微控电机课件

1、微控电机课件 第九章第九章 微控电机课件n微控电机在本质上和我们以前所讲的普通微控电机在本质上和我们以前所讲的普通电机并没有区别电机并没有区别,只是他们的侧重点不同而只是他们的侧重点不同而已已:普通旋转电机主要是进行能量变换，要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；而控制电机主要是求有较高的力能指标；而控制电机主要是对控制信号进行传递和变换，要求有较高对控制信号进行传递和变换，要求有较高的控制性能，如要求反应快、精度高、运的控制性能，如要求反应快、精度高、运行可靠等等。控制电机因其各种特殊的控行可靠等等。控制电机因其各种特殊的控制性能而常在自动控制系统中作为执行元制性能而常在自

2、动控制系统中作为执行元件、检测元件和解算元件。件、检测元件和解算元件。n微控电机微控电机:由驱动微电机和控制电机构成简由驱动微电机和控制电机构成简称为微控电机称为微控电机 . 微控电机课件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,功率一般功率一般都在都在750W以下以下,最小的不到最小的不到1W,因此外形尺寸因此外形尺寸较小较小,相应的功率也小相应的功率也小,本章主要介绍单相异步本章主要介绍单相异步电动机电动机,微型同步电动机微型同步电动机,直线电动机直线电动机.n控制电机控制电机:在自动控制系统中对信号进行传递在自动控制系统中对信号进行传递和变换和变换,用做执行元件或

3、信号元件用做执行元件或信号元件.要求有较高要求有较高的控制性能的控制性能,如如:反应快反应快,精度高精度高,运行可靠等等运行可靠等等.本章主要介绍伺服电动机本章主要介绍伺服电动机,步进电动机步进电动机,旋转变旋转变压器压器,自整角机和测速发电机自整角机和测速发电机.微控电机课件9.1 单相异步电动机单相异步电动机一、单相异步电动机简介：一、单相异步电动机简介：二、工作原理：二、工作原理：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：微控电机课件 + - T+ T-微控电机课件 T T+ s+=s 2 1 0 0 1 2 s-=2-s T-微控电机课件结论：1当n0时，转矩T

4、0，此时的电磁转矩是驱动性质的，电机属于正转运行2当n0时，转矩T当当n=0时，转矩时，转矩T=0，显然这是不行的，显然这是不行的，电机将无法起动，即，我们希望当转速电机将无法起动，即，我们希望当转速=0时，转矩不应为零！时，转矩不应为零！由此可见，单个绕组通电，电机可以运行，但不能起动，因此必须有两相绕组才行。微控电机课件 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： 从图形可以看出，此时的电机可以顺利起从图形可以看出，此时的电机可以顺利起动，从上面的分析结果可知，单相异步电动，从上面的分析结果可知，单相异步电动机的关键问题是如何起动的问题，而起动机的关键问题是如何起动的问题，

5、而起动的必要条件是：动的必要条件是：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）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 第一个条件显然应该是满足的，所以，第一个条件显然应该是满足的，所以，现现在的关键问题是如何实现电流的分相问题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，我们把单相异步电根据分相方法的不同，我们把单相异步电动机又分为：动机又分为：微控电机课件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）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）单相电容运转异步电动机）单相电容运转异步电动机4

6、）单相电容起动与运转异步电动机）单相电容起动与运转异步电动机5）单相罩极式异步电动机）单相罩极式异步电动机下面，我们分别来看一下：下面，我们分别来看一下：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、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微控电机课件U1 I1 S R I2工作绕组起动绕组微控电机课件 U1 I2 I1微控电机课件 这种电动机，由于两相绕组中电流的相这种电动机，由于两相绕组中电流的相位相差不大，所以，气隙磁动势是一个位相差不大，所以，气隙磁动势是一个椭圆形，因此起动电流比较大，而起动椭圆形，因此起动电流比较大，而起动转矩却不是很大。转矩却不是很

7、大。2、单相电容分相起动异步电动机： S I1 C I2 工作绕组起 动 绕 组I1I2V2微控电机课件优点：优点：1）如果电容器的电容量配的合适，可以）如果电容器的电容量配的合适，可以实现两个电流之间的相位差为实现两个电流之间的相位差为90，2）副绕组的容性可以抵消一些本身所有）副绕组的容性可以抵消一些本身所有的感抗，使电抗减小，所以副绕组的匝的感抗，使电抗减小，所以副绕组的匝数不象电阻分相时受到限制，从而可以数不象电阻分相时受到限制，从而可以增加一些，使磁动势增加。增加一些，使磁动势增加。 这两点的实现，可以使我们得到一个接这两点的实现，可以使我们得到一个接近圆形的磁动势，即较大的起动转矩

8、，近圆形的磁动势，即较大的起动转矩，而起动电流还会下降！而起动电流还会下降！微控电机课件3、单相罩极式异步电动机、单相罩极式异步电动机 0 2微控电机课件 0 1 2 k Ek Ik微控电机课件9.2 伺服电动机伺服电动机伺服电动机（执行电动机），它将输入的电压伺服电动机（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，改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动变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的转速与转向，故输入的电压信号又称为机的转速与转向，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。控制信号或控制电压。根据使用电源的不同，伺服电动机

