第4章 常用控制電機(jī)《電機(jī)與電氣控制技術(shù)》教學(xué)課件

《電機(jī)與電氣控制技術(shù)》?精品課件合集第四章常用控制電機(jī)目錄CONTENTS伺服電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)本章小結(jié)01020304導(dǎo)入隨著自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算裝置的不斷發(fā)展，在普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生出多種具有特殊性能的小功率電機(jī)，它們?cè)谧詣?dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算裝置中作為執(zhí)行元件、檢測(cè)元件和解算元件，這類電機(jī)統(tǒng)稱為控制電機(jī)?？刂齐姍C(jī)和普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)從基本的電磁感應(yīng)原理來(lái)說(shuō)，并沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別，但由于其使用場(chǎng)合不同，因此對(duì)其性能指標(biāo)要求也不一樣。普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)主要用于電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，用來(lái)完成機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換，著重于啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)力能指標(biāo)的要求。而控制電機(jī)主要用于自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算裝置中，著重于特性的高精度和對(duì)控制信號(hào)的快速響應(yīng)等?？刂齐姍C(jī)輸出功率一般較小，從數(shù)百毫瓦到數(shù)百瓦，但在大功率的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，控制電機(jī)的輸出功率可達(dá)數(shù)十千瓦?？刂齐姍C(jī)已成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)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，如機(jī)床加工過(guò)程的自動(dòng)控制和自動(dòng)顯示，閥門的遙控，火炮和雷達(dá)的自動(dòng)定位，艦船方向舵的自動(dòng)操縱，飛機(jī)的自動(dòng)駕駛，遙遠(yuǎn)目標(biāo)位置的顯示，以及電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)記錄儀表、醫(yī)療設(shè)備、錄音、錄像、攝影等方面的自動(dòng)控制系統(tǒng)等。本章僅討論機(jī)械工業(yè)常用的執(zhí)行用控制電動(dòng)機(jī)，即交、直流伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，以及測(cè)速用控制電機(jī)，即交、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)。伺服電動(dòng)機(jī)01伺服電動(dòng)機(jī)又稱為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。它將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)矩或速度輸出，以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。輸入的電壓信號(hào)稱為控制信號(hào)或控制電壓，改變控制電壓的極性和大小，便可改變伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。伺服電動(dòng)機(jī)按其使用電源性質(zhì)不同，可分為直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)。4.1

伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)就是一臺(tái)微型他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)與工作原理與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)相同。其輸出功率為1～600

W，一般用在功率稍大的系統(tǒng)中。按勵(lì)磁方式的不同可分為他勵(lì)式和永磁式兩種。工程中采用直流電壓信號(hào)控制伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，其控制方式有電樞控制和磁場(chǎng)控制。前者是通過(guò)改變電樞電壓的大小和方向來(lái)改變伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向；后者是通過(guò)改變勵(lì)磁電壓大小和方向來(lái)改變伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。后者只適用于他勵(lì)式直流伺服電動(dòng)機(jī)，且控制性能不如前者，因此工程中多采用電樞控制。電樞控制直流伺服電動(dòng)機(jī)接線圖如圖4-1所示。伺服電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組接于恒壓直流電源Uf上，流過(guò)恒定勵(lì)磁電流If，產(chǎn)生恒定磁通Ф，將控制電壓Uc加在電樞繞組上來(lái)控制電樞電流Ic，進(jìn)而控制電磁轉(zhuǎn)矩T，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。4.1.1 直流伺服電動(dòng)機(jī)圖4-1

電樞控制式直流伺服電動(dòng)機(jī)原理圖采用電樞控制時(shí)，直流伺服電動(dòng)機(jī)械特性與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)改變電樞電壓時(shí)的人為機(jī)械特性相似，其機(jī)械特性方程為圖4-2

