電機及拖動基礎 4、微特電機

1、電機及拖動基礎電機及拖動基礎 第四章第四章 微特電機微特電機微特電機微特電機微特電機微特電機 微特電機指的是控制微電機和一些特殊微電機，它們多被用于自動化系統(tǒng)和計算機裝置中以實現(xiàn)信號（或能量）的執(zhí)行、檢測、解算、實現(xiàn)信號（或能量）的執(zhí)行、檢測、解算、轉(zhuǎn)換或放大功能轉(zhuǎn)換或放大功能。微電機的輸出功率一般從數(shù)百毫瓦到數(shù)百瓦，通常不大于600W。微特電機的外形尺寸較小，機座外徑不足130mm。質(zhì)量從數(shù)十克到數(shù)千克。 普通的旋轉(zhuǎn)電機較注重起動和運行時的力能指標。而微特電機則注重可靠性、高精度和可靠性、高精度和快速響應快速響應，以滿足系統(tǒng)的要求。微特電機的特點微特電機的特點 1 1可靠性高?？煽啃愿摺Ｔ谧?/p>

2、動控制系統(tǒng)中，每個元件都要按系統(tǒng)對它的要求而工作，可靠性高是確保系統(tǒng)正常工作的基礎，因此要求使用中的微特電機能在惡劣環(huán)境下可靠地工作。 2 2精度高。精度高。測速和測位用的微電機常用高精度作為考察指標；執(zhí)行和放大用的微特電機主要用線性度和不靈敏區(qū)等指標來作為精度的標準。微特電機的精度直接影響自動控制系統(tǒng)的精度，所以高精度的微特電機是自動控制系統(tǒng)高精度的必備條件。 3 3快速響應。快速響應。執(zhí)行用微電機，要具備快速響應的能力。常用最大理論加速度、機電時間常數(shù)和功率變化率等作為衡量快速響應的指標。因為微特電機對信號的響應能力遠低于同一系統(tǒng)中的其他元器件，所以其主要指標是影響系統(tǒng)響應速度的決定因素。

3、 微特電機微特電機返回返回4.1 伺服電動機伺服電動機 伺服電動機也叫執(zhí)行電動機，它的工作狀態(tài)受控于信號，按信號的指令而動作：信號為零時，轉(zhuǎn)子處于靜止狀態(tài)；有信號輸入，轉(zhuǎn)子立即旋轉(zhuǎn)；除去信號，轉(zhuǎn)子能迅速制動，很快停轉(zhuǎn)。 為了達到自動控制系統(tǒng)的要求，伺服電動機應具有以下特點：好的可控性；高的穩(wěn)定性；靈敏性。 伺服電動機按照供電電源是直流還是交流可分為兩大類，直流伺服電動機和交流伺服電動機。微特電機的應用微特電機的應用4.1.1 4.1.1 直流伺服電動機直流伺服電動機 直流伺服電動機是指使用直流電源的伺服電動機。 直流伺服電動機的特點：氣隙小，磁路不飽和；電樞電阻大，機械特性為軟特性；電樞細長，

4、轉(zhuǎn)動慣量小。1 1直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)直流伺服電動機的結(jié)構(gòu) 直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)和普通小功率直流電動機相同。 直流伺服電動機的分類直流伺服電動機的分類 直流伺服電動機按勵磁方式可分為兩種基本類型：永磁式和電磁式。永磁式的定子由永久磁鐵作成，可看作是它勵直流伺服電動機的一種。電磁式直流伺服電動機定子由硅鋼片疊成，外套勵磁繞組。 按結(jié)構(gòu)可分為：普通型直流伺服電動機、盤形電樞直流伺服電動機、空心杯電樞直流伺服電動機和無槽電樞直流伺服電動機等種類。2 2直流伺服電動機的工作原理直流伺服電動機的工作原理 直流伺服電動機的工作原理和普通直流電動機相同，當勵磁繞組和電樞繞組中都通過電流并產(chǎn)生磁通時，它們相互

5、作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使直流伺服電動機帶動負載工作。如果兩個繞組中任何一個電流消失，電動機馬上靜止下來。 作為自動控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，直流伺服電動機把輸入的控制電壓信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸上的角位移或角速度輸出。電動機的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向隨控制電壓的改變而改變。問題與思考：問題與思考： 1.1.直流伺服電動機如何分類？請敘直流伺服電動機如何分類？請敘述直流伺服電動機的工作原理。述直流伺服電動機的工作原理。3 3直流伺服電動機的控制方式直流伺服電動機的控制方式 直流伺服電動機的勵磁繞組和電樞繞組分別裝在定子和轉(zhuǎn)子上，改變電樞繞組的端電壓或改變勵磁電流都可以實現(xiàn)調(diào)速控制。1）改變電樞繞組端電壓的控制 電樞繞組作為接

6、受信號的控制繞組，接電壓為UK的直流電源。勵磁繞組接到電壓為Uf的直流電源上，以產(chǎn)生磁通。當控制電源有電壓輸出時，電動機立即旋轉(zhuǎn)，無控制電壓輸出時，電動機立即停止轉(zhuǎn)動。2）改變勵磁電流的控制 改變勵磁電流的控制方式中，電樞繞組起勵磁繞組的作用，接在勵磁電源Uf上，而勵磁繞組則作為控制繞組，受控于電壓UK。 由于勵磁繞組進行勵磁時，所消耗的功率較小，并且電樞電路的電感小，響應迅速，所以直流伺服電動機多采用改變電樞端電壓的控制方式。4 4直流伺服電動機的運行特性直流伺服電動機的運行特性 直流伺服電動機負載運行時三個主要運行變量為：電樞電壓、轉(zhuǎn)速n及電磁轉(zhuǎn)矩T，它們之間的關系特性，稱作運行特性。 1

