第6章 控制電機(jī)

Page1第6章控制電機(jī)Page2本章教學(xué)基本要求1.了解常用控制電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)、基本工作原理；2.理解和掌握控制電機(jī)的分類方式及其各自的驅(qū)動(dòng)方式；3.比較控制電機(jī)與普通直流電機(jī)、異步電機(jī)和同步電機(jī)的異同之處；4.了解控制電機(jī)的特點(diǎn)及其應(yīng)用場(chǎng)合Page3重點(diǎn)1.理解和掌握直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)各自的工作原理和調(diào)節(jié)特性；2.理解和掌握步進(jìn)電機(jī)的工作原理和通電方式。

Page46.1概述微控電機(jī)是具有特定功能的小功率旋轉(zhuǎn)電機(jī)。控制電機(jī)在控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件、檢測(cè)元件和運(yùn)算元件。從工作原理上看，微控電機(jī)和普通電機(jī)沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別，但在使用功能上不一樣。普通電機(jī)功率大，側(cè)重電機(jī)的起動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)等性能指標(biāo)，而控制電機(jī)輸出功率較小，側(cè)重于電機(jī)的控制精度、響應(yīng)速度和運(yùn)行可靠性。目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的微控電機(jī)種類較多，下面介紹幾種常用的微控電機(jī)的基本工作原理及其使用特性。

Page56.2單相異步電動(dòng)機(jī)

單相異步電動(dòng)機(jī)(single-phaseasynchronousmotor)是靠220V單相交流電源供電的一類電動(dòng)機(jī)，它適用于只有單相電源(single-phasepower)的小型工業(yè)設(shè)備和家用電器中。Page66.2單相異步電動(dòng)機(jī)6.2.1單相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理在交流電機(jī)中，當(dāng)定子繞組通過(guò)交流電流時(shí)，建立了電樞磁動(dòng)勢(shì)，它對(duì)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換和運(yùn)行性能都有很大影響。所以單相交流繞組通入單相交流產(chǎn)生脈振磁動(dòng)勢(shì)，該磁動(dòng)勢(shì)可分解為兩個(gè)幅值相等、轉(zhuǎn)速相反的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)和，從而在氣隙中建立正傳和反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和。這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，并分別在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流。

Page76.2單相異步電動(dòng)機(jī)該電流與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生正、反電磁轉(zhuǎn)矩。正向電磁轉(zhuǎn)矩企圖使轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)；反向電磁轉(zhuǎn)矩企圖使轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。這兩個(gè)轉(zhuǎn)矩疊加起來(lái)就是推動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的合成轉(zhuǎn)矩。不論是還是，他們的大小與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系和三相異步電動(dòng)機(jī)的情況是一樣的。若電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是，則對(duì)正轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而言，轉(zhuǎn)差率為：對(duì)反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而言，轉(zhuǎn)差率為：Page86.2單相異步電動(dòng)機(jī)

單相異步電動(dòng)機(jī)的T-s曲線見(jiàn)左圖由圖可知單相異步電動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)有：（1）n=0,s=1,T=T++T-=0，說(shuō)明單相異步電動(dòng)機(jī)無(wú)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，如不采取其他措施，電動(dòng)機(jī)不能啟動(dòng)。（2）當(dāng)s≠1時(shí)，T≠0，T無(wú)固定方向，它取決于s的正、負(fù)。（3）由于反向轉(zhuǎn)矩存在，使合成轉(zhuǎn)矩也隨之減小，鼓單相異步電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力較低。Page96.2單相異步電動(dòng)機(jī)Page10電容分相式起動(dòng)6.2單相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)開(kāi)關(guān)K閉合，使兩繞組電流相位差約為90°，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電機(jī)轉(zhuǎn)起來(lái)；轉(zhuǎn)動(dòng)正常以后離心開(kāi)關(guān)被甩開(kāi)，啟動(dòng)繞組被切斷。工作原理Page11罩極式單相電機(jī)定子通入電流以后，部分磁通穿過(guò)短路環(huán)，并在其中產(chǎn)生感應(yīng)電流。短路環(huán)中的電流阻礙磁通的變化，致使有短路環(huán)部分和沒(méi)有短路環(huán)部分產(chǎn)生的磁通有了相位差，從而形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)起來(lái)。

