7.1伺服電動機7.2步進電動機7.3測速發(fā)電機7.4自整角機7.5旋轉(zhuǎn)變壓器小結(jié)控制電機7.1伺服電動機

伺服電動機在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，可將控制電信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度。通過改變控制電信號的大小和極性，可改變電動機的轉(zhuǎn)速大小和轉(zhuǎn)向。

交、直流伺服電動機作為執(zhí)行元件，可用于中高檔數(shù)控機床的主軸驅(qū)動和速度進給伺服系統(tǒng)，工業(yè)用機器人的關節(jié)驅(qū)動伺服系統(tǒng)，火炮、機載雷達等伺服系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)對伺服電動機的基本要求如下：

(1)無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象：即要求控制電機在有控制信號時迅速轉(zhuǎn)動，而當控制信號消失時必須立即停止轉(zhuǎn)動。控制信號消失后，電機仍然轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象稱為自轉(zhuǎn)，自動控制系統(tǒng)不允許有

“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。

(2)空載始動電壓低：電機空載時，轉(zhuǎn)子從靜止到連續(xù)轉(zhuǎn)動的最小控制電壓稱為空載始動電壓。始動電壓越小，電機的靈敏度越高。(3)機械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好：線性的機械特性和調(diào)節(jié)特性有利于提高系統(tǒng)的控制精度，能在寬廣的范圍內(nèi)平滑、穩(wěn)定地調(diào)速。

(4)快速響應性好：即要求電機的機電時間常數(shù)要小，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩要大，轉(zhuǎn)動慣量要小，轉(zhuǎn)速能隨控制電壓的變化而迅速變化。7.1.1直流伺服電動機

1.直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)

1)傳統(tǒng)型直流伺服電動機

傳統(tǒng)型直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)形式與普通直流電動機相同，只是它的容量和體積要小得多。按勵磁方式，它又可以分為電磁式和永磁式兩種。2)低慣量型直流伺服電動機

低慣量型直流伺服電動機的機電時間常數(shù)小，大大改善了電機的動態(tài)特性。圖7-1空心杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)簡圖1—軟磁鐵;2—磁鋼;3—電樞繞組;4—換向器圖7-2盤式電樞直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)簡圖圖7-3無槽電樞直流伺服電動機示意圖

2.直流伺服電動機的工作原理與控制方式

直流伺服電動機的工作原理與普通直流電動機相同。只要在其勵磁繞組通入勵磁電流產(chǎn)生磁場，當電樞繞組中通過電樞電流時，電樞電流就與磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電動機轉(zhuǎn)動。這兩個繞組其中一個斷電時，電動機立即停轉(zhuǎn)，無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。圖7-4直流伺服電動機電樞控制方式接線圖

3.直流伺服電動機的靜態(tài)特性(電樞控制方式)

1)機械特性

采用電樞控制方式的直流伺服電動機，當控制電壓Uc=常數(shù)時，磁通Φ=常數(shù)(不考慮電樞反應)，其轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T之間的關系曲線n=f(T)稱為機械特性。直流伺服電動機的機械特性表達式與他勵直流電動機的機械特性表達式相同，為

(7-1)圖7-5直流伺服電動機的機械特性2)調(diào)節(jié)特性

在電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T=常數(shù)時，伺服電動機穩(wěn)定運行時的轉(zhuǎn)速n與控制電壓Uc之間的關系曲線n=f(Uc)稱為調(diào)節(jié)特性。由式(7-1)可知，在T=常數(shù)時，磁通Φ=常數(shù)，轉(zhuǎn)速n與控制電壓Uc為線性關系，轉(zhuǎn)矩T不同時，調(diào)節(jié)特性是一組平行的直線，如圖7-6所示。圖7-6直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性

4.直流伺服電動機的應用

電子電位差計是用伺服電動機作為執(zhí)行元件的閉環(huán)自動測溫系統(tǒng)，常用于工業(yè)企業(yè)的加熱爐溫度測量，它的基本電路原理圖如圖7-7所示。1—熱電偶;2—放大器;3—伺服電動機;4—變速機構(gòu);5—變阻器;6—溫度指示器圖7-7電子電位差計的基本電路原理圖7.1.2交流伺服電動機

1.交流異步伺服電動機的基本結(jié)構(gòu)

交流異步伺服電動機的結(jié)構(gòu)類似單相異步電動機。其定子鐵芯中安放著空間相距90°電角度的兩相繞組，其中一相作為勵磁繞組，另一相作為控制繞組。1)高電阻率導條的籠型轉(zhuǎn)子

