第六控制用电机-课件.ppt

1、第六章第六章 控制用电机控制用电机61伺服电动机伺服电动机62测速发电机测速发电机63自整角机自整角机64旋转变压器旋转变压器65步进电动机步进电动机学习第六章应该注意的点学习第六章应该注意的点第六章学习应注意的几个问题第六章学习应注意的几个问题：1.控制电机的特点和要求是什么控制电机的特点和要求是什么？2.伺服电动机是怎么工作的？它与单相异步电动机有什么差异？伺服电动机是怎么工作的？它与单相异步电动机有什么差异？3.测速发电机的用途是什么？如何工作？测速发电机的用途是什么？如何工作？4.自整角机的结构如何？控制式和力矩式自整角机分别是怎样工自整角机的结构如何？控制式和力矩式自整角机分别是怎样

2、工作的作的？整步绕组的电流是单相还是三相？整步绕组的电流是单相还是三相？5.各种控制电机在什么场合使用？有什么特点？各种控制电机在什么场合使用？有什么特点？本章主要是原理性的概念不要求计算本章主要是原理性的概念不要求计算。相对比较难的点相对比较难的点：1.交流伺服电机交流伺服电机“自转自转”问题的克服；问题的克服；2.自整角机的工作原理。自整角机的工作原理。控制用电机：控制用电机：用途：用途：主要用于自动控制系统，检测、比较、放达和执行。主要用于自动控制系统，检测、比较、放达和执行。要求：要求：精度、灵敏度、稳定、可靠高，体小重轻，耗电少。精度、灵敏度、稳定、可靠高，体小重轻，耗电少。特点：特

3、点：尺寸相对较大（不饱和），电流密度小（误差小），尺寸相对较大（不饱和），电流密度小（误差小），功率小（不是以能量转换为主，而是以控制为主）。功率小（不是以能量转换为主，而是以控制为主）。6-1.伺服电动机伺服电动机本节主要内容有两大部分：本节主要内容有两大部分：1.交流伺服电动机：交流伺服电动机：主要点：结构、特点，主要点：结构、特点，“自转自转”现象的克服。现象的克服。2.直流伺服电动机：直流伺服电动机：主要点：结构、特点。主要点：结构、特点。6.1 伺服电动机 伺服电动机的伺服电动机的作用作用是将输入的电压信号是将输入的电压信号（即控制电压）转换成轴上的角位移或角速度输（即控制电压）转换

4、成轴上的角位移或角速度输出，在自动控制系统中常作为出，在自动控制系统中常作为执行元件执行元件，所以伺，所以伺服电动机又称为执行电动机，其最大服电动机又称为执行电动机，其最大特点特点是：有是：有控制电压时转子立即旋转，无控制电压时转子立控制电压时转子立即旋转，无控制电压时转子立即停转。转轴转向和转速是由控制电压的方向和即停转。转轴转向和转速是由控制电压的方向和大小决定的。伺服电动机分为交流和直流两大类。大小决定的。伺服电动机分为交流和直流两大类。6.1.1 交流伺服电动机 1基本结构 交流伺服电动机主要由定子和转子构成，如图6.1、图6.2所示。定子铁心通常用硅钢片叠压而成。定子铁心表面的槽内嵌

5、有两相绕组，其中一相绕组是励磁绕组，另一相绕组是控制绕组，两相绕组在空间位置上互差90电角度。工作时励磁绕组f与交流励磁电源相连，控制绕组k加控制信号电压 。kU1外定子铁心；2杯形转子；3内定子铁心；4转轴；5轴承；6定子绕组 图6.1 杯形转子伺服电动机结构图 转子的形式有两种，一转子的形式有两种，一种是种是笼式转子笼式转子，其绕组由高，其绕组由高电阻率的材料制成，绕组的电阻率的材料制成，绕组的电阻较大，笼式转子结构简电阻较大，笼式转子结构简单，但其转动惯量较大。另单，但其转动惯量较大。另一种是一种是空心杯转子空心杯转子，它由非，它由非磁性材料制成杯形，可看成磁性材料制成杯形，可看成是导条

6、数很多的笼式转子，是导条数很多的笼式转子，其杯壁很薄，因而其电阻值其杯壁很薄，因而其电阻值较大。转子在内外定子之间较大。转子在内外定子之间的气隙中旋转，因空气隙较的气隙中旋转，因空气隙较大而需要较大的励磁电流。大而需要较大的励磁电流。空心杯形转子的转动惯量较空心杯形转子的转动惯量较小小，响应迅速。响应迅速。图6.2 交流伺服电动机原理图 2工作原理工作原理 交流伺服电动机的工作原理和电容分相式交流伺服电动机的工作原理和电容分相式单相异步电动机相似。在没有控制电压时，气隙单相异步电动机相似。在没有控制电压时，气隙中只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子上没有启中只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子上没有启