6.2單相異步電動(dòng)機(jī)Page12單相異步電動(dòng)機(jī)的功率小，主要制成小型電機(jī)。它的應(yīng)用非常廣泛，如家用電器（洗衣機(jī)、電冰箱、電風(fēng)扇）、電動(dòng)工具（如手電鉆）、醫(yī)用器械、自動(dòng)化儀表等。6.2.3單相異步電機(jī)的使用上圖中電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向：瞬時(shí)針旋轉(zhuǎn)。因?yàn)闆](méi)有短路環(huán)部分的磁通比有短路環(huán)部分的磁通領(lǐng)先。6.2單相異步電動(dòng)機(jī)Page136.3測(cè)速發(fā)電機(jī)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)，他把輸入的機(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。測(cè)速發(fā)電機(jī)分直流測(cè)速發(fā)電機(jī)和交流測(cè)速發(fā)電機(jī)兩大類。6.3.1直流測(cè)速發(fā)電機(jī)

直流測(cè)速發(fā)電機(jī)本質(zhì)上是一種微型直流發(fā)電機(jī)，按定子磁極的勵(lì)磁方式分為電磁式和永磁式。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理與一般直流發(fā)電機(jī)相同。圖6-4直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理Page146.3測(cè)速發(fā)電機(jī)在恒定的磁場(chǎng)φ0中，外部的機(jī)械轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)電樞以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，電樞繞組切割磁場(chǎng)從而在電刷間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。Page156.3測(cè)速發(fā)電機(jī)空載時(shí)，直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓等于電樞電動(dòng)勢(shì)，即U0=E0。有負(fù)載時(shí)，若電樞電阻為Ra，負(fù)載電阻為RL，則直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓為其中Page166.3測(cè)速發(fā)電機(jī)

6.3.2交流測(cè)速發(fā)電機(jī)交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有籠型的，也有杯型的，在控制系統(tǒng)中多用空心杯轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)?？招谋D(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)定子上有兩個(gè)在空間上相互差90°電角度的繞組，一為勵(lì)磁繞組，另一為輸出繞組。

Page176.3測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子靜止：勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁通在轉(zhuǎn)子繞組上感應(yīng)電勢(shì)，產(chǎn)生電流。轉(zhuǎn)子磁勢(shì)不與輸出繞組交鏈，所以，輸出繞組不感應(yīng)電勢(shì)，即：輸出電壓為零，U=0。圖6-6空心杯轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)原理圖Page186.3測(cè)速發(fā)電機(jī)

交流同步測(cè)速發(fā)電機(jī)分為：永磁式、感應(yīng)式和脈沖式。交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的誤差主要有：非線性誤差：由于直軸磁通d變化使測(cè)速發(fā)電機(jī)產(chǎn)生非線性誤差；剩余電壓：實(shí)際運(yùn)行中，轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出一個(gè)較小的電壓；相位誤差：由于勵(lì)磁繞組的漏抗、空心杯轉(zhuǎn)子的漏抗使輸出電壓與勵(lì)磁電壓的相位不同。Page196.4伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)(servomotor)的功能是將所輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為軸上的角位移或角速度輸出，其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向隨輸入電壓信號(hào)的大小和方向變化而改變的控制電機(jī)。伺服電動(dòng)機(jī)能帶一定的負(fù)載，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作執(zhí)行元件，所以又稱為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。例如數(shù)控車床，刀具由伺服電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，他會(huì)按照給定目標(biāo)的形狀拖動(dòng)刀具進(jìn)行切割器件。早期伺服電動(dòng)機(jī)輸出功率較小，功率范圍一般為0.1～100瓦，而目前伺服技術(shù)發(fā)展很快，幾千瓦的大功率伺服電動(dòng)機(jī)相繼出現(xiàn)。

