電機(jī)與拖動(dòng)：第八章 單相異步電動(dòng)機(jī)及控制電機(jī)

1、第八章 單相異步電動(dòng)機(jī)及控制電機(jī)第一節(jié) 單相異步電動(dòng)機(jī) 單相異步電動(dòng)機(jī)是由單相電源供電運(yùn)行的異步電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，只需單相電源，廣泛用于家用電器、電動(dòng)工具、醫(yī)療器械等，功率從幾瓦到幾百瓦。一、單相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理 單相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用鼠籠式。定子上有兩相繞組，在空間互差電角度，一相為主繞組；另一相為輔助繞組，又稱啟動(dòng)繞組。一相繞組單獨(dú)通入交流電流時(shí)，產(chǎn)生的磁通勢(shì)為脈振磁通勢(shì)，兩相繞組同時(shí)相位不同的交流電流時(shí)，在電機(jī)中產(chǎn)生的磁通勢(shì)一般為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)。1工作繞組單獨(dú)通電時(shí)的情況由試驗(yàn)可知：電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)，工作繞組單獨(dú)通電，電動(dòng)機(jī)不能自行起動(dòng)。但若用外力拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)向正向或反向旋轉(zhuǎn)

2、，電動(dòng)機(jī)會(huì)被加速到接近 轉(zhuǎn)動(dòng)而不致停止。其原理可解釋如下：工作繞組通電時(shí)產(chǎn)生的脈振磁通勢(shì)可分解為兩個(gè)幅值相同、轉(zhuǎn)速相等、轉(zhuǎn)向相反的磁通勢(shì)，一個(gè)為正轉(zhuǎn)磁通勢(shì)，一個(gè)為反向磁通勢(shì)，分別產(chǎn)生正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。對(duì)正轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，作用于轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生正轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩 ，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率 曲線如圖8-1中的曲線1所示。反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，作用于轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生反轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率圖8.1 單相異步電動(dòng)機(jī)的 曲線 曲線如圖8.1中的曲線2所示.合成電磁轉(zhuǎn)矩 與 S 的關(guān)系曲線如曲線3所示?？梢?jiàn) 時(shí) ，無(wú)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而在外力作用下，使S+或S-不為1時(shí)，合成轉(zhuǎn)矩不等于零，如大于此時(shí)的阻轉(zhuǎn)矩，就能加速至接近同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行。 2兩

3、相繞組通電時(shí)的機(jī)械特性 如果兩相對(duì)稱繞組通電兩相對(duì)稱電流，產(chǎn)生的基波合成磁通勢(shì)亦為圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)，如果以上兩個(gè)條件不完全滿足，則產(chǎn)生的基波合成磁通勢(shì)一般為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。一個(gè)橢圓形的旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)可以分解為兩個(gè)幅值不等、轉(zhuǎn)向相反、轉(zhuǎn)速相同的旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)。設(shè)正轉(zhuǎn)磁通勢(shì)的幅值F+大于反轉(zhuǎn)磁通勢(shì)的幅值F-，則Fe-S+曲線和Fe-S-曲線分別如圖8-1中的曲線1和曲線2所示。由合成曲線3可見(jiàn)，S=1時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于0，能自行起動(dòng)，正向運(yùn)行。如果F+F-，則將反向起動(dòng)運(yùn)行。 起動(dòng)后的單相異步電動(dòng)機(jī)，可以將起動(dòng)繞組斷開(kāi)，也可以不斷開(kāi)。若需要斷開(kāi)，可在起動(dòng)繞組中串聯(lián)一個(gè)離心開(kāi)關(guān) S，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到同步轉(zhuǎn)速 的時(shí)自