高電阻率導條的籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與普通籠型異步電動機的籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)類似，但是為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)子做得細

而長。轉(zhuǎn)子籠條和端環(huán)既可采用高電阻率的導電材料(如黃銅、青銅等)制造，也可采用鑄鋁轉(zhuǎn)子。

2)非磁性空心杯形轉(zhuǎn)子

非磁性空心杯形轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)如圖7-8所示。1—機殼;2—外定子;3—杯形轉(zhuǎn)子;4—內(nèi)定子;5—端蓋圖7-8非磁性空心杯形轉(zhuǎn)子

2.交流異步伺服電動機的工作原理

交流異步伺服電動機實際上是一種兩相異步電動機，運行時，勵磁繞組接至電壓恒為的交流電源，控制繞組輸入控制電壓頻率相同，如圖7-9所示。圖7-9交流異步伺服電動機的原理圖圖7-10轉(zhuǎn)子繞組電阻對單相異步電動機機械特性的影響(非磁性杯形轉(zhuǎn)子)(a)正常轉(zhuǎn)子電阻；(b)增大轉(zhuǎn)子電阻(sm=1)

3.交流伺服電動機的控制方式

對于兩相交流伺服電動機，若在其定子對稱的兩相交流繞組中通以兩相不對稱交流電流，即兩相電流幅值不同或相位差不是90°電角度，則氣隙旋轉(zhuǎn)磁場是橢圓形的。圖7-11幅值控制接線原理圖圖7-12相位控制接線原理圖圖7-13幅相控制接線原理圖

4.交流伺服電動機的靜態(tài)特性(幅相控制)

1)機械特性

機械特性是指控制電壓(控制電信號)保持定值不變時，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關系。圖7-14交流伺服電動機的機械特性(幅相控制)2)調(diào)節(jié)特性

調(diào)節(jié)特性是指輸出轉(zhuǎn)矩保持定值不變時，轉(zhuǎn)速與控制電信號之間的函數(shù)關系。

通過已得到的機械特性，可用作圖法求出對應的調(diào)節(jié)特性，如圖7-15所示。通過調(diào)節(jié)特性可以直觀地看出轉(zhuǎn)速隨控制電信號的變化規(guī)律。圖7-15交流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性(幅相控制)7.2步進電動機

步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為相應角位移或直線位移的電動機，每當輸入一個電脈沖信號，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一個角度或前進一步，其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。因此，步進電動機又稱脈沖電動機。步進電動機的種類很多，一般按勵磁方式可分為磁阻式(俗稱反應式)、永磁式和混磁式三種；按相數(shù)可分為單相、兩相、三相和多相等。7.2.1三相磁阻式步進電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理

圖7-16所示為一個三相磁阻式步進電動機的結(jié)構(gòu)示意圖和工作原理圖，其定、轉(zhuǎn)子鐵芯均由硅鋼片疊成。定子上有6個磁極，每兩個相對的極繞有一相控制繞組，所以定子共有三相控制繞組(圖中未畫出繞組)。圖7-16三相磁阻式步進電動機的工作原理圖(a)U相通電，V相和W相不通電；(b)U相斷電，V相通電；(c)V相斷電，W相通電除了單三拍通電方式外，這種三相步進電動機還可工作

在“三相單、雙六拍”通電方式。這種方式的通電順序為U→UV→V→VW→W→WU→U。在這種工作方式下，定子

三相繞組需經(jīng)過六次切換才能完成一個循環(huán)，故稱為“六拍”，而“單、雙六拍”則是指單相繞組與兩相繞組交替接通的通電方式。三相單、雙六拍時電動機運行情況如圖7-1７所示。圖7-17三相磁阻式步進電動機單、雙六拍運行(a)U相通電，V相和W相不通電；(b)U、V相同時通電；(c)U相斷電，V相通電由于上述步進電動機的步距角較大，如用于精度要求很高的數(shù)控機床等控制系統(tǒng)，會嚴重影響到加工工件的精度。這種結(jié)構(gòu)只在分析原理時采用，實際使用的步進電動機都是小步距角的。圖7-18所示為最常見的一種小步距角的三相磁阻式步進電動機的結(jié)構(gòu)。圖7-18小步距角的三相磁阻式步進電動機的結(jié)構(gòu)以轉(zhuǎn)子齒數(shù)Zr=40，相數(shù)m=3，每相繞組有兩個極，三相單三拍運行方式為例：

