自動控制元件講義2014

1、1.1 直流電機在微型控制電機中，直流電機包括直流伺服電動機、直流測速發(fā)電機，前者將電能轉換為機械能，后者將機械能轉換為電能。二者在結構上沒有差別。直流電機雖然結構比較復雜，造價比較高，但是因其具有良好的啟動和調速特性，被廣泛應用于各種自動控制系統(tǒng)中。1.1.1直流電機分類直流電機按結構及工作原理可分為無刷直流電機和有刷直流電機。有刷直流電機可分為永磁直流電機和電磁直流電機。電磁直流電動機又分為串勵直流電機、并勵直流電機、他勵直流電機和復勵直流電機。永磁直流電機又分為稀土永磁直流電機、鐵氧體永磁直流電機和鋁鎳鈷永磁直流電機。下面分別簡單介紹。一 電磁直流電機按照勵磁方式可分為他勵電機、并勵電機

2、、串勵電機和復勵電機。 1他勵電機見圖1-1。勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個直流電源供電。 圖1-1他勵電機 圖1-2并勵電機2并勵電機見圖1-2。勵磁繞組和電樞繞組并聯(lián)，由一個直流電源供電。3串勵電動機見圖1-3。勵磁線圈與轉子電樞串聯(lián)接到同一電源上。 圖1-3串勵電機 圖1-4復勵電機4復勵電動機見圖1-4。勵磁線圈與轉子電樞的聯(lián)接有串有并，接在同一電源上。二 永磁式直流電機永磁式直流電機也由定子磁極、轉子、電刷、外殼等組成， 定子磁極采用永磁體（永久磁鋼），有鐵氧體、鋁鎳鈷、釹鐵硼等材料。按其結構形式可分為圓筒型和瓦塊型等幾種。錄放機中使用的電多數為圓筒型磁體，而電動工具及汽車用

3、電器中使用的電機多數采用專塊型磁體。三 無刷直流電機無刷直流電機是采用半導體開關器件來實現(xiàn)電子換向的，即用電子開關器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機械噪聲低等優(yōu)點，廣泛應用于高檔錄音座、錄像機、電子儀器及自動化辦公設備中。 1.1.2直流伺服電動機一 有刷直流伺服電動機結構及工作原理有刷直流伺服電動機結構與普通小型直流電動機相同，由定子(磁極)、轉子 (電樞)和機座等部分構成。見圖1-5。圖1-5 有刷直流伺服電動機基本結構磁極：用來在電機中產生磁場。永磁式直流電動機的磁極由永久磁鐵做成；勵磁式直流電動機的磁極上繞線圈，線圈中通過直流電，形成電磁鐵。磁極

4、上的線圈通以直流電產生磁通，稱為勵磁。轉子(電樞)：由鐵心、繞組（線圈）、換向器組成。電樞鐵心由硅鋼片疊裝而成。電樞繞組由結構、形狀相同的線圈組成。直流伺服電動機的工作原理與普通直流電動機相同。勵磁繞組中流過電流所產生的磁通與電樞繞組中通過的電流互相作用時即產生電磁轉矩，使伺服電動機旋轉。如圖1-6a所示，直流電從兩電刷之間通入電樞繞組，電樞電流方向如圖。 a)直流伺服電動機工作原理 b)電樞感應電動勢E的方向 圖1-6 直流伺服電動機由于換向片和電源固定聯(lián)接，無論線圈怎樣轉動，總是S極有效邊的電流方向向里, N極有效邊的電流方向向外。電動機電樞繞組通電后中受力(左手定則)按順時針方向旋轉。線

5、圈在磁場中旋轉，將在線圈中產生感應電動勢。由右手定則，感應電動勢的方向與電流的方向相反。 電樞感應電動勢： (V) (1-1)式中，：反電動勢常數；n：電動機轉速；F：磁通。由圖1-6b可知，電樞感應電動勢Ea與電樞電流或外加電壓方向總是相反，故稱反電勢。 電樞回路電壓平衡式： (1-2)式中，Ua：外加電壓；Ra：繞組電阻。電磁轉矩：直流電動機電樞繞組中的電流(電樞電流Ia)與磁通j相互作用，產生電磁力和電磁轉矩，直流電機的電磁轉矩公式為 (Nm) (1-3)式中，：電磁轉矩常數；F：線圈所處位置的磁通；Ia：電樞繞組中的電流。轉矩平衡關系：電動機的電磁轉矩Te為驅動轉矩, 它使電樞轉動。在

6、電機運行時，電磁轉矩必須和機械負載轉矩及空載損耗轉矩相平衡，即 (Nm) (1-4)式中，：機械負載轉矩；：空載轉矩。 轉矩平衡過程：當電動機軸上的機械負載發(fā)生變化時，通過電動機轉速、電動勢、電樞電流的變化，電磁轉矩將自動調整，以適應負載的變化，保持新的平衡。例：設外加電樞電壓Ua 一定，Te=TL (平衡)，此時，若TL突然增加，則調整過程為：二 直流力矩電動機結構和工作原理直流力矩電機屬于輸出低轉速、大力矩的伺服電動機。為了省去或簡化機械變速機構，往往在驅動控制系統(tǒng)中采用力矩電動機來驅動機械負載。力矩電動機反應速度快，轉速波動小，能在高轉矩低轉速下穩(wěn)定運行，機械特性和調節(jié)特性線性度好，具有

