伺服电机的工作原理.doc

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1、伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。什么是伺服电机？有几种类型？工作特点是什么？答：伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降.。请问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别？答：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制滚珠丝杆，转矩脉动

2、小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。 永磁交流伺服电动机 20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有： 无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。 定子绕组散热比

3、较方便。 惯量小，易于提高系统的快速性波纹管联轴器。 适应于高速大力矩工作状态。 同功率下有较小的体积和重量。伺服和步进电机伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的

4、数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号）弹性联轴器，但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。一、控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为3.6、 1.8，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生

5、产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、0.072、 0.036，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360/10000=0.036。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/=9.89秒。是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。二、低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动

6、器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳膜片联轴器，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。三、矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般

7、为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。四、过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。五、运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题

8、。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。六、速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。交流伺服电机

9、的结构及控制原理 与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。定子上有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间相差90电角度。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动gS控制的uVW三相电形成电磁场 转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较 调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度线数)。交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转

10、动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。 当电机原来处于静止状态时，如控制绕组不加控制电压，此时只有励磁绕组通电产生脉动磁场。可以把脉动磁场看成两个圆形旋转磁场。这两个圆形旋转磁场以同样的大小和转速，向相反方向旋转，所建立的正、反转旋转磁场分别切割笼型绕组（或杯形壁）并感应出大小相同，相位相反的电动势和电流（或涡流），这些电流分别与各自的磁场作用产生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩为零，伺服电机转子转不起来。一旦控制系统有偏差信号，控制绕组就要接受与之相对应的控制电压。在一般情况下，电机内部产生的磁场是椭圆形旋转磁场。一个椭圆形旋转磁场可以看成是由两个圆形旋转磁场合成起来的。这两个圆

11、形旋转磁场幅值不等（与原椭圆旋转磁场转向相同的正转磁场大，与原转向相反的反转磁场小），但以相同的速度，向相反的方向旋转。它们切割转子绕组感应的电势和电流以及产生的电磁力矩也方向相反、大小不等（正转者大，反转者小）合成力矩不为零，所以伺服电机就朝着正转磁场的方向转动起来，随着信号的增强，磁场接近圆形，此时正转磁场及其力矩增大，反转磁场及其力矩减小，合成力矩变大，如负载力矩不变，转子的速度就增加。如果改变控制电压的相位，即移相180o，旋转磁场的转向相反，因而产生的合成力矩方向也相反，伺服电机将反转。若控制信号消失，只有励磁绕组通入电流，伺服电机产生的磁场将是脉动磁场，转子很快地停下来。为使交流伺

12、服电机具有控制信号消失，立即停止转动的功能，把它的转子电阻做得特别大，使它的临界转差率Sk大于1。在电机运行过程中，如果控制信号降为“零”，励磁电流仍然存在，气隙中产生一个脉动磁场，此脉动磁场可视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成。一旦控制信号消失，气隙磁场转化为脉动磁场，它可视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成，电机即按合成特性曲线运行。由于转子的惯性，运行点由A点移到B点，此时电动机产生了一个与转子原来转动方向相反的制动力矩。在负载力矩和制动力矩的作用下使转子迅速停止。必须指出，普通的两相和三相异步电动机正常情况下都是在对称状态下工作，不对称运行属于故障状态。而交流伺服电机则可以靠不同程度

13、的不对称运行来达到控制目的。这是交流伺服电机在运行上与普通异步电动机的根本区别。 就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快;位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。那么如果控制器本身的运算速度很慢(比如PLC，或低端运动控制器)，就用位置方式控制。如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率(比如大部分中高端运动控制器);如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只是高端专用控制器才能这么干，而且，这时

14、完全不需要使用伺服电机。换一种说法是：1、转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm:如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，大于2.5Nm时电机反转(通常在有重力负载情况下产生)。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径

15、的变化而改变。2、位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。应用领域如数控机床、印刷机械等等。3、速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样

16、的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。第一章 直流测速发电机 直流测速发电机是一种微型直流发电机，其电磁原理与直流发电机相同。本章首先介绍直流发电机的工作原理、结构及特性，然后分析直流测速发电机的特性及应用。 第一节 直流发电机 一、直流发电机的工作原理 直流发电机的工作基于电磁感应定律，如图11所示为其原理示意图。直流发电机采用固定的磁极和旋转的电枢，有与电枢同步旋转的换向片(换向器)和与换向片相接触的空间位置固定的电刷A和B，换向器与电刷构成机械整流子，转子绕组任一线圈的两边分别接到互相绝缘的两片换向片上。由图中可见，线圈abcd通过换向片和电刷与外电路接通，从

