第4章控制电机

1、4.2 力矩电动机力矩电动机4.5 步进电动机步进电动机4.3 测速发电机测速发电机4.4 自整角机自整角机4.1 伺服电动机伺服电动机电机与拖动电机与拖动控制电机概述控制电机概述 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功率电机;不以能量转换、传递功率为主要功能，而主要任务不以能量转换、传递功率为主要功能，而主要任务是是完成控制信号的传递和转换完成控制信号的传递和转换;在系统中起在系统中起检测、放大、执行和校正检测、放大、执行和校正作用，经常用作用，经常用作作执行元件和检测元件执行元件和检测元件;1.什么是什么是 控制电机控制电机2.

2、控制电机的特点控制电机的特点 普通电机普通电机:主要任务是主要任务是能量转换能量转换， 它们的主要问题是提高它们的主要问题是提高能量转换的效率。能量转换的效率。 体积小、体积小、 重量轻、重量轻、 耗电少；耗电少；高可靠性；高精度；快速响应；高可靠性；高精度；快速响应；控制电机控制电机:在自动控制系统中，在自动控制系统中， 只起一个元件的作用，只起一个元件的作用， 其其主要任务是完成主要任务是完成控制信号的传递和转换控制信号的传递和转换， 而能量转换是次而能量转换是次要的。要的。 输出功率较小，一般从数百毫瓦到几百瓦；输出功率较小，一般从数百毫瓦到几百瓦；系列产品的外径，一般由系列产品的外径，

3、一般由12.5mm到到130mm；重量从数十克到数千克；重量从数十克到数千克；3. 控制电机的种类控制电机的种类控制电机控制电机测量元件测量元件（信号元件）（信号元件）旋转变压器旋转变压器交直流测速发电机交直流测速发电机自整角机自整角机感应同步机感应同步机执行执行元件元件（功率功率元件）元件）步进电动机步进电动机交直流伺服电动机交直流伺服电动机力矩电机力矩电机无刷直流电动机无刷直流电动机（1） 执行元件（功率元件）执行元件（功率元件）任务任务:将将电信号电信号转换成轴上的转换成轴上的角位移或角速度角位移或角速度以及以及直线位直线位移和线速度移和线速度， 并带动控制对象运动。并带动控制对象运动。

4、控制控制 特性特性:电机的电机的转速转速和和控制信号控制信号（如控制电压、脉冲频率）（如控制电压、脉冲频率）之间的关系。之间的关系。执行元件执行元件（功率元件）（功率元件）步进电动机步进电动机交直流伺服电动机交直流伺服电动机力矩电机力矩电机无刷直流电动机无刷直流电动机图图 1 伺服电动机的控制特性伺服电动机的控制特性 图图 2 步进电动机的控制特性步进电动机的控制特性 （2） 测量元件测量元件(信号元件信号元件)测量元件测量元件（信号元件）（信号元件）旋转变压器旋转变压器交直流测速发电机交直流测速发电机自整角机自整角机感应同步机感应同步机 用来测量用来测量机械转角机械转角、 转角差转角差和和转

5、速转速， 一般在自动控制系统中作为一般在自动控制系统中作为敏感元件敏感元件和和校正元件校正元件。任务任务:控制控制 特性特性:自整角机、测速发电机、旋转变压器自整角机、测速发电机、旋转变压器图图 3 自整角机的控制特性自整角机的控制特性 图图 4 测速发电机的控制特性测速发电机的控制特性 图图 5 旋转变压器的控制特性旋转变压器的控制特性 4. 控制电机的发展概况控制电机的发展概况（1） 国外国外20世纪世纪30年代：迅速发展，规模和使用领域日益壮大；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；年代以后：逐步形成基本系列；60年代以后：品种日益增多；年代以后：品种日

6、益增多；（2） 我国我国60年代前后：全面发展，仿制为主；年代前后：全面发展，仿制为主；60年代后期：自行设计与研发；年代后期：自行设计与研发； 初具规模的专业生产体系。初具规模的专业生产体系。（3） 发展趋势发展趋势提高精度、可靠性和适应性；提高精度、可靠性和适应性；小型化；小型化；发展发展特殊用途特殊用途和和特殊性能特殊性能的控制电机；的控制电机；开展开展新原理新原理、新结构新结构电机的研制工作；电机的研制工作；火炮和雷达的自动定位；火炮和雷达的自动定位； 舰船方向舵的自动操纵；舰船方向舵的自动操纵； 飞机的自动驾驶；飞机的自动驾驶； 遥远目标位置的显示；遥远目标位置的显示； 机床加工过程

7、的自动控制和自动显示；机床加工过程的自动控制和自动显示； 阀门的遥控；阀门的遥控；机器人、机器人、 电子计算机、电子计算机、 自动记录仪表、自动记录仪表、 医疗设备、医疗设备、 录音录像设备等中的自动控制系统。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控制电机的使用范围2个控制系统为实例个控制系统为实例放大器放大器KA速度传感器速度传感器负载负载伺服电动机伺服电动机w0VR+_图图1：简单的速度控制系统原理图：简单的速度控制系统原理图KS w0图图2：机床的数控系统原理图：机床的数控系统原理图可控制编程器可控制编程器刀具刀具测测 速速发电机发电机数模数模转换器转换器放大器放大器