7、高耦合剛度。因此，它特別適合于在位置控制系統(tǒng)和寬調速系統(tǒng)中作執(zhí)行元件，也適用于需要大轉矩、低速、轉速調節(jié)、轉速反饋和需要一定張力的場合。廣泛應用于各種雷達天線的驅動、光電跟蹤等高精度傳動系統(tǒng)、以及一般儀器儀表驅動裝置上。直流力矩電動機大多采用永磁勵磁。其基本要求與直流伺服電動機相似。為了獲得大的輸出轉矩和低的轉速，一般作成扁平結構（見圖1-7）。電機電樞鐵心長度和外徑之比很?。▓D中僅0.2左右）。為了使電機工作穩(wěn)定，電機的輸出轉矩不能超過最大堵轉轉矩。后者又稱峰值堵轉轉矩。與峰值堵轉轉矩相應的電樞電流稱為峰值堵轉電流。如果電樞電流超過峰值堵轉電流，電機便去磁，需要重新充磁才能正常工作。為了減小

8、轉矩和轉速的脈動，定子采用多對磁極，電樞選用較多的槽數、換向片數和串聯(lián)導體數。力矩波動M表示電樞處于不同位置時的輸出力矩的變化，M=(M最大-M最小)/ (M最大+M最小)×100%。圖1-7直流力矩電動機結構直流力矩電動機采用大內孔扁平結構，有利于電機直接套在負載軸上，提高系統(tǒng)的耦合剛度，使系統(tǒng)反應迅速，頻帶展寬，穩(wěn)定工作，滿足動態(tài)性能要求。電機常數KL是力矩電動機的一個重要指標，它表示峰值堵轉轉矩與輸入峰值堵轉功率平方根之比,它既反映了電機本身的利用率，又考慮到電機所消耗的功率。直流力矩電動機的總體結構可分為分裝式和組裝式兩種。分裝式是由定子、電樞和刷架3大件組成，其余支承部分由

9、用戶根據整機安裝要求自行選定。組裝式與一般電機相同，電機成一獨立整體。為了克服直流力矩電動機采用電刷、換向器帶來的弊病，70年代末發(fā)展了無刷直流力矩電動機，其原理、結構與無刷直流電動機相同。三 永磁直流電動機結構和工作原理 a)圓筒式 b) 帶軟鐵極靴式圖1-8鋁鎳鈷永磁體勵磁結構永磁直流電動機在結構上除定子部分沒有勵磁繞組外，其電樞、電刷、換向器等零部件均與普通直流電動機相同。圖1-8中所示為鋁鎳鈷永磁體勵磁結構。由于鋁鎳鈷的矯頑力較小，需要較長的永磁體有效長度(圖中l(wèi)m)以產生足夠的磁通勢，所以常采用圓筒式結構，圖1-8a。為避免電樞反應磁場對永磁體的影響，在永磁電機中可加軟鐵極靴，圖1-

10、8b。在電機帶負載時，這種結構可以使電樞電流產生的電樞反應磁通只通過極靴而不進入永磁體，保證了工作磁通的恒定，提高了永磁體的利用率，也有利于換向。極靴和永磁體應貼合緊密，工藝上要求較高。采用鐵氧體勵磁時，可采用瓦塊式結構、瓦塊帶極靴式結構和圓筒式結構。前者適用各向異性材料，磁鋼利用率高，結構簡單，便于批量生產，但氣隙磁通密度低。瓦塊帶極靴式結構可提高氣隙磁通密度，但結構較復雜。圓筒式結構簡單，便于生產，但材料利用率低，不利于換向。采用稀土永磁體勵磁時，其磁路結構與瓦塊式相似。但因它的矯頑力更大，磁極的徑向尺寸可進一步縮小。永磁電動機的電刷使用單性金屬片或金屬石墨電刷、電化石墨電刷。 

11、錄放機中使用的永磁式直流電動機，采用電子穩(wěn)速電路或離心式穩(wěn)速裝置。四 無刷直流電動機結構和工作原理無刷直流電動機由電動機主體和驅動器組成。定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。電動機的轉子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉子的極性，在電動機內裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產生連續(xù)轉矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速；提供保護和顯示等等。無刷直流電動機的原理簡圖如圖1-9所示。圖1-9 無刷直流電

12、動機的原理簡圖主電路是一個典型的電壓型交-直-交電路，逆變器提供等幅等頻5-26KHZ調制波的對稱交變矩形波。永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產生相位差120°的U、V、W方波，結合正/反轉信號產生有效的六狀態(tài)編碼信號：101、100、110、010、011、001，通過邏輯組件處理產生T1-T4導通、T1-T6導通、T3-T6導通、T3-T2導通、T5-T2導通、T5-T4導通，也就是說將直流母線電壓依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，這樣轉子每轉過一對N-S極，T1-T6功率管即按固定組合成六種狀態(tài)的依次導通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次

13、改變一種狀態(tài)，定子繞組產生的磁場軸線在空間轉動60°電角度，轉子跟隨定子磁場轉動相當于60°電角度空間位置，轉子在新位置上，使位置傳感器U、V、W按約定產生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導通組合，使定子繞組產生的磁場軸再前進60°電角度，如此循環(huán)，無刷直流電動機將產生連續(xù)轉矩，拖動負載作連續(xù)旋轉。正因為無刷直流電動機的換向是自身產生的，而不是由逆變器強制換向的，所以也稱作自控式同步電動機。無刷直流電動機的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成磁場軸線位置超前轉子磁場軸線位置，所以不論轉子的起始位置處在何處，電動機在啟動瞬間就會產生足夠大的啟動轉矩，因此轉子上不需