4、動(dòng)斷開(kāi)。圖8.2 兩個(gè)繞組通電單相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線二單相異步電機(jī)的主要類型和起動(dòng)方法（一）電阻分相式啟動(dòng)繞組的導(dǎo)線較細(xì)，匝數(shù)較少；工作繞組的導(dǎo)線較粗，匝數(shù)較多。所以起動(dòng)繞組與工作繞組相比，電阻大而電抗小，電流超前一個(gè)電角度，從而產(chǎn)生橢圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)，使電動(dòng)機(jī)能自行啟動(dòng)。由于兩個(gè)繞組的電路都是感性的，兩者電流的相位差不大（Im為主繞組，Ia為副繞組），所以起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不大，只能用于空載和輕載起動(dòng)的場(chǎng)合。（二）電容分相式 起動(dòng)繞組串聯(lián)一個(gè)大小合適的電容，使電流超前工作繞組電流接近（Im為主繞組，Ia為副繞組），因而產(chǎn)生橢圓度較小（接近圓形）的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而獲得較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較小的起動(dòng)電流。

5、電容分相式單相異步電動(dòng)機(jī)又分為電容起動(dòng)電動(dòng)機(jī)、電容運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)和電容起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，各有其特點(diǎn)和適用場(chǎng)合。欲改變分相式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，只要將起動(dòng)繞組或工作繞組的端頭對(duì)調(diào)即可。（三）罩極式電動(dòng)機(jī) 罩極式單相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8-2所示，定子磁極極面的約1/3處開(kāi)有小槽，嵌有一個(gè)閉合銅環(huán)，稱為短路環(huán)，把磁極的小部分罩在環(huán)中。圖8.3 罩極式異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖 當(dāng)定子磁極繞組通過(guò)交流電流時(shí)，產(chǎn)生脈振磁通，其中大部分為穿過(guò)未罩部分的 ，另有一部分磁通 欲穿過(guò)被罩部分，在短路環(huán)中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) ，產(chǎn)生電流 和磁通 ，使實(shí)際過(guò)被罩部分的磁通過(guò) ，如圖8-4所示。圖8.4 罩極式單相異步電動(dòng)機(jī)磁通向量圖

6、第二節(jié) 電磁調(diào)速感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 電磁調(diào)速感應(yīng)電動(dòng)機(jī)亦稱滑差電動(dòng)機(jī)，從原理上看，它實(shí)際上就是一臺(tái)帶有電磁滑差離合器的普通鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，其原理如圖8.5(a)所示。(a)電子離合器連接 (b)電樞和磁極圖8.5 電磁離合器原理圖 電磁滑差離合器由電樞和磁極兩部分組成，兩者之間無(wú)機(jī)械聯(lián)系，各自能獨(dú)立旋轉(zhuǎn)。電樞為一由鑄鋼制成的空心圓柱體，與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子直接聯(lián)接，由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，稱為主動(dòng)部分。磁極由直流電源勵(lì)磁，并與生產(chǎn)機(jī)械直接聯(lián)接，稱為從動(dòng)部分。當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)離合器電樞以n的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，若勵(lì)磁電流等于零，則離合器中無(wú)磁場(chǎng)，也無(wú)電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生，因此磁極部分不會(huì)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)有勵(lì)磁時(shí)，電樞便切割磁

7、場(chǎng)產(chǎn)生渦流，渦流的方向如圖8.5b所示。電樞中的渦流與磁極磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩。電樞受到的力 的方向可用左手定則判定，如圖8-5b所示。由此而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，因此對(duì)電樞而言，是個(gè)制動(dòng)力矩，需要依靠感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的輸出力矩克服此制動(dòng)力矩，從而維持電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)作用與反作用大小相等、方向相反， 離合器磁極所受到的力 的方向與 相反，由 所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使磁極轉(zhuǎn)子并帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械沿電樞轉(zhuǎn)向以 的速度旋轉(zhuǎn)，顯然 。電磁滑差離合器的工作原理和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的相同，電磁力矩的大小決定于磁極磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和電樞與磁極之間的轉(zhuǎn)差。因此在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，若改變勵(lì)磁電流的大小，為使電磁力

