1、4.2 力矩電動機力矩電動機4.5 步進電動機步進電動機4.3 測速發電機測速發電機4.4 自整角機自整角機4.1 伺服電動機伺服電動機電機與拖動電機與拖動控制電機概述控制電機概述 在普通旋轉電機的基礎上產生的具有特殊性能的小在普通旋轉電機的基礎上產生的具有特殊性能的小功率電機功率電機;不以能量轉換、傳遞功率為主要功能，而主要任務不以能量轉換、傳遞功率為主要功能，而主要任務是是完成控制信號的傳遞和轉換完成控制信號的傳遞和轉換;在系統中起在系統中起檢測、放大、執行和校正檢測、放大、執行和校正作用，經常用作用，經常用作作執行元件和檢測元件執行元件和檢測元件;1.什么是什么是 控制電機控制電機2.

2、控制電機的特點控制電機的特點 普通電機普通電機:主要任務是主要任務是能量轉換能量轉換， 它們的主要問題是提高它們的主要問題是提高能量轉換的效率。能量轉換的效率。 體積小、體積小、 重量輕、重量輕、 耗電少；耗電少；高可靠性；高精度；快速響應；高可靠性；高精度；快速響應；控制電機控制電機:在自動控制系統中，在自動控制系統中， 只起一個元件的作用，只起一個元件的作用， 其其主要任務是完成主要任務是完成控制信號的傳遞和轉換控制信號的傳遞和轉換， 而能量轉換是次而能量轉換是次要的。要的。 輸出功率較小，一般從數百毫瓦到幾百瓦；輸出功率較小，一般從數百毫瓦到幾百瓦；系列產品的外徑，一般由系列產品的外徑，

3、一般由12.5mm到到130mm；重量從數十克到數千克；重量從數十克到數千克；3. 控制電機的種類控制電機的種類控制電機控制電機測量元件測量元件（信號元件）（信號元件）旋轉變壓器旋轉變壓器交直流測速發電機交直流測速發電機自整角機自整角機感應同步機感應同步機執行執行元件元件（功率功率元件）元件）步進電動機步進電動機交直流伺服電動機交直流伺服電動機力矩電機力矩電機無刷直流電動機無刷直流電動機（1） 執行元件（功率元件）執行元件（功率元件）任務任務:將將電信號電信號轉換成軸上的轉換成軸上的角位移或角速度角位移或角速度以及以及直線位直線位移和線速度移和線速度， 并帶動控制對象運動。并帶動控制對象運動。

4、控制控制 特性特性:電機的電機的轉速轉速和和控制信號控制信號（如控制電壓、脈沖頻率）（如控制電壓、脈沖頻率）之間的關系。之間的關系。執行元件執行元件（功率元件）（功率元件）步進電動機步進電動機交直流伺服電動機交直流伺服電動機力矩電機力矩電機無刷直流電動機無刷直流電動機圖圖 1 伺服電動機的控制特性伺服電動機的控制特性 圖圖 2 步進電動機的控制特性步進電動機的控制特性 （2） 測量元件測量元件(信號元件信號元件)測量元件測量元件（信號元件）（信號元件）旋轉變壓器旋轉變壓器交直流測速發電機交直流測速發電機自整角機自整角機感應同步機感應同步機 用來測量用來測量機械轉角機械轉角、 轉角差轉角差和和轉

5、速轉速， 一般在自動控制系統中作為一般在自動控制系統中作為敏感元件敏感元件和和校正元件校正元件。任務任務:控制控制 特性特性:自整角機、測速發電機、旋轉變壓器自整角機、測速發電機、旋轉變壓器圖圖 3 自整角機的控制特性自整角機的控制特性 圖圖 4 測速發電機的控制特性測速發電機的控制特性 圖圖 5 旋轉變壓器的控制特性旋轉變壓器的控制特性 4. 控制電機的發展概況控制電機的發展概況（1） 國外國外20世紀世紀30年代：迅速發展，規模和使用領域日益壯大；年代：迅速發展，規模和使用領域日益壯大；40年代以后：逐步形成基本系列；年代以后：逐步形成基本系列；60年代以后：品種日益增多；年代以后：品種日

6、益增多；（2） 我國我國60年代前后：全面發展，仿制為主；年代前后：全面發展，仿制為主；60年代后期：自行設計與研發；年代后期：自行設計與研發； 初具規模的專業生產體系。初具規模的專業生產體系。（3） 發展趨勢發展趨勢提高精度、可靠性和適應性；提高精度、可靠性和適應性；小型化；小型化；發展發展特殊用途特殊用途和和特殊性能特殊性能的控制電機；的控制電機；開展開展新原理新原理、新結構新結構電機的研制工作；電機的研制工作；火炮和雷達的自動定位；火炮和雷達的自動定位； 艦船方向舵的自動操縱；艦船方向舵的自動操縱； 飛機的自動駕駛；飛機的自動駕駛； 遙遠目標位置的顯示；遙遠目標位置的顯示； 機床加工過程

7、的自動控制和自動顯示；機床加工過程的自動控制和自動顯示； 閥門的遙控；閥門的遙控；機器人、機器人、 電子計算機、電子計算機、 自動記錄儀表、自動記錄儀表、 醫療設備、醫療設備、 錄音錄像設備等中的自動控制系統。錄音錄像設備等中的自動控制系統。 5. 控制電機的使用范圍控制電機的使用范圍2個控制系統為實例個控制系統為實例放大器放大器KA速度傳感器速度傳感器負載負載伺服電動機伺服電動機w0VR+_圖圖1：簡單的速度控制系統原理圖：簡單的速度控制系統原理圖KS w0圖圖2：機床的數控系統原理圖：機床的數控系統原理圖可控制編程器可控制編程器刀具刀具測測 速速發電機發電機數模數模轉換器轉換器放大器放大器

8、電動機電動機模數模數轉換器轉換器脈沖脈沖反饋反饋傳感器傳感器輸出量輸出量刀具位置刀具位置P4.1 伺服電動機（伺服電動機（servo motor） 伺服電動機伺服電動機 執行電動機。執行電動機。v 功能功能 將電壓信號轉換成將電壓信號轉換成轉角轉角或或轉速轉速信號。信號。v 種類種類 直流伺服電動機、交流伺服電動機。直流伺服電動機、交流伺服電動機。1. 直流伺服電動機直流伺服電動機2. 交流伺服電動機交流伺服電動機轉速和轉向轉速和轉向應方便地受應方便地受控制信號控制信號的控制，的控制， 調速調速范圍要大范圍要大； 整個運行范圍內的特性應具有整個運行范圍內的特性應具有線性關系線性關系， 保證運行

