Page1第6章控制電機Page2本章教學基本要求1.了解常用控制電機的主要結構、基本工作原理；2.理解和掌握控制電機的分類方式及其各自的驅動方式；3.比較控制電機與普通直流電機、異步電機和同步電機的異同之處；4.了解控制電機的特點及其應用場合Page3重點1.理解和掌握直流伺服電機和交流伺服電機各自的工作原理和調節特性；2.理解和掌握步進電機的工作原理和通電方式。

Page46.1概述微控電機是具有特定功能的小功率旋轉電機。控制電機在控制系統中作為執行元件、檢測元件和運算元件。從工作原理上看，微控電機和普通電機沒有本質上的區別，但在使用功能上不一樣。普通電機功率大，側重電機的起動、運行和制動等性能指標，而控制電機輸出功率較小，側重于電機的控制精度、響應速度和運行可靠性。目前國內外生產的微控電機種類較多，下面介紹幾種常用的微控電機的基本工作原理及其使用特性。

Page56.2單相異步電動機

單相異步電動機(single-phaseasynchronousmotor)是靠220V單相交流電源供電的一類電動機，它適用于只有單相電源(single-phasepower)的小型工業設備和家用電器中。Page66.2單相異步電動機6.2.1單相異步電動機的工作原理在交流電機中，當定子繞組通過交流電流時，建立了電樞磁動勢，它對電機能量轉換和運行性能都有很大影響。所以單相交流繞組通入單相交流產生脈振磁動勢，該磁動勢可分解為兩個幅值相等、轉速相反的旋轉磁動勢和，從而在氣隙中建立正傳和反轉磁場和。這兩個旋轉磁場切割轉子導體，并分別在轉子導體中產生感應電動勢和感應電流。

Page76.2單相異步電動機該電流與磁場相互作用產生正、反電磁轉矩。正向電磁轉矩企圖使轉子正轉；反向電磁轉矩企圖使轉子反轉。這兩個轉矩疊加起來就是推動電動機轉動的合成轉矩。不論是還是，他們的大小與轉差率的關系和三相異步電動機的情況是一樣的。若電動機的轉速是，則對正轉磁場而言，轉差率為：對反轉磁場而言，轉差率為：Page86.2單相異步電動機

單相異步電動機的T-s曲線見左圖由圖可知單相異步電動機的主要特點有：（1）n=0,s=1,T=T++T-=0，說明單相異步電動機無啟動轉矩，如不采取其他措施，電動機不能啟動。（2）當s≠1時，T≠0，T無固定方向，它取決于s的正、負。（3）由于反向轉矩存在，使合成轉矩也隨之減小，鼓單相異步電動機的過載能力較低。Page96.2單相異步電動機Page10電容分相式起動6.2單相異步電動機啟動時開關K閉合，使兩繞組電流相位差約為90°，從而產生旋轉磁場，電機轉起來；轉動正常以后離心開關被甩開，啟動繞組被切斷。工作原理Page11罩極式單相電機定子通入電流以后，部分磁通穿過短路環，并在其中產生感應電流。短路環中的電流阻礙磁通的變化，致使有短路環部分和沒有短路環部分產生的磁通有了相位差，從而形成旋轉磁場，使轉子轉起來。

6.2單相異步電動機Page12單相異步電動機的功率小，主要制成小型電機。它的應用非常廣泛，如家用電器（洗衣機、電冰箱、電風扇）、電動工具（如手電鉆）、醫用器械、自動化儀表等。6.2.3單相異步電機的使用上圖中電機的轉動方向：瞬時針旋轉。因為沒有短路環部分的磁通比有短路環部分的磁通領先。6.2單相異步電動機Page136.3測速發電機測速發電機是一種測量轉速的微型發電機，他把輸入的機械轉速變換為電壓信號輸出，并要求輸出的電壓信號與轉速成正比。測速發電機分直流測速發電機和交流測速發電機兩大類。6.3.1直流測速發電機