17、而形成一个闭合回路。根据电磁感应定律，当电机转子(又称电枢)在原动机驱动下匀速旋转时，导体内将感应交流电动势为：由于气隙磁通密度沿圆周近似按梯形波分布，如图l2(a)所示，因此当线圈随电枢同步旋转时，电刷A、B两端将输出经过机械整流的脉动直流电动 图11 直流发电机原理示意图势，其电动势波形如图l2(b)所示，如果在两电刷间接一负载，则负载上的电流是脉动直流。为了减小电动势的脉动程度，实际电机中不只有一个线圈(元件)，而是山许多元件组成电枢绕组。这些元件均匀分布在电枢表面，按一定规律连接起来。 图l3所示是一个实际电机的模型，电枢铁芯表面有齿有槽，槽内安放多匝元件。放在槽巾的元件边称为有效边(

18、见图14)，连接有效边的导线称为端部接线(端接)。元件的两个有效边分别安放在电枢圆周两个相对的槽内，一个有效边放在槽钢的上层(槽口)，另一个有效边放在槽钢的下层(槽底)。元件的头、尾分别与相邻的两个换向片相连。电枢绕组白成闭合回路。为简化分析，模型表面均匀开出4个槽，换向器有4个换向片，1号元件的一个有效边放在1号槽的上层，另一个有效边放在3号槽的下层，其头、尾分别与1、2换向片相连，1号元件尾与2号元件头在换向片2上相连，4个元件形成闭合回路。电刷的放置应该使电刷间获得最大电动势。对于端部刘称的元件，电刷应放置在主磁极轴线上。随着电机的旋转，电刷经换向片轮流与元件l、2、3、4连接。电刷间所

19、连接的元件总是位于一定的磁极下，由图l3可见，从电刷B到电刷A，由元件1和元件3并联构成两条支路，如图l5所示。可以证明，在电枢旋转时，A、B之间仍然具有2条并联支路，这样，电刷间的电动势为一条支路的电动势。若电枢表面槽数越多，元件数越多，则电刷问串联的元件数越多，输出的电动势平均值将更大，脉动更小。二、直流电机的基本结构 各种型号的直流电机的基本结构都是一样的，这里简述小型直流电机的基本结构。 直流电机由定子和转子两大主要部分组成，定子、转子之间是空气隙。 定子作为电机的机械支撑并用来产生聿磁场，山机座、定子铁芯、励磁绕组、端盖和连接外部电路的电刷装置组成。 定子铁芯往往将主磁极和磁轭加上成

20、一体，由o35o5mm厚的电工钢板冲片叠压而成，川铆钉把冲片铆紧，固定在机座上，如图16所示。主磁极铁芯分成极靴和极身，极靴的作用是使气隙磁通密度的空间分布均匀并减小气隙磁阻，使励磁绕组牢固地套在主第二章 直流伺服电动机 直流伺服电动机是自动控制系统中具有特殊用途的直流电动机，又称执行电机，它能够把输入的电压信号变换成轴上的角位移和角速度等机械信号。直流伺服电动机的工作原理、基本结构及内部电磁关系与一般用途的直流电动机相同，考虑到直流伺服电动机广泛应用于工业自动化，所以本章先分析一般自流电动机的工作原理和使用方法，然后分析直流伺服电动机的特点和性能。 第一节 直流电动机 一、直流电动机的基本工

21、作原理 直流电动机的基本结构与直流发电机相同。电动机输入电压信号，输出转速信号。图2l所示是直流电动机模型示意图，在两电刷A和B间加上直流电源，则在电源电压的作用下电流从电源经电刷A、换向器流向电枢绕组abcd，经换向器、电刷B回到电源。电枢绕组作为载流体在磁场作用下受到电磁力f的作用，电磁力的大小为：f=Bial (21)式中 l导体在磁场中的长度； ia流过的电枢电流； B导体所在处的磁感应强度。电磁力f对转轴形成转矩，驱动转子旋转。由于每一个主磁极下电枢电流方向不变，所以电磁转矩方向恒定； 用同一个模型，既分析了直流发电机，又分析了直流电动机，说明直流电机是可逆的，根据不同的外界条件电机