9、的保證運行的穩定穩定性性； 當控制信號消除時，當控制信號消除時， 伺服電動機應立即停轉，伺服電動機應立即停轉， 也就是要求也就是要求伺服電動機伺服電動機無無“自轉自轉”現象現象； 控制功率控制功率要小，要小， 啟動轉矩啟動轉矩應大；應大； 機電時間常數要小機電時間常數要小， 始動電壓要低始動電壓要低。 當控制信號變化時，當控制信號變化時， 反應應快速反應應快速靈敏靈敏。 自動控制系統提出的要求：自動控制系統提出的要求：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。一、直流伺服電動機一、

10、直流伺服電動機 1. 基本結構基本結構 與普通小型直流電動機相同。與普通小型直流電動機相同。 直流伺服電動機的功率直流伺服電動機的功率 1 600 W。 勵磁方式勵磁方式 電磁式：電磁式： 永磁式：永磁式： +Ua 電磁式電磁式If+Uf 他勵式、并勵式、串勵式。他勵式、并勵式、串勵式。稀土永磁材料稀土永磁材料 +Ua 永磁式永磁式（如稀土鈷、稀土釹鐵硼）。（如稀土鈷、稀土釹鐵硼）。 SMIaE E SMIa按結構可分成按結構可分成傳統型傳統型和和低慣量型低慣量型兩大類。兩大類。低慣量型直流伺服電動低慣量型直流伺服電動機機傳統型直流伺服電動傳統型直流伺服電動機機這種電動機的結構和普通直流同基本

11、相同，也是由這種電動機的結構和普通直流同基本相同，也是由定子和轉子兩大部分組成。定子和轉子兩大部分組成。一般有一般有杯形電樞杯形電樞、圓盤電樞圓盤電樞、無槽電樞無槽電樞等結構形式。等結構形式。低慣量型直流伺服電動機的特點是低慣量型直流伺服電動機的特點是轉子輕，轉動慣量轉子輕，轉動慣量小，響應快速。小，響應快速。2. 工作原理工作原理 施加施加 UaIa主磁通：主磁通： TnE電磁轉矩：電磁轉矩： T = CT Ia 電動勢：電動勢： E = CE n電樞電路電壓方程：電樞電路電壓方程： Ua = E + Ra Ian =UaCERaCECT2T3. 控制方式及其特性控制方式及其特性 (1) 電

12、樞控制式電樞控制式 Uf = UfN ， Ua = Uc（控制電壓）（控制電壓） n =UcCENRaCECTN2TOTn Uc3 Uc2Uc1Uc3Uc2Uc1 機械特性機械特性T1 T2 T3 T3T2T1 控制特性控制特性OUcnTCRUUTaaa0定義：電動機在一定的定義：電動機在一定的負載轉矩負載轉矩下，下， 穩態轉速穩態轉速隨隨控制控制 電壓電壓變化的關系，變化的關系，n=f（Ua）。補充：補充： 調節特性（控制特性）調節特性（控制特性）負載為常數時的調節特性負載為常數時的調節特性TCCRCUnTeaea2當當n=0時時斜率：斜率：eCk1始動電壓始動電壓圖圖 直流伺服電動機的調節

13、特性直流伺服電動機的調節特性 TCCRCUnTeaea2 在實在實際 工 作 中際 工 作 中經 常 以經 常 以 試試驗驗 的 方 法的 方 法獲 得 調 節獲 得 調 節特性。特性。表征調節特性的兩個量：表征調節特性的兩個量：（1）始動電壓）始動電壓Ua0sTaaTCRU0死區死區負載越大：負載越大：Ua0越大，越大， 死區越大。死區越大。（2）斜率）斜率keCk1與負載無關，電機本身參數決定與負載無關，電機本身參數決定所以，對于不同負載得到一組所以，對于不同負載得到一組 的調節特性的調節特性相互平行相互平行 (2) 磁場控制式磁場控制式 Ua = UaN ， Uf = Uc（控制電壓）（

14、控制電壓）忽略磁路飽和、不計電樞反應，則忽略磁路飽和、不計電樞反應，則 = C Uf = C Ucn =UaNCECUc Ra CECT C2Uc2 T Uc3Uc2 Uc1Uc3Uc2RL2nRRCRREULaeLaa11RL越小，斜率越小越小，斜率越小理想理想 產生誤差的原因產生誤差的原因 電樞反應。電樞反應。 環境溫度的變化，引起各環境溫度的變化，引起各 繞組的電阻值變化。繞組的電阻值變化。 負載變化，引起電刷與換負載變化，引起電刷與換 向器接觸電阻的變化。向器接觸電阻的變化。圖圖 不同負載電阻時的不同負載電阻時的實際實際輸出特性輸出特性 UaRL= RL1RL2n n n越高，越高，R

15、 RL L越小，誤差越大越小，誤差越大規定：規定： 最大線性工作轉速最大線性工作轉速 最小負載電阻值最小負載電阻值 1 ）溫度影響及消除辦法）溫度影響及消除辦法周圍環境溫度變化周圍環境溫度變化電機本身發熱電機本身發熱電機繞組電阻的變化電機繞組電阻的變化勵磁繞組電阻勵磁繞組電阻Rf增大增大勵磁電流減小勵磁電流減小磁通減小磁通減小感應電動勢減小感應電動勢減小輸出電壓減小輸出電壓減小4 直流測速發電機的誤差及其減小的方法直流測速發電機的誤差及其減小的方法一臺一臺ZCF16型直流測速發電機：型直流測速發電機：勵磁電流勵磁電流If mA轉速轉速n（r/min）輸出電壓輸出電壓Ua（v）結論結論室溫啟動室

