电机与电气控制技术（第3版）（微课版）（AR版）课件第4章 常用控制电机

4.1伺服电动机4.2测速发电机第4章常用特种电机4.3步进电动机自学提示

控制用的特种电机分为测量元件和执行元件。测量元件包括旋转变压器，交、直流测速发电机等；执行元件主要有交、直流伺服电动机，步进电动机等。通过本章的学习，要求：

了解伺服电动机、测速发电机、步进电机等特种电机的结构组成和用途熟悉伺服电动机、测速发电机、步进电动机等特种电机的性能掌握伺服电动机、测速发电机、步进电动机等特种电机的工作原理常用特种电机概述

常用特种电机也称为控制电机，在结构上、性能上、基本用途上或工作原理上均与传统电机不同，体积和输出功率通常较小，有的特种电机或精密电机在设计方法上有较大特点。这些特种电机的外径一般小于130mm。

从工作原理来看，特种电机突破了传统电机理论的范畴。如超声波电机是利用驱动部分（压电陶瓷元件的超声波振动）和移动部分之间的动摩擦力而获得运转力的一种新原理电机；微波电动机是一种能够接受并将微波转换为机械能的新型电机；静电电机则是利用电场和电荷之间的动力制成的一种超微电机；此外还有光热电机、仿生电机、记忆合金电机等。其中超声波电机已经进入实用化阶段。4.1伺服电动机

伺服电动机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电动机在自动控制系统中用作执行元件，它将输入的电压信号转换成转矩或速度输出，以驱动控制对象。伺服电机分有直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。

伺服电动机用于自动控制系统中，其转速和转动方向受控制电压的控制以驱动被控对象。自动控制系统对伺服电动机的性能要求如下：（1）调速范围宽；（2）机械特性和调节特性为线性；（3）无“自转”现象；（4）快速响应。伺服电动机概述4.1.1直流伺服电动机

永磁式直流伺服电动机的磁极由永久磁铁制成，不需要励磁绕组和励磁电源。

伺服电机分为交流伺服电机和直流伺服电机两类，其中直流伺服电动机输出功率较大，交流伺服电动机的输出功率较小。按照励磁方式的不同，直流伺服电动机可分为：

电磁式的直流伺服电动机，一般采用他励结构，磁极由励磁绕组构成，通过单独的励磁电源供电。

空心杯式直流伺服电动机由于其力能指标较低，目前已很少采用。

直流伺服电动机按照转子结构的不同，又可分为：

无槽电枢直流伺服电动机的转子是直径较小的细长型圆柱铁芯，通过耐热树脂将电枢绕组固定在铁芯上，具有散热好、性能指标高、快速性好的特点。

直流伺服电动机又分有无刷式和有刷式两种类型：

无刷伺服机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。

直流伺服电动机又分有无刷式和有刷式两种类型：

有刷直流伺服机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，但需要维护，且维护不方便（换碳刷），易产生电磁干扰，对环境也有要求。因此通常用于对成本敏感的普通工业和民用场合。直流伺服机的控制方式恒磁电压控制电压

在电动机的励磁绕组上加上恒压励磁，将控制电压作用于电枢绕组来进行控制称为电枢控制，如图示。

实用中由于电枢控制方式，其回路中电感小，响应快，性能好，因此广泛应用于自动控制系统中。

在电动机的电枢绕组上施加恒压，将控制电压作用于励磁绕组来进行控制的方法称磁场控制。由于磁场控制性能不如电枢控制，因此工程实际中很少采用。直流伺服电动机的机械特性表达式

式中，Ce为电势常数；CT为转矩常数；Ra为电枢回路电阻。

电枢控制方式时，由于直流伺服电动机的磁路一般不饱和，我们可以不考虑电枢反应，认为主磁通Φ大小不变。直流伺服电动机的机械特性分析

伺服电动机的机械特性，指控制电压一定时转速随转矩变化的关系。

由图示机械特性曲线可知，在伺服机负载转矩T一定，磁通不变时，控制电压Uc高，转速n也高，转速n的增加与控制电压的增加成正比；当Uc＝0时，n＝0，电动机停转。要改变直流伺服电动机的转动方向，可通过改变控制电压Uc的极性来实现，所以直流伺服电动机具有可控性。