直流測速發電機本質上是一種微型直流發電機，按定子磁極的勵磁方式分為電磁式和永磁式。直流測速發電機的工作原理與一般直流發電機相同。圖6-4直流測速發電機的工作原理Page146.3測速發電機在恒定的磁場φ0中，外部的機械轉軸帶動電樞以轉速n旋轉，電樞繞組切割磁場從而在電刷間產生電動勢。Page156.3測速發電機空載時，直流測速發電機的輸出電壓等于電樞電動勢，即U0=E0。有負載時，若電樞電阻為Ra，負載電阻為RL，則直流測速發電機的輸出電壓為其中Page166.3測速發電機

6.3.2交流測速發電機交流異步測速發電機的轉子結構有籠型的，也有杯型的，在控制系統中多用空心杯轉子異步測速發電機。空心杯轉子異步測速發電機定子上有兩個在空間上相互差90°電角度的繞組，一為勵磁繞組，另一為輸出繞組。

Page176.3測速發電機轉子靜止：勵磁繞組產生的磁通在轉子繞組上感應電勢，產生電流。轉子磁勢不與輸出繞組交鏈，所以，輸出繞組不感應電勢，即：輸出電壓為零，U=0。圖6-6空心杯轉子異步測速發電機原理圖Page186.3測速發電機

交流同步測速發電機分為：永磁式、感應式和脈沖式。交流異步測速發電機的誤差主要有：非線性誤差：由于直軸磁通d變化使測速發電機產生非線性誤差；剩余電壓：實際運行中，轉子靜止時，測速發電機輸出一個較小的電壓；相位誤差：由于勵磁繞組的漏抗、空心杯轉子的漏抗使輸出電壓與勵磁電壓的相位不同。Page196.4伺服電動機伺服電動機(servomotor)的功能是將所輸入的電壓信號轉換為軸上的角位移或角速度輸出，其轉速和轉向隨輸入電壓信號的大小和方向變化而改變的控制電機。伺服電動機能帶一定的負載，在自動控制系統中作執行元件，所以又稱為執行電動機。例如數控車床，刀具由伺服電動機拖動，他會按照給定目標的形狀拖動刀具進行切割器件。早期伺服電動機輸出功率較小，功率范圍一般為0.1～100瓦，而目前伺服技術發展很快，幾千瓦的大功率伺服電動機相繼出現。

Page206.4伺服電動機Page216.4伺服電動機伺服電動機可分為兩類：交流伺服電動機直流伺服電動機伺服電動機可控性好，反應迅速。是自動控制系統和計算機外圍設備中常用的執行元件。Page226.4伺服電動機6.4.1直流伺服電動機原理：直流伺服電動機的結構與直流電動機基本相同。只是為減小轉動慣量，電機做得細長一些。所不同的是電樞電阻大，機械特性軟、線性（電阻大，可弱磁起動、可直接起動）。供電方式：他勵供電。勵磁繞組和電樞分別兩個獨立的電源供電。Page236.4伺服電動機控制方式：1.電樞控制（主要）；2.磁極控制（少用）。U1為勵磁電壓，U2為電樞電壓圖6-9直流伺服電動機的接線圖Page24由機械特性可知：(1)一定負載轉矩下，當磁通不變時，U2n。(2)U2=0時，電機立即停轉。電動機反轉：改變電樞電壓的極性，電動機反轉。直流伺服電機的機械特性與他勵直流電機相同一樣，也可用下式表示機械特性曲線如圖所示。6.4伺服電動機圖6-10機械特性Page25直流伺服電動機的特點：電阻大，機械特性軟。線性；滑動接觸；火花干擾；慣性大；體積大；相對價高，其調節特性如左圖所示。