16、溫啟動 3002400551hour后后277240052.965Ua降低了降低了3.7調回勵磁調回勵磁電流電流300240054.637Ua降低了降低了0.66勵磁繞組溫升對輸出電壓影響顯著勵磁繞組溫升對輸出電壓影響顯著減小溫度對勵磁電流影響的辦法：減小溫度對勵磁電流影響的辦法：a. 改進電機的鐵心磁路改進電機的鐵心磁路fNI0fF0fINIfIA0N0磁磁化化特特性性曲曲線線在設計電機時，磁路設計在設計電機時，磁路設計足夠飽和足夠飽和，減小溫度變化，減小溫度變化所引起的磁通的變化。所引起的磁通的變化。b. 在勵磁回路串在勵磁回路串穩流電阻穩流電阻RRUIfffc. 在勵磁回路中在勵磁回路中

17、串聯串聯負溫度系負溫度系數數的的熱敏電阻熱敏電阻并聯網絡并聯網絡圖圖 勵磁回路中的熱敏電阻并聯網絡勵磁回路中的熱敏電阻并聯網絡 電樞磁場對氣隙磁場的影響電樞磁場對氣隙磁場的影響合成磁場發生了合成磁場發生了畸變畸變， 2. 電樞反應使主磁場消弱，電樞反應使主磁場消弱，去磁去磁。負載電阻越小，轉速越高，電負載電阻越小，轉速越高，電樞電流越大，電樞反應的去磁樞電流越大，電樞反應的去磁作用越強。作用越強。2 ）電樞反應影響）電樞反應影響 及消除辦法及消除辦法消除電樞反應在設計時，采用補償繞組；在設計時，采用補償繞組；結構上結構上,加大氣隙加大氣隙 2. 2. 規定規定和和。 3）電刷接觸壓降）電刷接觸

18、壓降當轉速低時：接觸電阻大，實際輸出電壓小；當轉速低時：接觸電阻大，實際輸出電壓小；當轉速高時：接觸電阻小，實際輸出電壓大；當轉速高時：接觸電阻小，實際輸出電壓大；電壓方程式：電壓方程式： Ua=Ea-IaRa改寫為：改寫為： Ua=Ea-IaRw-Ub其中其中:Rw為扣除接觸電阻之后的電樞繞組電阻；為扣除接觸電阻之后的電樞繞組電阻； Ub為電刷接觸壓降。為電刷接觸壓降。LaaRUI 用用ub表示的電壓平衡方程式表示的電壓平衡方程式LWbeaRRUnCU1Ua=Ea-IaRw-UbbwLaaaURRUEU用用Ua和和n之間不再是線性關系之間不再是線性關系考慮電刷接觸壓降后的輸出特性考慮電刷接觸

19、壓降后的輸出特性 v 電刷和換向器的材料；電刷和換向器的材料；v 電刷的電流密度；電刷的電流密度； v 電流的方向；電流的方向； v 電刷單位面積上的壓力；電刷單位面積上的壓力； v 接觸表面的溫度；接觸表面的溫度； v 換向器圓周線速度；換向器圓周線速度； v 換向器表面的化學狀態和機械方面的因素換向器表面的化學狀態和機械方面的因素等等電刷接觸壓降電刷接觸壓降Ub與下述因素有密切關系與下述因素有密切關系:v采用接觸壓降較小的銀采用接觸壓降較小的銀石墨電刷。石墨電刷。v采用銅電刷采用銅電刷,并在與換向器接觸的表面上鍍銀層。并在與換向器接觸的表面上鍍銀層。v在測速機的輸出端連接濾波電路。在測速機

20、的輸出端連接濾波電路。減小電刷接觸壓降的影響，減小電刷接觸壓降的影響， 縮小不靈敏區的措施：縮小不靈敏區的措施：電刷和換向器的滑動接觸不穩定，電刷和換向器的滑動接觸不穩定，使輸出的電樞電流含有使輸出的電樞電流含有高頻脈沖高頻脈沖，對鄰近的設備和通信電纜造成干擾對鄰近的設備和通信電纜造成干擾5、 直流測速發電機的應用直流測速發電機的應用v自動控制系統：自動控制系統：測量測量或或自動調節電動機轉速；自動調節電動機轉速； v隨動系統：產生電壓信號；隨動系統：產生電壓信號； v計算解答裝置：作為微分和積分元件。計算解答裝置：作為微分和積分元件。v可測量各種機械在有限范圍內的擺動或非常緩可測量各種機械在

21、有限范圍內的擺動或非常緩慢的轉速；慢的轉速； v可代替測速計直接測量轉速。可代替測速計直接測量轉速。v可靠性比較差，可靠性比較差， v精度比較差；精度比較差； 所以所以,在系統中使用不及交流異步測速機廣泛在系統中使用不及交流異步測速機廣泛； v輸出電壓斜率大；輸出電壓斜率大；v 沒有剩余電壓沒有剩余電壓(即轉速為零時沒有輸出電壓即轉速為零時沒有輸出電壓)；v沒有相位誤差沒有相位誤差(勵磁和輸出電壓之間沒有相位移勵磁和輸出電壓之間沒有相位移)；v溫度補償容易實現等優點，溫度補償容易實現等優點， 所以所以,在自動控制系統中的應用還是很廣泛的。在自動控制系統中的應用還是很廣泛的。6、直流測速發電機的

22、特點（優缺點）、直流測速發電機的特點（優缺點）v是一種是一種測量轉速測量轉速或或傳感轉速信號傳感轉速信號的元件；的元件； v將將轉速信號轉速信號變為變為電壓信號電壓信號；U2=kn輸出電壓與轉速的關系輸出電壓與轉速的關系 理想的測速發電機理想的測速發電機的輸出特性：的輸出特性：二、交流測速發電機二、交流測速發電機 在計算解答裝置中作為解算元件；在計算解答裝置中作為解算元件； 在伺服系統中作為阻尼元件。在伺服系統中作為阻尼元件。 交流測速發電機的主要用途：交流測速發電機的主要用途：v不需要電刷和換向器，不需要電刷和換向器， 構造簡單，構造簡單， 維護容易，維護容易， 運行可靠；運行可靠； v無滑

23、動接觸，無滑動接觸， 輸出特性穩定，輸出特性穩定， 精度高；精度高；v摩擦力矩小，摩擦力矩小， 慣量小；慣量小； v不產生干擾無線電的火花；不產生干擾無線電的火花； v正、正、 反轉輸出電壓對稱。反轉輸出電壓對稱。 交流異步測速發電機的主要優點是：交流異步測速發電機的主要優點是： 存在相位誤差和剩余電壓；存在相位誤差和剩余電壓； 輸出斜率小；輸出斜率小； 輸出特性隨負載性質輸出特性隨負載性質(電阻、電阻、 電感、電感、 電容電容)而有所不同。而有所不同。 主要缺點是：主要缺點是：v在在選用選用時，時， 應根據系統的應根據系統的頻率頻率、電壓電壓、 工作轉速的范圍工作轉速的范圍和和具體用途具體用

