1、1第4章 控制電機(jī) 4.1 控制電機(jī)的種類和特點(diǎn) 4.2 步進(jìn)電動機(jī) 4.3 自整角機(jī) 4.4 伺服電動機(jī) 4.5 旋轉(zhuǎn)變壓器4.1 控制電機(jī)的種類和特點(diǎn)控制電機(jī)的種類和特點(diǎn) 4.1.1控制電機(jī)的種類控制電機(jī)的種類 1. 1. 控制電機(jī)的用途控制電機(jī)的用途控制電機(jī)已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng)、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代軍事裝備中必不可少的重要元件。它的使用范圍非常廣泛。例如，火炮和雷達(dá)的自動定位，艦船方向舵的自動操縱，飛機(jī)的自動駕駛，遙遠(yuǎn)目標(biāo)位置的顯示， 機(jī)床加工過程的自動控制和自動顯示，閥門的遙控，天文望遠(yuǎn)鏡和大型繪圖機(jī)的自動控制，以及電子計(jì)算機(jī)、自動記錄儀表、醫(yī)療設(shè)備、錄音、錄像、攝影等方面的自動控

2、制系統(tǒng)，都經(jīng)常使用控制電機(jī)。 2. 2. 控制電機(jī)的分類控制電機(jī)的分類控制電機(jī)的種類很多，盡管各種控制電機(jī)的用途和功能不同，但基本上可劃分為信號元件和功率元件兩大類。凡是用來轉(zhuǎn)換信號的都為信號元件，凡是把信號轉(zhuǎn)換成輸出功率或把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的都為功率元件。根據(jù)它們在自動控制系統(tǒng)中的作用，控制電機(jī)可以作如下的分類。 1） 執(zhí)行元件(功率元件)執(zhí)行元件主要包括直流伺服電動機(jī)、交流伺服電動機(jī)、 步進(jìn)電動機(jī)和無刷直流電動機(jī)等。這些電動機(jī)的任務(wù)是將電信號轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度以及直線位移和線速度， 并帶動控制對象運(yùn)動。 （1) 交流和直流伺服電動機(jī)。 伺服電動機(jī)是一種受輸入電信號控制并作快速響應(yīng)的

3、電動機(jī)，其轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向取決于控制電壓的大小與極性（相位）， 轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加而近似均勻降低。實(shí)際使用時(shí)，伺服電動機(jī)通常經(jīng)齒輪減速后帶動負(fù)載， 在系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。 （2) 步進(jìn)電動機(jī)。 步進(jìn)電動機(jī)的定子鐵心上放置多相繞組，并由專用電源供給電脈沖。它的角位移與所接收的電脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與每秒的電脈沖數(shù)成正比。步進(jìn)電動機(jī)通常用在開環(huán)系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。 （3） 力矩式自整角機(jī)。 自整角機(jī)一般為兩個以上的元件對接使用，輸出轉(zhuǎn)矩的力矩式自整角機(jī)屬于功率元件，輸出的轉(zhuǎn)矩近似為兩個元件轉(zhuǎn)子角差的正弦函數(shù)。 2） 測量元件（信號元件）測量元件包括自整角機(jī)、交直流測速發(fā)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器等。它們能夠用來測量

4、機(jī)械轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)角差和轉(zhuǎn)速，一般在自動控制系統(tǒng)中作為敏感元件和校正元件。 （1) 旋轉(zhuǎn)變壓器(包括多極旋轉(zhuǎn)變壓器)。 普通的旋轉(zhuǎn)變壓器都做成一對極，其輸出電壓是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的正弦、余弦或其他函數(shù)。旋轉(zhuǎn)變壓器主要用于坐標(biāo)變換、三角運(yùn)算，也可以作為角度數(shù)據(jù)傳輸和移相元件(如感應(yīng)移相器)使用。 （2) 交直流測速發(fā)電機(jī)。 測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓精確地與轉(zhuǎn)速成正比，在系統(tǒng)中用來檢測轉(zhuǎn)速或進(jìn)行速度反饋，也可以作為微分、積分的計(jì)算元件使用。 （3) 控制式自整角機(jī)。自整角機(jī)的基本用途是角度數(shù)據(jù)傳輸， 兩個以上元件對接使用。 輸出電壓信號的控制式自整角機(jī)屬于信號元件，信號元件的輸出電壓是兩個元件轉(zhuǎn)子角差的正弦函數(shù)。

5、4.1.2 對控制電機(jī)的基本要求對控制電機(jī)的基本要求 1. 1. 高可靠性高可靠性控制電機(jī)的工作可靠性對保證自動控制系統(tǒng)的正常工作極為重要。 在航空航天系統(tǒng)、軍事裝備和一些現(xiàn)代化的大型工業(yè)自動化系統(tǒng)中， 對所用控制電機(jī)的可靠性要求很高。如采用自動化程序生產(chǎn)的煉鋼廠，一旦伺服機(jī)構(gòu)中的控制電機(jī)發(fā)生故障，就會造成停產(chǎn)事故，甚至損壞煉鋼設(shè)備。此外，如核反應(yīng)堆中使用的執(zhí)行元件，由于工作條件所限，不便于維修， 因而要求能夠長期可靠地工作。 據(jù)概率計(jì)算，如果元件的可靠性是99.5，則40個元件所組成的系統(tǒng)的可靠性僅為0.99540，即81.8；100個元件組成的系統(tǒng)，其可靠性僅為60.5。 2. 2. 高精

6、度高精度在各種軍事裝備、無線電導(dǎo)航、無線電定位、位置指示、 自動記錄、遠(yuǎn)程控制、機(jī)床加工自動控制等系統(tǒng)中，對精度的要求越來越高，因此相應(yīng)地對這些系統(tǒng)中所使用的控制電機(jī)在精度方面也提出了更高、更新的要求，有時(shí)它們的精度對系統(tǒng)起著決定性的作用。控制電機(jī)的精度主要包括信號元件的靜態(tài)誤差、動態(tài)誤差、溫度變化、電源頻率、電壓變化所引起的漂移等。功率元件如伺服電動機(jī)的線性度和失靈區(qū)、 步進(jìn)電動機(jī)的步距精度等， 都直接影響到控制系統(tǒng)的精度。 3. 3. 快速響應(yīng)快速響應(yīng)由于自動控制系統(tǒng)中主令信號變化很快，因而要求控制電機(jī)特別是功率元件能對信號作出快速響應(yīng)。表征快速響應(yīng)的主要指標(biāo)是機(jī)電時(shí)間常數(shù)和靈敏度，這些又

7、直接影響到系統(tǒng)的動態(tài)誤差。 4. 4. 適應(yīng)性強(qiáng)適應(yīng)性強(qiáng) 控制電機(jī)的使用范圍很廣，而且工作環(huán)境常常十分復(fù)雜， 這就要求電機(jī)在各種惡劣的環(huán)境條件下仍能準(zhǔn)確、可靠地工作。 另外，很多使用場合(尤其在航空航天技術(shù)中)還要求控制電機(jī)體積小、重量輕、耗電少，因此我們常見到的控制電機(jī)很多都是體積很小的微電機(jī)。例如電子手表中用的步進(jìn)電動機(jī)，直徑只有6 mm，長度為4 mm左右，耗電僅幾微瓦， 重量只有十幾克。 4.2步進(jìn)電動機(jī)步進(jìn)電動機(jī) 4.2.1 4.2.1 概述概述 步進(jìn)電動機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)的一種執(zhí)行元件。它是用電脈沖信號進(jìn)行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的電動機(jī)， 因此又被稱為脈沖電動機(jī)