6.4伺服電動機圖6-11調節特性Page26直流伺服電機的特性較交流伺服電機硬。通常應用于功率稍大的系統中，如隨動系統中的位置控制等。

應用：6.4伺服電動機Page276.4.2交流伺服電動機兩相交流異步電機。它的定子上裝有空間互差90的兩個繞組：勵磁繞組和控制繞組，其結構如圖所示。圖6-12交流伺服電動機結構圖6.4伺服電動機Page28通過相應措施使通入兩個繞組的電流相位差接近90,從而產生所需的旋轉磁場。6.4伺服電動機圖6-14交流伺服電機的電氣原理Page29

6.4伺服電動機交流伺服電動機的控制方式（1）幅值控制圖6-16幅值控制Page30交流伺服電動機的機械特性如圖所示。在勵磁電壓不變的情況下，隨著控制電壓的下降，特性曲線下移。在同一負載轉矩作用時，電動機轉速隨控制電壓的下降而均勻減小。6.4伺服電動機圖6-16交流伺服電動機的機械特性和調節特性Page31

6.4伺服電動機交流伺服電動機的控制方式（2）相位控制圖6-18相位控制Page32

6.4伺服電動機交流伺服電動機的控制方式（3）幅值-相位控制圖6-19幅值-相位控制Page33加在控制繞組上的控制電壓反相時(保持勵磁電壓不變)，由于旋轉磁場的旋轉方向發生變化，使電動機轉子反轉。

交流伺服電動機的特點：在電動機運行時如果控制電壓變為零，電動機立即停轉。6.4伺服電動機Page34交流伺服電機的輸出功率一般為0.1-100W，電源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應用很廣泛，如用在各種自動控制、自動記錄等系統中。應用:6.4伺服電動機Page356.5步進電動機步進機將脈沖信號轉換為角位移或線位移。主要要求：動作靈敏、準確、重量輕、體積小、運行可靠、耗電少等。Page366.5步進電動機6.5.1結構與基本工作原理機理：步進電機是利用電磁鐵原理，將脈沖信號轉換成線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，電機轉動一個角度，帶動機械移動一小段距離。特點：(1)來一個脈沖，轉一個步距角。(2)控制脈沖頻率，可控制電機轉速。(3)改變脈沖順序，改變方向。Page37種類：根據勵磁式方式的不同分為：反應式、永磁式和混合式（又叫感應子式）三種。反應式步進電機的應用較多。下面以反應式步進電機為例說明步進電機的結構和工作原理。6.5步進電動機Page38化，吸引轉子，使轉子的位置力圖使通電相磁路的磁阻最小，使轉、定子的齒對齊停止轉動。A相通電，A方向的磁通經轉子形成閉合回路。若轉子和磁場軸線方向原有一定角度，則在磁場的作用下，轉子被磁A

相通電使轉子1、3齒和AA'對齊。BA'CC'B'A32146.5步進電動機圖6-20（a）三相反應式步進電動機工作原理圖Page39同理，B相通電，轉子2、4齒和B相軸線對齊，相對A相通電位置轉30；4B'213BA'CC'A6.5步進電動機圖6-20（b）三相反應式步進電動機工作原理圖Page40BA'CC'B'A2143最后，C相通電，轉子1、3齒和C相軸線對齊，相對B相通電比較，轉子再次轉動30。6.5步進電動機圖6-20（c）三相反應式步進電動機工作原理圖Page411結構步進機主要由兩部分構成：定子和轉子。它們均由磁性材料構成，以三相為例其定子和轉子上分別有六個、四個磁極。定子轉子定子繞組6.5步進電動機步進電動機結構簡圖Page42定子的六個磁極上有控制繞組，兩個相對的磁極組成一相。注意：這里的相和交流電中的“相”的概念不同。步進機通的是直流電脈沖，這主要是指線圖的聯接和組數的區別。ABC定子轉子IAIBIC6.5步進電動機圖6-22三相反應式步進電動機Page432工作方式(以三相步進電機為例)步進電機的工作方式可分為：三相單三拍、三相六拍、三相雙三拍等。一、三相單三拍三相繞組中的通電順序為：A相

