第12章微控电机ppt课件

1、 第12章 微控电机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,只是他们的偏重点不同而只是他们的偏重点不同而已已:普通旋转电机主要是进展能量变换，要普通旋转电机主要是进展能量变换，要求有较高的力能目的；而控制电机主要是求有较高的力能目的；而控制电机主要是对控制信号进展传送和变换，要求有较高对控制信号进展传送和变换，要求有较高的控制性能，如要求反响快、精度高、运的控制性能，如要求反响快、精度高、运转可靠等等。控制电机因其各种特殊的控转可靠等等。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动控制系统中作为执行

2、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 . 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,功率普通功率普通都在都在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,本章主要引见单相异步本章主要引见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展传送在自动控制系统中对信号进展传送和变换和变换,用做执行元件或信号元件用做执行元件或信号元件.

3、要求有较高要求有较高的控制性能的控制性能,如如:反响快反响快,精度高精度高,运转可靠等等运转可靠等等.本章主要引见伺服电动机本章主要引见伺服电动机,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.12.1 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、任务原理：二、任务原理：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： + - T+ T- T T+ s+=s 2 1 0 0 1 2 s-=2-s T-结论：1当n0时，转矩T0，此时的电磁转矩是驱动性质的，电机属于正转运转2当n0时，转矩T当n=0时，

4、转矩T=0，显然这是不行的，电机将无法起动，即，我们希望当转速=0时，转矩不应为零！由此可见，单个绕组通电，电机可以运转，但不能起动，因此必需有两相绕组才行。 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，单腥异步电动，从上面的分析结果可知，单腥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，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

5、 第一个条件显然应该是满足的，所以，如第一个条件显然应该是满足的，所以，如今的关键问题是如何实现电流的分相问题，今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：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

6、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U1 I1 S R I2工作绕组起动绕组 U1 I2 I1 这种电动机，由于两相绕组中电流的相位相差不大，所以，气隙磁动势是一个椭圆形，因此起动电流比较大，而起动转矩却不是很大。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优点：优点：1假设电容器的电容量配的适宜，可以假设电容器的电容量配的适宜，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一切副绕组的容性可以抵消一些本身一切的感抗，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

7、匝数不象电阻分相时遭到限制，从而可以数不象电阻分相时遭到限制，从而可以添加一些，使的磁动势添加。添加一些，使的磁动势添加。这两点的实现，可以使我们得到一个接近这两点的实现，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，而圆形的磁动势，即较大的起动转矩，而起动电流还会下降！起动电流还会下降！3、单相罩极式异步电动机、单相罩极式异步电动机 0 2 0 1 2 k Ek Ik12.2 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，改动输入信号的大小和极性可以改动伺服电动动输

8、入信号的大小和极性可以改动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。根据运用电源的不同，伺服电动机分为直流伺根据运用电源的不同，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，功率范围普通为机输出功率较小，功率范围普通为0.10.1100100瓦。瓦。一、直流伺服电动机 1、简介：直流伺服电动机

9、实践上就是他励直流电动机，只不过直流伺服电动机输出功率较小而已。 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：假设把控制信号加到电枢绕组上，经过改动控制信号的大小和极性来控制转子转速的大小和方向，这种方式叫电枢控制；假设把控制信号加到励磁绕组上进展控制，这种方式叫磁场控制。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 Uc3 0 T1 T2 T2调理特性： n T2T10 1 T=0 n1 T1 2 n2 1 T2 3 n3 2 3 0 U1 Uc3 U2 Uc2 Uc

10、1 Uc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 T T+ s+=s 2 1 0 0 1 2 s-=2-s T-1、自转景象：假设电机参数与普通的单、自转景象：假设电机参数与普通的单相异步电动机一样，那么当控制信号消相异步电动机一样，那么当控制信号消逝时，电机转速虽会下降些，但仍会继逝时，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逝后仍继续旋转的失控

11、景象称为消逝后仍继续旋转的失控景象称为“自自转。转。2、如何抑制：显然、如何抑制：显然,我们需求的是当控制我们需求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,只需转子旋转的只需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所学的知识可得得:n使电机制动到停顿，从而消除使电机制动到停顿，从而消除“自转自转添加转子电阻，使正向磁场产生最大转添加转子电阻，使正向磁场产生最大转矩时的矩时的Sm+1Sm+1，使正向旋转的电机在控，使正向旋转