7、动转矩而静止不动。当有控制电压且控制绕组电动转矩而静止不动。当有控制电压且控制绕组电流和励磁绕组电流不同相时，则在气隙中产生一流和励磁绕组电流不同相时，则在气隙中产生一个旋转磁场并产生电磁转矩，使转子沿旋转磁场个旋转磁场并产生电磁转矩，使转子沿旋转磁场的方向旋转。但是对伺服电动机要求不仅是在控的方向旋转。但是对伺服电动机要求不仅是在控制电压作用下就能启动，且制电压作用下就能启动，且电压消失后电动机应电压消失后电动机应能立即停转能立即停转。如果伺服电动机控制电压消失后像。如果伺服电动机控制电压消失后像一般单相异步电动机那样继续转动，则出现失控一般单相异步电动机那样继续转动，则出现失控现象，我们把

8、这种因失控而自行旋转的现象称为现象，我们把这种因失控而自行旋转的现象称为自转自转。在单相异步电动机工作原理中，在单相异步电动机工作原理中，当起动结束后，当起动结束后，单相电流产生的脉振单相电流产生的脉振磁场仍然使电机产生电磁转矩。磁场仍然使电机产生电磁转矩。如果如果交流伺服电机工作时将控制绕组断电，交流伺服电机工作时将控制绕组断电，此时按伺服电机用途要求电机停止转此时按伺服电机用途要求电机停止转动，但动，但若电机的结构与单相异步电动若电机的结构与单相异步电动机完全相同时，伺服电机就不可能停机完全相同时，伺服电机就不可能停止转动，这就是所谓止转动，这就是所谓“自转自转”问题。问题。“自转自转”问

9、题问题单相异步电动单相异步电动机的机械特性机的机械特性单相则单相则“自转自转”旋转磁场分解1.正相序运行时转差率为正相序运行时转差率为:S S+=(n=(n0 0-n)/n-n)/n0 02.2.反反相序运行时转差率为相序运行时转差率为:S S_ _=n=n0 0-(-n)/n-(-n)/n0 0=2n=2n0 0-(n-(n0 0-n)/n-n)/n0 0 有有:S:S+S+S_ _=2;=2;由由T=f(S)T=f(S)曲线分析曲线分析 通过对机械特性的分析，当通过对机械特性的分析，当转子电阻足够大转子电阻足够大时时,(P33)则则Sm1。此时，单相脉振磁场分解。此时，单相脉振磁场分解成两

10、个旋转磁场，其中反向磁场成两个旋转磁场，其中反向磁场产生的电磁转矩比正向磁场产生产生的电磁转矩比正向磁场产生的大，因此，电机总的电磁转矩的大，因此，电机总的电磁转矩就为负值（制动转矩），电机就就为负值（制动转矩），电机就能快速停转。能快速停转。“自转自转”问题的克服问题的克服 为为消除交流伺服电动机的自转现象消除交流伺服电动机的自转现象，必须加大转子电阻必须加大转子电阻r r2 2，这是因为当控制，这是因为当控制电压消失后，伺服电动机处于单相运行电压消失后，伺服电动机处于单相运行状态，若转子电阻很大，使临界转差率状态，若转子电阻很大，使临界转差率 s sm m11这时正负序旋转磁场这时正负序旋

11、转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性曲线与转子作用所产生的两个转矩特性曲线（）以及合成转矩特）以及合成转矩特性曲线（性曲线（）如图）如图6.36.3所示。所示。由图中可看出，合成转矩的方向与电机由图中可看出，合成转矩的方向与电机旋转方向相反，是一个制动转矩，这就旋转方向相反，是一个制动转矩，这就保证了当控制电压消失后转子仍转动时，保证了当控制电压消失后转子仍转动时，电动机将被迅速制动而停下。电动机将被迅速制动而停下。转子电阻转子电阻加大后，不仅可以消除自转，还具有扩加大后，不仅可以消除自转，还具有扩大调速范围、改善调节特性、提高反应大调速范围、改善调节特性、提高反应速度等优点。速度等优点。sT

12、sTemem,sTem 图6.3 伺服电动机单相运行时的M-S曲线 202XRsm3控制方法 可采用下列三种方法来控制伺服电动机的转速高低及旋转方向。（1）幅值控制 保持控制电压与励磁电压间的相位差不变，仅改变控制电压的幅值。（2）相位控制 保持控制电压的幅值不变，仅改变控制电压与励磁电压间的相位差。（3）幅-相控制 同时改变控制电压的幅值和相位。交流伺服电动机的输出功率一般在100W以下。电源频率为50Hz时，其电压有36V,100V,220V,380V数种。当频率为400Hz时，电压有20V，36V，115V多种。交流伺服电动机运行平稳，噪音小，但控制特性为非线性并且因转子电阻大而使损耗大

13、，效率低。与同容量直流伺服电动机相比体积大，质量大，所以只适用于0.5W100W的小功率自动控制系统中。6.1.2 直流伺服电动机 1基本结构 传统的直流伺服电动机实质是容量较小的普通直流电动机，有他励式和永磁式两种，其结构与普通直流电动机的结构基本相同。杯形电枢直流伺服电动机的转子由非磁性材料制成空心杯形圆筒，转子较轻而使转动惯量小，响应快速。转子在由软磁材料制成的内、外定子之间旋转，气隙较大。无刷直流伺服电动机用电子换向装置代替了传统的电刷和换向器，使之工作更可靠。它的定子铁心结构与普通直流电动机基本相同，其上嵌有多相绕组，转子用永磁材料制成。2基本工作原理 传统直流伺服电动机的基本工作原

