1、第八章第八章 特種電機 （控制電機） 8.1 概述概述 8.2 伺服電動機伺服電動機 8.3 測速發電機測速發電機 8.4 步進電動機步進電動機 8.5旋轉變壓器旋轉變壓器 8. 1 概述概述如：伺服機將電壓信號轉換為轉矩和轉速；如：伺服機將電壓信號轉換為轉矩和轉速； 步進機將脈沖信號轉換為角位移或線位移。步進機將脈沖信號轉換為角位移或線位移。 控制電機的主要功能是轉換和傳遞信號。控制電機的主要功能是轉換和傳遞信號。 對控制電機的主要要求：對控制電機的主要要求：動作靈敏、準確、動作靈敏、準確、重量輕、體積小、運行可靠、耗電少等。重量輕、體積小、運行可靠、耗電少等。伺服電動機的分類：伺服電動機的

2、分類：執行電動機）執行電動機） 伺服電動機可控性好，反應迅速。是自動控伺服電動機可控性好，反應迅速。是自動控制系統和計算機外圍設備中常用的執行元件。制系統和計算機外圍設備中常用的執行元件。 伺服電動機的作用伺服電動機的作用伺服電動機的特點伺服電動機的特點交流伺服電機交流伺服電機交流伺服電機交流伺服電機交流伺服電機交流伺服電機交流伺服電機交流伺服電機勵磁繞組勵磁繞組控制繞組控制繞組杯形轉子杯形轉子內定子內定子 原理原理與兩相交流異步電機相同，定子上裝有兩個與兩相交流異步電機相同，定子上裝有兩個繞組繞組 勵磁繞組和控制繞組。勵磁繞組和控制繞組。勵磁繞組和控制繞組在空間相隔勵磁繞組和控制繞組在空間相

3、隔90 。 交流伺服電動機交流伺服電動機定子鐵心和下好線的定子定子鐵心和下好線的定子UkUjj1j2k1k2 轉子結構常用的有鼠籠形轉子和非磁性轉子結構常用的有鼠籠形轉子和非磁性杯形轉子。杯形轉子。工作原理工作原理UkUjj1j2k1k2 定子兩相空間互差定子兩相空間互差90電角度繞組中，通入時電角度繞組中，通入時間上互差間上互差90的電流，產生一旋轉磁場。轉子導體的電流，產生一旋轉磁場。轉子導體切割該磁場，從而感應電勢，該電勢在短路的轉切割該磁場，從而感應電勢，該電勢在短路的轉子導體中產生電流。子導體中產生電流。 轉子載流轉子載流導體在旋轉磁導體在旋轉磁場中受力，從場中受力，從而使得轉子沿而

4、使得轉子沿旋轉磁場轉向旋轉磁場轉向旋轉。旋轉。NSn1FF動畫 勵磁繞組串聯電容勵磁繞組串聯電容C , 是為了產生兩相旋轉磁場。是為了產生兩相旋轉磁場。CU放放大大器器檢檢測測元元件件cUcI+U+控制繞組控制繞組勵磁繞組勵磁繞組UfIfU+改變控制電壓的方法改變控制電壓的方法幅值幅值相位控制相位控制: :（1）Uc= 0 = 0 時，轉子停止。時，轉子停止。交流伺服電動機的特點：交流伺服電動機的特點：（3 3）控制電壓）控制電壓 Uc 大小變化時，轉子轉速相應變大小變化時，轉子轉速相應變化，轉速與電壓化，轉速與電壓 Uc 成正比。成正比。Uc 的極性改變的極性改變時，轉子的轉向改變。時，轉子

5、的轉向改變。（2）交流伺服電機交流伺服電機 R2設計得較大，使設計得較大，使Sm1，Tst大，大，起動迅速，穩定運行范圍大。起動迅速，穩定運行范圍大。交流伺服電動機的機械特性曲線交流伺服電動機的機械特性曲線( Uf=const )nTUc0.8 Uc0.6 Uc0.4 UcTn 交流伺服電機的輸出功率一般為交流伺服電機的輸出功率一般為0.1-100 W，電源頻率分電源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應用很廣等多種。它的應用很廣泛，如用泛，如用在各種自動控制、自動記錄等系統中。在各種自動控制、自動記錄等系統中。SZ系系列列直直流流伺伺服服電電動動機機（二）直流伺服電動機（二）直流伺服電動機