直流伺服电动机的机械特性和调节特性的线性度好，调整范围大，起动转矩大，效率高。缺点是电枢电流较大；电刷和换向器维护工作量大；接触电阻不稳定；电刷与换向器之间的火花有可能对控制系统产生干扰。n0TUC1UC2UC3UC1UC2UC3>>机械特性n0UCT0=0T1T2T2T1T3>>

调节特性UC1UC2

直流伺服电动机广泛应用于火花机、机械手和精确的机器等。直流伺服电动机若同时配置2500P/R高分析度的标准编码器及测速器，或加配减速箱，更可为机械设备带来可靠的准确性及高扭力。直流伺服电动机的调速性能也非常好，在单位重量和体积下，输出功率最高，大于相应交流电机的输出功率，且多级结构的力矩波动小。4.1.2交流伺服电动机

交流伺服电动机又称为两相异步电动机，在结构上类似于单相异步电动机，其定子铁心中安放着空间相差90º电角度的两相绕组，一相称为励磁绕组，一相称为控制绕组。如图示：

交流伺服电动机工作时，励磁绕组接单相交流电压，控制绕组接控制信号电压，要求两相电压要同频率。

笼型转子体积较大，气隙小，所需的励磁电流小，功率因数较高，电动机的机械强度大，但快速响应性能稍差，低速运行也不够平稳。1.交流伺服机的结构特点空心杯形转子笼型转子结构形式

非磁性空心杯形转子的特点是转动惯量小且具有较大的电阻。优点是响应快、运行平稳。缺点是结构复杂，气隙大，空载电流大，功率因数较低。

交流伺服电动机的工作原理与具有启动绕组的单相异步电动机相似。2.交流伺服机的工作原理

交流伺服电动机工作时，励磁绕组通入恒定交流电压，控制绕组由伺服放大器供电通入控制电压，两个电压的频率相同，在相位上相差90º电角度。这样，两个绕组共同作用在电动机内部产生一个旋转磁场使转子转动。当转子转动起来以后，断开起动绕组，电动机仍然能够转动。

由交流伺服机的工作原理可知，在控制绕组断开后电动机仍然能够转动，这种现象称为“自转”。伺服电动机的“自转”状态在正常工作时是不能允许的。如何消除交流伺服机的“自转”现象呢？

因此，消除“自转”现象的方法是增加伺服电动机的转子电阻。左图示为电动机转子电阻较小、临界转差率Sm<1时的机械特性右图示是转子电阻较大、临界转差率Sm≥1时的机械特性自转现象严重自转现象基本消除3.交流伺服机的控制方式

改变加在控制绕组上的电压大小和相位，能够改变电动机转速的大小和方向。①幅值控制改变控制电压的幅值来控制电机的转速，使得相位始终保持不变。②相位控制改变控制电压的相位,从而改变控制电流与励磁电流之间的相位角来控制电动机的转速。③幅相控制同时改变控制电压的幅值及控制电流与励磁电流之间的相位角来控制电机的转速。交流伺服机的用途机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、自动化生产线等对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求相对较高的设备，一般都会涉及到伺服电动机。图示为数控机床伺服系统。该系统是以机床移动部件的机械位移为直接控制目标的自动控制系统，也称位置随动系统，系统接收来自插补器的步进脉冲，经过变换放大后转化为机床工作台的位移。在自动控制系统中，对伺服电动机的性能有哪些要求？

交流伺服电动机有哪几种控制方式？

常用的控制电机有哪些？自动控制系统对常用特种电机的要求有哪些？问题与思考为什么要求交流伺服电动机有较大的电阻？

4.2测速发电机

测速发电机是一种测量转速的信号元件，它将输入的机械转速转换为电压信号输出，通常要求其输出电压与转速成正比。

交流测速发电机有空心杯转子异步测速发电机、笼式转子异步测速发电机和同步测速发电机3种。

直流测速发电机是一种微型直流发电机，其定子和转子结构与直流发电机基本相同。

按照测速发电机输出信号的不同，可分为直流和交流两大类：自动控制系统对测速发电机的主要要求：①输出电压与速度保持严格的线性关系，且不随外界条件的改变而变化；②电机的转动惯性要小，以保证反应迅速；③输出电压对转速的变化反应灵敏，测速发电机输出特性的斜率要大；④对无线电通信干扰小、噪声小、重量轻、体积小、结构简单且使用可靠。