9、分为直流伺根据使用电源的不同，伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机输出功率较大，功率范围为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；而交流伺服电动瓦，有的甚至可达上千瓦；而交流伺服电动机输出功率较小，功率范围一般为机输出功率较小，功率范围一般为0.10.1100100瓦。瓦。微控电机课件一、直流伺服电动机 1 1、简介：、简介：直流伺服电动机实际上就是他直流伺服电动机实际上就是他励直流电动机，励直流电动机，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。 输入的控制信

10、号，既可加到励磁绕组上，输入的控制信号，既可加到励磁绕组上，也可加到电枢绕组上：若把控制信号加也可加到电枢绕组上：若把控制信号加到电枢绕组上，通过改变控制信号的大到电枢绕组上，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，小和极性来控制转子转速的大小和方向，这种方式叫电枢控制；若把控制信号加这种方式叫电枢控制；若把控制信号加到励磁绕组上进行控制，这种方式叫磁到励磁绕组上进行控制，这种方式叫磁场控制。场控制。微控电机课件2：特性分析：特性分析：1）机械特性：）机械特性：TCCRRCUnTeae2 n n1 1 Uc1U c 2Uc3 n2 2 1 Uc1 n3 3 2 Uc2 3 Uc

11、3 0 T1 T2 T微控电机课件2）调节特性：）调节特性： n T2T10 1 T=0 n1 T1 2 n2 1 T2 3 n3 2 3 0 U1 Uc3 U2 Uc2 Uc1 Uc微控电机课件二、交流伺服电动机：二、交流伺服电动机： 伺服电动机就是两相异步电动机，定子伺服电动机就是两相异步电动机，定子侧绕组再空间相差侧绕组再空间相差90度摆放，转子是鼠度摆放，转子是鼠笼式的。笼式的。 Uf f If c Uc IcS M微控电机课件 T T+ s+=s 2 1 0 0 1 2 s-=2-s T-微控电机课件1、自转现象：、自转现象：如果电机参数与一般的单如果电机参数与一般的单相异步电动机一

12、样，那么当控制信号消相异步电动机一样，那么当控制信号消失时，电机转速虽会下降些，但仍会继失时，电机转速虽会下降些，但仍会继续不停地转动。伺服电动机在控制信号续不停地转动。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消失后仍继续旋转的失控现象称为“自自转转”。2、如何克服：显然、如何克服：显然,我们需要的是当控制我们需要的是当控制信号为零时信号为零时,转子的转速也为零转子的转速也为零,从机械从机械特性图上我们可以看出特性图上我们可以看出,只要转子旋转的只要转子旋转的方向和电磁转矩的方向相反方向和电磁转矩的方向相反,就可以实现就可以实现此目的此目的,那么那么.从我们以前所学的知识可从我们以前

13、所学的知识可得得:微控电机课件n使电机制动到停止，从而消除使电机制动到停止，从而消除“自转自转”增加转子电阻，使正向磁场产生最大转增加转子电阻，使正向磁场产生最大转矩时的矩时的S Sm+m+11，使正向旋转的电机在控使正向旋转的电机在控制电压消失后的电磁转矩为负值，即为制电压消失后的电磁转矩为负值，即为制动转矩，使电机制动到停止；若电机制动转矩，使电机制动到停止；若电机反向旋转，则在控制电压消失后的电磁反向旋转，则在控制电压消失后的电磁转矩为正值，也为制动转矩，如图转矩为正值，也为制动转矩，如图212xxrSm微控电机课件微控电机课件3、改变控制电压的方法：、改变控制电压的方法：1）幅值控制：

14、）幅值控制：如图所示，幅值控制通过改变控制电压的如图所示，幅值控制通过改变控制电压的大小来控制电机转速，此时控制大小来控制电机转速，此时控制 U=Uf 电压移相 90UcWcWfUfUc(可变)微控电机课件 电压与励磁电压之间的相位差始终保持电压与励磁电压之间的相位差始终保持90电角度。若控制绕组的额定电压电角度。若控制绕组的额定电压 , ,那么控制信号的大小可表示那么控制信号的大小可表示c cNcN , , 称为有效信号系数，那称为有效信号系数，那么以么以cn为基值，控制电压为基值，控制电压 的标么的标么值为：值为： .fcNUUcUfccncncnccUUUUUUU*微控电机课件 当有效信

15、号系数当有效信号系数 时，控制电压时，控制电压 与与 的幅值相等，相位相差的幅值相等，相位相差9090电角度，且两绕电角度，且两绕组空间相差组空间相差9090电角度。此时所产生的气隙电角度。此时所产生的气隙磁通势为圆形旋转磁通势，产生的电磁转距磁通势为圆形旋转磁通势，产生的电磁转距最大；当最大；当 时，控制电压小于励磁电压的时，控制电压小于励磁电压的幅值，所建立的气隙磁场为椭圆形旋转磁场，幅值，所建立的气隙磁场为椭圆形旋转磁场，产生的电磁转矩减小。产生的电磁转矩减小。 越小，气隙磁场的椭越小，气隙磁场的椭圆度越大，产生的电磁转矩越小，电机转速圆度越大，产生的电磁转矩越小，电机转速越慢，在越慢，

