1、Whh制作 第第 9 章章 控制電機控制電機9.2 直流力矩電動機直流力矩電動機9.3 步進電動機步進電動機9.4 測速發電機測速發電機9.5 自整角機自整角機9.6 旋轉變壓器旋轉變壓器*9.7 感應同步器感應同步器9.1 伺服電動機伺服電動機9.2 直流力矩電動機直流力矩電動機9.3 步進電動機步進電動機9.4 測速發電機測速發電機9.5 自整角機自整角機9.6 旋轉變壓器旋轉變壓器*9.7 感應同步器感應同步器9.1 伺服電動機伺服電動機電機與拖動電機與拖動Whh制作 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在普通旋轉電機的基礎上，產生的具有特殊性能的小功率

2、電機。小功率電機。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Whh制作 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

3、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，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；Whh制作 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

4、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Whh制作 （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。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

5、電機無刷直流電動機無刷直流電動機Whh制作 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 Whh制作 （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Whh制作 圖圖 3

6、 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 Whh制作 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

7、業生產體系。Whh制作 （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；Whh制作 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、

8、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Whh制作 以以3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 w0Whh制作 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PWhh制作 圖圖3 雷達天線控制系統原

9、理線路雷達天線控制系統原理線路Whh制作 v雷達的搜索過程雷達的搜索過程： 當雷達還沒有捕捉到飛機時，當雷達還沒有捕捉到飛機時， 要由雷達操縱手要由雷達操縱手操作，操作， 使天線旋轉去搜索飛機，使天線旋轉去搜索飛機， 這時圖這時圖 1 - 1 上的上的閘刀閘刀S合在位置合在位置。 v自動跟蹤狀態自動跟蹤狀態： 當天線捕捉到目標時，當天線捕捉到目標時， 把閘刀立即合向位置把閘刀立即合向位置。 這時雷達天線作自動跟蹤飛機的運動。這時雷達天線作自動跟蹤飛機的運動。兩種工作狀態：兩種工作狀態：Whh制作 （1） 雷達天線控制系統的搜索狀態雷達天線控制系統的搜索狀態雷達天線的轉動：雷達天線的轉動：搖動手

10、把搖動手把7自整角發送機自整角發送機1的轉子旋轉的轉子旋轉通過自動控制系統的作用通過自動控制系統的作用雷達天線雷達天線 3 跟著自整角發送機的轉角跟著自整角發送機的轉角自動地旋轉自動地旋轉Whh制作 雷達天線方位角手控原理圖雷達天線方位角手控原理圖自整角自整角變壓器變壓器減速箱減速箱c變換與放大變換與放大功放功放伺服電動機伺服電動機方位角誤差信號方位角誤差信號同步發送機同步發送機r手柄轉角手柄轉角天線方位天線方位軸轉角軸轉角Whh制作 已知發送機的轉角已知發送機的轉角；接收機的轉角；接收機的轉角當當時：時： 轉角差轉角差=- 0， 接收機的輸出電壓接收機的輸出電壓U10。 當當時：轉角差時：轉

11、角差0， U10（與（與 成正比）。成正比）。 自整角機敏感元件自整角機敏感元件這樣：這樣： 自整角自整角接收機接收機就好像自動控制系統的眼睛一樣，就好像自動控制系統的眼睛一樣， 可以很可以很靈敏地感覺出天線的轉角是否跟上自整角靈敏地感覺出天線的轉角是否跟上自整角發送機發送機的轉角。的轉角。Whh制作 雷達手向某一方向搖動手輪雷達手向某一方向搖動手輪產生一個轉角差產生一個轉角差自整角接收機就有交流電壓自整角接收機就有交流電壓U1輸出輸出U1經過交流放大器放大經過交流放大器放大由環形解調器轉換成直流電壓由環形解調器轉換成直流電壓U2U2送入直流放大器放大為送入直流放大器放大為U3U3去控制差動放

12、大器的可控硅的導通和截止去控制差動放大器的可控硅的導通和截止可控硅可控硅VD1和和VD2導通，直流伺服電動機導通，直流伺服電動機 5旋轉。旋轉。另一個方向另一個方向U1極性相反極性相反U2極性相反極性相反U3極性相反極性相反直流伺服電動機直流伺服電動機 5反向旋轉反向旋轉 伺服電動機執行元件伺服電動機執行元件Whh制作 直流伺服電動機轉動直流伺服電動機轉動變速箱變速箱 4帶動天線帶動天線 3 旋轉旋轉帶動自整角接收機帶動自整角接收機轉角差轉角差減小減小轉角轉角=轉角轉角伺服電動機停止轉動伺服電動機停止轉動Whh制作 測速發電機的輸出電壓測速發電機的輸出電壓U4與它的轉速與它的轉速n成正比，成正