14、理与普通直流电动机完全相同，依靠电枢电流与气隙磁通的作用产生电磁转矩，使伺服电动机转动。通常采用电枢控制方式，即在保持励磁电压不变的条件下，通过改变电枢电压来调节转速。电枢电压越小，则转速越低；电枢电压为零时，电动机停转。由于电枢电压为零时电枢电流也为零，电动机不产生电磁转矩，不会出现“自转”。直流伺服电动机的特点：直流伺服电动机的特点：电阻大，电阻大，机机械特性软。与交流比较，特性是线性的。械特性软。与交流比较，特性是线性的。交流与直流伺服电动机的特点：交流与直流伺服电动机的特点：交流：交流：非线性（由控制解决）；非线性（由控制解决）；反应灵敏；体小；便宜；用广。反应灵敏；体小；便宜；用广。

15、直流：直流：线性；滑动接触；火花干线性；滑动接触；火花干扰；惯性大；体大；相对价高。扰；惯性大；体大；相对价高。伺服电机特点：伺服电机特点：.反应迅速；反应迅速；.精度精度高。高。第一节要点第一节要点 ：要求；结构原理（交流：要求；结构原理（交流“自转自转”的的克服）；特点。克服）；特点。机械特性机械特性6-2.测速发电机测速发电机本节主要内容有两大部分：本节主要内容有两大部分：交流测速发电机：交流测速发电机：主要点：测速原理（转动才有电压），结构、特点。主要点：测速原理（转动才有电压），结构、特点。直流测速发电机：直流测速发电机：主要点：测速原理（主要点：测速原理（n与与U的关系），结构、特

16、点。的关系），结构、特点。测速发电机现在有被单片机系统取代的趋势。测速发电机现在有被单片机系统取代的趋势。6.2.1 交流测速发电机 1基本结构 异步测速发电机是自动异步测速发电机是自动控制系统中应用较多的一种控制系统中应用较多的一种交流测速发电机，它的结构交流测速发电机，它的结构与与交流伺服电动机相似交流伺服电动机相似，如，如图图8.4所示。它主要由定子、所示。它主要由定子、转子组成，根据转子结构的转子组成，根据转子结构的不同分为不同分为笼式转子笼式转子和和空心杯空心杯转子转子两种。空心杯转子的应两种。空心杯转子的应用较多，它由电阻率较大、用较多，它由电阻率较大、温度系数较小的非磁性材料温度

17、系数较小的非磁性材料制成，以使测速发电机的输制成，以使测速发电机的输出特性线性度好、精度高。出特性线性度好、精度高。杯 壁 通 常 只 有杯 壁 通 常 只 有 0.2 m m 0.3mm的厚度，转子较轻以的厚度，转子较轻以使测速发电机的转动惯性较使测速发电机的转动惯性较小。小。1空心杯转子；空心杯转子；2外定子；外定子；3内定子；内定子；4励磁绕组；励磁绕组；5输出绕组输出绕组 图6.4 空心杯转子测速发电机结构 空心杯转子异步测空心杯转子异步测速发电机的定子分为内、速发电机的定子分为内、外定子。内定子上嵌有外定子。内定子上嵌有输出绕组，外定子上嵌输出绕组，外定子上嵌有励磁绕组并使两绕组有励

18、磁绕组并使两绕组在空间位置上有相差在空间位置上有相差90电角度。内外定子电角度。内外定子的相对位置是可以调节的相对位置是可以调节的，可通过转动内定子的，可通过转动内定子的位置来调节剩余电压，的位置来调节剩余电压，使剩余电压为最小值。使剩余电压为最小值。1空心杯转子；空心杯转子；2外定子；外定子；3内定子；内定子；4励磁绕组；励磁绕组；5输出绕组输出绕组图6.4 空心杯转子测速发电机结构 2基本工作原理基本工作原理 异步测速发电机的工作原异步测速发电机的工作原理可以由图理可以由图6.5来说明。图中来说明。图中N1是励磁绕组，是励磁绕组，N2是输出绕组。是输出绕组。由于转子电阻较大，为分析方由于转

19、子电阻较大，为分析方便起见，忽略转子漏抗的影响，便起见，忽略转子漏抗的影响，认为感应电流与感应电动势同认为感应电流与感应电动势同相位。相位。给励磁绕组给励磁绕组N1加频率加频率f恒定，恒定，电压电压Uf恒定的单相交流电，测恒定的单相交流电，测速发电机的气隙中便会生成一速发电机的气隙中便会生成一个频率为个频率为f、方向为励磁绕组、方向为励磁绕组N1轴线方向（即轴线方向（即d轴轴方向）的脉振方向）的脉振磁动势及相应的脉振磁通，分磁动势及相应的脉振磁通，分别称为励磁磁动势及励磁磁通。别称为励磁磁动势及励磁磁通。图6.5 异步测速发电机的原理图 当转子当转子不动不动时，励磁磁通在转子绕组（空心杯转子实