12、的电机在控制电压消逝后的电磁转矩为负值，即为制电压消逝后的电磁转矩为负值，即为制动转矩，使电机制动到停顿；假设电制动转矩，使电机制动到停顿；假设电机反向旋转，那么在控制电压消逝后的机反向旋转，那么在控制电压消逝后的电磁转矩为正值，也为制动转矩，如图电磁转矩为正值，也为制动转矩，如图212xxrSm3、改动控制电压的方法：、改动控制电压的方法：1幅值控制：幅值控制：如下图，幅值控制经过改动控制电压的大如下图，幅值控制经过改动控制电压的大小来控制电机转速，此时控制小来控制电机转速，此时控制 U=Uf 电压移相 90UcWcWfUfUc(可变) 电压与励磁电压之间的相位差一直坚持电压与励磁电压之间的

13、相位差一直坚持9090电角度。假设控制绕组的额定电压电角度。假设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 ccN , cN , 称为有效信号系数，称为有效信号系数，那么以那么以cncn为基值，控制电压为基值，控制电压 的标的标么值为：么值为： .fcNUUcUfccncncnccUUUUUUU* 当有效信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

14、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，气隙磁场的越小，气隙磁场的椭圆度越大，产生的电磁转矩越小，电机转椭圆度越大，产生的电磁转矩越小，电机转速越慢，在速越慢，在时，控制信号消逝，气隙时，控制信号消逝，气隙磁场为脉振磁场，电机不转或停转。磁场为脉振磁场，电机不转或停转。幅值控制的交流伺服电动机的机械特性和调理幅值控制的交流伺服电动机的机械特性和调理特性如以下图所示。图中的转矩和转速都采特性如以下图所示。图中的转矩和转速

15、都采用标么值。用标么值。2 2相位控制相位控制cUfU2 2相位控制相位控制: : 这种控制方式经过改动控制电压这种控制方式经过改动控制电压 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，而控制电压的幅值坚持不变。如下图，励磁绕组直接接值坚持不变。如下图，励磁绕组直接接到交流电源上，而控制绕组经移相器后到交流电源上，而控制绕组经移相器后接到同一交流电压上，接到同一交流电压上， 与与 的频率的频率一样。而一样。而 相位经过移相器可以改动，相位经过移相器可以改动，从而改动两者之间的相位差从而改动两者之间的相位差 , ,cUf

16、UcUfUcU Sin Sin称为相位控制的信号系数。改动称为相位控制的信号系数。改动 与与 相位差相位差的大小，可以改动电机的大小，可以改动电机的转速。相位控制的机械特性和调理特的转速。相位控制的机械特性和调理特性与幅值控制类似，也为非线性。性与幅值控制类似，也为非线性。cUfU U f nUcWcUf移 相 器3 3幅值幅值相位控制相位控制: : 如下图如下图, ,我们还可以经过同时改动幅值我们还可以经过同时改动幅值和相位的方法来实现对控制电压的改动和相位的方法来实现对控制电压的改动: : U f nUcWcUf移 相 器 幅度幅度相位控制线路简单，不需求复杂相位控制线路简单，不需求复杂的

17、移相安装，只需电容进展分相，具有的移相安装，只需电容进展分相，具有线路简单、本钱低廉、输出功率较大的线路简单、本钱低廉、输出功率较大的优点，因此成为运用最多的控制方式。优点，因此成为运用最多的控制方式。12.3 微型同步电动机微型同步电动机 微型同步电动机的定子构造与普通的同微型同步电动机的定子构造与普通的同步电动机一样，可以是三相的也可是单步电动机一样，可以是三相的也可是单相的，但转子构造不同。根据转子构造相的，但转子构造不同。根据转子构造的不同，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、反响式、磁滞式等，另外为了提高式、反响式、磁滞式等，另外为了提高力能目的，还将磁滞

18、式与其他方式结合力能目的，还将磁滞式与其他方式结合起来。下面主要引见永磁式和磁滞式微起来。下面主要引见永磁式和磁滞式微型同步电动机。型同步电动机。一、永磁式微型同步电动机：一、永磁式微型同步电动机： 当电动机正常运转时，定子绕组产生的当电动机正常运转时，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n1n1旋转，转子也以旋转，转子也以同步转速同步转速n1n1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