8、。 給一個電脈沖信號，電動機(jī)就轉(zhuǎn)過一個角度或前進(jìn)一步， 其角位移量(或線位移S)與脈沖數(shù)k成正比， 如圖2.1所示。它的轉(zhuǎn)速n(或線速度v)與脈沖頻率f成正比，如圖所示。 這些關(guān)系在負(fù)載能力范圍內(nèi)不因電源電壓與負(fù)載大小以及環(huán)境條件的波動而變化。 步進(jìn)電動機(jī)可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速， 如快速、起停、正反轉(zhuǎn)控制及制動等，這是步進(jìn)電動機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)。 圖2.1 步進(jìn)電動機(jī)的工作特點(diǎn) (a)轉(zhuǎn)角（線位移）與脈沖個數(shù)的關(guān)系； (b) 轉(zhuǎn)速（線速度）與脈沖頻率的關(guān)系 步進(jìn)電動機(jī)既可以在某一固定頻率脈沖源作用下作為驅(qū)動電動機(jī)恒速運(yùn)行，也可以在某一受控脈沖源作用下作為伺服電動機(jī)運(yùn)行。當(dāng)

9、它作為自控系統(tǒng)中的執(zhí)行元件時(shí)，系統(tǒng)對它的基本要求是：（1） 步進(jìn)電動機(jī)在脈沖信號作用下要能快速起動、停轉(zhuǎn)、 正反轉(zhuǎn)及在很寬的范圍內(nèi)調(diào)速。（2） 要求步進(jìn)電動機(jī)步距精度高， 不得丟步或越步。（3） 快速響應(yīng)， 即起動、 停轉(zhuǎn)、 正反轉(zhuǎn)要迅速。（4） 能直接帶負(fù)載， 輸出一定的轉(zhuǎn)矩。4.2.1 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理1. 典型結(jié)構(gòu)典型結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的典型結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。它的定子和轉(zhuǎn)子是用硅鋼片或其它軟磁材料制成的。定子上共有六個磁極， 每個磁極上都有許多小齒。在徑向相對的兩個磁極上的線圈串聯(lián)起來組成一相繞組，三相繞組接成星形。轉(zhuǎn)子上沒有繞組，

10、 沿圓周也有許多小齒。根據(jù)工作要求，定子磁極上小齒的齒距和轉(zhuǎn)子上小齒的齒距必須相等，而且轉(zhuǎn)子上齒數(shù)有一定限制。 圖中所示轉(zhuǎn)子的齒數(shù)Zr=40，定子每個磁極上有5個小齒。 圖 2.2三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)2. 2. 工作原理工作原理 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)是利用凸極轉(zhuǎn)子橫軸磁阻與直軸磁阻不同所產(chǎn)生的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動的。為便于討論，先以一臺最簡單的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)為例。圖2.3所示為一臺三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，定子有六個磁極，不帶小齒，相對的兩個磁極繞有一相繞組，三相繞組接成星形。轉(zhuǎn)子上沒有繞組，只有四個齒。定子與轉(zhuǎn)子齒寬相同。當(dāng)A相繞組通電而B、C相繞組不通電時(shí)，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特

11、點(diǎn)，因而轉(zhuǎn)子1齒和3齒的軸線與定子A相磁極軸線對齊， 如圖 (a)所示。當(dāng)A相繞組斷電，B相繞組通電時(shí)，在B相繞組建立的磁場作用下，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過30，使轉(zhuǎn)子2齒和4齒軸線與B相磁極軸線對齊， 如圖 (b)所示。 同理，當(dāng)B相繞組斷電，C相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子又逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過300，使轉(zhuǎn)子1和3齒的軸線與C相磁極軸線對齊。按此順序不斷地使各相繞組輪流通電和斷電，轉(zhuǎn)子就會按逆時(shí)針方向一步一步地轉(zhuǎn)下去。每一步轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，用b表示。轉(zhuǎn)子相鄰兩齒軸線間的夾角稱為齒距角，用t表示。若用Zr表示轉(zhuǎn)子齒數(shù)，則t=3600Zr，在此Zr=4，所以t=36004=900。顯然，經(jīng)過一個通電循環(huán)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)

12、過一個齒距角，故步距角b=900/3=300。 圖2.3 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理 上述過程中，如果在A相斷電時(shí)，不是給B相通電而是給C相通電，在C相繞組建立的磁場作用下，轉(zhuǎn)子將順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過300，使轉(zhuǎn)子2和4齒的軸線與C相磁極軸線對齊。當(dāng)C相繞組斷電，B相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子又順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過300，使轉(zhuǎn)子1和3齒的軸線與B相磁極軸線對齊。顯然，按ACBA順序通電，轉(zhuǎn)子將按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。可見，步進(jìn)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向由三相繞組輪流通電順序決定。 步進(jìn)電動機(jī)按上述ABCA(或ACBA)的方式運(yùn)行，稱為三相單三拍運(yùn)行方式。“三相”是指步進(jìn)電動機(jī)具有三相定子繞組；“單”是指每個通電狀態(tài)只有一相繞組

13、通電； “三拍”是指經(jīng)過三次切換繞組的通電狀態(tài)為一個循環(huán)，第四次通電時(shí)又重復(fù)第一拍的通電狀態(tài)。在這種運(yùn)行方式時(shí)，步距角b=300。三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)除三相單三拍運(yùn)行方式外，還有三相雙三拍與三相單、雙六拍運(yùn)行方式。當(dāng)采用三相雙三拍運(yùn)行方式時(shí)，每次有兩相繞組同時(shí)通電，其通電順序?yàn)锳BBCCAAB或ACCBBAAC。當(dāng)AB兩相繞組同時(shí)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子的齒既不與A相磁極軸線對齊也不與B相磁極軸線對齊。其步距角b=300與單三拍時(shí)相同。 把上述兩種運(yùn)行方式結(jié)合起來，有AABBBCCCAA或AACCCBBBAA，即一相與兩相間隔地輪流通電，完成一個循環(huán)有六個通電狀態(tài)。經(jīng)過六個通電狀態(tài)完成一個循環(huán)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一

14、個齒距角,步距角b=900/6=150。可見三相單、雙六拍運(yùn)行時(shí)步距角比三相三拍(無論是單三拍還是雙三拍)小一半，因此，同一臺步進(jìn)電動機(jī)采用不同的通電方式，步距角有兩個不同的值。如上所述的簡單結(jié)構(gòu)的步進(jìn)電動機(jī)，三拍時(shí)，b=300；六拍時(shí)b=150。綜上所述，反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)可以有不同的相數(shù)，如三相、四相、五相等，也可以有不同的運(yùn)行拍數(shù)，但其基本工作原理是相同的。 由步進(jìn)電動機(jī)工作原理的討論可知，步進(jìn)電動機(jī)每來一個脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，用b表示，步距角的大小與轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)的關(guān)系為 r0b360NZ (2.1) 式中 Zr轉(zhuǎn)子齒數(shù), N運(yùn)行拍數(shù)，N=Km，K為狀態(tài)系數(shù), m為相數(shù)。當(dāng)采

15、用單三拍或雙三拍分配方式時(shí)，運(yùn)行拍數(shù)等于相數(shù)，K=l，即N=m，稱為單拍制；當(dāng)采用單、雙六拍分配方式時(shí)，運(yùn)行拍數(shù)等于相數(shù)的二倍，K=2，即N=2m，稱為雙拍制。式（2.1）表明， 步距角和轉(zhuǎn)子齒數(shù)、電機(jī)相數(shù)及拍數(shù)有關(guān)。 同一相數(shù)的步進(jìn)電動機(jī)， 若轉(zhuǎn)子齒數(shù)不同，則步距角大小不同。 采用的分配方式不同，步距角也有兩個不同的值。 增加相數(shù)或齒數(shù)可以減小步距角， 但相數(shù)的增加受到電機(jī)外形尺寸及驅(qū)動電源的限制， 只能適當(dāng)增加； 而轉(zhuǎn)子齒數(shù)在一定條件下可以增加。目前國內(nèi)外常用的小步距角的反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)就是通過增加轉(zhuǎn)子齒數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，其步距角可以做得很小， 以滿足生產(chǎn)實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給的需要。 由步進(jìn)電動機(jī)