16、在 时，控制信号消失，气隙磁场时，控制信号消失，气隙磁场为脉振磁场，电机不转或停转。为脉振磁场，电机不转或停转。n幅值控制的交流伺服电动机的机械特性和调幅值控制的交流伺服电动机的机械特性和调节特性如下图所示。图中的转矩和转速都采节特性如下图所示。图中的转矩和转速都采用标么值。用标么值。n2 2）相位控制）相位控制cUfU微控电机课件微控电机课件2 2）相位控制）相位控制: : 这种控制方式通过改变控制电压这种控制方式通过改变控制电压 与与励磁电压励磁电压 之间的相位差来实现对电之间的相位差来实现对电机转速和转向的控制，而控制电压的幅机转速和转向的控制，而控制电压的幅值保持不变。如图所示，励磁绕

17、组直接值保持不变。如图所示，励磁绕组直接接到交流电源上，而控制绕组经移相器接到交流电源上，而控制绕组经移相器后接到同一交流电压上，后接到同一交流电压上， 与与 的频的频率相同。而率相同。而 相位通相位通过移相器可以改过移相器可以改变，从而改变两者之间的相位差变，从而改变两者之间的相位差 , ,cUfUcUfUcU微控电机课件 Sin Sin 称为相位控制的信号系数。改变称为相位控制的信号系数。改变 与与 相位差相位差 的大小，可以改变电机的的大小，可以改变电机的转速。相位控制的机械特性和调节特性转速。相位控制的机械特性和调节特性与幅值控制相似，也为非线性。与幅值控制相似，也为非线性。cUfU

18、U f nUcWcUf移 相 器微控电机课件（3 3）幅值）幅值相位控制相位控制: : 如图所示如图所示, ,我们还可以通过同时改变幅我们还可以通过同时改变幅值和相位的方法来实现对控制电压的改值和相位的方法来实现对控制电压的改变变: : U f nUcWcUf移 相 器微控电机课件 幅度幅度相位控制线路简单，不需要复杂相位控制线路简单，不需要复杂的移相装置，只需电容进行分相，具有的移相装置，只需电容进行分相，具有线路简单、成本低廉、输出功率较大的线路简单、成本低廉、输出功率较大的优点，因而成为使用最多的控制方式。优点，因而成为使用最多的控制方式。微控电机课件9.3 微型同步电动机微型同步电动机

19、 微型同步电动机的定子结构与一般的同微型同步电动机的定子结构与一般的同步电动机相同，可以是三相的也可是单步电动机相同，可以是三相的也可是单相的，但转子结构不同。根据转子结构相的，但转子结构不同。根据转子结构的不同，微型同步电动机主要分为永磁的不同，微型同步电动机主要分为永磁式、反应式、磁滞式等，另外为了提高式、反应式、磁滞式等，另外为了提高力能指标，还将磁滞式与其他形式结合力能指标，还将磁滞式与其他形式结合起来。下面主要介绍永磁式和磁滞式微起来。下面主要介绍永磁式和磁滞式微型同步电动机。型同步电动机。微控电机课件一、永磁式微型同步电动机：一、永磁式微型同步电动机：微控电机课件 当电动机正常运行

20、时，定子绕组产生的当电动机正常运行时，定子绕组产生的旋转磁场以同步转速旋转磁场以同步转速n n1 1旋转，转子也以旋转，转子也以同步转速同步转速n n1 1旋转。与普通同步电机一样，旋转。与普通同步电机一样，永磁式微型同步电动机采用异步起动法：永磁式微型同步电动机采用异步起动法：在起动过程中，转子上的鼠笼起动绕组在起动过程中，转子上的鼠笼起动绕组在定子绕组产生的旋转磁场下产生异步在定子绕组产生的旋转磁场下产生异步转矩，使电机起动。当电机转子转速接转矩，使电机起动。当电机转子转速接近同步转速近同步转速n n1 1时，转子被时，转子被“牵入同步牵入同步” 永磁式同步电动机功率小，结构简单，永磁式同

21、步电动机功率小，结构简单，在电气仪表中应用较多。在电气仪表中应用较多。微控电机课件二、二、反应式微型同步电动机反应式微型同步电动机 反应式微型同步电动机的转子用磁极材反应式微型同步电动机的转子用磁极材料和非磁极材料拼镶而成，使其直轴方料和非磁极材料拼镶而成，使其直轴方向的磁阻小而交轴方向的磁阻大。当反向的磁阻小而交轴方向的磁阻大。当反应式同步电动机定子绕组接交流电源，应式同步电动机定子绕组接交流电源，由于直轴和交轴的磁阻不同，从而形成由于直轴和交轴的磁阻不同，从而形成磁阻转矩（也叫反应转矩），拖动负载磁阻转矩（也叫反应转矩），拖动负载同步运行。同步运行。三、三、磁滞式微型同步电动机磁滞式微型同