8、电动机电动机模数模数转换器转换器脉冲脉冲反馈反馈传感器传感器输出量输出量刀具位置刀具位置P4.1 伺服电动机（伺服电动机（servo motor） 伺服电动机伺服电动机 执行电动机。执行电动机。v 功能功能 将电压信号转换成将电压信号转换成转角转角或或转速转速信号。信号。v 种类种类 直流伺服电动机、交流伺服电动机。直流伺服电动机、交流伺服电动机。1. 直流伺服电动机直流伺服电动机2. 交流伺服电动机交流伺服电动机转速和转向转速和转向应方便地受应方便地受控制信号控制信号的控制，的控制， 调速调速范围要大范围要大； 整个运行范围内的特性应具有整个运行范围内的特性应具有线性关系线性关系， 保证运行

9、的保证运行的稳定稳定性性； 当控制信号消除时，当控制信号消除时， 伺服电动机应立即停转，伺服电动机应立即停转， 也就是要求也就是要求伺服电动机伺服电动机无无“自转自转”现象现象； 控制功率控制功率要小，要小， 启动转矩启动转矩应大；应大； 机电时间常数要小机电时间常数要小， 始动电压要低始动电压要低。 当控制信号变化时，当控制信号变化时， 反应应快速反应应快速灵敏灵敏。 自动控制系统提出的要求：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。制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。一、直流伺服电动机一、

10、直流伺服电动机 1. 基本结构基本结构 与普通小型直流电动机相同。与普通小型直流电动机相同。 直流伺服电动机的功率直流伺服电动机的功率 1 600 W。 励磁方式励磁方式 电磁式：电磁式： 永磁式：永磁式： +Ua 电磁式电磁式If+Uf 他励式、并励式、串励式。他励式、并励式、串励式。稀土永磁材料稀土永磁材料 +Ua 永磁式永磁式（如稀土钴、稀土钕铁硼）。（如稀土钴、稀土钕铁硼）。 SMIaE E SMIa按结构可分成按结构可分成传统型传统型和和低惯量型低惯量型两大类。两大类。低惯量型直流伺服电动低惯量型直流伺服电动机机传统型直流伺服电动传统型直流伺服电动机机这种电动机的结构和普通直流同基本

11、相同，也是由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。定子和转子两大部分组成。一般有一般有杯形电枢杯形电枢、圆盘电枢圆盘电枢、无槽电枢无槽电枢等结构形式。等结构形式。低惯量型直流伺服电动机的特点是低惯量型直流伺服电动机的特点是转子轻，转动惯量转子轻，转动惯量小，响应快速。小，响应快速。2. 工作原理工作原理 施加施加 UaIa主磁通：主磁通： TnE电磁转矩：电磁转矩： T = CT Ia 电动势：电动势： E = CE n电枢电路电压方程：电枢电路电压方程： Ua = E + Ra Ian =UaCERaCECT2T3. 控制方式及其特性控制方式及其特性 (1) 电

12、枢控制式电枢控制式 Uf = UfN ， Ua = Uc（控制电压）（控制电压） n =UcCENRaCECTN2TOTn Uc3 Uc2Uc1Uc3Uc2Uc1 机械特性机械特性T1 T2 T3 T3T2T1 控制特性控制特性OUcnTCRUUTaaa0定义：电动机在一定的定义：电动机在一定的负载转矩负载转矩下，下， 稳态转速稳态转速随随控制控制 电压电压变化的关系，变化的关系，n=f（Ua）。补充：补充： 调节特性（控制特性）调节特性（控制特性）负载为常数时的调节特性负载为常数时的调节特性TCCRCUnTeaea2当当n=0时时斜率：斜率：eCk1始动电压始动电压图图 直流伺服电动机的调节

13、特性直流伺服电动机的调节特性 TCCRCUnTeaea2 在实在实际 工 作 中际 工 作 中经 常 以经 常 以 试试验验 的 方 法的 方 法获 得 调 节获 得 调 节特性。特性。表征调节特性的两个量：表征调节特性的两个量：（1）始动电压）始动电压Ua0sTaaTCRU0死区死区负载越大：负载越大：Ua0越大，越大， 死区越大。死区越大。（2）斜率）斜率keCk1与负载无关，电机本身参数决定与负载无关，电机本身参数决定所以，对于不同负载得到一组所以，对于不同负载得到一组 的调节特性的调节特性相互平行相互平行 (2) 磁场控制式磁场控制式 Ua = UaN ， Uf = Uc（控制电压）（

14、控制电压）忽略磁路饱和、不计电枢反应，则忽略磁路饱和、不计电枢反应，则 = C Uf = C Ucn =UaNCECUc Ra CECT C2Uc2 T Uc3Uc2 Uc1Uc3Uc2RL2nRRCRREULaeLaa11RL越小，斜率越小越小，斜率越小理想理想 产生误差的原因产生误差的原因 电枢反应。电枢反应。 环境温度的变化，引起各环境温度的变化，引起各 绕组的电阻值变化。绕组的电阻值变化。 负载变化，引起电刷与换负载变化，引起电刷与换 向器接触电阻的变化。向器接触电阻的变化。图图 不同负载电阻时的不同负载电阻时的实际实际输出特性输出特性 UaRL= RL1RL2n n n越高，越高，R