14、另設啟動繞組。由于定子磁場軸線可視作同轉子軸線垂直，在鐵芯不飽和的情況下，產生的平均電磁轉矩與繞組電流成正比，這正是他勵直流電動機的電流-轉矩特性。無刷直流電動機的位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。采用磁敏式位置傳感器的無刷直流電動機，其磁敏傳感器件（例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或專用集成電路等）裝在定子組件上，用來檢測永磁體、轉子旋轉時產生的磁場變化。采用光電式位置傳感器的無刷直流電動機，在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件，轉子上裝有遮光板，光源為發(fā)光二極管或小燈泡。轉子旋轉時，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇間生脈沖信號。采用電磁式

15、位置傳感器的無刷直流電動機，是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件（例如耦合變壓器、接近開關、LC諧振電路等），當永磁體轉子位置發(fā)生變化時，電磁效應將使電磁傳感器產生高頻調制信號（其幅值隨轉子位置而變化）。 五 直流伺服電動機基本特性1直流伺服電動機靜態(tài)特性對于直流伺服電動機，靜態(tài)特性是指當控制電壓和負載轉矩均不變的情況下，電機運行在一定轉速時對應的穩(wěn)定工作狀態(tài)時所具有的特性。直流電動機通常以機械特性和調節(jié)特性表征其靜態(tài)工作特性。機械特性是指在控制電壓一定的情況下，電動機電磁轉矩Te與轉速n之間的關系Te=f(n)；調節(jié)特性是指在負載轉矩一定的情況下，轉速與控制電壓之間的關系n=f(Ua)。圖1-

16、10永磁直流電動機的機械特性曲線簇和調節(jié)特性曲線簇。a)機械特性 b) 調節(jié)特性 圖1-10直流伺服電動機靜態(tài)特性曲線從直流伺服電動機的調節(jié)特性可以看出，電磁轉矩一定時，控制電壓愈高，電動機轉速愈高，轉速與控制電壓成正比。調節(jié)特性與橫軸交點的橫坐標為負載轉矩一定時的始動電壓。當負載轉矩大于零并為一定值時，電動機的控制電壓大于相應的始動電壓，則電機的電磁轉矩大于負載轉矩，電動機才能起動并達到 某一轉速；反之，控制電壓小于相應的始動電壓，則電動機的最大電磁轉矩小于負載轉矩，它就不能起動。我們稱調節(jié)特性曲線的橫坐標從零到始動電壓的這一范圍為在一定負載轉矩時的控制失靈區(qū)。顯然，失靈區(qū)的大小與

17、負載轉矩成正比，即負載轉矩愈大，始動電壓也愈大。直流伺服電動機的機械持性和調節(jié)特性都是一組平行線，線性度好，這是直流伺服電動機很可貴的優(yōu)點。但是，以上所述結論是在假設電動機磁路磁化曲線為直線和不計電樞反應的情況下得到的，實際工作中的直流伺服電動機其機械持性和調節(jié)持性都是一條接近于直線的曲線，線性度不是十分理想。2直流伺服電動機動態(tài)特性動態(tài)工作特性是指實際的動作與相應的動作命令之間的響應關系。圖1-11直流伺服電動機等效電路直流伺服電動機的等效電路如圖1-11所示。電路的電壓平衡方程和力矩平衡方程的拉氏變換為: (1-5) (1-6) (1-7) (1-8)式中，L a：電樞電感；J：轉動慣量；

18、：轉動角速度；：轉動部分阻尼系數。上述特性可以用圖1-12的方框圖表示：圖1-12直流伺服電動機方框圖令，為電機轉速；，為電磁時間常數；，為機械時間常數。則在控制電壓作用下，直流伺服電動機輸出轉速的過渡過程曲線(不同曲線對應的電機時間常數不同)如圖1-13。圖1-13直流伺服電動機輸出轉速的過渡過程曲線圖中，n0為直流伺服電動機理想空載轉速。1.1.3直流測速發(fā)電機一 直流測速發(fā)電機結構及工作原理直流測速發(fā)電機結構與直流伺服電動機相似，也由定子(磁極)、轉子 (電樞)和機座等部分構成。直流測速發(fā)電機原理圖見圖1-14a。電樞電動勢： (1-9)測速發(fā)電機空載時，其輸出電壓Ua為 (1-10)當

19、直流測速發(fā)電機負載時，電樞繞組中因流過電樞電流Ia而在電樞繞組電阻Ra上產生電壓降Ia·Ra，如果忽略電樞反應、工作溫度對主磁通F 的影響，忽略電刷與換向器之間的接觸壓降，則有: (1-11)得 (1-12)由上式可見，只要主磁通F、接觸電壓降、電樞電阻Ra、負載電阻RL為常數，則輸出電壓Ua與電機的轉速n成線性關系。 a)直流測速發(fā)電機原理圖 b)直流測速發(fā)電機輸出特性曲線圖1-14 直流測速發(fā)電機二 直流測速發(fā)電機基本特性由直流測速發(fā)電機工作原理可知：輸出電壓Ua與電機的轉速n成線性關系。輸出電壓Ua隨電機轉速n變化而變化的關系曲線稱為輸出特性，如圖1-14b實線所示。負載電阻R

20、L的值越大時，曲線斜率越大，測速發(fā)電機靈敏度越高?？紤]到溫度影響，電樞反應和電刷與換向器接觸壓降的影響，直流測速發(fā)電機實際輸出特性如圖1-14b中虛線所示。1.2 步進電機1.2.1步進電機基本工作原理一 步進電機基本原理步進電動機是一種將脈沖信號變換成相應的角位移(或線位移)的電磁裝置，是一種特殊的電動機。一般電動機都是連續(xù)轉動的，而步進電動機則有定位和運轉兩種基本狀態(tài)，當有脈沖輸入時步進電動機一步一步地轉動，每給它一個脈沖信號，它就轉過一定的角度。步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數嚴格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數量、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得所需的轉