Page206.4伺服電動(dòng)機(jī)Page216.4伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)可分為兩類：交流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)可控性好，反應(yīng)迅速。是自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中常用的執(zhí)行元件。Page226.4伺服電動(dòng)機(jī)6.4.1直流伺服電動(dòng)機(jī)原理：直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與直流電動(dòng)機(jī)基本相同。只是為減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電機(jī)做得細(xì)長(zhǎng)一些。所不同的是電樞電阻大，機(jī)械特性軟、線性（電阻大，可弱磁起動(dòng)、可直接起動(dòng)）。供電方式：他勵(lì)供電。勵(lì)磁繞組和電樞分別兩個(gè)獨(dú)立的電源供電。Page236.4伺服電動(dòng)機(jī)控制方式：1.電樞控制（主要）；2.磁極控制（少用）。U1為勵(lì)磁電壓，U2為電樞電壓圖6-9直流伺服電動(dòng)機(jī)的接線圖Page24由機(jī)械特性可知：(1)一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，當(dāng)磁通不變時(shí)，U2n。(2)U2=0時(shí)，電機(jī)立即停轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)：改變電樞電壓的極性，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性與他勵(lì)直流電機(jī)相同一樣，也可用下式表示機(jī)械特性曲線如圖所示。6.4伺服電動(dòng)機(jī)圖6-10機(jī)械特性Page25直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：電阻大，機(jī)械特性軟。線性；滑動(dòng)接觸；火花干擾；慣性大；體積大；相對(duì)價(jià)高，其調(diào)節(jié)特性如左圖所示。

6.4伺服電動(dòng)機(jī)圖6-11調(diào)節(jié)特性Page26直流伺服電機(jī)的特性較交流伺服電機(jī)硬。通常應(yīng)用于功率稍大的系統(tǒng)中，如隨動(dòng)系統(tǒng)中的位置控制等。

應(yīng)用：6.4伺服電動(dòng)機(jī)Page276.4.2交流伺服電動(dòng)機(jī)兩相交流異步電機(jī)。它的定子上裝有空間互差90的兩個(gè)繞組：勵(lì)磁繞組和控制繞組，其結(jié)構(gòu)如圖所示。圖6-12交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖6.4伺服電動(dòng)機(jī)Page28通過(guò)相應(yīng)措施使通入兩個(gè)繞組的電流相位差接近90,從而產(chǎn)生所需的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。6.4伺服電動(dòng)機(jī)圖6-14交流伺服電機(jī)的電氣原理Page29

6.4伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方式（1）幅值控制圖6-16幅值控制Page30交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖所示。在勵(lì)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(fù)載轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨控制電壓的下降而均勻減小。6.4伺服電動(dòng)機(jī)圖6-16交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性Page31

6.4伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方式（2）相位控制圖6-18相位控制Page32

6.4伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)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(shí)(保持勵(lì)磁電壓不變)，由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。

交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)如果控制電壓變?yōu)榱?，電?dòng)機(jī)立即停轉(zhuǎn)。6.4伺服電動(dòng)機(jī)Page34交流伺服電機(jī)的輸出功率一般為0.1-100W，電源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應(yīng)用很廣泛，如用在各種自動(dòng)控制、自動(dòng)記錄等系統(tǒng)中。應(yīng)用:6.4伺服電動(dòng)機(jī)Page356.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)機(jī)將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或線位移。主要要求：動(dòng)作靈敏、準(zhǔn)確、重量輕、體積小、運(yùn)行可靠、耗電少等。Page366.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)6.5.1結(jié)構(gòu)與基本工作原理機(jī)理：步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機(jī)。每來(lái)一個(gè)電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，帶動(dòng)機(jī)械移動(dòng)一小段距離。特點(diǎn)：(1)來(lái)一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。(2)控制脈沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。(3)改變脈沖順序，改變方向。Page37種類：根據(jù)勵(lì)磁式方式的不同分為：反應(yīng)式、永磁式和混合式（又叫感應(yīng)子式）三種。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用較多。下面以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。6.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)Page38化，吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的位置力圖使通電相磁路的磁阻最小，使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊停止轉(zhuǎn)動(dòng)。A相通電，A方向的磁通經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。若轉(zhuǎn)子和磁場(chǎng)軸線方向原有一定角度，則在磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子被磁A