8、矩不變，磁極的轉(zhuǎn)速必將發(fā)生變化，這就達(dá)到了調(diào)速的目的。 電磁離合器的具體結(jié)構(gòu)形式有很多種，目前我國(guó)生產(chǎn)鉸多的是電樞為圓筒形鐵芯(也稱力杯形鐵芯)。磁極為爪形磁極。磁極為爪形磁極。 圖8.6為組合式結(jié)構(gòu)的電磁調(diào)速感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。其中測(cè)速發(fā)電機(jī)是用來(lái)構(gòu)成一個(gè)反饋系統(tǒng)以保證機(jī)械特性的硬度。 圖8.6電磁調(diào)速感應(yīng)電動(dòng)機(jī)1-電動(dòng)機(jī) 2-主動(dòng)軸 3-法蘭端蓋 4-電樞 5-工作氣隙 6-勵(lì)磁線圈 8-測(cè)速機(jī)定子 9-測(cè)速機(jī)磁極 10-永久磁鐵 11-輸出軸 12-刷架 13-電刷 14-集電環(huán) 第三節(jié) 伺服電動(dòng)機(jī) 伺服電動(dòng)機(jī)也稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，其任務(wù)是把接收的電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檩S上的角位移

9、或角速度。這種電機(jī)有信號(hào)時(shí)就動(dòng)作，沒(méi)有信號(hào)時(shí)就立即停上。伺服電動(dòng)機(jī)分為直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)。伺服電動(dòng)機(jī)的工作條件與一般動(dòng)力用電動(dòng)機(jī)有很大區(qū)別，它的起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)十分頻繁，多數(shù)時(shí)間電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速處在零或低速狀態(tài)等過(guò)渡過(guò)程中。因此對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的性能有如下要求：1無(wú)“自轉(zhuǎn)“現(xiàn)象。即當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)，電動(dòng)機(jī)應(yīng)迅速自行停轉(zhuǎn)。2. 具有下垂的機(jī)械特性。在控制電壓改變時(shí)，電動(dòng)機(jī)能在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。3. 具有線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。4. 快速響應(yīng)。即對(duì)信號(hào)反應(yīng)靈敏，機(jī)電時(shí)間常數(shù)要小。一 直流伺服電動(dòng)機(jī) 直流伺服電動(dòng)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(dòng)機(jī)，它的轉(zhuǎn)子磁極是永久磁鐵

10、；另一種是電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)，它的結(jié)構(gòu)和工作原理與他勵(lì)直流電機(jī)沒(méi)有本質(zhì)不同。直流伺服電動(dòng)機(jī)就是微型的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。直流伺服電動(dòng)機(jī)就其用途來(lái)講，既可作驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，也可作為伺服電動(dòng)機(jī)(例如錄像機(jī)，精密機(jī)床的電機(jī))。下面就其作伺服電動(dòng)機(jī)時(shí)的性能進(jìn)行分析。直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方法有兩種：一種是電樞控制，就是改變電樞繞組電壓Ud的大小與方向?qū)崿F(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制；另一種是磁場(chǎng)控制，通過(guò)改變勵(lì)磁繞組電壓Uf的大小與方向?qū)崿F(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制，這種控制方式主要針對(duì)電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)。后者控制性能不如前者，所以很少采用。下面只介紹電樞控制時(shí)的直流伺服電動(dòng)機(jī)特性。 電樞控制是勵(lì)磁電壓Uf不變，控制

11、電樞電壓Ud的控制方式。在控制過(guò)程中改變電樞繞組電壓Ud，主磁通不變，忽略電樞反應(yīng)，可得直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式為（1）直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性由圖可見(jiàn)，直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為一組平行的直線。隨著控制電壓Ud的增加，直線的斜率 保持不變，機(jī)械特性向上平移。當(dāng)控制電壓Ud不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩Te增大時(shí)，轉(zhuǎn)速n降低，轉(zhuǎn)矩的增加和轉(zhuǎn)速的降低呈線性關(guān)系。直流伺服電動(dòng)機(jī)的這種機(jī)械特性是十分理想的。（2）直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性 直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性是指：在一定的轉(zhuǎn)矩下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 與控制電壓 之間的關(guān)系 。根據(jù)機(jī)械特性表達(dá)式便可繪出不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的調(diào)節(jié)特性如圖所示。二 交流伺服電動(dòng)機(jī) 交流伺服電動(dòng)機(jī)