每一轉(zhuǎn)子齒距的空間角度為

每一極距所占的轉(zhuǎn)子齒數(shù)為由于每一極距所占的齒數(shù)不是整數(shù)，因此當U相定子繞組通電時，電機產(chǎn)生沿U-U′極軸線方向的磁場，因磁通要按磁阻最小的路徑閉合，使轉(zhuǎn)子受到磁阻轉(zhuǎn)距的作用而轉(zhuǎn)動，直到

U-U′極下的定、轉(zhuǎn)子齒對齊時，定子V-V′極的齒和轉(zhuǎn)子齒必然錯開1／3齒距，即錯開3°，如圖7-19所示。圖7-19小步距角三相磁阻式步進電動機的展開圖由此可知，當定子的相鄰極為相鄰相時，在某一極下若定、轉(zhuǎn)子齒對齊，則要求在相鄰極下的定、轉(zhuǎn)子齒之間錯開

1／m齒距。由此可得出這時轉(zhuǎn)子齒數(shù)應符合下式條件：

(7-2)由于每一拍轉(zhuǎn)子只轉(zhuǎn)過1/N齒距(Ｎ為拍數(shù))，因此步進電動機的步距角公式為

(7-3)由此可知，增加拍數(shù)和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)可減小步距角，有利于提高控制精度。增加電機的相數(shù)可增加拍數(shù)，從而減小步距角。但相數(shù)越多，電源及電機的結(jié)構(gòu)越復雜，目前步進電動機一般做到六相。所以增加轉(zhuǎn)子齒數(shù)是減小步距角的一個有效途徑。

由式(7-3)可求得步進電動機的轉(zhuǎn)速公式為

(7-4)7.2.2步進電動機的應用

1)數(shù)控機床

數(shù)控機床是數(shù)字程序控制機床的簡稱。它具有通用性、靈活性及高度自動化的特點。主要適用于加工零件精度要求高，形狀比較復雜的生產(chǎn)中。它的工作過程是：首先應按照零件加工的要求和加工的工序，編制加工程序，并將該程序送入微型計算機中，計算機根據(jù)程序中的數(shù)據(jù)和指令進行計算和控制；然后根據(jù)所得的結(jié)果向各個方向的步進電動機發(fā)出相應的控制脈沖信號，使步進電動機帶動工作機構(gòu)按加工的要求依次完成各種動作，如轉(zhuǎn)速變化、正反轉(zhuǎn)、啟停等，這樣就能自動地加工出程序所要求的零件。圖7-20數(shù)控機床方框圖2)軟磁盤驅(qū)動系統(tǒng)

軟磁盤存儲器是一種十分簡便的外部信息存儲裝置，當軟磁盤插入驅(qū)動器后，驅(qū)動電機帶動主軸旋轉(zhuǎn)，使盤片在盤套內(nèi)轉(zhuǎn)動。磁頭安裝在磁頭小車上，步進電動機通過傳動機構(gòu)驅(qū)

動磁頭小車，將步矩角變換成磁頭的位移。步進電動機每行進一步，磁頭移動一個磁道。3)針式打印機

一般針式打印機的字車電機和走紙電機都采用步進電動機，如LQ-1600K打印機。7.3測速發(fā)電機

測速發(fā)電機可將輸入的機械轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。在自動控制和計算裝置中，測速發(fā)電機通常作為測速元件、校正元件、解算元件和角加速度信號元件。自動控制系統(tǒng)對測速發(fā)電機的主要要求是：