相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和AA'對(duì)齊。BA'CC'B'A32146.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)圖6-20（a）三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理圖Page39同理，B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相軸線對(duì)齊，相對(duì)A相通電位置轉(zhuǎn)30；4B'213BA'CC'A6.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)圖6-20（b）三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理圖Page40BA'CC'B'A2143最后，C相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒和C相軸線對(duì)齊，相對(duì)B相通電比較，轉(zhuǎn)子再次轉(zhuǎn)動(dòng)30。6.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)圖6-20（c）三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理圖Page411結(jié)構(gòu)步進(jìn)機(jī)主要由兩部分構(gòu)成：定子和轉(zhuǎn)子。它們均由磁性材料構(gòu)成，以三相為例其定子和轉(zhuǎn)子上分別有六個(gè)、四個(gè)磁極。定子轉(zhuǎn)子定子繞組6.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Page42定子的六個(gè)磁極上有控制繞組，兩個(gè)相對(duì)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(jìn)機(jī)通的是直流電脈沖，這主要是指線圖的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。ABC定子轉(zhuǎn)子IAIBIC6.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)圖6-22三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)Page432工作方式(以三相步進(jìn)電機(jī)為例)步進(jìn)電機(jī)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?yàn)椋篈相

B相

C相通電順序也可以為：

A相C相B相

6.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(gè)循環(huán)周期共包括三個(gè)脈沖，所以稱三相單三拍。三相單三拍的特點(diǎn)：（1）每來(lái)一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)30。此角稱為步距角，用b表示。（2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向。6.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)Page45通電順序：A–B–C–A步進(jìn)電機(jī)單相單三拍的工作方式總結(jié)單三拍：每一次只有一相繞組通電，三次通電完成一個(gè)循環(huán)。每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱步距角。反轉(zhuǎn)通電順序：A–C–B–A圖6-21步進(jìn)電機(jī)的三相單、雙六拍運(yùn)行方式6.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)Page46二、三相六拍三相繞組的通電順序?yàn)椋?/p>

AABBBCCCAA

共六拍。工作過(guò)程：A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒和AA'相對(duì)齊。6.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)BA'CC'B'A3214Page47所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對(duì)AA'通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了15°。當(dāng)控制繞組A相和B相同時(shí)通電，轉(zhuǎn)子2，4齒受到反應(yīng)轉(zhuǎn)矩作用使轉(zhuǎn)子逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)1、3齒不再與AA'對(duì)齊，而是受到一個(gè)順時(shí)針的轉(zhuǎn)矩作用，當(dāng)這兩個(gè)方向相反的轉(zhuǎn)矩大小相等使，轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動(dòng)，如左圖所示。6.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)BA'CC'B'A3214Page48總之，每個(gè)循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱為三相六拍，步距角為15。當(dāng)A相斷電，而保持B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相對(duì)齊，又轉(zhuǎn)了15。6.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)4B'213BA'CC'APage49通電順序：A–AB–B–BC–C–CA–A反轉(zhuǎn)通電順序：A–CA–C–BC–B–AB–A步進(jìn)電機(jī)三相六拍的工作方式總結(jié)6.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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?yàn)椋?/p>