16、的工作原理還可以知道，步進(jìn)電動機(jī)在電脈沖信號作用下，每來一個脈沖轉(zhuǎn)過一個角度，每分鐘轉(zhuǎn)過的角度為60b。因此，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率的關(guān)系為 分）轉(zhuǎn)/(6360600b0ffnb 或 分）（轉(zhuǎn)/60rNZfn 因此，電機(jī)轉(zhuǎn)速與脈沖源頻率保持嚴(yán)格的正比關(guān)系。 步進(jìn)電動機(jī)可以在恒定脈沖源作用下作為同步電動機(jī)使用， 也可以在受控脈沖源作用下很方便地實(shí)現(xiàn)速度控制。此外， 步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)過的角度與脈沖個數(shù)k保持嚴(yán)格的比例關(guān)系， 即 Ck(機(jī)械角度) 這個特點(diǎn)在許多工程實(shí)踐中是很有用的。如在一個自動控制系統(tǒng)中，用步進(jìn)電動機(jī)帶動管道閥門，為了控制流量， 要求閥門能按精確的角度開啟， 這就要求能對步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行精

17、確的角度控制。 例例4l 一臺三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，采用三相單、雙六拍分配方式，轉(zhuǎn)子上共有40個齒，已知脈沖源頻率為600HZ，試完成下列要求： (1)寫出個循壞的通電順序； (2)求電機(jī)的步距角； (3)求電機(jī)的轉(zhuǎn)速n。 解解 1采用三相單、雙六拍分配方式，完成一個循環(huán)的通電順序?yàn)椋篈ABBBCCCA，或者是：AACCCBBBAA。 (2) 采用三相單、雙六拍分配方式時(shí)，N=2m=6，故步距角 0005 . 1406360360rbNZ采用三拍分配方式時(shí)，N=3，故此臺電機(jī)步距角為30。 3電機(jī)轉(zhuǎn)速電機(jī)轉(zhuǎn)速 單拍制時(shí), N=m=3 雙拍制時(shí)，N=2m=6 )/(1504066006060分轉(zhuǎn)

18、rNZfn)/(3004036006060r分轉(zhuǎn)NZfn4.2.3 步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性 1. 靜態(tài)運(yùn)行特性靜態(tài)運(yùn)行特性 步進(jìn)電動機(jī)在電脈沖信號作用下，各相繞組輪流通電， 電機(jī)就一步一步地轉(zhuǎn)動。停止輸入脈沖信號，電機(jī)的一相或多相繞組(如三相步進(jìn)電動機(jī)的A相)通入恒定不變的直流電流，轉(zhuǎn)子在該電流所形成的磁場作用下固定于某一位置保持不動，這種狀態(tài)稱為靜態(tài)。此時(shí)，轉(zhuǎn)子停留在一個初始穩(wěn)定平衡位置上， 在這個位置上，即使有小小的擾動，電磁力也會把轉(zhuǎn)子拉回到該平衡位置。轉(zhuǎn)子偏離初始穩(wěn)定平衡位置的電角度稱為失調(diào)角，用表示。靜態(tài)時(shí)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩， 用T表示。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩T與失調(diào)角的

19、關(guān)系T=f()稱為步進(jìn)電動機(jī)的矩角特性。步進(jìn)電動機(jī)的靜態(tài)運(yùn)行狀態(tài)可以是一相繞組通電，也可以是多相繞組同時(shí)通電。1） 單相通電 當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)一相繞組通入恒定不變的直流電流時(shí)，該相極下定子齒與轉(zhuǎn)子齒的相對位置及所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩情況是相同的。因此，可以用一對定子齒、轉(zhuǎn)子齒的相對位置及轉(zhuǎn)矩情況來討論，電機(jī)所產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩應(yīng)該是該極下各個定子齒、 轉(zhuǎn)子齒間轉(zhuǎn)矩之和。 用電角度表示轉(zhuǎn)子相鄰兩齒中心線之間的夾角，則齒距角為t=360(電角度)=2(電弧度)。對于理想空載情況，當(dāng)某相繞組通入恒定不變的直流電流時(shí)，該相極下定子齒與轉(zhuǎn)子齒軸線重合，此時(shí)轉(zhuǎn)子只受徑向力作用，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，即當(dāng)失調(diào)角t=0時(shí)，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩T=0，

20、如圖2.4 (a)所示。此時(shí)， 如果使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過某一個角度，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩T隨著失調(diào)角的增加而增大。當(dāng)=90時(shí)，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩為最大，稱為最大靜轉(zhuǎn)矩， 如圖2.4 (b)所示。繼續(xù)增大，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩反而變小，當(dāng)=180時(shí)，如圖2.4 (c)所示，此時(shí)相鄰兩個定子齒對轉(zhuǎn)子齒的作用互相平衡，因此靜態(tài)轉(zhuǎn)矩為零，即T=0。當(dāng)180時(shí)，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩改變方向且隨增大而增大，如圖 2.4(d)所示。 圖2.4 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系 如果規(guī)定轉(zhuǎn)矩方向與正的失調(diào)角增加方向一致時(shí)為正， 那么轉(zhuǎn)矩方向與正的失調(diào)角增加方向相反時(shí)即為負(fù)。因此， 圖2.4 (b)中最大靜轉(zhuǎn)矩為負(fù)，用-Tmax表示。同理，當(dāng)在0-之間變化時(shí)，靜

21、態(tài)轉(zhuǎn)矩的方向與正的失調(diào)角增加方向一致， 故為正值。當(dāng)在一相繞組中通入恒定直流電流時(shí)，所產(chǎn)生的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩T與失調(diào)角的關(guān)系用曲線表示出來，稱其為步進(jìn)電動機(jī)的矩角特性，如圖2.5所示。在理想情況下這條曲線近似為正弦曲線。由矩角特性可以看出，對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)子位置，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是不同的。 圖 2.5步進(jìn)電動機(jī)的矩角特性 當(dāng)失調(diào)角=0時(shí)，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩T=0，稱此位置為初始穩(wěn)定平衡位置或協(xié)調(diào)位置。由矩角特性還可以看出，當(dāng)外力使轉(zhuǎn)子偏離平衡位置，使失調(diào)角在-+的范圍內(nèi)時(shí)，一旦外力消失，在靜態(tài)轉(zhuǎn)矩作用下，轉(zhuǎn)子仍能回到初始穩(wěn)定平衡位置。 因此，-+的區(qū)域稱為步進(jìn)電動機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。=為兩個不穩(wěn)定平衡位置，在這個位置，如果外力

22、使偏離，則一旦外力消失，轉(zhuǎn)子在靜態(tài)轉(zhuǎn)矩作用下不會回到初始穩(wěn)定平衡位置，而是向前一個齒或后一個齒的平衡位置運(yùn)動。 矩角特性上靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩并用Tmax表示。最大靜轉(zhuǎn)矩表示步進(jìn)電動機(jī)的負(fù)載能力，是步進(jìn)電動機(jī)最重要的性能指標(biāo)之一， 通常在技術(shù)數(shù)據(jù)中都會給出此值。 2） 多相通電由于Tmax與通電狀態(tài)及繞組中電流的大小有關(guān)，因而當(dāng)兩相或多相同時(shí)通電時(shí)，其矩角特性由多個單相通電時(shí)的矩角特性疊加而成。矩角特性是由總磁通形成的，顯然其最大轉(zhuǎn)矩比單相繞組通電時(shí)要大，因此功率較大的步進(jìn)電動機(jī)相數(shù)較多， 多為五相或六相。 2. 2. 步進(jìn)運(yùn)行狀態(tài)步進(jìn)運(yùn)行狀態(tài) 1） 動態(tài)穩(wěn)定區(qū) 前面討論了靜態(tài)轉(zhuǎn)矩、

23、矩角特性、靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)、穩(wěn)定平衡點(diǎn)與不穩(wěn)定平衡點(diǎn)等概念，它們都是用來描述步進(jìn)電動機(jī)不改變通電狀態(tài)時(shí)的運(yùn)行特性（即靜態(tài)特性）的。下面研究改變通電狀態(tài)時(shí)的運(yùn)行特性。在圖中，當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)三相單三拍工作時(shí)，A相繞組通電，其矩角特性如圖中的曲線A所示， 設(shè)電機(jī)空載運(yùn)行，轉(zhuǎn)子平衡點(diǎn)為矩角特性上的OA點(diǎn)。A相斷電而B相通電時(shí)，矩角特性如圖中的曲線B所示，轉(zhuǎn)子新的平衡位置為OB，這兩條特性曲線的橫軸截距就是步距角b。 圖2.6 步進(jìn)電動機(jī)的動態(tài)穩(wěn)定區(qū)當(dāng)改變通電狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子位置只要在曲線B的穩(wěn)定區(qū)（-+b）(+b)之間， 轉(zhuǎn)子即可向OB點(diǎn)運(yùn)動進(jìn)入穩(wěn)定位置。因此，空載狀態(tài)下，區(qū)間B1B2為動穩(wěn)定區(qū)。動穩(wěn)定區(qū)是指步進(jìn)