21、角、轉速及轉動方向。一個步進電機系統(tǒng)的組成如圖1-20所示。圖1-20 步進電動機系統(tǒng)原理圖根據步進電機的電流，需要配用大于或等于此電流的驅動器。如果需要低振動或高精度時，可配用細分型驅動器。對于大轉矩電機，盡可能用高電壓型驅動器，以獲得良好的高速性能。步進電機驅動器不合理一般引起的故障現(xiàn)象包括：不工作，丟步（也可能電機力不夠），時走時停，大小步，震動大，抖動明顯，亂轉等。步進電機還涉及到控制器的設計，因為步進電機的驅動電路根據控制信號工作，控制信號由單片機（或其它如PLC（可編程控制器），F(xiàn)PGA（可編程邏輯器件）等）產生?？刂破骰驹碜饔萌缦拢?控制換相順序 通電換相這一過程稱為脈沖分配

22、。例如：三相步進電機的三拍工作方式，其各相通電順序為A-B-C-D，通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A，B，C，D相的通斷。 2控制步進電機的轉向 如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相，則電機就反轉。 3控制步進電機的速度 如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速。二 步進電機分類1步進電動機按其輸出轉矩劃分可以分為快速步進電動機和功率步進電動機?？焖俨竭M電動機連續(xù)工作頻率高而輸出轉矩較小，一般在N·cm級，可以作為控制小型精密機床

23、的工作臺(例線切割機床)也可以和液壓轉矩放大器組成電液脈沖馬達去驅動數控機床的工作臺，而功率步進電動機的輸出轉矩就比較大是N·m級的，可以直接去驅動機床的移動部件。2步進電動機按其勵磁相數劃分可以分為三相、四相、五相、六相甚至八相。一般來說隨著相數的增加，在相同頻率的情況下，每相導通電流的時間增加，各相平均電流會高些，從而使電動機的轉速-轉矩特性會好些，步距角亦小。但是隨著相數的增加，電動機的尺寸就增加，結構亦復雜，目前多用36相的步進電動機。3步進電動機按其工作原理劃分主要有反應式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）。永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積

24、較小，步進角一般為7.5度 或15度。反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩。混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度，這種步進電機的應用最為廣泛。目前，在國際上，混合式步進電動機也是最有發(fā)展前景的步進電機，其發(fā)展趨勢可以總結如下：1繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。隨著電動機本身應用領域的拓寬以及各類整機的不斷小型化，要求與之配套的電動機也必須越來越小。瑞士ESCAP公司最近研制出外徑僅10

25、mm的步進電動機。2改圓形電動機為方形電動機。由于電動機采用方型結構，使得轉子有可能設計得比圓形大，因而其力矩體積比將大為提高。同樣機座號的電動機，方形的力矩比圓形的將提高3040。3對電動機進行綜合設計，即把轉子位置傳感器，減速齒輪等和電動機本體綜合設計在一起，這樣使其能方便地組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性能。4向五相和三相電動機方向發(fā)展。目前廣泛應用的二相和四相電動機，其振動和噪聲較大，而五相和三相電動機具有優(yōu)勢性。而就這兩種電動機而言，五相電動機的驅動電路比三相電動機復雜，因此三相電動機系統(tǒng)的性能價格比要比五相電動機更好一些。1.2.2步進電動機技術參數一 重要參數1相數產生

26、不同對極N、S磁場的激磁線圈對數，是指電機內部的線圈組數，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72° 。在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅動器，則相數將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改變細分數，就可以改變步距角。目前應用最廣泛的是兩相和四相，四相電機一般用作兩相，五相的成本較高。2拍數完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態(tài)用n表示，或指電機轉

27、過一個齒距角所需脈沖數，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。3步距角對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移。步距角用表示，=360度/（轉子齒數*運行拍數）。以常規(guī)二、四相，轉子齒為50齒電機為例，四拍運行時步距角為=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。這個步距角可以稱之為電機固有步距角，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關。4定位轉矩（DETENT TORQUE）步進電機在不通電狀態(tài)下，電機轉子自身

28、的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的），DETENT TORQUE 在國內沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產生誤解；由于反應式步進電機的轉子不是永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE。5最大靜轉矩也叫保持轉矩（HOLDING TORQUE），電機在額定靜態(tài)電作用下（通電），電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩，即定子鎖住轉子的力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數之一。比如，當人們說

29、2N·m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2N·m的步進電機。雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數成正比，與定齒轉子間的氣隙有關，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。靜力矩選擇的依據是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）。二 步進電動機動態(tài)指標1步距角精度步進電機

30、每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角×100%。不同運行拍數其值不同，四拍運行時應在5%之內，八拍運行時應在15%以內。一般步進電機的精度為步進角的35%，且不累積。2失步電機運轉時運轉的步數，不等于理論上的步數。稱之為失步。步進電動機正常工作時，每接收一個控制脈沖就移動一個步距角，即前進一步。若連續(xù)地輸入控制脈沖，電動機就相應地連續(xù)轉動。步進電動機失步包括丟步和越步。丟步時，轉子前進的步數小于脈沖數；越步時，轉子前進的步數多于脈沖數。一次丟步和越步的步距數等于運行拍數的整數倍。丟步嚴重時，將使轉子停留在一個位置上或圍繞一個位置振動。目前，解決步進電動機

