第九章

控制電機第一節(jié)控制電機概述第二節(jié)步進電動機第三節(jié)伺服電動機第四節(jié)永磁同步電動機與交流伺服系統(tǒng)第五節(jié)測速發(fā)電機與光電編碼器

第一節(jié)控制電機概述

在控制裝置中用作檢測、放大、執(zhí)行和解算元件，對運動物體的位置或速度進行快速、準確的控制，具有功率?。ㄒ话阍?50W以下）、重量輕、體積?。C殼外徑一般不大于160mm）、力能指標稍低，但可靠性高、精度高、響應(yīng)快的特點，這類小功率電機就稱為控制電機。

控制電機直流交流直流控制電機直流伺服電動機、直流測速發(fā)電機和直流力矩電動機等交流控制電機交流伺服電動機、交流測速發(fā)電機、步進電動機、微型同步電動機等按電流分類一、控制電機的用途和類別信號元件功率元件電信號轉(zhuǎn)換為電功率或?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為機械能將運動物體的速度或位置等轉(zhuǎn)換為電信號按在控制裝置中的位置分

1.作為信號元件用的控制電機

(1)測速發(fā)電機和光電編碼器直流測速發(fā)電機將速度信號轉(zhuǎn)換為直流輸出電壓，交流測速發(fā)電機則將速度信號轉(zhuǎn)換為交流輸出電壓。光電編碼器的作用是將旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速、位置信號轉(zhuǎn)換為精確的電脈沖。

(2)自整角機自整角機由兩個以上元件（發(fā)送機和接收機）對接使用，輸出電壓信號的屬于信號元件，輸出轉(zhuǎn)矩的屬于功率元件。作為信號元件時，輸出電壓是兩個元件轉(zhuǎn)子角差的正弦函數(shù)。作為功率元件時，輸出轉(zhuǎn)矩也近似為兩個元件轉(zhuǎn)子角差的正弦函數(shù)。

(3)旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的正弦、余弦或其它函數(shù)。2.作為功率元件用的控制電機(1)交流和直流伺服電動機輸入控制電壓的大小和極性（或相位）可較為準確地控制電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，機械特性近于線性。(2)電機擴大機用較小的功率輸入來控制較大的功率輸出。(3)步進電動機步進電動機是一種將脈沖信號轉(zhuǎn)為相應(yīng)的角位移或線位移的機電元件。(4)永磁同步電動機基于同步電動機工作原理的永磁轉(zhuǎn)子電動機。(5)磁滯電動機(6)單相串勵電動機(7)電磁調(diào)速電動機電磁調(diào)速電動機是采用電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速的異步電動機。二、控制電機的發(fā)展概況

普通電機的主要任務(wù)是完成機電能量的轉(zhuǎn)換，主要性能要求著重于提高效率和提高起動、制動、調(diào)速時的力學(xué)性能。

控制電機的主要任務(wù)是完成控制信號的傳遞和轉(zhuǎn)換，其性能要求的側(cè)重點是高精確度、高靈敏度和高可靠性。

高精確度：對功率元件來說，主要要求線性度高、不靈敏區(qū)小；對信號元件來說，要求靜態(tài)誤差、動態(tài)誤差小以及環(huán)境溫度、電源頻率和電源電壓的變化所引起的漂移小。

高靈敏度：指控制電機的輸出量應(yīng)能迅速跟上輸入信號的變化，即對輸入信號能做出快速響應(yīng)。

高可靠性：指控制電機對不同的使用環(huán)境的廣泛適應(yīng)性，即在較惡劣的環(huán)境中能非?？煽康毓ぷ?。

1.對控制電機的性能要求

2.控制電機的發(fā)展概況國外從20世紀30年代開始，控制電機隨著工業(yè)自動化、科學(xué)技術(shù)和軍事裝備的發(fā)展而迅速發(fā)展。