20、际上时，励磁磁通在转子绕组（空心杯转子实际上是无穷多导条构成的闭合绕组）中是无穷多导条构成的闭合绕组）中感应出变压器电动势感应出变压器电动势，变压器，变压器电动势在转子绕组中电动势在转子绕组中产生电流产生电流，转子电流由，转子电流由d轴轴的一边流入而在的一边流入而在另一边流出，转子电流所生成的磁动势及相应的磁通也是另一边流出，转子电流所生成的磁动势及相应的磁通也是脉振脉振的的且沿且沿d轴方向脉振，分别称为轴方向脉振，分别称为转子直轴磁动势及转子直轴磁通转子直轴磁动势及转子直轴磁通。励磁磁动势与转子直轴磁动势都是沿励磁磁动势与转子直轴磁动势都是沿d轴方向脉振的，两个轴方向脉振的，两个磁动势磁动势

21、合成合成而产生的磁通也是沿而产生的磁通也是沿d轴方向轴方向脉振脉振的，称之为直轴磁的，称之为直轴磁通通 。由于直轴磁通。由于直轴磁通 与输出绕组与输出绕组N2不交链，所以输出绕组没不交链，所以输出绕组没有感应电动势，其输出电压有感应电动势，其输出电压U2=0。转子旋转时，转子绕组切割直轴磁通转子旋转时，转子绕组切割直轴磁通 产生切割电动势产生切割电动势Eq。由于直轴磁通由于直轴磁通 是脉振的，因此切割电动势是脉振的，因此切割电动势Eq也是交变的，其也是交变的，其频率也就是直轴磁通的频率频率也就是直轴磁通的频率f，切割电动势，切割电动势 在转子绕组中产生在转子绕组中产生频率相同的交变电流频率相同

22、的交变电流Iq，电流，电流Iq由由q轴的一侧流入而在另一侧流出，轴的一侧流入而在另一侧流出，电流电流Iq形成的磁动势及相应的磁通是沿形成的磁动势及相应的磁通是沿q轴方向以频率轴方向以频率 脉振的，脉振的，分别称为分别称为交轴磁动势交轴磁动势Fq及交轴磁通及交轴磁通 。交轴磁通与输出绕组。交轴磁通与输出绕组N2交链，在输出绕组中感应出频率为交链，在输出绕组中感应出频率为f的交变电势的交变电势E2。dddddfqE 以频率以频率f交变的切割电动势与其转子交变的切割电动势与其转子绕组所切割的直轴磁通绕组所切割的直轴磁通 、切割速度、切割速度n及及由电机本身结构决定的电动势常数由电机本身结构决定的电动

23、势常数Ke有关，有关，它的有效值为它的有效值为 （6-1）以频率以频率f交变的输出绕组感应电势，交变的输出绕组感应电势，与输出绕组交链的交轴磁通与输出绕组交链的交轴磁通 及输出绕组及输出绕组的匝数的匝数N2有关，它的有效值有关，它的有效值E2为为 （6-2）由此看出，当励磁电压由此看出，当励磁电压Uf及频率及频率f恒定时恒定时有有 （6-3）即即E2与与n成正比关系。可见，异步测成正比关系。可见，异步测速发电机可以将其转速值一一对应地转换速发电机可以将其转速值一一对应地转换成输出电压值。输出电压成输出电压值。输出电压U2与转速的关系与转速的关系曲线曲线 称为称为输出特性，输出特性，如图如图6.

24、6所所示。实际上，由于存在漏阻抗、负载变化示。实际上，由于存在漏阻抗、负载变化等问题，直轴磁通等问题，直轴磁通 是变化的，输出电是变化的，输出电压与转速不是严格的正比关系，输出特性压与转速不是严格的正比关系，输出特性呈现非线性，如图呈现非线性，如图6.6中曲线中曲线1所示。所示。dnEdqeKqqfNE2244.4nEIEqqq2)(2nfU d图6.6 异步测速发电机的输出特性6.2.2 直流测速发电机 1基本结构 直流测速发电机在结构上与普通小微型直流发电机相同，通常是两极电机，分为他励式和永磁式两种。他励式测速发电机的磁极由铁心和励磁绕组构成，在励磁绕组中通入直流电流便可以建立极性恒定的

25、磁场。它的励磁绕组电阻会因电机工作温度的变化而变化，使励磁电流及其生成的磁通随之变化，产生线性误差。永磁式测速发电机的磁极由永久磁铁构成，不需励磁电源。磁极的热稳定性较好，磁通随电机工作温度的变化而变化的程度很小，但易受机械振动的影响而引发不同程度的退磁。2基本工作原理 直流测速发电机的工作原理可由图6.7来说明。当励磁电压Uf恒定且主磁通 不变时，测速发电机的电枢与被测机械连轴而随之以转速n旋转，电枢导体切割主磁通 而在其中生成感应电动势E。电动势E的极性决定于测速发电机的转向，电动势E的大小与转速成正比，即 测速发电机空载时，其输出电压U为nEeknEUeK图6.7 直流测速发电机原理图