7、）機械特性 機械特性是指在控制電樞電壓保持不變的情況下，直流伺服電動機的轉(zhuǎn)速n隨電磁轉(zhuǎn)矩T變化的關系。2）調(diào)節(jié)特性 調(diào)節(jié)特性是指在一定的轉(zhuǎn)矩下，轉(zhuǎn)速n與控制電樞電壓U之間的關系。 當轉(zhuǎn)速為零時，對應不同的負載轉(zhuǎn)矩可得到不同的起動電壓。 當電樞電壓小于起動電壓時，伺服電動機不能起動。5 5常用的直流伺服電動機常用的直流伺服電動機 常用的直流伺服電動機有：普通型直流伺服電動機、盤形電樞直流伺服電動機、空心杯直流伺服電動機和無槽直流伺服電動機等。 1）普通型直流伺服電動機 普通型直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)與他勵直流電動機的結(jié)構(gòu)基本相同，也由定子、轉(zhuǎn)子兩大部分所組成。根據(jù)勵磁方式它又可分為永磁式和電磁式兩種

8、。2）盤形電樞直流伺服電動機 盤形電樞直流伺服電動機的外形呈圓盤狀，其定子是由永久磁鋼和鐵軛組成，產(chǎn)生軸向磁通。電機電樞的長度遠遠小于電樞的直徑，繞組的有效部分沿轉(zhuǎn)軸的徑向周圍排列，且用環(huán)氧樹脂澆注成圓盤形。繞組中流過的電流是徑向的，它和軸向磁通相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。印制繞組直流伺服電動機的結(jié)構(gòu) 盤形電樞的印制繞組，其制造工藝和印制電路板類似。它可以采用兩面印制的結(jié)構(gòu)，也可以是若干片重疊在一起的結(jié)構(gòu)。它用電樞的端部（近軸部分）兼做換向器，不用另外設置換向器。 盤形電樞直流伺服電動機多用于低轉(zhuǎn)速、經(jīng)常起動和反轉(zhuǎn)的機械中，其輸出功率一般在幾瓦到幾千瓦的范圍內(nèi)，大功率的主要用于雷達天線

9、的驅(qū)動、機器人的驅(qū)動和數(shù)控機床等。另外，由于它呈扁圓形，軸向占的位置小，安裝方便。3）空心杯直流伺服電動機 空心杯電樞直流伺服電動機的內(nèi)定子由軟磁材料制成；外定子由永磁材料制成。磁場是由外定子產(chǎn)生的，內(nèi)定子起導磁作用?？招谋姌兄苯影惭b在電機的軸上，在內(nèi)外定子的氣隙中旋轉(zhuǎn)。電樞是由沿電機軸向排列成空心杯形狀的成型繞組，用環(huán)氧樹脂澆注成型。 空心杯直流伺服電動機多用于高精度的儀器設備中。如監(jiān)控攝象機和精密機床等。4)無槽直流伺服電動機 無槽直流伺服電動機的電樞鐵心表面是不開槽的，繞組排列在光滑的圓柱鐵心的表面，用環(huán)氧樹脂澆注成型，和電樞鐵心成為一體。定子上嵌放永久磁鋼，產(chǎn)生氣隙磁場。問題與思考：

10、問題與思考： 2.2.直流伺服電動機有幾種控制方式？直流伺服電動機有幾種控制方式？它們?nèi)绾螌崿F(xiàn)？它們?nèi)绾螌崿F(xiàn)？4.1.2 4.1.2 交流伺服電動機交流伺服電動機 交流伺服電動機常作為執(zhí)行元件用于自動控制系統(tǒng)中，將起控制作用的電信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動。 1.1.交流伺服電動機的交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理 1)交流伺服電動機的結(jié)構(gòu) 交流伺服電動機定子鐵心中安放著空間垂直的兩相繞組，其中一相為控制繞組，另一相為勵磁繞組。非磁性杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電動機 非磁性杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電動機的定子分內(nèi)外兩部分，外定子和鼠籠形轉(zhuǎn)子交流伺服電動機的定子是一樣的，內(nèi)定子由環(huán)形鋼片疊壓而成，不產(chǎn)生磁場，

11、只起導磁的作用。 空心杯形轉(zhuǎn)子通常由鋁或銅制成，它的壁很薄，多為0.3mm左右。杯形轉(zhuǎn)子置于內(nèi)外定子的空隙中，可自由旋轉(zhuǎn)。由于杯形轉(zhuǎn)子沒有齒和槽，電機轉(zhuǎn)矩不隨角位移的變化而變化，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。但是，內(nèi)外定子之間的氣隙較大，所需勵磁電流大，降低了電機的效率。 另外，由于非磁性杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機的成本高，所以只用在一些對轉(zhuǎn)動的穩(wěn)定性要求高的場合。它不如鼠籠形轉(zhuǎn)子交流伺服電動機應用廣泛。 2)交流伺服電動機工作原理 交流伺服電動機的U UK K為控制電壓，Uf為勵磁電壓，它們是時間相位互差90電角度的交流電，可在空間形成圓形或橢圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子在磁場的作用下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩而旋轉(zhuǎn)。交流伺服電動機比普通電