15、 RL L越小，误差越大越小，误差越大规定：规定： 最大线性工作转速最大线性工作转速 最小负载电阻值最小负载电阻值 1 ）温度影响及消除办法）温度影响及消除办法周围环境温度变化周围环境温度变化电机本身发热电机本身发热电机绕组电阻的变化电机绕组电阻的变化励磁绕组电阻励磁绕组电阻Rf增大增大励磁电流减小励磁电流减小磁通减小磁通减小感应电动势减小感应电动势减小输出电压减小输出电压减小4 直流测速发电机的误差及其减小的方法直流测速发电机的误差及其减小的方法一台一台ZCF16型直流测速发电机：型直流测速发电机：励磁电流励磁电流If mA转速转速n（r/min）输出电压输出电压Ua（v）结论结论室温启动室

16、温启动 3002400551hour后后277240052.965Ua降低了降低了3.7调回励磁调回励磁电流电流300240054.637Ua降低了降低了0.66励磁绕组温升对输出电压影响显著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：减小温度对励磁电流影响的办法：a. 改进电机的铁心磁路改进电机的铁心磁路fNI0fF0fINIfIA0N0磁磁化化特特性性曲曲线线在设计电机时，磁路设计在设计电机时，磁路设计足够饱和足够饱和，减小温度变化，减小温度变化所引起的磁通的变化。所引起的磁通的变化。b. 在励磁回路串在励磁回路串稳流电阻稳流电阻RRUIfffc. 在励磁回路中在励磁回路中

17、串联串联负温度系负温度系数数的的热敏电阻热敏电阻并联网络并联网络图图 励磁回路中的热敏电阻并联网络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电枢磁场对气隙磁场的影响合成磁场发生了合成磁场发生了畸变畸变， 2. 电枢反应使主磁场消弱，电枢反应使主磁场消弱，去磁去磁。负载电阻越小，转速越高，电负载电阻越小，转速越高，电枢电流越大，电枢反应的去磁枢电流越大，电枢反应的去磁作用越强。作用越强。2 ）电枢反应影响）电枢反应影响 及消除办法及消除办法消除电枢反应在设计时，采用补偿绕组；在设计时，采用补偿绕组；结构上结构上,加大气隙加大气隙 2. 2. 规定规定和和。 3）电刷接触压降）电刷接触

18、压降当转速低时：接触电阻大，实际输出电压小；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；当转速高时：接触电阻小，实际输出电压大；电压方程式：电压方程式： Ua=Ea-IaRa改写为：改写为： Ua=Ea-IaRw-Ub其中其中:Rw为扣除接触电阻之后的电枢绕组电阻；为扣除接触电阻之后的电枢绕组电阻； Ub为电刷接触压降。为电刷接触压降。LaaRUI 用用ub表示的电压平衡方程式表示的电压平衡方程式LWbeaRRUnCU1Ua=Ea-IaRw-UbbwLaaaURRUEU用用Ua和和n之间不再是线性关系之间不再是线性关系考虑电刷接触压降后的输出特性考虑电刷接触

19、压降后的输出特性 v 电刷和换向器的材料；电刷和换向器的材料；v 电刷的电流密度；电刷的电流密度； v 电流的方向；电流的方向； v 电刷单位面积上的压力；电刷单位面积上的压力； v 接触表面的温度；接触表面的温度； v 换向器圆周线速度；换向器圆周线速度； v 换向器表面的化学状态和机械方面的因素换向器表面的化学状态和机械方面的因素等等电刷接触压降电刷接触压降Ub与下述因素有密切关系与下述因素有密切关系:v采用接触压降较小的银采用接触压降较小的银石墨电刷。石墨电刷。v采用铜电刷采用铜电刷,并在与换向器接触的表面上镀银层。并在与换向器接触的表面上镀银层。v在测速机的输出端连接滤波电路。在测速机

20、的输出端连接滤波电路。减小电刷接触压降的影响，减小电刷接触压降的影响， 缩小不灵敏区的措施：缩小不灵敏区的措施：电刷和换向器的滑动接触不稳定，电刷和换向器的滑动接触不稳定，使输出的电枢电流含有使输出的电枢电流含有高频脉冲高频脉冲，对邻近的设备和通信电缆造成干扰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直流测速发电机的应用v自动控制系统：自动控制系统：测量测量或或自动调节电动机转速；自动调节电动机转速； v随动系统：产生电压信号；随动系统：产生电压信号； v计算解答装置：作为微分和积分元件。计算解答装置：作为微分和积分元件。v可测量各种机械在有限范围内的摆动或非常缓可测量各种机械在