B相

C相通電順序也可以為：

A相C相B相

6.5步進電動機Page44這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個循環周期共包括三個脈沖，所以稱三相單三拍。三相單三拍的特點：（1）每來一個電脈沖，轉子轉過30。此角稱為步距角，用b表示。（2）轉子的旋轉方向取決于三相線圈通電的順序，改變通電順序即可改變轉向。6.5步進電動機Page45通電順序：A–B–C–A步進電機單相單三拍的工作方式總結單三拍：每一次只有一相繞組通電，三次通電完成一個循環。每一拍轉子轉過的角度稱步距角。反轉通電順序：A–C–B–A圖6-21步進電機的三相單、雙六拍運行方式6.5步進電動機Page46二、三相六拍三相繞組的通電順序為：

AABBBCCCAA

共六拍。工作過程：A相通電，轉子1、3齒和AA'相對齊。6.5步進電動機BA'CC'B'A3214Page47所以轉子轉到兩磁拉力平衡的位置上。相對AA'通電，轉子轉了15°。當控制繞組A相和B相同時通電，轉子2，4齒受到反應轉矩作用使轉子逆時針方向轉動，同時1、3齒不再與AA'對齊，而是受到一個順時針的轉矩作用，當這兩個方向相反的轉矩大小相等使，轉子停止轉動，如左圖所示。6.5步進電動機BA'CC'B'A3214Page48總之，每個循環周期，有六種通電狀態，所以稱為三相六拍，步距角為15。當A相斷電，而保持B相通電，轉子2、4齒和B相對齊，又轉了15。6.5步進電動機4B'213BA'CC'APage49通電順序：A–AB–B–BC–C–CA–A反轉通電順序：A–CA–C–BC–B–AB–A步進電機三相六拍的工作方式總結6.5步進電動機BA'CC'B'A3214A相通電(b)AB相通電15BA'CC'B'A3214(c)B相通電304B'213BA'CC'APage50三相繞組的通電順序為：

AB

BC

CA

AB

共三拍。AB通電BC通電BA'CC'B'A21436.5步進電動機BA'CC'B'A3214Page51以上三種工作方式，三相雙三拍和三相六拍較三相單三拍穩定，因此較常采用。工作方式為三相雙三拍時，每通入一個電脈沖，轉子也是轉30，即b=30。CA通電6.5步進電動機BA'CC'B'A2143Page52通電順序：AB–BC–CA–AB反轉通電順序：AB–CA–BC–AB每次有兩相繞組通電步進電機三相雙三拍的工作方式總結工作方式為三相雙三拍時，每通入一個電脈沖，轉子轉30，即b=30。6.5步進電動機Page53以上三種工作方式，三相雙三拍和三相六拍較三相單三拍穩定，因此較常采用。每個定子磁極下的轉子齒數不能為整數，而應相差1/m步距角：b=360oZrNZr：轉子齒數；N：循環的拍數。齒距角：——Zr360其中，m為相數，p為磁極對數，k為整數6.5步進電動機Page54f：電脈沖的頻率轉速步進機通過一個電脈沖,轉子轉過的角度,稱為步距角。N:一個周期的運行拍數Zr：轉子齒數如：Zr=40,N=3

時步距角6.5步進電動機Page556.5.2運行特性

步進電動機不改變通電情況的運行狀態稱為靜態運行。電機定子齒與轉子齒中心線之間的夾角θ叫做失調角，用電角度表示。步進電機靜態運行時轉子受到的反應轉矩T叫做靜轉矩，通常以θ增加的方向為正。步進電機的靜轉矩T與失調角θ之間的關系T=f(θ)叫做矩角特性。6.5步進電動機

圖6-23步進電動機的轉矩和轉角Page56當接入控制繞組的脈沖頻率較低，電機轉子完成一步之后，下一個脈沖才到來，電機呈現一轉一停的狀態，故稱之為步進運行狀態。負載（即空載）時步進電機的運行狀態如下圖所示。