24、途來選擇。來選擇。v解算元件：解算元件：精度要高，精度要高， 輸出電壓穩定性要好；輸出電壓穩定性要好； v轉速檢測或作阻尼元件：轉速檢測或作阻尼元件： 輸出斜率要大，輸出斜率要大， 對精度的要求不是很高。對精度的要求不是很高。1 基本結構基本結構v轉子：轉子：鼠籠轉子異步測速發電機鼠籠轉子異步測速發電機非磁杯形轉子異步測速發電機非磁杯形轉子異步測速發電機 定子：鐵心上有兩相對稱繞組定子：鐵心上有兩相對稱繞組交流異步測速發電機的示意圖交流異步測速發電機的示意圖 勵磁繞組勵磁繞組輸出繞組輸出繞組輸出電壓輸出電壓輸出斜率大，特性輸出斜率大，特性差，誤差大，轉子差，誤差大，轉子慣性大，適用于精慣性大，

25、適用于精度要求不高的系統度要求不高的系統中中精度高，轉子精度高，轉子慣量較小，是慣量較小，是目前應用最廣目前應用最廣泛的一種交流泛的一種交流測速發電機測速發電機v轉子轉子薄壁薄壁非磁性非磁性杯，杯， 通常用高電阻率的通常用高電阻率的硅錳青銅硅錳青銅或或錫鋅青銅錫鋅青銅制成。制成。 v定子定子嵌有空間互差嵌有空間互差90電角度的兩相繞組，電角度的兩相繞組， W1 ； W2 。 v機座號較小的電機：機座號較小的電機： 兩相繞組都放在兩相繞組都放在上；上； v機座號較大的電機：機座號較大的電機： 勵磁繞組放在外定子上，勵磁繞組放在外定子上， 輸出繞組放在內定子上。輸出繞組放在內定子上。 杯形轉子異步

26、測速發電機的結構杯形轉子異步測速發電機的結構測速發電機測速發電機 更多的圖片更多的圖片 2. 工作原理工作原理 輸出繞組輸出繞組 勵磁繞組勵磁繞組 Uf Ifd 正弦交流正弦交流 uf if d d =dm sint(1) 轉子靜止時轉子靜止時勵磁繞組勵磁繞組一次繞組一次繞組轉子繞組轉子繞組二次繞組二次繞組EdEfEd Id Ef IfIdFf Fdd IfIdFf Fdd Uf Ifd Ed忽略勵磁繞組的漏阻抗，則忽略勵磁繞組的漏阻抗，則 Uf =Ef = j 4.44 f kwf Nfdm 輸出繞組：輸出繞組： 與與d 無交鏈，不會產生無交鏈，不會產生 E0。 即：即：n = 0 時，時，

27、U0 = 0 。 U0 Ed =j 4.44 f kwr Nrdm Ef Uf Ifd Ed(2) 轉子旋轉時轉子旋轉時 d 交變感應交變感應旋轉切割旋轉切割 Ed Id Eq Iq Eq q q eq = C1d n = C1 n dm sintq = C2 eq = C1 C2 n dm sint = qm sintC1、C2 電機常數。電機常數。qm = C1 C2 n dm U0 Ef 輸出繞組：輸出繞組： U0 =E0 = j4.44 f kw0N0qm = j4.44 f kw0 N0 C1 C2 n dm = C1 C2 n Uf kw0 N0Kwf Nfq E0 U0 輸出空載

28、電壓：輸出空載電壓： Uf Ifd U0 Eq q 結論：結論： U0 n 。 u0 與與 uf 同頻率、同相位。同頻率、同相位。 EdEf E0 Uf =Ef = j 4.44 f kwf Nfdm v勵磁繞組的電阻、漏電抗；勵磁繞組的電阻、漏電抗； v輸出繞組的電阻、漏電抗輸出繞組的電阻、漏電抗v轉子繞組的漏電抗；轉子繞組的漏電抗； v磁路的非線性；磁路的非線性； v輸出繞組和勵磁繞組空間是否正好相差輸出繞組和勵磁繞組空間是否正好相差9090實際情況與理想情況有誤差存在：實際情況與理想情況有誤差存在： 線性誤差；線性誤差； 相位誤差；相位誤差； 剩余電壓。剩余電壓。 誤差：誤差：誤差產生的

29、原因：誤差產生的原因：減小誤差：減小誤差： 負載阻抗電機的輸出負載阻抗電機的輸出阻抗，使其盡量工作在阻抗，使其盡量工作在空空載狀態載狀態，以減少誤差；，以減少誤差；4.4 自整角機自整角機 （BS）v 功能功能 將將轉角信號轉角信號轉換成轉換成電壓信號電壓信號，或反之。通過，或反之。通過 兩個或兩個以上的組合，以實現兩個或兩個以上的組合，以實現轉角的傳輸、轉角的傳輸、 轉換和接收轉換和接收。v 同步聯接系統同步聯接系統 無機械聯接的兩個系統同步轉動。無機械聯接的兩個系統同步轉動。 v 種類種類 按作用的不同：力矩式、控制式。按作用的不同：力矩式、控制式。 按相數的不同：單相、三相。按相數的不同

30、：單相、三相。一一. 自整角機分類：自整角機分類：自整角機兩個自整角機兩個(或兩個以上或兩個以上)組合使用組合使用（1）按）按力矩式力矩式運行時運行時力矩式力矩式發送機發送機(ZLF， TX)力矩式力矩式接收機接收機(ZLJ， TR)（2）按）按控制式控制式運行時運行時控制式控制式發送機發送機(ZKF， CX)控制式控制式變壓器變壓器(ZKB， CT)v差動式發送機：差動式發送機： 串接于串接于力矩式發送機和接收機力矩式發送機和接收機之間，之間， 將發送機轉將發送機轉角及自身角及自身轉角的和轉角的和(或差或差)轉變為電信號，轉變為電信號， 輸至接收輸至接收機；機；v 差動式接收機：差動式接收機