测速发电机耦合在电动机轴上作为转速负反馈元件，其输出电压作为转速反馈信号送回到放大器的输入端。调节转速给定电压，使系统能自动调节到所要求的转速。4.2.1直流测速发电机

直流测速发电机包括永磁式和电磁式两种类型。

电磁式直流测速发电机采用他励式，不仅结构复杂而且因励磁受电源、环境等因素的影响，输出电压变化较大，所以用得不多。

永磁式直流测速发电机采用高性能永久磁钢励磁，受温度变化的影响较小，输出变化小、斜率高、线性误差小。这种电机在80年代因新型永磁材料的出现而发展较快。直流测速发电机的工作原理恒定磁场中，当被测机械拖动测速发电机以转速n转动时，电枢绕组与磁场相切割，电刷两端的感应电动势Eao为：Eao=CeФ0n

=Ken当直流测速发电机空载运行时，电枢电流为零，由于空载时的输出电压就是空载感应电动势，所以输出电压与转速成正比。

直流测速发电机是一种微型直流发电机。因此工作原理与一般直流电动机基本相同。电枢电动势的极性与电枢绕组的旋转方向有关。改变电枢绕组的旋转方向，电枢电动势的极性相应改变。可见，直流测速发电机负载时的输出电压U与转速n仍成正比。

负载时，电枢电流不为零，输出电压为：

式中电枢电流：

因此，直流测速发电机的输出电压：

直流测速发电机的输出特性如图示：

测速发电机空载时，相当于RL＝∞，电枢电流Ia＝0，此时输出电压U＝Ea，当负载电阻RL逐渐减小时，电枢电流Ia逐渐增大，如果转速n恒定，输出电压U下降越多，特别在高速时，当RL减小时线性误差将增加。

可见，测速发电机输出特性的曲线斜率随负载电阻RL的减小而降低。

实际上，直流测速发电机的输出电压与转速之间并不是严格保持正比关系，而是输出特性曲线图中的虚线。产生非线性误差的原因主要有：电枢反应、电刷接触压降、温度的影响等。4.2.2交流测速发电机

异步测速发电机分有鼠笼转子感应测速发电机和空心杯转子测速发电机两种类型，其中鼠笼式结构简单，但性能较差；空心杯式转子感应测速发电机因其性能较好，是目前应用最广泛的一种交流测速发电机。交流测速发电机同步测速发电机：永磁式、感应子式和脉冲式。异步测速发电机：空心杯式、鼠笼式和同步式。

同步式测速发电机定子输出绕组感应电动势的大小和频率都随转速n的变化而变化，因此不宜用于自动控制系统中。1.空心杯转子异步测速发电机

空心杯形转子异步测速发电机为了减少转子漏电抗、增加其电阻，转子通常由非铁磁材料硅锰青铜制成为空心薄壁圆筒。此外，为了减少磁路的磁阻，在空心杯形转子内放置有固定的内定子。

空心杯型转子电阻比伺服电动机的转子电阻更大一些，杯壁厚度一般为0.2～0.3mm。（1）结构原理

空心杯式异步测速发电机的定子上嵌放有空间位置上相差90º电角度的两相绕组，一相绕组作为励磁绕组N1，另一相绕组作为输出绕组N2。图中黄色所示的内铁心是由硅钢片制成的铁心，用来减小磁路的磁阻。小型测速发电机的两个绕组均嵌放在内定子上；而机座在外径36mm以上的测速发电机中，励磁绕组嵌放在外定子上，输出绕组嵌放在内定子上，以便调整两相绕组的相对位置，使剩余电压最小。当测速发电机的励磁电压为u1，励磁电流为i1时，在励磁绕组的轴线方向产生的交变脉动磁通为Φ1，Φ1正比于电源电压u1。u1u2N1N2Φ1

