chap7 微控电机

1、第七章第七章 微微 控控 电电 机机 微控电机微控电机: :由驱动微电机和控制电机构成。由驱动微电机和控制电机构成。n驱动微电机驱动微电机: :用来拖动各种小型负载用来拖动各种小型负载, ,功率功率一般都在一般都在750750W W以下以下, , 因此外形尺寸较小因此外形尺寸较小, ,相相应的功率也小应的功率也小, ,如单相异步电动机如单相异步电动机, ,微型同微型同步电动机步电动机, ,直线电动机。本章主要介绍单相直线电动机。本章主要介绍单相异步电动机。异步电动机。n控制电机控制电机: :在自动控制系统中对信号进行传在自动控制系统中对信号进行传递和变换递和变换, ,用做执行元件或信号元件。主

2、要用做执行元件或信号元件。主要有伺服电动机有伺服电动机, ,步进电动机步进电动机, ,测速发电机，测速发电机，旋转变压器旋转变压器, ,自整角机。自整角机。 微控电机微控电机（主要指控制电机）在本质上和（主要指控制电机）在本质上和我们以前所讲的普通电机并没有区别我们以前所讲的普通电机并没有区别, ,只是只是他们的侧重点不同而已他们的侧重点不同而已: :n普通旋转电机主要是进行能量变换，要求普通旋转电机主要是进行能量变换，要求有较高的力能指标；有较高的力能指标；n控制电机主要是对控制信号进行传递和变控制电机主要是对控制信号进行传递和变换，要求有较高的控制性能，如要求反应换，要求有较高的控制性能，

3、如要求反应快、精度高、运行可靠等。控制电机因其快、精度高、运行可靠等。控制电机因其各种特殊的控制性能而常在自动控制系统各种特殊的控制性能而常在自动控制系统中作为执行元件、检测元件和解算元件。中作为执行元件、检测元件和解算元件。7.1 7.1 单相异步电动机单相异步电动机n单相异步电动机定子上一般有单相异步电动机定子上一般有两个绕组：工作绕组（主绕组两个绕组：工作绕组（主绕组m）、起动绕组）、起动绕组(副绕组副绕组a) ，两绕，两绕组在空间上相距组在空间上相距90度电角度。转度电角度。转子是笼型结构。起动绕组只在起子是笼型结构。起动绕组只在起动时接入，起动后从电源断开。动时接入，起动后从电源断开

4、。 一、单相异步电动机简介一、单相异步电动机简介：n单相异步电动机就是指用单相交单相异步电动机就是指用单相交流电源的异步电动机，由于只需要流电源的异步电动机，由于只需要单相交流电源供电，使用方便，在单相交流电源供电，使用方便，在家用电器（洗衣机、电冰箱、电风家用电器（洗衣机、电冰箱、电风扇）、电动工具（如手电钻）、医扇）、电动工具（如手电钻）、医用器械用器械中得到广泛应用。中得到广泛应用。二、工作原理：二、工作原理： 由于在正常运行时只有工作绕组接在电源上，即单相供由于在正常运行时只有工作绕组接在电源上，即单相供电，下面首先分析一相定子绕组通电时的机械特性。电，下面首先分析一相定子绕组通电时的

5、机械特性。 1 1、一相定子绕组通电时的机械特性：、一相定子绕组通电时的机械特性：n单相异步电动机只有工作绕组单相异步电动机只有工作绕组通入单相交流电时，将产生空通入单相交流电时，将产生空间正弦分布的脉振磁通势间正弦分布的脉振磁通势F F，一，一个脉振磁通势可以分解为转速个脉振磁通势可以分解为转速相同、转向相反的两个旋转磁相同、转向相反的两个旋转磁通势通势F+F+、F-,F-,且且F+=F-F+=F-。n单相异步电动机的鼠笼转子在单相异步电动机的鼠笼转子在这两个旋转磁通势这两个旋转磁通势F+F+、F-F-的分的分别作用下别作用下, ,将分别产生使电动机将分别产生使电动机正转和反转的电磁转矩正转

6、和反转的电磁转矩T+T+、T-T-。F+F-T+T-正相序正相序负相序负相序三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性n 单相异步电动机的鼠笼转子所受的正转和反转的电磁转矩单相异步电动机的鼠笼转子所受的正转和反转的电磁转矩T+T+、T-T-，与鼠笼转子在三相异步电动机正向旋转磁通势与鼠笼转子在三相异步电动机正向旋转磁通势F+F+（电源相序为正时）和反向旋转磁通势（电源相序为正时）和反向旋转磁通势F- F- （电源相序为（电源相序为负时）作用下所受到的电磁转矩形状完全一样。即有：负时）作用下所受到的电磁转矩形状完全一样。即有：一相定子绕组通电时的机械特性一相定子绕组通电时的机械特性T=T+

7、T-为合成电为合成电磁转矩磁转矩 右图右图为为只有工作绕组通电只有工作绕组通电时的机械特性曲线。通过时的机械特性曲线。通过该曲线可以看出：该曲线可以看出：n(1) 单相异步电动机单相异步电动机(单绕组单绕组通电时通电时)起动转矩为零，不起动转矩为零，不能自起动。能自起动。n(2) 若其它原因使电动机起若其它原因使电动机起动后，合成电磁转矩能使动后，合成电磁转矩能使电动机继续正转或反转运电动机继续正转或反转运行。行。 以上分析可见，单个绕组通电，单相异步电动机可以运以上分析可见，单个绕组通电，单相异步电动机可以运行，但不能起动，因此必须有行，但不能起动，因此必须有两相绕组两相绕组才行。才行。2

8、2、两相绕组通电时的机械特性：、两相绕组通电时的机械特性：由图可知：由图可知： 在在F+F-F+F-的情况下的情况下, ,当当n=0n=0时，时，T0,T0,电动机能正向起电动机能正向起动，动， n0n0，T0T0电动机起动电动机起动后仍能继续运行。同理：若后仍能继续运行。同理：若F+F-,F+F-,F+F-,鼠笼转子在旋转磁通势的作用下鼠笼转子在旋转磁通势的作用下产生的电磁转矩特性如图（产生的电磁转矩特性如图（ 设设F+F-F+F- ）。）。两相绕组通电时的机械特性两相绕组通电时的机械特性 从以上分析可以看出，单相异步电动机的关键问题是如何从以上分析可以看出，单相异步电动机的关键问题是如何起