12、就是兩相異步電動(dòng)機(jī)，其定子兩相繞組空間互成 電角度。一相繞組為勵(lì)磁繞組f，一相為控制繞組k，轉(zhuǎn)子為鼠籠式轉(zhuǎn)子。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁繞組接單相交流電壓Uf，控制繞組接控制電壓Uk，兩者頻率相同。改變控制電壓Uk的幅值或相位就可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。 作為伺服機(jī)，交流伺服電機(jī)除了必須具有線性度很好的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性外，還必須具有伺服性：即控制信號(hào)電壓強(qiáng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高；控制信號(hào)電壓弱時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低；若控制信號(hào)電壓等于零，則電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)。 但作為伺服電動(dòng)機(jī)，則要求機(jī)械特性必須是單值函數(shù)并盡量具有線性特性，以確保在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。通常的做法是，加大轉(zhuǎn)子電阻，使得產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差率 。使電動(dòng)機(jī)在整個(gè)

13、調(diào)速范圍內(nèi)接近線性。一般情況下，轉(zhuǎn)子電阻越大，機(jī)械特性越接近線性，但堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和最大輸出功率越小，效率越低。 （1）交流伺服電動(dòng)機(jī)的特性要求（2）交流伺服電動(dòng)機(jī)的伺服特性 對(duì)于普通兩相異步電動(dòng)機(jī)，一旦轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)后，即使一相繞組從電源斷開(kāi)，兩相異步電動(dòng)機(jī)也可以作為單相交流電機(jī)運(yùn)行，在 范圍內(nèi)，單相電機(jī)的轉(zhuǎn)矩 ，轉(zhuǎn)子將繼續(xù)沿原轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)，如圖a所示。 信號(hào)電壓消失后,伺服電動(dòng)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，這對(duì)于伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)絕對(duì)避免這種情況。 為了避免這種情況，交流伺服電動(dòng)機(jī)使用了很大的轉(zhuǎn)子電阻使 ，這時(shí)交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖b所示。 從圖b中所示的單向相繞組通電時(shí)的機(jī)械特性可

14、見(jiàn)，正轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩特性曲線 上， 時(shí)的臨界轉(zhuǎn)差率 ， 與 對(duì)稱。 因此電機(jī)總的電磁轉(zhuǎn)矩特 性 通過(guò)零點(diǎn)， 即無(wú)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩；在 時(shí)， ， 是制動(dòng)性轉(zhuǎn)矩； 時(shí)， ，也是制動(dòng)性轉(zhuǎn)矩。在這種情況下，本來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)的交流伺服機(jī)，若控制信號(hào)電壓消失后，由于一相繞組通電運(yùn)行時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩是制動(dòng)性的，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將被制動(dòng)到 顯然只要 ， 就能避免自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。（3）控制方式與運(yùn)行特性 交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁繞組所接電源一般為額定電壓不變，改變控制繞組所加的電壓的大小和相位，電動(dòng)機(jī)氣隙磁動(dòng)勢(shì)則隨著控制電壓的大小和相位而改變，有可能為圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，有可能為不同橢圓度的橢圓旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，也有可能為脈振磁動(dòng)勢(shì)。 而由于氣隙磁動(dòng)勢(shì)的

15、不同，電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性也相應(yīng)改變，那么拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行的交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n也隨之變化。這就是交流伺服電動(dòng)機(jī)利用控制電壓的大小和相位的變化，控制轉(zhuǎn)速變化的原理。下面分別介紹交流伺服電動(dòng)機(jī)的三種控制方法：幅值控制、相位控制和幅值相位控制。1.幅值控制及特性 幅值控制接線如圖8-11所示。勵(lì)磁繞組f直接接至交流電源，電壓Uf的大小為額定值?？刂评@組所加的電壓為Uk，Uk在時(shí)間上落后于勵(lì)磁繞組電壓Uf90，且保持90不變，Uk的大小可以改變。調(diào)節(jié)時(shí)，Uk的大小可以表示為 ，其中,UKN為控制繞組額定電壓， 又稱為有效信號(hào)系數(shù)。 當(dāng)有效信號(hào)系數(shù) 時(shí)，控制電壓 ，此時(shí)交流伺服電動(dòng)機(jī)僅有勵(lì)磁繞組一相供電，氣隙