22、处于不同的运行状态。当外力作用使其旋转，输入机械能，电机处于发电机状态，输出电能；当通过电刷施加电压，输入电能，电机处于电动机状态，驱动负载旋转，输出机械能。 在直流电动机铭牌上标明电动机的额定值，有额定功率户N(w)、额定电压UN(V)、额定电流IN(A)和额定转速nN(rmin)等。电动机的额定值表明了电动机的主要性能和使用条件，是选用和使用电动机的依据。 二、电磁转矩和转矩平衡方程 1电磁转矩 当电枢绕组中流过电流时，电枢电流将与气隙磁场相互作用而产生电磁转矩。假设电电磁力f对转轴形成转矩，驱动转子旋转。由于每一个主磁极下电枢电流方向不变，所以电磁转矩方向恒定； 用同一个模型，既分析了直

23、流发电机，又分析了直流电动机，说明直流电机是可逆的，根据不同的外界条件电机处于不同的运行状态。当外力作用使其旋转，输入机械能，电机处于发电机状态，输出电能；当通过电刷施加电压，输入电能，电机处于电动机状态，驱动负载旋转，输出机械能。 在直流电动机铭牌上标明电动机的额定值，有额定功率户N(w)、额定电压UN(V)、额定电流IN(A)和额定转速nN(rmin)等。电动机的额定值表明了电动机的主要性能和使用条件，是选用和使用电动机的依据。 二、电磁转矩和转矩平衡方程 1电磁转矩 当电枢绕组中流过电流时，电枢电流将与气隙磁场相互作用而产生电磁转矩。假设电枢是光滑的，导体均匀分布在电枢表面，电刷放在几何

24、中心线上。载流导体在磁场中将受到电磁力的作用。根据这一规律，不论是直流电动机还是直流发电机，当电枢绕组中流过电流时，都要产生相应的电磁力和电磁转矩。 由于B、l与i三者的方向互相垂直，根据电磁力定律，可直接利用fBial这个公式来计算。由式(25)可看出，对于一个已经制造好的电机，它的电磁转矩Tem。正比于每极磁通中和电枢电流Is。 2稳态转矩平衡方程 在直流电动机的稳态运行中，各种转矩之间存在一定的平衡关系，它们町表述为相应的平衡方程。 当电动机带着负载匀速旋转时，转轴上除了有驱动性质的电磁转矩丁。和制动性质的负载转矩丁2外，还有由于电机本身机械摩擦、电枢铁芯中的铁损耗而引起的阻转矩To空载

25、转矩，电机要利用电磁转矩克服负载转矩和空载转矩，保持电机稳定运行，此时满足： Tem=T2+T0=TL (26)式中 TL电动机轴上的阻转矩，包括负载转矩丁2和空载转矩T0。 忽略空载转矩T0时，TLT2。第三章 脉冲变压器 变压器是一种静止的电机，它利用电磁感应原理，把一种形式的电信号转换成另一种形式的电信号。在自动控制系统中，常用的变压器有小功率电源变压器和作为信号传递的脉冲变压器、输入变压器等。本章仅分析自动控制系统中的脉冲变压器。 第一节 变压器的工作原理 一、变压器的基本工作原理变压器工作原理的基础是电磁感应定律。两个互相绝缘的绕组套在同一个铁芯上，绕组之间只有磁的耦合而没有电的联系

26、，如图31所示。其中接到交流电源的绕组称为一次侧(或原边)绕组，如图3l绕组1所示；接到负载或输出电信号的绕组称为二次侧(或副边)绕组，如图31绕组2所示。 当一次绕组接交流电源时，绕组中有交流电流流过，在铁芯中产生与外加电压频率相同的交变磁通。交变磁通同时交链一、二次绕组，根据电磁感应定律，交变磁通在一、二次绕组中感应出相同频率的电动势e1、e2： 式(31)说明改变一、二次绕组的匝数比即可改变变压器的输出电压。若在二次侧接上负载，二次侧就有电流输出，实现了改变电压大小或把电信号传递给负载的目的，这就是变压器的基本原理。 二、变压器的结构和分类 在自动控制系统中的变压器，其结构主要由铁芯和绕