31、： 串接于串接于兩個力矩式發送機兩個力矩式發送機之間，之間， 接收其電信號，接收其電信號， 并使自身轉子轉角等于兩發送機并使自身轉子轉角等于兩發送機轉角的和轉角的和(或差或差)。差動式差動式發送機發送機(ZCF、 TDX)差動式差動式接收機接收機(ZCJ、 TDR)力矩式自整角機用到力矩式自整角機用到v控制式差動發送機：控制式差動發送機： 串接于串接于控制式發送機控制式發送機和和控制式變壓器控制式變壓器之之間，間， 將發送機轉角及其自身轉角的和將發送機轉角及其自身轉角的和(或差或差)轉變成電信號，轉變成電信號， 輸至自整角機變壓器。輸至自整角機變壓器。 控制式自整角機還用到：控制式自整角機還用

32、到：控制式差動發送機控制式差動發送機(ZKC、 CDX)二二. 自整角機的基本結構自整角機的基本結構 與一般旋轉電機相似：定子、轉子、氣隙。與一般旋轉電機相似：定子、轉子、氣隙。圖圖 自整角機結構簡圖自整角機結構簡圖 定子鐵心沖片定子鐵心沖片 三相對稱繞組示意圖三相對稱繞組示意圖 整步繞組整步繞組自整角機轉子自整角機轉子a隱極轉子隱極轉子 b凸極轉子凸極轉子ZKB,ZKCZLF,ZLJ,ZKF圖圖 自整角機電路圖自整角機電路圖 但是，但是， 無論是整體式或是分裝式，無論是整體式或是分裝式， 無論是隱極轉子無論是隱極轉子或是凸極轉子，或是凸極轉子， 它們的工作原理都是一致的。它們的工作原理都是一

33、致的。整體式結構：整體式結構：自整角機的定、自整角機的定、 轉子都裝在一個機殼里。轉子都裝在一個機殼里。分裝式結構：分裝式結構：定、定、 轉子是分開，轉子是分開， 分別是在現場安裝固定。分別是在現場安裝固定。特點：電機外徑較大；特點：電機外徑較大； 軸向長度較短；軸向長度較短； 圖圖 5 - 10 整體式整體式自整角機的基本結構自整角機的基本結構(此圖轉子為凸極式此圖轉子為凸極式) 檔圈檔圈軸承軸承轉子轉子集電環集電環定子定子端蓋端蓋軸承軸承檔圈檔圈接線板接線板自整角機的結構示意圖自整角機的結構示意圖轉子鐵心轉子鐵心 單相繞組單相繞組 定子鐵心定子鐵心 三相繞組三相繞組 電刷電刷 單相：單相：

34、定子為三相繞組、轉子為單相繞組。定子為三相繞組、轉子為單相繞組。 三相：三相：定子、轉子均為三相繞組。定子、轉子均為三相繞組。自整角機的結構圖自整角機的結構圖后端蓋后端蓋 前球軸承前球軸承 集電環集電環端部端部 電刷電刷 集流環集流環端部觸點端部觸點 電刷電刷 定子外殼定子外殼 轉軸轉軸 前端蓋前端蓋 定子繞組定子繞組 轉子轉子 繞組繞組 減震器輪減震器輪 罩罩 殼殼 自整角機自整角機A 型發送器型發送器 M 型指示器型指示器 115 V，60 Hz 單相交流輸入單相交流輸入 v直接帶負載運行，無需其他輔助元件直接帶負載運行，無需其他輔助元件v系統結構簡單，價格低廉系統結構簡單，價格低廉v接收

35、誤差稍大，接收誤差稍大， 負載能力較差，負載能力較差， v只適用于只適用于輕負載轉矩輕負載轉矩及及精度要求不太高的開環精度要求不太高的開環控控制的伺服系統里。制的伺服系統里。直接達到直接達到轉角隨動轉角隨動的目的的目的 遠距離轉角指示遠距離轉角指示機械角度機械角度力矩輸出力矩輸出轉換轉換1、力矩式自整角機、力矩式自整角機三三. . 自整角機的工作原理自整角機的工作原理 力矩式自整角機工作原理力矩式自整角機工作原理UVWUVWa 發送機發送機 b 接收機接收機 1. 轉子處在協調位置時轉子處在協調位置時 縱向脈振縱向脈振 EUa = EUb ，EVa = EVb ， EWa = EWb ;IUI

36、VIWIU = IV = IW = 0 T = 0，轉子靜止。，轉子靜止。 定定 同同子子 步步繞繞組組EUbEVbEWbEUaEVaEWa2. 轉子處在非協調位置時轉子處在非協調位置時 EUaEUb ，EVaEVb ，EWaEWb ; IU、IV、IW 0 T 0， UVWUVWa 發送機發送機 b 接收機接收機 IUIVIWEUaEVaEWaEUbEVbEWb2. 轉子處在非協調位置時轉子處在非協調位置時 EUaEUb ，EVaEVb ，EWaEWb ;IU、IV、IW 0 T 0， 接收機轉子旋轉接收機轉子旋轉 角。角。 重新達到協調位置，使重新達到協調位置，使 IU = IV = IW

37、 = 0， T = 0。 UVWUVWa 發送機發送機 b 接收機接收機 IUIVIW EUaEVaEWaEUbEVbEWb詳細分析：詳細分析： 力矩式自整角機的運行力矩式自整角機的運行 1） 力矩式自整角機的工作原理力矩式自整角機的工作原理圖圖 力矩式自整角機的工作原理圖力矩式自整角機的工作原理圖 勵磁繞組勵磁繞組整步繞組整步繞組fU(1) 只有只有ZLF勵磁繞組接通電源勵磁繞組接通電源fB發送機轉子勵磁磁通發送機轉子勵磁磁通在發送機定子繞組中感應電勢在發送機定子繞組中感應電勢兩機定子繞組回路中引起電流兩機定子繞組回路中引起電流B在在發送機發送機的氣隙中產生合成磁密的氣隙中產生合成磁密B在在

38、接收機接收機氣隙中形成合成磁密氣隙中形成合成磁密fB與與 反向反向與與發送機發送機的磁場反向的磁場反向BB(2) (2) 只將只將ZLJ單獨加勵磁單獨加勵磁fB接收機轉子勵磁磁通接收機轉子勵磁磁通在接收機定子繞組中感應電勢在接收機定子繞組中感應電勢兩機定子繞組回路中引起電流兩機定子繞組回路中引起電流B在在接收機接收機的氣隙中產生合成磁密的氣隙中產生合成磁密B在在發送機發送機氣隙中形成合成磁密氣隙中形成合成磁密fB與與 反向反向與與接收機接收機的磁場反向的磁場反向BB把把接收機接收機中由中由ZLF勵磁產生的磁密勵磁產生的磁密 沿沿 向分解成兩個分量：向分解成兩個分量：(3) 發送機和接收機應同時

