第八章控制电机精选文档.ppt

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1、第八章控制电机本讲稿第一页，共九十一页 8.1单相异步电动机单相异步电动机本讲稿第二页，共九十一页8.1.1 单相异步电动机的工作原理单相异步电动机的工作原理结构：结构：定子放单相绕组（其中通定子放单相绕组（其中通220V单相交流电）单相交流电）转子一般用鼠笼式。转子一般用鼠笼式。定子定子转子转子定子定子绕组绕组本讲稿第三页，共九十一页220V NS 当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据右手螺旋定则和左手当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据右手螺旋定则和左手定则，可知转子导条左、右受力大小相等方向相反，所以没有起定则，可知转子导条左、右受力大小相等方向相反，所以没有起动转矩。动转矩。在电流正半

2、周在电流正半周在电流负半周在电流负半周？本讲稿第四页，共九十一页 定子绕组产生的脉动磁场（定子绕组产生的脉动磁场（），可用），可用正、反两个旋正、反两个旋转磁场合成而等效。即：转磁场合成而等效。即：+-t m=+-=m/2本讲稿第五页，共九十一页脉动磁场的分解脉动磁场的分解 -+-本讲稿第六页，共九十一页正反向旋转磁场的合成转矩特性正反向旋转磁场的合成转矩特性合成转矩合成转矩起动转矩起动转矩为零。为零。（正向）（正向）（反向）（反向）正正转转转转反反本讲稿第七页，共九十一页n可见，起动转矩为零。转子借助其它力量可见，起动转矩为零。转子借助其它力量转动后，外力去除后仍按原方向继续转动。转动后，外

3、力去除后仍按原方向继续转动。1当n0时，转矩T0，此时的电磁转矩是驱动性质的，电机属于正转运行2当n0时，转矩T当当n=0时，转矩时，转矩T=0，显然这是不行的，显然这是不行的，电机将无法起动，即，我们希望当转速电机将无法起动，即，我们希望当转速=0时，转矩不应为零！时，转矩不应为零！由此可见，单个绕组通电，电机可以运行，但不能起动，因此必须有两相绕组才行。本讲稿第八页，共九十一页单相异步电动机的关键问题是如何起动的问题，单相异步电动机的关键问题是如何起动的问题，而起动的必要条件是：而起动的必要条件是：1）定子具有空间不同相位的两个绕组）定子具有空间不同相位的两个绕组2）两相绕组中要通入不同相

4、位的交流电流）两相绕组中要通入不同相位的交流电流 第一个条件显然应该是满足的，所以，第一个条件显然应该是满足的，所以，现在现在的关键问题是如何实现电流的分相问题的关键问题是如何实现电流的分相问题，根，根据分相方法的不同，我们把单相异步电动机据分相方法的不同，我们把单相异步电动机又分为：又分为：本讲稿第九页，共九十一页8.1.2 单相异步电动机的分类和起动方法单相异步电动机的分类和起动方法1）单相电阻分相起动异步电动机）单相电阻分相起动异步电动机2）单相电容分相起动异步电动机）单相电容分相起动异步电动机3）单相电容运转异步电动机）单相电容运转异步电动机4）单相电容起动与运转异步电动机）单相电容起

5、动与运转异步电动机5）单相罩极式异步电动机）单相罩极式异步电动机下面，我们分别来看一下，各种类型的单相异步下面，我们分别来看一下，各种类型的单相异步电动机：电动机：(一一)、分相式异步电动机、分相式异步电动机本讲稿第十页，共九十一页1、电容分相式起动、电容分相式起动KDCWSTW:主绕组（工作绕组）主绕组（工作绕组）ST：启动绕组：启动绕组K：离心开关：离心开关AXAXWSTAXAX本讲稿第十一页，共九十一页KDCWST接近接近90电容分相式单相异步电容分相式单相异步 电动机起动原理电动机起动原理本讲稿第十二页，共九十一页KDCWSTAXAX WSTAXAXt=t0 NS本讲稿第十三页，共九十

6、一页t=t0WSTAXAX NSWSTAXAXNSt=t1 磁场逆时针磁场逆时针方向旋转方向旋转t=t0t=t1本讲稿第十四页，共九十一页启动时开关启动时开关K闭合，使两绕组电流相位差约为闭合，使两绕组电流相位差约为90，从而产生旋转磁场，电机转起来；转动，从而产生旋转磁场，电机转起来；转动正常以后离心开关被甩开，启动绕组被切断，正常以后离心开关被甩开，启动绕组被切断，而电机仍按原方向继续转动。而电机仍按原方向继续转动。工作原理工作原理KDCWSTAXAX本讲稿第十五页，共九十一页优点：优点：1）如果电容器的电容量配的合适，可以实）如果电容器的电容量配的合适，可以实现两个电流之间的相位差为现两