9、动的问题，而起动的必要条件是：起动的问题，而起动的必要条件是：1 1）定子具有空间不同相位的两个绕组；）定子具有空间不同相位的两个绕组；2 2）两相绕组中要通入不同相位的交流电流；）两相绕组中要通入不同相位的交流电流；1 1）单相电阻分相起动异步电动机）单相电阻分相起动异步电动机2 2）单相电容分相起动异步电动机）单相电容分相起动异步电动机3 3）单相罩极式异步电动机）单相罩极式异步电动机 第一个条件显然应该是满足的，所以，现在的关键问题是第一个条件显然应该是满足的，所以，现在的关键问题是如何实现电流的分相问题，根据分相方法的不同，我们把单如何实现电流的分相问题，根据分相方法的不同，我们把单相

10、异步电动机又分为：相异步电动机又分为： 下面，具体分析单相电阻分相起动、单相电容分相起动下面，具体分析单相电阻分相起动、单相电容分相起动及单相罩极式异步电动机的起动方法：及单相罩极式异步电动机的起动方法：三、各种类型的单相异步电动机：三、各种类型的单相异步电动机：1 1、单相电阻分相起动异步电动机、单相电阻分相起动异步电动机n单相电阻分相起动异步电动单相电阻分相起动异步电动 机的起动绕组通过一个起动机的起动绕组通过一个起动开关和工作绕组并联接到单开关和工作绕组并联接到单相电源上，如图：相电源上，如图：n通常设计起动绕组匝数比工通常设计起动绕组匝数比工作绕组匝数少一些，且导线作绕组匝数少一些，且

11、导线截面小得更多，使起动绕组截面小得更多，使起动绕组的电抗比工作绕组小，而电的电抗比工作绕组小，而电阻比工作绕组大，这样，阻比工作绕组大，这样，使使起动绕组的阻抗角小于工作起动绕组的阻抗角小于工作绕组，两绕组并联接于绕组，两绕组并联接于U U时，时，起动绕组电流起动绕组电流IaIa比工作绕组比工作绕组电流电流ImIm相位领先，如图，达相位领先，如图，达到分相起动的目的。到分相起动的目的。.U.aI.mI.LI2 2、单相电容分相起动异步电动机、单相电容分相起动异步电动机n单相电容分相起动异步电单相电容分相起动异步电动机的起动绕组串联一电动机的起动绕组串联一电容器和一个起动开关，再容器和一个起动

12、开关，再与工作绕组并联接到单相与工作绕组并联接到单相电源上，如图：电源上，如图：n这样，起动绕组的阻抗呈这样，起动绕组的阻抗呈容性，其起动电流容性，其起动电流IaIa超前超前于电源于电源U U；工作绕组的阻抗；工作绕组的阻抗呈感性，其起动电流呈感性，其起动电流ImIm滞滞后于电源后于电源U U；两绕组并联接；两绕组并联接于于U U时，时，IaIa比比ImIm领先一个较领先一个较大的相位，如图，达到分大的相位，如图，达到分相起动的目的。相起动的目的。.U.aI.mI.LI3 3、单相罩极式异步电动机、单相罩极式异步电动机 定子通入交流电流后，在主磁极感定子通入交流电流后，在主磁极感应磁通势，部分

13、磁通穿过短路环，并应磁通势，部分磁通穿过短路环，并在其中产生感应电流。该电流在短路在其中产生感应电流。该电流在短路环所罩部分磁极中也感应产生磁通，环所罩部分磁极中也感应产生磁通，致使有短路环部分和没有短路环部分致使有短路环部分和没有短路环部分的磁通有了相位差，从而形成旋转磁的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场，使转子转起来，如图。场，使转子转起来，如图。 单相罩极式异步电动机的定子铁心单相罩极式异步电动机的定子铁心多制成凸极式，其转子仍为鼠笼式，多制成凸极式，其转子仍为鼠笼式，定子都有凸起的磁极，每个磁极上有定子都有凸起的磁极，每个磁极上有主绕组，极面的主绕组，极面的1/3处开有小槽，小处开有小

14、槽，小槽中嵌入短路铜环槽中嵌入短路铜环K，将部分磁极罩，将部分磁极罩起来，故得名罩极式电机，如图。起来，故得名罩极式电机，如图。 图中电机转动方向：顺时针。因为没有短路环部分的磁通比图中电机转动方向：顺时针。因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先。有短路环部分的磁通领先。定子定子磁极磁极转子转子短路短路环环K主绕组主绕组.A.B7.2 7.2 伺服电动机伺服电动机n伺服电动机（执行电动机），它将输入的电伺服电动机（执行电动机），它将输入的电压信号转变为转轴的角位移或角速度输出，压信号转变为转轴的角位移或角速度输出，改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电改变输入信号的大小和极性可以改变

15、伺服电动机的转速与转向，故输入的电压信号又称动机的转速与转向，故输入的电压信号又称为为控制信号或控制电压控制信号或控制电压。n根据使用电源的不同，伺服电动机分为根据使用电源的不同，伺服电动机分为直流直流伺服电动机和交流伺服电动机伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流两大类。直流伺服电动机输出功率较大，功率范围为伺服电动机输出功率较大，功率范围为1 1600600瓦，有的甚至可达上千瓦；而交流伺服瓦，有的甚至可达上千瓦；而交流伺服电动机输出功率较小，功率范围一般为电动机输出功率较小，功率范围一般为0.10.1100100瓦。瓦。1 1、简介、简介n直流伺服电动机实际上就是他励直直流伺服电动机实际