6.5步進電動機

圖6-25步進電動機空載運行狀態Page576.5步進電動機上面是步進電機空載步進運行時的情況，當步進電機帶上負載運行時情況有所不同。帶上負載TL后，轉子每走一步不再停留在穩定平衡點，而是停留在靜轉矩T等于負載轉矩的點上，如下圖，在a1、b1、c1處，T=TL，轉子停止不的不動。

圖6-26步進電動機負載運行狀態Page586.5.3驅動電源脈沖分配器：決定步進電機定子繞組通電順序和電機轉速的電路。功率放大器：分配器輸出的脈沖信號必須經過功率放大，才能作為勵磁電流送到步進電機定子繞組。6.5步進電動機圖6-28步進電動機的驅動電路方框圖Page59步進電機的應用主要用于數字控制系統中，精度高，運行可靠。如采用位置檢測和速度反饋，亦可實現閉環控制。步進電動機已廣泛地應用于數字控制系統中，如數模轉換裝置、數控機床、計算機外圍設備、自動記錄儀、鐘表等之中，另外在工業自動化生產線、印刷設備等中亦有應用。6.5步進電動機Page606.6其他控制微電機

6.6.1自整角機自整角機在自動控制系統中用做角度的傳輸、指示或變換，通常將兩臺或多臺相同的自整角機組合起來使用。自整角機有控制式和力矩式兩種，其用途不同。力矩式自整角機用做遠距離轉角指示，控制式自整角機可以將轉角轉換成電信號。自整角機的結構分成定子和轉子兩大部分，接觸式自整角機結構如圖下圖所示。Page616.6其他控制微電機1—定子；2—轉子；3—阻尼繞組；4—電刷；5—接線柱；6—滑環力矩式自整角機的轉子多采用兩極的凸極結構，對頻率較高、規格較大的力矩式自整角機采用隱極結構。控制式自整角機的接收機轉子采用隱極結構。通常，定子鐵心槽內嵌有接成星形的三相對稱繞組，稱之為整步繞組。轉子鐵心槽內嵌有單相繞組，稱之為勵磁繞組。勵磁繞組通過滑環和電刷裝置與外電路連接。圖6-29自整角機的基本結構Page62控制式自整角機的工作原理可以由左圖來說明。圖中由結構、參數均相同的兩臺自整角機構成自整角機組。一臺用來發送轉角信號，它的勵磁繞組接到單相交流電源上，稱為自整角發送機，用ZKF表示。另一臺用來接收轉角信號并將轉角信號轉換成勵磁繞組中的感應電動勢輸出，稱之為自整角接收機，用ZKJ表示。兩臺自整角機定子中的整步繞組均接成星形，三對相序相同的相繞組分別接成回路。6.6其他控制微電機1控制式自整角機的工作原理Page63圖6-31控制式自整角機工作原理圖

6.6其他控制微電機Page64在自整角發送機的勵磁繞組中通入單相交流電流時，兩臺自整角機的氣隙中都將產生脈振磁場，其大小隨時間按余弦規律變化。脈振磁場使自整角發送機整步繞組的各相繞組生成時間上同相位的感應電動勢，電動勢的大小取決于整步繞組中各相繞組的軸線與勵磁繞組軸線之間的相對位置。當整步繞組中的某一相繞組軸線與勵磁繞組軸線重合時，該相繞組中的感應電動勢為最大值，用EFm表示電動勢的最大值。

6.6其他控制微電機Page65設發送機整步繞組中的A相繞組軸線與其對應的勵磁繞組軸線的夾角為θJ，接收機整步繞組中的A相繞組軸線與其對應的勵磁繞組軸線的夾角為θF，如圖上圖所示。發送機整步繞組中各相繞組的感應電動勢有效值為

6.6其他控制微電機Page66

可以證明：接收機勵磁繞組的合成電動勢，即輸出電動勢E0為

式中E0m——最大輸出電動勢有效值

從上式看出，失調角=0時，接收機的輸出電動勢為最大而不是零，且與失調角有余弦關系的輸出電動勢不能反映發送機轉子的偏轉方向，故很不實用。實際的控制式自整角機是將接收機轉子繞組軸線與發送機轉子繞組軸線垂直時的位置作為計算F的起始位置。此時，輸出電動勢表示為