13、比， 并把它反饋到直流放大器中。并把它反饋到直流放大器中。 直流測速發電機校正元件直流測速發電機校正元件 為了改善自動控制系統的品質，為了改善自動控制系統的品質，確保系統的穩定性，確保系統的穩定性，達到規定的精度要求等性能指標。達到規定的精度要求等性能指標。 Whh制作 校正元件校正元件直流測速發電機。直流測速發電機。雷達天線控制系統方框圖雷達天線控制系統方框圖 控制對象控制對象雷達天線。雷達天線。放大元件放大元件直流放大器和可控硅控制線路。直流放大器和可控硅控制線路。敏感元件敏感元件自整角發送機和接收機。自整角發送機和接收機。轉換元件轉換元件放大器和解調器。放大器和解調器。執行元件執行元件直

14、流伺服電動機。直流伺服電動機。Whh制作 （2） 雷達天線控制系統的自動跟蹤狀態雷達天線控制系統的自動跟蹤狀態雷達接收機收到從飛機反射回來的回波雷達接收機收到從飛機反射回來的回波轉換成電信號轉換成電信號輸入到放大器輸入到放大器控制天線旋轉控制天線旋轉Whh制作 雷達天線自動控制系統原理框圖雷達天線自動控制系統原理框圖減速箱減速箱c誤差誤差檢測檢測高低角高低角放放 大大執執 行行電動機電動機天天線線軸軸線線指指向向r誤差誤差分析分析減速箱減速箱方位角方位角放放 大大執執 行行電動機電動機目目標標Whh制作 上述控制系統中所用的上述控制系統中所用的自整角發送機自整角發送機、 自整角接自整角接收機收

15、機、 直流伺服電動機直流伺服電動機、 直流測速發電機直流測速發電機都屬于都屬于控制電機控制電機。 可以看出，可以看出， 這些電機在自動控制系統這些電機在自動控制系統中起到了很重要的作用，中起到了很重要的作用， 是必不可少的元件。是必不可少的元件。小結小結9.1 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。 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。 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第第9 章章 控制電機

16、控制電機 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

17、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、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9.1 伺服電動機伺服電動機 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

18、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

19、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 =UaCERaCECT2T9.1 伺服電動機伺服電動機 3. 控制方式及其特性控制方式及其特性 (1) 電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9.1 伺服電動機伺服電動機 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

20、， 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特性直流伺服電動機的調節特性 TCCRCUnTeaea2 在 實 際 工在 實 際 工作 中 經 常作 中 經 常以以 試 驗試 驗 的的方 法 獲 得方 法 獲 得調 節 特 性調 節 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：U

21、a0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）（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

22、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。9.4 測速發電機測速發電機 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 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R

23、f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

24、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

25、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

26、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壓降后的輸出特性 電刷和換向器的材料；電刷和換向器的材料； 電刷的電流密度；電刷的電流密度； 電流的方向；電流的方向； 電刷單位面積上的壓力；電刷單位面積上的壓力； 接觸表面的溫度；接觸表面的溫度； 換向器圓周線速度；換向器圓周線速度； 換向器表面的化學狀態和機械方面的因素等換

27、向器表面的化學狀態和機械方面的因素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: 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。 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。 在測速機的輸出端連接濾波電路。在測速機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

28、發電機的應用直流測速發電機的應用 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； 隨動系統：產生電壓信號；隨動系統：產生電壓信號； 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。 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有限范圍內的擺動或非常緩慢的轉速；慢的轉速； 可代替測速計直接測量轉速。可代替測速計直接測量轉速。 可靠性比較差，可靠性比較差， 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； 輸出電壓斜率大；輸出電壓斜率大； 沒有剩余電壓沒有剩余電壓(即轉速為零

29、時沒有輸出電壓即轉速為零時沒有輸出電壓)； 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)； 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、直流測速發電機的特點（優缺點）、直流測速發電機的特點（優缺點） 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； 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

30、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： 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； 無滑動接觸，無滑動接觸， 輸出特性穩定，輸出特性穩定， 精度高；精度高； 摩擦力矩小，摩擦力矩小， 慣量小；慣量小； 不產生干擾無線電的火花；不產生干擾無線電的火花； 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

31、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： 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途來選擇。來選擇。 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； 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 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

32、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，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 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。 定子定子 嵌有空間互差嵌有空間互差90電

33、角度的兩相繞組，電角度的兩相繞組， W1 ； W2 。 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； 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9.4 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