21、有限范围内的摆动或非常缓慢的转速；慢的转速； v可代替测速计直接测量转速。可代替测速计直接测量转速。v可靠性比较差，可靠性比较差， v精度比较差；精度比较差； 所以所以,在系统中使用不及交流异步测速机广泛在系统中使用不及交流异步测速机广泛； v输出电压斜率大；输出电压斜率大；v 没有剩余电压没有剩余电压(即转速为零时没有输出电压即转速为零时没有输出电压)；v没有相位误差没有相位误差(励磁和输出电压之间没有相位移励磁和输出电压之间没有相位移)；v温度补偿容易实现等优点，温度补偿容易实现等优点， 所以所以,在自动控制系统中的应用还是很广泛的。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

22、特点（优缺点）、直流测速发电机的特点（优缺点）v是一种是一种测量转速测量转速或或传感转速信号传感转速信号的元件；的元件； v将将转速信号转速信号变为变为电压信号电压信号；U2=kn输出电压与转速的关系输出电压与转速的关系 理想的测速发电机理想的测速发电机的输出特性：的输出特性：二、交流测速发电机二、交流测速发电机 在计算解答装置中作为解算元件；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。在伺服系统中作为阻尼元件。 交流测速发电机的主要用途：交流测速发电机的主要用途：v不需要电刷和换向器，不需要电刷和换向器， 构造简单，构造简单， 维护容易，维护容易， 运行可靠；运行可靠； v无滑

23、动接触，无滑动接触， 输出特性稳定，输出特性稳定， 精度高；精度高；v摩擦力矩小，摩擦力矩小， 惯量小；惯量小； v不产生干扰无线电的火花；不产生干扰无线电的火花； v正、正、 反转输出电压对称。反转输出电压对称。 交流异步测速发电机的主要优点是：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；存在相位误差和剩余电压； 输出斜率小；输出斜率小； 输出特性随负载性质输出特性随负载性质(电阻、电阻、 电感、电感、 电容电容)而有所不同。而有所不同。 主要缺点是：主要缺点是：v在在选用选用时，时， 应根据系统的应根据系统的频率频率、电压电压、 工作转速的范围工作转速的范围和和具体用途具体用

24、途来选择。来选择。v解算元件：解算元件：精度要高，精度要高， 输出电压稳定性要好；输出电压稳定性要好； v转速检测或作阻尼元件：转速检测或作阻尼元件： 输出斜率要大，输出斜率要大， 对精度的要求不是很高。对精度的要求不是很高。1 基本结构基本结构v转子：转子：鼠笼转子异步测速发电机鼠笼转子异步测速发电机非磁杯形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交流异步测速发电机的示意图 励磁绕组励磁绕组输出绕组输出绕组输出电压输出电压输出斜率大，特性输出斜率大，特性差，误差大，转子差，误差大，转子惯性大，适用于精惯性大，

25、适用于精度要求不高的系统度要求不高的系统中中精度高，转子精度高，转子惯量较小，是惯量较小，是目前应用最广目前应用最广泛的一种交流泛的一种交流测速发电机测速发电机v转子转子薄壁薄壁非磁性非磁性杯，杯， 通常用高电阻率的通常用高电阻率的硅锰青铜硅锰青铜或或锡锌青铜锡锌青铜制成。制成。 v定子定子嵌有空间互差嵌有空间互差90电角度的两相绕组，电角度的两相绕组， W1 ； W2 。 v机座号较小的电机：机座号较小的电机： 两相绕组都放在两相绕组都放在上；上； v机座号较大的电机：机座号较大的电机： 励磁绕组放在外定子上，励磁绕组放在外定子上， 输出绕组放在内定子上。输出绕组放在内定子上。 杯形转子异步

26、测速发电机的结构杯形转子异步测速发电机的结构测速发电机测速发电机 更多的图片更多的图片 2. 工作原理工作原理 输出绕组输出绕组 励磁绕组励磁绕组 Uf Ifd 正弦交流正弦交流 uf if d d =dm sint(1) 转子静止时转子静止时励磁绕组励磁绕组一次绕组一次绕组转子绕组转子绕组二次绕组二次绕组EdEfEd Id Ef IfIdFf Fdd IfIdFf Fdd Uf Ifd Ed忽略励磁绕组的漏阻抗，则忽略励磁绕组的漏阻抗，则 Uf =Ef = j 4.44 f kwf Nfdm 输出绕组：输出绕组： 与与d 无交链，不会产生无交链，不会产生 E0。 即：即：n = 0 时，时，

27、U0 = 0 。 U0 Ed =j 4.44 f kwr Nrdm Ef Uf Ifd Ed(2) 转子旋转时转子旋转时 d 交变感应交变感应旋转切割旋转切割 Ed Id Eq Iq Eq q q eq = C1d n = C1 n dm sintq = C2 eq = C1 C2 n dm sint = qm sintC1、C2 电机常数。电机常数。qm = C1 C2 n dm U0 Ef 输出绕组：输出绕组： U0 =E0 = j4.44 f kw0N0qm = j4.44 f kw0 N0 C1 C2 n dm = C1 C2 n Uf kw0 N0Kwf Nfq E0 U0 输出空载