16、上就是他励直流电动机流电动机，只不过直流伺服电动机只不过直流伺服电动机输出功率较小而已输出功率较小而已。n由直流电动机原理可知：当直流伺由直流电动机原理可知：当直流伺服电动机励磁绕组和电枢绕组都通服电动机励磁绕组和电枢绕组都通过电流时，电机旋转；当其中任一过电流时，电机旋转；当其中任一绕组断电时，电机停转。故绕组断电时，电机停转。故输入的输入的控制信号，既可加到励磁绕组上，控制信号，既可加到励磁绕组上，也可加到电枢绕组。也可加到电枢绕组。n 控制信号加到电枢绕组上，通过改变控制信号的控制信号加到电枢绕组上，通过改变控制信号的大小和极性来控制转子转速的大小和方向，这种方大小和极性来控制转子转速的

17、大小和方向，这种方式叫式叫电枢控制电枢控制；把控制信号加到励磁绕组上进行控；把控制信号加到励磁绕组上进行控制，这种方式叫制，这种方式叫磁场控制磁场控制（使用场合少）。（使用场合少）。直流伺服电动机线路图直流伺服电动机线路图一、直流伺服电动机一、直流伺服电动机2：特性分析：特性分析 直流伺服电动机电枢控制线路如图，励磁绕组接恒定直流直流伺服电动机电枢控制线路如图，励磁绕组接恒定直流电源电源Uf，电枢绕组接控制电压，电枢绕组接控制电压Uc。02caeeTURnTnTCC C1）机械特性：）机械特性：直流伺服电动机电枢控制线路图直流伺服电动机电枢控制线路图 n n1 1 Uc1U c 2Uc3 n2

18、 2 1 Uc1 n3 3 2 Uc2 3 Uc3 0 T1 T2 T 直流伺服电动机的机械特性直流伺服电动机的机械特性改变改变Uc，机械机械特性是一组平特性是一组平行的直线行的直线2）调节特性：）调节特性：调节特性是指在一定的转矩调节特性是指在一定的转矩T下，电机的转速下，电机的转速n与控制电压与控制电压Uc的关系。由机械特性方程，的关系。由机械特性方程，T不同时，调节特性也是一组平行不同时，调节特性也是一组平行线，如图。线，如图。 n T2T10 1 T=0 n1 T1 2 n2 1 T2 3 n3 2 3 0 U1 Uc3 U2 Uc2 Uc1 Uc直流伺服电动机的调节特性直流伺服电动机

19、的调节特性小结：小结：电枢控制的直流伺服电电枢控制的直流伺服电动机的动机的机械特性和调节机械特性和调节特性都是线性的特性都是线性的，控制，控制信号消失，电机即停信号消失，电机即停转，是一种很好的执行转，是一种很好的执行元件。元件。T=T1，UcU1，电机才能起动。电机才能起动。U1：始动电压：始动电压1、工作原理、工作原理 类似于单相异步电动机：类似于单相异步电动机：nUc=0时，由励磁绕组产生时，由励磁绕组产生脉振磁通势，建立脉振磁场，脉振磁通势，建立脉振磁场，电机无起动转矩；电机无起动转矩；二、交流伺服电动机：二、交流伺服电动机： 交流伺服电动机实际上就是两相异步电动机，如图：定子侧绕组在

20、空交流伺服电动机实际上就是两相异步电动机，如图：定子侧绕组在空间相差间相差9090度摆放，即励磁绕组度摆放，即励磁绕组f f接励磁电源接励磁电源UfUf；控制绕组；控制绕组c c接控制电压接控制电压Uc.Uc. 转子是鼠笼式的。转子是鼠笼式的。一相定子绕组通电时的机械特性一相定子绕组通电时的机械特性nUc消失时，电机转速虽会下消失时，电机转速虽会下降，但仍会继续不停地转降，但仍会继续不停地转动动“自转自转”。n 时，且控制电流与励时，且控制电流与励磁电流的相位不同时，建立磁电流的相位不同时，建立起椭圆形旋转磁场，产生起起椭圆形旋转磁场，产生起动转矩，使电机转动；动转矩，使电机转动； cU0n自

21、转现象自转现象：伺服电动机在控制信号消失后仍伺服电动机在控制信号消失后仍继续旋转的失控现象称为继续旋转的失控现象称为“自转自转”。为了使。为了使电机具有伺服性：即控制电压电机具有伺服性：即控制电压Uc=0Uc=0时，电动时，电动机应该停转，故需要消除这种机应该停转，故需要消除这种自转现象。自转现象。n如何克服自转如何克服自转：从机械特性图上我们可以看：从机械特性图上我们可以看出出, ,为了使当控制信号为零时为了使当控制信号为零时, ,转子的转速也转子的转速也为零为零, ,只要转子旋转的方向和电磁转矩的方只要转子旋转的方向和电磁转矩的方向相反向相反, ,就可以实现此目的。就可以实现此目的。 下面

22、下面. .我们从异步电机一相绕组通电时我们从异步电机一相绕组通电时的机械特性图进行分析的机械特性图进行分析: :a a）0nn10n0T0，电机继续转动。此时电机继续转动。此时Sm+1Sm+1。Sm+a a）c c）当）当Sm+=1Sm+=1，令，令Uc=0Uc=0，0nn10nn1（正转）时，（正转）时，T0Tn-n10n-n1（反转）时，（反转）时，T0T0，也是制动性转矩；，也是制动性转矩；能使电机制动到停止。能使电机制动到停止。c c）b b）增大）增大Sm+Sm+，使使Sm+ 1。b b）只要只要Sm+ =1, 可避可避免自转现象免自转现象故：增加转子电阻，故：增加转子电阻，S Sm

23、+m+增加，使正向磁场产生最大增加，使正向磁场产生最大转矩时的临界转差率转矩时的临界转差率S Sm+m+11，可以消除自转现象可以消除自转现象。还。还可以扩大交流伺服电动机的稳定运行范围。但转子电可以扩大交流伺服电动机的稳定运行范围。但转子电阻过大，会降低起动转矩，从而影响快速响应性能。阻过大，会降低起动转矩，从而影响快速响应性能。 212xxrSmn已知：已知：2122121mrSxxrxx2 2、基本结构、基本结构 交流伺服电动机的定子与异步电动机交流伺服电动机的定子与异步电动机类似，在定子槽中装有励磁绕组和控类似，在定子槽中装有励磁绕组和控制绕组，转子主要有两种结构：制绕组，转子主要有两