7、个电流之间的相位差为90，2）副绕组的容性可以抵消一些本身所有的）副绕组的容性可以抵消一些本身所有的感抗，使电抗减小，所以副绕组的匝数不感抗，使电抗减小，所以副绕组的匝数不象电阻分相时受到限制，从而可以增加一象电阻分相时受到限制，从而可以增加一些，使的磁动势增加。些，使的磁动势增加。这两点的实现，可以使我们得到一个接近圆这两点的实现，可以使我们得到一个接近圆形的磁动势，即较大的起动转矩，而起动形的磁动势，即较大的起动转矩，而起动电流还会下降！电流还会下降！本讲稿第十六页，共九十一页2、单相电阻分相起动异步电动机、单相电阻分相起动异步电动机本讲稿第十七页，共九十一页本讲稿第十八页，共九十一页 这

8、种电动机，由于两相绕组中电流的相位这种电动机，由于两相绕组中电流的相位相差不大，所以，气隙磁动势是一个椭圆相差不大，所以，气隙磁动势是一个椭圆形，因此起动电流比较大，而起动转矩却形，因此起动电流比较大，而起动转矩却不是很大。不是很大。本讲稿第十九页，共九十一页(二二)、罩极式单相电机、罩极式单相电机定子定子磁极磁极转子转子短路短路环环 定子通入电流以后，部分磁通定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其中产生感应穿过短路环，并在其中产生感应电流。短路环中的电流阻碍磁通电流。短路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环部分和没的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相有短路环部分产

9、生的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场，使转位差，从而形成旋转磁场，使转子转起来。子转起来。图中电机的转动方向：顺时针图中电机的转动方向：顺时针旋转。因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的旋转。因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先。磁通领先。本讲稿第二十页，共九十一页本讲稿第二十一页，共九十一页 单相异步电动机的功率小，主要制成小型电机。单相异步电动机的功率小，主要制成小型电机。它的应用非常广泛，如家用电器（洗衣机、电冰它的应用非常广泛，如家用电器（洗衣机、电冰箱、电风扇）、电动工具（如手电钻）、医用器箱、电风扇）、电动工具（如手电钻）、医用器械、自动化仪表等。械、自动化仪表等。8

10、.1.3单相电机的使用单相电机的使用 本讲稿第二十三页，共九十一页三相异步电动机的单相运行三相异步电动机的单相运行 三相异步电动机在运行过程中，若其中一三相异步电动机在运行过程中，若其中一相和电源断开，则变成单相运行。此时和单相和电源断开，则变成单相运行。此时和单相电机一样，电机仍会按原来方向运转。但相电机一样，电机仍会按原来方向运转。但若负载不变，三相供电变为单相供电，电流若负载不变，三相供电变为单相供电，电流将变大，导致电机过热。使用中要特别注意将变大，导致电机过热。使用中要特别注意这种现象；三相异步电动机若在启动前有一这种现象；三相异步电动机若在启动前有一相断电，和单相电机一样将不能启动

11、。此时相断电，和单相电机一样将不能启动。此时只能听到嗡嗡声，长时间启动不了，也会过只能听到嗡嗡声，长时间启动不了，也会过热，必须赶快排除故障。热，必须赶快排除故障。本讲稿第二十四页，共九十一页8.2测速发电机测速发电机本讲稿第二十五页，共九十一页8.2.1直流测速发电机直流测速发电机 直流测速发电机是一种微型直流发电机，其作用是直流测速发电机是一种微型直流发电机，其作用是把拖动系统的旋转角速度转变为电压信号。把拖动系统的旋转角速度转变为电压信号。结构：结构：与直流发电机基本相同。与直流发电机基本相同。工作原理：工作原理：与直流发电机相同。与直流发电机相同。本讲稿第二十六页，共九十一页按励磁方式

12、按励磁方式本讲稿第二十七页，共九十一页1、工作原理：直流测速发电机的结构和工、工作原理：直流测速发电机的结构和工作原理与前面所讲的直流发电机是一样的，作原理与前面所讲的直流发电机是一样的，因此：因此：当磁通当磁通=常数时，发电机的电动势为：常数时，发电机的电动势为：E0=Ce0n1）在空载时，直流测速发电机的输出电压）在空载时，直流测速发电机的输出电压就是电枢感应电动势：就是电枢感应电动势：U00，显然输出，显然输出电压电压U0与与n成正比。成正比。2）有有负负载载时时，若若电电枢枢电电阻阻为为Ra，负负载载电电阻阻为为RL，不不计计电电刷刷与与换换向向器器间间的的接接触触电电阻阻，则直流测速