直流伺服電動(dòng)機(jī)Uf為常數(shù)時(shí)的機(jī)械特性當(dāng)Uc為不同值時(shí)，機(jī)械特性為一簇平行直線，如圖4-2所示(圖中的n*和T*分別是轉(zhuǎn)速n和電磁轉(zhuǎn)矩T的相對(duì)值)。在Uc一定情況下，T越大則轉(zhuǎn)速n越低。在負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定，磁通不變時(shí)，控制電壓Uc越高，轉(zhuǎn)速也越高，且轉(zhuǎn)速的增加與控制電壓的增加成正比；當(dāng)Uc＝0時(shí)，n＝0，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。要改變直流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向，可改變控制電壓Uc的極性。所以直流伺服電動(dòng)機(jī)具有可控性。直流伺服電動(dòng)機(jī)在使用時(shí)應(yīng)先接通勵(lì)磁電源，等待控制信號(hào)?？刂菩盘?hào)一旦出現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)馬上啟動(dòng)，快速進(jìn)入運(yùn)行；當(dāng)控制信號(hào)消失，電動(dòng)機(jī)馬上停轉(zhuǎn)。所以在工作過(guò)程中，一定要防止勵(lì)磁繞組斷電，以防電動(dòng)機(jī)因超速而損壞。常用的有SZ系列直流伺服電動(dòng)機(jī)。4.1.1 直流伺服電動(dòng)機(jī)圖4-2

直流伺服電動(dòng)機(jī)Uf為常數(shù)時(shí)的機(jī)械特性e e

tRaTC

CC

2n

Uc

1.結(jié)

構(gòu)交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)類似單相異步電動(dòng)機(jī)，在定子鐵心槽內(nèi)嵌放兩相繞組，一個(gè)是勵(lì)磁繞組Nf，由給定的交流電壓Uf勵(lì)磁；另一個(gè)是控制繞組Nc，輸入交流控制電壓Uc。兩相繞組在空間相差90°電角度。常用的轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)。一種為籠型轉(zhuǎn)子，但為減小轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量而做成細(xì)而長(zhǎng)的形狀。轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)采用高阻值材料或采用鑄鋁轉(zhuǎn)子，如圖4-3(a)所示。另一種是用鋁合金或紫銅等非磁性材料制成的空心杯轉(zhuǎn)子?？招谋D(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)還有一個(gè)內(nèi)定子，內(nèi)定子上不裝繞組，僅作為磁路一部分，相當(dāng)于籠型轉(zhuǎn)子的鐵心，杯形轉(zhuǎn)子裝在內(nèi)外定子之間的轉(zhuǎn)軸上，可在內(nèi)外定子之間的氣隙中自由旋轉(zhuǎn)，如圖4-3(b)所示。4.1.2 交流伺服電動(dòng)機(jī)圖4-3

交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖（a）籠型轉(zhuǎn)子（b）杯形轉(zhuǎn)子1，5—軸承；2—機(jī)殼；3—定子；4—轉(zhuǎn)子；6—接線板；7—銘牌。1—杯形轉(zhuǎn)子；2—定子繞組；3—外定子；4—內(nèi)定子；5—機(jī)殼；6—端蓋。4.1.2 交流伺服電動(dòng)機(jī)圖4-4

交流伺服電動(dòng)機(jī)原理圖2.

工作原理交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與具有啟動(dòng)繞組的單相異步電動(dòng)機(jī)相似。在勵(lì)磁繞組Nf中串入電容C進(jìn)行移相，使勵(lì)磁電流If與控制繞組Nc中的電流Ic在相位上近似相差90°電角度，如圖4-4所示。它們產(chǎn)生的磁通Фf與Фc在相位上也近似相差90°電角度，于是在空間產(chǎn)生一個(gè)兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下，在籠型轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條中或杯形轉(zhuǎn)子的杯形筒壁中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與感應(yīng)電流，該轉(zhuǎn)子電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。但一旦控制電壓取消，僅有勵(lì)磁電壓作用時(shí)，若伺服電動(dòng)機(jī)仍按原轉(zhuǎn)動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)，即呈現(xiàn)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象?！白赞D(zhuǎn)”是不符合交流伺服電動(dòng)機(jī)可控性要求的。為了防止“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象的發(fā)生，必須增大轉(zhuǎn)子電阻。4.1.2 交流伺服電動(dòng)機(jī)圖4-5