28、电压：输出空载电压： Uf Ifd U0 Eq q 结论：结论： U0 n 。 u0 与与 uf 同频率、同相位。同频率、同相位。 EdEf E0 Uf =Ef = j 4.44 f kwf Nfdm v励磁绕组的电阻、漏电抗；励磁绕组的电阻、漏电抗； v输出绕组的电阻、漏电抗输出绕组的电阻、漏电抗v转子绕组的漏电抗；转子绕组的漏电抗； v磁路的非线性；磁路的非线性； v输出绕组和励磁绕组空间是否正好相差输出绕组和励磁绕组空间是否正好相差9090实际情况与理想情况有误差存在：实际情况与理想情况有误差存在： 线性误差；线性误差； 相位误差；相位误差； 剩余电压。剩余电压。 误差：误差：误差产生的

29、原因：误差产生的原因：减小误差：减小误差： 负载阻抗电机的输出负载阻抗电机的输出阻抗，使其尽量工作在阻抗，使其尽量工作在空空载状态载状态，以减少误差；，以减少误差；4.4 自整角机自整角机 （BS）v 功能功能 将将转角信号转角信号转换成转换成电压信号电压信号，或反之。通过，或反之。通过 两个或两个以上的组合，以实现两个或两个以上的组合，以实现转角的传输、转角的传输、 转换和接收转换和接收。v 同步联接系统同步联接系统 无机械联接的两个系统同步转动。无机械联接的两个系统同步转动。 v 种类种类 按作用的不同：力矩式、控制式。按作用的不同：力矩式、控制式。 按相数的不同：单相、三相。按相数的不同

30、：单相、三相。一一. 自整角机分类：自整角机分类：自整角机两个自整角机两个(或两个以上或两个以上)组合使用组合使用（1）按）按力矩式力矩式运行时运行时力矩式力矩式发送机发送机(ZLF， TX)力矩式力矩式接收机接收机(ZLJ， TR)（2）按）按控制式控制式运行时运行时控制式控制式发送机发送机(ZKF， CX)控制式控制式变压器变压器(ZKB， CT)v差动式发送机：差动式发送机： 串接于串接于力矩式发送机和接收机力矩式发送机和接收机之间，之间， 将发送机转将发送机转角及自身角及自身转角的和转角的和(或差或差)转变为电信号，转变为电信号， 输至接收输至接收机；机；v 差动式接收机：差动式接收机

31、： 串接于串接于两个力矩式发送机两个力矩式发送机之间，之间， 接收其电信号，接收其电信号， 并使自身转子转角等于两发送机并使自身转子转角等于两发送机转角的和转角的和(或差或差)。差动式差动式发送机发送机(ZCF、 TDX)差动式差动式接收机接收机(ZCJ、 TDR)力矩式自整角机用到力矩式自整角机用到v控制式差动发送机：控制式差动发送机： 串接于串接于控制式发送机控制式发送机和和控制式变压器控制式变压器之之间，间， 将发送机转角及其自身转角的和将发送机转角及其自身转角的和(或差或差)转变成电信号，转变成电信号， 输至自整角机变压器。输至自整角机变压器。 控制式自整角机还用到：控制式自整角机还用

32、到：控制式差动发送机控制式差动发送机(ZKC、 CDX)二二. 自整角机的基本结构自整角机的基本结构 与一般旋转电机相似：定子、转子、气隙。与一般旋转电机相似：定子、转子、气隙。图图 自整角机结构简图自整角机结构简图 定子铁心冲片定子铁心冲片 三相对称绕组示意图三相对称绕组示意图 整步绕组整步绕组自整角机转子自整角机转子a隐极转子隐极转子 b凸极转子凸极转子ZKB,ZKCZLF,ZLJ,ZKF图图 自整角机电路图自整角机电路图 但是，但是， 无论是整体式或是分装式，无论是整体式或是分装式， 无论是隐极转子无论是隐极转子或是凸极转子，或是凸极转子， 它们的工作原理都是一致的。它们的工作原理都是一

33、致的。整体式结构：整体式结构：自整角机的定、自整角机的定、 转子都装在一个机壳里。转子都装在一个机壳里。分装式结构：分装式结构：定、定、 转子是分开，转子是分开， 分别是在现场安装固定。分别是在现场安装固定。特点：电机外径较大；特点：电机外径较大； 轴向长度较短；轴向长度较短； 图图 5 - 10 整体式整体式自整角机的基本结构自整角机的基本结构(此图转子为凸极式此图转子为凸极式) 档圈档圈轴承轴承转子转子集电环集电环定子定子端盖端盖轴承轴承档圈档圈接线板接线板自整角机的结构示意图自整角机的结构示意图转子铁心转子铁心 单相绕组单相绕组 定子铁心定子铁心 三相绕组三相绕组 电刷电刷 单相：单相：

34、定子为三相绕组、转子为单相绕组。定子为三相绕组、转子为单相绕组。 三相：三相：定子、转子均为三相绕组。定子、转子均为三相绕组。自整角机的结构图自整角机的结构图后端盖后端盖 前球轴承前球轴承 集电环集电环端部端部 电刷电刷 集流环集流环端部触点端部触点 电刷电刷 定子外壳定子外壳 转轴转轴 前端盖前端盖 定子绕组定子绕组 转子转子 绕组绕组 减震器轮减震器轮 罩罩 壳壳 自整角机自整角机A 型发送器型发送器 M 型指示器型指示器 115 V，60 Hz 单相交流输入单相交流输入 v直接带负载运行，无需其他辅助元件直接带负载运行，无需其他辅助元件v系统结构简单，价格低廉系统结构简单，价格低廉v接收