26、测速发电机负载时，电枢绕组中因流过电枢电流I而在电枢绕组电阻ra上产生电压降Ira，如果忽略电枢反应、工作温度对主磁通 的影响，忽略电刷与换向器之间的接触压降，则有 （6-4）得 （6-5）由上式可见，只要主磁通、接触电压降、电枢电阻ra、负载电阻RL为常数，则输出电压U与电机的转速n成线性关系。输出电压U随电机转速n变化而变化的关系曲 线 ，称为输出特性，如图6.8所示。负载电阻RL的值越大时，的 斜率越大，测速发电机的灵敏度越高。aLarRUErIEUnRrRrEULaLa1C1e)(nfU)(nfU 1RL较小；2RL较大 图6.8 直流测速发电机的输出特性 一、交流测速发电机一、交流测

27、速发电机 结构：结构：原理：原理：结构与交流伺服电动机相同，只是绕组结构与交流伺服电动机相同，只是绕组名称不同：名称不同：1.励磁绕组；励磁绕组；2.输出绕组。输出绕组。转子静止：转子静止：励磁绕组产生的磁通在转励磁绕组产生的磁通在转子绕组上感应电势，产生电流。子绕组上感应电势，产生电流。转子磁势不与输出绕组交链，转子磁势不与输出绕组交链，所以，输出绕组不感应电势，所以，输出绕组不感应电势，即：即：输出电压为零，输出电压为零，U2=0。转子正向转动：转子正向转动：转子反向转动：转子反向转动：交流测速发电机的特点：交流测速发电机的特点：简单简单、便宜便宜，但精度较低，但精度较低。转子转动：转子转

28、动：转子绕组不仅转子绕组不仅有（静止感应）的变压器电势，有（静止感应）的变压器电势，还存在（切割产生）的电动机还存在（切割产生）的电动机电势，电动机电势产生电流和电势，电动机电势产生电流和磁势与定子的输出绕组交链，磁势与定子的输出绕组交链，使使输出输出U2n；转子反转：转子反转：电动机电势相电动机电势相位变反，输出绕组感应的电压，位变反，输出绕组感应的电压，U2相位也变反。相位也变反。转子转动后的情况转子转动后的情况电压反向电压反向二、直流测速发电机二、直流测速发电机 直流测速发电机结构：与普通直直流测速发电机结构：与普通直流发电机的结构相同。不同点：磁路流发电机的结构相同。不同点：磁路不饱和

29、，电枢绕组电阻较大。不饱和，电枢绕组电阻较大。原理：励磁绕组接电源，当转子转动时，电枢绕原理：励磁绕组接电源，当转子转动时，电枢绕组感应电动势正比于转速，若测速发电机的输出绕组组感应电动势正比于转速，若测速发电机的输出绕组（电枢）接上负载，则发电机将向负载提供电压信号，（电枢）接上负载，则发电机将向负载提供电压信号，输出电压输出电压U2与转速成正比（磁路不饱和）。与转速成正比（磁路不饱和）。特点：精度高，线性；但价格较贵特点：精度高，线性；但价格较贵。第二节要点第二节要点 ：工作原理，了解误差原因及影响。：工作原理，了解误差原因及影响。6-3.自整角机自整角机本节主要内容有两大部分：本节主要内

30、容有两大部分：l 力矩式自整角机：力矩式自整角机：主要点：工作原理（如何跟随），结构、特点。主要点：工作原理（如何跟随），结构、特点。l 控制式自整角机：控制式自整角机：主要点：工作原理（输出什么）主要点：工作原理（输出什么），结构、特点。，结构、特点。自整角机在船上主要用作舵角指示器、车钟等。自整角机在船上主要用作舵角指示器、车钟等。自整角机又称为自整角机又称为“软轴软轴”或或“电轴电轴”，接收机跟，接收机跟随发送机转动。主要有力矩式和控制式两种（此外还随发送机转动。主要有力矩式和控制式两种（此外还有差动式）。有差动式）。自整角机都是成对配合使用的自整角机都是成对配合使用的。结构：结构：定子

31、三相定子三相(整步整步)绕组，转子单相绕组，转子单相(励磁励磁)绕组。绕组。协调位置：协调位置：工作时两个转子都不受力（或无输出）工作时两个转子都不受力（或无输出）所处的位置。所处的位置。失调角：失调角：两个转子与协调位置相差的电角度。两个转子与协调位置相差的电角度。注意注意：力矩式输出力矩；控：力矩式输出力矩；控制式输出包含相位的电压信号。制式输出包含相位的电压信号。需要大转矩的系统应选用需要大转矩的系统应选用控制式自整角机。控制式自整角机。概述概述6.3 自整角机自整角机 自整角机在自动控制系统中用做角度的传自整角机在自动控制系统中用做角度的传输、指示或变换，通常将两台或多台相同的自整输、