12、機的調(diào)速范圍寬，當不加控制電壓時，電機的轉(zhuǎn)速應為零，即使此時有勵磁電壓。交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子電阻也應比普通電機大，而轉(zhuǎn)動慣量要小，為的是擁有好的機械特性。2.2.交流伺服電動機的控制方法交流伺服電動機的控制方法 交流伺服電動機的控制方法有幅值控制、相位控制、和幅相控制三種。 1)1)幅值控制幅值控制 只使控制電壓的幅值變化，而控制電壓和勵磁電壓的相位差保持90不變，這種控制方法叫做幅值控制。 當控制電壓為零時，伺服電動機靜止不動；當控制電壓和勵磁電壓都為額定值時，伺服電動機的轉(zhuǎn)速達到最大值，轉(zhuǎn)矩也最大；當控制電壓在零到最大值之間變化時，且勵磁電壓取額定值時，伺服電動機的轉(zhuǎn)速在零和最大值之間變化

13、。2)相位控制 在控制電壓和勵磁電壓都是額定值的條件下，通過改變控制電壓和勵磁電壓的相位差來對伺服電動機進行控制的方法叫做相位控制。 用表示控制電壓和勵磁電壓的相位差。當控制電壓和勵磁電壓同相位時，=0，氣隙磁動勢為脈振磁動勢，電動機靜止不動；當相位差=90時，氣隙磁動勢為圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢，電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都達到最大值。 當090時, 氣隙磁動勢為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢,電動機的轉(zhuǎn)速處于最小值和最大值之間。3)幅相控制 幅相控制是上述兩種控制方法的綜合運用，電動機轉(zhuǎn)速的控制是通過改變控制電壓和勵磁電壓的相位差及它們的幅值大小。 當改變控制電壓的幅值時，勵磁電流隨之改變，勵磁電流的改變引起電容兩端的電

14、壓變化，此時控制電壓和勵磁電壓的相位差發(fā)生變化。 幅相控制的電路圖結(jié)構(gòu)簡單，不需要移相器，實際應用比其它兩種方法廣泛。3.3.交流伺服電動機控制繞組和放大器的連接交流伺服電動機控制繞組和放大器的連接 在實際的伺服控制系統(tǒng)中，交流伺服電動機的控制繞組需要連接到伺服放大器的輸出端，放大器起放大控制電信號的作用。 (a)圖中,控制繞組和輸出變壓器相連，輸出變壓器有兩個輸出端子。(b)圖中,控制繞組和一對推挽功率放大管相連.此時放大器輸出三個端子。伺服電動機的控制繞組通常分成兩部分,它們可以串聯(lián)或并聯(lián)后和放大器的輸出端相連。問題與思考：問題與思考： 3.3.交流伺服電動機的控制方法有幾交流伺服電動機的

15、控制方法有幾種？如何控制？種？如何控制？ 4.2 4.2 測速發(fā)電機測速發(fā)電機 測速發(fā)電機是轉(zhuǎn)速的測量裝置，它的輸入量是轉(zhuǎn)速，輸出量是電壓信號，輸出量和輸入量成正比。 根據(jù)輸出電壓的不同，測速發(fā)電機可分為直流測速發(fā)電機和交流測速發(fā)電機兩種形式。4.2.1 4.2.1 直流測速發(fā)電機直流測速發(fā)電機 直流測速發(fā)電機是一種微型直流發(fā)電機，其作用是把機械轉(zhuǎn)速信號變換成對應的電壓信號，反饋到控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)和控制。 直流測速發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與普通小型直流發(fā)電機相同。其工作原理與一般直流發(fā)電機相同。n 根據(jù)勵磁方式的不同可分為兩種形式：永磁式直流測速發(fā)電機和電磁式直流測速發(fā)電機。1.1.直流

16、測速發(fā)電機的分類直流測速發(fā)電機的分類1.1.直流測速發(fā)電機的分類直流測速發(fā)電機的分類1)永磁式直流測速發(fā)電機 永磁式直流測速發(fā)電機的定子的磁極是用永久磁鋼制成的，不需要勵磁繞組。永磁式直流測速發(fā)電機永磁式直流測速發(fā)電機 永磁式直流測速發(fā)電機按其轉(zhuǎn)速可分為普通速度測速電機和低速測速電機。 普通速度測速電機的轉(zhuǎn)速通常大于每分鐘幾千轉(zhuǎn)，而低速測速電機的轉(zhuǎn)速小于每分鐘幾百轉(zhuǎn)。低速測速電機可以和低力矩電動機直接耦合，省去了齒輪傳動的麻煩，并提高了系統(tǒng)的精度，所以常用于高精度的自動化系統(tǒng)中。電磁式直流測速發(fā)電機2）電磁式直流測速發(fā)電機 電磁式直流測速發(fā)電機的定子鐵心上裝有勵磁繞組，外接電源供電，產(chǎn)生磁場。