40年代已逐步形成自整角機、旋轉(zhuǎn)變壓器、交直流伺服電動機、交直流測速發(fā)電機等一些基本系列。

60年代以后:多極自整角機、多極旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、無接觸自整角機、無接觸旋轉(zhuǎn)變壓器、永磁式直流力矩電動機、無刷直流伺服電動機、光電編碼器、空心杯轉(zhuǎn)子永磁式直流伺服電動機，印制繞組直流伺服電動機等新機種。由于新原理、新技術(shù)、新材料的發(fā)展，使電機在很多方面突破的傳統(tǒng)的觀念。目前:霍爾效應(yīng)的自整角機及旋轉(zhuǎn)變壓器、霍爾無刷直流測速發(fā)電機；壓電直線步進電動機；利用“介質(zhì)極化”研制出駐極體電機；利用“磁性體的自旋再排列”研制出光電機；此外還有電介質(zhì)電動機、靜電電動機、集成電路電動機等。

控制電機目前已達3000種以上，能處理包括直線位移、角位移、速度、加速度、溫度、濕度、流量、壓力、液面高低、比重、濃度、硬度等多種物理量，逐漸作為構(gòu)成各種開環(huán)控制、閉環(huán)控制、同步聯(lián)結(jié)和機電模擬解算裝置的基礎(chǔ)元件，廣泛地應(yīng)用于化工、煉油、鋼鐵、造船、原子能反應(yīng)堆、數(shù)控機床、自動化儀表和儀器、電影、電視、電子計算機外設(shè)等民用設(shè)備，以及雷達天線自動定位、飛機的自動駕駛儀、導(dǎo)航儀、激光和紅外線技術(shù)、導(dǎo)彈和火箭的制導(dǎo)、自動火炮射擊控制、艦艇駕駛盤和方向盤的控制等軍事設(shè)備。步進電動機：用電脈沖信號進行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的控制電機。

第二節(jié)步進電動機步進驅(qū)動器步進電動機一、步進電動機的工作原理（三相反應(yīng)式步進電動機）圖9-2a）圖9-2b）圖9-2c）圖9-2a）A相繞組通電，B相、C相都不通電，轉(zhuǎn)子位置。圖9-2b）B相通電,A相、C相斷電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30o。圖9-2b）C相通電,A相、B相斷電，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過30o。

結(jié)論：循環(huán)往復(fù)按A→B→C→A的順序輪流為控制繞組供電，在氣隙中產(chǎn)生脈沖式的旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子就一步一步地按逆時針方向轉(zhuǎn)動。步進電動機的轉(zhuǎn)速取決于三相定子繞組的通電頻率，即輸入的電脈沖頻率，轉(zhuǎn)向則取決于定子繞組輪流通電的順序。將定子繞組每改變一次通電方式，稱為“一拍”，上述通電方式被稱為三相單三拍。“單”指每拍只給三相定子繞組中的一相通電，“三拍”是指定子繞組每經(jīng)過三次通電方式切換為一個通電循環(huán)。將步進電動機的每一拍轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角位移稱為步距角。三相單三拍通電方式時的步距角是30o。

“三相單、雙六拍”通電方式：

A→AB→B→BC→C→CA→A（反轉(zhuǎn)為A→AC→C→CB→B→BA→A）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動情況：

每一拍轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角位移為15o。

三相單、雙六拍通電方式時的步距角是15o

A通電→AB通電→B通電“三相雙三拍”通電方式：

AB→BC→CA→AB（反轉(zhuǎn)為AC→CB→BA→AC）

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動情況：共有三種通電狀態(tài)，每一循環(huán)切換三次，每拍都有兩相定子繞組通電。

三相雙三拍通電方式時的步距角是30o。主要優(yōu)點：（1）避免了單三拍運行時從一個單相繞組通電切換到另一個單相繞組通電狀態(tài)時容易出現(xiàn)的失步現(xiàn)象（2）避免了由單一定子繞組通電吸引轉(zhuǎn)子，易使轉(zhuǎn)子在平衡位置附近振蕩的現(xiàn)象。(3)雙三拍運行時轉(zhuǎn)子受到兩相定子磁極的共同作用，電磁拖動轉(zhuǎn)距較大。

上述簡單三相反應(yīng)式步進電動機的步距角為150或300，每一步轉(zhuǎn)過的角度太大了，并不實用。實際使用的步進電動機都是小步距角步進電動機。小步距角步進電動機小步距角步進電動機的磁極展開圖

t為齒距，相數(shù)為m=3；當(dāng)A相一對極下的定子、轉(zhuǎn)子齒對齊時，B相的定子、轉(zhuǎn)子齒則應(yīng)錯開一個齒距(t)的m分之一，即錯開距離為t/3；C相定子、轉(zhuǎn)子齒錯開距離2t/3。