16、合成磁動(dòng)勢(shì)為脈振磁動(dòng)勢(shì)。圖8.11 交流伺服電動(dòng)機(jī)的幅值控制 當(dāng)有效信號(hào)系數(shù) 時(shí)，控制電壓 ，此時(shí)交流伺服電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組和控制繞組共同供電，但勵(lì)磁繞組磁動(dòng)勢(shì)和控制繞組磁動(dòng)勢(shì)兩者大小不等，氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。 越小，橢圓度越大，越接近脈振磁動(dòng)勢(shì)。 當(dāng)有效信號(hào)系數(shù) 時(shí)，控制電壓 ，勵(lì)磁繞組磁動(dòng)勢(shì)和控制繞組磁動(dòng)勢(shì)大小等，氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)為圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。由此可以獲得不同 值的機(jī)械特性如圖8.12所示 圖8.12 交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 采用幅值控制時(shí)，交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性可以通過(guò)機(jī)械特性獲得。具體方法是：在機(jī)械特性上作許多平行于縱軸的直線，從而獲得一定轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)速與 之間的關(guān)系曲線，

17、即調(diào)節(jié)特性，如圖8.13所示。不同的曲線對(duì)應(yīng)于不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的調(diào)節(jié)特性。圖8.13 交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性2 相位控制 保持控制電壓和勵(lì)磁電壓的幅值為額定值不變，僅改變控制電壓與勵(lì)磁電壓的相位差來(lái)改變交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，這種控制方式稱為相位控制。其原理圖如圖8.14所示，控制繞組通過(guò)移相器與勵(lì)磁繞組一同接至同一交流電源上，UK 的幅值不變，但 UK 與 Uf 的相位差可以通過(guò)調(diào)節(jié)移相器在090之間變化，UK 與 Uf 的相位差發(fā)生變化時(shí)，交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就隨之發(fā)生變化。 圖8.14 交流伺服電動(dòng)機(jī)的相位控制 3幅值相位控制及特性 交流伺服電動(dòng)機(jī)采用幅值相位控制時(shí)的接線如圖8.15所示。圖

18、中勵(lì)磁繞組串聯(lián)電容后接至交流電源，控制繞組的電壓的頻率和相位和電源相同，但幅值可調(diào)。圖8.15 交流伺服電動(dòng)機(jī)的幅值相位控制 交流伺服電動(dòng)機(jī)采用幅值相位控制機(jī)械特性與幅值控制是類似，為非線性，也在轉(zhuǎn)速標(biāo)么值小時(shí)線性度好。 第六節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 一般電動(dòng)機(jī)是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)的，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)控制、將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成為角位移或直線位移的電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組輸入一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就前進(jìn)一步，因此被稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 常用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分三大類：反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以及混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。這三類步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行原理基本相同。下面僅以反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例，說(shuō)明步

19、進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理。一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理 三相六極反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理如圖8.21所示。從結(jié)構(gòu)上看步進(jìn)電機(jī)與開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)類似，也是凸極結(jié)構(gòu)。不同的是，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以是定、轉(zhuǎn)子雙邊凸極結(jié)構(gòu)或轉(zhuǎn)子單邊凸極結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)小步距角運(yùn)行，定、轉(zhuǎn)子主極上一般開(kāi)有若干個(gè)齒槽。因此，步進(jìn)電機(jī)輸出步距角的精度主要取決于自身的結(jié)構(gòu)。 圖8.21 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理(a) 相通電(b) 相通電(c) 相通電 從圖8.21可見(jiàn)，三相六極反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子有六個(gè)磁極，每個(gè)磁極上均裝有集中繞組作為控制繞組。當(dāng)A相繞組通電時(shí)，由于磁力線有力圖通過(guò)磁阻最小路徑的特性，轉(zhuǎn)子在磁阻轉(zhuǎn)矩的作用下，l3號(hào)齒與定

