续运转，但由于存在反向转矩，使合成转矩减小，当负载转矩TL不变时，使电动机转速下降，转差率上升，定、转子电流增加，从而使得电动机温升增加。

(3)由于反向转矩的作用，使合成转矩减小，最大转矩也随之减小，故单相异步电动机的过载能力较低。3.3.2单相异步电动机的主要类型

为了使单相异步电动机能够产生启动转矩，关键是启动时如何在电动机内部形成一个旋转磁场。根据获得旋转磁场方式的不同，单相异步电动机可分为分相电动机和罩极电动

机两大类型。

1.分相电动机

在分析交流绕组磁动势时曾得出一个结论，只要在空间不同相的绕组中通入时间上不同相的电流，就能产生一旋转磁场，分相启动电动机就是根据这一原理设计的。

分相启动电动机包括电容启动电动机、电容电动机和电阻启动电动机。

1)电容启动电动机

定子上有两个绕组，一个称为主绕组(或称为工作绕组)，用1表示，另一个称为辅助绕组(或称为启动绕组)，用2表示，两绕组在空间相差90°。在启动绕组回路中串接启动电容C，作电流分相用，并通过离心开关S或继电器触点S与工作绕组并联在同一单相电源上，如图3-23(a)所示。因工作绕组呈阻感性，故滞后于。若适当选择电容C，可使流过启动绕组的电流超前190°，如图3-23(b)所示，这就相当于在时间相位上互差90°的两相电流流入在空间相差90°的两相绕组中，便在气隙中产生旋转磁场，并在该磁场作用下产生电磁转矩，使电动机转动。图3-23单相电容启动电动机(a)电路图；(b)相量图这种电动机的启动绕组是按短时工作设计的，所以当电动机转速达70％～85％同步转速时，启动绕组和启动电容器C就在离心开关S的作用下自动退出工作，这时电动机就在工

作绕组单独作用下运行。

欲改变电容启动电动机的转向，只需将工作绕组或启动绕组的两个出线端对调，也就是改变启动时旋转磁场的旋转方向即可。

2)电容电动机

在启动绕组中串入电容后，不仅能产生较大的启动转矩，而且运行时还能改善电动机的功率因数和提高过载能力。图3-24单相电容电动机为了改善单相异步电动机的运行性能，电动机启动后，可不切除串有电容器的启动绕组，这种电动机称为电容电动机，如图3-24所示。

电容电动机实质上是一台两相异步电动机，因此启动绕组应按长期工作方式设计。

须指出，由于电动机工作时比启动时所需的电容小，因此在电动机启动后，必须利用离心开关S把启动电容Cst

切除，工作电容C便与工作绕组及启动绕组一起参与运行。

使电容电动机反转的方法与电容启动电动机相同，即把工作绕组或启动绕组的两个出线端对调就可以了。

3)电阻启动电动机

电阻启动电动机的启动绕组的电流不用串联电容而用串联电阻的方法来分相，但由于此时与之间的相位差较小，因此其启动转矩较小，只适用于空载或轻载启动的场合。2.罩极电动机

罩极电动机的定子一般都采用凸极式的，工作绕组集中绕制，套在定子磁极上。在极靴表面的1/3～1/4处开有一个小槽，并用短路铜环把这部分磁极罩起来，故称为罩极电动机。

短路铜环起了启动绕组的作用，称为启动绕组。罩极电动机的结构如图3-25(a)所示。图3-25单相罩极电动机(a)绕组接线图；(b)相量图当工作绕组通入单相交流电流后，将产生脉动磁通，其中一部分磁通不穿过短路铜环，另一部分磁通则穿过短路铜环。由于与都是由工作绕组中的电流产生的，故

与同相位，并且Φ1>Φ2。由脉动磁通在短路环中产生感应电动势，它滞后90°。由于短路铜环闭合，在短路铜环中就有滞后于为φ角的电流产生，该电流又产生与同相的磁通，它也穿链于短路环，因此罩极部分穿链的总磁通为

，如图3-24(b)所示。由此可见，未罩极部分磁通与被罩极部分磁通，不仅在空间而且在时间上均有相位差，因此它们的合成磁场将是一个由超前相转向滞后相的旋转磁场(即由未罩极部分转向罩极部分)，由此产生的电磁转矩，其方向也为由未罩极转向罩极部分。3.3.3单相异步电动机的应用