19、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n1n1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，构造简单，永磁式同步电动机功率小，构造简单，在电气仪表中运用较多。在电气仪表中运用较多。二、反响式微型同步电动机二、反响式微型同步电动机 反响式微型同步电动机的转子用磁极资反响式微型同步电动机的转子用磁极资料和非磁极资料拼镶而成，使其直轴方料和非磁极资料拼镶而成，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。当反响式同步电动机定子绕组接交流电源，响式同步电动机定子绕组接交流电源，由于直

20、轴和交轴的磁阻不同，从而构成由于直轴和交轴的磁阻不同，从而构成磁阻转矩也叫反响转矩，拖动负载磁阻转矩也叫反响转矩，拖动负载同步运转。同步运转。三、磁滞式微型同步电动机三、磁滞式微型同步电动机 转子磁滞资料层用硬磁资料制成，硬磁转子磁滞资料层用硬磁资料制成，硬磁资料的磁滞景象非常突出，具有较宽的资料的磁滞景象非常突出，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，磁滞景象明显的资料不会随便就随之发磁滞景象明显的资料不会随便就随之发生相应的改动，他会有一个时间上的落生相应的改动，他会有一个时间上

21、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，转子开场旋转。下，转子开场旋转。n磁滞同步电动机凭仗磁滞转矩而能自行磁滞同步电动机凭仗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资料的磁化特性，而与仅仅取决于硬磁资料的磁化特性，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，转子的硬磁资料在旋转磁化下，磁滞角磁资料在旋转磁化下，磁滞角是恒定是恒定的。的。12.5 步步 进进 电电 动动 机机一、定义：是一种把电脉冲信号转换为角位移一、

22、定义：是一种把电脉冲信号转换为角位移的电动机。简单的了解：给一个电脉冲信号，的电动机。简单的了解：给一个电脉冲信号，电机前进一步，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，更广泛的运用在数字控号是数字量，因此，更广泛的运用在数字控制场所，例如，计算机的外围控制系统等。制场所，例如，计算机的外围控制系统等。二、构造：二、构造：如下图，如下图，三、任务原理：三、任务原理： 如图，在这里我们以三相单三拍的反响如图，在这里我们以三相单三拍的反响式电机为例来进展分析：式电机为例来进展分析：相

23、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：在静转矩的作用下，转子齿每前进一步在电机圆周上所跨过的间隔，我们用进一步在电机圆周上所跨过的间隔，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)：每改动一次通电方式叫做一拍，常：每改动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构成一、通电循环：控制绕组各完成一次通电构成一个通电循环，经过后面的分析，我们可以发个通电循环，经过后面的分析，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

24、进一个齿距的间隔，的空间电角度转子齿前进一个齿距的间隔，因此，转子一个齿距对应一个因此，转子一个齿距对应一个2的空间电角的空间电角度。度。5、单：每次改动通电方式只需一个绕组通电、单：每次改动通电方式只需一个绕组通电s6、双：每改动一次通电方式有两相绕组、双：每改动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,假设反假设反向向,即为即为A-C-B-A8、三相单，双六拍的任务原理：、三相单，双六拍的任务原理：如图如图 它的通电顺序为它的通电顺序为A-AB-B-B

25、C-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知，同一台步进电机，其通电方式不同，步距角能够不一样，采用单双拍方式不同，步距角能够不一样，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、运转特性：四、运转特性：1、静态运转特性：步进电动机不改动通电情况、静态运转特性：步进电动机不改动通电情况的运转形状称为静态运转。的运转形状称为静态运转。 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

26、样，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，我们作出静转矩和失调角之间的特性曲线，叫做矩角特性。叫做矩角特性。 经分析，静转矩经分析，静转矩T与失调角与失调角的关系近似为：的关系近似为：T = - C sin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n由此我们可以发现步进电动机的任务过由此我们可以发现步进电动机的任务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.2、步进运转形状：当电脉冲频率较低，、步进运转形状：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

27、来，电机一步一停的转动，这种形状到来，电机一步一停的转动，这种形状称之为步进运转形状。称之为步进运转形状。1空载运转情况：如图空载运转情况：如图相关概念：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，如下图。区称之为动稳定区，如下图。-+sTL,这样，转子就可以一步一步的沿着原来的方向继续进展，步进电机可以带负载作步进运转的最大值TLmax即是两相矩角曲线交点处的电机静转矩。 3、延续运转形状：、延