13、发电机的输出电压为：则直流测速发电机的输出电压为：本讲稿第二十八页，共九十一页整理后得本讲稿第二十九页，共九十一页 C为直流测速发电机输出特性的斜率，当为直流测速发电机输出特性的斜率，当0、Ra及及RL都不变时，输出电压都不变时，输出电压U与转速成线性与转速成线性关系。对于不同的负载电阻关系。对于不同的负载电阻RL，输出特性的，输出特性的斜率斜率C不同，负载电阻越小，斜率不同，负载电阻越小，斜率C也越小，也越小，本讲稿第三十页，共九十一页2、误差分析：显然，直流测速发电机的输出电压与转速要严格保持正比关系在实际中是难以做到的，造成这种非线性误差的原因主要有以下三个方面：电枢反应，温度的影响和接

14、触电阻。负载R一定，当转速较高时U较大，Ia也较大，电枢反应产生的去磁作用使得磁通减小，输出电压要降低，为了减小电枢反应得到这种作用，使用测速发电机时，转速范围不要太大，负载电阻不能太小，还可以安装补偿绕组。本讲稿第三十一页，共九十一页8.2.2交流测速发电机交流测速发电机1、结构介绍：结构介绍：在在自自动动控控制制系系统统中中多多用用空空心心杯杯转转子子异异步步测测速速发发电电机机。空空心心杯杯转转子子异异步步测测速速发发电电机机定定子子上上有有两两个个在在空空间间上上互互差差90 电电角角度度的的绕绕组组，一一为励磁绕组，另一为输出绕组，如图所示。为励磁绕组，另一为输出绕组，如图所示。本讲

15、稿第三十二页，共九十一页本讲稿第三十三页，共九十一页2、工作原理：、工作原理：工作时，励磁绕组接频率为工作时，励磁绕组接频率为f的的单相交流电单相交流电源，此时显然沿着直轴方向将会产生一个源，此时显然沿着直轴方向将会产生一个脉振磁动势脉振磁动势D，1）当转子不动时，脉振磁动势）当转子不动时，脉振磁动势 D在空心杯在空心杯转子中感应出变压器电势，产生的磁场与转子中感应出变压器电势，产生的磁场与励磁电源同频率的脉振磁场励磁电源同频率的脉振磁场 D，也为，也为d轴，轴，都与处于都与处于q轴的输出绕组无磁通交链。轴的输出绕组无磁通交链。2 2）当转子运动时，转子切割直轴磁通当转子运动时，转子切割直轴磁

16、通 D，本讲稿第三十四页，共九十一页 在在杯杯型型转转子子中中感感应应产产生生旋旋转转电电势势E r，其其大大小小正正比比于于转转子子转转速速n，并并以以励励磁磁磁磁场场 D的的脉脉振振频频率率f交交变变，又又因因空空心心杯杯转转子子相相当当于于短短路路绕绕组组，故故旋旋转转电电势势E r在在杯杯型型转转子子中中产产生生交交流流短短路路电电流流I r，其其大大小小正正比比于于E r，其其频频率率为为E r的的交交变变频频率率f，若若忽忽视视杯杯型型转转子子的的漏漏抗抗的的影影响响，那那么么电电流流I r所所产产生生的的脉脉振振磁磁通通 q的的大大小小正正比比于于E r，在在空空间间位位置置上上

17、与与输输出出绕绕组组的的轴轴线线（q轴轴）一一致致，因因此此转转子子脉脉振振磁磁场场 q与与输输出出绕绕组组相交链而产生感应电势相交链而产生感应电势E，据上分析有：，据上分析有：本讲稿第三十五页，共九十一页n输出绕组感应产生的电势输出绕组感应产生的电势E实际就是交流异步实际就是交流异步测速发电机输出的空载电压测速发电机输出的空载电压U，其大小正比于，其大小正比于转速转速n，其频率为励磁电源的频率，其频率为励磁电源的频率f。当然，。当然，这里也存在着不可避免的误差。这里也存在着不可避免的误差。本讲稿第三十六页，共九十一页 3、误差分析：、误差分析：非线性误差非线性误差 只有严格保持直轴磁通只有严

18、格保持直轴磁通 d不变的前提下，交流异步测速发电机不变的前提下，交流异步测速发电机的输出电压才与转子转速成正比，但在实际中直轴磁通的输出电压才与转子转速成正比，但在实际中直轴磁通 d是变是变化的，化的，为了减小转子漏抗造成的线性误差为了减小转子漏抗造成的线性误差，异步测速发电机都，异步测速发电机都采用非磁性空心杯转子，常用电阻率大的磷青铜制成，以增大采用非磁性空心杯转子，常用电阻率大的磷青铜制成，以增大转子电阻，从而可以忽略转子漏抗，与此同时使杯型转子转动转子电阻，从而可以忽略转子漏抗，与此同时使杯型转子转动时切割交轴磁通时切割交轴磁通q q而而产生的直轴磁势明显减弱。另外，提产生的直轴磁势明