(1)輸出電壓與轉(zhuǎn)速保持良好的線性關系；

(2)輸出特性的斜率大，即輸出電壓對轉(zhuǎn)速的變化反應靈敏；

(3)溫度變化對輸出特性的影響?。?/p>

(4)剩余電壓(轉(zhuǎn)速為零時的輸出電壓)要小。7.3.1直流測速發(fā)電機

1.直流測速發(fā)電機的輸出特性

直流測速發(fā)電機的工作原理與普通直流發(fā)電機相同，

其工作原理圖如圖7-21所示。在恒定磁場中，當發(fā)電機電樞以轉(zhuǎn)速n切割磁通Φ時，電刷兩端產(chǎn)生的感應電動勢為

(7-5)實際負載運行時，因負載電流Ia=U／RL，若不計電樞反應的影響，直流測速發(fā)電機的輸出電壓應為

(7-6)把式(7-5)代入式(7-6)，經(jīng)整理后可得

(7-7)圖7-22直流測速發(fā)電機的輸出特性

2.輸出特性產(chǎn)生誤差的原因和減小誤差的方法

1)電樞反應的去磁作用

當測速發(fā)電機帶負載時，電樞電流引起的電樞反應的去磁作用，使發(fā)電機氣隙磁通Φ減小。當轉(zhuǎn)速一定時，若負載電阻越小，則電樞電流越大；當負載電阻一定時，若轉(zhuǎn)速越高，則電動勢越大，電樞電流也越大，它們都使電樞反應的去磁作用增強，Φ減小，輸出電壓和轉(zhuǎn)速的線性誤差增大，如圖7-22實線所示。2)電刷接觸電阻的非線性

因為電樞電路總電阻Ra包括電刷與換向器的接觸電阻，而這種接觸電阻是非線性的，隨負載電流的變化而變化。當電機轉(zhuǎn)速較低時，相應的電樞電流較小，而接觸電阻較大，電刷壓

降較大，這時測速發(fā)電機雖然有輸入信號(轉(zhuǎn)速)，但輸出電壓卻很小，因而在輸出特性上有一失靈區(qū)，引起線性誤差，如圖7-22所示。3)溫度的影響

對電磁式直流測速發(fā)電機，因勵磁繞組長期通電而發(fā)熱，它的電阻也相應增大，引起勵磁電流及磁通Φ的減小，從而造成線性誤差。為了減小由溫度變化引起的磁通變化，在設計

直流測速發(fā)電機時使其磁路處于足夠飽和的狀態(tài)，同時在勵磁回路中串一個溫度系數(shù)很小、阻值比勵磁繞組電阻大3～5倍的用康銅或錳銅材料制成的電阻。

3.直流測速發(fā)電機的應用

圖7-23是直流測速發(fā)電機在恒速控制系統(tǒng)中的應用原理圖。圖7-23直流測速發(fā)電機在恒速控制系統(tǒng)中的應用原理圖7.3.2交流測速發(fā)電機

交流測速發(fā)電機有異步式和同步式兩種，下面主要介紹在自動控制系統(tǒng)中應用較廣的交流異步測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和工作原理。圖7-24交流異步測速發(fā)電機的工作原理圖(a)轉(zhuǎn)子靜止時；(b)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時當n≠0，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動以后，杯形轉(zhuǎn)子中除了感應有變壓器電動勢外(圖中未畫)，同時還因杯形轉(zhuǎn)子切割磁通在轉(zhuǎn)子中感應一旋轉(zhuǎn)電動勢其方向可根據(jù)給定的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向和磁通方向，用右手定則判斷，如圖7-24(b)所示。旋轉(zhuǎn)電動勢與磁通同頻率，頻率也為f1，而其有效值為

(7-8)在旋轉(zhuǎn)電動勢的作用下，轉(zhuǎn)子繞組中將產(chǎn)生頻率為f1的交流電流由于杯形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子電阻很大，遠大于轉(zhuǎn)子電抗，則基本上同相位，如圖7-24(b)所示。由

所產(chǎn)生的脈振磁通也是交變的，其脈振頻率為f1。若在線性磁路下，的大小與以及的大小成正比，即

(7-9)無論轉(zhuǎn)速如何變化，由于杯形轉(zhuǎn)子的上半周導體電流方向與下半周導體電流方向總是相反的，因此電流產(chǎn)生的脈振磁通在空間的方向總是與垂直，結(jié)果的軸線與輸出繞組軸線(q軸)重合，由在輸出繞組中感應出變壓器電動勢，其頻率仍為f1，而有效值與Φq成正比，即

(7-10)綜合以上分析可知，若磁通的幅值恒定，且在線性磁路下，則輸出繞組的電動勢的頻率與勵磁電源頻率相同，其有效值與轉(zhuǎn)速大小成正比，即

(7-11)7.4自整角機

自整角機是一種對角位移或角速度的偏差能自動整步的控制電機，在自動控制系統(tǒng)中實現(xiàn)角度的傳輸、變換和指示，如液面高度、電梯和礦井提升機高度的位置顯示，兩扇閘門的