24、電動機(jī)從一種通電狀態(tài)切換為另一種通電狀態(tài)時(shí)， 不致引起失步的區(qū)域。拍數(shù)越多，步距角越小，動穩(wěn)定區(qū)就越接近靜穩(wěn)定區(qū)，在運(yùn)行中就越不易失步。由式可知， 增加轉(zhuǎn)子齒數(shù)以及拍數(shù)均可縮小步距角。因?yàn)榕臄?shù)與相數(shù)及通電方式有關(guān)，所以增加相數(shù)也有利于動態(tài)穩(wěn)定。 2） 最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩（最大起動轉(zhuǎn)矩）TLmax在圖中，矩角特性曲線A與矩角特性曲線B的交點(diǎn)C所對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為TLmax。若負(fù)載轉(zhuǎn)矩TLTLmax，當(dāng)控制脈沖切換通電繞組時(shí)， 電機(jī)不能作步進(jìn)運(yùn)動。TLmax是步進(jìn)電動機(jī)單步運(yùn)行時(shí)所能帶的極限負(fù)載，稱為最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，也稱為最大起動轉(zhuǎn)矩，電機(jī)實(shí)際所帶的負(fù)載只有小于TLmax才能運(yùn)行。 3） 起動頻率和起動特性

25、 若步進(jìn)電動機(jī)原來靜止在某一相的平衡位置上，當(dāng)輸入一定頻率的脈沖時(shí)，電機(jī)就開始轉(zhuǎn)動，但其轉(zhuǎn)速不能立刻達(dá)到穩(wěn)定值，而需要有一個過程， 這就是起動過程。 步進(jìn)電動機(jī)在起動過程中，如果脈沖頻率低于某一極限頻率，當(dāng)?shù)谝粋€脈沖到來時(shí)，繞組由A相通電切換為B相通電， 如圖 2.7所示，電機(jī)的工作點(diǎn)就由初始穩(wěn)定平衡點(diǎn)瞬時(shí)移到b點(diǎn)，并在電磁轉(zhuǎn)矩Tb作用下加速運(yùn)動。在第二個脈沖到來時(shí)， 若電機(jī)工作點(diǎn)已經(jīng)到b點(diǎn)，因?yàn)橥姞顟B(tài)改變，所以工作點(diǎn)由b點(diǎn)移到第二拍矩角特性上的c點(diǎn)，電機(jī)在此轉(zhuǎn)矩作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)動。這表明當(dāng)?shù)诙牡絹頃r(shí)，只要電機(jī)處于穩(wěn)定區(qū)dc范圍內(nèi)，就能保證電機(jī)不失步地起動起來。 圖 2.7 步進(jìn)電動機(jī)的起動過

26、程 如果脈沖頻率高于某一極限值，則當(dāng)?shù)谝粋€脈沖到來時(shí)， 電機(jī)工作點(diǎn)由Oa點(diǎn)一躍到達(dá)b點(diǎn)并開始加速，電機(jī)轉(zhuǎn)到b點(diǎn)時(shí)第二個脈沖到來，工作點(diǎn)由b點(diǎn)移到第二拍矩角特性的c點(diǎn)， 此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)樨?fù)值，因此電機(jī)在該轉(zhuǎn)矩作用下不是加速而是減速。如果在速度降低到零時(shí)轉(zhuǎn)子還不能進(jìn)入動穩(wěn)定區(qū)內(nèi)， 則電機(jī)將在負(fù)電磁轉(zhuǎn)矩作用下向相反方向運(yùn)動，從而造成電機(jī)失步或振蕩， 這樣電機(jī)就無法起動。 電機(jī)正常起動(不丟步、不失步)所能加的最高控制脈沖頻率稱為起動頻率，它是衡量步進(jìn)電動機(jī)快速性能的重要指標(biāo)。 步進(jìn)電動機(jī)的起動頻率要比連續(xù)運(yùn)行時(shí)的頻率低得多， 這是由于電機(jī)剛起動時(shí)轉(zhuǎn)速為零。在起動過程中，電磁轉(zhuǎn)矩除了要克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩外，

27、還要提供產(chǎn)生加速度的轉(zhuǎn)矩，并且由于機(jī)械系統(tǒng)存在慣性，因而轉(zhuǎn)速不能突變。為了能正常起動，起動頻率不能過高，但是電機(jī)一旦起動起來以后，如果再繼續(xù)升高頻率， 則由于轉(zhuǎn)子加速度比較小，慣性轉(zhuǎn)矩不大，因而電機(jī)仍能升速。 顯然連續(xù)運(yùn)行頻率要比起動頻率高。 圖 2.8 步進(jìn)電動機(jī)起動矩頻特性當(dāng)電機(jī)帶負(fù)載起動時(shí)，作用在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的加速轉(zhuǎn)矩為電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩之差。負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，加速轉(zhuǎn)矩就越小， 電機(jī)就不易轉(zhuǎn)起來。只有當(dāng)每步有較長的加速時(shí)間(即較低的脈沖頻率)時(shí)，電機(jī)才可能起動。因此，隨著負(fù)載的增加， 起動頻率是下降的。在一定的負(fù)載慣量下，起動頻率隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化的特性稱為起動矩頻特性， 如圖 2.8所示。 3.

28、 連續(xù)運(yùn)行特性連續(xù)運(yùn)行特性 步進(jìn)電動機(jī)一旦起動以后，如果再逐漸升高脈沖頻率， 則電機(jī)仍能不丟步地運(yùn)行，連續(xù)旋轉(zhuǎn)。連續(xù)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)動態(tài)平均轉(zhuǎn)矩比起動時(shí)要小。頻率愈高，電機(jī)轉(zhuǎn)速愈快，動態(tài)平均轉(zhuǎn)矩也愈小。顯然連續(xù)運(yùn)行頻率要比起動頻率高得多。 步進(jìn)電動機(jī)起動后，當(dāng)控制脈沖頻率繼續(xù)上升時(shí)，電動機(jī)能不失步運(yùn)行的最高控制脈沖頻率稱為連續(xù)運(yùn)行頻率，簡稱運(yùn)行頻率， 它可以比起動頻率高幾倍甚至十幾倍。當(dāng)電機(jī)參數(shù)和驅(qū)動電路一定時(shí)，它與負(fù)載有關(guān)。在負(fù)載慣量不變的情況下，運(yùn)行頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱為運(yùn)行矩頻特性，如圖 2.9所示。 圖 2.9 步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行矩頻特性 從運(yùn)行矩頻特性曲線可以看出，隨著頻率的升高，步進(jìn)電動

29、機(jī)能帶動的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下降。這主要是由于電路時(shí)間常數(shù)的影響。 電機(jī)的每相繞組是一個電感線圈，它具有一定的電感量， 而電感元件的主要特性是流過它的電流不能夠躍變， 脈沖電壓的接入與斷開引起定子繞組中的電流按由時(shí)間常數(shù)決定的指數(shù)規(guī)律增長或衰減。圖 2.10所示為不同頻率時(shí)， 定子繞組在相同幅值脈沖電壓作用下電流的波形。 當(dāng)輸入脈沖頻率比較低時(shí)，每相繞組的通電和斷電周期比較長，電流波形接近于穩(wěn)態(tài)值，電流的平均值比較大。頻率升高以后， 電流波形與理想波形差別加大。 如圖 2.10(c)所示， 電流平均值減小，因此電機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩下降。 脈沖信號的頻率升高到一定值以后，電機(jī)根本就不能轉(zhuǎn)動了。從圖 2.9所示