AB

BC

CA

AB

共三拍。AB通電BC通電BA'CC'B'A21436.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(wěn)定，因此較常采用。工作方式為三相雙三拍時(shí)，每通入一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)30，即b=30。CA通電6.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)BA'CC'B'A2143Page52通電順序：AB–BC–CA–AB反轉(zhuǎn)通電順序：AB–CA–BC–AB每次有兩相繞組通電步進(jìn)電機(jī)三相雙三拍的工作方式總結(jié)工作方式為三相雙三拍時(shí)，每通入一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)30，即b=30。6.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(wěn)定，因此較常采用。每個(gè)定子磁極下的轉(zhuǎn)子齒數(shù)不能為整數(shù)，而應(yīng)相差1/m步距角：b=360oZrNZr：轉(zhuǎn)子齒數(shù)；N：循環(huán)的拍數(shù)。齒距角：——Zr360其中，m為相數(shù)，p為磁極對(duì)數(shù)，k為整數(shù)6.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)Page54f：電脈沖的頻率轉(zhuǎn)速步進(jìn)機(jī)通過(guò)一個(gè)電脈沖,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度,稱為步距角。N:一個(gè)周期的運(yùn)行拍數(shù)Zr：轉(zhuǎn)子齒數(shù)如：Zr=40,N=3

時(shí)步距角6.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)Page556.5.2運(yùn)行特性

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不改變通電情況的運(yùn)行狀態(tài)稱為靜態(tài)運(yùn)行。電機(jī)定子齒與轉(zhuǎn)子齒中心線之間的夾角θ叫做失調(diào)角，用電角度表示。步進(jìn)電機(jī)靜態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子受到的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩T叫做靜轉(zhuǎn)矩，通常以θ增加的方向?yàn)檎２竭M(jìn)電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩T與失調(diào)角θ之間的關(guān)系T=f(θ)叫做矩角特性。6.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

圖6-23步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角Page56當(dāng)接入控制繞組的脈沖頻率較低，電機(jī)轉(zhuǎn)子完成一步之后，下一個(gè)脈沖才到來(lái)，電機(jī)呈現(xiàn)一轉(zhuǎn)一停的狀態(tài)，故稱之為步進(jìn)運(yùn)行狀態(tài)。負(fù)載（即空載）時(shí)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)如下圖所示。

6.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

圖6-25步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行狀態(tài)Page576.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)上面是步進(jìn)電機(jī)空載步進(jìn)運(yùn)行時(shí)的情況，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶上負(fù)載運(yùn)行時(shí)情況有所不同。帶上負(fù)載TL后，轉(zhuǎn)子每走一步不再停留在穩(wěn)定平衡點(diǎn)，而是停留在靜轉(zhuǎn)矩T等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的點(diǎn)上，如下圖，在a1、b1、c1處，T=TL，轉(zhuǎn)子停止不的不動(dòng)。

圖6-26步進(jìn)電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)Page586.5.3驅(qū)動(dòng)電源脈沖分配器：決定步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電順序和電機(jī)轉(zhuǎn)速的電路。功率放大器：分配器輸出的脈沖信號(hào)必須經(jīng)過(guò)功率放大，才能作為勵(lì)磁電流送到步進(jìn)電機(jī)定子繞組。6.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)圖6-28步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路方框圖Page59步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用主要用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，精度高，運(yùn)行可靠。如采用位置檢測(cè)和速度反饋，亦可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已廣泛地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，如數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)控機(jī)床、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、自動(dòng)記錄儀、鐘表等之中，另外在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線、印刷設(shè)備等中亦有應(yīng)用。6.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)Page606.6其他控制微電機(jī)