22、步电动机 微控电机课件 转子磁滞材料层用硬磁材料制成，硬磁转子磁滞材料层用硬磁材料制成，硬磁材料的磁滞现象十分突出，具有较宽的材料的磁滞现象十分突出，具有较宽的磁滞回线，其剩磁和矫顽力都很大，换磁滞回线，其剩磁和矫顽力都很大，换句话说，既是当外加的磁场发生变化时，句话说，既是当外加的磁场发生变化时，磁滞现象明显的材料不会轻易就随之发磁滞现象明显的材料不会轻易就随之发生相应的改变，他会有一个时间上的落生相应的改变，他会有一个时间上的落后，这样，再外加磁场和转子之间就会后，这样，再外加磁场和转子之间就会产生一个磁滞转矩，再这个转矩的作用产生一个磁滞转矩，再这个转矩的作用下，转子开始旋转。下，转子开

23、始旋转。微控电机课件n磁滞同步电动机凭借磁滞转矩而能自行磁滞同步电动机凭借磁滞转矩而能自行起动，在起动过程中，磁滞角起动，在起动过程中，磁滞角 的大小的大小仅仅取决于硬磁材料的磁化特性，而与仅仅取决于硬磁材料的磁化特性，而与旋转磁通势和转子转速无关，转子的硬旋转磁通势和转子转速无关，转子的硬磁材料在旋转磁化下，磁滞角磁材料在旋转磁化下，磁滞角 是恒定是恒定的。的。微控电机课件微控电机课件9.5 步步 进进 电电 动动 机机一、定义：是一种把一、定义：是一种把电脉冲信号转换为角位移电脉冲信号转换为角位移的电动机。简单的理解：给一个电脉冲信号，的电动机。简单的理解：给一个电脉冲信号，电机前进一步，

24、因此被称之为步进电动机。电机前进一步，因此被称之为步进电动机。相对与模拟的电压信号，步进电机的控制信相对与模拟的电压信号，步进电机的控制信号是数字量，因此，更广泛的应用在数字控号是数字量，因此，更广泛的应用在数字控制场合，例如，计算机的外围控制系统等。制场合，例如，计算机的外围控制系统等。二、结构：二、结构：如图所示，如图所示，微控电机课件三、工作原理：三、工作原理： 如图，在这里我们以三相单三拍的反应如图，在这里我们以三相单三拍的反应式电机为例来进行分析：式电机为例来进行分析：微控电机课件相关概念：相关概念：1、静转矩、静转矩T：2、步距角、步距角 ：在静转矩的作用下，转子齿每前：在静转矩的

25、作用下，转子齿每前进一步在电机圆周上所跨过的距离，我们用进一步在电机圆周上所跨过的距离，我们用一个角度来表示，叫做步距角。一个角度来表示，叫做步距角。3、拍、拍(N)：每改变一次通电方式叫做一拍，常每改变一次通电方式叫做一拍，常用为三拍。用为三拍。4、通电循环：控制绕组各完成一次通电形成一、通电循环：控制绕组各完成一次通电形成一个通电循环，通过后面的分析，我们可以发个通电循环，通过后面的分析，我们可以发现，每经过一个通电循环，（即对应一个现，每经过一个通电循环，（即对应一个2的空间电角度）转子齿前进一个齿距的距离，的空间电角度）转子齿前进一个齿距的距离，因此，转子一个齿距对应一个因此，转子一个

26、齿距对应一个2的空间电角的空间电角度。度。5、单：每次改变通电方式只有一个绕组通电、单：每次改变通电方式只有一个绕组通电s微控电机课件6、双：每改变一次通电方式有两相绕组、双：每改变一次通电方式有两相绕组同时通电同时通电.7、三相单三拍、三相单三拍：三相单，双六拍；三：三相单，双六拍；三相双三拍。相双三拍。 因此因此,它的通电顺序为它的通电顺序为A-B-C-A,如果反如果反向向,即为即为A-C-B-A8、三相单，双六拍的工作原理：、三相单，双六拍的工作原理：如图如图微控电机课件 它的通电顺序为它的通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A 由上面的分析可知，同一台步进电机，其通电由上面的分析可

27、知，同一台步进电机，其通电方式不同，步距角可能不一样，采用单双拍方式不同，步距角可能不一样，采用单双拍通电方式，其步矩角通电方式，其步矩角 S是单拍或双拍的一半；是单拍或双拍的一半；采用双极通电方式，其稳定性比单极要好。采用双极通电方式，其稳定性比单极要好。四、运行特性：1、静态运行特性：步进电动机不改变通电情况步进电动机不改变通电情况的运行状态称为静态运行的运行状态称为静态运行。 失调角失调角：电机定子齿与转子齿中心线之间的电机定子齿与转子齿中心线之间的夹角夹角 叫做失调角，用电角度表示。这样，我叫做失调角，用电角度表示。这样，我们作出静转矩和失调角之间的特性曲线，叫们作出静转矩和失调角之间

28、的特性曲线，叫做矩角特性。做矩角特性。 经分析，静转矩T与失调角的关系近似为：T = - C sin微控电机课件这样，我们就可以作出相应的曲线。这样，我们就可以作出相应的曲线。 Tsm 稳定平衡点 - 静稳定区微控电机课件n由此我们可以发现步进电动机的工作过由此我们可以发现步进电动机的工作过程就是实现失调角为零的过程程就是实现失调角为零的过程.微控电机课件2、步进运行状态：当电脉冲频率较低，、步进运行状态：当电脉冲频率较低，电机转子完成一步之后，下一个脉冲才电机转子完成一步之后，下一个脉冲才到来，电机一步一停的转动，这种状态到来，电机一步一停的转动，这种状态称之为步进运行状态。称之为步进运行状