31、失步的方法有：適當減小步進電動機的驅動電流；采用細分驅動方法；采用阻尼方法，包括機械阻尼法。以上方法都能有效消除電動機振蕩，避免失步現(xiàn)象發(fā)生。3失調角轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。4最大空載起動頻率電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。5最大空載的運行頻率電機在某種驅動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。6運行矩頻特性電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據，當速度越大，其輸出力矩

32、越小，當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。7電機的共振點步進電機均有固定的共振區(qū)域。二、四相感應子式步進電機的共振區(qū)一般在180250pps(每秒脈沖數)之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應偏移共振區(qū)較多。8電機正反轉控制當電機繞組通電時序為AB-BC-CD-DA為正轉，通電時序為DA-CA-BC-AB時

33、為反轉。最簡單的反向是將A+，A-和B+，B-對調即可。1.3 旋轉變壓器1.3.1旋轉變壓器基本工作原理一 基本結構及工作原理旋轉變壓器是一種輸出電信號與轉子轉角成某種函數關系的電感式角度傳感元件，微特電機的一種。其工作原理與一般變壓器基本相同。對于變壓器來說，其原、副邊繞組耦合位置固定，輸出電壓恒定；旋轉變壓器的原、副邊繞組則隨轉子位置而變化，故隨著轉子轉角位置的改變，兩相輸出繞組的輸出電壓隨轉角改變而呈特定的函數關系。旋轉變壓器的結構與兩相線繞式異步電動機相似，由定子和轉子組成。在定、轉子鐵芯槽內分別嵌裝兩組軸線互相垂直的分布式繞組。為減小體積，鐵芯常采用坡莫合金等高磁導率材料疊裝而成。

34、轉子繞組通過滑環(huán)、電刷引出接線的為接觸式旋轉變壓器；用環(huán)形變應器耦合到定子上引出接線的為無接觸式旋轉變壓器。后者沒有接觸摩擦和無線電干擾。常用的工作頻率為50Hz，400Hz，500Hz，1000Hz和5000Hz。 旋轉變壓器工作原理見圖1-24。圖1-24 旋轉變壓器工作原理定子繞組D1-D2接交流電源激磁Uj，輸出繞組Z1-Z2接負載ZL。表1-1各類旋轉變壓器的特點與用途當主令軸帶動轉子轉過角時,各輸出繞組中產生的感應電壓分別為： (1-13) (1-14)式中，k：一相定、轉子繞組的有效匝數比（變比）如用轉子繞組激磁,定子繞組輸出時表達式相同（只是k值不同）。采用不同接線方

35、式或不同的繞組結構，可以獲得與轉角成不同函數關系的輸出電壓。采用不同的結構還可以制成彈道函數、圓函數、鋸齒波函數等特種用途的旋轉變壓器。 二 分類1按輸出電壓與轉子轉角的函數關系可分為正、余弦旋轉變壓器（其輸出電壓與轉子轉角成正弦或余弦函數關系）；線性旋轉變壓器(其輸出電壓與轉子轉角成線性函數關系)，比例式旋轉變壓器(其輸出電壓與轉角成比例關系)和感應移相器，特殊函數旋轉變壓器(其輸出電壓與轉角成特殊函數關系)。2按在同步隨動系統(tǒng)中功能可分為發(fā)送機、接收機、變壓器等。3按結構可分為接觸式和無接觸式；還可分為單極、多極型和雙通道旋轉變壓器，以及磁阻式旋轉變壓器。表1-1中列出各種旋轉變壓器的特點

36、與用途。取自"1.3.2旋轉變壓器基本特性一 正、余弦旋轉變壓器基本特性1空載運行特性空載運行是指輸出繞組Z1Z2 ，Z3Z4開路，定子補償繞組D3D4也開路，只有定子勵磁繞組D1D2施加交流勵磁電壓（見圖1-24）。由前面分析可知，空載且保持不變時，轉子輸出繞組Z1Z2的輸出電壓與轉子轉角呈余弦函數關系。因此，稱Z1Z2繞組為余弦輸出繞組；轉子輸出繞組Z3Z4上的輸出電壓與轉子轉角呈正弦函數關系。因此，稱Z3Z4繞組為正弦輸出繞組。正、余弦旋轉變壓器空載運行輸出特性曲線如圖1-25中實線所示。2負載運行特性正、余弦旋轉變壓器正弦輸出繞組加負載后，如圖1-26所示，當轉子輸出繞組Z3

37、Z4接上負載ZL時，在繞組Z3Z4中將有電流 流過， 在氣隙中也將產生脈振磁場，用位于Z3Z4軸線上的磁密空間向量來表示，認為正比于。把分解成兩個分量：一個分量與勵磁繞阻D1D2軸線稱為直軸分量，另一個分量與勵磁繞組D1D2軸線正交，稱交軸分量。交軸磁通使旋轉變壓器負載后輸出特性曲線發(fā)生畸變。畸變與轉子轉角有關，而且隨著負載電流增大而嚴重。正、余弦旋轉變壓器負載輸出特性曲線如圖1-25中虛線所示。 a)正弦輸出特性 b)余弦輸出特性圖1-25 正、余弦旋轉變壓器運行特性 圖1-26 正、余弦旋轉變壓器負載后3正、余弦旋轉變壓器消除輸出特性畸變的方法1) 副邊補償其勵磁繞組D1D2加交流勵磁電壓