開度控制，軋鋼機軋輥之間的距離與軋輥轉(zhuǎn)速的控制，變壓器分接開關的位置指示等。7.4.1力矩式自整角機的工作原理

單相力矩式自整角機的定子結(jié)構(gòu)與一般三相異步電動機的定子結(jié)構(gòu)類似，定子上有星形連接的三相對稱繞組，稱為整步繞組。轉(zhuǎn)子上裝有單相繞組，稱為勵磁繞組。圖7-25力矩式自整角機的工作原理示意圖發(fā)送機的轉(zhuǎn)子繞組通以單相交流電后，產(chǎn)生的脈振磁場在其定子繞組中感應的電動勢有效值分別為

(7-12)接收機的轉(zhuǎn)子繞組通以同一單相交流電后，產(chǎn)生的脈振磁場在其定子繞組中感應的電動勢有效值分別為

(7-13)圖7-26所示為液面位置指示器。浮子隨著液面的上升或下降，通過繩索帶動自整角發(fā)送機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，將液面位置轉(zhuǎn)換成發(fā)送機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。自整角發(fā)送機和接收機之間通過導線遠距離連接起來，于是自整角接收機轉(zhuǎn)子就帶動指針準確地跟隨自整角發(fā)送機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角變化而偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了遠距離液面位置的指示。這種系統(tǒng)還可以用于電梯和礦井提升機構(gòu)位置的指

示及核反應堆中的控制棒指示器等裝置。1—浮子；2—平衡錘；3—發(fā)送機；4—接收機圖7-26液面位置指示器7.4.2控制式自整角機的工作原理

控制式自整角機也分為發(fā)送機和接收機兩種?？刂剖阶哉前l(fā)送機的結(jié)構(gòu)形式與力矩式自整角發(fā)送機基本一樣，轉(zhuǎn)子上通常放置勵磁繞組。與力矩式自整角接收機不同的是控制式

自整角接收機不直接驅(qū)動機械負載，而是輸出電壓信號，通過伺服電動機去控制機械負載。它的轉(zhuǎn)子為隱極式，轉(zhuǎn)子上通常放置高精度的正弦繞組作為輸出繞組。圖7-27單相控制式自整角機的工作原理圖而由F2產(chǎn)生的與接收機轉(zhuǎn)子繞組軸線重合的磁場分量，將在接收機的轉(zhuǎn)子繞組中感應出電動勢，因而轉(zhuǎn)子繞組(輸出繞組)的輸出電壓為

(7-14)7.5旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角呈某一函數(shù)關系的控制電機，在解算裝置、伺服系統(tǒng)及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。7.5.1正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子的輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ呈正弦或余弦關系，它可用于坐標變換、三角運算、單相移相器、角度數(shù)字轉(zhuǎn)換、角度數(shù)據(jù)傳輸?shù)葓龊?。正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理圖如圖7-28所示。若在定子繞組S1S3兩端施以交流勵磁電壓US1，則建立勵磁磁動勢FS1而產(chǎn)生脈振磁場。當轉(zhuǎn)子從原來的基準電氣零位逆時針轉(zhuǎn)過θ角度時，則圖7-28中的轉(zhuǎn)子繞組R1R3、R2R4中所產(chǎn)生的空載電壓分別為

(7-15)為了使正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器負載時的輸出電壓不畸變，仍是轉(zhuǎn)角的正余弦函數(shù)，則希望轉(zhuǎn)子正弦繞組與余弦繞組的負載阻抗相等；希望定子上的S2S4繞組自行短接(見圖7-28)，以補償(抵消)由負載電流引起的與FS1垂直的會引起輸出電壓畸變的磁動勢，因此S2S4繞組也稱補償繞組。圖7-28正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理圖7.5.2線性旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

線性旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子的輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ呈線性關系，即UR2=f(θ)函數(shù)曲線為一直線，故它只能在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)用作機械角與電信號的線性變換。為了擴大線性的角度范圍，將圖7-28接成如圖7-29所示，

即把正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的定子繞組S1S3與轉(zhuǎn)子繞組R1R3串聯(lián)，成為一次側(cè)(勵磁側(cè))。當施以交流電壓US1后，經(jīng)推導，轉(zhuǎn)子繞組R2R4所產(chǎn)生的電壓UR2與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ有如下關系：

(7-16)圖7-29線性旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理圖小結(jié)

1.伺服電動機

伺服電動機是自動控制系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件，按照結(jié)構(gòu)原理可以分為直流伺服電動機和交流伺服電動機兩大類。

直流伺服電動機的轉(zhuǎn)子有傳統(tǒng)型和低慣量型，一般采用電樞控制方式，具有機械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍寬、響應快、輸出功