6、GZ系系列列直直流流伺伺服服電電動動機機小小慣慣量量直直流流伺伺服服電電動動機機GZY系列永系列永磁直流伺服磁直流伺服電動機之一電動機之一GZY系列永系列永磁直流伺服磁直流伺服電動機之二電動機之二供電方式：供電方式：他勵供電。勵磁繞組和電樞分別由兩他勵供電。勵磁繞組和電樞分別由兩個獨立的電源供電。個獨立的電源供電。Uf為勵磁電壓，為勵磁電壓，Uc為電樞電壓為電樞電壓MUfIfIcUcU+直流伺服電動機的接線圖直流伺服電動機的接線圖結構：結構：與直流電動機基本相同。為減小轉動與直流電動機基本相同。為減小轉動慣量做得細長一些。慣量做得細長一些。工作原理：工作原理：與直流電動機相同。與直流電動機相同

7、。控制方式：控制方式：1.電樞控制（主要）；電樞控制（主要）；2.磁極控制（少用）。磁極控制（少用）。 直流伺服電機的機直流伺服電機的機械特性與他勵直流電機械特性與他勵直流電機相同一樣，也可用下式相同一樣，也可用下式表示表示TCCRCUnTeec2機械特性曲線如圖所示。機械特性曲線如圖所示。直流伺服電動機的直流伺服電動機的n=f(T)曲線曲線(U1=常數常數)Uc0.8Uc0.6Uc0.4UcnTO 直流伺服電機的特性較交流伺服電機硬。通常直流伺服電機的特性較交流伺服電機硬。通常應用于功率稍大的系統中，如隨動系統中的位置控應用于功率稍大的系統中，如隨動系統中的位置控制等。制等。 直流伺服電機輸

8、出功率一般為直流伺服電機輸出功率一般為1-600W。 測速發電機是一種轉速測量傳感器。在許測速發電機是一種轉速測量傳感器。在許多自動控制系統中，它被用來測量旋轉裝置的多自動控制系統中，它被用來測量旋轉裝置的轉速，向控制電路提供與轉速大小成正比的信轉速，向控制電路提供與轉速大小成正比的信號電壓。號電壓。測速發電機分為交流和直流兩種類型。測速發電機分為交流和直流兩種類型。 交流測速發電機又分為同步式和異步式兩交流測速發電機又分為同步式和異步式兩種，這里只分析異步式交流測速發電機的工作種，這里只分析異步式交流測速發電機的工作原理。原理。 1轉子轉子定子定子勵磁繞組勵磁繞組輸出繞組輸出繞組 異步式交流

9、測速發電機的結構與杯形轉子異步式交流測速發電機的結構與杯形轉子交流伺服電機相似，它的定子上有兩個繞組，交流伺服電機相似，它的定子上有兩個繞組，一個是勵磁繞組，一個是輸出繞組。一個是勵磁繞組，一個是輸出繞組。輸出輸出繞組繞組2U+勵磁勵磁繞組繞組1U1Id+勵磁繞組勵磁繞組輸出輸出繞組繞組交流測速發電機結構圖交流測速發電機結構圖交交流流測測速速發發電電機機定定轉轉子子鐵鐵心心下下好好線線的的定定子子 工作時，測速發電機的勵磁繞組接交流電工作時，測速發電機的勵磁繞組接交流電源源U U1 1，由，由 U U1 1 4.44 4.44 f1 1N N1 1 d d 可知：可知：1Ud 當被測轉動軸帶動

10、發電機轉子旋轉時，轉當被測轉動軸帶動發電機轉子旋轉時，轉子切割子切割 d d產生轉子感應電勢產生轉子感應電勢E Er r和轉子電流和轉子電流I Ir r，它們的大小與它們的大小與 d d和轉子轉速和轉子轉速 n 成正比：成正比：nEIdrr 轉子電流轉子電流 Ir也產生磁通也產生磁通 q ， q 在輸出繞組在輸出繞組中感應出電壓中感應出電壓U2 ， U2的大小與的大小與 q q成正比：成正比：q2U 綜合上述分析可知：綜合上述分析可知：nUnUd12 當當 U U1 1恒定不變時，恒定不變時， U U2 2與與n 成正比，這樣，成正比，這樣，發電機就把被測裝置的轉速信號轉變成了電壓發電機就把被