29、态。1）空载运行情况：如图空载运行情况：如图微控电机课件相关概念：相关概念：1）静稳定区：正在通电的绕组的静稳定）静稳定区：正在通电的绕组的静稳定区称之为静稳定区。区称之为静稳定区。 A相通电时，相通电时，- 为静稳定区为静稳定区 2）动稳定区：下一个通电绕组的静稳定）动稳定区：下一个通电绕组的静稳定区称之为动稳定区，如图所示。区称之为动稳定区，如图所示。- + s TL,这样，转子就可以一步一步的沿着原来这样，转子就可以一步一步的沿着原来的方向继续进行，的方向继续进行，步进电机能够带负载步进电机能够带负载作步进运行的最大值作步进运行的最大值TLmax即是两相矩角即是两相矩角曲线交点处的电机静

30、转矩。曲线交点处的电机静转矩。 微控电机课件3、连续运行状态：、连续运行状态： 当脉冲的频率当脉冲的频率f增高，前一个脉冲还未结束，增高，前一个脉冲还未结束，下一个脉冲已经到来，此时，下一个脉冲已经到来，此时，步进电动机已步进电动机已经不是一步一步地转动，而是呈连续运转状经不是一步一步地转动，而是呈连续运转状态，脉冲频率升高，电机转速增加。我们同态，脉冲频率升高，电机转速增加。我们同样可以作出相应的样可以作出相应的矩频特性。如图（矩频特性。如图（步进电步进电机的平均转矩与驱动电源脉冲频率的关系叫机的平均转矩与驱动电源脉冲频率的关系叫做矩做矩频频特性特性）注意：注意：电机绕组就是电机绕组就是一个

31、电感线圈，这样一个电感线圈，这样他就具有他就具有抵抗电流变化抵抗电流变化的的现象，使得现象，使得 T f微控电机课件控制绕组的电流来不及上升到稳态值。频率越控制绕组的电流来不及上升到稳态值。频率越高，电流上升到达的数值也就越小，因而高，电流上升到达的数值也就越小，因而电电机的电磁转矩也越小。机的电磁转矩也越小。 这样，这样，电机的带载能电机的带载能力就有所下降！力就有所下降！四、四、相关计算：相关计算：从前面的分析，我们已经看到双拍电机的稳定从前面的分析，我们已经看到双拍电机的稳定性要比单拍电机的好，其实也就是步距角应性要比单拍电机的好，其实也就是步距角应该越小越好，所以从电机的稳定性及控制精

32、该越小越好，所以从电机的稳定性及控制精度考虑出发，转子的齿数应该尽可能的增加，度考虑出发，转子的齿数应该尽可能的增加，微控电机课件对于步距角的表示通常有两种方式：对于步距角的表示通常有两种方式：1）用电角度：）用电角度：S=2/N 例如：三拍式，例如：三拍式， S= 2/3， 六拍式：六拍式： S= 2/6= /32）实际应用中，往往用机械角度来表示：）实际应用中，往往用机械角度来表示：这样，这样，步进电动机转速为：步进电动机转速为：NZrs360)min(6036060rNZfsfnr微控电机课件其中，每个定子磁极下的转子齿数为：每个定子磁极下的转子齿数为： 式中m为相数，2p为一相绕组通电

33、时在气隙圆围上形成的磁极数，K为正整数。那么转子总的齿数为mKmpZr12)1(2mKmpZr微控电机课件具体举例来看：一台三相六极转子40个齿得到反应式步进电动机，求N为3和6时的步距角。 N=3时， S=3600/Zr3=30 N=6时， S=3600 /Zr6=1.50常见的步进电动机的步距角有：1.20/0.60，1.50/0.750，1.80/0.90等。微控电机课件五、步进电机的应用五、步进电机的应用 步进电动机是用脉冲信号控制的，一周的步进电动机是用脉冲信号控制的，一周的步数是固定的，只要不丢步，角位移误步数是固定的，只要不丢步，角位移误差不存在长期积累的情况，主要用于数差不存在

34、长期积累的情况，主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。如字控制系统中，精度高，运行可靠。如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。环控制。 步进电动机已广泛地应用于数字控制系步进电动机已广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、数控机床、计统中，如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、自动记录仪、钟表等之算机外围设备、自动记录仪、钟表等之中，另外在工业自动化生产中，另外在工业自动化生产线、印刷设线、印刷设备等中亦有应用。备等中亦有应用。 微控电机课件9.6 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：当旋转变压器的定子绕组施加单

35、相交流电时，其转子绕组输出的电压单相交流电时，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与转子转角成正弦余弦关系或线性关系等函数关系。等函数关系。二、分类：二、分类：根据输出的函数关系的不同，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。旋转变压器，线性旋转变压器较为常用。三、正，余铉旋转变压器三、正，余铉旋转变压器微控电机课件1、工作原理：、工作原理：1）空载运行时：旋转变压器的定子铁芯）空载运行时：旋转变压器的定子铁芯槽中装有两套完全相同的绕组槽中装有两套完全相同的绕组D1D2和和D3D4，但在