单相异步电动机与三相异步电动机相比，其单位容量的体积大，且效率及功率因数均较低，过载能力也较差。因此，单相异步电动机只做成微型的，功率一般在几瓦至几百瓦之间。

单相异步电动机由单相电源供电，因此它广泛应用于家用电器、医疗器械及轻工设备中。其中，电容启动电动机和电容电动机启动转矩比较大，容量可做到几十到几百瓦，常用于吊扇、空气压缩机、电冰箱和空调设备中。罩极电动机结构简单，制造方便，但启动转矩小，多用于小型风扇、电动机模型和电唱机中，容量一般在30～40W。由于单相异步电动机有一系列的优点，因此它的使用领域越来越广泛。限于篇幅，这里仅对单相异步电动机应用于电风扇的情况加以介绍。

电风扇是利用电动机带动风叶旋转来加速空气流动的一种常用的电动器具。它由风叶、扇头、支撑结构和控制器四部分组成。在常用单相交流电风扇中，一般使用单相罩极异步电动机和单相电容运转异步电动机。这是因为电动机在电风扇中的基本作用是驱动风叶旋转，因此它的功率要求和主要尺寸都取决于风叶的功率消耗。一般风叶的功率消耗与其转速的三次方成比例关系，因此启动时功率要求较低，随着转速的增加，功率消耗迅速增加。以上两种电机较适宜于此类负载。

家用电扇一般都要求能调速，单相异步电动机的调速方法有变极调速、降压调速(又分为串联电抗器、串联电容器、自耦变压器和串联晶闸管调压调速等方法)、抽头调速等。伺服电机又称为执行电机，是控制电机的一种。伺服电机可以把输入的电压信号变换成电机轴上的角位移和角速度等机械信号输出。

按伺服电机的控制电压来分，伺服电机可分为直流伺服电机和交流伺服电机两大类。直流伺服电机的输出功率通常为1～600W，用于功率较大的控制系统中。交流伺服电机的输出功率较小，一般为0.1～100W，用于功率较小的控制系统中。

伺服电机在控制系统中一般用作执行元件。3.4伺服电机3.4.1直流伺服电机

1.直流伺服电机的结构

直流伺服电机的控制电源为直流电压。根据其功能可分为普通型直流伺服电机、盘型电枢直流伺服电机、空心杯电枢直流伺服电机和无槽直流伺服电机等。

1)普通型直流伺服电机

普通型直流伺服电机的结构与他励直流电机的结构相同，由定子和转子两大部分组成。根据励磁方式它又可分为电磁式和永磁式两种。电磁式伺服电机的定子磁极上装有励磁绕组，励磁绕组接励磁控制电压产生磁通；永磁式伺服电机的磁极是永磁铁，其磁通是不可控的。

与普通直流电机相同，直流伺服电机的转子一般由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内装有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷与外边电枢控制电路相连接。为提高控制精度和响应速度，伺服电机的电枢铁芯长度与直径之比比普通直流电机的大，气隙也较小。当定子中的励磁磁通和转子中的电流相互作用时，就会产生电磁转矩驱动电枢转动，恰当地控制转子中电枢电流的方向和大小，就可以控制伺服电机的转动方向和转动速度。电枢电流为零时，伺服电机则停止不动。普通的电磁式和永磁式直流伺服电机的性能接近，它们的惯性比其他类型伺服电机的大。

2)盘型电枢直流伺服电机

盘型电枢直流伺服电机的定子由永久磁铁和前、后铁轭共同组成，磁铁可以在圆盘电枢的一侧，也可在其两侧。盘型伺服电机的转子电枢由线圈沿转轴的径向圆周排列，并用环氧树脂浇注成圆盘型。盘型绕组中通过的电流是径向电流，而磁通为轴向的，径向电流与轴向磁通相互作用而产生电磁转矩，使伺服电机旋转。图3-26为盘型伺服电机的结构示意图。图3-26盘型电枢直流伺服电机结构