24、种结构：（1 1）笼型转子）笼型转子（2 2）非磁性空心杯转子）非磁性空心杯转子3、控制方法、控制方法 交流伺服电动机运行时，励磁绕组如果接在额定电压上，交流伺服电动机运行时，励磁绕组如果接在额定电压上，大小、相位不变，那么改变控制绕组所加的电压大小、相位不变，那么改变控制绕组所加的电压UcUc的大小和的大小和相位，电动机气隙磁通势则随着信号电压相位，电动机气隙磁通势则随着信号电压UcUc的大小和相位而的大小和相位而改变。改变。n若若UcUc与与UfUf幅值相等，相位相差幅值相等，相位相差9090电角度，则电机的气隙磁电角度，则电机的气隙磁场为场为圆形旋转磁场圆形旋转磁场；n若改变若改变UcU

25、c的大小或相位，电机的气隙磁场为的大小或相位，电机的气隙磁场为椭圆形旋转磁椭圆形旋转磁场场；大小或相位不同旋转磁场的椭圆度不同，产生的电磁；大小或相位不同旋转磁场的椭圆度不同，产生的电磁转矩也不同，从而可以调节电机的转速；转矩也不同，从而可以调节电机的转速；n若若UcUc的幅值为的幅值为0 0或或UcUc与与UfUf相位差为相位差为0 0电角度时，气隙磁场为电角度时，气隙磁场为脉振磁场脉振磁场，无起动转矩。，无起动转矩。 因此，改变控制电压因此，改变控制电压UcUc的大小和相位即可实现对交流伺服的大小和相位即可实现对交流伺服电动机的控制，控制方法主要有：幅值控制、相位控制、幅电动机的控制，控制

26、方法主要有：幅值控制、相位控制、幅值值- -相位控制。相位控制。1）幅值控制：）幅值控制： 如图所示，幅值控制通过改变控制电压的大小来如图所示，幅值控制通过改变控制电压的大小来控制电机转速，此时控制电压与励磁电压之间的控制电机转速，此时控制电压与励磁电压之间的相位差始终保持相位差始终保持9090电角度。电角度。 U=Uf 电压移相 90UcWcWfUfUc(可变) 若控制绕组的额定电压若控制绕组的额定电压 , ,那么控制信号的大小可表那么控制信号的大小可表示示c cNcN , , 称为有效信号系数，那么以称为有效信号系数，那么以cn为基值，控制为基值，控制电压电压c的标么值为：的标么值为： .

27、fcNUUfccncncnccUUUUUUU*n当有效信号系数当有效信号系数 时，两电压幅值相等，相位相差时，两电压幅值相等，相位相差90电电角度。所产生的气隙磁通势为圆形旋转磁通势，产生的电磁转角度。所产生的气隙磁通势为圆形旋转磁通势，产生的电磁转距最大。距最大。n当当 RL2当当0、Ra及及RL都不变时，都不变时，输出电压输出电压U与转速成线性与转速成线性关系。关系。对于不同的负载电对于不同的负载电阻阻RL，输出特性的斜率输出特性的斜率C不同，负载电阻越小，斜不同，负载电阻越小，斜率率C也越小。如图也越小。如图2、误差分析：、误差分析： 显然，直流测速发电机的输出电压与显然，直流测速发电机

28、的输出电压与转速要严格保持正比关系在实际中是难转速要严格保持正比关系在实际中是难以做到的，实际的输出特性为图以做到的，实际的输出特性为图7.21中中实线。实线。 造成这种非线性误差的原因主要有以造成这种非线性误差的原因主要有以下三个方面：下三个方面：电枢反应电枢反应，温度的影响和温度的影响和接触电阻。接触电阻。 二、交流测速发电机：二、交流测速发电机： 交流测速发电机分为交流测速发电机分为同步测速发电机同步测速发电机和和异异步测速发电机步测速发电机。以下仅介绍以下仅介绍交流异步测速交流异步测速发电机。发电机。1、结构介绍：结构介绍： 在自动控制系统中多用空心杯转子异步测在自动控制系统中多用空心

29、杯转子异步测速发电机速发电机。空心杯转子异步测速发电机定空心杯转子异步测速发电机定子上有两个在空间上互差子上有两个在空间上互差90 电角度的绕电角度的绕组，一为励磁绕组，另一为输出绕组，如组，一为励磁绕组，另一为输出绕组，如图所示。图所示。2、工作原理：、工作原理： 工作时，励磁绕组接频率为工作时，励磁绕组接频率为f的的单相交流电源，单相交流电源，此时显然沿着直轴方向将会产生一个脉振磁此时显然沿着直轴方向将会产生一个脉振磁动势动势D，1）当转子不动时，脉振）当转子不动时，脉振磁动势磁动势 D在空心杯转子在空心杯转子中感应出变压器电势，中感应出变压器电势，产生的磁场为与励磁电产生的磁场为与励磁电

30、源同频率的脉振磁场源同频率的脉振磁场 D，也为也为d轴，轴，都与处于都与处于q轴轴的输出绕组无磁通交链。的输出绕组无磁通交链。 2 2） 当转子运动时，转子切割直轴当转子运动时，转子切割直轴磁通磁通 D，在杯型转子中感应产生在杯型转子中感应产生旋转电势旋转电势E r，其大小正比于转子其大小正比于转子转速转速n，并以励磁磁场并以励磁磁场 D的脉振的脉振频率频率f交变，又因空心杯转子相当交变，又因空心杯转子相当于短路绕组，故旋转电势于短路绕组，故旋转电势E r在杯在杯型转子中产生交流短路电流型转子中产生交流短路电流I r，其大小正比于其大小正比于E r，其频率为其频率为E r的的交变频率交变频率f