19、显减弱。另外，提高励磁电源频率，也就是提高电机的同步转速，也可提高励磁电源频率，也就是提高电机的同步转速，也可提高线性度，减小线性误差。高线性度，减小线性误差。本讲稿第三十七页，共九十一页 剩余电压剩余电压 当转子静止时，交流测速发电机的输出电当转子静止时，交流测速发电机的输出电压应当为零，但实际上还会有一个很小的压应当为零，但实际上还会有一个很小的电压输出，此电压称为剩余电压。电压输出，此电压称为剩余电压。相位误差相位误差 由于励磁的漏阻抗压降，引起由于励磁的漏阻抗压降，引起U2与与U1不不完全同相，一般异步测速发电机相位误差完全同相，一般异步测速发电机相位误差1020电角度。电角度。本讲稿

20、第三十八页，共九十一页 8.3伺服电动机伺服电动机 伺伺服服电电动动机机（执执行行电电动动机机），它它将将输输入入的的电电压压信信号号转转变变为为转转轴轴的的角角位位移移或或角角速速度度输输出出，改改变变输输入入信信号号的的大大小小和和极极性性可可以以改改变变伺伺服服电电动动机机的的转转速速与与转转向向，故故输输入入的的电电压压信信号号又又称称为为控控制信号或控制电压。制信号或控制电压。根根据据使使用用电电源源的的不不同同，伺伺服服电电动动机机分分为为直直流流伺伺服服电电动动机机和和交交流流伺伺服服电电动动机机两两大大类类。直直流流伺伺服服电电动动机机输输出出功功率率较较大大，功功率率范范围围

21、为为1 1600600瓦瓦，有有的的甚甚至至可可达达上上千千瓦瓦；而而交交流流伺伺服服电电动动机机输出功率较小，功率范围一般为输出功率较小，功率范围一般为0.10.1100100瓦。瓦。本讲稿第三十九页，共九十一页结构：结构：与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做得细与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做得细长一些。长一些。工作原理：工作原理：与直流电动机相同。与直流电动机相同。供电方式：供电方式：他励。励磁绕组和电枢由两个独立电源供电：他励。励磁绕组和电枢由两个独立电源供电：MU1IfIaU2放放大大器器UU1为励磁电压，为励磁电压，U2为电枢电压。为电枢电压。8.3.1伺服电动机伺服电动机

22、本讲稿第四十页，共九十一页由机械特性可知：由机械特性可知：(1)U1（即磁通（即磁通）不变时，一定的负载下，）不变时，一定的负载下，U2,n。(2)U2=0时，电机立即停转。时，电机立即停转。反转：电枢电压的极性改变，电机反转。反转：电枢电压的极性改变，电机反转。直流伺服电机的机械特直流伺服电机的机械特性公式与他励直流电机性公式与他励直流电机一样：一样：机械特性曲线机械特性曲线U20.8U20.6U20.4U2nT本讲稿第四十一页，共九十一页调节特性n在电磁转矩为常数时，转速与控制信号电压之间的关系曲线称为调节特性n由机械特性可知n调节特性是一组平行的直线n负载转矩不同，始动电压也不同n失灵区

23、的大小与负载转矩成正比本讲稿第四十二页，共九十一页 直流伺服电机的特性较交流伺服电机直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。经常用在功率稍大的系统中，它的硬。经常用在功率稍大的系统中，它的输出功率一般为输出功率一般为1-600W。它的用途很多，。它的用途很多，如随动系统中的位置控制等。如随动系统中的位置控制等。应用：应用：本讲稿第四十三页，共九十一页8.3.2交流伺服电动机交流伺服电动机本讲稿第四十四页，共九十一页8.3.2交流伺服电动机交流伺服电动机一、工作原理一、工作原理 伺服电动机就是两相异步电动机，定子侧伺服电动机就是两相异步电动机，定子侧绕组再空间相差绕组再空间相差90度摆放，转子是鼠笼

24、式度摆放，转子是鼠笼式的。的。本讲稿第四十五页，共九十一页本讲稿第四十六页，共九十一页1、自转现象：、自转现象：如果电机参数与一般的单相如果电机参数与一般的单相异步电动机一样，那么当控制信号消失时，异步电动机一样，那么当控制信号消失时，电机转速虽会下降些，但仍会继续不停地电机转速虽会下降些，但仍会继续不停地转动。伺服电动机在控制信号消失后仍继转动。伺服电动机在控制信号消失后仍继续旋转的失控现象称为续旋转的失控现象称为“自转自转”。2、如何克服：显然、如何克服：显然,我们需要的是当控制信我们需要的是当控制信号为零时号为零时,转子的转速也为零转子的转速也为零,从机械特性从机械特性图上我们可以看出图