轉(zhuǎn)動原理：圖9-5為A相通電時轉(zhuǎn)子平衡位置，顯然，若斷開A相繞組而接通B相繞組，步進電動機的轉(zhuǎn)子按逆時針方向轉(zhuǎn)過1/3齒距(3o)，使B極下的定子齒與轉(zhuǎn)子齒對齊是新的平衡位置，這時C極下的定子齒恰好和轉(zhuǎn)子齒相錯1/3齒距，當(dāng)C相繞組通電時，轉(zhuǎn)子將按逆時針方向再次轉(zhuǎn)過1/3齒距。只要按順序給定子繞組通電，轉(zhuǎn)子便會連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。

設(shè)轉(zhuǎn)子齒數(shù)=40，每一齒距的空間角為

步矩角計算舉例：以相數(shù)m=3，三相單三拍運行為例，單相繞組通電在氣隙圓周上形成的磁極對數(shù)p=1，磁極數(shù)為2p=2，每一極距所占的齒數(shù)為：每一極距的空間角為：

定子每一極距所占的齒數(shù)不是整數(shù)，6個極正好占40個轉(zhuǎn)子齒的位置，且當(dāng)A極下的定、轉(zhuǎn)子齒對齊時，B極的定子齒和轉(zhuǎn)子齒必然錯開1/3齒距，即為3o。

三相單三拍通電方式運行，步距角為3o。

三相單、雙六拍通電方式運行，步距角為1.5o。

步進電動機的步距角計算公式：（式中，N為運行拍數(shù)）步進電動機的轉(zhuǎn)速計算公式：（式中，f為脈沖頻率）二、步進電動機的運行特性

1.靜態(tài)運行狀態(tài)

(a)

(b)

(c)

(d)設(shè)一個齒距為，通電相的定、轉(zhuǎn)子齒中心線間夾角為。(a)時，電磁轉(zhuǎn)矩T等于零。<90o時，呈現(xiàn)負電磁拉力（T的方向與偏轉(zhuǎn)方向相反）。=180o時，電磁轉(zhuǎn)矩T等于零。

>180o時，出現(xiàn)正方向電磁轉(zhuǎn)矩。反應(yīng)式步進電動機的矩角特性

：可見：步進電動機轉(zhuǎn)矩T隨轉(zhuǎn)角作周期變化。

穩(wěn)定平衡位置設(shè)電動機空載，在靜態(tài)運行時，轉(zhuǎn)子有一個穩(wěn)定平衡位置。即通電相定、轉(zhuǎn)子齒對齊位置。因為當(dāng)轉(zhuǎn)子處于這個位置時，如有外力使轉(zhuǎn)子齒偏離這個位置，只要偏離角，除去外力，轉(zhuǎn)子能自動地重新回到原來位置。

不穩(wěn)定平衡位置當(dāng)時，雖然兩個定子齒對轉(zhuǎn)子一個齒的磁拉力互相抵消，但是只要轉(zhuǎn)子向任一方向稍偏離，磁拉力就失去平衡，穩(wěn)定性被破壞，所以這個位置是不穩(wěn)定的。

靜穩(wěn)定區(qū)兩個不穩(wěn)定點之間的區(qū)域構(gòu)成靜穩(wěn)定區(qū)。

最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩矩角特性曲線上電磁轉(zhuǎn)矩的最大值稱為最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，它表示步進電動機的負載能力。

步進運行狀態(tài)是指步進電動機在較低的通電頻率下運行電動機的運行狀態(tài)由一個個單步運行狀態(tài)所組成。

2.步進運行狀態(tài)設(shè)步進電機空載單三拍運行，轉(zhuǎn)子從A相通電位置轉(zhuǎn)到B相通電位置，逆向轉(zhuǎn)過一個步距角。

A相通電時矩角特性如曲線A所示，轉(zhuǎn)子位于穩(wěn)定平衡點處。

B相通電，矩角特性轉(zhuǎn)為曲線B，轉(zhuǎn)子新的穩(wěn)定平衡位置為。區(qū)間—為步進電動機空載狀態(tài)下的動穩(wěn)定區(qū)。步進電動機的（步進狀態(tài)）電磁轉(zhuǎn)矩特性