6.6其他控制微電機Page67

由于接收機轉子不能轉動，即是恒定的。J控制式自整角機的輸出電動勢的大小反映了發送機轉子的偏轉角度，輸出電動勢的極性反映了發送機轉子的偏轉方向，從而實現了將轉角轉換成電信號。6.6其他控制微電機Page682力矩式自整角機的工作原理力矩式自整角機的工作原理可以由左圖來說明。圖中由結構、參數均相同的兩臺自整角機構成自整角機組，一臺用來發送轉角信號，稱自整角發送機，用ZLF表示；另一臺用來接收轉角信號，稱為自整角接收機，用ZLJ表示。兩臺自整角機中的整步繞組均接成星形，三對相序相同的相繞組分別連接成回路。兩臺自整角機轉子中的勵磁繞組接在同一個單相交流電源上。6.6其他控制微電機Page69圖6-35力矩式自整角機接線圖及磁動勢圖6.6其他控制微電機Page70

在勵磁繞組中通入單相交流電流時，兩臺自整角機的氣隙中都將生成脈振磁場，其大小隨時間按余弦規律變化。脈振磁場使整步繞組的各相繞組生成時間上同相位的感應電動勢，電動勢的大小取決于整步繞組中各相繞組的軸線與勵磁繞組軸線之間的相對位置。當整步繞組中的某一相繞組軸線與其對應的勵磁繞組軸線重合時，該相繞組中的感應電動勢為最大，用Em表示電動勢的最大值。6.6其他控制微電機Page71設發送機整步繞組中的A相繞組軸線與其對應的勵磁繞組軸線的夾角為F，接收機整步繞組中的A相繞組軸線與其對應的勵磁繞組軸線的夾角為J，如圖上圖所示。則整步繞組中各相繞組的感應電動勢有效值如下。6.6其他控制微電機Page72對發送機

對接收機

由于發送機與接收機各連接相的感應電動勢在時間上是同相位的，可得各相回路的合成電動勢為

式中=F-J為發送機、接收機偏轉角之差，稱為失調角6.6其他控制微電機Page73當J≠F，即失調角≠0時，整步繞組中各相回路的合成電動勢不為零，使各相回路中產生均衡電流。設整步繞組中的各相阻抗為Z，則各相回路的均衡電流有效值為

6.6其他控制微電機Page74由于J≠F時，整步繞組各相回路中存在均衡電流，帶電的整步繞組在氣隙磁場的作用下產生電磁轉矩，電磁轉矩作用于整步繞組而試圖使定子旋轉。只要發送機轉子轉過一個角度，接收機的轉子就會在接收機本身生成的電磁轉矩作用下轉過一個相同的角度，J=F,從而實現了轉角遠距離再現。

6.6其他控制微電機Page75

實際上，由于存在摩擦轉矩，當電磁轉矩隨失調角減小而減小到等于或小于摩擦轉矩時，接收機的轉子就停轉了，也就是說，均衡電流未下降到零時接收機轉子就停轉了，說明接收機轉子的偏轉角與發送機轉子的偏轉角還有一定的偏差，即仍存在失調角，此時的失調角稱為靜態誤差角。靜態誤差角越小，力矩式自整角機的精度越高。6.6其他控制微電機Page766.6其他控制微電機

旋轉變壓器是自動裝置中較常用的精密控制電機。當旋轉變壓器的定子繞組施加單相交流電時，其轉子繞組輸出的電壓與轉子轉角成正弦余弦關系或線性關系等函數關系。旋轉變壓器結構與繞線式異步電動機類似，其定子、轉子鐵芯通常采用高磁導率的鐵鎳硅鋼片沖疊而成，在定子鐵芯和轉子鐵芯上