31、，若忽视杯型转子的漏若忽视杯型转子的漏抗的影响，那么电流抗的影响，那么电流I r所产生的所产生的脉振磁通脉振磁通 q的大小正比于的大小正比于E r，在在空间位置上与输出绕组的轴线空间位置上与输出绕组的轴线（q轴）一致，因此转子脉振磁轴）一致，因此转子脉振磁场场 q与输出绕组相交链而产生感与输出绕组相交链而产生感应电势应电势E，据上分析有：据上分析有：EIEnqrrEn输出绕组感应产生的电势输出绕组感应产生的电势E实际就是实际就是交流异交流异步测速发电机输出的空载电压步测速发电机输出的空载电压U，其大小正其大小正比于转速比于转速n，其频率为励磁电源的频率其频率为励磁电源的频率f。当当然，这里也存

32、在着不可避免的误差。然，这里也存在着不可避免的误差。n误差分析：主要有误差分析：主要有非线性误差、剩余电压和非线性误差、剩余电压和相位误差。相位误差。rrqnEIEU n7. 测速发电机的应用测速发电机的应用 测速发电机的作用是将机械速度转换为电测速发电机的作用是将机械速度转换为电气信号，常用作测速元件、校正元件、解气信号，常用作测速元件、校正元件、解算元件算元件，与伺服电机配合，广泛使用于许，与伺服电机配合，广泛使用于许多速度控制或位置控制系统中，如在稳速多速度控制或位置控制系统中，如在稳速控制系统中，测速发电机将速度转换为电控制系统中，测速发电机将速度转换为电压信号作为速度反馈信号，可达到

33、较高的压信号作为速度反馈信号，可达到较高的稳定性和较高的精度，在计算解答装置中，稳定性和较高的精度，在计算解答装置中，常作为微分、积分元件。常作为微分、积分元件。 误差分析：主要有非线性误差、剩余电压和相误差分析：主要有非线性误差、剩余电压和相位误差。位误差。非线性误差非线性误差 只有严格保持直轴磁通只有严格保持直轴磁通 d不变的前提下，交不变的前提下，交流异步测速发电机的输出电压才与转子转速流异步测速发电机的输出电压才与转子转速成正比，但在实际中直轴磁通成正比，但在实际中直轴磁通 d是变化的，是变化的，为了减小转子漏抗造成的线性误差为了减小转子漏抗造成的线性误差，异步测，异步测速发电机都采用

34、非磁性空心杯转子，常用电速发电机都采用非磁性空心杯转子，常用电阻率大的磷青铜制成，以增大转子电阻，从阻率大的磷青铜制成，以增大转子电阻，从而可以忽略转子漏抗，与此同时使杯型转子而可以忽略转子漏抗，与此同时使杯型转子转动时切割交轴磁通转动时切割交轴磁通q q而而产生的直轴磁势明产生的直轴磁势明显减弱。另外，提高励磁电源频率，也就是显减弱。另外，提高励磁电源频率，也就是提高电机的同步转速，也可提高线性度，减提高电机的同步转速，也可提高线性度，减小线性误差。小线性误差。 剩余电压剩余电压 当转子静止时，交流测速发电机的输出当转子静止时，交流测速发电机的输出电压应当为零，但实际上还会有一个很电压应当为

35、零，但实际上还会有一个很小的电压输出，此电压称为剩余电压。小的电压输出，此电压称为剩余电压。 相位误差相位误差7.5 自整角机自整角机一、定义：一、定义： 在自动控制系统中，常常需要指示位置和在自动控制系统中，常常需要指示位置和角度的数值，或者需要远距离调节执行机角度的数值，或者需要远距离调节执行机构的速度，或者需要某一根或多根轴随着构的速度，或者需要某一根或多根轴随着另外的与其无机械连接的轴同步转动，这另外的与其无机械连接的轴同步转动，这样，就出现了样，就出现了自整角机，自整角机，即用来实现自动即用来实现自动指示角度和同步传输角度的一类控制电机。指示角度和同步传输角度的一类控制电机。二、结构

36、：二、结构：通常做成两极电机。通常做成两极电机。456123Z1Z2D1D2D3D4D5D61.1.三相整步绕组；三相整步绕组；2.2.定子铁心；定子铁心；7. 7. 转子铁心；转子铁心；4 4转子励磁绕组；转子励磁绕组；5 5 转轴；转轴；6 6 滑环滑环(a)(b)(c)二、结构：二、结构： 自整角机通常是两台或两台以上组合使用，自整角机通常是两台或两台以上组合使用，产生信产生信号的自整角机称为发送机号的自整角机称为发送机，它将轴上的转角变换为，它将轴上的转角变换为电信号，电信号，接收信号的自整角机称为接收机，接收信号的自整角机称为接收机，它将发它将发送机发送的电信号变换为转轴的转角，从而

37、实现角送机发送的电信号变换为转轴的转角，从而实现角度的传输、变换和接收。度的传输、变换和接收。 在随动系统中主令轴只有一根，而从动轴可以是在随动系统中主令轴只有一根，而从动轴可以是一根，也可以是多根，一根，也可以是多根，主令轴安装发送机，从动轴主令轴安装发送机，从动轴安装接受机，安装接受机，故而一台发送机带一台或多台接受机。故而一台发送机带一台或多台接受机。主令轴与从动轴之间的角位差，称为主令轴与从动轴之间的角位差，称为失调角失调角。三、分类：三、分类： 自整角机按自整角输出量可分为力矩式自整角机和自整角机按自整角输出量可分为力矩式自整角机和控制式自整角机两种。控制式自整角机两种。四、四、控制