11、測裝置的轉速信號轉變成了電壓信號，輸出給控制系統。信號，輸出給控制系統。 由于鐵心線圈電感的非線性影響，交流測由于鐵心線圈電感的非線性影響，交流測速發電機的輸出速發電機的輸出電壓電壓 U U2 2與與n 間存在著一定的非間存在著一定的非線性誤差，使用時要注意加以修正。線性誤差，使用時要注意加以修正。 交流測速發電機的特點：交流測速發電機的特點：簡單簡單 、便宜、便宜 ，但精度較低，但精度較低 。8.3.28.3.2直流測速發電機直流測速發電機一、一、直流測速發電機的結構直流測速發電機的結構NS+-n直流電機直流電機定子定子轉子轉子空空氣氣隙隙定定子子鐵鐵心心勵勵磁磁繞繞組組機機殼殼端端蓋蓋電電

12、刷刷電電樞樞繞繞組組電電樞樞鐵鐵心心換換向向器器轉轉軸軸直流電機的定子直流電機的定子直流電機的轉子直流電機的轉子勵磁方式：電磁式和永磁式勵磁方式：電磁式和永磁式直流永磁電機直流永磁電機直流永磁電機直流永磁電機永磁直流測速發電機永磁直流測速發電機永永磁磁直直流流測測速速發發電電機機2577稀土直流伺服測速機組稀土直流伺服測速機組 用途：在隨動系統中提供驅動力矩和用途：在隨動系統中提供驅動力矩和速度反饋信號，本產品已用于某機光學瞄速度反饋信號，本產品已用于某機光學瞄準具隨動系統中準具隨動系統中 。二、二、直流測速發電機的工作原理直流測速發電機的工作原理導體ab,cd切割磁力線產生感應電勢，N極下電

13、勢方向由b指向a，s極下導體cd中電勢由c指向d,因此電刷A為正，B為負NS+-nabcdAB 當被測裝置轉動軸帶動發電機電樞旋轉時，當被測裝置轉動軸帶動發電機電樞旋轉時，電樞產生電動勢電樞產生電動勢Ea，其大小為：，其大小為：nCEa e發電機的發電機的輸出電壓為：輸出電壓為：aeaIRnCIREUaaa2 上式中代入：上式中代入：L2RUIa于是于是nRRCUeL2a1 0nU2RL2RL1RL= RL2RL1nRRCUeL2a1 輸出特性輸出特性誤差分析：誤差分析：由于直流電機中存在著電樞反應現象，使得輸由于直流電機中存在著電樞反應現象，使得輸出電壓出電壓U U2 2與轉速與轉速n n

14、有一定的線性誤差。有一定的線性誤差。 R RL L越小、越小、n n 越大，越大，誤差越大。因此，在使用中應使誤差越大。因此，在使用中應使R RL L和和 n n的大小符合直流測的大小符合直流測速發電機的技術要求。速發電機的技術要求。特點：精度高，線性；但價格較貴特點：精度高，線性；但價格較貴 。直流測速發電機的應用直流測速發電機的應用 直流測速發電機在自動控制系統和計算裝置中可以作為直流測速發電機在自動控制系統和計算裝置中可以作為測測速元件速元件、校正元件校正元件、解算元件解算元件和和角加速度信號元件角加速度信號元件。它可以測。它可以測量各種機械在有限范圍內的量各種機械在有限范圍內的擺動擺動

15、或非常緩慢的或非常緩慢的轉速。轉速。UuUvUwML電磁滑差電磁滑差離合器離合器電樞電樞測速發電機測速發電機控制器控制器信號處信號處理電路理電路給定給定磁極磁極直流勵直流勵磁繞組磁繞組電磁滑差離合器的異步調速系統電磁滑差離合器的異步調速系統8.4 步進電動機步進電動機原理原理：步進電動機是利用電磁鐵原理，將脈沖信步進電動機是利用電磁鐵原理，將脈沖信號轉換成線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖號轉換成線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，電機轉動一個角度，帶動機械移動一小段距離。，電機轉動一個角度，帶動機械移動一小段距離。特點特點：(1)來一個脈沖，轉一個步距角。來一個脈沖，轉一個步距角。 (2

16、)控制脈沖頻率，可控制電機轉速。控制脈沖頻率，可控制電機轉速。 (3)改變脈沖順序，改變方向。改變脈沖順序，改變方向。種類種類：步進電動機分三種：永磁式（步進電動機分三種：永磁式（PMPM），反應式（），反應式（VRVR）和混合式（）和混合式（HBHB）。）。應用：應用： 步進電動機的應用非常廣泛。如：在數控機床、步進電動機的應用非常廣泛。如：在數控機床、自動繪圖儀等設備中都得到應用。自動繪圖儀等設備中都得到應用。 下面以反應式步進電動機為例說明步進電動機的結下面以反應式步進電動機為例說明步進電動機的結構和工作原理。構和工作原理。1 結構結構 步進電動機主要由兩部分構成：定子和步進電動機主要由