3)空心杯电枢直流伺服电机

空心杯电枢直流伺服电机有两个定子，一个为由软磁材料构成的内定子，另一个为由永磁材料构成的外定子，外定子产生磁通，内定子主要起导磁作用。空心杯伺服电机的转子由单个成型线圈沿轴向排列成空心杯形，并用环氧树脂浇注成型。空心杯电枢直接装在转轴上，在内、外定子间的气隙中旋转。图3-27为空心杯电枢直流伺服电机的结构图。图3-27空心杯电枢直流伺服电机结构

4)无槽直流伺服电机

无槽直流伺服电机与普通伺服电机的区别是，无槽直流伺服电机的转子铁芯上不开元件槽，电枢绕组元件直接放置在铁芯的外表面，然后用环氧树脂浇注成型。图3-28为无槽直流伺服电机的结构图。

后三种伺服电机与普通伺服电机相比，由于它们的转动惯量小、电枢等效电感小，因此它们的动态特性较好，适用于快速系统。图3-28无槽直流伺服电机结构

2.直流伺服电机的运行特性

在忽略电枢反应的情况下，直流伺服电机的电压平衡方程可表示如下:

U=Ea+RaIa

(3-27)

当磁通恒定时，电枢反电动势为

Ea=CeΦn=ken

(3-28)

式中，ke为电动势常数。直流伺服电机的电磁转矩为

Tem=CTΦIa=kTIa

(3-29)

式中，kT为转矩常数。

将上述三式联立求解，可得直流伺服电机的转速关系式为

(3-30)

根据式(3-30)可得出直流伺服电机的机械特性和调节特性。

1)机械特性

机械特性是指在控制电枢电压保持不变的情况下，直流伺服电机的转速n随转矩变化的关系。当电枢电压为常值时，式(3-30)可写成

n=n0-kTem

(3-31)

式中，n0=

对上式应考虑两种特殊情况:

(1)当转矩为零时，电机的转速仅与电枢电压有关，此时的转速为直流伺服电机的理想空载转速。理想空载转速与电枢电压成正比，即

(3-32)

(2)当转速为零时，电机的转矩仅与电枢电压有关，此时的转矩称为堵转转矩。堵转转矩与电枢电压成正比，即

(3-33)图3-29为给定不同的电枢电压得到的直流伺服电机的机械特性。从机械特性曲线上看，不同电枢电压下的机械特性曲线为一组平行线，其斜率为-k。从图中可以看出，当控制电压一定时，不同的负载转矩对应不同的电机转速。图3-29电枢控制的直流伺服电机的机械特性

2)调节特性

直流伺服电机的调节特性是指负载转矩恒定时，电机转速与电枢电压的关系。当转矩一定时，根据式(3-30)可知，转速与电压的关系也为一组平行线，如图3-30所示，其斜率为1／ke。

当转速为零时，对应不同的负载转矩可得到不同的启动电压U。当电枢电压小于启动电压时，伺服电机将不能启动。图3-30直流伺服电机调节特性3.4.2交流伺服电机

1.交流伺服电机的工作原理

交流伺服电机一般是两相交流电机，由定子和转子两部分组成。交流伺服电机的转子有笼形和杯形两种，无论哪一种转子，它的转子电阻都做得比较大，其目的是使转子在转动时产生制动转矩，使得在控制绕组不加电压时，能及时制动，防止自转。交流伺服电机的定子为两相绕组，并在空间相差90°电角度。两个定子绕组结构完全相同，使用时一个绕组作励磁用，另一个绕组作控制用。图3-31为交流伺服电机的工作原理图，在图中为励磁电压，为控制电压，这两个电压均为交流，相位互差90°。当励磁绕组和控制绕组均加交流互差90°电角度的电压时，在空间可形成圆旋转磁场(控制电压和励磁电压的幅值相等)或椭圆旋转磁场(控制电压和励磁电压的幅值不等)，转子在旋转磁场的作用下旋转。当控制电压和励磁电压的幅值相等时，控制二者的相位差也能产生旋转磁场。与普通两相异步电动机相比，伺服电机有较宽的调速范围；当励磁电压不为零而控制电压为零时，其转速也应为零；机械特性为线性并且动态特性较好。为达到上述要求，伺服电机的转子电阻应当大，转动惯量应当小。图3-31交流伺服电机工作原理图由电机学原理可知，异步电动机的临界转差率sm与转子电阻有关，增大转子电阻可使临界转差率sm增大，当转子电阻增大到一定值时，可使sm≥1，电机的机械特性曲线近似为线性，这样可使伺服电机的调速范围大，在大范围内能稳定运行。当增大转子电阻时，还可以防止自转现象的发生。当励磁电压不为零而控制电压为零时，伺服电机相当于一台单相异步电动机，若转子电阻较小，则电机还会按原来的运行方向转动，此时的转矩仍为拖动性转矩，此时的机械特性如图3-32(a)所示；当转子电阻增大时，如图3-32(b)所示，拖动性转矩将变小；当转子电阻大到一定程度时，如图3-32(c)所示，转矩完全变成制动性转矩，这样可以避免自转现象的产生(图中Tem为电磁转矩，T1和T2为电磁转矩的两个分量)。图3-32转子电阻对交流伺服电机机械特性的影响