25、上我们可以看出,只要转子旋转的方向只要转子旋转的方向和电磁转矩的方向相反和电磁转矩的方向相反,就可以实现此目就可以实现此目的的,那么那么.从我们以前所学的知识可得从我们以前所学的知识可得:本讲稿第四十七页，共九十一页n使电机制动到停止，从而消除使电机制动到停止，从而消除“自转自转”增加转增加转子电阻，使正向磁场产生最大转矩时的子电阻，使正向磁场产生最大转矩时的S Sm+m+11，使正向旋转的电机在控制电压消失后的电磁，使正向旋转的电机在控制电压消失后的电磁转矩为负值，即为制动转矩，使电机制动到停转矩为负值，即为制动转矩，使电机制动到停止；若电机反向旋转，则在控制电压消失后的止；若电机反向旋转，

26、则在控制电压消失后的电磁转矩为正值，也为制动转矩，如图电磁转矩为正值，也为制动转矩，如图本讲稿第四十八页，共九十一页本讲稿第四十九页，共九十一页3、改变控制电压的方法：、改变控制电压的方法：1）幅值控制：）幅值控制：如如图图所所示示，幅幅值值控控制制通通过过改改变变控控制制电电压压的的大大小来控制电机转速，此时控制小来控制电机转速，此时控制本讲稿第五十页，共九十一页 电压与励磁电压之间的相位差始终保持电压与励磁电压之间的相位差始终保持90电角度。若控制绕组的额定电压电角度。若控制绕组的额定电压 ,那么控制信号的大小可表示那么控制信号的大小可表示c cNcN,称为有效信号系数，那么以称为有效信号

27、系数，那么以cn为基值，控制电压为基值，控制电压 的标么值为：的标么值为：本讲稿第五十一页，共九十一页 当当有有效效信信号号系系数数 时时，控控制制电电压压 与与 的的幅幅值值相相等等，相相位位相相差差9090电电角角度度，且且两两绕绕组组空空间间相相差差9090电电角角度度。此此时时所所产产生生的的气气隙隙磁磁通通势势为为圆圆形形旋旋转转磁磁通通势势，产产生生的的电电磁磁转转距距最最大大；当当 时时，控控制制电电压压小小于于励励磁磁电电压压的的幅幅值值，所所建建立立的的气气隙隙磁磁场场为为椭椭圆圆形形旋旋转转磁磁场场，产产生生的的电电磁磁转转矩矩减减小小。越越小小，气气隙隙磁磁场场的的椭椭圆

28、圆度度越越大大，产产生生的的电电磁磁转转矩矩越越小小，电电机机转转速速越越慢慢，在在 时时，控控制制信信号号消消失失，气气隙隙磁磁场为脉振磁场，电机不转或停转。场为脉振磁场，电机不转或停转。n幅幅值值控控制制的的交交流流伺伺服服电电动动机机的的机机械械特特性性和和调调节节特特性性如如下下图图所所示示。图图中中的的转转矩矩和和转转速速都都采采用用标标么值。么值。本讲稿第五十二页，共九十一页本讲稿第五十三页，共九十一页2 2）相位控制）相位控制:这种控制方式通过改变控制电压这种控制方式通过改变控制电压 与励磁与励磁电压电压 之间的相位差来实现对电机转速和之间的相位差来实现对电机转速和转向的控制，而

29、控制电压的幅值保持不变。转向的控制，而控制电压的幅值保持不变。如图所示，励磁绕组直接接到交流电源上，如图所示，励磁绕组直接接到交流电源上，而控制绕组经移相器后接到同一交流电压而控制绕组经移相器后接到同一交流电压上，上，与与 的频率相同。而的频率相同。而 相位通相位通过过移相器可以改移相器可以改变变，从而改，从而改变变两者之两者之间间的相的相位差位差 ,本讲稿第五十四页，共九十一页 SinSin 称称为为相相位位控控制制的的信信号号系系数数。改改变变 与与 相相位位差差 的的大大小小，可可以以改改变变电电机机的的转转速速。相相位位控控制制的的机机械械特特性性和和调调节节特特性性与与幅幅值值控控制