20、子A相繞組軸線重合，如圖8.21（a)所示；當(dāng)A相斷電而B(niǎo)相定子繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)30機(jī)械角，轉(zhuǎn)子的24號(hào)齒與定子B相繞組軸線重合，如圖8.21(b)所示；同樣，當(dāng)B相斷電而C相定子繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過(guò)30機(jī)械角，13號(hào)齒與定子C相繞組軸線重合，如圖8.21(c)所示?？梢?jiàn)，定子繞組按照A B C A順序通電，轉(zhuǎn)子一步步沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。若改變通電順序，使之按A C B A順序通電，則轉(zhuǎn)子將一步步沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類繁多，結(jié)構(gòu)各異。其中，反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自身又有單段式和多段式之分。上面介紹的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)只是單段式結(jié)構(gòu)。下面對(duì)除單段反應(yīng)式步

21、進(jìn)電動(dòng)機(jī)以外的各類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)分別作簡(jiǎn)單介紹。（1）多段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 圖8.22為兩段式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)的示意圖。多段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的每段鐵芯沿圓周方向開(kāi)有數(shù)量、形狀相同的齒槽，并且各段定子(或轉(zhuǎn)子)鐵芯沿圓周方向依次錯(cuò)開(kāi) 1/m 齒距。每段繞組組成單獨(dú)一相，m段組成m相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。多段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角較小，故起動(dòng)和運(yùn)行頻率較高。其缺點(diǎn)是：鐵芯錯(cuò)位工藝復(fù)雜，精度不易保證，且功率消耗較大，斷電時(shí)無(wú)定位轉(zhuǎn)矩。 圖8.22 兩段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) （2）永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子采用永久磁鋼，永久磁鋼的極數(shù)與定子每相的極數(shù)相同，如圖8.23給出了永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的典

22、型結(jié)構(gòu)。注意：相繞組只畫出了一部分。圖中，定子采用兩相繞組，每相包括兩對(duì)磁極。轉(zhuǎn)子則采用兩對(duì)極的星形磁鋼。由該圖不難看出，當(dāng)采用二相四拍通電方式，定子繞組按照A B (A) (一B) A順序輪流通電時(shí)，轉(zhuǎn)子將按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，步距角為45。圖8.23 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是：步距角大，起動(dòng)和運(yùn)行頻率較低，需要正、負(fù)脈沖供電。但這種步進(jìn)電機(jī)消耗的功率小，斷電時(shí)具有自鎖能力。（3）混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)合了反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)。其定子結(jié)構(gòu)與單段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相同，轉(zhuǎn)子則由環(huán)形磁鐵和兩段鐵芯組成。每段鐵芯沿外圓周方向開(kāi)有小齒，兩段鐵芯上的小齒

23、彼此錯(cuò)開(kāi)1/2齒距。 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角較小，起動(dòng)和運(yùn)行頻率較高，消耗的功率也較小，且斷電時(shí)具有自鎖能力，因而兼有反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是：需正、負(fù)脈沖供電，制造復(fù)雜。三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子通電狀態(tài)每改變一次稱為一拍；每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的機(jī)械角度稱為步距角 。（1）三相單三拍運(yùn)行方式 A、B、C三相繞組輪流通電方式，稱為三相單三拍通電方式。其中“單”是指任何時(shí)刻只有一相繞組通電，三拍意味著一個(gè)周期內(nèi)通電狀態(tài)共改變?nèi)?，?duì)應(yīng)其步距角 。（2）三相雙三拍通電方式 三相雙三拍通電方式是指：任何時(shí)刻均有兩相定子繞組通電，其通電順序?yàn)?AB BC CA AB，此時(shí)轉(zhuǎn)子逆