38、式自整角机控制式自整角机工作原理工作原理 自整角机工作时，发送机的励磁绕组接在单相交流自整角机工作时，发送机的励磁绕组接在单相交流电源上，发送机和接收机的三相整步绕组中，同样电源上，发送机和接收机的三相整步绕组中，同样相号的引出线接在一起。自整角接收机工作在变压相号的引出线接在一起。自整角接收机工作在变压器状态，称其为器状态，称其为自整角变压器自整角变压器。在这里，为了表示在这里，为了表示清楚，我们把励磁绕组与整步绕组分开画，习惯上，清楚，我们把励磁绕组与整步绕组分开画，习惯上，励磁绕组画在上边，整步绕组画在下边，图中，下励磁绕组画在上边，整步绕组画在下边，图中，下标为标为F的是发送机，画在左

39、边，下标为的是发送机，画在左边，下标为J的是接收机，的是接收机，画在右边。画在右边。 把发送机励磁绕组的轴线定为把发送机励磁绕组的轴线定为d d 轴（直轴），轴（直轴），与其与其垂直的的方向是垂直的的方向是q q 轴（交轴），轴（交轴），如图所示：如图所示： 接 收 机 J 发 送 机 F Ia 1 2 a a E1a Ia Ia c b b c Ib Ic 控制式自整角机控制式自整角机工作原理工作原理1、三相整步绕组的电势和电流、三相整步绕组的电势和电流 当发送机转子上的励磁绕组接入单相交流当发送机转子上的励磁绕组接入单相交流电流时，产生的是正弦分布的脉振磁场，电流时，产生的是正弦分布的脉振

40、磁场，与发送机三相整步绕组相交链而感应产生与发送机三相整步绕组相交链而感应产生电动势。如果发送机三相整步绕组的某相电动势。如果发送机三相整步绕组的某相（如（如A相）与磁励绕组的轴线重合作为起相）与磁励绕组的轴线重合作为起始位置，那么此时该相的感应电动势，其始位置，那么此时该相的感应电动势，其有效值为有效值为 E = 4.44 f N kNm 如果如果发送机转子的位置角为发送机转子的位置角为 1，如图所示，如图所示，那么由发送机励磁绕组产生的主磁场在其那么由发送机励磁绕组产生的主磁场在其各相整步绕组中感应的电势的有效值分别各相整步绕组中感应的电势的有效值分别为为 E1a = Ecos 1 E1b

41、 = Ecos( 1120 ) E1c = Ecos( 1240 ) 设自整角发送机的每相整步绕组的阻抗为设自整角发送机的每相整步绕组的阻抗为Z1，自整角变压器每相整步绕组的阻抗为自整角变压器每相整步绕组的阻抗为Z2，为了便于分析，把两台自整角机的三为了便于分析，把两台自整角机的三相整步绕组的星点连接起来，那么三相整相整步绕组的星点连接起来，那么三相整步绕组的回路电流分别为步绕组的回路电流分别为三相整步绕组星点连线中的电流为三相整步绕组星点连线中的电流为 I0 = Ia+Ib+Ic = Icos 1+Icos( -120 )+Icos( - 240 ) = 0可见：连线中并没有电流，实际线路中

42、并不需要连可见：连线中并没有电流，实际线路中并不需要连接，分析时连接只不过为了便于分析而已。接，分析时连接只不过为了便于分析而已。1121211coscosIZZEZZEIaa)120cos()120cos(1121211IZZEZZEIbb)120cos()240cos(1121211IZZEZZEIcc2、三相整步绕组磁势、三相整步绕组磁势由于三相整步绕组的电势都是由同一个脉振磁通感应产生，由于三相整步绕组的电势都是由同一个脉振磁通感应产生，因控制式自整角发送机和自整角变压器的每相整步绕组回路因控制式自整角发送机和自整角变压器的每相整步绕组回路的阻抗都相同，因而的阻抗都相同，因而整步绕组的

43、每一相绕组回路的电流是同整步绕组的每一相绕组回路的电流是同频同相位的，那么其合成磁势为空间分布的脉振磁势。频同相位的，那么其合成磁势为空间分布的脉振磁势。自整角发送机每相磁势幅值为：自整角发送机每相磁势幅值为：111coscos2424mNNaaFINkNkIF)120cos()120cos(2424111mNNbbFINkNkIF)240cos()240cos(2424111mNNccFINkNkIF 为了分析的方便，通常把整步绕组中三个空间脉振磁势分解为为了分析的方便，通常把整步绕组中三个空间脉振磁势分解为直轴分量和交轴分量，励磁绕组为直轴，也称直轴分量和交轴分量，励磁绕组为直轴，也称d轴

44、，交轴与直轴轴，交轴与直轴在空间相差在空间相差90 ，称为，称为q轴。轴。那么控制式自整角发送机那么控制式自整角发送机三相绕组的直轴分量磁势三相绕组的直轴分量磁势为为F1d=F1acos 1+F1bcos( 1-120 )+F1ccos( 1-240 ) =Fmcos2 1+Fmcos2( 1-120 )+Fmcos2( 1-240 ) = Fm23交轴分量的磁通势交轴分量的磁通势为为F1q=F1asin 1+F1bsin( 1-120 )+F1csim( 1-240 )=Fmcos 1sin 1+Fmcos( 1-120 )sin( 1-120 )+Fmcos( 1-240 )sim( 1-

45、240 ) =0上述公式表明，控制式自整角发送机的三相绕组合成磁势没上述公式表明，控制式自整角发送机的三相绕组合成磁势没有交轴分量，只有直轴分量，即有交轴分量，只有直轴分量，即合成磁势是一个直轴磁势，合成磁势是一个直轴磁势，与励磁绕组同轴，与与励磁绕组同轴，与 1无关。无关。 自整角变压器的三相绕组电流就是发送自整角变压器的三相绕组电流就是发送机绕组电流，机绕组电流，只不过对发送机而言，电只不过对发送机而言，电流是流是“流出流出”的，对于接收机（自整角的，对于接收机（自整角变压器）而言，电流是变压器）而言，电流是“流入流入”的，如的，如图所示图所示,因而在因而在接收机整步绕组中产生的接收机整步