28、续运转形状： 当脉冲的频率当脉冲的频率f增高，前一个脉冲还未终了，增高，前一个脉冲还未终了，下一个脉冲曾经到来，此时，步进电动机曾下一个脉冲曾经到来，此时，步进电动机曾经不是一步一步地转动，而是呈延续运转形经不是一步一步地转动，而是呈延续运转形状，脉冲频率升高，电机转速添加。我们同状，脉冲频率升高，电机转速添加。我们同样可以作出相应的矩频特性。如图步进电样可以作出相应的矩频特性。如图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频特性做矩频特性留意：电机绕组就是留意：电机绕组就是一个电感线圈，这样一个电感线圈，这样他就具有抵抗电流变化他就具有抵抗电流变化

29、的景象，使得的景象，使得 T f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，因此电高，电流上升到达的数值也就越小，因此电机的电磁转矩也越小。机的电磁转矩也越小。 这样，电机的带载才这样，电机的带载才干就有所下降！干就有所下降！四、相关计算：四、相关计算：从前面的分析，我们曾经看到双拍电机的稳定从前面的分析，我们曾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该越小越好，所以从电机的稳定性及控制精度思索出发，转子的齿数应该尽能够的添加，度思索

30、出发，转子的齿数应该尽能够的添加，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实践运用中，往往用机械角度来表示：实践运用中，往往用机械角度来表示：这样，步进电动机转速为：这样，步进电动机转速为：NZrs360)min(6036060rNZfsfnr其中，每个定子磁极下的转子齿数为： 式中m为相数，2p为一相绕组通电时在气隙圆围上构成的磁极数，K为正整数。那么转子总的齿数为mKmpZr12)1(2mKmpZr详细举例来看：一台三相六极转子40个齿得到反响式步

31、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。五、步进电机的运用五、步进电机的运用 步进电动机是用脉冲信号控制的，一周的步数步进电动机是用脉冲信号控制的，一周的步数是固定的，只需不丢步，角位移误差不存在长是固定的，只需不丢步，角位移误差不存在长期积累的情况，主要用于数字控制系统中，精期积累的情况，主要用于数字控制系统中，精度高，运转可靠。如采用位置检测和速度反响，度高，运转可靠。如采用位置检测和速度反响，亦可实现闭环控制。亦可实现

32、闭环控制。 步进电动机已广泛地运用于数字控制系统中，步进电动机已广泛地运用于数字控制系统中，如数模转换安装、数控机床、计算机外围设备、如数模转换安装、数控机床、计算机外围设备、自动记录仪、钟表等之中，另外在工业自动化自动记录仪、钟表等之中，另外在工业自动化消费线、印刷设备等中亦有运用。消费线、印刷设备等中亦有运用。 12.6 旋转变压器旋转变压器一、定义：当旋转变压器的定子绕组施加一、定义：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：根据输出的

33、函数关系的不同，二、分类：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1、任务原理：、任务原理：1空载运转时：旋转变压器的定子铁芯空载运转时：旋转变压器的定子铁芯槽中装有两套完全一样的绕组槽中装有两套完全一样的绕组D1D2和和D3D4，但在空间上相差，但在空间上相差90。每套绕。每套绕组的有效匝数为组的有效匝数为ND，其中，其中D1D2绕组为绕组为直轴绕组，直轴绕组，D3D4绕组为交轴绕组。转绕组为交轴绕组。转子铁芯槽中也装有两套

34、完全一样的绕组子铁芯槽中也装有两套完全一样的绕组Z1Z2和和Z3Z4，在空间上也相差，在空间上也相差90，每套绕组的有效匝数为每套绕组的有效匝数为NZ。转角：转子上的输出绕组转角：转子上的输出绕组Z1Z2的轴线与的轴线与定子的直轴之间的角度叫做转子的转角。定子的直轴之间的角度叫做转子的转角。 D3 D4 Z4 D1 D Z12 Z34 UD Z3 b D2 Z1 Z2A：气隙磁场：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，那么气隙磁场磁场D与

35、与Z3Z4相交链的磁通相交链的磁通 Z34=Dcos90-=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：EZ12 = 4.44fNZDcosEZ34 = 4.44fNZDsin另外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此输出绕组因此输出绕组Z1Z2和和Z3Z4的端电压分别的端电压分别为为UZ12 = KUDcosUZ34 = KUDsinDZNNK可见，经过调理转子转角可见，经过调理转子转角的大小，