2.交流伺服电机的控制方式

交流伺服电机的控制方式有三种，分别是幅值控制、相位控制和幅相控制。

1)幅值控制

控制电压和励磁电压保持相位差90°，只改变控制电压幅值，这种控制方法称为幅值控制。

当励磁电压为额定电压，控制电压为零时，伺服电机转速为零，电机不转；当励磁电压为额定电压，控制电压也为额定电压时，伺服电机转速最大，转矩也为最大；当励磁电压为额定电压，控制电压在额定电压与零电压之间变化时，伺服电机的转速在最高转速至零转速间变化。图3-31即为幅值控制时伺服电机的控制接线图，使用时控制电压的幅值在额定值与零之间变化，励磁电压保持为额定值。

2)相位控制

与幅值控制不同，相位控制时控制电压和励磁电压均为额定电压，通过改变控制电压和励磁电压的相位差，可实现对伺服电机的控制。

设控制电压与励磁电压的相位差为β，β=0～90°。根据β的取值可得出气隙磁场的变化情况。当β=0°时，控制电压与励磁电压同相位，气隙总磁动势为脉动磁动势，伺服电机转速为零，不转动；当β=90°时，为圆形旋转磁动势，伺服电机转速最大，转矩也为最大；当β=0～90°变化时，磁动势从脉动磁动势变为椭圆形旋转磁动势，最终变为圆形旋转磁动势，伺服电机的转速由低向高变化。β值越大，越接近圆形旋转磁动势。

相位控制时的接线图如图3-33所示。图3-33相位控制接线图

3)幅相控制

幅相控制是对幅值和相位差都进行控制，通过改变控制电压的幅值及控制电压与励磁电压的相位差来控制伺服电机的转速。图3-34为幅相控制接线图，当控制电压的幅值改变时，电机转速发生变化，此时励磁绕组中的电流随之发生变化，励磁电流的变化引起电容的端电压变化，从而使控制电压与励磁电压之间的相位角β发生改变。

幅相控制的机械特性和调节特性不如幅值控制和相位控制，但由于其电路简单，不需要移相器，因此在实际应用中用得较多。图3-34幅相控制接线图3.5.1步进电机的结构与工作原理

1.步进电机的结构

步进电机是数字控制系统中一种十分重要的自动化执行元件。它和计算机数字系统结合后，可以把脉冲数转换成角位移，并且可用作电磁制动轮、电磁差分器、电磁减法器或角位移发生器等。步进电机根据其作用原理和结构，基本可分成下面两大类型:

3.5步进电机第一类为电磁型步进电机。这种步进电机是早期的步进电机，它通常只有一个绕组，并且仅靠电磁作用还不能使电机的转子作步进运行，必须加上相应的机械部件，才能产生步进的效果。这种步进电机有螺线管型和轮型步进电机两种。

第二类为定子和转子间仅靠电磁作用就可以产生步进作用的步进电机。这种电机一般有多相绕组，在定子和转子之间没有机械联系。这种电机有良好的可靠性及快速性，在工业应用上大量用作状态伺服元件、状态指示元件及功率伺服拖动元件，有时也作为位置控制、速度控制元件。在计算机应用系统中，都是使用第二类步进电机。在本节中介绍的功率接口及其有关技术，都是针对第二类步进电机而言的。