35、误差稍大，接收误差稍大， 负载能力较差，负载能力较差， v只适用于只适用于轻负载转矩轻负载转矩及及精度要求不太高的开环精度要求不太高的开环控控制的伺服系统里。制的伺服系统里。直接达到直接达到转角随动转角随动的目的的目的 远距离转角指示远距离转角指示机械角度机械角度力矩输出力矩输出转换转换1、力矩式自整角机、力矩式自整角机三三. . 自整角机的工作原理自整角机的工作原理 力矩式自整角机工作原理力矩式自整角机工作原理UVWUVWa 发送机发送机 b 接收机接收机 1. 转子处在协调位置时转子处在协调位置时 纵向脉振纵向脉振 EUa = EUb ，EVa = EVb ， EWa = EWb ;IUI

36、VIWIU = IV = IW = 0 T = 0，转子静止。，转子静止。 定定 同同子子 步步绕绕组组EUbEVbEWbEUaEVaEWa2. 转子处在非协调位置时转子处在非协调位置时 EUaEUb ，EVaEVb ，EWaEWb ; IU、IV、IW 0 T 0， UVWUVWa 发送机发送机 b 接收机接收机 IUIVIWEUaEVaEWaEUbEVbEWb2. 转子处在非协调位置时转子处在非协调位置时 EUaEUb ，EVaEVb ，EWaEWb ;IU、IV、IW 0 T 0， 接收机转子旋转接收机转子旋转 角。角。 重新达到协调位置，使重新达到协调位置，使 IU = IV = IW

37、 = 0， T = 0。 UVWUVWa 发送机发送机 b 接收机接收机 IUIVIW EUaEVaEWaEUbEVbEWb详细分析：详细分析： 力矩式自整角机的运行力矩式自整角机的运行 1） 力矩式自整角机的工作原理力矩式自整角机的工作原理图图 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 励磁绕组励磁绕组整步绕组整步绕组fU(1) 只有只有ZLF励磁绕组接通电源励磁绕组接通电源fB发送机转子励磁磁通发送机转子励磁磁通在发送机定子绕组中感应电势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两机定子绕组回路中引起电流B在在发送机发送机的气隙中产生合成磁密的气隙中产生合成磁密B在在

38、接收机接收机气隙中形成合成磁密气隙中形成合成磁密fB与与 反向反向与与发送机发送机的磁场反向的磁场反向BB(2) (2) 只将只将ZLJ单独加励磁单独加励磁fB接收机转子励磁磁通接收机转子励磁磁通在接收机定子绕组中感应电势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两机定子绕组回路中引起电流B在在接收机接收机的气隙中产生合成磁密的气隙中产生合成磁密B在在发送机发送机气隙中形成合成磁密气隙中形成合成磁密fB与与 反向反向与与接收机接收机的磁场反向的磁场反向BB把把接收机接收机中由中由ZLF励磁产生的磁密励磁产生的磁密 沿沿 向分解成两个分量：向分解成两个分量：(3) 发送机和接收机应同时

39、励磁发送机和接收机应同时励磁BBcosBBdsinBBq 和转子绕组轴线垂直，与励磁电流和转子绕组轴线垂直，与励磁电流相互作用，相互作用，产生电磁力产生电磁力，使励磁绕，使励磁绕组转动（逆时针方向）。组转动（逆时针方向）。 cosBBd 一个分量一个分量转子绕组轴线方向上转子绕组轴线方向上, 定子合成磁密矢量为：定子合成磁密矢量为：cosBBBd实际方向与接收机实际方向与接收机励磁磁密励磁磁密相反，起相反，起去磁作用去磁作用，不会使，不会使ZLJ的转子旋转。的转子旋转。 另一个分量另一个分量sinBBqdBsinBBqffffb. 转角随动转角随动的目的（的目的（自动协调，自自动协调，自整角随

40、动整角随动）a. 协调协调或或同步同步的目的的目的l发送机转子发送机转子一旦转过一个角度一旦转过一个角度，l接收机转子就会朝着使角度接收机转子就会朝着使角度减小减小的方向转动，的方向转动，l当当0时，力矩时，力矩0，停止转动。，停止转动。l发送机发送机转子连续转动转子连续转动，则接收机转，则接收机转子便跟着转动。子便跟着转动。1）控制式自整角机的功用）控制式自整角机的功用角度角度和和位置位置的检测元件的检测元件机械角度机械角度电信号电信号角度的数字量角度的数字量电压模拟量电压模拟量转换转换转换转换精度高，适用于精度高，适用于精密精密的的闭环控制闭环控制的伺服系统。的伺服系统。2、控制式自整角机