36、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负载运转时：负载运转时： 在实践运用中，输出绕组都接有负载，在实践运用中，输出绕组都接有负载， 如下图：如下图： D3 D4 Z4 D1 FZ12 FZ12q UD Z3 D2 Z1 Z2FZ12d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，从而使输出电压产生畸变，不再是转角的正、余弦函数关系。这不是我们所希望的，所以我们就要想方法去消除这个畸变。补

37、偿的方法是从消除或减弱呵斥电压畸变的交轴分量磁势入手。 一、二次侧转子补偿 方法： D3 D4 Z4 D1 ZL UD Z3 D2 Z1 ZL Z2 两个完全一样的正余弦输出绕组假设接两个完全一样的正余弦输出绕组假设接的负载一样，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；而在直轴方向上磁势为没有交轴磁场；而在直轴方向上磁势为两绕组直轴分量磁势之和。两绕组直轴分量磁势之和。留意：上面所论述的二次侧补偿是有条件留意：上面所论述的二次侧补偿是有条件的，即的，即ZL=ZL，但如有偏向，交轴方向，但如有偏

38、向，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。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作为补偿绕组经过阻抗作为补偿绕组经过阻抗Z或直接短或直接短接，在绕组接，在绕组D3D4中产生感应电流，从中产生感应电流，从而产生交轴方向磁通势，补偿转子绕组而产生交轴方向磁通势，补偿转子绕组的交轴磁势。的交轴磁势。 为了减小误差，运用时经常把一次侧、为了减小误差，运用时经常把一次侧、二次侧补偿同时运用！二次侧补偿同时运用！ 四、线性

39、旋转变压器：四、线性旋转变压器： 线性旋转变压器输出电压与转子转角成线性旋转变压器输出电压与转子转角成正比关系。现实上正余弦旋转变压器在正比关系。现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。在转此时就可看作一台线旋转变压器。在转角不超越角不超越4.5时，线性度在时，线性度在0.1%以内。假设要扩展转子转角范围，可将以内。假设要扩展转子转角范围，可将正余弦旋转变压器的线路进展改接，定正余弦旋转变压器的线路进展改接，定子绕组子绕组D1D2与转子绕组与转子绕组Z1Z2串联后接串联后接到交流电源到交流电源 D3 D4 Z1 D1 UD

40、 D2 Z3 Uz Z4 单相电流接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组、余弦正弦绕组交链而分别产生感应电动势：电动势：ED12 = 4.44fNDdEZ12 = 4.44fNZdcosEZ34 = 4.44fNZdsin经过化减整理后：经过化减整理后：DZUKKUcos1sin 用数学推导可证明，当K=0.52，=60的范围内，输出电压UZ和转角成线性关系，线性误差不超越0.1%。 UZ -1 8 0 - 1 2 0 - 6 0 0 + 6 0 + 1 2 0 + 1 8 0

41、五、旋转变压器的运用：五、旋转变压器的运用： 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展矢量求解、坐标变换、加减乘件可进展矢量求解、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运用。系统中作自整角机运用。 12.7 自整角机自整角机一、定义：一、定义： 在自动控制系统中，经常需求指示位置在自动控制系统中，经常需求指示位置和角度的数值，或者需求远间隔调理执和角度的数值，或者需求远间隔调理执行机构的速度，或者需求某一根或多根行机构的速度，或者需求某一根或多根轴随着另外的与其无机械衔接的轴同步轴随着另外的与其无

42、机械衔接的轴同步转动，这样，就出现了自整角机，即用转动，这样，就出现了自整角机，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。二、构造：二、构造： 自整角机通常是两台或两台以上组合运用，产自整角机通常是两台或两台以上组合运用，产生信号的自整角机称为发送机，它将轴上的生信号的自整角机称为发送机，它将轴上的转角变换为电信号，接纳信号的自整角机称转角变换为电信号，接纳信号的自整角机称为接纳机，它将发送机发送的电信号变换为为接纳机，它将发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、变换和转轴的转角，从而实现角度的传输、变换和接纳。接纳。

43、在随动系统中主令轴只需一根，而从动轴可在随动系统中主令轴只需一根，而从动轴可以是一根，也可以是多根，主令轴安装发送以是一根，也可以是多根，主令轴安装发送机，从动轴安装接受机，故而一台发送机带机，从动轴安装接受机，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。 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，结合为星形接法，组，也叫同步绕组，结合为星形接法，转子上放置单相励磁绕组，可以做成凸转子上放置单相励