34、組二次繞組EdEfEd Id 9.4 測速發電機測速發電機 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，U0 = 0 。 U0 Ed =j 4.44 f kwr Nrdm 9.4 測速發電機測速發電機 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

35、 sintq = C2 eq = C1 C2 n dm sint = qm sintC1、C2 電機常數。電機常數。qm = C1 C2 n dm 9.4 測速發電機測速發電機 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。 9.4 測速發電機測速發電機 EdEf E0 Uf =Ef = j 4.44

36、 f kwf Nfdm 勵磁繞組的電阻、漏電抗；勵磁繞組的電阻、漏電抗； 輸出繞組的電阻、漏電抗輸出繞組的電阻、漏電抗 轉子繞組的漏電抗；轉子繞組的漏電抗； 磁路的非線性；磁路的非線性； 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；9.5 自整角機自整角

37、機 （BS） 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。 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。 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：單相、三相。第第9 章章 控制電機控制電機 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

38、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) 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； 差動式接收機：差動式接收機： 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

39、(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 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

40、、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，

41、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 9.5 自整角機自整角機 單相：單相：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

42、構圖自整角機的結構圖9.5 自整角機自整角機 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9.5 自整角機自整角機 更多的圖片更多的圖片 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 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 系統結構簡單，價格低廉系統結構簡單，價格低廉 接收誤差稍大，接收誤差稍大， 負載能力較差，負載能力較差， 只適用于只

43、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 ;IUIVIWIU = IV = IW = 0 T = 0，轉子靜止。，轉子

44、靜止。 定定 同同子子 步步繞繞組組9.5 自整角機自整角機 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， 9.5 自整角機自整角機 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 = 0， T

45、= 0。 9.5 自整角機自整角機 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

46、磁密B在在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

47、收機應同時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）。 一個分量一個分量cosBBd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，

48、自整角隨動整角隨動）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

49、自整角機、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。 9.5 自整角機自整角機 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9.5 自整角機自整角機 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 。

50、即即 U0sin 。 與輸出繞組交與輸出繞組交鏈的分量鏈的分量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 9.6 旋轉變壓器（旋轉變壓器（BR）1. 1. 功能功能 將將轉子轉角轉子轉角變換成與之有函數關系的變換成與之有函數關系的電壓信號電壓信號。 應用在應用在伺服系統伺服系統、 數據傳輸系統數據傳輸系統和和隨動系統隨動系統中；中； 在在控制系統控制系統中，可作為中，可作為解算元件解算元件，主要用于，主要用于坐標變換，坐標變換，三角函數變換三角函數變換等；等； 在在隨動系統隨動系統中，可用于中，可用于傳輸與轉角相應的電信號傳輸與轉

51、角相應的電信號； 還可用作還可用作移相器移相器和和角度數字轉換裝置角度數字轉換裝置第第9 章章 控制電機控制電機 一種精密一種精密測位用測位用的機電元件的機電元件 原理原理 是一種能旋轉的變壓器，其一、二次繞組分布是一種能旋轉的變壓器，其一、二次繞組分布裝在定、轉子上。裝在定、轉子上。 結構結構 相當于一臺兩相繞線型異步電動機。定、轉子相當于一臺兩相繞線型異步電動機。定、轉子 鐵心上都有兩個結構相同而互相垂直的繞組。鐵心上都有兩個結構相同而互相垂直的繞組。 按按用途用途分分 計算用和數據傳輸用旋轉變壓器。計算用和數據傳輸用旋轉變壓器。1. 正余弦旋轉變壓器正余弦旋轉變壓器2. 線性旋轉變壓器線

52、性旋轉變壓器*3. 比例式旋轉變壓器比例式旋轉變壓器第第9 章章 控制電機控制電機 2.分類：分類： 按按輸出電壓輸出電壓和和轉子轉角轉子轉角間的關系分間的關系分4.特殊函數旋轉變壓器特殊函數旋轉變壓器 按按電機極對數的多少電機極對數的多少來分：來分：單極對單極對多極對：可提高系統的穩定性多極對：可提高系統的穩定性 根據根據數據傳輸在系統中的具體用途數據傳輸在系統中的具體用途, , 可分為：可分為： 旋變發送機旋變發送機 旋變差動發送機旋變差動發送機 旋變變壓器旋變變壓器 按有按有無電刷和滑環之間的滑動無電刷和滑環之間的滑動，分為：，分為：接觸式接觸式無接觸式無接觸式一、正余弦旋轉變壓器一、正