24、時(shí)針運(yùn)行；若希望轉(zhuǎn)子順時(shí)針運(yùn)行，則通電順序變?yōu)锳C CB BA AC。三相雙三拍通電方式下，轉(zhuǎn)子的步距角與單三拍相同。即對(duì)于三相六極步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，步距角仍為 。三相雙三拍通電方式因轉(zhuǎn)子受到兩個(gè)相反方向上的轉(zhuǎn)矩而平衡，故轉(zhuǎn)子振動(dòng)小、運(yùn)行穩(wěn)定。（3）三相單、雙六拍通電方式 三相單、雙六拍通電方式是指：三相繞組中，單相、兩相定子繞組輪流通電，其順序?yàn)锳 AB B BC C CA A，此時(shí)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針運(yùn)行；若希望轉(zhuǎn)子順時(shí)針運(yùn)行，則通電順序變?yōu)锳 AC C CB B BA A。由于六拍為一通電循環(huán)周期，因此，每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的步距角變?yōu)閱稳牡囊话?，?。（4）小步距角反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)通電方式 為了減小步距角，

25、在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子均采用多齒結(jié)構(gòu)，如圖8.24所示。三相小步距角步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子仍采用三對(duì)磁極，在同一直徑的磁極繞組構(gòu)成一相。所不同的是定子極靴與轉(zhuǎn)子鐵芯上均開(kāi)有多個(gè)小齒槽，而且定、轉(zhuǎn)子的齒寬與槽寬均相等。書(shū)有誤185頁(yè) 圖8.24 小步距角三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由于同一直徑上的相對(duì)磁極為一相，這兩個(gè)磁極上定、轉(zhuǎn)子齒槽相對(duì)位置完全相同；并且當(dāng)某一相兩個(gè)極下定、轉(zhuǎn)子齒槽完全對(duì)齊時(shí)，要求相鄰磁極下定、轉(zhuǎn)子齒的軸線應(yīng)錯(cuò)開(kāi)1/m個(gè)轉(zhuǎn)子齒距t，見(jiàn)圖8.25。只有這樣，才能確保經(jīng)過(guò)一個(gè)通電周期后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距。圖8.25 小步距角三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)展開(kāi)圖 滿足以上條件的轉(zhuǎn)子齒數(shù)為式

26、中，2p為定子繞組通電時(shí)在圓周上形成的磁極個(gè)數(shù)；m為定子相數(shù)；K為正整數(shù)。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)一個(gè)通電周期后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，一個(gè)通電周期由N拍組成，即轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距需要N拍，則每拍 (或每個(gè)電脈沖)作用下轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過(guò)的角位移即步距角為 上式表明，步距角 與轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)N有關(guān)。而拍數(shù)N又與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組的相數(shù)和通電方式有關(guān)。要想減小 ，除了在步進(jìn)電機(jī)本體選擇時(shí)盡量考慮使用定子相數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù) 較多的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)外，也可以通過(guò)增加拍數(shù)N達(dá)到減小步距角的目的。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子繞組的輸入脈沖保持嚴(yán)格的比例步關(guān)系。若通電脈沖的頻率為f(拍秒)，則經(jīng)過(guò)一個(gè)通電周期(即N個(gè)電脈沖)后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒

27、距。相應(yīng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距所用的時(shí)間為N/f秒，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)一周所用的時(shí)間為 秒。因此，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為第七節(jié) 測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種檢測(cè)元件，主要用途有1.產(chǎn)生加速或減速的信號(hào)2.在計(jì)算裝置中作計(jì)算元件3.對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械作恒速控制對(duì)測(cè)速發(fā)電機(jī)的要求:1.輸出電壓與轉(zhuǎn)速成嚴(yán)格的線性關(guān)系;2.輸出電動(dòng)勢(shì)斜率要大.測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種測(cè)量轉(zhuǎn)速的微型發(fā)電機(jī)，它把輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)速變換為電壓信號(hào)輸出，并要求輸出的電壓信號(hào)與轉(zhuǎn)速成正比： U2=Cn測(cè)速發(fā)電機(jī)分直流和交流兩大類。交流測(cè)速發(fā)電機(jī)分為同步測(cè)速發(fā)電機(jī)和異步測(cè)速發(fā)電機(jī)。1. 交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)（1）結(jié)構(gòu)及工作原理交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)與交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)相似，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有籠型的，也有杯型的，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中多用空心杯轉(zhuǎn)子異步