30、制相似，也为非线性。相似，也为非线性。本讲稿第五十五页，共九十一页3 3）幅值）幅值相位控制相位控制:如图所示如图所示,我们还可以通过同时改变幅值和我们还可以通过同时改变幅值和相位的方法来实现对控制电压的改变相位的方法来实现对控制电压的改变:本讲稿第五十六页，共九十一页 幅幅度度相相位位控控制制线线路路简简单单，不不需需要要复复杂杂的的移移相相装装置置，只只需需电电容容进进行行分分相相，具具有有线线路路简简单单、成成本本低低廉廉、输输出出功功率率较较大大的的优优点点，因而成为使用最多的控制方式。因而成为使用最多的控制方式。本讲稿第五十七页，共九十一页8.4 步进电动机步进电动机机理机理：步进电

31、机是利用电磁铁原理，将脉冲信号步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号 转换成线位移或角位移的电机。每来一个转换成线位移或角位移的电机。每来一个 电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移 动一小段距离。动一小段距离。特点特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)改变脉冲顺序，改变方向。改变脉冲顺序，改变方向。本讲稿第五十八页，共九十一页种类种类：有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进

32、电机的转子上没有励磁线的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。圈。应用：应用：步进机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动步进机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动 绘图仪等设备中都得到应用。绘图仪等设备中都得到应用。下下面面以以反反应应式式步步进进电电机机为为例例说说明明步步进进电电机机的的结结构构和和工工作原理。作原理。本讲稿第五十九页，共九十一页一、一、结构结构 步步进进机机主主要要由由两两部部分分构构成成：定定子子和和转转子子。它它们们均均由由磁磁性性材料构成，其上分别有六个、四个磁极材料构成，其上分别有六个、四个磁极 。定子定子转子转子定子绕组定子绕组本讲稿第六十页，共

33、九十一页 定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。一相。注意：注意：这里的相和三相交流电中的这里的相和三相交流电中的“相相”的概念不的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。接和组数的区别。ABC定子定子转子转子IAIBIC本讲稿第六十一页，共九十一页二、二、工作方式工作方式 步进电机的工作方式可分为：步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。拍、三相双三拍等。(一一)、三相单三拍、三相单三拍（1 1）三相绕组联接方式

34、：）三相绕组联接方式：Y 型型（2 2）三相绕组中的通电顺序为：）三相绕组中的通电顺序为：A 相相 B 相相 C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为：A 相相 C 相相 B 相相 本讲稿第六十二页，共九十一页（3）工作过程）工作过程化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A 相通电，相通电，A 方向的磁方向的磁通经转子形成闭合回路。通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁场的作用下，转子

35、被磁A A 相通电使转子相通电使转子1 1、3 3齿和齿和 AA 对齐。对齐。CABBCA3412本讲稿第六十三页，共九十一页CABBCA3412同理，同理，B相通电，转子相通电，转子2、4齿和齿和B相轴线对齐，相对相轴线对齐，相对A相通电位置转相通电位置转30；C相通电再转相通电再转30。1C342CABBA本讲稿第六十四页，共九十一页 这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。三相单三拍的特点：三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过

36、）每来一个电脉冲，转子转过 30。此角称为步距。此角称为步距角，用角，用 S表示。表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。通电顺序即可改变转向。本讲稿第六十五页，共九十一页(二二)、三相单双六拍、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为：AABBBCCCAA 共六拍。共六拍。工作过程：工作过程：A相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿和齿和A相对齐。相对齐。CABBCA3412本讲稿第六十六页，共九十一页所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，通电

37、，转子转了转子转了15。（1）BB 磁场对磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向转动。转子顺时针方向转动。A、B相同时通电相同时通电（2）AA 磁场继续对磁场继续对1、3齿有拉力。齿有拉力。CABBCA3412本讲稿第六十七页，共九十一页总总之之，每每个个循循环环周周期期，有有六六种种通通电电状状态态，所所以以称称为为三三相相六拍，步距角为六拍，步距角为15。CABBCA3412B相通电，相通电，转子转子2、4齿和齿和B相对齐，又转了相对齐，又转了15。本讲稿第六十八页，共九十一页(三三)、三相双三拍、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为：AB

38、 BC CA AB 共三拍。共三拍。AB通电通电CABBCA3412CABBCA3412BC通电通电本讲稿第六十九页，共九十一页以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。工工作作方方式式为为三三相相双双三三拍拍时时，每每通通入入一一个个电电脉脉冲冲，转转子子也也是是转转30，即即 S=30。CA通电通电CABBCA3412本讲稿第七十页，共九十一页三、小步距角的步进电动机三、小步距角的步进电动机 实际采用的步进电机的步距角多为实际采用的步进电机的步距角多为3度和度和1.5度，度，步距角越小