36、空间上相差但在空间上相差90 。每套绕组。每套绕组的有效匝数为的有效匝数为ND，其中其中D1D2绕组为直轴绕组为直轴绕组，绕组，D3D4绕组为交轴绕组。转子铁芯绕组为交轴绕组。转子铁芯槽中也装有两套完全相同的绕组槽中也装有两套完全相同的绕组Z1Z2和和Z3Z4，在空间上也相差在空间上也相差90 ，每套绕组，每套绕组的有效匝数为的有效匝数为NZ。转角：转子上的输出绕组转角：转子上的输出绕组Z1Z2的轴线与定的轴线与定子的直轴之间的角度叫做转子的转角。子的直轴之间的角度叫做转子的转角。微控电机课件 D3 D4 Z4 D1 D Z12 Z34 UD Z3 b D2 Z1 Z2微控电机课件A：气隙磁场

37、气隙磁场D与输出绕组与输出绕组Z1Z2相交链相交链 的磁通的磁通 Z12=Dcos 。B：另一输出绕组另一输出绕组Z3Z4的轴线与磁场轴线的轴线与磁场轴线（直轴）的夹角为（直轴）的夹角为90 - ，那么气隙磁场，那么气隙磁场D与与Z3Z4相交链的磁通相交链的磁通 Z34=Dcos（90 - ）=Dsin ，据上述分析，气隙磁场据上述分析，气隙磁场D在励磁绕组中在励磁绕组中所感生的电动势为所感生的电动势为 ：ED12 = 4.44fNDD相对应的在输出绕组感应的电动势为：相对应的在输出绕组感应的电动势为：微控电机课件EZ12 = 4.44fNZDcos EZ34 = 4.44fNZDsin 另外

38、输出绕组与励磁绕组的有效匝数比为另外输出绕组与励磁绕组的有效匝数比为因而输出绕组因而输出绕组Z1Z2和和Z3Z4的端电压分别为的端电压分别为UZ12 = KUDcos UZ34 = KUDsin DZNNK微控电机课件可见，通过调节转子转角可见，通过调节转子转角 的大小，输出的大小，输出绕组绕组Z1Z2输出的电压按余弦规律变化，输出的电压按余弦规律变化，故又叫余弦输出绕组，绕组故又叫余弦输出绕组，绕组Z3Z4输出的输出的电压按正弦规律变化，故叫做正弦输出电压按正弦规律变化，故叫做正弦输出绕组。绕组。 2）负载运行时：）负载运行时： 在实际应用中，输出绕组都接有负载，在实际应用中，输出绕组都接有

39、负载， 如图所示：如图所示：微控电机课件 D3 D4 Z4 D1 FZ12 FZ12q UD Z3 D2 Z1 Z2FZ12d微控电机课件输出绕组有电流流过，从而产生磁通势，输出绕组有电流流过，从而产生磁通势，使气隙磁场产生畸变，从而使输出电压使气隙磁场产生畸变，从而使输出电压产生畸变，不再是转角的正、余弦函数产生畸变，不再是转角的正、余弦函数关系。关系。这不是我们所希望的，所以我们这不是我们所希望的，所以我们就要想办法去消除这个畸变。就要想办法去消除这个畸变。补偿的方补偿的方法是从消除或减弱造成电压畸变的交轴法是从消除或减弱造成电压畸变的交轴分量磁势入手分量磁势入手。 一、二次侧（转子）补偿

40、 方法：微控电机课件 D3 D4 Z4 D1 ZL UD Z3 D2 Z1 ZL Z2微控电机课件 两个完全一样的正余弦输出绕组如果接两个完全一样的正余弦输出绕组如果接的负载一样，那么两绕组产生的交轴方的负载一样，那么两绕组产生的交轴方向的磁势大小相等方向相反，刚好抵消，向的磁势大小相等方向相反，刚好抵消，没有交轴磁场没有交轴磁场；而在直轴方向上磁势为两绕组直轴分量磁势之和。注意注意：上面所阐述的二次侧补偿是有条件：上面所阐述的二次侧补偿是有条件的，即的，即ZL=ZL，但如有偏差，交轴方向但如有偏差，交轴方向的磁势不能完全抵消，输出还是有畸变的磁势不能完全抵消，输出还是有畸变的，为此可以采用一

41、次侧补偿来消除交的，为此可以采用一次侧补偿来消除交轴磁场。轴磁场。微控电机课件二、一次侧（定子）：二、一次侧（定子）： 定子的励磁绕组仍接交流电源，而定子的励磁绕组仍接交流电源，而D3D4作为补偿绕组通过阻抗作为补偿绕组通过阻抗Z或直接短接，或直接短接，在绕组在绕组D3D4中产生感应电流，从而产生中产生感应电流，从而产生交轴方向磁通势，补偿转子绕组的交轴交轴方向磁通势，补偿转子绕组的交轴磁势。磁势。 为了减小误差，使用时常常把一次侧、为了减小误差，使用时常常把一次侧、二次侧补偿同时使用！二次侧补偿同时使用！ 微控电机课件四、四、线性旋转变压器：线性旋转变压器： 线性旋转变压器输出电压与转子转角