6.6.1自整角機(jī)自整角機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用做角度的傳輸、指示或變換，通常將兩臺(tái)或多臺(tái)相同的自整角機(jī)組合起來(lái)使用。自整角機(jī)有控制式和力矩式兩種，其用途不同。力矩式自整角機(jī)用做遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)角指示，控制式自整角機(jī)可以將轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)分成定子和轉(zhuǎn)子兩大部分，接觸式自整角機(jī)結(jié)構(gòu)如圖下圖所示。Page616.6其他控制微電機(jī)1—定子；2—轉(zhuǎn)子；3—阻尼繞組；4—電刷；5—接線柱；6—滑環(huán)力矩式自整角機(jī)的轉(zhuǎn)子多采用兩極的凸極結(jié)構(gòu)，對(duì)頻率較高、規(guī)格較大的力矩式自整角機(jī)采用隱極結(jié)構(gòu)?？刂剖阶哉菣C(jī)的接收機(jī)轉(zhuǎn)子采用隱極結(jié)構(gòu)。通常，定子鐵心槽內(nèi)嵌有接成星形的三相對(duì)稱繞組，稱之為整步繞組。轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)嵌有單相繞組，稱之為勵(lì)磁繞組。勵(lì)磁繞組通過(guò)滑環(huán)和電刷裝置與外電路連接。圖6-29自整角機(jī)的基本結(jié)構(gòu)Page62控制式自整角機(jī)的工作原理可以由左圖來(lái)說(shuō)明。圖中由結(jié)構(gòu)、參數(shù)均相同的兩臺(tái)自整角機(jī)構(gòu)成自整角機(jī)組。一臺(tái)用來(lái)發(fā)送轉(zhuǎn)角信號(hào)，它的勵(lì)磁繞組接到單相交流電源上，稱為自整角發(fā)送機(jī)，用ZKF表示。另一臺(tái)用來(lái)接收轉(zhuǎn)角信號(hào)并將轉(zhuǎn)角信號(hào)轉(zhuǎn)換成勵(lì)磁繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出，稱之為自整角接收機(jī)，用ZKJ表示。兩臺(tái)自整角機(jī)定子中的整步繞組均接成星形，三對(duì)相序相同的相繞組分別接成回路。6.6其他控制微電機(jī)1控制式自整角機(jī)的工作原理Page63圖6-31控制式自整角機(jī)工作原理圖

6.6其他控制微電機(jī)Page64在自整角發(fā)送機(jī)的勵(lì)磁繞組中通入單相交流電流時(shí)，兩臺(tái)自整角機(jī)的氣隙中都將產(chǎn)生脈振磁場(chǎng)，其大小隨時(shí)間按余弦規(guī)律變化。脈振磁場(chǎng)使自整角發(fā)送機(jī)整步繞組的各相繞組生成時(shí)間上同相位的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的大小取決于整步繞組中各相繞組的軸線與勵(lì)磁繞組軸線之間的相對(duì)位置。當(dāng)整步繞組中的某一相繞組軸線與勵(lì)磁繞組軸線重合時(shí)，該相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為最大值，用EFm表示電動(dòng)勢(shì)的最大值。

6.6其他控制微電機(jī)Page65設(shè)發(fā)送機(jī)整步繞組中的A相繞組軸線與其對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁繞組軸線的夾角為θJ，接收機(jī)整步繞組中的A相繞組軸線與其對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁繞組軸線的夾角為θF，如圖上圖所示。發(fā)送機(jī)整步繞組中各相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值為

6.6其他控制微電機(jī)Page66

可以證明：接收機(jī)勵(lì)磁繞組的合成電動(dòng)勢(shì)，即輸出電動(dòng)勢(shì)E0為

式中E0m——最大輸出電動(dòng)勢(shì)有效值

從上式看出，失調(diào)角=0時(shí)，接收機(jī)的輸出電動(dòng)勢(shì)為最大而不是零，且與失調(diào)角有余弦關(guān)系的輸出電動(dòng)勢(shì)不能反映發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)方向，故很不實(shí)用。實(shí)際的控制式自整角機(jī)是將接收機(jī)轉(zhuǎn)子繞組軸線與發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子繞組軸線垂直時(shí)的位置作為計(jì)算F的起始位置。此時(shí)，輸出電動(dòng)勢(shì)表示為