38、Uj，D3D4繞組開路，轉子Z1Z2輸出繞組接阻抗。全面補償條件：余弦繞組的負載阻抗必須與正弦繞組的負載阻抗ZL相等。2) 原邊補償用原邊補償的方法也可以消除交軸磁通的影響。此時定子D1D2勵磁繞組接通交流電壓Uj，定子交軸繞組D3D4短接；轉子Z1Z2和Z3Z4繞組開路。3) 原、副邊補償其勵磁繞組D1D2加交流勵磁電壓Uj，D3D4繞組短接，轉子Z1Z2和Z3Z4繞組同時接大小相等的負載阻抗ZL。二 線性旋轉變壓器基本特性線性旋轉變壓器是指輸出電壓的大小與轉子轉角成正比的旋轉變壓器。原邊補償的線性旋轉變壓器如圖1-27所示。 1-27 線性旋轉變壓器接線圖 圖1-28 線性旋轉變壓器輸出特

39、性曲線Z3Z4繞組輸出電壓為： (1-15)式中，ku=WZ/WD ：旋轉變壓器轉、定子的匝數比，即變比，是一個常數。線性條件：當ku=0.52時，在±60°范圍攻內，輸出電壓與轉子轉角成線性關系，并且和理想直線相比較，誤差不超過0.1.在實際的線性旋轉變壓器中，為了獲得最佳的線性特性，在電源內阻很小時，其變比ku一般取0.560.57。其空載輸出特性曲線見圖1-28。1.4 自整角機1.4.1自整角機基本工作原理一 自整角機作用與結構自整角機是一種電感式角位移傳感元件，用作傳遞或檢測若干個機械上獨立的轉角，又稱自同步機，也可以把它看成是二次測可以自由旋轉的變壓器。根據使用

40、系統(tǒng)的精度要求，將自整角電機的工作方式分為力矩式和控制式兩類。根據測取單軸的角位移或是兩軸的角位移可分為普通式和差動式兩類。按有無滑環(huán)又可分為接觸式和無接觸式兩類。自整角電機在結構上類似同步電機，有勵磁繞組和電樞繞組，通常都做成一對極。磁極可為轉子，也可為定子。磁極可做成凸極式或隱極式，如圖1-33所示。通常力矩式自整角機轉子磁極大多采用兩極的凸極結構，其目的是為了能獲得較好的配合參數，提高運行效率。在控制式自整角機接收機中，為了提高控制精度，降低零位電壓，其轉子多采用隱極式結構。a)隱極式定子和轉子 b)隱極轉子和凸極定子 c)隱極定子和凸極轉子 圖1-33 自整角電機鐵芯沖片定、轉子之間有

41、氣隙。定、轉子鐵心由高導滋率、低損耗的薄硅鋼片沖制后涂漆疊裝而成。單相繞組作為勵磁繞組，三相繞組稱為整步繞組，它做成分布繞組的形式，并接成星形，放在鐵心的槽內，各相繞組的匝數相同，阻抗一樣，空間互差120度電角度。從作用原理看，勵磁繞組在定子上，整步繞組在轉子上；或整步繞組在定子上，勵磁繞組在轉子上，二者沒有本質的區(qū)別，但它們的運行性能不一樣。三相繞組放在轉子上，轉子重量大，滑環(huán)多，摩擦轉矩大，因而，精度低，但轉子滑環(huán)和電刷僅在轉子轉動時，才有電流通過，滑環(huán)的工作條件較好；單相勵磁繞組放在轉子上，轉子重量輕，滑環(huán)少，因而，摩擦轉矩小，精度高，同時，由于滑環(huán)少，可靠性也相應提高。然而，單相勵磁繞

42、組長期經電刷和滑環(huán)通入勵磁電流，接觸處長期發(fā)熱，容易燒壞滑環(huán)，它只適用于小容量角傳遞系統(tǒng)。二 基本工作原理1力矩式自整角機在自動控制和遙測系統(tǒng)中，經常需要監(jiān)督和控制在一定距離以外，特別是處在最危險的環(huán)境的、人們無法接近的設備，以便了解它的運行情況，如閘門的開啟度、高爐探尺以及核反應堆控制捧位置等等。這些位置要求在顯示臺上顯示出來，或者由控制中心發(fā)出指令，以便控制這些設備的運行。為此，可采用自整角發(fā)送機和接收機組成角傳遞系統(tǒng)予以實現(xiàn)。假設自整角機發(fā)送機和接收機結構完全相同，它們的勵磁繞組接到同一個單相交流電源上，三相整步繞組通過傳輸線對接起來(見圖1-34a)，接收機的轉子僅僅聯(lián)接指示被傳遞角度

43、的指針，就構成了力矩式自整角機角度傳遞系統(tǒng)。 a)工作原理圖 b)整步轉矩與失調角關系曲線 圖1-34力矩式自整角機工作原理圖和輸出特性 力矩式自整角機的工作原理是：當接收機轉子和發(fā)送機的轉子對定子繞組的位置相同，兩邊的每相繞組中的電動勢相等，因此在兩邊的三相繞組中沒有電流。若發(fā)送機轉子轉動一個角度，于是發(fā)送機和接收機相應的每相定子繞組中的兩個電動勢就不能相互抵消，定子繞組中就有電流，這個電流和接受激勵此磁通作用而產生轉矩。此時，整步轉矩與失調角的關系為正弦關系，當失調角很小時，它們的關系近似為線性關系，見圖1-34b。2控制式自整角機在上述力矩式自整角機系統(tǒng)中，接收機的轉軸上只能帶很輕的負載