42、成线性旋转变压器输出电压与转子转角成正比关系。事实上正余弦旋转变压器在正比关系。事实上正余弦旋转变压器在转子转角转子转角很小的时候近似有很小的时候近似有Sin = ，此时就可看作一台线旋转变压器。此时就可看作一台线旋转变压器。在转在转角不超过角不超过 4.5 时，线性度在时，线性度在 0.1%以内以内。若要扩大转子转角范围，可将正余弦旋若要扩大转子转角范围，可将正余弦旋转变压器的线路进行改接，定子绕组转变压器的线路进行改接，定子绕组D1D2与转子绕组与转子绕组Z1Z2串联后接到交流电串联后接到交流电源源 微控电机课件 D3 D4 Z1 D1 UD D2 Z3 Uz Z4微控电机课件 单相电流接

43、入绕组后产生的脉振磁通单相电流接入绕组后产生的脉振磁通d是一个直轴脉振磁通，它与励磁绕组、是一个直轴脉振磁通，它与励磁绕组、余弦正弦绕组交链而分别产生感应电动余弦正弦绕组交链而分别产生感应电动势：势：ED12 = 4.44fNDdEZ12 = 4.44fNZdcos EZ34 = 4.44fNZdsin 经过化减整理后：经过化减整理后：DZUKKUcos1sin微控电机课件 用数学推导可证明，当用数学推导可证明，当K=0.52， = 60 的范围内，输出电压的范围内，输出电压UZ和转角和转角 成线性关系，线性误差不超过成线性关系，线性误差不超过0.1%。 UZ -1 8 0 - 1 2 0 -

44、 6 0 0 + 6 0 + 1 2 0 + 1 8 0 微控电机课件五、五、旋转变压器的应用：旋转变压器的应用： 转变压器常在自动控制系统中作解算元转变压器常在自动控制系统中作解算元件可进行矢量求解、坐标变换、加减乘件可进行矢量求解、坐标变换、加减乘除运算微分积分运算，也可在角度传输除运算微分积分运算，也可在角度传输系统中作自整角机使用。系统中作自整角机使用。 微控电机课件9.7 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和角度的数值，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行机构

45、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轴随着另外的与其无机械连接的轴同步转动，这样，就出现了自整角机，转动，这样，就出现了自整角机，即用即用来实现自动指示角度和同步传输角度的来实现自动指示角度和同步传输角度的一类控制电机。一类控制电机。微控电机课件二、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，产产生信号的自整角机称为发送机生信号的自整角机称为发送机，它将轴上的，它将轴上的转角变换为电信号，转角变换为电信号，接收信号的自整角机称接收信号的自整角机称为接收机，为接收机，它将发送机发送的电信号变换为它将发送机发送的电信号变换

46、为转轴的转角，从而实现角度的传输、变换和转轴的转角，从而实现角度的传输、变换和接收。接收。 在随动系统中主令轴只有一根，而从动轴可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，以是一根，也可以是多根，主令轴安装发送主令轴安装发送机机，从动轴安装接受机，从动轴安装接受机，故而一台发送机带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一台或多台接受机。主令轴与从动轴之间的角位差，称为失调角。角位差，称为失调角。微控电机课件 通常做成两极电机。自整角机的定子铁通常做成两极电机。自整角机的定子铁芯嵌有三相对称分布绕组，称为整步绕芯嵌有三相对称分布绕组，称为整步绕组，也叫同步绕组

47、，联结为星形接法，组，也叫同步绕组，联结为星形接法，转子上放置单相励磁绕组，可以做成凸转子上放置单相励磁绕组，可以做成凸极结构，也可做成隐极结构，这两种方极结构，也可做成隐极结构，这两种方式都是励磁绕组经集电环和电刷后接励式都是励磁绕组经集电环和电刷后接励磁电源。另外，也可把定子做成凸极式，磁电源。另外，也可把定子做成凸极式，转子做成隐极式，三相整步绕组嵌入转转子做成隐极式，三相整步绕组嵌入转子铁芯槽内，并经集电环和电刷引出，子铁芯槽内，并经集电环和电刷引出，而单相励磁绕组安装在定子凸极上。如而单相励磁绕组安装在定子凸极上。如图所示：图所示：微控电机课件微控电机课件 自整角机工作时，发送机的励

48、磁绕组接在自整角机工作时，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单相交流电源上，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，整步绕组中，同样相号的引出线接在一起，在这里，为了表示清楚，我们把励磁绕组在这里，为了表示清楚，我们把励磁绕组与整步绕组分开画，习惯上，励磁绕组画与整步绕组分开画，习惯上，励磁绕组画在上边，整步绕组画在下边，图中，下标在上边，整步绕组画在下边，图中，下标为为F的是发送机，画在左边，下标为的是发送机，画在左边，下标为J的是的是接收机，画在右边，接收机，画在右边，我们先分析只有发送我们先分析只有发送机励磁绕组接电源时的电磁关系，暂不考机励磁绕组