相鄰兩個矩角特性的交點所對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩用表示。

A相通電，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定工作點在位置，定子磁極A的軸線與轉(zhuǎn)子齒1軸線夾角為。當(dāng)A相斷電，B相通電瞬間，由于慣性，轉(zhuǎn)子位置還來不及改變?nèi)晕挥谖恢?，但矩角特性躍變?yōu)榍€B，對應(yīng)角的電磁轉(zhuǎn)矩為特性曲線B上的b點，此時電動機轉(zhuǎn)矩大于負載轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子加速，轉(zhuǎn)子向著增大方向運動，最后達到新的穩(wěn)定平衡點。

設(shè)步進電動機帶了過大的負載：原穩(wěn)定平衡點是曲線A上的點，對應(yīng)位置角為。當(dāng)換成B相通電后，對應(yīng)角的轉(zhuǎn)矩為特性曲線B上的點，此時電磁轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩，電動機不能完成步進運動。

步進電動機步進運行時，就是最大負載轉(zhuǎn)矩，也稱為起動轉(zhuǎn)矩。

小于最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。

設(shè)步進電動機帶有正常負載：

步進電動機的最大動態(tài)轉(zhuǎn)矩小于最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，并隨著脈沖頻率的升高而降低。由于電感作用，頻率越高，周期越短，電流越來不及增長，電流峰值減小，勵磁磁通也減小，引起動態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩減小。步進電動機的動態(tài)轉(zhuǎn)矩與頻率的關(guān)系，是一條下降的曲線。

步進電動機矩頻特性曲線

當(dāng)步進電動機的通電脈沖的頻率較高時，會出現(xiàn)在上一拍尚未穩(wěn)定，下一拍脈沖就來到的情況。進入連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動狀態(tài)，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩。三、步進電動機的驅(qū)動電源

變頻信號源：產(chǎn)生頻率從幾十赫茲到幾千赫茲的可連續(xù)變化的脈沖信號。

脈沖分配器：把脈沖信號按一定的運行方式分配給步進電動機的各相定子繞組。

脈沖放大器：將脈沖分配器輸出弱電信號進行功率放大，獲得幾安到幾十安的驅(qū)動電流，輸?shù)蕉ㄗ痈飨嗬@組。四、步進電動機應(yīng)用實例數(shù)控系統(tǒng)

步進驅(qū)動器步進電機步進驅(qū)動器與步進電動機的接線

第三節(jié)伺服電動機

伺服電動機（Servo-motor）執(zhí)行電動機(Actuator)

將控制電信號換為機械動作，用輸入電壓控制輸出軸的速度和方向。

控制系統(tǒng)對伺服電動機的基本要求如下：①可控性好，有控制信號時做出正確的反應(yīng)，控制信號消失電動機應(yīng)能可靠停轉(zhuǎn)，無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象；②響應(yīng)快，電動機轉(zhuǎn)速的高低和方向應(yīng)能隨控制電壓信號改變而快速變化，機電時間常數(shù)小和靈敏度高；③具有線性的機械特性和線性的調(diào)節(jié)特性，調(diào)速范圍大，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

一、直流伺服電動機直流伺服電動機傳統(tǒng)型低慣量型=定子+轉(zhuǎn)子+電刷+換向器永磁式電磁式特點:轉(zhuǎn)子輕、轉(zhuǎn)動慣量小、快速響應(yīng)好盤形電樞直流伺服電動機空心杯電樞永磁式直流伺服電動機無槽電樞直流伺服電動機1.結(jié)構(gòu)和分類盤形電樞直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)前蓋電刷盤形電樞磁鋼后蓋

空心杯電樞永磁式直流伺服電動機結(jié)構(gòu)換向器電刷空心杯電樞外定子內(nèi)定子

無槽電樞直流伺服電動機結(jié)構(gòu)