32、指示或变换，通常将两台或多台相同的自整角机组合起来使用。自整角机有力矩式和控制式角机组合起来使用。自整角机有力矩式和控制式两种，其用途不同。力矩式自整角机用做远距离两种，其用途不同。力矩式自整角机用做远距离转角指示，控制式自整角机可以将转角转换成电转角指示，控制式自整角机可以将转角转换成电信号。信号。自整角机的结构分成定子和转子两大部分，自整角机的结构分成定子和转子两大部分，接触式自整角机结构如图接触式自整角机结构如图8.9所示。所示。自整角机结构自整角机结构 定、转子之间的气隙较小。定、转子之间的气隙较小。定、转子铁心均由高导磁率、定、转子铁心均由高导磁率、低损耗的薄硅钢片叠成。力矩低损耗的

33、薄硅钢片叠成。力矩式自整角机的转子多采用两极式自整角机的转子多采用两极的凸极结构，对频率较高、规的凸极结构，对频率较高、规格较大的力矩式自整角机采用格较大的力矩式自整角机采用隐极结构。控制式自整角机的隐极结构。控制式自整角机的接收机转子采用隐极结构。通接收机转子采用隐极结构。通常，定子铁心槽内嵌有接成星常，定子铁心槽内嵌有接成星形的三相对称绕组，称之为整形的三相对称绕组，称之为整步绕组。转子铁心槽内嵌有单步绕组。转子铁心槽内嵌有单相绕组，称之为励磁绕组。励相绕组，称之为励磁绕组。励磁绕组通过滑环和电刷装置磁绕组通过滑环和电刷装置与与外电路连接。外电路连接。1定子；2转子；3阻尼绕组；4电刷；5

34、接线柱；6滑环 图6.9 接触式自整角机结构示意图6.3.1 力矩式自整角机的工作原理 力矩式自整角机的工作原理可以由图6.10来说明。图中，由结构、参数均相同的两台自整角机构成自整角机组，一台用来发送转角信号，称自整角发送机，用ZLF表示；另一台用来接收转角信号，称为自整角接收机，用ZLJ表示。两台自整角机中的整步绕组均接成星形，三对相序相同的相绕组分别连接成回路。两台自整角机转子中的励磁绕组接在同一个单相交流电源上。图6.10 力矩式自整角机的原理图 在励磁绕组中通入单相交流电流时，两台在励磁绕组中通入单相交流电流时，两台自整角机的气隙中都将生成自整角机的气隙中都将生成脉振磁场脉振磁场，其

35、大小，其大小随时间按余弦规律变化。脉振磁场使整步绕组随时间按余弦规律变化。脉振磁场使整步绕组的各相绕组生成时间上同相位的感应电动势，的各相绕组生成时间上同相位的感应电动势，电动势的大小取决于电动势的大小取决于整步绕组整步绕组中各相绕组的轴中各相绕组的轴线与励磁绕组轴线之间的相对位置。当线与励磁绕组轴线之间的相对位置。当整步绕整步绕组组中的某一相绕组轴线与其对应的励磁绕组轴中的某一相绕组轴线与其对应的励磁绕组轴线重合时，该相绕组中的感应电动势为最大，线重合时，该相绕组中的感应电动势为最大，用用Em表示电动势的最大值。表示电动势的最大值。设发送机整步绕组中的设发送机整步绕组中的A相绕组轴线与其相绕

36、组轴线与其对应的励磁绕组轴线的夹角为对应的励磁绕组轴线的夹角为 ，接收机整，接收机整步绕组中的步绕组中的A相绕组轴线与其对应的励磁绕组相绕组轴线与其对应的励磁绕组轴线的夹角为轴线的夹角为 ，如图，如图8.10所示。则整步绕所示。则整步绕组中各相绕组的感应电动势有效值如下。组中各相绕组的感应电动势有效值如下。FJ一、力矩式自整角机一、力矩式自整角机 接线：接线：将两机的三相整步绕组对应相互连接，两将两机的三相整步绕组对应相互连接，两机的励磁绕组与同一个单相电源连接。机的励磁绕组与同一个单相电源连接。接交流电源接交流电源三相整步绕组三相整步绕组对应相连对应相连发送发送机机接收接收机机 A A1 1

37、X X1 1，B B1 1Y Y1 1，C C1 1Z Z1 1分别是发分别是发送机的定子三送机的定子三相整步绕组。相整步绕组。I I1 1IIII1 1是发是发送机的转子励送机的转子励磁绕组。磁绕组。A A2 2X X2 2，B B2 2Y Y2 2，C C2 2Z Z2 2分别是接分别是接收机的定子三收机的定子三相整步绕组。相整步绕组。I I2 2IIII2 2是接是接收机的转子励收机的转子励磁绕组。磁绕组。力矩式自整角机的应用 图图6.11表示一液面位表示一液面位置指示器。浮子置指示器。浮子1随着液面随着液面的上升或下降，通过绳索带的上升或下降，通过绳索带动自整角发送机动自整角发送机3的