交流伺服電動(dòng)機(jī)單相運(yùn)行（Uc＝0）時(shí)的T＝f

(s)曲線從單相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理可知，單個(gè)繞組通入交流電流產(chǎn)生的單相脈動(dòng)磁場(chǎng)可分為兩個(gè)大小相等、方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩T+，反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩T－。圖4-5畫(huà)出了轉(zhuǎn)子電阻值不同且控制電壓Uc＝0時(shí)的正向轉(zhuǎn)矩、反向轉(zhuǎn)矩以及合成轉(zhuǎn)矩T的機(jī)械特性曲線。其中圖4-5（a）為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻值大小與一般單相異步電動(dòng)機(jī)相同時(shí)的T＝f

(s)曲線，出現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差率sm＝0.2左右。若此時(shí)控制電壓消失，則電動(dòng)機(jī)仍沿著轉(zhuǎn)子原轉(zhuǎn)動(dòng)方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖4-5（b）是把交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻增大到

的T＝f

(s)曲線，此時(shí)sm＝0.5左右。若負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于最大電磁轉(zhuǎn)矩，即TL<Tm，則在控制電壓消失時(shí)，電動(dòng)機(jī)仍沿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。圖4-5（c）是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻增大到

時(shí)的T＝f

(s)曲線，此時(shí)sm＝1，其合成轉(zhuǎn)矩T在電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)時(shí)成為負(fù)值，即當(dāng)控制電壓消失后，處于單相運(yùn)行狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)由于電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)性質(zhì)，使電動(dòng)機(jī)迅速停下來(lái)。由此可知，交流伺服電動(dòng)機(jī)在制造時(shí)，適當(dāng)加大轉(zhuǎn)子電阻，使T＝f

(s)曲線中

，便可克服交流伺服電動(dòng)機(jī)的“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。增大轉(zhuǎn)子電阻不僅可克服“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，還可改善交流伺服電動(dòng)機(jī)的其他性能。4.1.2 交流伺服電動(dòng)機(jī)圖4-6為交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線。圖中曲線1為一般異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，其臨界轉(zhuǎn)差率sm＝0.1～0.2，其穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)在s＝0～0.1，所以電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍很小。如果增大轉(zhuǎn)子電阻，使其sm≥1，則電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線成為圖中曲線2、3所示，即機(jī)械特性更近于線性關(guān)系，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由零到同步轉(zhuǎn)速的全部范圍均能穩(wěn)定運(yùn)行，從而擴(kuò)大了調(diào)速范圍和機(jī)械特性線性化。1—sm＝0.1；2—sm＝1；3—sm>1。圖4-6

交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線3.

控制方式交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，控制繞組上所加的控制電壓Uc是變化的，改變其大小或者改變Uc與勵(lì)磁電壓Uf之間的相位角，都能使電動(dòng)機(jī)氣隙中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生變化，從而影響電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)控制電壓的大小或相位來(lái)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)向。所以控制方式有幅值控制、相位控制和幅值-相位控制三種。4.1.2 交流伺服電動(dòng)機(jī)何服電動(dòng)機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，當(dāng)輸入控制電壓后，伺服電動(dòng)機(jī)能按照控制信號(hào)的要求驅(qū)動(dòng)工作機(jī)械。伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)用十分廣泛，在工業(yè)機(jī)器人、機(jī)床、各種測(cè)量?jī)x器、辦公設(shè)備以及計(jì)算機(jī)關(guān)聯(lián)設(shè)備等場(chǎng)合獲得廣泛應(yīng)用。下面介紹交流伺服電動(dòng)機(jī)在測(cè)溫儀表電子電位差計(jì)中的應(yīng)用。圖4-7為電子電位差計(jì)原理圖。該系統(tǒng)主要由熱電偶、電橋電路、變流器、放大器與交流伺服電動(dòng)機(jī)等組成。4.1.3 伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用圖4-7

