1、机电控制技术机电控制技术2022年7月28日星期四机电控制技术目目 录录4.1 控制电机的种类和特点控制电机的种类和特点4.2 步进电动机步进电动机 4.3 自整角机自整角机4.4 伺服电动机伺服电动机4.5 旋转变压器旋转变压器2022年7月28日星期四机电控制技术 控制电机是在普通旋转电机基础上改进的具有特殊功能的小型旋转控制电机是在普通旋转电机基础上改进的具有特殊功能的小型旋转电机。控制电机在控制系统中作为执行元件、检测元件和运算元件。电机。控制电机在控制系统中作为执行元件、检测元件和运算元件。从工作原理上看，控制电机和普通电机没有本质上的差异；从功能从工作原理上看，控制电机和普通电机没
2、有本质上的差异；从功能上看，普通电机功率大，侧重于电机的启动、运行和制动等方面的性能上看，普通电机功率大，侧重于电机的启动、运行和制动等方面的性能指标，而控制电机输出功率较小，侧重于电机控制精度和响应速度。指标，而控制电机输出功率较小，侧重于电机控制精度和响应速度。由于各种控制电机的原理都是建立在基本的电磁规律基础上，因而由于各种控制电机的原理都是建立在基本的电磁规律基础上，因而它们之间不是孤立的，而是既有共性，又有个性。在以后学习中就会发它们之间不是孤立的，而是既有共性，又有个性。在以后学习中就会发现一种电机与另一种电机之间在电磁关系和基本特性上有很多相同之处，现一种电机与另一种电机之间在电
3、磁关系和基本特性上有很多相同之处，但它们各自又具有不同的特点。但它们各自又具有不同的特点。2022年7月28日星期四机电控制技术4.1.1 控制电机的种类控制电机的种类 控制电机的种类很多，除了自整角机、直流伺服电动机和直流测速控制电机的种类很多，除了自整角机、直流伺服电动机和直流测速发电机外，还包含交流伺服电动机、交流测速发电机、旋转变压器和步发电机外，还包含交流伺服电动机、交流测速发电机、旋转变压器和步进电动机等。根据它们在自动控制系统中的作用，可以将它们分成执行进电动机等。根据它们在自动控制系统中的作用，可以将它们分成执行元件和测量元件。元件和测量元件。4.1 控制电机的种类和特点控制电
4、机的种类和特点1.执行元件执行元件 执行元件主要包括直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机执行元件主要包括直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机等。这些电动机的任务是将电信号转换成轴上的角位移或角速度以及线等。这些电动机的任务是将电信号转换成轴上的角位移或角速度以及线位移或线速度，并带动控制对象运动。位移或线速度，并带动控制对象运动。理想的直流伺服电动机和交流伺服电动机的电信号（控制电压、脉理想的直流伺服电动机和交流伺服电动机的电信号（控制电压、脉冲电压等）与转速的关系如图冲电压等）与转速的关系如图4-1所示。控制电压和转速的关系是正比所示。控制电压和转速的关系是正比关系，而转速的方向
5、是由控制电压的极性来决定的。关系，而转速的方向是由控制电压的极性来决定的。2022年7月28日星期四机电控制技术2.测量元件测量元件 测量元件包括自整角机，交、直流测速发电机和旋转变压器等。它测量元件包括自整角机，交、直流测速发电机和旋转变压器等。它们能够用来测量机械转角、转角差和转速，一般在自动控制系统中作为们能够用来测量机械转角、转角差和转速，一般在自动控制系统中作为敏感元件和校正元件。敏感元件和校正元件。自整角机可以把发送机和接收机之间的转角差转换成与转角差成正自整角机可以把发送机和接收机之间的转角差转换成与转角差成正弦关系的电信号；交、直流测速发电机可以把转速转换成电信号，它的弦关系的
6、电信号；交、直流测速发电机可以把转速转换成电信号，它的输出电压与转速成正比；旋转变压器的输出电压与转子相对于定子的转输出电压与转速成正比；旋转变压器的输出电压与转子相对于定子的转角呈正余弦或线性关系。角呈正余弦或线性关系。2022年7月28日星期四机电控制技术4.1.2 控制电机的特点控制电机的特点 日常生活和工作中遇到的电机一般是作为动力来使用的，它们的主日常生活和工作中遇到的电机一般是作为动力来使用的，它们的主要任务是能量转换，发电机是把机械能转换成电能，电动机是把电能转要任务是能量转换，发电机是把机械能转换成电能，电动机是把电能转换成机械能。而控制电机在自动控制系统中，只起一个元件的作用