49、接电源时的电磁关系，暂不考虑接收机励磁绕组的情况。虑接收机励磁绕组的情况。微控电机课件三、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。自整角机和控制式自整角机两种。四、工作原理：四、工作原理：1 1、发送机励磁绕组通电时自整角机的磁、发送机励磁绕组通电时自整角机的磁 动势：动势： 在这里我们把发送机励磁绕组的轴线定在这里我们把发送机励磁绕组的轴线定为为d d 轴，与其垂直的的方向是轴，与其垂直的的方向是q q 轴，如轴，如图所示：图所示：微控电机课件 接 收 机 J 发 送 机 F Ia 1 2 a a E1a Ia Ia

50、 c b b c Ib Ic 微控电机课件原理分析原理分析： 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磁场，与发送机三相整步绕组相交链而感应产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生电动势。如果发送机三相整步绕组的某相（如某相（如A相）与磁励绕组的轴线重合作相）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为起始位置，那么此时该相的感应电动势，其有效值为势，其有效值为 E = 4.44 f N kNm微控电机课件 如果发送机转子的位置角为如果发送机转子的位置

51、角为 1，如图所，如图所示，那么由发送机励磁绕组产生的主磁示，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场在其各相整步绕组中感应的电势的有效值分别为效值分别为 E1a = Ecos 1 E1b = Ecos( 1120 ) E1c = Ecos( 1240 ) 设自整角发送机的每相整步绕组的阻抗设自整角发送机的每相整步绕组的阻抗为为Z1，自整角变压器每相整步绕组的阻自整角变压器每相整步绕组的阻抗为抗为Z2，为了便于分析，把两台自整角为了便于分析，把两台自整角机的三相整步绕组的星点连接起来，那机的三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么三相整步绕组的回

52、路电流分别为微控电机课件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 ) = 01121211coscosIZZEZZEIaa)120cos()120cos(1121211IZZEZZEIbb)120cos()240cos(1121211IZZEZZEIcc微控电机课件 连线中并没有电流，实际线路中并不需要连接，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。分析时连接只不过为了便于分析而已。 由于三相整步绕组的电势都是由同一个脉振磁通由于三相整步绕组的电

53、势都是由同一个脉振磁通感应产生，又因控制式自整角发送机和自整角变感应产生，又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，因而整压器的每相整步绕组回路的阻抗都相同，因而整步绕组的每一相绕组回路的电流是同频同相位的，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。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微控电机课件 为了分析的方便，通常把整步绕组中三个空间为了分析的方便，通

54、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，也称绕组为直轴，也称d轴，交轴与直轴在空间相轴，交轴与直轴在空间相差差90 ，称为，称为q轴。轴。那么控制式自整角发送机三相绕组的直轴分量那么控制式自整角发送机三相绕组的直轴分量磁势为磁势为F1d=F1acos 1+F1bcos( 1-120 )+F1ccos( 1-240 ) = Fmcos2 1+Fmcos2( 1-120 )+Fmcos2( 1-240 ) = Fm)240cos()240cos(2424111mNNccFINkNkIF23微控电机课件交轴分量的磁通势为交轴分量的

55、磁通势为F1q=F1asin 1+F1bsin( 1-120 )+F1csim( 1-240 )=Fmcos 1sin 1+Fmcos( 1-120 )sin( 1-120 )+Fmcos( 1-240 )sim( 1-240 ) =0上述公式表明，控制式自整角发送机的三上述公式表明，控制式自整角发送机的三相绕组合成磁势没有交轴分量，只有直相绕组合成磁势没有交轴分量，只有直轴分量，即合成磁势是一个直轴磁势，轴分量，即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。微控电机课件 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

56、，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,因而在接收机整步绕组中产生的因而在接收机整步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。微控电机课件 Uf 12aE1aIacbbcIbIcF11a1=1-212F1微控电机课件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

57、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 微控电机课件 由上式知，自整角变压器输出电压（电势）由上式知，自整角变压器输出电压（电势）为失调角为失调角 的余弦函数，在实际控制系统

58、中会的余弦函数，在实际控制系统中会带来一些问题。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，希望自整角变压器的输出电压为时，希望自整角变压器的输出电压为0，当，当0时，才有电压信号输出，送到交流伺服电时，才有电压信号输出，送到交流伺服电动机中，使伺服电动机旋转以清除动机中，使伺服电动机旋转以清除 ，但如按但如按图工作，那么，在失调角为图工作，那么，在失调角为0时，自整角变压时，自整角变压器输出电压反而最大，器输出电压反而最大， 增大，输出电压反而增大，输出电压反而减小，与实际需要相反。减小，与实际需要相反。（2）失调角）失调角 是有方向的，

59、是顺时针还是反时是有方向的，是顺时针还是反时针是必须明确的，即针是必须明确的，即 的正负值是表明方向的，的正负值是表明方向的，但上述系统中不管但上述系统中不管 为正还是为负，其输出的为正还是为负，其输出的电压都是正的，因为电压都是正的，因为Ecos(- )=Ecos .微控电机课件 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

60、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 = Em( -90 ) =Emsin 微控电机课件 空载时，输出电压空载时，输出电压U2=E2，负载时，输负载时，输出电压下降，若选择输入阻抗大的放大出电压下降，若选择输入阻抗大的放大器作为负载，则自整角变压器输出电压器作为负载，则自整角变压器输出电压下降不大。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 变变化的曲线如图所示。化的曲线如图所示。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，输出时，输出电压