27、在铁芯上的绕组组成。绕组和铁芯是变压器的最基本部件，称为电磁部分。 铁芯是变压器中耦合磁通的主磁路，为了提高磁路的导磁性能，减少铁芯中的磁滞、涡流损耗，铁芯一般用o35o5mm厚、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。铁芯型式有心式和壳式。铁芯由铁芯柱和铁轭两部分构成，铁轭将铁芯柱连接起来形成闭合磁路。图32所示为环型变压器结构，图33所示为型铁芯变压器结构。 绕组是变压器的电路部分，常用包有绝缘材料的铜线绕制而成。为了使绕组具有良好的机械性能，其外形一般为圆筒形状。一次绕组只有一个，二次绕组有一个或多个。 三、变压器的空载运行 1空载时电磁关系 图34所示是变压器空载运行时的物理模型图，当一次绕组接上

28、电源后绕组中右电流i。流过，称为空载电流。i0流过一次绕组，建立交变磁动势f0i0Nl，在fo作用下产生交变磁通。根据所经过的路径不同，可把磁通分为主磁通和漏磁通10。主磁通沿铁芯闭合，同时交链一、二次绕组；漏磁通以非铁磁材料为磁路，只交链一次绕组。磁通中的绝大部分是主磁通，而漏磁通只占总磁通的一小部分(约o1一o2)。 交变的主磁通分别在一、二次绕组中感应电动势e1、e2，若主磁通按正弦规律变化，即：第四章 旋转变压器 旋转变压器是自动装置中的一类精密控制电机。从工作原理卜看，旋转变压器又是一种能旋转的变压器，其、二次侧绕组分别装在定、转子上。一、二次绕组的电磁感应耦合程度由转子的转角决定。

29、当旋转变压器的一次侧外施单相交流电压励磁时，二次侧的输出电压将与转子转角严格保持某种函数关系。在控制系统中，旋转变压器可作为解算元件，主要用于坐标变换、三角函数运算等；在随动系统中，可用于传输与转角相应的电信号；此外，还可用作移相器和角度一数字转换装置。 第一节 旋转变压器的结构特点和分类 旋转变压器的典型结构与一般绕线式异步电动机相似，由定子和转子两部分构成。 定子，转子铁芯采用高磁导率的铁镍软磁合金片或硅钢片经冲制、绝缘、叠装而成。定子、转子之间的气隙是均匀的，定子铁芯内圆和转子铁芯外圆都有齿槽，在槽内分别嵌入两个轴线在空间互相垂直的分布绕组。定子绕组用D1D2和D3D4表示，两个绕组完全

30、相同；转子绕组用Z1Z2和Z3Z4表示，两个绕组也完全相同。定子、转子绕组如图4l所示。转子绕组和滑环相接并经电刷引出。线性旋转变压器因其转子转角较小，因此转子绕组引出线通常做成弹性卷带状引到固定的接线板上。 旋转变压器的结构和外形虽然与普通变压器不同，但其基本工作原理完全一样，定子绕组相当于普通变压器的原边线圈，转子绕组相当于副边线圈，转子相对于定子可以旋转。随着转子的旋转，原边、副边绕组之间的磁耦合程度(互感)要发生变化，副边输出电压与转子的转角e成一定的函数关系。 转子转轴两端的轴承档和端盖的轴承室之间装有轴承，以达到转子能自由旋转的目的。转子绕组引出线和滑环相接，滑环应有4个，都固定在

31、转轴的一端。 电刷固定在后端盖上与滑环摩擦接触，转子绕组引出线经过滑环和电刷接在固定的接线柱上。对于线性旋转变压器，由于转子并非连续旋转，而是仅转过一定角度，因此一般是用软导线直接将转子绕组接到固定的接线柱上，省去滑环和电刷装置，简化了结构。 为了提高旋转变压器的精度，整个电机经过了精密的加工，电机绕组也进行了特殊设计，各部分材料经过严格选择和处理。旋转变压器的绕组通常采用正弦绕组，以提高精度；电刷和滑环采用金属合金，以提高接触可靠性及寿命；转轴采用不锈钢材料，机壳采用经阳极氧化处理的铝合金；电机各零部件之间的连接采用波纹垫圈及档圈；整个电机采取了全封闭结构，以适应冲击、振动、潮湿、污染等恶劣