7、，其换成机械能。而控制电机在自动控制系统中，只起一个元件的作用，其主要任务是完成控制信号的传递和转换，而完成能量转换则是次要的。主要任务是完成控制信号的传递和转换，而完成能量转换则是次要的。它们使用的场合及所要完成的任务，要求它们具有运行可靠、动作迅速它们使用的场合及所要完成的任务，要求它们具有运行可靠、动作迅速和准确度高的特点。和准确度高的特点。控制电机的种类很多，但是这些电机的基本原理都是建立在以下两个基控制电机的种类很多，但是这些电机的基本原理都是建立在以下两个基本规律的基础上：本规律的基础上：（1）电磁转化规律是指在一定条件下电和磁可以相互转化。）电磁转化规律是指在一定条件下电和磁可以
8、相互转化。（2）通电导体在磁场中要受到力的作用。）通电导体在磁场中要受到力的作用。2022年7月28日星期四机电控制技术步进电动机一般是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环执行元件。步进电动机一般是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环执行元件。在非超载的情况下，对步进电动机施加一个电脉冲信号后，其转轴就转在非超载的情况下，对步进电动机施加一个电脉冲信号后，其转轴就转过一定的角度，这称为一步。随着脉冲数增加，角位移或线位移也随之过一定的角度，这称为一步。随着脉冲数增加，角位移或线位移也随之增加，脉冲频率高则步进电动机的旋转速度就高，反之则低。这一线性增加，脉冲频率高则步进电动机的旋转速度就高
9、，反之则低。这一线性关系的存在，加上步进电动机只有周期性的误差而无累积误差等特点。关系的存在，加上步进电动机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得它在速度和位置等控制领域的应用非常广泛。使得它在速度和位置等控制领域的应用非常广泛。4.2 步进电动机步进电动机4.2.1 步进电动机的基本结构步进电动机的基本结构 步进电动机的结构由定子和转子两大部分组成，如图步进电动机的结构由定子和转子两大部分组成，如图4-2所示。定所示。定子由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组，工作时由环形分配器送来子由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组，工作时由环形分配器送来的电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁。转子由硅钢片
10、叠成或由软磁性的电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁。转子由硅钢片叠成或由软磁性材料制作成凸极结构。材料制作成凸极结构。2022年7月28日星期四机电控制技术图4-2 步进电动机的外形及结构2022年7月28日星期四机电控制技术4.2.2 步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理 步进电动机的结构形式很多，但其工作原理都大同小异，下面以步进电动机的结构形式很多，但其工作原理都大同小异，下面以三相反应式步进电动机为例说明其工作原理。如图三相反应式步进电动机为例说明其工作原理。如图4-3所示为一台三相所示为一台三相反应式步进电动机的结构简图。步进电动机转子的圆周上均匀的分布着反应式步进电动机的结构简图
11、。步进电动机转子的圆周上均匀的分布着4个凸齿，定子有个凸齿，定子有6个磁极，每个相对的磁极上绕有一相控制绕组，共个磁极，每个相对的磁极上绕有一相控制绕组，共有三个励磁绕阻（有三个励磁绕阻（U1和和U2、V1和和V2、W1和和W2）。）。图4-3 三相反应式步进电动机的结构简图2022年7月28日星期四机电控制技术4.2.3 步进电动机的分类步进电动机的分类 步进电动机按转矩产生的原理分可分为反应式步进电动机、永磁式步进电动机按转矩产生的原理分可分为反应式步进电动机、永磁式步进电动机和混合式步进电动机；按控制绕组的数量分可分为二相步进步进电动机和混合式步进电动机；按控制绕组的数量分可分为二相步进
12、电动机、三相步进电动机、四相步进电动机、五相步进电动机和六相步电动机、三相步进电动机、四相步进电动机、五相步进电动机和六相步进电动机；按电流的极性可分为单极性步进电动机和双极性步进电动机；进电动机；按电流的极性可分为单极性步进电动机和双极性步进电动机；按运动的形式分可分为旋转步进电动机、直线步进电动机和平面步进电按运动的形式分可分为旋转步进电动机、直线步进电动机和平面步进电动机。动机。1.反应式步进电动机反应式步进电动机 反应式步进电动机又称为变磁阻式步进电动机，它根据相数、磁路反应式步进电动机又称为变磁阻式步进电动机，它根据相数、磁路结构的不同可形成很多种类，但其工作原理是一样的。如图结构的