39、，机加工的精度越高。步距角越小，机加工的精度越高。为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子转子40个齿，定子仍是个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁极上也有五个磁极，但每个磁极上也有五个齿。个齿。本讲稿第七十一页，共九十一页转子的齿距转子的齿距等于等于360/40=9 ，齿宽、齿槽各，齿宽、齿槽各4.5 。为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。齿槽和转子相同。本讲稿第七十二页，共九十一页工作原理：工作原理：假设是单三拍通电工作方式。假设是单三拍通电工作方式。（1）A 相通电时，定

40、子相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对相的五个小齿和转子对齐。此时，齐。此时，B 相和相和 A 相空间差相空间差120120，含，含 120 120/9/9 =齿齿 A 相和相和 C 相差相差240240，含，含240240/9 9 =个齿。所以，个齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿相的转子、定子的五个小齿对齐时，对齐时，B 相、相、C 相不能对齐，相不能对齐，B相的转子、相的转子、定子相差定子相差 1/3 1/3 个齿（个齿（3 3），），C相的转子、相的转子、定子相差定子相差2/32/3个齿（个齿（6 6）。）。本讲稿第七十三页，共九十一页若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，若

41、工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转转子只转 1.5 。异步机的转动方向仍由相序决定。异步机的转动方向仍由相序决定。同理，同理，C 相通电再转相通电再转3 （2）A 相相断断电电、B 相相通通电电后后，转转子子只只需需转转过过1/3个个 齿齿（3），使），使 B 相转子、定子对齐。相转子、定子对齐。本讲稿第七十四页，共九十一页f：电脉冲的频率电脉冲的频率 转速转速 步进机通过一个电脉冲步进机通过一个电脉冲,转子转过的角度转子转过的角度,称为称为步距角。步距角。m:一个周期的运行拍数一个周期的运行拍数Zr：转子齿数：转子齿数如：如：Zr=40,m=3 时时步距角步距角本讲稿第七十五页

42、，共九十一页8.5旋转变压器旋转变压器一、定义：当旋转变压器的定子绕组施加单相交一、定义：当旋转变压器的定子绕组施加单相交流电时，其转子绕组输出的电压与转子转角成流电时，其转子绕组输出的电压与转子转角成正弦余弦关系或线性关系等函数关系。正弦余弦关系或线性关系等函数关系。二、分类：根据输出的函数关系的不同，旋转变二、分类：根据输出的函数关系的不同，旋转变压器可分为很多类，其中正余弦旋转变压器，压器可分为很多类，其中正余弦旋转变压器，线性旋转变压器较为常用。线性旋转变压器较为常用。三、正，余铉旋转变压器三、正，余铉旋转变压器本讲稿第七十六页，共九十一页1、工作原理：、工作原理：1）空空载载运运行行

43、时时：旋旋转转变变压压器器的的定定子子铁铁芯芯槽槽中中装装有有两两套套完完全全相相同同的的绕绕组组D1D2和和D3D4，但但在在空空间间上上相相差差90。每每套套绕绕组组的的有有效效匝匝数数为为ND，其其中中D1D2绕绕组组为为直直轴轴绕绕组组，D3D4绕绕组组为为交交轴轴绕绕组组。转转子子铁铁芯芯槽槽中中也也装装有有两两套套完完全全相相同同的的绕绕组组Z1Z2和和Z3Z4，在在空空间间上上也相差也相差90，每套绕组的有效匝数为，每套绕组的有效匝数为NZ。转转角角：转转子子上上的的输输出出绕绕组组Z1Z2的的轴轴线线与与定定子子的直轴之间的角度叫做转子的转角。的直轴之间的角度叫做转子的转角。本

44、讲稿第七十七页，共九十一页本讲稿第七十八页，共九十一页A：气气隙隙磁磁场场D与与输输出出绕绕组组Z1Z2相相交交链链 的的磁通磁通 Z12=Dcos。B：另另一一输输出出绕绕组组Z3Z4的的轴轴线线与与磁磁场场轴轴线线（直直轴轴）的的夹夹角角为为90-，那那么么气气隙隙磁磁场场D与与Z3Z4相交链的磁通相交链的磁通 Z34=Dcos（90-）=Dsin，据据上上述述分分析析，气气隙隙磁磁场场D在在励励磁磁绕绕组组中中所所感感生的电动势为生的电动势为：ED12=4.44fNDD相对应的在输出绕组感应的电动势为：相对应的在输出绕组感应的电动势为：本讲稿第七十九页，共九十一页EZ12=4.44fNZ