53、余弦旋轉變壓器 將將轉子轉角轉子轉角變換成與之成正變換成與之成正 余弦函數關系的余弦函數關系的電壓信號電壓信號。 定子定子 D1D2 ：勵磁繞組：勵磁繞組。 D3D4 ：補償繞組：補償繞組。 轉子轉子 Z1Z2 ：余弦輸出繞組。：余弦輸出繞組。 Z3Z4 ：正弦輸出繞組。：正弦輸出繞組。D1D2D3D4Z1Z2Z3Z4基準位置基準位置（初始位置）（初始位置）9.6 旋轉變壓器旋轉變壓器 1. 空載運行空載運行 D1D2D3D4Z1Z2Z3Z4UfUcos Usin 轉子處在基準位置時轉子處在基準位置時ID12 Uf ID12 FDd d 轉子處在基準位置時轉子處在基準位置時 在在 D1D2 中

54、：中：d ED 在在 Z1Z2 中：中：d EZ ED = 4.44 f kw1 N1dm EZ = 4.44 f kw2 N2dm Uf = ED（忽略漏阻抗）（忽略漏阻抗） Ucos = EZ = kED = kUf Usin = 0k = =EZEDkw2 N2kw1 N19.6 旋轉變壓器旋轉變壓器 轉子偏離基準位置轉子偏離基準位置 角時角時 轉子偏離基準位置轉子偏離基準位置 角角Z1Z2Z3Z4Ucos Usin D1D2D3D4UfID12 Z12 =d cos Z34 =d sin EZ12 = EZ cos = kED cos = kUf cos EZ34 = EZ sin =

55、 kED sin = kUf sin 空載輸出電壓：空載輸出電壓： Ucos = kUf cos Usin = kUf sin 9.6 旋轉變壓器旋轉變壓器 Z1Z3Z4Z2Ucos Usin d Z34 Z12 設設 Z1Z2 接負載接負載 2. 負載運行負載運行 D1D2D3D4UfID12Z1Z3Z4Z2Ucos Usin ZL EZ12IZ12FZ12 FZd (縱向縱向)FZq (橫向橫向) FZqFZdFZ12FZd = FZ12 cos FZq = FZ12 sin FDd (定子定子)FZd (轉子轉子)d FZqZqEZ12、EZ34 EZ12 = kUf cos EZ12

56、EZ34 = kUf sin EZ34 IZ12cos sin 9.6 旋轉變壓器旋轉變壓器 負載后輸出特性的畸變負載后輸出特性的畸變圖圖 輸出特性的畸變輸出特性的畸變 輸出特性畸變的原因輸出特性畸變的原因 交軸分量磁通密度交軸分量磁通密度BZq的作用的作用 在一定轉角下在一定轉角下, 負載電流負載電流愈愈大大, 它所產生的電動勢它所產生的電動勢也愈也愈大大, 輸出特性曲線畸變也愈輸出特性曲線畸變也愈嚴重。嚴重。 設法消除設法消除交軸磁通交軸磁通的影響的影響補償補償定子補償定子補償轉子補償轉子補償雙邊補償雙邊補償 定子定子D1D2勵磁繞組接交流電壓勵磁繞組接交流電壓 ； 轉子轉子Z1Z2正弦繞

57、組接負載正弦繞組接負載ZL； Z3Z4繞組開路。繞組開路。 定子交軸繞組定子交軸繞組D3D4短接阻抗短接阻抗Z;（1） 定子補償的正余弦旋轉變壓器定子補償的正余弦旋轉變壓器定子交軸繞組對交軸磁通定子交軸繞組對交軸磁通q來說是具來說是具有有阻尼作用阻尼作用。 由由楞次定律楞次定律, 交軸磁通交軸磁通q在繞組在繞組D3D4中中要要感生電流感生電流, 該電流所產生的磁通對交軸磁通該電流所產生的磁通對交軸磁通q有有著強烈的著強烈的去磁作用去磁作用。D1D2D3D4UfID12Z1Z3Z4Z2Ucos Usin FZqFZdFZ12ZLIZ12（2） 轉子補償的正余弦旋轉變壓器轉子補償的正余弦旋轉變壓器實質上就是實質上就是副邊對稱副邊對稱的正余弦旋轉變壓器的正余弦旋轉變壓器D1D2D3D4UfID12Z1Z3Z4Z2Ucos Usin ZC FZqFZdFZ12ZLIZ12IZ34 FZqFZdFZ34若若 ZC = ZL，Zq = 0。 四個繞組全部用上四個繞組全部用上, 轉子兩轉子兩個繞組接有外接阻抗個繞組接有外接阻抗ZL和和Z, 允許允許ZL有所改變。有所改變。 （3） 雙邊補償的正余弦旋轉變壓器雙邊補償的正余弦旋轉變壓器D1D2D3D4UfID12Z1Z3Z4Z2Ucos Usin