当转子静止时，励磁后由杯形转子电流产生的磁场与输出绕组轴线垂直，输出绕组不感应电动势，因此输出绕组上没有电压输出。交流测速发电机的工作原理转子不动时u1u2N1N2i1Φ10

当转子旋转时，由杯形转子产生的磁场与输出绕组轴线重合，输出绕组中的感应电动势正比于杯形转子的转速，转子频率和励磁电压频率相同，与转速无关。同时，转子切割磁场

产生的磁通Φ2总是与磁通Φ10垂直，与输出绕组N2的轴线方向一致。转子转动时u1N1u2N2ni1Φ10Φ2当磁通Φ2交变时，就要在输出绕组N2中感应出电动势，产生测速发电机输出电压U2，其值正比于Φ2，即：将Φ2∝Φ1n代入上式，则将Φ1∝U1代入上式，则

即励磁绕组加电源电压U1后，电机以转速n旋转，测速发电机的输出绕组将产生输出电压U2，其值与转速n成正比。当转向相反时，由于转子中的切割电势、电流及其产生的磁通相位都与原来相反，因而输出电压U2的相位也与原来相反。显然，异步测速发电机可以较为精确地将转速信号转变为电压信号，从而实现测速的目的。（2）输出特性

异步交流测速发电机的输出特性是指当转轴上有转速信号n输入时，定子输出电压的大小和相位随转速的变化关系，称为输出特性。0nU2

理想的测速发电机的输出电压正比于它的转速，即U2＝Kn。

但是，测速发电机实际输出电压与转速之间并不是严格的线性关系，而是非线性的。

测速发电机工作时，励磁电流和磁通Φ都随转速n的变化而发生变化，由于Φ1并非常数，因此输出电压U2与转速n实际上不成线性关系。交流测速发电机的输出电压与转速有什么关系？若转向改变，其输出电压有何变化?

测速发电机的作用是什么？

直流测速发电机使用时，为什么转速不能过高，负载电阻不能过小?问题与思考直流测速发电机的输出电压与转速有什么关系？若转向改变，对输出电压有什么影响？4.3步进电动机

步进电动机又称脉冲电动机，半导体技术和计算机技术的发展，使步运电动机在众多领域得到了广泛应用。特别是一些工作难度大、要求速度快、精度要求高的场合，如机械加工、包装机械、食品机械、办公设备、绘图机、机器人、计算机的外部设备、自动记录仪表等，均广泛应用着步进电动机。步进电动机驱动数控机床的案例步进电动机的分类

是混合了永磁式和反应式的优点的一种步进电动机，分有两相和五相两种：两相步进角一般为1.8度，五相步进角一般为0.72度。目前感应子式步进电机的应用最为广泛。（1）永磁式

永磁式步进电动机一般为两相，转矩和体积都较小，步进角一般为7.5度或15度。（2）反应式

反应式步进电动机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大，欧美等发达国家在80年代就淘汰了这种步进电机。（3）感应子式4.3.1感应子式步进电动机的结构

感应子式步进电动机的定、转子铁芯都由硅钢片叠压而成。电动机的定子极靴和转子外圆均匀分布着很多小齿，定子磁极有三相励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。

感应子式步进电动机定子上有均匀分布的6个磁极，每两个相对的磁极上有同一相控制绕组，同一相控制绕组可以并联或串联；转子铁芯上没有绕组，外圆上有与定子磁极相对应的小齿。4.3.2步进电动机的工作原理

步进电动机在定子上具有均匀分布的6个磁极，磁极上绕有绕组。两个相对的绕组组成一相，共有三相绕组。步进电机的定子绕组连接方式是Y形；转子由无绕组的硅钢片叠成，通常有几十个小齿，齿与齿之间的夹角称齿距角。

感应子式步进电动机与传统的反应式步进电动机相比，转子结构上加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。1、需要理解的几个概念“一拍”