38、转子转的转子转动，将液面位置转换成发送动，将液面位置转换成发送机转子的转角。自整角发送机转子的转角。自整角发送机和接收机机和接收机4之间再通过导之间再通过导线可以远距离连接，于是自线可以远距离连接，于是自整角接收机转子就带动指针整角接收机转子就带动指针准确地跟随着发送机转子的准确地跟随着发送机转子的转角变化而偏转，从而实现转角变化而偏转，从而实现远距离的位置指示。远距离的位置指示。1浮子；2平衡锤；3发送机；4接收机 图6.11 液面位置指示器 协调位置：协调位置：两机的三相整步绕组感应电势大小两机的三相整步绕组感应电势大小相等、方向相反，整步绕组没有电流流过，整步绕相等、方向相反，整步绕组没

39、有电流流过，整步绕组不产生磁场，转子励磁绕组不受力。组不产生磁场，转子励磁绕组不受力。失调时：失调时：两机的三相整步绕组感应电势不相等，两机的三相整步绕组感应电势不相等，整步绕组流过电流，产生磁场，并与励磁磁场相互整步绕组流过电流，产生磁场，并与励磁磁场相互作用（合成磁场），使转子励磁绕组受力。作用（合成磁场），使转子励磁绕组受力。发送发送机转子由操作设备控制，其转子不动，只有接收机机转子由操作设备控制，其转子不动，只有接收机转子转动，转动方向为减小失调角的方向。转子转动，转动方向为减小失调角的方向。力矩式机工作原理力矩式机工作原理注意注意：三相整步绕组中的电流是单相电流。：三相整步绕组中的电

40、流是单相电流。两机处于协调位置两机处于协调位置发送机偏转造成失调发送机偏转造成失调失调时两机的受力情况失调时两机的受力情况 处于协调位置时，两机处于协调位置时，两机的三相整步绕组感应电势的三相整步绕组感应电势对应相等，整步绕组中没对应相等，整步绕组中没有电流流过，气隙只有励有电流流过，气隙只有励磁磁场，转子都不受力。磁磁场，转子都不受力。失调后整步绕组有电流，失调后整步绕组有电流，磁场变化，转子受力。磁场变化，转子受力。二、控制式自整角机二、控制式自整角机 接线：接线：两机三相整步绕组对应相连，发送机励磁两机三相整步绕组对应相连，发送机励磁绕组连接单相电源，接收机转子绕组为输出绕组。绕组连接单

41、相电源，接收机转子绕组为输出绕组。接交流电源接交流电源三相整步绕组对应相连三相整步绕组对应相连发送机发送机接收机接收机作为输出绕组作为输出绕组6.3.2 控制式自整角机的工作原理控制式自整角机的工作原理 控制式自整角机的工作原理控制式自整角机的工作原理可以由图可以由图6.126.12来说明。图中，由结来说明。图中，由结构、参数均相同的两台自整角机构构、参数均相同的两台自整角机构成自整角机组。一台用来发送转角成自整角机组。一台用来发送转角信号，它的励磁绕组接到单相交流信号，它的励磁绕组接到单相交流电源上，称为自整角发送机，用电源上，称为自整角发送机，用ZKFZKF表示。另一台用来接收转角信表示。

42、另一台用来接收转角信号并将转角信号转换成励磁绕组中号并将转角信号转换成励磁绕组中的感应电动势输出，称之为自整角的感应电动势输出，称之为自整角接收机，用接收机，用ZKJZKJ表示。两台自整角表示。两台自整角机定子中的整步绕组均接成星形，机定子中的整步绕组均接成星形，三对相序相同的相绕组分别接成回三对相序相同的相绕组分别接成回路。路。图6.12 控制式自整角机系统的原理图 控制式机工作原理控制式机工作原理 协调位置：协调位置：接收机的输出接收机的输出绕组与整步绕组产生的磁场平绕组与整步绕组产生的磁场平行，输出电压为零。行，输出电压为零。失调时：失调时：接收机的输出绕接收机的输出绕组与整步绕组产生的

43、磁场不平组与整步绕组产生的磁场不平行，输出电压不为零。如果失行，输出电压不为零。如果失调方向发生变化，则输出电压调方向发生变化，则输出电压的相位变反（相差的相位变反（相差180）。）。输出与控制：输出与控制：控制式自整控制式自整角机可通过伺服电动机对所控角机可通过伺服电动机对所控制的机械进行驱动。制的机械进行驱动。协调位置协调位置正、反向失调位置正、反向失调位置6-4.旋转变压器旋转变压器旋转变压器内容只要求了解：作用原理。旋转变压器内容只要求了解：作用原理。作用：作用：将输入的角度信号转换成高精度的电压信号输出。将输入的角度信号转换成高精度的电压信号输出。结构：结构：定、转子各有一套两相绕组

44、。转角一般定、转子各有一套两相绕组。转角一般180。定子：正、余弦输入绕组（一个输入，一个补偿）；定子：正、余弦输入绕组（一个输入，一个补偿）；转子：正、余弦输出绕组（也是一个输出，一个补偿）。转子：正、余弦输出绕组（也是一个输出，一个补偿）。原理：原理：输入电压固定时，输出输入电压固定时，输出绕组的电压幅值是转角的正绕组的电压幅值是转角的正(余余)弦函数。早期控制系统作为模拟弦函数。早期控制系统作为模拟计算机的解算元件，现可用作角计算机的解算元件，现可用作角度的线性放大。度的线性放大。定子定子转子转子旋转变压器的精度比自整角机高。旋转变压器的精度比自整角机高。将旋转变压器进行线性连接，其输出