17、因為永磁式直流測速發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，不需要勵磁電源，使用方便，所以比電磁式直流測速發(fā)電機應用面廣。2.2.直流測速發(fā)電機的誤差及減小誤差的方法直流測速發(fā)電機的誤差及減小誤差的方法 直流測速發(fā)電機的輸出電壓和輸入轉(zhuǎn)速間實際上并不是絕對的正比關系，誤差產(chǎn)生的原因有以下幾點： 1)電樞反應產(chǎn)生的影響 2)電刷接觸電阻產(chǎn)生的影響 3)紋波產(chǎn)生的影響 4)溫度變化產(chǎn)生的影響為減少溫度變化對測量值影響采取的措施 (1)直流測速發(fā)電機的磁路的飽和程度通常被設計得大一些。 (2)給勵磁繞組串聯(lián)一個附加電阻來穩(wěn)定勵磁電流。因為繞組的阻值受溫度的影響是很大的，例如銅繞組，溫度增加25，其阻值就增大10%。 (3)給

18、勵磁繞組串聯(lián)負溫度系數(shù)的熱敏電阻并聯(lián)網(wǎng)絡。對于測量精度要求高的系統(tǒng)，可采用此方法。3.3.直流測速發(fā)電機的應用直流測速發(fā)電機的應用 在自動控制系統(tǒng)中用來測量或自動調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速； 在隨動系統(tǒng)中通過產(chǎn)生電壓信號以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度； 在計算和解答裝置中用做積分和微分元件； 在機械系統(tǒng)中用來測量擺動或非常緩慢的轉(zhuǎn)速。問題與思考：問題與思考： 4. 4. 直流測速發(fā)電機產(chǎn)生誤差的原直流測速發(fā)電機產(chǎn)生誤差的原因是什么？怎么減少？因是什么？怎么減少？ 5.5.直流測速發(fā)電機在實踐中有哪些直流測速發(fā)電機在實踐中有哪些應用？應用？4.2.24.2.2交流異步測速發(fā)電機交流異步測速發(fā)電機 交流測速發(fā)電機

19、包括同步測速發(fā)電機和異步測速發(fā)電機兩種形式。 前者多用在指示式轉(zhuǎn)速計中，一般不用于自動控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速測量。而后者在自動控制系統(tǒng)中應用很廣。交流異步測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)交流異步測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu) 同交流伺服電動機一樣，交流異步測速發(fā)電機的定子也可以制成鼠籠式的或空心杯型。 鼠籠式的測速發(fā)電機特性差、誤差大、轉(zhuǎn)動慣量大，多用于測量精度要求不高的控制系統(tǒng)中。 而空心杯形的測速發(fā)電機的應用要廣泛得多，因為它的轉(zhuǎn)動慣量小，測量精度高?？招谋娃D(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機 同交流伺服電動機一樣，空心杯型轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)子也是一個非磁性材料作成的薄壁杯，材料多選用錫鋅青銅或硅錳青銅。 互差90電角度的兩相繞組嵌于定

20、子鐵心中，它們分別是勵磁繞組和輸出繞組。 在小機座號的電機中，兩相繞組都嵌在內(nèi)定子上；而在大機座號的電機中，外定子嵌勵磁繞組，內(nèi)定子嵌輸出繞組。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，輸出繞組的輸出電壓是和轉(zhuǎn)速成正比的。空心杯型轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機工作原理 當電機勵磁繞組中有電流通過時，在內(nèi)外定子氣隙間產(chǎn)生和電源頻率相同的脈振磁動勢Fd和脈振磁通d。它們都在勵磁繞組的軸線方向上脈振。脈振磁通和勵磁繞組及空心杯導體相交鏈。 1)當轉(zhuǎn)子靜止時，即n=0，此時的勵磁繞組和空心杯轉(zhuǎn)子之間的關系如同變壓器的原邊與副邊。轉(zhuǎn)子繞組中有變壓器電動勢產(chǎn)生，由于轉(zhuǎn)子短路，有電流流過，產(chǎn)生磁通。該磁通的方向也是沿著勵磁繞組軸線方向。輸出繞組和

21、勵磁繞組在空間正交，沒有感應電動勢產(chǎn)生，輸出電壓為零。2)當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時 當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，即n0。沿勵磁繞組軸線方向的磁通d不變，轉(zhuǎn)子要切割該磁通產(chǎn)生電動勢。電動勢的大小和轉(zhuǎn)速成正比，方向可由右手定則判定。 感應電動勢在短路繞組中產(chǎn)生短路電流，產(chǎn)生脈振磁動勢Fr，可把它分解成直軸磁動勢Frd和交軸磁動勢Frq。直軸磁動勢會影響勵磁電流的大小，而交軸磁動勢產(chǎn)生的磁通和輸出繞組交鏈，從而在輸出繞組中產(chǎn)生感應電動勢，此電動勢的的大小和測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)速成正比，頻率是勵磁電源的頻率。 2.2.異步測速發(fā)電機的誤差異步測速發(fā)電機的誤差 異步測速發(fā)電機的誤差主要有：線性誤差、相位誤差、剩余電壓誤差。 1)線性誤