直流伺服電動機有電樞控制和磁極控制兩種控制方式

2.控制方式和運行特性電樞控制原理電路：

直流伺服電動機的轉(zhuǎn)速表達式：直流伺服電動機的相關(guān)方程：

機械特性是一組平行的直線，具有較高的控制線性度。特性曲線與縱軸的交點為電動機的理想空載轉(zhuǎn)速。

特性曲線的斜率表示伺服電動機機械特性的硬度。斜率負值越大，負載增引起的轉(zhuǎn)速降落越多，機械特性越軟。電樞控制時直流伺服電動機的機械特性電樞控制時直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性曲線與橫軸的交點，表示在一定負載轉(zhuǎn)矩時電動機的始動電壓。在調(diào)節(jié)特性曲線上，從坐標原點到始動電壓點的這一段橫坐標所表示的范圍，稱為在某一電磁轉(zhuǎn)矩時伺服電動機的失靈區(qū)，該失靈區(qū)的大小取決于負載的電磁轉(zhuǎn)矩。

直流伺服電動機的突出優(yōu)點1.其機械特性和調(diào)節(jié)特性都是彼此平行的直線,控制線性度高。2.速度調(diào)節(jié)范圍寬而且平滑，起動轉(zhuǎn)矩大，無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，反應(yīng)也相當(dāng)靈敏。3.與同容量的交流伺服電動機相比，體積和重量可減少到1/2～1/4。

直流電動機的結(jié)構(gòu)性缺點換向器和電刷的滑動接觸中因接觸不良、電刷火花所造成的運行不穩(wěn)定因素仍無法避免。

關(guān)于直流伺服電動機的結(jié)論：兩相交流伺服電動機在結(jié)構(gòu)上為一兩相異步電動機，其定子繞組為空間相差90o電角度的兩相分布繞組。定子繞組的一相作為勵磁繞組，運行時接交流電壓，另一相作為控制繞組，輸入交流控制信號電壓。常用的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有高電阻籠型轉(zhuǎn)子和非磁性空心杯轉(zhuǎn)子兩種形式。二、兩相交流伺服電動機1.基本結(jié)構(gòu)杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電動機結(jié)構(gòu)端蓋機殼內(nèi)定子外定子定子繞組杯形轉(zhuǎn)子兩相繞組軸線位置在空間相差90o電角度，當(dāng)兩相繞組分別加以交流電壓、以后，就會在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。當(dāng)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線時，便會感應(yīng)電動勢，產(chǎn)生電流，轉(zhuǎn)子電流與氣隙磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子隨旋轉(zhuǎn)磁場的方向而旋轉(zhuǎn)。2.工作原理當(dāng)靜止時，合成轉(zhuǎn)矩，理論上轉(zhuǎn)子不會轉(zhuǎn)動，實際上一旦出現(xiàn)任一方向上的初速度，合力T會與運動方向一致，自轉(zhuǎn)!!!

T1正向旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子的拖動轉(zhuǎn)矩T2反向旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子的拖動轉(zhuǎn)矩T合成拖動轉(zhuǎn)矩普通異步電動機單相供電的機械特性自轉(zhuǎn)!!!交流伺服電動機單相供電時的機械特性曲線

T1在速度為正時降低，T2在速度為負時降低，初速度為正時合力矩T為負，初速為負時T為正，消除自轉(zhuǎn)!！高電阻籠型轉(zhuǎn)子和非磁性空心杯轉(zhuǎn)子均具有較大的轉(zhuǎn)子電阻，使T1、T2機械特性曲線中的Sm≥1。3.控制方式

(1)幅值控制保持控制電壓與勵磁電壓之間的相位角為90o電角度，通常滯后于，通過調(diào)節(jié)控制電壓的大小來改變電動機的轉(zhuǎn)速?？刂齐妷涸綇娹D(zhuǎn)速越高，當(dāng)控制電壓時，電動機停轉(zhuǎn)。

(2)相位控制保持控制電壓的幅值不變，通過調(diào)節(jié)控制電壓與勵磁電壓之間的相位角來改變電動機的轉(zhuǎn)速，在適當(dāng)控制范圍內(nèi)相位角越大轉(zhuǎn)速越高，當(dāng)時，電動機停轉(zhuǎn)。這種控制方式較少采用。