30、的運(yùn)行矩頻特性可見，隨頻率f的增加，步進(jìn)電動機(jī)所能帶的負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小。要減小頻率f對負(fù)載轉(zhuǎn)矩的影響，可采用同時(shí)多相通電（如AABBBCC，相當(dāng)于降低了某一相通電電源的頻率）。 圖 2.10 頻率變化時(shí)繞組電流波形 4.2.4 4.2.4 步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源 步進(jìn)電動機(jī)是在專用電源驅(qū)動下運(yùn)行的。驅(qū)動電源(又稱驅(qū)動器)不僅僅按一定要求向步進(jìn)電動機(jī)提供功率脈沖信號， 而且與步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行性能密切相關(guān)。可以說，評價(jià)一臺步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行性能的好壞，一方面要看電機(jī)本身的設(shè)計(jì)、制造水平，另一方面則要看驅(qū)動電源的水平。驅(qū)動電源和步進(jìn)電動機(jī)是一個有機(jī)的整體，一臺步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行性能是電機(jī)和驅(qū)

31、動電源二者配合的綜合效果。 因此， 隨著步進(jìn)電動機(jī)的廣泛應(yīng)用，其驅(qū)動電源的研究也愈加深入，并取得了可喜成果。 步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源由脈沖信號源、脈沖分配器和功率放大器三個基本環(huán)節(jié)組成，如圖 2.11所示。 圖 2.11 步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電源框圖 脈沖信號源產(chǎn)生一系列脈沖信號。根據(jù)使用要求，脈沖信號源可以是一個頻率連續(xù)可調(diào)的多諧振蕩器、單結(jié)晶體管振蕩器或壓控振蕩器等受控脈沖源，也可以是恒定頻率的晶體振蕩器，還可以是計(jì)算機(jī)或其它數(shù)控裝置給出的一系列控制脈沖信號源。脈沖分配器根據(jù)控制要求按一定的邏輯關(guān)系對脈沖信號進(jìn)行分配，如對三相步進(jìn)電動機(jī)可以按單三拍，雙三拍及單、 雙六拍三種分配方式分配脈沖信號。由

32、于分配方式周而復(fù)始地不斷重復(fù)，因而又把產(chǎn)生脈沖分配的邏輯部件稱為環(huán)形分配器。 脈沖分配器可以由門電路和觸發(fā)器構(gòu)成，也可以由專用集成電路或由計(jì)算機(jī)軟件編程來實(shí)現(xiàn)。功率放大電路實(shí)際上是功率開關(guān)電路，有單電壓、雙電壓、斬波型、調(diào)頻調(diào)壓型和細(xì)分型等多種形式，可以由晶體管、晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、功率集成器件構(gòu)成。 4.2.5 4.2.5 步進(jìn)電動機(jī)主要技術(shù)數(shù)據(jù)和性能指標(biāo)步進(jìn)電動機(jī)主要技術(shù)數(shù)據(jù)和性能指標(biāo) 1. 1. 額定電壓額定電壓 額定電壓是指加在步進(jìn)電動機(jī)各相繞組主回路的電壓。 它一般不等于加在繞組兩端的電壓，而是繞組兩端電壓、限流電阻壓降和晶體管上電壓的總和。該電壓的紋波系數(shù)不易過大， 應(yīng)小于5%。

33、為了步進(jìn)電動機(jī)及其配套電源的標(biāo)準(zhǔn)化，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定步進(jìn)電動機(jī)的額定電壓為單電壓驅(qū)動：6，12，27， 48， 60， 80(V)； 雙電壓驅(qū)動： 6012, 8012(V)。 2. 2. 額定電流額定電流 在額定電壓作用下，電機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)一相繞組允許通過的電流定為額定電流。電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)電流表測出的是脈沖電流的平均值， 這個平均電流小于額定電流。 3.3.步距角步距角b b 每輸入一個電脈沖信號轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的機(jī)械角度稱為步距角。 理論上的步距角b=360/ZrN。步距角的大小會直接影響起動和運(yùn)行頻率。 4. 4. 靜態(tài)步距角誤差靜態(tài)步距角誤差b b 靜態(tài)步距角誤差即實(shí)際的步距角與理論的步距角之間的差值，

34、 通常用理論步距角的百分?jǐn)?shù)或絕對值來衡量，可用來表示電機(jī)精度。 靜態(tài)步距角誤差小表示電機(jī)精度高。 5. 5. 最大靜轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)矩T Tmaxmax 最大靜轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電動機(jī)在規(guī)定的通電相數(shù)下矩角特性上的最大轉(zhuǎn)矩值。繞組電流越大，最大靜轉(zhuǎn)矩也越大。最大靜轉(zhuǎn)矩隨繞組電流變化的曲線叫做步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性， 通常技術(shù)數(shù)據(jù)中給出的最大靜轉(zhuǎn)矩是指每相繞組通入額定電流時(shí)的最大靜轉(zhuǎn)矩。一般來講，最大靜轉(zhuǎn)矩大的電機(jī)，負(fù)載能力強(qiáng)。負(fù)載轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的比值通常取為0.30.5左右， 即 maxL)5 . 03 . 0(TT 6. 起動頻率起動頻率fq 起動頻率又稱突跳頻率，是指步進(jìn)電動機(jī)能夠不失步起動的最高脈

35、沖頻率。起動頻率分空載起動頻率和負(fù)載起動頻率兩種， 負(fù)載起動頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小有關(guān)。 7. 連續(xù)運(yùn)行頻率連續(xù)運(yùn)行頻率f 步進(jìn)電動機(jī)起動后，脈沖頻率連續(xù)上升能不失步運(yùn)行的最高脈沖頻率稱為連續(xù)運(yùn)行頻率。連續(xù)運(yùn)行頻率比起動頻率高得多。 8. 8. 起動矩頻特性起動矩頻特性 在一定的負(fù)載慣量下，起動頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱為起動矩頻特性。 9. 9. 運(yùn)行矩頻特性運(yùn)行矩頻特性 在負(fù)載慣量不變的情況下， 運(yùn)行頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱為運(yùn)行矩頻特性。 步進(jìn)電動機(jī)步進(jìn)電動機(jī) 更多的圖片更多的圖片 步進(jìn)電動機(jī)步進(jìn)電動機(jī) 更多的圖片更多的圖片 4.3 自整角機(jī)自整角機(jī) 單相自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。其定子結(jié)構(gòu)

36、與三相感應(yīng)電動機(jī)相似，定子槽中嵌放著三個軸線互成120電角度、 電路上采用無中線星形連接的分布繞組，稱為整步繞組。單相自整角機(jī)的轉(zhuǎn)子有凸極式和隱極式兩種，均裝有勵磁繞組， 通過集電環(huán)和電刷引出。該自整角機(jī)采用幅值和頻率均不變的交流電壓勵磁，磁極對數(shù)通常為1。 圖3.1 單相自整角機(jī)的結(jié)構(gòu) 4.3.1 4.3.1 力矩式自整角機(jī)力矩式自整角機(jī)力矩式自整角機(jī)是功率元件，成對使用，可直接帶負(fù)載， 其原理示意圖如圖3.2所示。 圖3.2 力矩式自整角機(jī)原理示意圖 (a) 原理框圖； (b) 結(jié)構(gòu)示意 力矩式自整角機(jī)的接線圖如圖3.3所示。 圖3.3 力矩式自整角機(jī)的接線圖 (a) 整步繞組與勵磁繞組軸

37、線重合； (b) 失調(diào) 以下討論整步轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的電磁過程。為簡化分析，假定： (1) 自整角機(jī)的氣隙磁通密度空間量正弦分布。(2) 忽略飽和效應(yīng)和整步繞組磁通勢對勵磁磁通勢的影響。 勵磁繞組接上電源后，它所建立的脈振磁通勢可以分解為幅值和轉(zhuǎn)速均相等的正、反兩個方向的旋轉(zhuǎn)磁通勢F+和F-， 并建立相應(yīng)的圓形旋轉(zhuǎn)磁場+和-。+、-分別在三個整步繞組中感應(yīng)產(chǎn)生對稱的三相交流電動勢。 由于三整步繞組參數(shù)相同，定子三相電路對稱， 繞組參數(shù)也相同，因而在分析其電磁過程時(shí)只需取其中的一相繞組作為代表。圖3.4中發(fā)送機(jī)取繞組OA，接收機(jī)取繞組A。當(dāng)失調(diào)角為0時(shí)，A和OA空間軸線重合，如圖3.4(a)所示，發(fā)送機(jī)