46、绕组中产生的磁通势磁通势F1与与F1大小相等，方向相反，大小相等，方向相反，也与也与 1无关。无关。 Uf 12aE1aIacbbcIbIcF11a1=1-212F13、自整角变压器的输出电势：、自整角变压器的输出电势： 如果自整角变压器的转子转角如果自整角变压器的转子转角 2等于自等于自整角发送机的转子转角整角发送机的转子转角 1，则自整角变，则自整角变压器三相绕组合成磁势所产生的磁场与压器三相绕组合成磁势所产生的磁场与转子输出绕组同轴线，那么在转子输出转子输出绕组同轴线，那么在转子输出绕组中感应电动势绕组中感应电动势Em的值最大，如果的值最大，如果 21，自整角变压器定子合成磁势与转，自整

47、角变压器定子合成磁势与转子输出绕组轴线夹角为子输出绕组轴线夹角为 = 1- 2，如图所，如图所示，此时转子输出绕组感生的电动势为：示，此时转子输出绕组感生的电动势为：E2 = Emcos( 1 2) = Emcos E2 = Emcos( 1 2) = Emcos 由上式知，自整角变压器输出电压（电势）为失调角由上式知，自整角变压器输出电压（电势）为失调角 的余弦函数，在实际控制系统中会带来一些问题。的余弦函数，在实际控制系统中会带来一些问题。（1）当随动系统处于协调位置（即失调角）当随动系统处于协调位置（即失调角 =0）时，）时，希望自整角变压器的输出电压为希望自整角变压器的输出电压为0，当

48、，当0时，才有时，才有电压信号输出，送到交流伺服电动机中，使伺服电电压信号输出，送到交流伺服电动机中，使伺服电动机旋转以清除动机旋转以清除 ，但如按图工作，那么，在失调角但如按图工作，那么，在失调角为为0时，自整角变压器输出电压反而最大，时，自整角变压器输出电压反而最大， 增大，增大，输出电压反而减小，与实际需要相反输出电压反而减小，与实际需要相反。（2）失调角）失调角 是有方向的，是顺时针还是反时针是必是有方向的，是顺时针还是反时针是必须明确的，即须明确的，即 的正负值是表明方向的，但上述系统的正负值是表明方向的，但上述系统中不管中不管 为正还是为负，其输出的电压都是正的，因为正还是为负，其

49、输出的电压都是正的，因为为Ecos(- )=Ecos . 为了解决上述问题，在实际使用的系统在实际使用的系统中，自整角发送机的中，自整角发送机的a相定子绕组线作相定子绕组线作直轴，其转子绕组以直轴作起始位置，直轴，其转子绕组以直轴作起始位置，而把自整角变压器转子输出绕组放在交而把自整角变压器转子输出绕组放在交轴上，事实上，把自整角变压器的转子轴上，事实上，把自整角变压器的转子由原来的协调位置（由原来的协调位置（ =0）处旋转）处旋转90 作作为起始位置，那么输出绕组感应电为起始位置，那么输出绕组感应电动势动势 E2 = Emcos( -90 ) =Emsin 空载时，输出电压空载时，输出电压U

50、2=E2，负载时，输出电压下负载时，输出电压下降，若选择输入阻抗大的放大器作为负载，则自整角降，若选择输入阻抗大的放大器作为负载，则自整角变压器输出电压下降不大。变压器输出电压下降不大。 自整角变压器的输出电压自整角变压器的输出电压U2随失调角随失调角 变化的曲线变化的曲线如图所示。如图所示。 自整角变压器在协调位置即自整角变压器在协调位置即 =0时，输出电压为时，输出电压为0，当，当 =1 时输出的电压值叫比电压时输出的电压值叫比电压U0，比电压越比电压越大，控制系统越灵敏。大，控制系统越灵敏。 U2 U2m -180 0 180 E2 = Em( -90 ) =Emsin 五、力矩式自整角

51、机：五、力矩式自整角机： 在随动系统中，不需放大器和伺服电动机的配在随动系统中，不需放大器和伺服电动机的配合，合，两台力矩式自整角机就可进行角度传递两台力矩式自整角机就可进行角度传递，因，因而常用以转角指示。而常用以转角指示。 其工作原理如图其工作原理如图 ：两台电机的励磁绕组接到两台电机的励磁绕组接到同一单相交流电源上，三相整步绕组对应相接。同一单相交流电源上，三相整步绕组对应相接。 当发送机的转子转角为当发送机的转子转角为 1，接收机转子转角为，接收机转子转角为 2，在上述假设条件下，在上述假设条件下，力矩式自整角机工作时力矩式自整角机工作时电机内磁势情况可以看成发送机励磁绕组与接收电机内

52、磁势情况可以看成发送机励磁绕组与接收机励磁绕组分别单独接电源时所产生的磁势的线机励磁绕组分别单独接电源时所产生的磁势的线性叠加。性叠加。 Uf 1aE1acbbcF11a12F12FfFfF22Ff12FfF21）、直轴、交轴磁势是如何产生转矩的）、直轴、交轴磁势是如何产生转矩的： q F d q d d F F F F F F q F (a ) (b ) (c ) (d ) (e )力矩式自整角机的转矩是定子磁势与转子磁势相互作用而产力矩式自整角机的转矩是定子磁势与转子磁势相互作用而产生的。为分析自整角机的力矩，我们先来看看直轴、交轴磁生的。为分析自整角机的力矩，我们先来看看直轴、交轴磁势是

53、如何产生转矩的。势是如何产生转矩的。A：图图b，在直轴磁通（磁势）下，在直轴磁通（磁势）下，通电线圈产生的通电线圈产生的也是直轴磁势，此时线圈也受到的电磁力也是直轴磁势，此时线圈也受到的电磁力F的方向的方向如图所示，显然不会产生转矩。同样的，图如图所示，显然不会产生转矩。同样的，图c是产是产生交轴磁势的线圈在交轴磁通（磁势）下也不会生交轴磁势的线圈在交轴磁通（磁势）下也不会产生转矩。产生转矩。B：图图d，在直轴磁通（磁势）下，通电线圈产生的在直轴磁通（磁势）下，通电线圈产生的是交轴磁势，线圈边受力方向相反，使线圈产生是交轴磁势，线圈边受力方向相反，使线圈产生顺时针力矩，最终使线圈停在顺时针力矩