45、电压幅值与将旋转变压器进行线性连接，其输出电压幅值与转角呈现转角呈现线性关系线性关系：由上式，称转子的Z1Z2绕组为余弦绕组、称Z3Z4绕组为正弦绕组。当当6060时，线性误差时，线性误差0.1%0.1%。旋转变压器的线性连接旋转变压器的线性连接输出电压幅值与转角的关系曲线输出电压幅值与转角的关系曲线 旋转变压器内容只要求了解作旋转变压器内容只要求了解作用原理即可。用原理即可。coscos112 UkUuZsinsin134UkUuZ旋转变压器与自整角机的比较 用一对旋转变压器测量差角的工作原用一对旋转变压器测量差角的工作原理和用一对控制式自整角机测量差角的工作理和用一对控制式自整角机测量差角

46、的工作原理是一样的。因为这两种电机的气隙磁场原理是一样的。因为这两种电机的气隙磁场都是脉振磁场，虽然定子绕组的相数不同都是脉振磁场，虽然定子绕组的相数不同（自整角机的定子绕组为三相，而旋转变压（自整角机的定子绕组为三相，而旋转变压器为两相），但都属于对称绕组，所以两者器为两相），但都属于对称绕组，所以两者内部的电磁关系是相同的。但旋转变压器的内部的电磁关系是相同的。但旋转变压器的精度比自整角机要高很多。精度比自整角机要高很多。6-5.步进电动机步进电动机 是一种用电脉冲信号进行控制是一种用电脉冲信号进行控制,并将脉冲信号转换成相应的角并将脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电机位移或线位移

47、的控制电机;改变脉冲频率来调节电机的转速改变脉冲频率来调节电机的转速给步进电动机输入一个电脉冲信号时，它就转过一定的角度或给步进电动机输入一个电脉冲信号时，它就转过一定的角度或移动一定的距离。由于其输出的角位移或直线位移可以不是连移动一定的距离。由于其输出的角位移或直线位移可以不是连续的，因此称为续的，因此称为步进电动机步进电动机。又称又称脉冲电动机。脉冲电动机。作用：作用：步进电动机广泛用于数控机床，作为执行电动机。用许步进电动机广泛用于数控机床，作为执行电动机。用许多种，书中只介绍反应式步进电动机。多种，书中只介绍反应式步进电动机。结构：结构：定子定子6个磁极，分为个磁极，分为3相，每个磁

48、极上都套有一个绕组；相，每个磁极上都套有一个绕组；转子作成齿状铁心。转子作成齿状铁心。名词解释：名词解释：拍：拍：一个工作周期定子绕组通电改变的次数。一个工作周期定子绕组通电改变的次数。单拍：单拍：只有单个绕组通电为单拍。只有单个绕组通电为单拍。双拍：双拍：须且只须两个绕组通电为双拍。须且只须两个绕组通电为双拍。步距角：步距角：每拍转子转过的角度。每拍转子转过的角度。种类很多种类很多.主要有反应式、励磁式主要有反应式、励磁式 反应式反应式步进电动机的转子上没有步进电动机的转子上没有绕组，依靠变化的磁阻生成磁阻转绕组，依靠变化的磁阻生成磁阻转矩工作。矩工作。励磁式励磁式步进电动机的转子上有磁步进

49、电动机的转子上有磁极，依靠电磁转矩工作。极，依靠电磁转矩工作。反应式步进电动机的应用最为广反应式步进电动机的应用最为广泛，它有两相、三相、多相之分，泛，它有两相、三相、多相之分，也有单段、多段之分也有单段、多段之分.单段式三相反单段式三相反应式步进电动机的结构和工作原理应式步进电动机的结构和工作原理。结构结构:定子磁极上套有星形连接的定子磁极上套有星形连接的三相控制绕组，每两个相对的磁极三相控制绕组，每两个相对的磁极为一相，转子上没有绕组。为一相，转子上没有绕组。基本工作原理基本工作原理 单段三相反应式步进电动机的工作原理可以由图来说明。单段三相反应式步进电动机的工作原理可以由图来说明。由于由

50、于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力，因此会在磁力线扭曲时产生切向力而形成磁阻转矩，使转子转动，这就是线扭曲时产生切向力而形成磁阻转矩，使转子转动，这就是反应式步进电动机旋转的原理。反应式步进电动机旋转的原理。现以现以 的通电顺序，使三相绕组轮流通入直流电的通电顺序，使三相绕组轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。流，观察转子的运动情况。当当A相绕组通电时，气隙中生成以相绕组通电时，气隙中生成以A-A为轴线的磁场。在为轴线的磁场。在磁阻转矩的作用下，转子转到使磁阻转矩的作用下，转子转到使1、3两转子齿与磁极两转子齿与磁极A-A对齐对齐的位置上。如