41、、控制式自整角机UVWa 控制式发送机控制式发送机 UVWb 自整角变压器自整角变压器 IUIVIWUfU01 转子处在协调位置时转子处在协调位置时 EU、EV、EW 不同大小同相位，不同大小同相位， 则则 IU、IV、IW 不同大小同相位不同大小同相位 产生纵向脉振磁产生纵向脉振磁 场场 与输出绕组不交链与输出绕组不交链 U0 = 0。 EUaEVaEWa励磁绕组励磁绕组输出绕组输出绕组Uf2. 转子处在非协调位置时转子处在非协调位置时Uf EU、EV、EW IU、IV、IW 与输出绕组交链与输出绕组交链 产生产生 E0sin 。 即即 U0sin 。 与输出绕组交与输出绕组交链的分量链的分

42、量EUaEVaEWaUVWa 控制式发送机控制式发送机UVWb 自整角变压器自整角变压器U0IUIVIWE0 4.5 步进电动机步进电动机 功能功能 将将电脉冲信号电脉冲信号转换成转换成转角或转速信号转角或转速信号。 转角转角 脉冲信号的个数；脉冲信号的个数； 转速转速 n 脉冲信号的频率。脉冲信号的频率。与电源、负载、与电源、负载、环境等因素无关环境等因素无关脉冲脉冲放大器放大器步进步进电动机电动机脉冲脉冲分配器分配器脉冲输入脉冲输入负载负载驱动电源驱动电源 用途用途 高精度的角度控制。高精度的角度控制。v在电脉冲的控制下能在电脉冲的控制下能迅速启动迅速启动、 正反转正反转、 停转停转v在在

43、很很宽的范围内进行转速调节；宽的范围内进行转速调节；v动作动作快快速；速；v步距小步距小、 步距步距精度高精度高， 不丢步和越步；不丢步和越步；v输出转矩输出转矩大大， 可直接带动负载。可直接带动负载。对步进电动机的基本要求是对步进电动机的基本要求是:分类分类 按定子相数不同：三相、四相、五相、六相等；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）。按转子材料不同：永磁式、磁阻式（反应式）。4.5.1步进电动机工作原理几个概念：几个概念：v单：每次切换前后只有一相绕组通电单：每次切换前后只有一相绕组通电v双：每次切换前后有两相绕组通电双：每次切换前后有两相

44、绕组通电v拍：从一种通电状态转换到另一种通电状拍：从一种通电状态转换到另一种通电状态态三相步进电动机绕组的通电方式一般有单三三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。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）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相控制方式。对三相电动机又称单三拍控制方式，其方式，其绕组波形绕组波形如图如图14 2314 231

45、4 2314 23U1U2V1V2W2W11. m 相单相单 m 拍运行（三相单三拍运行）拍运行（三相单三拍运行） 通电顺序：通电顺序： U 相相V 相相W 相相U 相。相。 U 相通电相通电 14 23U1U2V1V2W2W114 23 V 相通电相通电 U1U2V1V2W2W1 W 相通电相通电 14 2314 23一步一步两步两步三步三步 步距角：步距角： = 304.5.1步进电动机工作原理二、三相双三拍运行方式（双拍方式）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，其绕组电流比单拍方式相比增大近一

46、倍，其绕组电流波形图波形图2. m 相双相双 m 拍运行（三相双三拍运行）拍运行（三相双三拍运行） 通电顺序：通电顺序： UV 相相VW 相相WU 相。相。 14 23U1U2V1V2W2W1 UV 相通电相通电 14 2314 23U1U2V1V2W2W1 VW 相通电相通电 14 2314 23U1U2V1V2W2W1 WU 相通电相通电 14 23 步距角：步距角： = 3014 2314 234.5.1步进电动机工作原理其绕组电流波形如图其绕组电流波形如图二、三相六拍运行方式（单双拍方式）二、三相六拍运行方式（单双拍方式）3. m 相单双相单双 2m 拍运行拍运行 (三相单双六拍运行）

47、三相单双六拍运行）通电顺序：通电顺序：UUV VVW W WU U。14 23U1U2V1V2W2W1114 23U1U2V1V2W2W1214 23U1U2V1V2W2W1314 23U1U2V1V2W2W1414 23U1U2V1V2W2W1514 23U1U2V1V2W2W1614 23步距角：步距角： = 15 每一循环换接每一循环换接 6 6 次，次， 总共有总共有 6 6 种通电状态种通电状态，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图为三相反应式步进电动机结构示意图设转子的齿数为设转子的齿数为Z，则齿则齿距为：距为：

48、360/Z每通电一次，转子就走每通电一次，转子就走一步，故步距角一步，故步距角为：为：mKZZ360360拍数拍数齿距式中式中K为状态系数。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若步进电动机的Z40，三相单三拍运行时，三相单三拍运行时，其步距角为：其步距角为：3403360若按三相六拍运行时，步距角为：若按三相六拍运行时，步距角为：5 . 14032360由此可见，步进电动机的转子齿数由此可见，步进电动机的转子齿数Z和定子相和定子相数数m愈多，则步距角愈多，则步距角愈小，控制越精确。愈小，控制越精确。如果电脉冲的频率为如果电脉冲的频率为f（电源频率），则步