17、兩部分構成：定子和轉子。它們均轉子。它們均由磁性材料構成，其上分別有由磁性材料構成，其上分別有六個、四個磁極六個、四個磁極 。定子定子轉子轉子定子繞組定子繞組 定子的六個磁極上有控制繞組，兩個相對的磁極定子的六個磁極上有控制繞組，兩個相對的磁極組成一相。組成一相。 注意：注意：這里的相和三相交流電中的這里的相和三相交流電中的“相相”的概念的概念不同。步進電動機通的是直流電脈沖，這主要是指不同。步進電動機通的是直流電脈沖，這主要是指線圖的聯接和組數的區別。線圖的聯接和組數的區別。ABC定子定子轉子轉子IAIBIC2 工作方式工作方式 步進電動機的工作方式可分為：步進電動機的工作方式可分為：三相單

18、三拍、三相三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。單雙六拍、三相雙三拍等。“三相三相”：定子有三相繞組；定子有三相繞組；“單單”：同時只讓一相繞組通電；同時只讓一相繞組通電；“雙雙”：同時有兩相繞組通電；同時有兩相繞組通電；“拍拍”：定子繞組改變一次通電方式；定子繞組改變一次通電方式；“三拍三拍”：通電三次完成一個循環。通電三次完成一個循環。一、三相單三拍一、三相單三拍（1 1）三相繞組聯接方式：）三相繞組聯接方式：Y 型型（2 2）三相繞組中的通電順序為：）三相繞組中的通電順序為：A 相相 B 相相 C 相相通電順序也可以為：通電順序也可以為： A 相相 C 相相 B 相相 （3）工作過程）

19、工作過程轉子，使轉子的位置力圖使通電相磁路的磁阻轉子，使轉子的位置力圖使通電相磁路的磁阻最小，使轉、定子的齒對齊停止轉動。最小，使轉、定子的齒對齊停止轉動。A 相通電，相通電，A 方向的磁通方向的磁通經轉子形成閉合回路。若經轉子形成閉合回路。若轉子和磁場軸線方向原有轉子和磁場軸線方向原有一定角度，則在磁場的作一定角度，則在磁場的作用下，轉子被磁化，吸引用下，轉子被磁化，吸引A A 相通電使轉子相通電使轉子1 1、3 3齒和齒和 AA 對齊。對齊。CABBCA3412CABBCA3412同理，同理，B相通電，轉子相通電，轉子2、4齒和齒和B相軸線對齊，相軸線對齊，相對相對A相通電位置轉相通電位置

20、轉30 ；C相通電再轉相通電再轉30 。1C342CABBA 這種工作方式，因三相繞組中每次只有一這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個循環周期共包括三個脈相通電，而且，一個循環周期共包括三個脈沖，所以稱三相單三拍。沖，所以稱三相單三拍。三相單三拍的特點：三相單三拍的特點：（1）每來一個電脈沖，轉子轉過）每來一個電脈沖，轉子轉過 30 。此角稱為。此角稱為步距角，用步距角，用 表示。表示。（2）轉子的旋轉方向取決于三相線圈通電的順序，）轉子的旋轉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向。改變通電順序即可改變轉向。二、三相單雙六拍二、三相單雙六拍三相繞組的通電順序為

21、：三相繞組的通電順序為： AABBBCCCAA 共六拍。共六拍。工作過程：工作過程：A相通電，相通電，轉子轉子1 1、3 3齒和齒和A相對齊。相對齊。CABBCA3412所以轉子轉到兩磁拉力平衡的位置上。相對所以轉子轉到兩磁拉力平衡的位置上。相對AA 通電，轉子轉了通電，轉子轉了15。（1）BB 磁場對磁場對 2、4 齒有磁拉力，該拉力使齒有磁拉力，該拉力使 轉子順時針方向轉動。轉子順時針方向轉動。A、B相同時通電相同時通電（2）AA 磁場繼續對磁場繼續對1、3齒有拉力。齒有拉力。CABBCA3412總之，每個循環周期，有六種通電狀態，所以稱總之，每個循環周期，有六種通電狀態，所以稱為三相六拍