22、差。一臺理想的測速發(fā)電機的輸出電壓應和其轉(zhuǎn)速成正比，但實際的異步測速發(fā)電機輸出電壓和轉(zhuǎn)速間并不是嚴格的線性關系，是非線性的，這種直線和曲線之間的差異就是線性誤差。 2)相位誤差。當勵磁電壓為常數(shù)時，由于勵磁繞組有漏阻抗，則繞組中的電動勢和外加勵磁電壓相位不同，使輸出電壓產(chǎn)生相位誤差?？赏ㄟ^增大轉(zhuǎn)子電阻減小該誤差。 3)剩余電壓誤差。由于異步測速發(fā)電機工藝和材料等的原因，使其在零轉(zhuǎn)速時的輸出電壓并不為零，有剩余電壓，引起測量誤差，這種誤差叫做剩余電壓誤差。這種誤差可通過電路補償和改善轉(zhuǎn)子材料的方法來減小它。當前的異步測速發(fā)電機的剩余電壓一般為十幾毫伏到幾十毫伏。3.3.異步測速發(fā)電機的應用異步測

23、速發(fā)電機的應用 交流異步測速發(fā)電機在自動控制系統(tǒng)中可用來測量轉(zhuǎn)速或傳感轉(zhuǎn)速信號，信號以電壓的形式輸出。測速發(fā)電機可作為解算元件用在計算解答裝置中；也可作為阻尼元件用在伺服系統(tǒng)中。 測速發(fā)電機4用來產(chǎn)生負反饋信號。如果U1為定值，則伺服電動機3的轉(zhuǎn)速不變，測速發(fā)電機的輸出電壓也不變，那么檢差器1輸出穩(wěn)定的電壓經(jīng)放大器2控制伺服電動機。如果有擾動使U1增大，則3的轉(zhuǎn)速升高，4的輸出電壓增大，因為3是負反饋元件，所以檢差器1的輸出電壓減小，從而使3的轉(zhuǎn)速下降，使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。如果擾動使輸入電壓減小，通過測速發(fā)電機的負反饋作用也可使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。問題與思考：問題與思考： 6. 6.交流異步測速發(fā)電機產(chǎn)生誤差交

24、流異步測速發(fā)電機產(chǎn)生誤差的原因是什么？怎么減少？的原因是什么？怎么減少？ 7.7.交流異步測速發(fā)電機在自動控交流異步測速發(fā)電機在自動控制系統(tǒng)中有哪些應用？制系統(tǒng)中有哪些應用？4.3 4.3 步進電動機步進電動機 步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應的角位移或直線位移的微電機。它由專用的驅(qū)動電源供給電脈沖，每輸入一個電脈沖，電動機就移進一步，是步進式運動的，故被稱為步進電動機或脈沖電動機。 步進電動機是自動控制系統(tǒng)中應用很廣泛的一種執(zhí)行元件。步進電動機在數(shù)字控制系統(tǒng)中一般采用開環(huán)控制，由于計算機應用技術的迅速發(fā)展，目前步進電動機常常和計算機結(jié)合起來組成高精度的數(shù)字控制系統(tǒng)。 步進電動機的種類很

25、多，按工作原理分，有反應式、永磁式和磁感應式三種。其中反應式步進電動機具有步距小、響應速度快、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，廣泛應用于數(shù)控機床、自動記錄儀、計算機外圍設備等數(shù)控設備。4.3.1 4.3.1 反應式步進電動機的工作原理反應式步進電動機的工作原理 一臺三相反應式步進電動機由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，在定子上有三對磁極，磁極上裝有勵磁繞組。勵磁繞組分為三相，分別為A相、B相和C相繞組。 步進電動機的轉(zhuǎn)子由軟磁材料制成，在轉(zhuǎn)子上均勻分布四個凸極，極上不裝繞組，轉(zhuǎn)子的凸極也稱為轉(zhuǎn)子的齒。由圖可見，由于結(jié)構(gòu)的原因，沿轉(zhuǎn)子圓周表面各處氣隙不同，因而磁阻不相等，齒部磁阻小，兩齒之間磁阻大。當勵磁繞組中流過脈沖

26、電流時，產(chǎn)生的主磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合，即經(jīng)轉(zhuǎn)子齒、鐵心形成閉合回路。因此，轉(zhuǎn)子齒會受到切向磁拉力而轉(zhuǎn)過一定的機械角度，稱步距角b。 如果控制繞組按一定的脈沖分配方式連續(xù)通電，電機就按一定的角頻率運行。改變勵磁繞組的通電順序，電機就可反轉(zhuǎn)。三相反應式步進電動機工作原理圖 當步進電動機的A相通電，B相及C相不通電時，由于A相繞組電流產(chǎn)生的磁通要經(jīng)過磁阻最小的路徑形成閉合磁路，所以將使轉(zhuǎn)子齒1、齒3同定子的A相對齊，如圖中的（a）圖所示。 當A相斷電，改為B相通電時，同理B相繞組電流產(chǎn)生的磁通也要經(jīng)過磁阻最小的路徑形成閉合磁路，這樣轉(zhuǎn)子順時針在空間轉(zhuǎn)過30度角，使轉(zhuǎn)子齒2、齒4與B相對齊，如

27、圖(b)所示。 當由B相改為C相通電時，同樣可使轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)過30度空間角度，如圖(c)所示。若按ABCA的通電順序往復進行下去，則步進電動機的轉(zhuǎn)子將按一定速度順時針方向旋轉(zhuǎn)，步進電動機的轉(zhuǎn)速決定于三相控制繞組的通、斷電源的頻率。當依照 ACBA順序通電時，步進電動機將變?yōu)槟鏁r針方向旋轉(zhuǎn)。三相反應式小步距角步進電動機 上述分析的是最簡單的三相反應式步進電動機的工作原理，這種步進電動機具有較大的步距角，不能滿足生產(chǎn)實際對精度的要求，如使用在數(shù)控機床中就會影響到加工工件的精度。 為此，近年來實際使用的步進電動機是定子和轉(zhuǎn)子齒數(shù)都較多、步距角較小、特性較好的小步距角步進電動機。步進電動應由專用的驅(qū)動