在第二类步进电机中，根据转子的结构形式，可以分成永磁转子电机和反应式转子电机，它们也简称为永磁式步进电机和反应式步进电机。在永磁式步进电机中，它的转子是用永久磁钢制成的，也有由直流电源供电的励磁绕组制成的转子，在该类步进电机中，转子中产生励磁。与永磁式步进电机不同，在反应式步进电机中，其转子由软磁材料制成齿状，转子的齿也称显极，在这种步进电机的转子中没有励磁绕组。反应式步进电机有力矩大、惯性比高、步进频率高、频率响应快、可双向旋转、结构简单和寿命长等特点。在计算机应用系统中大量使用的是反应式步进电机。这里，以反应式步进电机为例介绍步进电机的原理及结构。

2.反应式步进电机的工作原理

反应式步进电机的原理图如图3-35所示。这是一个三相反应式步进电机。

从图中可以看出，反应式步进电机由定子和转子两大部分组成。在定子上有三对磁极，磁极上装有励磁绕组。励磁绕组分为三相，分别为A、B和C三相绕组。步进电机的转子是由软磁材料制成的，在转子上均匀分布四个凸极，极上不装绕组，转子的凸极也称为转子的齿。图3-35三相反应式步进电机原理图(a)A相通电情况；(b)B相通电情况；(c)C相通电情况当步进电机的A相通电，B相和C相不通电时，由于A相绕组产生的磁通要经过磁阻最小的路径形成闭合磁路，这样将使转子齿1、3和定子的A相对齐，如图3-35(a)所示。当

A相断电，改为B相通电时，同A相通电时情况一样，磁通也要经过磁阻最小的路径形成闭合磁路，这样转子顺时针转过一定角度，使转子齿2、4与B相对齐，转子在空间转过的

角度为30°，如图3-35(b)所示。当由B相改为C相通电时，同样可使转子逆时针转过30°空间角度，如图3-35(c)所示。若按照A—B—C—A的通电顺序往复下去，则步进电机的转子将按一定速度沿逆时针方向旋转，步进电机的转速取决于三相控制绕组的通、断电源的

频率。当按照A—C—B—A顺序通电时，步进电机的转动方向将改为顺时针。在步进电机控制过程中，定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上述的通电控制方式，由于每次只有一相控制绕组通电，因而称为三相单三拍控制方式。除此种控制方式外，还有三相单、双六拍工作方式和三相双三拍控制方式。在三相单、双六拍工作方式中，控制绕组的通电顺序为A—AB—B—BC—C—CA—A(转子逆时针旋转)或A—AC—C—CB—B—BA—A(转子顺时针旋转)。在三相双三拍控制方式中，控制绕组的通电顺序为AB—BC—CA—AB或AC—CB—BA—AC。有关三相单、双六拍和三相双三拍控制时转子转动的情况读者可以自己进行分析。步进电机每改变一次通电状态(一拍)时转子所转过的角度称为步进电机的步距角。从图中可看出，三相单三拍的步距角为30°，而三相单、双六拍的步距角为15°，三相双三拍的步距角为30°。图3-36小步距三相反应式步进电机以上讨论的是最简单的反应式步进电机的工作原理，这种步进电机的步距角较大，不能满足生产实际的需要，实际使用的步进电机定、转子的齿都比较多，而步距角一般较小。图3-36为小步距角的反应式步进电机的原理图。步进电机的步距角θse可通过下式计算:

(3-34)式中:m——步进电机的相数，对于三相步进电机m=3；

C——通电状态系数，对于单拍或双拍方式工作时，C=1，单双拍混合方式工作时，C=2；Zr——步进电机转子的齿数。步进电机的转速n可通过下式计算:

(3-35)

式中:f——步进电机每秒的拍数(或每秒的步数)，也称为步进电机的通电脉冲频率。3.5.2反应式步进电机的特性

1.反应式步进电机的静特性

步进电机的静特性是指步进电机的通电状态不变，电机处于稳定的状态下所表现的性质。步进电机的静特性包括矩角特性和最大静转矩。

1)矩角特性

步进电机在空载条件下，控制绕组通入直流电流，转子最后处于稳定的平衡位置称为步进电机的初始平衡位置，由于不带负载，此时的电磁转矩为零。步进电机偏离初始平衡位置的电角度，称为失调角。在反应式步进电机中，转子的一个齿距所对应的电角度为2π。步进电机的矩角特性是指在不改变通电状态的条件下，步进电机的静转矩与失调角之间的关系。矩角特性用T=f(θ)表示，其正方向取失调角增大的方向。矩角特性可通过下式计算:

T=-kI2sinθ

(3-36)

式中:k——转矩常数;

I——控制绕组的电流;

θ——失调角。从上式可看出，步进电机的静转矩T与控制绕组的电流I的平方成正比(忽略磁路饱和)，因此控制绕组的电流即可控制步进电机的静转矩，电流大转矩也大。矩角特性为一正弦曲线。图3-37步进电机的矩角特性由矩角特性可知，在静转矩作用下，转子有一个平衡位置。在空载条件下，转子的平衡位置可通过令T=0求得，当θ=0时，T=0，当因某种原因使转子偏离θ=0点时，电磁转矩都能使转子恢复到θ=0的点，因此θ=0的点为步进电机的稳定平衡点；当θ=±π时，同样也可使T=0，但当θ>π或θ<π时，转子因某种原因离开θ=±π时，电磁转矩却不能再恢复到原平衡点，因此θ=±π为不稳定的平衡点。两个不稳定的平衡点之间即为步进电机的静态稳定区域，稳定区域为-π<θ<+π。图3-37为步进电机的矩角特性。

2)最大静转矩

在矩角特性中，静转矩的最大值称为最大静转矩。当

时，T有最大值Tsm，最大静转矩Tsm=Ki2。

2.反应式步进电机的动特性

步进电机的动特性是指步进电机从一种通电状态转换到另一种通电状态所表现出的性质。动态特性包括动稳定区、启动转矩、启动频率及频率特性等。

1)动稳定区

步进电机的动稳定区是指步进电机从一个稳定状态切换到另一稳定状态而不失步的区域。如图3-38所示，设步进电机的初始状态的矩角特性为图中曲线1，稳定点为A点，通电状态改变后的矩角特性为曲线2，稳定点为B点。由矩角特性可知，起始位置只有在a、b点之间时，才能到达新的稳定点B。a、b区间称为步进电机的空载稳定区，用失调角表示

的区间为

π+θse<θ<π+θse

图3-38动稳定区稳定区的边界点a到初始稳定平衡点A的角度，用θr表示，称为稳定裕量角。稳定裕量角与步距角θse之间的关系为

(3-37)

稳定裕量角越大，步进电机运行越稳定，当稳定裕量角趋于零时，电机不能稳定工作。

步距角越大，裕量角也就越小。

2)启动转矩

理论分析表明，反应式步进电机的最大启动转矩与最大静转矩之间有如下关系:

(3-38)

式中:Tst——最大启动转矩。

当负载转矩大于最大启动转矩时，步进电机将不能启动。

3)启动频率

步进电机的启动频率是指在一定负载条件下，电机能够不失步地启动的脉冲最高频率。

影响最高启动频率的因素有以下几个:

(1)启动频率fst与步进电机的步距角θse有关，步距角越小，启动频率越高。

(2)步进电机的最大静态转矩越大，启动频率越高。

(3)转子齿数多，步距角小，启动频率高。

(4)电路时间常数大，启动频率降低。

对于使用者而言，要想增大启动频率，可增大启动电流或减小电路的时间常数。

4)频率特性

步进电机的主要性能指标是频率特性曲线，是启动力矩与频率的关系曲线。步进电机的频率特性曲线的纵坐标为转动力矩，图3-39步进电机频率特性用T表示，横坐标为转动频率，而根据一个步进电机的工作频率及其对应转动力矩所作出的曲线，就是反应步进电机性能的频率特性曲线。典型的步进电机频率特性曲线如图3-39所示。

从图中可看出，步进电机的转矩随频率的增大而减小。步进电机的频率特性曲线和许多因素有关，这些因素包括步进电机的转子直径、转子铁芯有效长度、齿数、齿形、齿槽比、步进电机内部的磁路、绕组的绕线方式、定/转子间的气隙、控制线路的电压等。很明显，其中有的因素是步进电机在制造时已确定的，使用者是不能改变的，但有些因素使用者是可以改变的，如控制方式、绕组工作电压、线路时间常数等。