電子電位差計(jì)原理圖在測(cè)溫前，將開(kāi)關(guān)SA扳向a位，將電動(dòng)勢(shì)為E0的標(biāo)準(zhǔn)電池接入；然后調(diào)節(jié)R3，使I0(R1＋R2)＝E0，ΔU＝0，此時(shí)的電流I0為標(biāo)準(zhǔn)值。在測(cè)溫時(shí)，要保持I0為恒定的標(biāo)準(zhǔn)值。在測(cè)量溫度時(shí)，將開(kāi)關(guān)SA扳向b位，將熱電偶接入。熱電偶將被測(cè)的溫度轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)Et，而電橋電路中電阻R2上的電壓I0R2是用以平衡Et的，當(dāng)兩者不相等時(shí)將產(chǎn)生不平衡電壓ΔU。而ΔU經(jīng)過(guò)變流器變換為交流電壓，再經(jīng)過(guò)放大器放大，用以驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)SM。電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速后帶動(dòng)測(cè)溫儀指針偏轉(zhuǎn)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)滑線電阻器的滑動(dòng)端移動(dòng)。當(dāng)滑線電阻器R2達(dá)到一定值時(shí)，電橋達(dá)到平衡，伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在一個(gè)轉(zhuǎn)角α處。由于測(cè)溫儀的指針被伺服電動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)，而偏轉(zhuǎn)角度α與被測(cè)溫度t之間存在著對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此，可從測(cè)溫儀刻度盤上直接讀得被測(cè)溫度t的值。當(dāng)被測(cè)溫度上升或下降時(shí)，ΔU的極性不同，即控制電壓的相位不同，從而使得伺服電動(dòng)機(jī)正向或反向運(yùn)轉(zhuǎn)，電橋電路重新達(dá)到平衡，從而測(cè)得相應(yīng)的溫度。4.1.3 伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用測(cè)速發(fā)電機(jī)02測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種測(cè)速裝置，它將輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。這就要求測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比，且對(duì)轉(zhuǎn)速的變化反應(yīng)靈敏。按照測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出信號(hào)的不同，可分為直流測(cè)速發(fā)電機(jī)和交流測(cè)速發(fā)電機(jī)兩大類。4.2

測(cè)速發(fā)電機(jī)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種微型直流發(fā)電機(jī)，其定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與直流發(fā)電機(jī)基本相同，按勵(lì)磁方式可分為他勵(lì)式和永磁式兩種，其中以永磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)應(yīng)用最為廣泛。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)工作原理圖如圖4-8所示。在恒定磁場(chǎng)Ф0中，當(dāng)發(fā)電機(jī)以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì)為可見(jiàn)空載運(yùn)行時(shí)，直流測(cè)速發(fā)電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比，電動(dòng)勢(shì)的極性與轉(zhuǎn)動(dòng)方向有關(guān)?？蛰d時(shí)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓U0＝E0，因此空載輸出電壓與轉(zhuǎn)速也成正比。當(dāng)負(fù)載電阻為RL時(shí)，其輸出電壓U為其中Ra為電樞回路總電阻，而I＝U/RL，則4.2.1 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)E0

Ce

0

nU

E0

IRaE0Ce

0U

n

kn1

Ra

/

RL 1

Ra/

RL可見(jiàn)，直流測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓U與轉(zhuǎn)速n仍成正比。只不過(guò)對(duì)于不同的負(fù)載電阻RL，測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性的斜率有所不同，它隨負(fù)載電阻RL的減小而降低，如圖4-9所示?？蛰d時(shí)，

，輸出特性U＝f

(n)為一條直線。RL愈小，電流I愈大，當(dāng)轉(zhuǎn)速為一定值時(shí)，輸出電壓U下降得也就愈多，而且當(dāng)RL減小時(shí)線性誤差將增加，特別在高速時(shí)，輸出特性偏離U與n的線性關(guān)系為虛線所示。為此，使用時(shí)RL盡可能取大些。在直流測(cè)速發(fā)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)中給出了“最小負(fù)載電阻和最高轉(zhuǎn)速”，以確?？刂葡到y(tǒng)的精度。4.2.1 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)圖4-8