44、磁绕组，可以做成凸极构造，也可做成隐极构造，这两种方极构造，也可做成隐极构造，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。如下图：下图： 自整角机任务时，发送机的励磁绕组接在自整角机任务时，发送机的励磁绕组接在单相交流电源上，发送机和接纳机的三相单相交流电源上，发送机和接纳机的三相整步绕组中，

45、同样相号的引出线接在一同，整步绕组中，同样相号的引出线接在一同，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的是的是接纳机，画在右边，我们先分析只需发送接纳机，画在右边，我们先分析只需发送机励磁绕组接电源时的电磁关系，暂不思机励磁绕组接电源时的电磁关系，暂不思索接纳机励磁绕组的情况。索接纳机励磁绕组的情况。三、分类：三、分类： 自整角机按自整角输出量可分为力矩式

46、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、任务原理：四、任务原理：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 轴，与其垂直的的方向是轴，与其垂直的的方向是q 轴，如轴，如下图：下图： 接 收 机 J 发 送 机 F Ia 1 2 a a E1a Ia Ia c b b c Ib Ic 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

47、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。假设发送机三相整步绕组的生电动势。假设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协作相与磁励绕组的轴线重协作为起始位置，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 假设发送机转子的位置角为假设发送机转子的位置角为1，如下图，如下图，那么由发送机励磁绕组产生的主磁场在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其各相整步绕组中感应的电势的有效值分别为分别为 E1a = Ecos1 E

48、1b = 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衔接起来，那机的三相整步绕组的星点衔接起来，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 = Icos1+Icos(-120)+Icos(- 240) = 01121211coscosIZZEZZEIa

49、a)120cos()120cos(1121211IZZEZZEIbb)120cos()240cos(1121211IZZEZZEIcc 连线中并没有电流，实践线路中并不需求衔接，分析时衔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一样，因此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。自整角发送机每相磁势幅值为 111coscos2424mNNaaFINkNkIF)120cos()120cos(2424111mNNbbFINkNkIF 为了分析的方便，通常把整步

50、绕组中三个空间为了分析的方便，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=F1acos1+F1bcos(1-120)+F1ccos(1-240) = Fmcos21+Fmcos2(1-120)+Fmcos2(1-240) = Fm)240cos()240cos(2424111mNNccFINkNkIF23交轴分量的磁通势为交轴分量的磁

51、通势为F 1 q = F 1 a s i n1 + F 1 b s i n (1 -120)+F1csim(1-240)=Fmcos1sin1+Fmcos(1-120)sin(1-120)+Fmcos(1-240)sim(1-240) =0上述公式阐明，控制式自整角发送机的三上述公式阐明，控制式自整角发送机的三相绕组合成磁势没有交轴分量，只需直相绕组合成磁势没有交轴分量，只需直轴分量，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。 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，只不过对发送机而言，

52、电机绕组电流，只不过对发送机而言，电流是流是“流出的，对于接纳机自整角流出的，对于接纳机自整角变压器而言，电流是变压器而言，电流是“流入的，如流入的，如下图下图,因此在接纳机整步绕组中产生的磁因此在接纳机整步绕组中产生的磁通势通势F1与与F1大小相等，方向相反，也大小相等，方向相反，也与与1无关。无关。 Uf 12aE1aIacbbcIbIcF11a1=1-212F1自整角变压器的输出电势：自整角变压器的输出电势： 假设自整角变压器的转子转角假设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，那么自整，那么自整角变压器三相绕组合成磁势所产生的磁角变压器三相绕组合

53、成磁势所产生的磁场与转子输出绕组同轴线，那么在转子场与转子输出绕组同轴线，那么在转子输出绕组中感应电动势输出绕组中感应电动势Em的值最大，的值最大，假设假设21，自整角变压器定子合成，自整角变压器定子合成磁 势 与 转 子 输 出 绕 组 轴 线 夹 角 为磁 势 与 转 子 输 出 绕 组 轴 线 夹 角 为=1-2，如下图，此时转子输出绕，如下图，此时转子输出绕组感生的电动势为：组感生的电动势为：E2 = Emcos(1 2) = Emcos 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，在实践控制系统中的余弦函数，在实践控制系统中会带来一