44、(如指針)，不能用來直接驅動機械負載，因為一般自整角機容量較小，帶不動大負載，即使能帶動，也會因轉軸上負載轉矩較大而使系統(tǒng)的精度降低。為了提高遠距離角傳遞系統(tǒng)的精度和負載能力，常使力矩式接收機的勵磁繞組從電源斷開，使其在變壓器狀態(tài)下工作（見圖1-35a）。這時接收機直接輸出的不是角位移或旋轉運功，而是與失調角有關的信號電壓，這個小功率信號電壓再通過放大器放大，以推功伺服電動機。于是伺服電動機一方面帶動機械負載偏轉或作旋轉運動，另一方面還帶動接收機轉子向失調角減小的方向偏轉，直到失調角為零時，系統(tǒng)停止工作。由于此時接收機不是直接驅動機械負載，而是通過其輸出電壓去控制機械負載，所以，這種用途的自整

45、角機叫控制式自整角接收機，又叫自整角變壓器?？刂剖阶哉菣C的工作原理是：當發(fā)送機的勵磁繞組通入勵磁電流后，產生交變脈沖磁通，在相繞組中感應出感應，從而繞組中產生電流,這些電流都產生脈沖磁場，并分別在自整角變壓器的單相輸出繞組中感應出相同的電動勢，此時，輸出電勢與失調角的關系也為正弦關系。當失調角很小時，它們的關系也近似為線性關系，見圖1-35b。 a)工作原理圖 b)輸出電勢與失調角關系曲線工作原理圖圖1-35控制式自整角機工作原理圖和輸出特性 3差動式自整角機在遠距離角傳遞系統(tǒng)中，有時需要指示出兩個角度的和或差(在隨動系統(tǒng)中，需要指出兩個速度的和或差)，在這種情況下，就要用到差動式自整角機。

46、差動式自整角機的結構和普通的自整角機不同，而與三相繞線式異步電動機相似，即它的定子和轉予上都裝著星形接法的三相對稱繞組，并各引出三根出線端，轉子繞組通過三個滑環(huán)相電刷引出。由于工作特性的要求，差動式自整角機的定子和轉子槽數、繞組匝數，形式和參數完全相同。差動式自整角機分力矩式和控制式兩類，前者既可做接收機，又可做發(fā)送機，而后者只能做發(fā)送機。下面以力矩式差動自整角發(fā)送機為例介紹差動式自整角機工作原理。在普通的力矩式自整角發(fā)送機和接收機之間，接上一臺力矩式差動自整角發(fā)送機，它的定子和鏈子繞組分別和普通力矩式發(fā)送機和接收機整步繞組的對應相聯(lián)接，如圖1-36所示。假設差動自整角發(fā)送機的轉子和定子對應相

47、繞組的軸線位置一致(如圖1-36中點劃線所示)，并且，將差動自整角發(fā)送機的轉子固定不動，使自整角發(fā)送機的轉子從與D1相繞組軸線重合的位置順時針方向偏轉1角，可知差動自整角發(fā)送機的定子繞組三相合成磁勢的軸線也順時針方向偏轉1角，如圖1-36所示。如果我們把差動自整角發(fā)送機看成普通力矩式自整角機，那么，它的定子合成磁勢就相當于普通力矩式自整角發(fā)送機單相勵磁磁勢，只不過此時勵磁磁勢已偏離差動發(fā)送機轉子D1相整步繞組的軸線1角；在差動發(fā)送機轉子固定不動的請況下，接收機的轉子跟隨順時針方向偏轉1角(假設接收機轉子繞組的軸線和它的C1相整步繞組的軸線重合)，這種情況就好比對工作的普通力矩式自整角發(fā)送機和接

48、收機系統(tǒng)。現(xiàn)在，如果除了發(fā)送機的轉子順時針方向偏轉1角以外，差動自整角發(fā)送機的轉子也順(或逆)時針方向偏轉2角(如圖1-36中的實線所示)，則差動發(fā)送機定子合成磁勢偏離D1相轉子繞組軸線的角度已不是1，而是=1-2 (或=1+2)。于是，接收機的轉子偏轉的角度不是1，而是=1-2 (或=1+2)。由此可見利用差動式自整角發(fā)送機可以指示或傳遞兩個指定角度的差(或和)。1-發(fā)送機；2-差動發(fā)送機；3-接收機圖1-36 力矩式差機自整角發(fā)送機原理圖1.4.2自整角機技術參數一 力矩式自整角機系統(tǒng)的主要技術指標1比整步轉矩和最大整步轉矩失調角=1°時的整步轉矩稱為比整步轉矩。失調角=90&#

49、176;時，整步轉矩達到最大值，稱為最大整步轉矩。最大整步轉矩表征了力矩式自整角機的負載能力，而比整步轉矩直接影響它的轉角隨動誤差。因此，它們是力矩式自整角機系統(tǒng)的兩項重要的性能指標。2靜態(tài)誤差s力矩式自整角機系統(tǒng)處于靜態(tài)穩(wěn)定時，接收機與發(fā)送機轉子軸轉角之差稱為靜態(tài)誤差。它決定了接收機的精度。3阻尼時間對力矩式自整角機，當失調角為177°土2°時，接收機轉子由失調位置進入到離協(xié)調位置±0.5°范圍內，并且不超過這個范圍時所需要的時間稱為阻尼時間。阻尼時間越小，接收機跟蹤性能越好。4零位誤差0指力矩式自整角發(fā)送機加上勵磁電壓，從基準電氣零位開始，轉子每轉過