指一相控制绕组输入一个脉冲信号后，步进电动机转子动作，转过一个角度后到达一个新的位置。步距角θ指一拍下转子转过的角度。三相步进电动机的控制方式三相单三拍、三相双三拍、三相单六拍、三相双六拍步进电机的控制拍数转子齿数三相步进电动机的控制方式三相单三拍：其中“三相”指步进电动机的定子绕组为三相；“单”指每一拍只有一相绕组通电；“三拍”是指经过三次切换，控制绕组的通电状态完成一个循环。三相双三拍：其中“双”指步进电动机每一拍有两相绕组通电。三相六拍：其中“六拍”指步进电动机经过六次切换，控制绕组的通电状态完成一个循环。2.三相单三拍工作方式

以三相单三拍控制方式中通电顺序按照U→V→W→U时进行分析。第一拍：U相控制绕组通电，V、W两相控制绕组不通电

转子总是要转到磁阻最小的位置，也就是磁路上总的空气隙最小的位置，所以在该磁场的作用下，使转子的1、3齿分别与定子的U和U'产生的两个磁极对齐，使转子位于起始位置。

转子齿1和3与定子U相磁级轴线对齐时，转子停止转动。第二拍：V相控制绕组通电，U、W两相控制绕组不通电；

转子总是要转到磁阻最小的位置，也就是磁路上总的空气隙最小的位置，所以在该磁场的作用下，使转子的2、4齿分别与定子的V’和V产生的两个磁极对齐，转子由起始位置顺时针旋转了30°，进入图示新位置。转子齿2和4与定子V相磁级轴线对齐时，转子停止转动。第三拍：W相控制绕组通电，U、V两相控制绕组不通电；

磁力线总是通过磁阻最小的路径闭合，转子受到磁阻转矩的作用又旋转了30°。

转子齿1和3与定子W相磁级轴线对齐时，转子停止转动。

三相单三拍通电方式轮流给各相控制绕组通电时，转子在磁阻转矩的作用下一拍一拍的转动，每拍脉冲可使转子旋转一个步距角。其转速取决于输入脉冲的频率。结论

三相单三拍控制方式通电顺序按照U→W→V→U时进行：UU’V’VW’W1234第一拍：U相控制绕组通电，步进电机转到图示起始位置。第二拍：W相控制绕组通电第三拍：V相控制绕组通电

步进电动机以每一拍30°的步距角随输入脉冲顺时针转动。第四拍：完成一个通电循环。U相控制绕组再次通电，

三相单三拍控制方式通电顺序按照U→V→W→U时进行：UU’V’VW’W1234第一拍：U相控制绕组通电，步进电机转到图示起始位置。第二拍：V相控制绕组通电第三拍：W相控制绕组通电

步进电动机以每一拍30°的步距角随输入脉冲逆时针转动。显然，步进电动机的转向由通电顺序决定。第四拍：完成一个通电循环，U相控制绕组再次通电。

三相单三拍步进电动机，每1拍转过一个步距角，每3拍转过一个齿距角，每12拍转一周，其通电顺序与旋转角度的关系可用下表表示。

反应式三相单三拍步进电机由于每次只有一相通电，转子在平衡位置附近来回摆动，运行不稳定，且在切换瞬间，转子易失去自锁能力而造成失步（即转子转动步数与拍数不相等）。因此，实用中很少采用。3.三相双三拍工作方式

以三相双三拍控制方式中通电顺序按照UV→VW→WU→UV时进行分析。1234UU’V’VW’W

结论：旋转方向逆时针。第一拍：UV两相控制绕组通电，电机转到图示起始位置。第二拍：VW两相绕组通电第三拍：WU两相绕组通电第四拍：完成一个通电循环，UV两相绕组再次通电。4.三相六拍工作方式UU’V’VW’W1234通电顺序：U→UV→V→VW→W→WU→U

结论：逆时针方向旋转，每一步转过15°。4.三相六拍工作方式UU’V’VW’W1234通电顺序：U→UW→W→WV→V→VU→U

结论：顺时针方向旋转，每一步转过15°。

三相六拍通电方式的步进电机，其通电顺序与旋转角度的关系