45、Dcos EZ34=4.44fNZDsin 另外输出绕组与励磁绕组的有效匝数比为另外输出绕组与励磁绕组的有效匝数比为因而输出绕组因而输出绕组Z1Z2和和Z3Z4的端电压分别为的端电压分别为UZ12=KUDcos UZ34=KUDsin 本讲稿第八十页，共九十一页可可见见，通通过过调调节节转转子子转转角角 的的大大小小，输输出出绕绕组组Z1Z2输输出出的的电电压压按按余余弦弦规规律律变变化化，故故又又叫叫余余弦弦输输出出绕绕组组，绕绕组组Z3Z4输输出出的的电电压压按按正正弦规律变化，故叫做正弦输出绕组。弦规律变化，故叫做正弦输出绕组。2）负载运行时：）负载运行时：在实际应用中，输出绕组都接有负

46、载，在实际应用中，输出绕组都接有负载，如如图所示：图所示：本讲稿第八十一页，共九十一页本讲稿第八十二页，共九十一页输输出出绕绕组组有有电电流流流流过过，从从而而产产生生磁磁通通势势，使使气气隙隙磁磁场场产产生生畸畸变变，从从而而使使输输出出电电压压产产生生畸畸变变，不不再再是是转转角角的的正正、余余弦弦函函数数关关系系。这这不不是是我我们们所所希希望望的的，所所以以我我们们就就要要想想办办法法去去消消除除这这个个畸畸变变。补补偿偿的的方方法法是是从从消消除除或减弱造成电压畸变的交轴或减弱造成电压畸变的交轴分量磁势入手分量磁势入手。一、二次侧（转子）补偿 方法：本讲稿第八十三页，共九十一页本讲稿

47、第八十四页，共九十一页 两两个个完完全全一一样样的的正正余余弦弦输输出出绕绕组组如如果果接接的的负负载载一一样样，那那么么两两绕绕组组产产生生的的交交轴轴方方向向的的磁磁势势大大小小相相等等方方向向相相反反，刚刚好好抵抵消消，没没有有交交轴轴磁磁场场；而在直轴方向上磁势为两绕组直轴分量磁势之和。注注意意：上上面面所所阐阐述述的的二二次次侧侧补补偿偿是是有有条条件件的的，即即ZL=ZL，但但如如有有偏偏差差，交交轴轴方方向向的的磁磁势势不不能能完完全全抵抵消消，输输出出还还是是有有畸畸变变的的，为为此此可以采用一次侧补偿来消除交轴磁场。可以采用一次侧补偿来消除交轴磁场。本讲稿第八十五页，共九十一

48、页二、一次侧（定子）：二、一次侧（定子）：定定子子的的励励磁磁绕绕组组仍仍接接交交流流电电源源，而而D3D4作作为为补补偿偿绕绕组组通通过过阻阻抗抗Z或或直直接接短短接接，在在绕绕组组D3D4中中产产生生感感应应电电流流，从从而而产产生生交交轴轴方方向向磁通势，补偿转子绕组的交轴磁势。磁通势，补偿转子绕组的交轴磁势。为了减小误差，使用时常常把一次侧、二为了减小误差，使用时常常把一次侧、二次侧补偿同时使用！次侧补偿同时使用！本讲稿第八十六页，共九十一页四、四、线性旋转变压器：线性旋转变压器：线性旋转变压器输出电压与转子转角成正线性旋转变压器输出电压与转子转角成正比关系。事实上正余弦旋转变压器在转

49、子比关系。事实上正余弦旋转变压器在转子转角转角很小的时候近似有很小的时候近似有Sin=，此时，此时就可看作一台线旋转变压器。就可看作一台线旋转变压器。在转角不超在转角不超过过 4.5 时，线性度在时，线性度在 0.1%以内以内。若要扩。若要扩大转子转角范围，可将正余弦旋转变压器大转子转角范围，可将正余弦旋转变压器的线路进行改接，定子绕组的线路进行改接，定子绕组D1D2与转子绕与转子绕组组Z1Z2串联后接到交流电源串联后接到交流电源 本讲稿第八十七页，共九十一页本讲稿第八十八页，共九十一页 单单相相电电流流接接入入绕绕组组后后产产生生的的脉脉振振磁磁通通d是是一一个个直直轴轴脉脉振振磁磁通通，它

50、它与与励励磁磁绕绕组组、余余弦弦正弦绕组交链而分别产生感应电动势：正弦绕组交链而分别产生感应电动势：ED12=4.44fNDdEZ12=4.44fNZdcos EZ34=4.44fNZdsin 经过化减整理后：经过化减整理后：本讲稿第八十九页，共九十一页 用数学推导可证明，当用数学推导可证明，当K=0.52，=60 的的范围内，输出电压范围内，输出电压UZ和转角和转角 成线性关系，成线性关系，线性误差不超过线性误差不超过0.1%。本讲稿第九十页，共九十一页五、五、旋转变压器的应用：旋转变压器的应用：转变压器常在自动控制系统中作解算元件转变压器常在自动控制系统中作解算元件可进行矢量求解、坐标变换