28、電源來供電。主要包括變頻信號源、脈沖分配器和脈沖放大器三個部分。4.3.2 4.3.2 步進電動機的三種工作方式步進電動機的三種工作方式 對于定子有6個極的三相步進電動機，可分為單三拍、雙三拍、六拍三種工作方式。 1. 1. 單三拍運行方式單三拍運行方式 設控制繞組的通電方式每變換一次稱為一拍，如果每次只允許一相單獨通電，三拍構(gòu)成一個循環(huán)，稱為單三拍運行方式。2. 2. 雙三拍運行方式雙三拍運行方式 實際使用中，由于單三拍運行的可靠性和穩(wěn)定性較差，通?？梢詫⑵涓臑殡p三拍運行，即每拍允許兩相同時通電，三拍為一個循環(huán)。 第一拍：A相、B相同時通電，磁力線分成兩路，一路沿磁極A、齒l、齒4、磁極B形

29、成閉合回路；另一路沿磁極B、齒2、齒3、磁極A形成閉合回路。由于電磁吸引力的作用，把轉(zhuǎn)子的齒鎖定在A、B兩極之間的對稱位置。以磁極A為參考，齒1的中心線順時針偏移了15機械角度，見圖5-23(a)。 第二拍：B相、C相同時通電，磁力線一路沿磁極B、齒4、齒3、磁極C形成閉合回路；另一路沿磁極C、齒1、齒2、磁極B形成閉合回路，仍以磁極A為參考，齒l的中心線在原來的基礎上順時針轉(zhuǎn)過了30機械角度，總計為45度。轉(zhuǎn)子被鎖定在B、C兩極之間的對稱位置，見圖5-23(b)。 同理，第三拍：C相、A相同時通電，見圖5-23(c)；轉(zhuǎn)子又順時針轉(zhuǎn)過了30機械角度，總計為75度。 依此類推，控制繞組的電流按

30、AB-BC-CA-AB的順序切換，轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動；若控制繞組的電流按AC-CB-BA-AC的順序切換，轉(zhuǎn)子則逆時針轉(zhuǎn)動。步距角與單三拍運行時相同，即b=30。 3. 3. 六拍運行方式六拍運行方式 不論單三拍或雙三拍運行，步距角均為30機械角度。只有改變控制繞組電流的切換頻率，才能改變步距角的大小。如果將通電方式改為單相通電、兩相通電交替進行，每六拍為一個循環(huán)，稱為六拍運行方式。 例如，控制繞組的通電順序為A-AB-B-BC-C-CA-A，第一拍：A相單獨通電，磁場的分布及轉(zhuǎn)子的位置見圖5-21(a)，轉(zhuǎn)子齒1的中心線恰好與定子磁極A的中心線重合，即偏移角度為0； 第二拍：A相、B相同時通電，

31、磁場的分布及轉(zhuǎn)子的位置見圖5-23(a)，轉(zhuǎn)子齒1的中心線順時針偏轉(zhuǎn)了15；其它幾種情況均可參見圖5-21及圖5-23。 由此可見，三相六拍運行時，每拍的步距角為15；如果控制繞組的通電順序改為A-AC-C-CB-B-BA-A，轉(zhuǎn)子則逆時針轉(zhuǎn)動。4.3.3 4.3.3 步距角及轉(zhuǎn)子齒數(shù)步距角及轉(zhuǎn)子齒數(shù) 1. 1. 步距角步距角b b 由以上分析可知，每輸入一個電脈沖信號時轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的機械角度即為步距角b，b的大小與控制繞組電流的切換次數(shù)以及轉(zhuǎn)子的齒數(shù)有關。 由于轉(zhuǎn)子只有4個齒，齒距為90。三拍運行時的步距角b=30，電動機每轉(zhuǎn)過一個齒距需要運行3步，每旋轉(zhuǎn)一周需要四個循環(huán)，共12步；六拍運行時

32、的步距角b=15，電動機每轉(zhuǎn)過一個齒距需要運行6步，每旋轉(zhuǎn)一周需要四個循環(huán)，共24步。 因此，拍數(shù)增多時步距角減小，步數(shù)增多。如果增加轉(zhuǎn)子齒數(shù)，會使齒距減小、總步數(shù)增加、步距角減小。2. 2. 轉(zhuǎn)子總齒數(shù)轉(zhuǎn)子總齒數(shù) 反應式步進電機的轉(zhuǎn)子齒數(shù)主要由步距角決定。為了提高精度，應當使步距角b盡量減小，運行拍數(shù)確定后，步距角b與轉(zhuǎn)子總齒數(shù)ZR成反比。例如，常用的步距角是b=3；b=1.5。如果取km=3(即三拍運行)，轉(zhuǎn)子總齒數(shù)ZR=40，齒距角為，每拍轉(zhuǎn)過3；如果取km=6(即六拍運行)，轉(zhuǎn)子總齒數(shù)不變，每拍轉(zhuǎn)過1.5。 實用中，通常把定子極靴表面加工成齒形結(jié)構(gòu)，為了保證在受到反應轉(zhuǎn)矩時定轉(zhuǎn)子的齒能