(3)幅值—相位控制（電容移相控制）這種控制方式是將勵磁繞組串聯(lián)電容C以后，接到交流穩(wěn)壓電源上。當(dāng)調(diào)節(jié)控制電壓的幅值時，由于轉(zhuǎn)子繞組與勵磁繞組的耦合作用，勵磁繞組的電流變化，及相位角也會變化。是幅值和相位均會改變的復(fù)合控制方式。利用串聯(lián)電容器來分相的復(fù)合控制因簡單而最常用。幅-相控制相量圖幅-相控制接線圖

1．同步電動機結(jié)構(gòu)和原理一、同步電動機概述

同步電動機由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。

定子結(jié)構(gòu)與異步機相同。通對稱交流電，建立旋轉(zhuǎn)磁場。

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與異步機不同。異步電動機的轉(zhuǎn)子只有鐵心和閉合繞組（或?qū)l），沒有勵磁繞組，轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場之間的轉(zhuǎn)速差，使轉(zhuǎn)子繞組中出現(xiàn)感應(yīng)電流，電流受力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；而同步電動機的轉(zhuǎn)子則除了鐵心和繞組之外，還另外通有直流勵磁電源，使轉(zhuǎn)子本身有規(guī)律排列的N、S磁極，因此，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)時，會帶動轉(zhuǎn)子的對應(yīng)磁極一起旋轉(zhuǎn)。穩(wěn)定運行時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場相同，被稱為同步電動機。第四節(jié)永磁同步電動機與交流伺服系統(tǒng)

常見的旋轉(zhuǎn)磁極式同步電動機，轉(zhuǎn)子分隱極式和凸極式兩種結(jié)構(gòu)：

同步電動機在同步運行時，轉(zhuǎn)子跟著旋轉(zhuǎn)磁場等速旋轉(zhuǎn)、空間相對位置穩(wěn)定，這時的轉(zhuǎn)子、定子空間角度關(guān)系如右圖所示。

輕載下θ角較小，滿載時θ角較大。同步電動機的拖動轉(zhuǎn)矩與θ角成函數(shù)關(guān)系，θ角太小或太大都會造成拖動力矩不足。在額定工況下，θ角一般在300左右。2．同步電動機的起動

同步電動機運行中的突出問題之一是起動問題。解決同步電動機起動問題的常用方法：“異步起動法”－－在同步電動機的轉(zhuǎn)子磁極的極靴上裝設(shè)阻尼繞組，阻尼繞組所起的作用與異步電動機的籠型繞組類似，同步電動機起動時靠阻尼繞組的感應(yīng)電流受力實現(xiàn)異步起動。在升速、降速過程中，阻尼繞組還可以起到抑制振蕩的作用。同步電動機異步起動的基本步驟：起動前將勵磁繞組串入一適當(dāng)大小的電阻（串電阻是為了避免過高的自感電勢）后閉合，使轉(zhuǎn)子暫時不產(chǎn)生同步磁極；然后按照電動機的容量、負載性質(zhì)和電源的情況，采取直接起動或降壓起動，將同步電動機作為一臺異步電動機而起動；當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，將直流電流送入勵磁繞組，從而產(chǎn)生同步轉(zhuǎn)矩將電動機牽入同步運行。3．同步電動機的變頻調(diào)速方法

由于同步電動機的轉(zhuǎn)子速度就是同步轉(zhuǎn)速，改變同步轉(zhuǎn)速的方法只有變極調(diào)速和變頻調(diào)速，而變極對數(shù)調(diào)速是有級的，因此，無級調(diào)速就只有改變定子的供電頻率。

同步電動機的變頻調(diào)速方法被分為兩種：

它控式變頻調(diào)速自控式變頻調(diào)速

右圖：它控式變頻調(diào)速：

對它控式變頻調(diào)速的評價：

優(yōu)點：在多臺參數(shù)一致的小容量同步電動機需要同時起動、同時調(diào)速的場合，采用一臺變頻器控制多臺小電動機，系統(tǒng)對各臺電動機的供電頻率相同，供電電壓也相同，易于群控。