54、，最终使线圈停在水平位置，两磁势水平位置，两磁势的轴线重合，同样的，图的轴线重合，同样的，图e是产生直轴磁势的线圈是产生直轴磁势的线圈在交轴磁通（磁势）下受到逆时针的转矩。在交轴磁通（磁势）下受到逆时针的转矩。 综上所述，同轴磁势不产生转矩，直轴磁势综上所述，同轴磁势不产生转矩，直轴磁势与交轴磁势能够产生转矩，转矩的方向是使与交轴磁势能够产生转矩，转矩的方向是使两磁势磁轴线靠拢。两磁势磁轴线靠拢。2）、）、力矩自整角机的力矩及方向：力矩自整角机的力矩及方向：在接收机中，在接收机中，F2与励磁磁势与励磁磁势Ff是同轴磁势，故不会产是同轴磁势，故不会产生力矩，生力矩，而而F1与与Ff轴线的夹角即失

55、调角轴线的夹角即失调角 = 1- 2，不，不同轴的磁势则产生转矩：若把同轴的磁势则产生转矩：若把F2作直轴，那么可把作直轴，那么可把F1分为直轴分量分为直轴分量F1cos 交轴分量交轴分量F1sin ，如图所示如图所示。直轴分量与。直轴分量与Ff同轴不产生转矩，同轴不产生转矩，交轴分量交轴分量F1sin 则则与与Ff产生转矩，此转矩称为整步转矩产生转矩，此转矩称为整步转矩。若。若 =90 时产时产生的最大整步转矩为生的最大整步转矩为Tm，那那接收机所产生的整步转接收机所产生的整步转矩可以表达为：矩可以表达为：T=Tmsin d F2 F1sin q F1c o s F1 Ff 当失调角越大，自

56、整角接收机产生的整步当失调角越大，自整角接收机产生的整步转矩越大，转矩的方向是使转矩越大，转矩的方向是使Ff和和F1靠拢，即转靠拢，即转子往失调角减小的方向旋转，如为空载，最终子往失调角减小的方向旋转，如为空载，最终会消除失调角会消除失调角 ，此时，两个力矩式自整角机，此时，两个力矩式自整角机的转子转角相等的转子转角相等 1= 2， = 1- 2=0，随动系统，随动系统处于协调位置。处于协调位置。 但实际上，由于机械但实际上，由于机械摩擦等原因的影响，摩擦等原因的影响，使空载时失调角并不为使空载时失调角并不为0，而存在着一个较小，而存在着一个较小的的 ，误差误差 叫做叫做静态误差静态误差，即自

57、整角发送机，即自整角发送机和接受机转子停止不转时的失调角。和接受机转子停止不转时的失调角。 若主轴在外部力矩下连续不断地转动，若主轴在外部力矩下连续不断地转动， 1与与 2的的差值差值角角 使接收机产生转矩，使转子转动，以减小失使接收机产生转矩，使转子转动，以减小失调角，即使接收机时刻跟随发送机旋转。调角，即使接收机时刻跟随发送机旋转。 失调角失调角 与静态整步转矩与静态整步转矩T的关系曲线如图所示，的关系曲线如图所示，当失调角当失调角 =1 时的静态整步转矩称比整步转矩，其时的静态整步转矩称比整步转矩，其值愈值愈大，则系统灵敏度愈高。大，则系统灵敏度愈高。 T Tm -1 8 0 0 1 8

58、 0 n力矩式自整角机和控制式自整角机的区别力矩式自整角机和控制式自整角机的区别 自整角机控制系统中，当失调角产生时：自整角机控制系统中，当失调角产生时： 力矩自整角接收机输出与失调角成正弦关系的力矩自整角接收机输出与失调角成正弦关系的转矩，直接带动接收机轴上的机械负载，直至消转矩，直接带动接收机轴上的机械负载，直至消除失调角。除失调角。但力矩式自整角机力矩不大，如果机但力矩式自整角机力矩不大，如果机械负载较大，则采用控制式自整角机系统，械负载较大，则采用控制式自整角机系统， 自控式自整角机把失调角转换为正弦关系的电自控式自整角机把失调角转换为正弦关系的电压输出，经过电压放大器放大后送到交流伺

59、服电压输出，经过电压放大器放大后送到交流伺服电动机的控制绕组中，使伺服电机转动，再经齿轮动机的控制绕组中，使伺服电机转动，再经齿轮减速后带动机械负载转动，直到消除失调角。减速后带动机械负载转动，直到消除失调角。 自整角机的应用：自整角机的应用： 自整角机的应用越来越广泛，常用于位置自整角机的应用越来越广泛，常用于位置和角度的远距离指示，如在飞机、舰船之和角度的远距离指示，如在飞机、舰船之中常用于角度位置、高度的指示，雷达系中常用于角度位置、高度的指示，雷达系统中用于无线定位等等；另一方面常用于统中用于无线定位等等；另一方面常用于远距离控制系统中，如轧钢机轧辊控制和远距离控制系统中，如轧钢机轧辊

60、控制和指示系统、核反应堆的控制棒指示等等。指示系统、核反应堆的控制棒指示等等。7.6 旋转变压器旋转变压器一、定义：一、定义： 当旋转变压器的定子绕组施加单相交流电当旋转变压器的定子绕组施加单相交流电时，其转子绕组输出的电压与转子转角成正时，其转子绕组输出的电压与转子转角成正弦余弦关系或线性关系等函数关系。弦余弦关系或线性关系等函数关系。二、分类：二、分类： 根据输出的函数关系的不同，旋转变压器根据输出的函数关系的不同，旋转变压器可分为很多类，其中正余弦旋转变压器，线可分为很多类，其中正余弦旋转变压器，线性旋转变压器较为常用。性旋转变压器较为常用。1、工作原理、工作原理：1）空载运行时：）空载