39、勵磁發送機和接收機應同時勵磁BBcosBBdsinBBq 和轉子繞組軸線垂直，與勵磁電流和轉子繞組軸線垂直，與勵磁電流相互作用，相互作用，產生電磁力產生電磁力，使勵磁繞，使勵磁繞組轉動（逆時針方向）。組轉動（逆時針方向）。 cosBBd 一個分量一個分量轉子繞組軸線方向上轉子繞組軸線方向上, 定子合成磁密矢量為：定子合成磁密矢量為：cosBBBd實際方向與接收機實際方向與接收機勵磁磁密勵磁磁密相反，起相反，起去磁作用去磁作用，不會使，不會使ZLJ的轉子旋轉。的轉子旋轉。 另一個分量另一個分量sinBBqdBsinBBqffffb. 轉角隨動轉角隨動的目的（的目的（自動協調，自自動協調，自整角隨

40、動整角隨動）a. 協調協調或或同步同步的目的的目的l發送機轉子發送機轉子一旦轉過一個角度一旦轉過一個角度，l接收機轉子就會朝著使角度接收機轉子就會朝著使角度減小減小的方向轉動，的方向轉動，l當當0時，力矩時，力矩0，停止轉動。，停止轉動。l發送機發送機轉子連續轉動轉子連續轉動，則接收機轉，則接收機轉子便跟著轉動。子便跟著轉動。1）控制式自整角機的功用）控制式自整角機的功用角度角度和和位置位置的檢測元件的檢測元件機械角度機械角度電信號電信號角度的數字量角度的數字量電壓模擬量電壓模擬量轉換轉換轉換轉換精度高，適用于精度高，適用于精密精密的的閉環控制閉環控制的伺服系統。的伺服系統。2、控制式自整角機

41、、控制式自整角機UVWa 控制式發送機控制式發送機 UVWb 自整角變壓器自整角變壓器 IUIVIWUfU01 轉子處在協調位置時轉子處在協調位置時 EU、EV、EW 不同大小同相位，不同大小同相位， 則則 IU、IV、IW 不同大小同相位不同大小同相位 產生縱向脈振磁產生縱向脈振磁 場場 與輸出繞組不交鏈與輸出繞組不交鏈 U0 = 0。 EUaEVaEWa勵磁繞組勵磁繞組輸出繞組輸出繞組Uf2. 轉子處在非協調位置時轉子處在非協調位置時Uf EU、EV、EW IU、IV、IW 與輸出繞組交鏈與輸出繞組交鏈 產生產生 E0sin 。 即即 U0sin 。 與輸出繞組交與輸出繞組交鏈的分量鏈的分

42、量EUaEVaEWaUVWa 控制式發送機控制式發送機UVWb 自整角變壓器自整角變壓器U0IUIVIWE0 4.5 步進電動機步進電動機 功能功能 將將電脈沖信號電脈沖信號轉換成轉換成轉角或轉速信號轉角或轉速信號。 轉角轉角 脈沖信號的個數；脈沖信號的個數； 轉速轉速 n 脈沖信號的頻率。脈沖信號的頻率。與電源、負載、與電源、負載、環境等因素無關環境等因素無關脈沖脈沖放大器放大器步進步進電動機電動機脈沖脈沖分配器分配器脈沖輸入脈沖輸入負載負載驅動電源驅動電源 用途用途 高精度的角度控制。高精度的角度控制。v在電脈沖的控制下能在電脈沖的控制下能迅速啟動迅速啟動、 正反轉正反轉、 停轉停轉v在在

43、很很寬的范圍內進行轉速調節；寬的范圍內進行轉速調節；v動作動作快快速；速；v步距小步距小、 步距步距精度高精度高， 不丟步和越步；不丟步和越步；v輸出轉矩輸出轉矩大大， 可直接帶動負載。可直接帶動負載。對步進電動機的基本要求是對步進電動機的基本要求是:分類分類 按定子相數不同：三相、四相、五相、六相等；按定子相數不同：三相、四相、五相、六相等； 按轉子材料不同：永磁式、磁阻式（反應式）。按轉子材料不同：永磁式、磁阻式（反應式）。4.5.1步進電動機工作原理幾個概念：幾個概念：v單：每次切換前后只有一相繞組通電單：每次切換前后只有一相繞組通電v雙：每次切換前后有兩相繞組通電雙：每次切換前后有兩相

44、繞組通電v拍：從一種通電狀態轉換到另一種通電狀拍：從一種通電狀態轉換到另一種通電狀態態三相步進電動機繞組的通電方式一般有單三三相步進電動機繞組的通電方式一般有單三拍、單六拍及雙三拍等幾種。拍、單六拍及雙三拍等幾種。4.5.1步進電動機工作原理一、三相單三拍運行方式（單拍方式）一、三相單三拍運行方式（單拍方式）每次只有一相繞組通電，使步進電機按順時每次只有一相繞組通電，使步進電機按順時針或逆時針方向旋轉，這種控制方式稱為單針或逆時針方向旋轉，這種控制方式稱為單相控制方式。對三相電動機又稱單三拍控制相控制方式。對三相電動機又稱單三拍控制方式，其方式，其繞組波形繞組波形如圖如圖14 2314 231

45、4 2314 23U1U2V1V2W2W11. m 相單相單 m 拍運行（三相單三拍運行）拍運行（三相單三拍運行） 通電順序：通電順序： U 相相V 相相W 相相U 相。相。 U 相通電相通電 14 23U1U2V1V2W2W114 23 V 相通電相通電 U1U2V1V2W2W1 W 相通電相通電 14 2314 23一步一步兩步兩步三步三步 步距角：步距角： = 304.5.1步進電動機工作原理二、三相雙三拍運行方式（雙拍方式）二、三相雙三拍運行方式（雙拍方式）三相雙三拍運行方式工作比較穩定，功耗三相雙三拍運行方式工作比較穩定，功耗比單拍方式相比增大近一倍，其繞組電流比單拍方式相比增大近一