50、60°，從理論上講定子三相繞組中總有兩根線之間電勢應為零。此位置稱為理論電氣零位。但由于設計、制造工藝等原因影響，實際電氣零位與理論電氣零位有差異，此差值稱為零位誤差，用角分表示。力矩式自整角機發(fā)送機的精度等級是由零位誤差確定的。二 控制式自整角機系統(tǒng)的主要技術指標1電氣誤差 控制式自整角機發(fā)送機定子繞組的感應電勢，從理論上分析它只與轉子的轉角有關。但由于設計、工藝和材料等因素影響，達到理論值電勢的實際轉子轉角值與理論上轉角值之間有誤差，此差值即為電氣誤差?？刂剖阶哉菣C和接收機的精度均用電氣誤差來衡量。 2零位電壓Uo 當控制式自整角發(fā)送機和接收機達到實際協(xié)調位置時的輸出電壓，稱為

51、零位電壓或殘余電壓。零位電壓的存在會引起放大器的飽和，降低系統(tǒng)的靈敏度，因此常采用檢相器、濾波器等來減小它們的影響。 3比電壓U 是指失調角為1°時，自整角接收機的輸出電壓。目前國產自整角接收機的比電壓為0.31V(°)。 4速度誤差當自整角變壓器轉子以一定速度旋轉時，在其輸出繞組中，除了有變壓器輸出電勢外，還有旋轉電勢產生。此時輸出的總電勢和失調角之間不再是嚴格的正弦關系，要發(fā)生畸變。畸變引起的誤差稱為速度誤差。轉速越高，旋轉電勢越大，誤差也越大。為了減小速度誤差，可采用高頻自整角機。這樣旋轉電勢與高頻脈振磁場產生的變壓器電勢相比較要小得多。例如頻率為50 Hz，轉速為3

52、000 rmin時，速度誤差為0.6°2°，而當頻率為500 Hz，同樣轉速情況下，速度誤差為0.06°0.2°。1.4.3數字式旋轉變壓器/自整角機現(xiàn)代控制系統(tǒng)離不開諸如微處理器、微控制器、計算機等數字控制單元。它們的接口數據都是數字量。而現(xiàn)代控制系統(tǒng)中的一些控制裝置，需要用到諸如位置、速度、加速度等模擬量。它們一般包含于軸角量中或由軸角量變換而來。因此需要把計算機輸出的數字量變成控制系統(tǒng)所需的含有軸角量的模擬信號，這就是數字式軸角變換。通過一定電子電路進行處理變換，將計算機輸出的數字量變換成自整角機旋轉變壓器輸出的模擬信號，即數字式自整角機旋轉變壓器

53、變換(DSCDRC DSC：Digital to Synchro Converter；DRC：Digital to Resolver Converter)。一 基本原理如圖1-38所示。其中象限選擇器可以用模擬開關實現(xiàn)，功率放大器、變壓器是非常普遍應用的，也是成熟的，最主要的是正余弦函數發(fā)生器。正、余弦函數發(fā)生器技術很多，如：多抽頭變比到變壓器函數發(fā)生器、變壓器電阻網絡混合函數發(fā)生器、權電阻網絡函數發(fā)生器、線性可選負載電阻網絡函數產生器、查表或DS轉換器等。下面以多抽頭變比變壓器正、余弦函數發(fā)生器為例介紹其工作原理。圖1-38 數字式自整角機轉換器原理框圖圖1-39為抽頭變比變壓器函數發(fā)生器。

54、圖1-39 多抽頭變比變壓器正、余弦函數發(fā)生器把參考信號Vref施加于多段、多抽頭變比變壓器上，利用電子開關選擇這些線性(間)隔離抽頭，來對應所要求的輸入輸出比，也就是對應于正余弦的數字角。該方案穩(wěn)定，但價格昂貴、體積大，易于產生瞬態(tài)和諧波失真引起的二級誤差。二 DRC/DSC主要產品DRC/DSC按其發(fā)展階段，主要有3大類產品：塑殼封裝分立元件模塊、SMT工藝集成模塊和混合集成模塊。1塑殼封裝分立元件模塊 是第一代產品，以分立元件、中小規(guī)模集成電路為基礎，通過PCB插裝工藝將自整角機旋轉變壓器一數字轉換功能集成在塑料封裝殼體內。2SMT小型化轉換模塊 是通過SMT芯片及其組裝工藝的應用，方便

55、實現(xiàn)DRC/DSC模塊的小型化發(fā)展。3混合集成模塊 是以AD公司DSC1745系列為代表，DDC公司在混合集成轉換器件方面，不再兼容AD公司產品，獨立研究自己推出的混合集成模塊，先后推出DSC/DRC-10/ll5XX系列的混合集成轉換器件。4接口板卡 是DRC/DSC器件的衍生產品，實現(xiàn)計算機各類總線與模塊的接口功能。各類接口板卡產品，分不同通道、不同總線和不同驅動功率。三 DRC/DSC發(fā)展動向DRC/DSC器件經過30年的發(fā)展，其技術和工藝水平都得到了高速發(fā)展，混合集成模塊DRC 占據了較大市場。綜合分析看來，國外DRC/DSC發(fā)展主要有以下幾個方向：1單片DRC的研究 單片DRC的出現(xiàn)，使得DRC/DSC器件研究進入一個全新的時代，低成本、高精度、高可靠、豐富接口功能是單片DRC的發(fā)展方向。2高精度角度測量 NAI公司因其在高精度角度模擬和角度測量的優(yōu)勢，逐步將高精度測角儀器獨立成為的一個發(fā)展方向。3單片DRC的二次開發(fā) 由于受到芯片研究的制約，