38、和接收機(jī)的+同時(shí)分別“切割”A和A，并在其中感應(yīng)出電動勢。 若取E+和E+的正方向與整步繞組中的均衡電流方向一致， 則E+與E+的相位相差為180電角度，如圖3.4(c)所示。 此時(shí)，合成電動勢E+=E+E+為零，不能在兩自整角機(jī)的整步繞組電路中建立均衡電流和整步轉(zhuǎn)矩。同理，-在圖中感應(yīng)的電動勢E-和E- 相位上也相差180電角度，如圖3.3(d)所示，合成電動勢E= EE亦為零，同樣不能建立均衡電流和整步轉(zhuǎn)矩。 圖3.4 失調(diào)角下自整角機(jī)電勢分析 當(dāng)發(fā)送機(jī)的轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個角度時(shí)，由圖3.4(b)可看出，若取逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的磁場為+，則+的幅值切割OA的時(shí)間超前于切割A(yù)的時(shí)間，即E+ 滯后

39、E+電角度， 因此，E+=E+ E+不再為零，整步繞組中將出現(xiàn)均衡電流I+， 如圖3.4(e)所示。 同理，由于-的幅值切割A(yù)的時(shí)間滯后于它切割A(yù)的時(shí)間，使E超前E-電角度，因而，合成電動勢E-= E-E-亦不為零，并建立均衡電流I-， 如圖3.4(f)所示。 圖3.4中的角為一相整步繞組電路的總阻抗角。 均衡電流I+、I-建立的四個整步轉(zhuǎn)矩分別為 IEIECTIEIECTIEIECTIEIECTcoscoscoscosTTTT接收機(jī)發(fā)送機(jī)(3.1） 轉(zhuǎn)矩均作用在定子繞組上，從圖3.3(e)、(f)中看出，由于 0cos0cosIEIE0cos0cosIEIE故T+和T-為正，方向與產(chǎn)生此轉(zhuǎn)矩

40、的旋轉(zhuǎn)磁場方向相同；T-和T+為負(fù)，方向與產(chǎn)生此轉(zhuǎn)矩的旋轉(zhuǎn)磁場方向相反。由于定子繞組是固定不動的，所以在發(fā)送機(jī)中，T+和T-企圖使轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；在接收機(jī)中，T+和T-則使轉(zhuǎn)子沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，其作用均為減小角。若發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)過后即被卡死，則接收機(jī)的整步轉(zhuǎn)矩將推動其轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角，使系統(tǒng)重新進(jìn)入新的協(xié)調(diào)位置。力矩式自整角機(jī)的整步轉(zhuǎn)矩可以表述為 sinmaxTT （3.2） 失調(diào)角=f-j，兩機(jī)處于協(xié)調(diào)位置時(shí)=0，T的方向由的正負(fù)決定， T的正負(fù)決定接收機(jī)轉(zhuǎn)子的整步轉(zhuǎn)向。力矩式自整角機(jī)的輸出直接帶負(fù)載，如電位器轉(zhuǎn)軸、 刻度盤指針等。 負(fù)載大時(shí)會產(chǎn)生較大的誤差。 失調(diào)角1時(shí)的靜態(tài)整步

41、轉(zhuǎn)矩稱為比整步轉(zhuǎn)矩，其值越大，系統(tǒng)越靈敏。凸極結(jié)構(gòu)的力矩式自整角機(jī)由于有（磁阻效應(yīng)引起的）反應(yīng)整步轉(zhuǎn)矩，其比整步轉(zhuǎn)矩較大，因而力矩式自整角機(jī)大多采用凸極結(jié)構(gòu)。 4.3.2 控制式自整角機(jī)控制式自整角機(jī) 控制式自整角機(jī)的作用是將其發(fā)送機(jī)軸上的轉(zhuǎn)角信號按固定的變換系數(shù)轉(zhuǎn)換成接收轉(zhuǎn)子繞組上的電壓信號，其工作原理示意圖如圖3.5所示，接線圖如圖3.6所示。圖3.6中， 接收機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組不作為勵磁繞組而作為轉(zhuǎn)角信號電壓U2的輸出繞組，因此不與交流電源相接。為保證失調(diào)角=0時(shí)系統(tǒng)的輸出電壓U2也為零，取發(fā)送機(jī)和接收機(jī)轉(zhuǎn)子繞組相互垂直的位置作為協(xié)調(diào)位置。由于控制式自整角機(jī)系統(tǒng)中的接收機(jī)實(shí)際上處于變壓器運(yùn)行狀

42、態(tài)，因而也稱這種系統(tǒng)中的接收機(jī)為自整角變壓器。 圖3.5 控制式自整角機(jī)工作原理示意圖(a) 原理框圖； (b) 結(jié)構(gòu)示意 圖3.6 控制式自整角機(jī)接線圖 下面分析失調(diào)角00時(shí)，輸出電壓U2建立的過程及其與之間的函數(shù)關(guān)系。在發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子通入單相交流電勵磁的情況下，產(chǎn)生脈振磁通勢，所以，發(fā)送機(jī)整步繞組的合成磁通勢亦為脈振磁通勢，其軸線與發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子軸線重合，又因發(fā)送機(jī)與自整角變壓器（接收機(jī)）的整步繞組中通過的是同一電流，故自整角變壓器整步繞組的磁通勢也是脈振磁通勢。當(dāng)=00時(shí)，由于自整角變壓器轉(zhuǎn)子繞組軸線與整步繞組軸線正交，兩者無耦合作用，輸出電壓U2為零。當(dāng)=900時(shí)，自整角變壓器轉(zhuǎn)子軸線與整步繞

43、組磁通勢軸線重合，輸出電壓為最大值U2m。可以證明，空載時(shí)輸出電壓U2可表為 sinm22UU sinm22EE （3.3） 式（3.3）給出了控制式自整角機(jī)系統(tǒng)的輸出電壓U2與失調(diào)角間的函數(shù)關(guān)系，函數(shù)變化的曲線如圖3.7所示。由圖可以看出， U2反映了的大小， 也可反應(yīng)的方向。 圖3.7 控制式自整角機(jī)的輸入、輸出特性負(fù)載時(shí)，由于自整角機(jī)勵磁繞組有漏阻抗壓降，因而輸出電壓比空載時(shí)下降，為了盡量使輸出電壓接近繞組電動勢， 繞組所接負(fù)載阻抗(放大器的輸入阻抗)越大越好。我們稱0的位置為自整角機(jī)的協(xié)調(diào)位置，這時(shí)輸出電壓U20。當(dāng)時(shí)，自整角變壓器輸出電壓的值叫比電壓。比電壓越大， 系統(tǒng)工作越靈敏。

44、4.3.3 4.3.3 自整角機(jī)的誤差與選用時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)自整角機(jī)的誤差與選用時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng) 力矩式自整角機(jī)的誤差主要有零位誤差和靜態(tài)誤差。 由于設(shè)計(jì)及加工工藝等因素的影響，力矩式自整角實(shí)際電氣零位和理論電氣零位之間有差異，即零位誤差。力矩式自整角機(jī)系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)送機(jī)與接收機(jī)處于靜態(tài)協(xié)調(diào)時(shí)，接收機(jī)與發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角之差稱為力矩式自整角接收機(jī)的靜態(tài)誤差。靜態(tài)誤差小則接收機(jī)跟隨發(fā)送機(jī)的能力強(qiáng)。 控制式自整角機(jī)的誤差主要有電氣誤差和零位電壓誤差。 力矩式自整角機(jī)常應(yīng)用于精度較低的指示系統(tǒng)； 而控制式自整角機(jī)適用于精度較高、負(fù)載較大的伺服系統(tǒng)。 選用自整角機(jī)還應(yīng)注意以下幾個問題： (1) 自整角機(jī)的勵磁電