46、倍，其繞組電流波形圖波形圖2. m 相雙相雙 m 拍運行（三相雙三拍運行）拍運行（三相雙三拍運行） 通電順序：通電順序： UV 相相VW 相相WU 相。相。 14 23U1U2V1V2W2W1 UV 相通電相通電 14 2314 23U1U2V1V2W2W1 VW 相通電相通電 14 2314 23U1U2V1V2W2W1 WU 相通電相通電 14 23 步距角：步距角： = 3014 2314 234.5.1步進電動機工作原理其繞組電流波形如圖其繞組電流波形如圖二、三相六拍運行方式（單雙拍方式）二、三相六拍運行方式（單雙拍方式）3. m 相單雙相單雙 2m 拍運行拍運行 (三相單雙六拍運行）

47、三相單雙六拍運行）通電順序：通電順序：UUV VVW W WU U。14 23U1U2V1V2W2W1114 23U1U2V1V2W2W1214 23U1U2V1V2W2W1314 23U1U2V1V2W2W1414 23U1U2V1V2W2W1514 23U1U2V1V2W2W1614 23步距角：步距角： = 15 每一循環換接每一循環換接 6 6 次，次， 總共有總共有 6 6 種通電狀態種通電狀態，4.5.2步進電動機類型與結構一、反應式步進電動機一、反應式步進電動機圖為三相反應式步進電動機結構示意圖圖為三相反應式步進電動機結構示意圖設轉子的齒數為設轉子的齒數為Z，則齒則齒距為：距為：

48、360/Z每通電一次，轉子就走每通電一次，轉子就走一步，故步距角一步，故步距角為：為：mKZZ360360拍數拍數齒距式中式中K為狀態系數。為狀態系數。4.5.2步進電動機類型與結構一、反應式步進電動機若步進電動機的若步進電動機的Z40，三相單三拍運行時，三相單三拍運行時，其步距角為：其步距角為：3403360若按三相六拍運行時，步距角為：若按三相六拍運行時，步距角為：5 . 14032360由此可見，步進電動機的轉子齒數由此可見，步進電動機的轉子齒數Z和定子相和定子相數數m愈多，則步距角愈多，則步距角愈小，控制越精確。愈小，控制越精確。如果電脈沖的頻率為如果電脈沖的頻率為f（電源頻率），則步

49、進電源頻率），則步進電動機轉速電動機轉速n4.5.2步進電動機類型與結構步進電動機類型與結構一、反應式步進電動機一、反應式步進電動機fmKZfn6060360可見，反應式步進電動機轉速只取決于脈可見，反應式步進電動機轉速只取決于脈沖頻率、轉子齒數和拍數，而與電壓、負沖頻率、轉子齒數和拍數，而與電壓、負載、溫度等因素無關。載、溫度等因素無關。4.5.2步進電動機類型與結構一、反應式步進電動機一、反應式步進電動機反應式步進電動機可以按特定指令進行角反應式步進電動機可以按特定指令進行角度控制，也可以進行速度控制。度控制，也可以進行速度控制。當步進電動機的通電方式選定后，其轉速當步進電動機的通電方式選

50、定后，其轉速只與輸入脈沖頻率成正比，改變脈沖頻率只與輸入脈沖頻率成正比，改變脈沖頻率就可以改變轉速，故可進行無級調速，調就可以改變轉速，故可進行無級調速，調速范圍寬。速范圍寬。4.5.2步進電動機類型與結構綜上所述，步進電動機綜上所述，步進電動機u工作時的步數或轉速既不受電壓波動和工作時的步數或轉速既不受電壓波動和負載變化的影響，也不受環境條件（溫度負載變化的影響，也不受環境條件（溫度、壓力、沖擊和振動等）變化的影響，只、壓力、沖擊和振動等）變化的影響，只與控制脈沖同步。與控制脈沖同步。u能按照控制的要求進行啟動、停止、反能按照控制的要求進行啟動、停止、反轉和改變速度。轉和改變速度。因此被廣泛

51、地應用于各種數字控制系統中因此被廣泛地應用于各種數字控制系統中。4.5.2步進電動機類型與結構二、永磁式步進電動機二、永磁式步進電動機永磁式步進電動永磁式步進電動機的結構如圖。機的結構如圖。與反應式相比，與反應式相比，具有控制功率小，具有控制功率小，內部電磁阻尼較內部電磁阻尼較大和斷電情況下大和斷電情況下具有定位轉矩等具有定位轉矩等特點。特點。4.5.2步進電動機類型與結構三、電磁式步進電動機三、電磁式步進電動機電磁式步進電動機轉子的磁極上繞有激磁繞電磁式步進電動機轉子的磁極上繞有激磁繞組，繞組中通以直流電以產生直流磁通。與組，繞組中通以直流電以產生直流磁通。與反應式步進電動機相比，有如下特點

52、：反應式步進電動機相比，有如下特點：輸出轉矩大而脈沖電流較小輸出轉矩大而脈沖電流較小低頻運行時更穩定可靠低頻運行時更穩定可靠高頻運行時的矩頻特性好高頻運行時的矩頻特性好4.5.2步進電動機類型與結構四、永磁反應式（混合式）步進電動機四、永磁反應式（混合式）步進電動機永磁式反應式步進電動機可分為轉子帶磁鋼永磁式反應式步進電動機可分為轉子帶磁鋼和定子帶磁鋼兩種。和定子帶磁鋼兩種。右圖是轉子帶右圖是轉子帶磁鋼的典型結磁鋼的典型結構。構。4.5.2步進電動機類型與結構永磁反應式步進電動機既具有反應式步進電永磁反應式步進電動機既具有反應式步進電動機的步距角小和工作頻率較高的特點，又動機的步距角小和工作頻

53、率較高的特點，又具有永磁式步進電動機的控制功率比較小的具有永磁式步進電動機的控制功率比較小的特點，但結構較復雜，成本也較高。特點，但結構較復雜，成本也較高。除了三相步進電動機外，常見的還有四相、除了三相步進電動機外，常見的還有四相、五相和七相電動機。通常相數越多，輸出轉五相和七相電動機。通常相數越多，輸出轉矩越平穩。大型電子機械常用三相和五相電矩越平穩。大型電子機械常用三相和五相電動機，而小型精密產品中多采用四相電動機動機，而小型精密產品中多采用四相電動機。4.5.3步進電動機主要特性步進電動機主要特性：步進電動機主要特性：步距角及步距誤差步距角及步距誤差矩角特性矩角特性動態矩頻特性動態矩頻特