直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理圖圖4-9

直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性交流測(cè)速發(fā)電機(jī)有異步式和同步式兩類，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用較廣的為交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)。交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)與杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)相同。在機(jī)座號(hào)小的測(cè)速發(fā)電機(jī)中，定子槽內(nèi)嵌放著空間相差90°電角度的兩相繞組，其中一相繞組作為勵(lì)磁繞組；另一相作為輸出繞組。在機(jī)座號(hào)較大的測(cè)速發(fā)電機(jī)中，常將勵(lì)磁繞組嵌放在外定子上，而把輸出繞組嵌放在內(nèi)定子上。下面以異步式交流測(cè)速發(fā)電機(jī)為例來(lái)分析其工作原理。如圖4-10所示，在定子上有兩個(gè)軸線互相垂直的繞組，一個(gè)勵(lì)磁繞組N1，另一個(gè)是輸出繞組N2。轉(zhuǎn)子是空心杯，用電阻率較大的非磁性材料磷青銅制成。在杯子內(nèi)還裝有一個(gè)由硅鋼片制成的鐵心，稱為內(nèi)鐵心，用以減小磁路的磁阻。4.2.2 交流測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)圖4-10

異步測(cè)速發(fā)電機(jī)原理圖4.2.2 交流測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)圖4-10

異步測(cè)速發(fā)電機(jī)原理圖發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組接到穩(wěn)定的交流電源上，勵(lì)磁電壓為，流過(guò)電流為，在勵(lì)磁繞組的軸線方向產(chǎn)生交變脈動(dòng)磁通Ф1，由U1

4.44f1k1

N1

1可知，Ф1正比于U1。當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，由于脈動(dòng)磁通與輸出繞組的軸線垂直，Ф1與N2沒(méi)有交鏈，所以輸出繞組無(wú)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，輸出電壓U2＝0，如圖4-10(a)所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子被主機(jī)拖動(dòng)，以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時(shí)，杯形轉(zhuǎn)子切制Ф1，在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)Er，其方向由右手定則確定，如圖4-10(b)所示。由于Ф1是隨時(shí)間作正弦變化，所以Er也是正弦交流電動(dòng)勢(shì)，其頻率也是f1，電動(dòng)勢(shì)有效值為Er

Ce

1n若輸出繞組阻抗為Z2，則有4.2.2 交流測(cè)速發(fā)電機(jī)杯形轉(zhuǎn)子可看作由無(wú)數(shù)條并聯(lián)導(dǎo)體組成，Er便在其中產(chǎn)生同頻率的轉(zhuǎn)子電流Ir。由于杯形轉(zhuǎn)子為高阻值，漏抗忽略不計(jì)，故Ir與Er同相位。由Ir產(chǎn)生頻率為f1的脈動(dòng)磁通Фr，磁通Фr與輸出繞組的軸線方向一致，因而在輸出繞組中感應(yīng)出頻率也為f1的電動(dòng)勢(shì)，其有效值為E2

4.44f1k2

N2

r則輸出繞組兩端在空載時(shí)輸出電壓為U2＝E2由上述關(guān)系可知U2

r

Er

1n

U1n式子表明，測(cè)速發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組加上電壓U1，以轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的輸出電壓U2的大小與n成正比。當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向改變時(shí)，輸出電壓U2相位也反了，于是就把轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。22 2

2U

E

I

Z

測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓U2與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為輸出特性U2＝f

(n)。圖4-11（a）為交流測(cè)速發(fā)電機(jī)理想輸出特性，斜線1為輸出繞組開(kāi)路時(shí)，即ZL＝∞時(shí)的輸出特性；斜線2為接有負(fù)載ZL時(shí)的輸出特性。測(cè)速發(fā)電機(jī)在實(shí)際工作時(shí)，輸出特性如圖4-11（b）所示。因?yàn)椐?是由勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)子電流共同產(chǎn)生的，而轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子電流與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n有關(guān)。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，勵(lì)磁電流和磁通Ф1都將發(fā)生變化，即Ф1并非常數(shù)，這就使輸出電壓U2與轉(zhuǎn)速n不再是線性關(guān)系了，從而出現(xiàn)誤差。4.2.2 交流測(cè)速發(fā)電機(jī)（a）理想輸出特性（b）實(shí)際輸出特性圖4-11