45、壓和頻率必須與使用的電源符合。 若電源可任意選擇，則應(yīng)選用電壓較高(一般是400V)的自整角機(jī)， 其性能較好，體積較小。 (2) 相互連接使用的自整角機(jī)，其對應(yīng)繞組的額定電壓和頻率必須相同。 (3) 選用自整角變壓器時(shí)，應(yīng)選輸入阻抗較高的產(chǎn)品，以減輕發(fā)送機(jī)的負(fù)載。 自整角機(jī)自整角機(jī)A 型發(fā)送器型發(fā)送器 M 型指示器型指示器 115 V，60 Hz 單相交流輸入單相交流輸入 自整角機(jī)自整角機(jī)4.4伺服電動機(jī)伺服電動機(jī) 4.4.1 4.4.1 直流伺服電動機(jī)直流伺服電動機(jī) 1. 1. 直流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)直流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)直流伺服電動機(jī)就是微型的他勵直流電動機(jī)，其結(jié)構(gòu)與原理都與他勵直流電動機(jī)相同。直

46、流伺服電動機(jī)按磁極的種類劃分為兩種： 一種是永磁式直流伺服電動機(jī)，它的磁極是永久磁鐵；另一種是電磁式直流伺服電動機(jī)，它的磁極是電磁鐵， 磁極外面套著勵磁繞組。 直流伺服電動機(jī)就其用途來講，既可作為驅(qū)動電動機(jī)(例如一些便攜式電子設(shè)備中使用的永磁式直流電動機(jī))，也可作為伺服電動機(jī)(例如錄相機(jī)、 精密機(jī)床中的電動機(jī))。2. 2. 控制方式控制方式一般用電壓信號控制直流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速大小。 改變電樞繞組電壓Ua的大小與方向的控制方式叫做電樞控制； 改變直流伺服電動機(jī)勵磁繞組電壓Uf的大小與方向的控制方式叫做磁場控制。 后者性能不如前者， 很少采用。下面只介紹電樞控制時(shí)的特性。 3. 運(yùn)行特性運(yùn)

47、行特性采用電樞控制時(shí)，電樞繞組也就是控制繞組，控制電壓為Uk=Ua。對于電磁式直流伺服機(jī)，勵磁電壓Uf為常數(shù)；另外，不考慮電樞反應(yīng)的影響，=C， 在這些前提下，電樞控制的直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式為 em0emTeaeem2TeaeaTnTKKRKUTCCRCUnk（4.1） 式中： ;eeCK CKTT當(dāng)Ua大小不同時(shí)，機(jī)械特性為一組平行的直線，如圖4.1(a)所示。當(dāng)Ua大小一定時(shí)，轉(zhuǎn)矩T大時(shí)轉(zhuǎn)速n低，轉(zhuǎn)矩的增加與轉(zhuǎn)速的下降成正比，這是十分理想的特性。另一個重要的特性是調(diào)節(jié)特性。所謂調(diào)節(jié)特性，是指在一定的轉(zhuǎn)矩下，轉(zhuǎn)速n與控制電壓Uk的關(guān)系，即n=f(Uk)。 調(diào)節(jié)特性可以由機(jī)械特性得到

48、。直流伺服電動機(jī)的調(diào)節(jié)特性是一組平行直線， 如圖4.1(b)所示。 圖4.1 直流伺服電動機(jī)的特性 (a) 機(jī)械特性； (b) 調(diào)節(jié)特性 從直流伺服電動機(jī)的調(diào)節(jié)特性可以看出，Tem一定時(shí)，控制電壓Uk高時(shí)轉(zhuǎn)速n也高，控制電壓增加與轉(zhuǎn)速增加成正比。 另外，當(dāng)n=0時(shí)，不同的轉(zhuǎn)矩所需要的控制電壓Ua也不同。 由式（4.1）可知，當(dāng)n=0時(shí)， 有 emTa00a|TKRUn（4.2） 例如圖4.1(b),TT1，Ua0=U1，表示只有當(dāng)控制電壓Ua U1的條件下，電動機(jī)才能轉(zhuǎn)起來，而當(dāng)Uk=Ua0U1區(qū)間，電動機(jī)不轉(zhuǎn)，我們稱0Ul區(qū)間為死區(qū)或失靈區(qū)，稱Ua0為始動電壓,T不同，始動電壓也不同，T大的

49、始動電壓也大，T0。即電動機(jī)理想空載時(shí)，Ua0=0只要有信號電壓Ua電動機(jī)就轉(zhuǎn)動。直流伺服電動機(jī)的調(diào)節(jié)特性也是很理想的。為了提高直流伺服電動機(jī)控制的靈敏性，應(yīng)盡力減小失靈區(qū)。減小失靈區(qū)的辦法是： 1）減小直流伺服電動機(jī)電樞回路的電阻R；2）減小直流伺服電動機(jī)的空載轉(zhuǎn)矩。 4.4.2 4.4.2 交流伺服電動機(jī)交流伺服電動機(jī) 1. 1. 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)交流伺服電動機(jī)實(shí)質(zhì)上就是一個兩相感應(yīng)電動機(jī)，它的定子上有空間上互差90電角度的兩相分布繞組，一相為勵磁繞組Nf，一相為控制繞組Nk。電動機(jī)工作時(shí)，勵磁繞組Nf 接單相交流電壓Uf，控制繞組接控制信號電壓Uk。Uf與Uk二者同頻率，一般采用50Hz

50、或400 Hz的電源供電。 轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)通常有兩種形式：一種為籠形轉(zhuǎn)子， 另一種為非磁性空心杯轉(zhuǎn)子。交流伺服電動機(jī)的籠形轉(zhuǎn)子的外形和普通籠形轉(zhuǎn)子一樣，但是為了減小交流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量， 提高靈敏度，轉(zhuǎn)子通常做成細(xì)而長的形式。為了使交流伺服電動機(jī)的特性（機(jī)械特性、 調(diào)節(jié)特性）為線性，改善控制特性， 同時(shí)也為了防止“自轉(zhuǎn)現(xiàn)象”（Uk=0n0）的發(fā)生，轉(zhuǎn)子電阻通常比較大，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體一般采用高電阻率的材料（如黃銅或青銅）制成。 非磁性空心杯轉(zhuǎn)子伺服電動機(jī)如圖4.2所示。它采用內(nèi)、 外定子結(jié)構(gòu)，外定子上放置定子繞組；內(nèi)定子相當(dāng)于普通感應(yīng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心，作為電機(jī)磁路的一部分，不裝繞組。轉(zhuǎn)子采用非磁性材料

51、（鋁或銅）制成杯形，杯的厚度一般為0.3mm左右。這種結(jié)構(gòu)的交流伺服電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)動慣量小，阻轉(zhuǎn)矩小，響應(yīng)速度快，運(yùn)行平穩(wěn)，無抖動現(xiàn)象；缺點(diǎn)是氣隙大， 勵磁電流大， 功率因數(shù)小， 同時(shí)體積也大。 圖 4.2 非磁性空心杯轉(zhuǎn)子伺服電動機(jī) 2. 2. 工作原理工作原理交流伺服電動機(jī)是兩相感應(yīng)電動機(jī)，從控制特性上要求必須像直流伺服機(jī)一樣具有伺服性， 即控制信號電壓強(qiáng)時(shí)， 電動機(jī)轉(zhuǎn)速高；控制信號電壓弱時(shí)，電動機(jī)轉(zhuǎn)速低；若控制信號電壓等于零，電動機(jī)就不轉(zhuǎn)了。為了滿足信號電壓強(qiáng)時(shí)轉(zhuǎn)速高、 信號電壓弱時(shí)轉(zhuǎn)速低這一要求，可以讓信號強(qiáng)時(shí)電機(jī)氣隙磁通勢接近圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢；信號弱時(shí)氣隙磁通勢橢圓度增大至接近脈振磁