54、性啟動慣頻特性啟動慣頻特性單步運行與振蕩特性單步運行與振蕩特性4.5.3步進電動機主要特性一、步距角及步距誤差一、步距角及步距誤差步距角步距角即步進電動機每步轉過的空間角度。即步進電動機每步轉過的空間角度。步距角越小，分辨力越高。步距角越小，分辨力越高。步距誤差步距誤差即步進電動機每走一步，轉子實際即步進電動機每走一步，轉子實際的角位移與設計的步距角之間的差值。連續的角位移與設計的步距角之間的差值。連續走若干步，步距誤差就會形成累積，轉一圈走若干步，步距誤差就會形成累積，轉一圈范圍內步距累積誤差的最大值，稱為步進電范圍內步距累積誤差的最大值，稱為步進電動機的累積誤差動機的累積誤差4.5.3步進

55、電動機主要特性步距誤差和累積誤差通常用度步距誤差和累積誤差通常用度()、分、分()或者或者步距角的百分比表示。步距角的百分比表示。影響步距誤差和累積誤差的主要因素有：齒影響步距誤差和累積誤差的主要因素有：齒與磁極的分度精度；鐵心疊壓及裝配精度；與磁極的分度精度；鐵心疊壓及裝配精度；各相矩角特性之間的差別的大小；氣隙的不各相矩角特性之間的差別的大小；氣隙的不均勻程度等。均勻程度等。4.5.3步進電動機主要特性二、矩角特性二、矩角特性矩角特性矩角特性是反映步進電動機電磁轉矩是反映步進電動機電磁轉矩T隨隨偏轉角偏轉角變化的關系。變化的關系。定子一相繞組通以直流電后，如果轉子定子一相繞組通以直流電后，

56、如果轉子上沒有負載轉矩的作用，轉子齒和通電上沒有負載轉矩的作用，轉子齒和通電相磁極上的小齒對齊，這個位置稱為相磁極上的小齒對齊，這個位置稱為步步進電動機的初始平衡位置進電動機的初始平衡位置。4.5.3步進電動機主要特性當轉子有負載轉矩作用時，轉子齒就要偏離當轉子有負載轉矩作用時，轉子齒就要偏離初始位置，重新平衡后轉子齒偏離初始位置初始位置，重新平衡后轉子齒偏離初始位置的角度稱為的角度稱為轉子偏轉角轉子偏轉角（空間角）空間角），對應，對應的電角度的電角度e稱為稱為失調角失調角。電角度是空間角度的電角度是空間角度的Z倍，即倍，即eZZ為電動機定子齒數。為電動機定子齒數。4.5.3步進電動機主要特性

57、電磁轉矩電磁轉矩T與失調角與失調角e的關系曲線的關系曲線Tf(e)稱稱為矩角特性曲線，如圖。為矩角特性曲線，如圖。當當e達到達到/2時，時，即定子齒與轉子齒即定子齒與轉子齒錯開錯開1/4個齒距時，個齒距時，轉矩轉矩T達到最大值達到最大值Ts,max，稱為最大稱為最大靜轉矩。靜轉矩。4.5.3步進電動機主要特性最大靜轉矩最大靜轉矩反映了步進電動機帶負載能力，反映了步進電動機帶負載能力，是步進電動機最主要的性能指標之一。是步進電動機最主要的性能指標之一。步進電動機的負載轉矩必須小于最大靜轉步進電動機的負載轉矩必須小于最大靜轉矩。矩。在實際使用中，為了能穩定運行，負載轉在實際使用中，為了能穩定運行，

58、負載轉矩一般只能是最大靜轉矩的矩一般只能是最大靜轉矩的0.30.5倍。倍。4.5.3步進電動機主要特性三、動態矩頻特性三、動態矩頻特性動態矩頻特性動態矩頻特性是指步進電動機所能產生的是指步進電動機所能產生的最大轉矩與轉速的關系曲線，如圖最大轉矩與轉速的關系曲線，如圖4.5.3步進電動機主要特性動態矩頻特性是選用合適的步進電動機的動態矩頻特性是選用合適的步進電動機的最重要的指標之一。最重要的指標之一。值得注意值得注意：同一電動機在使用不同的驅動方：同一電動機在使用不同的驅動方案時的矩頻特性相差很大，因而在選用電動案時的矩頻特性相差很大，因而在選用電動機時必須注意所給特性的測試條件。機時必須注意所

59、給特性的測試條件。4.5.3步進電動機主要特性曲線為單相通電、單電曲線為單相通電、單電壓驅動時的矩頻特性；壓驅動時的矩頻特性；曲線為單相通電、高低曲線為單相通電、高低壓驅動時的矩頻特性；壓驅動時的矩頻特性；曲線為雙相通電、高低曲線為雙相通電、高低壓驅動時的矩頻特性。壓驅動時的矩頻特性。如圖為某型號步進電動機在三種不同驅動如圖為某型號步進電動機在三種不同驅動情況下的矩頻特性。情況下的矩頻特性。4.5.3步進電動機主要特性從動態矩頻特性曲線可見，隨著電動機運行從動態矩頻特性曲線可見，隨著電動機運行頻率的提高，輸出轉矩逐漸下降。頻率的提高，輸出轉矩逐漸下降。4.5.3步進電動機主要特性高速運行時，相

60、電流平均高速運行時，相電流平均值降低，在很高速時，當值降低，在很高速時，當激磁時間結束之前，相繞激磁時間結束之前，相繞組里的電流可能尚未達到組里的電流可能尚未達到額定值，波形產生嚴重失額定值，波形產生嚴重失真，如圖真，如圖(b)。相電流的減相電流的減小使有效轉矩減小。小使有效轉矩減小。低速運行時，相繞組電流低速運行時，相繞組電流近似矩形，如圖近似矩形，如圖(a)；4.5.3步進電動機主要特性繞組斷電時相電流的衰減時間在高繞組斷電時相電流的衰減時間在高速運行時也影響很大，因殘余電壓速運行時也影響很大，因殘余電壓產生的力矩和轉動方向相反，減小產生的力矩和轉動方向相反，減小了電動機轉子的平衡轉矩；高