缺點：如果一臺電機出現(xiàn)失步，將影響整個群控系統(tǒng)正常工作。

下圖：自控式變頻調(diào)速對自控式變頻調(diào)速的評價：

優(yōu)點：自控式同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)，也是由變頻器來拖動同步電動機，但增加了閉環(huán)自動控制功能，在同步電動機中安裝了轉(zhuǎn)子位置檢測器，根據(jù)轉(zhuǎn)子的實際位置來控制變頻器的供電頻率，保證定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁極的轉(zhuǎn)速始終處于同步狀態(tài)。避免了它控式同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)運行中會失步的缺點。

小功率同步電動機常直接采用永久磁鐵作為轉(zhuǎn)子磁極，被稱為永磁同步電動機（PermanentMagnetSynchronousMoter），具有多種結(jié)構(gòu)。二.永磁同步電動機

其轉(zhuǎn)子為實心鐵心或由簡單加工的沖制疊片組成，一層薄的永磁體被粘合劑固定在轉(zhuǎn)子鐵心的表面，N、S極交替放置，以產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁通。

永磁電動機截面圖幾種永磁電動機的轉(zhuǎn)子截面示意圖三．采用永磁同步電動機的交流伺服系統(tǒng)

采用永磁同步電動機的交流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制該系統(tǒng)由多級計算機控制。

CNC主機從用戶程序中獲得位置命令，又從旋轉(zhuǎn)編碼器獲得當(dāng)前實際位置反饋信息，通過位置控制器可以完成位置閉環(huán)控制運算，并向伺服驅(qū)動器輸出所希望的速度信號，伺服驅(qū)動器中的運算控制單元也從編碼器獲得當(dāng)前轉(zhuǎn)子速度信息，根據(jù)希望速度和實際速度的差別實時驅(qū)動變頻主電路進行控制電流調(diào)整，使定子繞組獲得理想的旋轉(zhuǎn)磁場，到達數(shù)控程序所要求的位置，實現(xiàn)高精度位置控制。

（伺服驅(qū)動器+伺服電動機）

伺服系統(tǒng)=四．交流伺服系統(tǒng)應(yīng)用實例

(CNC加工中心)伺服驅(qū)動器上四個電纜插座：CN1A、CN1B、CN2和CN3。CN3用于連接個人電腦；CN2用于連接伺服馬達編碼器；CN1A和CN1B的信號較為復(fù)雜，如CN1B的LG、VC用來模擬電壓指令，SON、SG用來傳遞伺服ON信號；CN1A的LA、LAR等是伺服系統(tǒng)給CNC的當(dāng)前位置信號；CN1B的ST1、EMG等為啟動方向選擇、急停輸入控制信號CN1B的ALM為伺服警報輸出端，伺服馬達內(nèi)部帶有內(nèi)置剎車，由數(shù)控系統(tǒng)控制。R-J2系列伺服驅(qū)動器和HC-SF系列伺服馬達接線方法控制系統(tǒng)對測速發(fā)電機的基本要求：（1）輸出電壓與轉(zhuǎn)速保持嚴格的線性關(guān)系；（2）電機的轉(zhuǎn)動慣量要小，以保證反應(yīng)迅速；（3）電機的靈敏度要高。

第五節(jié)測速發(fā)電機與光電編碼器

測速發(fā)電機是一種檢測轉(zhuǎn)速的信號元件，可將輸入轉(zhuǎn)速變換成正比的電壓信號輸出。測速發(fā)電機直流測速發(fā)電機交流測速發(fā)電機直流永磁

直流勵磁異步測速發(fā)電機同步測速發(fā)電機一、直流測速發(fā)電機直流永磁式測速發(fā)電機直流測速機工作原理直流發(fā)電機的輸出電壓：交流測速發(fā)電機，目前應(yīng)用最多的是空心杯形轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機。二、交流異步測速發(fā)電機空心杯形轉(zhuǎn)子測速機交流異步測速發(fā)電機的工作原理