52、通勢就行了。那么要求信號電壓消失即Uk0后電動機(jī)不轉(zhuǎn)， 這是怎樣做到的呢?下面首先分析這一點(diǎn)。 前面分析過單相感應(yīng)電動機(jī)定子若只有一相繞組通電時(shí)，其機(jī)械特性為過原點(diǎn)(T=0，n0)的對稱曲線，在其正轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩特性曲線上，T+=T+m時(shí)的臨界轉(zhuǎn)差率，與對稱。因此0nn0 (n0為理想空載轉(zhuǎn)速，n00；而-n0n0，合成轉(zhuǎn)矩T0。如果交流伺服電動機(jī)的定子繞組與一般單相感應(yīng)電動機(jī)的一樣，那么正在運(yùn)行的交流伺服電動機(jī)的控制信號電壓一旦變?yōu)榱悖姍C(jī)就運(yùn)行于只有勵磁繞組一相通電的情況下，那么電機(jī)還必然在原來的旋轉(zhuǎn)方向上繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，只是轉(zhuǎn)速略有下降，但絕不可能停下來。 )(sfT1 ms)(sfT)(sfT這

53、種信號電壓消失后電動機(jī)仍然旋轉(zhuǎn)不停的現(xiàn)象稱為“自轉(zhuǎn)”，自轉(zhuǎn)現(xiàn)象破壞了伺服性，顯然是要避免的。那么交流伺服電動機(jī)怎樣避免單相運(yùn)行時(shí)的自轉(zhuǎn)呢?我們再看一下圖11.2.3所示的機(jī)械特性，這也是只有一相繞組通電時(shí)的機(jī)械特性，T+=f(s)與T-=f(s)對稱，當(dāng)s+m=s-m=1時(shí)，電機(jī)總的電磁轉(zhuǎn)矩特性T=f(s)具有這樣的特點(diǎn)： (1) 當(dāng)n=0時(shí)，Tem=0，無起動轉(zhuǎn)矩。(2)當(dāng)0ns0)時(shí)，n0，Tem0，Tem是制動性電磁轉(zhuǎn)矩；當(dāng)-n1ns1)時(shí)，n0， Tem0，Tem也是制動性電磁轉(zhuǎn)矩。 圖4.3 轉(zhuǎn)子電阻變化對交流伺服電動機(jī)機(jī)械特性的影響 若交流伺服電動機(jī)原來運(yùn)行在電動狀態(tài)，在控制信號電

54、壓消失后，由于一相繞組通電運(yùn)行時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩是制動性的， 因而電動機(jī)轉(zhuǎn)速將被制動到n=0，只要sm1，就能避免自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。 在實(shí)際的交流伺服電動機(jī)中，加大sm的方法是增大轉(zhuǎn)子回路的電阻， 因?yàn)閟mR2， 所以交流伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)子電阻相對于一般感應(yīng)電動機(jī)來說是很大的。 3. 3. 控制方式控制方式設(shè)計(jì)交流伺服電動機(jī)時(shí)，當(dāng)勵磁繞組與控制繞組電壓分別為額定值時(shí)(對控制繞組來講， 額定電壓指最大的控制電壓)， 兩繞組產(chǎn)生的磁通勢幅值也一樣大，合成磁勢為一圓形旋轉(zhuǎn)磁勢。交流伺服電動機(jī)運(yùn)行時(shí)，勵磁繞組如果接在額定電壓上， 大小、相位都不變，那么改變控制繞組所加的電壓Uk的大小和相位，電動機(jī)氣隙磁通勢則隨著信號電

55、壓Uk的大小和相位而改變，有可能為圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢， 也有可能為不同橢圓度的橢圓旋轉(zhuǎn)磁通勢，還有可能為脈振磁通勢。 而由于氣隙磁通勢的不同， 電動機(jī)機(jī)械特性也相應(yīng)改變，因而拖動著負(fù)載運(yùn)行的交流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n也隨之變化。 這就是交流伺服電動機(jī)利用控制信號電壓Uk的大小和相位的變化控制轉(zhuǎn)速隨之變化的道理。 改變Uk的大小與相位即可實(shí)現(xiàn)對交流伺服電動機(jī)的控制， 控制方法主要有三種：幅值控制、相位控制和幅值相位控制。 圖4.4 幅值控制接線圖 1) 幅值控制 由加在控制繞組上信號電壓的幅值大小來控制交流伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)速，這種控制方式稱為幅值控制。 幅值控制接線圖如圖4.4所示。勵磁繞組Uf直接接交流電

56、源，電壓大小為額定值。 控制繞組所加的電壓為Uk，其相位與勵磁繞組電壓相差90，Uk的大小可以改變。UkUkN， UkN為控制繞組額定電壓；稱為有效信號系數(shù)，最大值為1。 若以UkN為基值，則控制信號電壓Uk的有效信號系數(shù)= Uk / UkN 。 若有效信號系數(shù)1， 則控制繞組磁通勢幅值與勵磁繞組磁通勢幅值不一樣大，而兩繞組空間相差90電角度，所加電壓相位差90電角度，電機(jī)總的氣隙合成磁通勢為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢。值越小，橢圓度越大，越接近脈振磁通勢。 采用與分析單相感應(yīng)電動機(jī)兩相繞組通電時(shí)同樣的方法， 正轉(zhuǎn)磁通勢與反轉(zhuǎn)磁通勢分別產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T+與T-，總的電磁轉(zhuǎn)矩TT+T-，最后可以得出有效信號

57、系數(shù)為不同值時(shí)相應(yīng)的機(jī)械特性，如圖4.5(a)所示。該圖中，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速都采用標(biāo)么值。轉(zhuǎn)矩的基值是1且為圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢時(shí)電機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速的基值是同步轉(zhuǎn)速n1。幅值控制時(shí)的機(jī)械特性不是直線。 交流伺服電動機(jī)幅值控制時(shí)的調(diào)節(jié)特性也可以從機(jī)械特性得到， 如圖4.5(b)所示。 幅值控制時(shí)調(diào)節(jié)特性也不是直線， 只在n較小時(shí)近似為直線。為了盡量使交流伺服電動機(jī)調(diào)節(jié)特性在n較小的區(qū)域，以保證伺服系統(tǒng)的動態(tài)誤差較小，許多交流伺服電動機(jī)采用頻率為400Hz的交流電源，以提高它的同步轉(zhuǎn)速n1。 與直流伺服電動機(jī)相似， 調(diào)節(jié)特性與橫軸交點(diǎn)的有效信號系數(shù)的值為始動電壓的標(biāo)么值，轉(zhuǎn)矩大時(shí)，始動電壓高。 圖4.5

58、 幅值控制時(shí)的機(jī)械特性與調(diào)節(jié)特性 (a) 機(jī)械特性； (b) 調(diào)節(jié)特性 交流伺服電動機(jī)在一定的控制信號電壓下， 若轉(zhuǎn)速低， 則輸出功率P2=T2Tem也很小；若轉(zhuǎn)速接近于理想空載轉(zhuǎn)速，則由于Tem很小，因而輸出功率也很小。越大，輸出的功率也越大。交流伺服電動機(jī)的額定功率通常規(guī)定為當(dāng)1時(shí)的最大輸出功率，此時(shí)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速， 相應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩。 2) 相位控制通過改變加在控制繞組上的信號電壓的相位來控制交流伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方式稱為相位控制。相位控制接線圖如圖4.6所示。勵磁繞組接在單相交流電源上，大小為額定電壓值。 控制繞組所加信號電壓Uk的大小為額定值，但是相位可以改變。 Uk與Uf是同頻率的交流電，二者相位差為，090 如Uk落后于Uf ，若其幅值Uk =Uf，有效控制電壓為Uksin， 則信號系數(shù)為 sinsinkkUUsin=01，sin稱為相位控制的信號系數(shù)。 圖4.6 相位控制接線圖 圖4.7 幅值相位控制接線圖 3） 幅值相位控制交流伺服電動機(jī)幅值相位控制接線圖如圖4.7所示（圖中f表示勵磁繞組，k表示控制繞組)。勵磁繞組外串電容器后再接交流電源，控制電壓為Uk，Uk與電源電壓同頻率，但相位、大小可以改變。 幅值控制、相位控制、幅值相位控制的交流伺服電動機(jī)的控制信號變化時(shí)，電機(jī)內(nèi)合成磁通勢的性質(zhì)或橢圓度也隨之改變， 從而具有不同的機(jī)械特性， 使電機(jī)