32、环境。 按照输出电压和转子转角的函数关系来分，旋转变压器有四种基本形式： (1)正余弦旋转变压器(代号XZ)。旋转变压器的原边加单相交流电源励磁时，副边的两个输出电压分别与转角呈正弦或余弦函数关系。 (2)线性旋转变压器(代号XX)。旋转变压器在一定的工作转角范围内，输出电压与转子转角(弧度)呈线性函数关系。 (3)比例式旋转变压器(代号XL)。旋转变压器在结构上增加一个带有调整和固定转子位置的装置，其输出电压也与转子转角成正余弦关系，在自动控制系统中常作为调整电压的比例元件。 (4)特殊函数旋转变压器。旋转变压器在一定工作转角范围内，输出电压与转子转角呈一定的函数关系(正切函数、倒数函数、圆

33、函数、对数函数等)，工作原理和结构与正余弦旋转变压器基本相同。 按照电机极对数多少来分，旋转变压器可分为单极对和多极对两类，多极对数可以提高系统的精度。 按照有无电刷与滑环间的滑动接触来分，旋转变压器可分为接触式和无接触式两类。 本章以单极对、接触式旋转变压器为研究对象分析旋转变压器的工作原理及误差补偿等。 第二节 正余弦旋转变压器的工作原理 正余弦旋转变压器的二次侧输出电压与转子的转角。成正弦或余弦函数关系。 一、正弦绕组 在旋转变压器中常用的绕组有两种形式：即双层短距分布绕组和同心式正弦绕组。 双层短距分布绕组能够达到较高的绕组精度并有良好的工艺性，但在绕组中存在一定量的谐波磁动势分量，其

34、所引起的正余弦函数的误差达o01o07，再加上工艺因素引起的误差，使旋转变压器的精度受到一定的限制，故双层短距分布绕组只适合对精度要求不很高的旋转变压器。 同心式正弦绕组为高精度绕组，它使各次谐波削弱到相当小，正余弦函数的误差在o03以下。缺点为工艺性差，绕组系数低。 正弦绕组是指绕组各元件的导体数沿定子内圆或转子外圆按正弦规律分布的同心式绕组。通常有两种分布形式：第一类是绕组的轴线对准槽的中心线；第二类是绕组的轴线对准齿的中心线。旋转变压器大都采用这两类正弦绕组。 如图42所示，表示了正弦绕组中各元件在空间沿转子圆周外圆分布的情况及空间磁动势的分布情第五章 交流伺服电动机 本章主要介绍两相交

35、流伺服电动机的基本结构、工作原理和工作特性，着重分析脉动磁场和旋转磁场的基本概念及产生原理，详细分析交流伺服电动机的运行原理，阐述转差与电磁转矩的关系及产生自转的原因和消除自转的方法，论述交流伺服电动机的调速原理。 本章要求掌握单相交流绕组产生的脉动磁场的性质和两相交流绕组产生的旋转磁场的性质；交流伺服电动机在圆形和椭圆形旋转磁场下运行的机械特性和控制特性，了解电容移相及电容值的计算方法，熟悉交流伺服电动机的选择及使用方法和主要技术性能。 第一节 概 述 交流伺服电动机在小功率随动系统中应用非常广泛，输出功率一般为01l00W。 交流伺服电动机在控制系统中主要作为执行元件，又称执行电动机，自控

36、系统对其要求如下： (1)转速和转向应便于控制信号的控制，调速范围要大。 (2)运行范围内应具有线性特性，保匪运行的稳定性。 (3)无“自转”现象。 (4)控制功率要小，起动转矩应大。 (5)机电时间常数要小，始动电压要低，当控制信号变化时，反应要快速灵敏。 交流伺服电动机通常是指两相异步电动机，它在自动控制系统中，把输入的电压信号变换成转轴的角速度输出。输人的电压信号称为控制信号或控制电压，当控制电压的相位改变180时，交流伺服电动机的转子就会反转，当改变控制电压的大小时，伺服电动机的转速随着改变。 交流伺服电动机必须有宽广的调速范围，也就是指伺服电动机的转速随着控制电压的改变能在宽广的范围