22、，步距角為為三相六拍，步距角為15 。CABBCA3412B相通電，相通電，轉子轉子2、4齒和齒和B相對齊，又轉了相對齊，又轉了15 。三、三相雙三拍三、三相雙三拍三相繞組的通電順序為：三相繞組的通電順序為： AB BC CA AB 共三拍。共三拍。CABBCA3412BC通電通電AB通電通電CABBCA3412以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六拍較三相單三拍穩定，因此較常采用。拍較三相單三拍穩定，因此較常采用。工作方式為三相雙三工作方式為三相雙三拍時，每通入一個電拍時，每通入一個電脈沖，轉子也是轉脈沖，轉子也是轉30 ，即，即 = 30 。CA通

23、電通電CABBCA3412f：電脈沖的頻率電脈沖的頻率 轉速轉速NZffnrs6036060 步進電動機通過一個電脈沖步進電動機通過一個電脈沖,轉子轉過的角轉子轉過的角度度,稱為步距角。稱為步距角。N： 拍數拍數Zr：轉子齒數：轉子齒數NZrs360步距角步距角2.步進電動機的步距角和轉速步進電動機的步距角和轉速齒距齒距rZt0360940360t31340360360NZrsn3. 小步距角磁阻式步進電機小步距角磁阻式步進電機轉子上有均勻分布的40個齒. 步進電動機的驅動電源步進電動機的驅動電源一、對驅動電源的基本要求一、對驅動電源的基本要求1.驅動電源的相數、通電方式和電壓、電流都要滿驅動

24、電源的相數、通電方式和電壓、電流都要滿足步進電動機的要求；足步進電動機的要求；2.要滿足步進電動機起動頻率和連續運行頻率的要要滿足步進電動機起動頻率和連續運行頻率的要求；求；3.能最大限度地抑制步進電動機的振蕩；能最大限度地抑制步進電動機的振蕩；4.工作可靠，抗干擾能力強工作可靠，抗干擾能力強5.成本低、效率高，安裝維護方便。成本低、效率高，安裝維護方便。二、驅動電源組成二、驅動電源組成變頻信號源脈沖分配器功率放大器步進電動機負載指令1. 變頻信號源：是一個脈沖頻率由幾赫到幾十千赫可連續變化的信號發生器，可以是計算機或振蕩器。2. 脈沖分配器：一種邏輯電路，由雙穩態觸發器和門電路組成，它可能將

25、輸入的電脈沖信號根據需要循環地分配到脈沖放大器進行功率放大，并使步進電動機按選定的運行方式工作。三相單三拍脈沖分配器1J2J2K1K1Q1Q2Q2QCPCP1Q2Q2Q1Q2QABC0U預置ABCJKQ(t+1)說 明101置“1”010置“0”00Q(t)不變11(t)求補QJK觸發器真值表開始工作時，加上預置脈沖信號使觸發器置“0”，則Q1=Q2=0表示A相輸入一個控制脈沖，、C相無控制信號A=Q1Q2=11=1，B=Q1Q2=01=0，C=Q2=0當CP端輸入第一個步進脈沖信號，第一個JK觸發器J1=Q2=1,K1=1,Q1(t)=0此時為“求補”，Q1(t+1)= Q1(t) =1第二

26、個JK觸發器J2=Q1=0,K2=Q1=1,Q2(t)=0此時為置“0”，Q2(t+1)=0,A=Q1(t+1)Q2(t+1)=0,B=Q1(t+1)Q2(t+1)=1,C=Q2(t+1)=0CP第一個步進脈沖信號，Q1(t+1) =1， Q2(t+1)=0，A、C相無控制信號， B相輸入一個控制脈沖。Q1(t+1) =1， Q2(t+1)=0此時為“求補”，Q1(t+2)= Q1(t+1) =1當CP端輸入第二個步進脈沖信號，第一個JK觸發器J1=Q2(t+1)=1,K1=1,Q1(t+1)=1第二個JK觸發器J2=Q1(t+1)=1,K2=Q1(t+1)=0,Q2(t+1)=0此時為置“1”，Q2(t+2)=1,A=Q1(t+2)Q2(t+2)=00=0,B=Q1(t+2)Q2(t+2)=10=0,C=Q2(t+2)=1所以，第二個CP步進脈沖信號使，A、B相無控制信號，C相輸入一個控制脈沖。隨著CP端的脈沖信號的切換，步進電機各相依次按A-B-C-A接通，使電機運行。Q1(t+1) =1， Q2(t+1)=0此時為“求補”，Q1(t+2)=