6.6其他控制微電機(jī)Page67

由于接收機(jī)轉(zhuǎn)子不能轉(zhuǎn)動(dòng)，即是恒定的。J控制式自整角機(jī)的輸出電動(dòng)勢(shì)的大小反映了發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角度，輸出電動(dòng)勢(shì)的極性反映了發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)方向，從而實(shí)現(xiàn)了將轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。6.6其他控制微電機(jī)Page682力矩式自整角機(jī)的工作原理力矩式自整角機(jī)的工作原理可以由左圖來(lái)說(shuō)明。圖中由結(jié)構(gòu)、參數(shù)均相同的兩臺(tái)自整角機(jī)構(gòu)成自整角機(jī)組，一臺(tái)用來(lái)發(fā)送轉(zhuǎn)角信號(hào)，稱自整角發(fā)送機(jī)，用ZLF表示；另一臺(tái)用來(lái)接收轉(zhuǎn)角信號(hào)，稱為自整角接收機(jī)，用ZLJ表示。兩臺(tái)自整角機(jī)中的整步繞組均接成星形，三對(duì)相序相同的相繞組分別連接成回路。兩臺(tái)自整角機(jī)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁繞組接在同一個(gè)單相交流電源上。6.6其他控制微電機(jī)Page69圖6-35力矩式自整角機(jī)接線圖及磁動(dòng)勢(shì)圖6.6其他控制微電機(jī)Page70

在勵(lì)磁繞組中通入單相交流電流時(shí)，兩臺(tái)自整角機(jī)的氣隙中都將生成脈振磁場(chǎng)，其大小隨時(shí)間按余弦規(guī)律變化。脈振磁場(chǎng)使整步繞組的各相繞組生成時(shí)間上同相位的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的大小取決于整步繞組中各相繞組的軸線與勵(lì)磁繞組軸線之間的相對(duì)位置。當(dāng)整步繞組中的某一相繞組軸線與其對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁繞組軸線重合時(shí)，該相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為最大，用Em表示電動(dòng)勢(shì)的最大值。6.6其他控制微電機(jī)Page71設(shè)發(fā)送機(jī)整步繞組中的A相繞組軸線與其對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁繞組軸線的夾角為F，接收機(jī)整步繞組中的A相繞組軸線與其對(duì)應(yīng)的勵(lì)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(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值如下。6.6其他控制微電機(jī)Page72對(duì)發(fā)送機(jī)

對(duì)接收機(jī)

由于發(fā)送機(jī)與接收機(jī)各連接相的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在時(shí)間上是同相位的，可得各相回路的合成電動(dòng)勢(shì)為

式中=F-J為發(fā)送機(jī)、接收機(jī)偏轉(zhuǎn)角之差，稱為失調(diào)角6.6其他控制微電機(jī)Page73當(dāng)J≠F，即失調(diào)角≠0時(shí)，整步繞組中各相回路的合成電動(dòng)勢(shì)不為零，使各相回路中產(chǎn)生均衡電流。設(shè)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(jī)Page74由于J≠F時(shí)，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(chǎng)的作用下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩作用于整步繞組而試圖使定子旋轉(zhuǎn)。只要發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，接收機(jī)的轉(zhuǎn)子就會(huì)在接收機(jī)本身生成的電磁轉(zhuǎn)矩作用下轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相同的角度，J=F,從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)角遠(yuǎn)距離再現(xiàn)。

6.6其他控制微電機(jī)Page75

實(shí)際上，由于存在摩擦轉(zhuǎn)矩，當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩隨失調(diào)角減小而減小到等于或小于摩擦轉(zhuǎn)矩時(shí)，接收機(jī)的轉(zhuǎn)子就停轉(zhuǎn)了，也就是說(shuō)，均衡電流未下降到零時(shí)接收機(jī)轉(zhuǎn)子就停轉(zhuǎn)了，說(shuō)明接收機(jī)轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角與發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角還有一定的偏差，即仍存在失調(diào)角，此時(shí)的失調(diào)角稱為靜態(tài)誤差角。靜態(tài)誤差角越小，力矩式自整角機(jī)的精度越高。6.6其他控制微電機(jī)Page766.6其他控制微電機(jī)

旋轉(zhuǎn)變壓器是自動(dòng)裝置中較常用的精密控制電機(jī)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器的定子繞組施加單相交流電時(shí)，其轉(zhuǎn)子繞組輸出的電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦余弦關(guān)系或線性關(guān)系等函數(shù)關(guān)系。旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)與繞線式異步電動(dòng)機(jī)類似，其定子、轉(zhuǎn)子鐵芯通常采用高磁導(dǎo)率的鐵鎳硅鋼片沖疊而成，在定子鐵芯和轉(zhuǎn)子鐵芯上