33、對齊，要求定轉(zhuǎn)子的齒寬、齒距分別相同。 圖中，定子上有6個磁極，每個極距對應的轉(zhuǎn)子齒數(shù)不為整數(shù)；當A相的定轉(zhuǎn)子齒對齊時，相鄰B相的定轉(zhuǎn)子齒無法對齊，彼此錯開齒距(即3)。其它各相依此類推。對于任意m相電機，應依次錯開齒距。利用這種“自動錯位”，為下一相通電時轉(zhuǎn)子齒能被吸引直至對齊作準備，從而使步進電動機能連續(xù)工作。因此，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)應能滿足“錯位”的要求。4.3.4 4.3.4 步進電動機應用舉例步進電動機應用舉例 步進電動機主要用做數(shù)控機床中的執(zhí)行元件，數(shù)控機床又分為銑床、鉆床、車床、線切割機多種。此外在繪圖機、自動記錄儀表、軋鋼機自動控制等方面也得到廣泛應用。 加工復雜零件時，先根據(jù)工件的圖

34、形尺寸、工藝要求和加工工序編制程序，并記錄在穿孔機上；再由光電閱讀機將程序輸入計算機進行運算；計算機發(fā)出一定頻率的電脈沖信號。用環(huán)形分配器將電脈沖信號按工作方式進行分配，再經(jīng)過脈沖放大器放大后驅(qū)動步進電動機。步進電動機按計算機的指令實現(xiàn)迅速起動、調(diào)速、正反轉(zhuǎn)等功能，通過傳動機構(gòu)帶動機床工作臺。4.4 4.4 自整角機自整角機 自整角機是傳遞角度信號的控制電機，用來測量并指示遠距離設備裝置的角度位移，將檢測信號傳遞到主控室，或在隨動系統(tǒng)中使機械上互不相聯(lián)的兩軸同步偏轉(zhuǎn)。廣泛用于工業(yè)自動控制和國防工業(yè)。 根據(jù)用途不同，自整角機分為控制式自整角機和力矩式自整角機兩類。4.4.1 4.4.1 控制式自

35、整角機控制式自整角機 1. 1. 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 控制式自整角機常成對組合使用，一臺作為發(fā)送機，記作ZKF；另一臺作為接收機，記作ZKB；兩機的結(jié)構(gòu)完全一樣。定子與三相交流電機結(jié)構(gòu)相同，鐵心槽內(nèi)裝有三個對稱繞組，在空間彼此互差120電角度，稱為整步繞組。 運行時，兩機的定子繞組連接成星形接法，其引出端分別用三根導線對應連接。轉(zhuǎn)子分為隱極式或凸極式結(jié)構(gòu)，其上設置有單相交流繞組。發(fā)送機ZKF的轉(zhuǎn)子繞組為勵磁繞組，接恒定電壓的交流電源；接收機ZKB的轉(zhuǎn)子繞組作為輸出繞組，因此又稱為自整角變壓器。2. 2. 自整角變壓器的輸出電壓自整角變壓器的輸出電壓 根據(jù)電磁感應關系，自整角機可以看成是兩臺變壓器

36、串聯(lián)運行。發(fā)送機ZKF相當于第一臺變壓器；接收機ZKB相當于第二臺變壓器。當ZKF的勵磁繞組接單相交流電源時，流通勵磁電流，產(chǎn)生脈振磁通，穿過氣隙進入定子，分別在定子三個整步繞組中感應時間相位相同的變壓器電動勢，而各繞組中感應電動勢的大小與轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角有關。由于定子三個繞組在空間彼此互差120電角度，因此，定子三個整步繞組感應電動勢的有效值分別為 E1=4.44fNs1 = 4.44fNscos1=E cos1 E2=4.44fNs2 = 4.44fNsmcos（1-120）=E cos（1-120） E3=4.44fNs3 = 4.44fNsmcos（1+120）=E cos（1+120）

37、E=4.44fNsm 兩機定子繞組中的電流各自建立脈振磁動勢，并產(chǎn)生相應的磁通。對于接收機而言，這些磁通穿過氣隙，分別在ZKB轉(zhuǎn)子輸出繞組中感應同相位的電動勢、； 自整角變壓器輸出繞組的電動勢為以上各電動勢之和。3. 3. 控制式自整角機的應用舉例控制式自整角機的應用舉例 圖中，自整角發(fā)送機的轉(zhuǎn)子勵磁繞組接交流電壓，轉(zhuǎn)子軸為主動軸，其上裝有手輪。自整角變壓器的轉(zhuǎn)軸為從動軸，與被控對象雷達天線相連接。 當搜索飛機時，雷達天線需在空中旋轉(zhuǎn)，而人無法直接搖動笨重的天線。于是雷達操縱手轉(zhuǎn)動手輪，使發(fā)送機ZKF的轉(zhuǎn)軸不斷偏轉(zhuǎn)(其轉(zhuǎn)角為)，只要0，即接收機ZKB轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角，自整角變壓器就輸出電壓。經(jīng)過交