54、些问题。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，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去除电动机中，使伺服电动机旋转以去除，但，但如按图任务，那么，在失调角为如按图任务，那么，在失调角为0时，自整角时，自整角变压器输出电压反而最大，变压器输出电压反而最大，增大，输出电增大，输出电压反而减小，与实践需求相反。压反而减小，与实践需求相反。2失调角失调角是有方向的，是顺时针还是反时是有方向的，是顺时针还是反时针是必需明确的，即

55、针是必需明确的，即的正负值是阐明方向的正负值是阐明方向的，但上述系统中不论的，但上述系统中不论为正还是为负，其为正还是为负，其输 出 的 电 压 都 是 正 的 ， 由 于输 出 的 电 压 都 是 正 的 ， 由 于 E c o s ( -)=Ecos. 为理处理上述问题，在实践运用的系统中，自整角发送机的a相定子绕组线作直轴，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轴上，现实上，把自整角变压器的转子由原来的协调位置=0处旋转90作为起始位置，那么输出绕组感应电动势 E2 = Em(-90) =Emsin 空载时，输出电压空载时，输出电压U2=E2，负载时，输，负载时，

56、输出电压下降，假设选择输入阻抗大的放出电压下降，假设选择输入阻抗大的放大器作为负载，那么自整角变压器输出大器作为负载，那么自整角变压器输出电压下降不大。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如下图。变化的曲线如下图。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，输出电压为电压为0，当，当=1时输出的电压值叫时输出的电压值叫比电压比电压U0，比电压越大，控制系统越灵，比电压越大，控制系统越灵敏。敏。 U2 U2m -180 0 180 2、力矩式自整角机：、力矩式自整角机： 在随动系统中，不需放大器和伺服电动在随动系统中，不需放

57、大器和伺服电动机的配合，两台力矩式自整角机就可进机的配合，两台力矩式自整角机就可进展角度传送，因此常用以转角指示。其展角度传送，因此常用以转角指示。其任务原理如图任务原理如图 ： 两台电机的励磁绕组接到同一单相交流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。假设电源上，三相整步绕组对应相接。假设三相整步绕组产生的磁势在空间按正弦三相整步绕组产生的磁势在空间按正弦规律分布，磁路不饱和，并忽略电枢反规律分布，磁路不饱和，并忽略电枢反响，那么在分析时便可用迭加原理。响，那么在分析时便可用迭加原理。 Uf 1aE1acbbcF11a12F12FfFfF22Ff12FfF2 当发送机

58、的转子转角为当发送机的转子转角为1，接纳机转子，接纳机转子转角为转角为2，在上述假设条件下，力矩式，在上述假设条件下，力矩式自整角机任务时电机内磁势情况可以看自整角机任务时电机内磁势情况可以看成发送机励磁绕组与接纳机励磁绕组分成发送机励磁绕组与接纳机励磁绕组分别单独接电源时所产生的磁势的线性叠别单独接电源时所产生的磁势的线性叠加。加。力矩式自整角机的转矩是定子磁势与转子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、交轴磁机的力矩，我们先来看看直轴、交轴磁势是如何产生转矩的。势是如何产生转矩的。1、直轴、交轴磁

59、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 )A：在直轴磁通磁势下，通电线圈产：在直轴磁通磁势下，通电线圈产生的也是直轴磁势，此时线圈也遭到的生的也是直轴磁势，此时线圈也遭到的电磁力电磁力F的方向如下图，显然不会产生的方向如下图，显然不会产生转矩。同样的图是产生交轴磁势的线圈转矩。同样的图是产生交轴磁势的线圈在交轴磁通磁势下也不会产生转矩。在交轴磁通磁势下也不会产生转矩。B：在直轴磁通磁势下，通电线圈产：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，生的是交轴磁势，线圈边受力方向相反，使线圈产生顺

60、时针力矩，最终使线圈停使线圈产生顺时针力矩，最终使线圈停在程度位置，两磁势的轴线重合，同样在程度位置，两磁势的轴线重合，同样的，图是产生直轴磁势的线圈在交轴磁的，图是产生直轴磁势的线圈在交轴磁通磁势下遭到逆时针的转矩。通磁势下遭到逆时针的转矩。 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可以产生转矩，转矩的方向是使与交轴磁势可以产生转矩，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：在接纳机中，在接纳机中，F2与励磁磁势与励磁磁势Ff是同轴磁势，故是同轴磁势，故不会产生力矩，而不会产生力矩