交流測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出特性圖4-12為直流測(cè)速發(fā)電機(jī)在恒速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用原理圖。圖中直流電動(dòng)機(jī)M拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械負(fù)載。要求當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速不變。若采用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載，由于直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小而變化的，不能達(dá)到負(fù)載轉(zhuǎn)速恒定的要求。為此，與電動(dòng)機(jī)同軸連接一臺(tái)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，并將直流測(cè)速發(fā)電機(jī)TG的輸出電壓送入系統(tǒng)的輸入端，稱為反饋電壓Uf，且Uf與給定電壓Ug反向連接，成為負(fù)反饋。4.2.3 測(cè)速發(fā)電機(jī)的應(yīng)用圖4-12

恒速控制系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)工作時(shí)，先調(diào)節(jié)給定電壓Ug，使直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恰為負(fù)載要求的轉(zhuǎn)速。若負(fù)載轉(zhuǎn)矩由于某種因素減小時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速上升，與其同軸的測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速也將上升，輸出電壓Uf增大，使差值電壓Ud＝Ug－Uf減小，經(jīng)放大器放大后的輸出電壓隨之減小，由于該輸出電壓作為電動(dòng)機(jī)電樞電壓，所以使直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，從而使系統(tǒng)轉(zhuǎn)速基本不變。反之當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由于某種原因有所增加時(shí)，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速將下降，測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓Uf減小，因而差值電壓Ud＝Ug－Uf增大，經(jīng)放大后加在電動(dòng)機(jī)上的電樞電壓也增大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升。由此可見(jiàn)，該系統(tǒng)由于測(cè)速發(fā)電機(jī)的接入，具有自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)速近似于恒定值。4.2.2 交流測(cè)速發(fā)電機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)03步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的控制電機(jī)。每輸入一個(gè)脈沖，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步，其輸出的角位移或線位移與輸入脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件獲得廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)種類繁多，按運(yùn)行方式可分為旋轉(zhuǎn)型和直線型，通常使用的多為旋轉(zhuǎn)型。旋轉(zhuǎn)型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又有反應(yīng)式（磁阻式）、永磁式和感應(yīng)式三種，其中反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是我國(guó)目前使用最廣的一種。它具有慣性小、反應(yīng)快和速度高等特點(diǎn)。按相數(shù)又有單相、兩相、三相和多相等形式，對(duì)于反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，沒(méi)有單相和兩相的形式。下面以三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例，介紹其結(jié)構(gòu)和工作原理。4.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)圖4-13為三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。其定、轉(zhuǎn)子鐵心均由硅鋼片疊制而成，定子上有均勻分布的六個(gè)磁極，磁極上繞有控制（勵(lì)磁）繞組，兩個(gè)相對(duì)磁極組成一相，三相繞組接成星形連接。轉(zhuǎn)子鐵心上沒(méi)有繞組，轉(zhuǎn)子具有均勻分布的四個(gè)齒，且轉(zhuǎn)子齒寬等于定子極靴寬。4.3.1 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖4-13

三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖4.3.2 工作原理（a）U相通電1.

單三拍控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理圖4-14為三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單三拍控制方式時(shí)的工作原理圖。單三拍控制中的“單”是指每次只有一相控制繞組通電，通電順序?yàn)閁→V→W→U或按U→W→V→U順序?！芭摹笔侵敢环N通電狀態(tài)換到另一種通電狀態(tài)，“三拍”是指經(jīng)過(guò)三次切換控制繞組的電脈中為一個(gè)循環(huán)。（b）V相通電圖4-14

單三拍控制方式下步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理圖（c）W相通電4.3.2 工作原理（a）U相通電當(dāng)U相控制繞組通入電脈沖時(shí)，U、U