(1)控制方式对频率特性的影响。

对于同一台三相反应式步进电机，单三拍控制方式的频率特性最差，六拍工作方式的频率特性最好，而双三拍介于二者之间，使用时最好为六拍工作方式。

(2)线路时间常数对频率特性的影响。图3-40步进电机一相驱动电路步进电机的每相绕组供电都是由功率开关电路来完成的。步进电机一相绕组的开关电路如图3-40所示。其中:L为步进电机绕组电感，RL为绕组电阻；Rc为晶体管V的集电极外接电阻；VD为续流二极管，它为绕组放电提供回路；晶体管V是大功率开关管。Rc是功率电阻，它是一个消耗性负载，一般为数欧。这时，线路的时间常数Tj为

(3-39)线路时间常数小，步进电机的频率特性好，同时，时间常数小也可使启动频率增高，因此，在实际使用时应尽量减小时间常数。为了减少时间常数，可增大电阻Rc；为不使稳态电流减少，在增大电阻的同时，可采用提高供电电压的方法。在实际中，可根据客观情况来考虑选择恰当的外部电阻Rc，使步进电机处于合适的工作状态。

(3)开关回路电压对频率特性的影响。

步进电机绕组的开关回路电压，有时也称为步进电机的电压，这个电压是指控制绕组通电或断电的功率开关回路的供电电压，而不是指加在电机绕组两端的电压。开关回路电压如图3-40中所示的U，而加到步进电机绕组两端的电压则要比U小得多，因为在大功率晶体管V和外接电阻Rc上存在压降。在步进电机上所标称的电气参数，包括电压和电流都与通常的电机意义不同，它们不是额定的电压、电流值。步进电机的电压和电流是可以改变的，实际使用时作为参考，但实际电压、电流不应与步进电机所标电压、电流相差很多。在外接电阻Rc不变时，单纯提高开关回路电压，必定会使步进电机绕组的电流加大，

步进电机的力矩会随之提高。同时，开关回路电压的提高会使电流的上升率提高，故步进电机的工作频率也会提高。在改变外接电阻Rc的阻值时，无论开关回路的电压是否改变，步进电机的电气参数和频率特性均随之改变。通常在改变开关电压的同时改变外接电阻的值，即增大电阻的同时提高开关电压，从而使步进电机的频率特性得到改善。步进电机的工作频率范围可分成三个区间:低频区、共振区、高频区。在这三个区间中转子的情况有所不同。下面分析这三个区间转子的状态。

对于一台步进电机来说，它的理想频率特性曲线应该是一条十分光滑的连续曲线，在低频区电磁力矩较大，在高频区其转动力矩较小。如果在曲线上出现毛刺或下凹点，就表示电机在该点上有振荡产生。因为毛刺和下凹点说明电机这时的力矩下降，显然是有部分能量消耗于振荡之中。当步进电机运行在很低的频率时，虽然在曲线上不出现下凹点，但因为这时是单步运行状态，故也会有明显的振荡。另外，步进电机的工作状态改变也会产生振荡现象。例如，当一个步进电机在正常步进旋转时，突然制动，则无论步进电机原来以什么换相频率工作，都会产生振荡。再者，在改善电路时间常数，加大回路电压提高工作频率时，也会产生分频振荡点。当步进电机进行单步旋转时，其工作频率必定处于低频区。在开始工作时，转子的磁场力指向平衡点，又形成反向过冲，由于机械摩擦力矩及电磁力矩的作用，形成一个衰减振动过程。最后，转子则稳定停在平衡点。当步进电机运行在主振区时，转子在每步转动中，它的振动有可能不表现为衰减运动；在转子反冲过平衡点时，它的冲幅足够大，则会返回原来的平衡点稳定下来，显然，这会引起失步。对于步进电机的控制系统来说，振荡所产生的最严重后果就是失步，而不是过冲。

当步进电机运行在高频区时，由于换相周期很短，故步进的周期很短，绕组中的电流尚未达到稳定值，电机吸收的能量不足够大，且转子也没有时间反向过冲，所以这时是不会产生振荡的。