37、内连续调节。线性的机械特性和调节特性有利于提高自动控制系统的动态精度。伺服电动机的机械特性是指控制电压一定时，转速随转矩的变化关系，调节特性是指电动机负载转矩一定时，转速随控制电压的变化关系。伺服电动机应无“自转”现象，即要求交流伺服电动机在控制电压降为零时能立即自行停转。伺服电动机应有快速响应，即电动机的机电时间常数要小，相应的伺服电动机要有较大的堵转转矩和较小的转动惯量，这样，电动机的转速才能随着控制电压的改变而迅速变化。第二节 交流伺服电动机的结构特点和工作原理 一、交流伺服电动机的基本结构 交流伺服电动机的结构主要由定子和转子两部分组成。定子包括铁芯和绕组，定子铁芯由硅钢片或坡莫合金叠

38、压而成，在铁芯槽内安放空间互差90电角度的两相定子绕组：励磁绕组1112和控制绕组klk2，如图5l所示，主要是用来建立旋转磁场。所以交流伺服电动机是两相的交流电动机。 根据转子结构的不同，交流伺服电动机町分为鼠笼转子交流伺服电动机和空心杯转子交流伺服电动机两种型式。鼠笼转子交流伺服电动机广泛应用于小功率自控系统中。 笼型转子交流伺服电动机的鼠笼条采用高电阻率的导电材料，以获得转差率在01范围内都能稳定运转的机械特性，但其低速运转时不够平滑，有抖动现象。为了降低转动惯量，鼠笼转子做得细而长，如图52所示。 非磁性杯型转子交流伺服电动机，外定子与笼型转子伺服电动机的定子完全一样，内定子由环形钢片

39、叠成，通常内定子不放绕组，只是代替转子的铁芯，作为磁路的一部分。在内、外定子之间有细长的空心转子装在转轴上，空心转子作成杯型，由非磁性材料铝或铜制成，杯壁极薄，一般在03mm，如图53所示。虽然杯型转子与笼型转子从外形看不同，但实际上杯型转子可以看做是笼条很多、条与条之间紧靠在一起的笼型转子，杯型的两端相当于短路环，如图54所示。 与笼型转子相比，非磁性杯型转子转动惯量很小，运行平滑，轴承摩擦阻转矩小，无抖动现象。由于转子无齿和槽，所以定子、转子之间没有齿槽效应，转矩不会随转子的位置而发生变化。但由于内、外定子间气隙较大，所以励磁电流就第六章 交流异步测速发电机 交流测速发电机分为同步和异步测

40、速发电机两种。 同步测速发电机的输出频率和电压幅值均随转速的变化而变化，因此一般只用作指示式转速计，很少用于控制系统的转速测量。 异步测速发电机的输出电压频率和励磁电压频率相同而与转速无关，其输出电压与转速成正比，即： Uk2 在自控系统中，交流测速发电机的主要用途有：在计算解答装置中作为解算元件；在伺服系统中作为阻尼元件，其典型用途与直流测速发电机相同。 第一节 交流异步测速发电机的结构特点和工作原理 交流异步测速发电机的结构与交流伺服电动机的结构完全相同，它的转子可以做成非磁性空心杯型，也可做成笼型的。笼型转子的异步测速发电机输出斜率大，但特性差、误差大、转子惯量大，主要用于精度要求不高的

41、系统中。非磁性杯型转子异步测速发电机精度高，转子的惯量较小，目前应用最广泛。下面以空心杯型异步测速发电机为例说明其结构特点和工作原理。 一、结构特点 空心杯型测速发电机的结构与空心杯型伺服电动机的结构基本相同，如图61所示，其转子也是一个薄壁非磁性杯，通常用电阻比较高的硅锰青铜或锡锌青铜制成。在杯子内还装有一个由硅钢片叠成的铁芯，与杯子外部铁芯相对固定，称为内定子，这是为了减少磁路的磁阻。转子电阻比空心杯型伺服电动机的转子电阻还要大。 异步测速发电机的定子有两相绕组，一相为励磁绕组，匝数为N1，另一相为输出绕组，匝数为N2，两相绕组在空间位置上严格相差90电角度。在机座号较小的电机中，一般把两

42、相绕组都放在内定子上；对机座号较大的电机，常把励磁绕组放在外定子上，输出绕组放在内定子上。 二、工作原理 异步测速发电机是将转速信号转变为电压信号，实现测速目的的。测速发电机的励磁绕组接恒频恒压的交流电源，励磁电压为u1，励磁电流I1产生同频率的脉动磁动势几和脉动磁通d，在励磁绕组的轴线方向脉动，称为直轴磁动势和直轴磁通。d在励磁绕组中感应电势直E1。忽略励磁绕组的电阻兄和漏抗Rl，有： Ul=E444flNld (61)可知，dUl，所当电源电压一定时，磁通d也基本保持不变。 1当电机不转时(no) 励磁电流产生的脉动磁通6d在转子杯导体中感应出变压器电动势和电流，如图62所示。 由于输出绕