成為電磁鐵的N、S極。由于磁路磁通要沿著磁阻最小的路徑來(lái)閉合，將使轉(zhuǎn)子齒1、3和定子極U、U

對(duì)齊，即形成U、U

軸線方向的磁通ФU，如圖4-14(a)所示。U相脈沖結(jié)束，接著V相通入脈沖，由于上述原因，轉(zhuǎn)子齒2、4與定子磁極V、V

對(duì)齊，如圖4-14(b)所示，轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)30°，V相脈沖結(jié)束，隨后W相控制繞組通入電脈沖，使轉(zhuǎn)子齒3、1和定子磁極W、W

對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又在空間順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)30°，如圖4-14(c)所示。（b）V相通電圖4-14

單三拍控制方式下步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理圖（c）W相通電4.3.2 工作原理（a）U相通電由上述分析可知，如果按照U→V→W→U的順序通入電脈沖，轉(zhuǎn)子按順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊睫D(zhuǎn)動(dòng)，每步轉(zhuǎn)過(guò)30°，該角度稱為步距角。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于電脈沖的頻率，頻率越高，轉(zhuǎn)速越高。若按U→W→V→U順序通入電脈沖，則電動(dòng)機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。三相控制繞組的通電順序及頻率大小，通常由電子邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。上述三相單拍通電方式，是在一相繞組斷電瞬間另一繞組剛開(kāi)始通電，容易造成失步。而且由于單一控制繞組吸引轉(zhuǎn)子，也容易使轉(zhuǎn)子在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩，所以運(yùn)行穩(wěn)定性較差，故很少采用。（b）V相通電圖4-14

單三拍控制方式下步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理圖（c）W相通電4.3.2 工作原理（a）U相通電2.

六拍方式控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理六拍控制方式中三相控制繞組通電順序按U→UV→V→VW→W→WU→U進(jìn)行，即先U相控制繞組通電，而后U、V兩相控制繞組同時(shí)通電；然后斷開(kāi)U相控制繞組，由V相控制繞組單獨(dú)通電；再使V、W兩相控制繞組同時(shí)通電，依次進(jìn)行下去，如圖4-15所示。每轉(zhuǎn)換一次，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)15 ，即步距角為15 。若改變通電順序（即反過(guò)來(lái)）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。該控制方式下，定子三相繞組經(jīng)六次換接完成一個(gè)循環(huán)，故稱為“六拍”控制。此種控制方式因轉(zhuǎn)換時(shí)始終有一相繞組通電，故工作比較穩(wěn)定。（b）

U、V相通電 （c）V相通電圖4-15

三相六拍控制方式下步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理圖（d）V、W相通電4.3.2 工作原理（a）U相通電3.

雙三拍控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理雙三拍控制時(shí)每次有兩相繞組同時(shí)通電，且按照UV→VW→WU→UV順序進(jìn)行。在雙三拍通電方式下步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置與六拍通電方式時(shí)兩相繞組同時(shí)通電時(shí)的情況相同，如圖4-15（b）、（d）所示。所以，按雙三拍通電方式運(yùn)行時(shí)，它的步距角和單三拍控制方式相同，都為30°。（b）

U、V相通電 （c）V相通電圖4-15

三相六拍控制方式下步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理圖（d）V、W相通電4.3.2 工作原理式中

θ

——步距角（rad）；N

——運(yùn)行拍數(shù)；zr

——轉(zhuǎn)子齒數(shù)。式中

n

——步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（r/min）；f

——控制脈沖的頻率（Hz）。所以，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率f成正比，并與頻率同步。在運(yùn)行拍數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù)一定時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速只取決于電脈沖領(lǐng)率，并與頻率成正比，而且步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，精確度高，調(diào)速范圍大，啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)靈敏等優(yōu)點(diǎn)，而且無(wú)積累誤差，故廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)，如數(shù)控機(jī)床、繪圖儀、自動(dòng)記錄儀表、檢測(cè)儀表和數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置上。zr

N zr

N

由上分析可知，若步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子有三相六個(gè)磁極，極距為360

/6＝60

，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為zr＝4，齒距角為360

/4＝90

。當(dāng)采用三拍控制時(shí)，每一拍轉(zhuǎn)過(guò)