49、进电源频率），则步进电动机转速电动机转速n4.5.2步进电动机类型与结构步进电动机类型与结构一、反应式步进电动机一、反应式步进电动机fmKZfn6060360可见，反应式步进电动机转速只取决于脉可见，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、负冲频率、转子齿数和拍数，而与电压、负载、温度等因素无关。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。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，其转速当步进电动机的通电方式选

50、定后，其转速只与输入脉冲频率成正比，改变脉冲频率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，调就可以改变转速，故可进行无级调速，调速范围宽。速范围宽。4.5.2步进电动机类型与结构综上所述，步进电动机综上所述，步进电动机u工作时的步数或转速既不受电压波动和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、压力、冲击和振动等）变化的影响，只与控制脉冲同步。与控制脉冲同步。u能按照控制的要求进行启动、停止、反能按照控制的要求进行启动、停止、反转和改变速度。转和改变速度。因此被广泛

51、地应用于各种数字控制系统中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、永磁式步进电动机二、永磁式步进电动机永磁式步进电动永磁式步进电动机的结构如图。机的结构如图。与反应式相比，与反应式相比，具有控制功率小，具有控制功率小，内部电磁阻尼较内部电磁阻尼较大和断电情况下大和断电情况下具有定位转矩等具有定位转矩等特点。特点。4.5.2步进电动机类型与结构三、电磁式步进电动机三、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

52、：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输出转矩大而脉冲电流较小低频运行时更稳定可靠低频运行时更稳定可靠高频运行时的矩频特性好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。和定子带磁钢两种。右图是转子带右图是转子带磁钢的典型结磁钢的典型结构。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，又动机的步距角小和工作频

53、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。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、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：步进电动机主要特性：步距角及步距误差步距角及步距误差矩角特性矩角特性动态矩频特性动态矩频特

54、性启动惯频特性启动惯频特性单步运行与振荡特性单步运行与振荡特性4.5.3步进电动机主要特性一、步距角及步距误差一、步距角及步距误差步距角步距角即步进电动机每步转过的空间角度。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。步距角越小，分辨力越高。步距误差步距误差即步进电动机每走一步，转子实际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动机的累积误差4.5.3步进

55、电动机主要特性步距误差和累积误差通常用度步距误差和累积误差通常用度()、分、分()或者或者步距角的百分比表示。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；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；气隙的不各相矩角特性之间的差别的大小；气隙的不均匀程度等。均匀程度等。4.5.3步进电动机主要特性二、矩角特性二、矩角特性矩角特性矩角特性是反映步进电动机电磁转矩是反映步进电动机电磁转矩T随随偏转角偏转角变化的关系。变化的关系。定子一相绕组通以直流电后，如果转子定子一相绕组通以直流电后，

56、如果转子上没有负载转矩的作用，转子齿和通电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，这个位置称为相磁极上的小齿对齐，这个位置称为步步进电动机的初始平衡位置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初始位置，重新平衡后转子齿偏离初始位置的角度称为的角度称为转子偏转角转子偏转角（空间角）空间角），对应，对应的电角度的电角度e称为称为失调角失调角。电角度是空间角度的电角度是空间角度的Z倍，即倍，即eZZ为电动机定子齿数。为电动机定子齿数。4.5.3步进电动机主要特性

57、电磁转矩电磁转矩T与失调角与失调角e的关系曲线的关系曲线Tf(e)称称为矩角特性曲线，如图。为矩角特性曲线，如图。当当e达到达到/2时，时，即定子齿与转子齿即定子齿与转子齿错开错开1/4个齿距时，个齿距时，转矩转矩T达到最大值达到最大值Ts,max，称为最大称为最大静转矩。静转矩。4.5.3步进电动机主要特性最大静转矩最大静转矩反映了步进电动机带负载能力，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。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步进电动机的负载转矩必须小于最大静转矩。矩。在实际使用中，为了能稳定运行，负载转在实际使用中，为了能稳定运行，

58、负载转矩一般只能是最大静转矩的矩一般只能是最大静转矩的0.30.5倍。倍。4.5.3步进电动机主要特性三、动态矩频特性三、动态矩频特性动态矩频特性动态矩频特性是指步进电动机所能产生的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。最重要的指标之一。值得注意值得注意：同一电动机在使用不同的驱动方：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。机时必须注意所

59、给特性的测试条件。4.5.3步进电动机主要特性曲线为单相通电、单电曲线为单相通电、单电压驱动时的矩频特性；压驱动时的矩频特性；曲线为单相通电、高低曲线为单相通电、高低压驱动时的矩频特性；压驱动时的矩频特性；曲线为双相通电、高低曲线为双相通电、高低压驱动时的矩频特性。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。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。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

60、电流平均高速运行时，相电流平均值降低，在很高速时，当值降低，在很高速时，当激磁时间结束之前，相绕激磁时间结束之前，相绕组里的电流可能尚未达到组里的电流可能尚未达到额定值，波形产生严重失额定值，波形产生严重失真，如图真，如图(b)。相电流的减相电流的减小使有效转矩减小。小使有效转矩减小。低速运行时，相绕组电流低速运行时，相绕组电流近似矩形，如图近似矩形，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