43、组与励磁绕组在空间相差90电角度，由d不能在输出绕组中感应电动势，因此输出绕组的输出电压U2o，即转速no时，输出绕组没有电压输出。 2电机旋转时(no) 当转子被拖动，以转速n转动时，仍然忽略励磁绕组的电阻R1和漏抗X1，脉动磁通d不变，转子绕组切割脉动磁通巾d，感应切割电动势Er,大小为： 电流j，建立的磁动势FrFrq为交轴磁动势，产生频率为fl的交轴脉动磁通qo，尽管d是交变的，方向有正有负，其感应的Er和Ir也是交变的，但是由Ir建立的磁动势第七章 自 整 角 机 在转角随动系统中，自整角机是一种能对角位移或角速度的偏差自动整步的感应式控制电机，属于测位用微特电机。 第一节 自整角机

44、的基本结构 自整角机的结构与一般电机相似，主要由定子和转子两大部分组成。定子和转子之间有很小的气隙。转子结构有隐极(ZKB或ZKC采用)和凸极(ZLF、ZIJ及ZKF采用)两种，定子铁芯内布置三相对称绕组，分别为D1一D4、D2D5和D3一D6，如图71所示；转子铁芯上布置单相绕组乙一Z：(差动式自整角机为三相绕组)。自整角机按功能分为力矩式和控制式两种。如果按结构、原理的特点，又可将自整角机分为控制式、力矩式、霍尔式、多极式、固态式、无刷式、四线式等七种，前两种最常用。 自整角机在自控系统中一般成对或多台组合使用，不能单机使用，机械上互不相连的两根或多根机械轴保持相同的角变化或同步的旋转变化

45、。当成对使用的自整角机按力矩式运行时，产生控制信号的主自整角机称为发送机(ZlF)；接受控制信号、执行控制命令与发送自整角机保持同步的自整角机称为接收机(ZLJ)。当成双使用的自整角机按控制方式运行时，其中一个是控制式发送机(ZKF)，另一个是控制式变压器(ZKB)。 力矩式自整角机输出的转矩较大，可直接驱动接收机轴上的负载，主要用于指示系统或角传递系统。力矩式自整角机的功用是实现转角随动的目的，即把机械角度转换为力矩输出，无力矩放大作用，接收误差稍大，负载能力较差，其静态误差范围在o52。因此，力矩式自整角机只适用于轻负载转矩及精度要求不太高的开环控制的伺服系统中。 控制式自按角机的作用是作

46、为角度和位置的检测元件，将机械角度转换为电信号或将角度的数字量转换为电压模拟量。具体说是接收机不带负载，只输出一个与发送机、接收机转子之间的角位移有关的电压信号。控制式自整角机实际上是角位置失调检测电机，精度较高，误差范围在3一14。因此，控制式自整角机多用于精密的闭环控制的伺服系统中。第二节 控制式自整角机的工作原理 下面以控制式自整角机即控制式发送机(ZKF)和控制式变压器(ZKB)成对运行为例。 图72所示是控制式白整角机的原理电路图，左边为自整角机发送机(ZKF)，右边为自整角机变压器(ZKB)。ZKF的定子绕组引线端D1、D2、D3和ZKB的定子绕组引线端D1、D2、D3对应连接，称为同步绕组或整步绕组。ZKF的转子绕组乙l称为励磁绕组，接交流电压Uf产生励磁磁通。ZKB的转子绕组Z1z2称为输出绕组，输出感应电动势凰。设转子位置如图72所示，ZKF的转子单相绕组轴线相对定子11相绕组轴线的夹角为01，ZKB的输出绕组轴线相对ZKB的定子D1相绕组轴线的夹角为a2，井假设a2a1,a=a2-a1。第八章 微型同步电动机 微型同步电动机的主要特点是其转速不随负载或电源电压的变化而改变。本章主要分析微型同步电动机的结构特点及工作原理。 第一节 概 述 在自动控制系统中，往往需要恒转速传动装置，要求电动机具有恒定不变的转速，即要求电动机的转速