在使用步进电机时，应使步进电机工作于高频稳定区。3.5.3驱动电源

步进电机的驱动电源与步进电机是一个相互联系的整体，步进电机的性能是由电机和驱动电源相配合反映出来的。因此，步进电机的驱动电源在步进电机中占有相当重要的位置。

1.对驱动电源的基本要求

步进电机的驱动电源应满足下述要求:

(1)驱动电源的相数、通电方式、电压和电流都应满足步进电机的控制要求。

(2)驱动电源要满足启动频率和运行频率的要求，能在较宽的频率范围内实现对步进电机的控制。

(3)能抑制步进电机的振荡。

(4)工作可靠，对工业现场的各种干扰有较强的抑制作用。

2.步进电机控制电源的组成

步进电机的控制电源一般由脉冲信号发生电路、脉冲分配电路和功率放大电路等部分组成。脉冲信号发生电路产生基准频率信号供给脉冲分配电路，脉冲分配电路完成步进电机控制的各相脉冲信号，功率放大电路对脉冲分配回路输出的控制信号进行放大以驱动步进电机的各相绕组，使步进电机转动。脉冲分配器有多种形式，早期的有环型分配器，现在逐步被单片机所取代。功率放大电路对步进电机的性能有十分重要的作用。功率放大电路有单电压、双电压、斩波型、调频调压型和细分型等多种形式。近年来出现了将控制信号的形成电路和功率放大电路集为一体的集成控制电源。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。自整角机在应用时一般成对使用或多台组合使用，使机械上互不相连的两根或多根机械轴能够保持相同的转角变化或同步的旋转变化。自整角机被广泛应用于随动控制系统中。在随动系统中，多台自整角机协调工作，其中产生控制信号的主自整角机称为发送机，接收控制信号、执行控制命令而与发送自整角机保持同步的自整角机为接收机。3.6自整角机根据自整角机的功能可把自整角机分为控制用自整角机和力矩式自整角机两类。力矩式自整角机输出的力矩较大，可直接驱动接收机轴上的负载，主要用于指示系统或角传递系统。

控制用自整角机的接收机不直接带负载，而是在接收机上输出与发送机、接收机转子之间的角位差有关的一个电压信号，因此可以说控制用自整角机实际上是角位置失调检测电机。3.6.1自整角机的结构与工作原理

1.力矩式自整角机的结构与工作原理

力矩式自整角机为在整个圆周范围内能够准确定位，通常采用两极电机，并且绝大部分采用凸极式结构，只在频率高并且尺寸大的力矩电机中才采用隐极式结构。

力矩式自整角机的定、转子铁芯均采用高导磁率的薄硅钢片冲制成型，为减小铁损，薄硅钢片经过涂漆处理，然后铆制成整体定子或整体转子。力矩式自整角机的励磁采用单相励磁，励磁绕组放置在凸极铁芯上，整步绕组为三相绕组，并连接成星形放置在铁芯槽中。励磁绕组可放置在定子上，也可放置在转子上，当励磁绕组放置在凸极定子上时，整步绕组放置在转子铁芯上并通过滑环和电刷引出；当励磁绕组放置在凸极转子上时，通过两相滑环和电刷把励磁绕组和外部励磁电路相连，整步绕组放置在定子铁芯上。图3-41给出了力矩式自整角机的三种结构。转子凸极式结构的转子质量轻，电刷和滑环数量少，适用于小容量的自整角机。定子凸极式结构的转子上放置三相分布绕组，其平衡性好，但转子质量大，电刷数量和滑环数量多，适合于较大容量的自整角机。

图3-42为自整角机的工作原理图，图中一台自整角机作为发送机，一台作为接收机，并且两台电机的结构参数一致。在工作过程中，励磁绕组接在同一单相交流励磁电源上，两台电机的三相整步绕组彼此对应相连。为了分析方便，规定励磁绕组与整步绕组的a相的夹角θ作为转子的位置角。图3-41力矩式自整角机的基本结构(a)转子凸极式结构；(b)定子凸极式结构；(c)定、转子隐极式结构图3-42力矩式自整角机工作原理图

1)力矩式自整角机整步绕组中的电动势与电流

在图中发送机的转子位置为θ1，接收机的转子位置为θ2，失调角θ为

θ=θ1-θ2

(3-40)

由于励磁绕组为单相，当励磁绕组中有励磁电流时