13、不同可形成很多种类，但其工作原理是一样的。如图4-4所示为所示为反应式步进电动机的外形。反应式步进电动机的外形。2022年7月28日星期四机电控制技术2.永磁式步进电动机永磁式步进电动机 永磁式步进电动机的磁极必须做得比较宽，这样步矩角才能比较大，永磁式步进电动机的磁极必须做得比较宽，这样步矩角才能比较大，同时由于它工作时所需要的激磁电流比较小，因而断电后永磁材料能产同时由于它工作时所需要的激磁电流比较小，因而断电后永磁材料能产生一定程度的定位转矩。由于结构的原因，永磁式步进电动机只适用于生一定程度的定位转矩。由于结构的原因，永磁式步进电动机只适用于大步距的应用场合，其特点是电感小，可用较低电
14、压驱动，但步距角大，大步距的应用场合，其特点是电感小，可用较低电压驱动，但步距角大，静刚度小。静刚度小。3.混合式步进电动机混合式步进电动机 混合式步进电动机的转子上嵌有永久磁钢可以看成永磁式步进混合式步进电动机的转子上嵌有永久磁钢可以看成永磁式步进电动机，但是从定子和转子的导磁体上来看，它又和反应式步进电动机电动机，但是从定子和转子的导磁体上来看，它又和反应式步进电动机相似，因此，混合式步进电动机是永磁式步进电动机和反应式步进电动相似，因此，混合式步进电动机是永磁式步进电动机和反应式步进电动机相结合的一种形式，故称为混合式步进电动机。该步进电动机的特点机相结合的一种形式，故称为混合式步进电动
15、机。该步进电动机的特点是输出转矩大、动态性能好、步距角小、驱动电源电流小、功率低，但是输出转矩大、动态性能好、步距角小、驱动电源电流小、功率低，但结构稍复杂，成本相对较高。由于混合式步进电动机的性价比较高，因结构稍复杂，成本相对较高。由于混合式步进电动机的性价比较高，因而目前得到了广泛的应用。而目前得到了广泛的应用。2022年7月28日星期四机电控制技术4.2.4 步进电动机的驱动电源步进电动机的驱动电源 步进电动机需配置一个专用的电源供电，电源的作用是让步进电步进电动机需配置一个专用的电源供电，电源的作用是让步进电动机的控制绕组按照特定的顺序通电，即受输入的电脉冲控制而动作，动机的控制绕组按
16、照特定的顺序通电，即受输入的电脉冲控制而动作，这个专用电源称为驱动电源。步进电动机及其驱动电源是一个互相联系这个专用电源称为驱动电源。步进电动机及其驱动电源是一个互相联系的整体，步进电动机的运行性能是由电动机和驱动电源两者配合所形成的整体，步进电动机的运行性能是由电动机和驱动电源两者配合所形成的综合效果。的综合效果。步进电动机对驱动电源的基本要求包含以下几点：步进电动机对驱动电源的基本要求包含以下几点：（1）驱动电源的相数、通电方式、电压和电流都要满足步进电动）驱动电源的相数、通电方式、电压和电流都要满足步进电动机的需要。机的需要。（2）驱动电源要满足步进电动机的启动频率和运行频率的要求。）驱
17、动电源要满足步进电动机的启动频率和运行频率的要求。（3）驱动电源能最大限度地抑制步进电动机的振荡。）驱动电源能最大限度地抑制步进电动机的振荡。（4）驱动电源应具有工作可靠、抗干扰能力强的特点。）驱动电源应具有工作可靠、抗干扰能力强的特点。（5）选用驱动电源要保证成本低、效率高、安装和维护方便。）选用驱动电源要保证成本低、效率高、安装和维护方便。步进电动机的驱动电源基本上由脉冲发生器、环形分配器和功率放大步进电动机的驱动电源基本上由脉冲发生器、环形分配器和功率放大器（也称脉冲放大器）三部分组成。器（也称脉冲放大器）三部分组成。2022年7月28日星期四机电控制技术1.脉冲发生器脉冲发生器 脉冲发
18、生器是指一个脉冲频率由几赫兹到几十千赫兹可连续变化脉冲发生器是指一个脉冲频率由几赫兹到几十千赫兹可连续变化的脉冲信号发生器。如图的脉冲信号发生器。如图4-5所示为脉冲发生器的外形。脉冲发生器都所示为脉冲发生器的外形。脉冲发生器都是通过调节电阻和电容的大小来改变电容器充放电的时间常数，以达到是通过调节电阻和电容的大小来改变电容器充放电的时间常数，以达到改变脉冲信号频率的目的。改变脉冲信号频率的目的。2022年7月28日星期四机电控制技术2.环形分配器环形分配器 环形分配器是根据指令把电脉冲信号按一定的逻辑关系加到放大环形分配器是根据指令把电脉冲信号按一定的逻辑关系加到放大器上，使各相绕组按一定的