38、流放大器放大后，作為交流伺服電動機的控制信號，使伺服電動機起動。伺服電動機經(jīng)過減速后，帶動接收機ZKB的轉(zhuǎn)子以及雷達天線旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了雷達天線自動隨手輪偏轉(zhuǎn)的要求。4.4.2 4.4.2 力矩式自整角機力矩式自整角機 控制式自整角機轉(zhuǎn)子上只能輸出電壓，因而必須用伺服電動機將電壓信號轉(zhuǎn)換成機械轉(zhuǎn)矩，才能帶動被控負載，實現(xiàn)轉(zhuǎn)角的隨動。而力矩式自整角機轉(zhuǎn)軸上可以輸出機械轉(zhuǎn)矩(稱為整步轉(zhuǎn)矩)，直接帶動指針類輕負載。 1. 1. 整步轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生整步轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生 力矩式自整角機的基本結(jié)構(gòu)和控制式自整角機相同。所不同的是，發(fā)送機ZLF與接收機ZLJ的轉(zhuǎn)子繞組均作為勵磁繞組，接在同一交流電源上。發(fā)送機產(chǎn)生轉(zhuǎn)角

39、信號，接收機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，并能帶動儀表指針作出顯示。 設發(fā)送機定子D1，相繞組軸線與接收機定子相繞組軸線相平行，均指向d軸方向。以d軸為參考，調(diào)整兩機的轉(zhuǎn)子位置，使發(fā)送機ZLF的轉(zhuǎn)子繞組軸線超前d軸為電角度；接收機ZLJ的轉(zhuǎn)子繞組軸線超前d軸為電角度，使之處于協(xié)調(diào)位置。力矩式自整角機接線原理 以發(fā)送機ZLF為例，交流勵磁電流產(chǎn)生的脈振磁通穿過定轉(zhuǎn)子間的氣隙，與定子的三個整步繞組相交鏈，在繞組中感應時間相位相同的電動勢，電動勢的有效值E1、E2、E3與發(fā)送軸的偏轉(zhuǎn)角1有關。 同理，接收機的轉(zhuǎn)子加勵磁電壓后，也在接收機定子繞組中感應時間相位相同的電動勢，其有效值與接收軸的偏轉(zhuǎn)角2有關。當2=1，或失調(diào)

40、角=0時，以由D1和構(gòu)成的定子繞組回路為例，定子電流I1=0，其它兩相也是如此。 若兩機定子繞組所構(gòu)成的各相回路中存在著電動勢差E1、E2、E3，于是定子電流I1、I2、I3不等于零，定子電流與接收機的勵磁磁通相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T，稱為整步轉(zhuǎn)矩。 整步轉(zhuǎn)矩可以帶動軸上的機械負載，使接收機轉(zhuǎn)子沿著失調(diào)角減小的方向轉(zhuǎn)動，直到=0時為止。所以規(guī)定T=0時自整角發(fā)送機與接收機處于協(xié)調(diào)位置。 同樣，發(fā)送機轉(zhuǎn)子也受到與整步轉(zhuǎn)矩方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩作用，但由于其轉(zhuǎn)軸已與主令軸固定聯(lián)接，因而不能轉(zhuǎn)動。 2. 2. 力矩式自整角機的應用力矩式自整角機的應用 力矩式自整角機通常用于自動測量、指示系統(tǒng)。例如，測量

41、并傳送泵的閥門開啟度；測量雷達天線的俯仰角、船舶舵角；顯示高爐探尺的位置、液面的高度等。 圖中，發(fā)送機ZLF的轉(zhuǎn)軸上固定著套有繩索、平衡錘和浮子的滑輪，而接收機ZLJ的轉(zhuǎn)軸上固定著儀表指針。每當浮子隨液面升降做上下移動時，引起發(fā)送機ZLF的轉(zhuǎn)軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)角信號1；使接收機ZLJ的轉(zhuǎn)子受到整步轉(zhuǎn)矩T的作用，帶動轉(zhuǎn)軸上的儀表指針沿失調(diào)角減小的方向旋轉(zhuǎn)。直到=0時，整步轉(zhuǎn)矩T=0，于是指針在儀表刻度盤上做出相應的顯示，實現(xiàn)了遠距離測量的目的。問題與思考：問題與思考： 8. 8.敘述反應式步進電動機的工作敘述反應式步進電動機的工作原理。原理。 9.9.定子有定子有6 6個極的三相步進電動機個

42、極的三相步進電動機有幾種工作方式？有幾種工作方式？4.5 4.5 小功率同步電動機小功率同步電動機 4.5.1 4.5.1 概述概述 小功率同步電動機的功率從零點幾瓦到幾千瓦。其主要特點是轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，而不隨負載變化?？勺鳛楹闼衮?qū)動電動機，用于自動控制裝置、無線電通信設備以及儀器儀表，電聲設備、鐘表工業(yè)等。 小功率同步電動機的定子主要用來流通交流電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場；其基本結(jié)構(gòu)與異步電動機相同。小功率同步電動機的三種情況 1容量較大時采用三相交流繞組，通入三相交流電； 2為了使用方便，多采用兩相對稱繞組，將單相電源經(jīng)電容移相后加在兩相繞組上； 3容量很小時，為了便于制造，采用罩極式結(jié)構(gòu)，勵磁繞組通入單相交流，靠短路銅環(huán)的作用使電機產(chǎn)生起動力矩。 小功率同步電動機的轉(zhuǎn)子主要用來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，其結(jié)構(gòu)可分為永磁