當(dāng)電機的勵磁繞組通電時，有電流流過繞組，在氣隙中沿d軸產(chǎn)生脈振磁場。

當(dāng)轉(zhuǎn)子不動時，即輸入轉(zhuǎn)速n=0時，電機磁路相當(dāng)于變壓器的靜止磁路，d軸的脈振磁通只能在空心杯轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出變壓器電動勢，轉(zhuǎn)子電流所產(chǎn)生的磁通會阻礙原脈振磁場的變化，但合成磁通仍沿著d軸方向。由于磁場沒有在q軸方向的分量，d軸方向磁通與輸出線圈平面是平行的，沒有耦合關(guān)系，故測速發(fā)電機沒有發(fā)電電壓輸出。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動后，因轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割勵磁磁通，因而轉(zhuǎn)子表面出現(xiàn)感應(yīng)電動勢會在轉(zhuǎn)子中引起感生電流，用右手定則容易判斷該電流所產(chǎn)生的磁通

會在定子輸出繞組中感應(yīng)出電動勢

輸出電壓結(jié)論：編碼器也稱旋轉(zhuǎn)編碼器或脈沖編碼器，是一種將被測軸的轉(zhuǎn)動速度、方向及位置轉(zhuǎn)換為電脈沖的信號元件。三、光電編碼器印刷板光源圓光柵指示光柵光電池組護罩底座轉(zhuǎn)動軸1.相對位置編碼器對脈沖信號計數(shù)，就可以測出圓光柵角度的增加；而統(tǒng)計單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)過的脈沖數(shù)目，即根據(jù)脈沖頻率，就可以求出圓光柵的旋轉(zhuǎn)速度。在編碼器的指示光柵上刻制兩個辯向狹縫群A、B，彼此錯開1/4柵距，通過A、B感光元件就分別輸出兩組互差1/4周期（90°）的脈沖列。通過識別A、B兩路脈沖的相位差可以測量編碼器的轉(zhuǎn)動方向。此外，圓光柵上還專門刻有一組或一條透明光柵Z，使編碼器在每一圈的固定位置發(fā)出一個零位透光信號，輸出Z相脈沖，通過零位脈沖輸出Z，可以測量軸的旋轉(zhuǎn)位置。增量式編碼器的主要缺點：停電或關(guān)機后，機器不能知道自己停留的絕對位置。與增量式脈沖編碼器不同，在編碼盤上的每個位置都有對應(yīng)的數(shù)值代碼，并刻制成圖案，只要讀取編碼盤上的圖案就可以確定軸的當(dāng)前位置。2.絕對位置編碼器碼道數(shù)為n的編碼盤，每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為，能分辨的不同圓周位置為個。四位二進制碼盤能分辨的最小角度為：α=360°/24=22.5°碼道越多，分辨率越高。編碼盤并按照二進制的數(shù)字大小順序制造透光和不透光部分,而是采用了格雷碼編碼順序.格雷碼使得旋轉(zhuǎn)中讀數(shù)出錯的概率大大降低。絕對編碼器優(yōu)點:能辨別機械軸的絕對位置.

角度二進格雷碼十進0000000000α0001000112α0010001123α0011001034α0100011045α0101011156α0110010167α0111010078α100011008(4位)格雷碼編碼表第九章習(xí)題詳解

1．什么叫步進電動機？步進電動機的轉(zhuǎn)速是由哪些因素決定的？

步進電動機是一種將脈沖信號轉(zhuǎn)為相應(yīng)的角位移或線位移的機電元件。一般由專門的脈沖電源（步進電機驅(qū)動器）供電，當(dāng)輸入一個電脈沖信號時，它就前進一步，電動機軸上輸出角位移量或線位移量與輸入脈沖數(shù)成正比，而轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。

2．什么是步進電動機的步距角？什么是單三拍、六拍和雙三拍工作方式？

將定子繞組每改變一次通電方式，稱為“一拍”。步進電動機的每一拍轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角位移稱為步距角。循環(huán)往復(fù)按A→B→C→A或相反的順序為控制繞組供電，是單三拍。循環(huán)往復(fù)按A→AB→B→BC→C→CA→A或相反的順序為控制繞組供電，是六拍。循環(huán)往復(fù)按AB→BC→CA→AB或相反的順序為控制繞組供電，是雙三拍。

3．

什么是伺服電動機的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象？如何消除？伺服電動機在控制電壓為零時出現(xiàn)轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象被稱為自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。一般通過增大轉(zhuǎn)