19、顺序和时间导通和关断，并根据指令使电动器上，使各相绕组按一定的顺序和时间导通和关断，并根据指令使电动机正转或反转，实现确定的运行方式。环形分配器有硬件和软件两种方机正转或反转，实现确定的运行方式。环形分配器有硬件和软件两种方式。式。2022年7月28日星期四机电控制技术4.2.5 步进电动机的主要性能指标和使用的基本原则步进电动机的主要性能指标和使用的基本原则 1.步进电动机的主要性能指标步进电动机的主要性能指标1）步距角）步距角步距角是指每给一个电脉冲信号，电动机转子所应转过角度的理论值。步距角是指每给一个电脉冲信号，电动机转子所应转过角度的理论值。2）精度）精度步进电动机精度有两种表示方法
20、：一种是用步距角误差的最大值来表示；另步进电动机精度有两种表示方法：一种是用步距角误差的最大值来表示；另一种是用步距累积误差的最大值来表示。一种是用步距累积误差的最大值来表示。3）转矩）转矩转矩包括保持转矩、静转矩和动转矩。转矩包括保持转矩、静转矩和动转矩。（1）保持转矩。保持转矩）保持转矩。保持转矩(或定位转矩或定位转矩)是指步进电动机绕组不通电时电是指步进电动机绕组不通电时电磁转矩的最大值或转角不超过一定值时的转距值。磁转矩的最大值或转角不超过一定值时的转距值。（2）静转矩。静转矩是指步进电动机不改变控制绕组通电状态，即转子）静转矩。静转矩是指步进电动机不改变控制绕组通电状态，即转子不转情
21、况下的电磁转矩。不转情况下的电磁转矩。（3）动转矩。动转矩是指步进电动机转子转动情况下的最大输出转矩值，）动转矩。动转矩是指步进电动机转子转动情况下的最大输出转矩值，它与运行的频率有关。它与运行的频率有关。2022年7月28日星期四机电控制技术 （1）为使步进电动机正常运行）为使步进电动机正常运行(不失步、不越步不失步、不越步)、正常启动并满足对、正常启动并满足对转速要求，必须保证步进电动机的输出转矩大于负载所需的转矩。转速要求，必须保证步进电动机的输出转矩大于负载所需的转矩。（2）应使步进电动机的步矩角与机械负载相匹配，以得到步进电动）应使步进电动机的步矩角与机械负载相匹配，以得到步进电动机
22、所需的脉冲当量。机所需的脉冲当量。（3）驱动电源的优劣对步进电动机控制系统的运行影响极大，使用）驱动电源的优劣对步进电动机控制系统的运行影响极大，使用时要特别注意，需要根据运动要求，尽量采用先进的驱动电源，以满足时要特别注意，需要根据运动要求，尽量采用先进的驱动电源，以满足步进电动机的运行性能。步进电动机的运行性能。（4）若所带负载转动惯量较大，则应在低频下启动。在工作过程中）若所带负载转动惯量较大，则应在低频下启动。在工作过程中应尽量避免由于负载突变而引起的误差。应尽量避免由于负载突变而引起的误差。（5）若在工作中发生丢步现象，首先应检查负载是否过大，电源电）若在工作中发生丢步现象，首先应检
23、查负载是否过大，电源电压是否正常，电源输出波形是否正确。压是否正常，电源输出波形是否正确。2.步进电动机使用的基本原则步进电动机使用的基本原则2022年7月28日星期四机电控制技术4.2.6 步进电动机的控制系统步进电动机的控制系统 步进电动机是由电脉冲控制而动作的，通过环形分配器按一定的顺步进电动机是由电脉冲控制而动作的，通过环形分配器按一定的顺序加到步进电动机的各相绕组上。步进电动机控制系统框图，如图序加到步进电动机的各相绕组上。步进电动机控制系统框图，如图4-7所示。所示。2022年7月28日星期四机电控制技术1.步进电动机的开环控制步进电动机的开环控制 使用计算机对步进电动机进行控制有
24、串行控制和并行控制两种控制使用计算机对步进电动机进行控制有串行控制和并行控制两种控制方式。方式。1）串行控制）串行控制 具有串行控制功能的单片机系统与步进电动机驱动电源之间具有较具有串行控制功能的单片机系统与步进电动机驱动电源之间具有较少的连线。在这种系统中驱动电源必须含有环行分配器。这种控制方式少的连线。在这种系统中驱动电源必须含有环行分配器。这种控制方式的功能框图如图的功能框图如图4-8所示。所示。2022年7月28日星期四机电控制技术2）并行控制）并行控制 用计算机的数条端口线直接去控制步进电动机各相驱动电路的方用计算机的数条端口线直接去控制步进电动机各相驱动电路的方法称为并行控制。在步
25、进电动机的电源内，不包括环形分配器，其功能法称为并行控制。在步进电动机的电源内，不包括环形分配器，其功能必须由计算机系统完成。必须由计算机系统完成。（1）软件法。软件法是指全用编程来实现相序的分配，直接输出各）软件法。软件法是指全用编程来实现相序的分配，直接输出各相导通或截止的控制信号。其主要有寄存器移位法和查表法。相导通或截止的控制信号。其主要有寄存器移位法和查表法。（2）软件、硬件结合的方法。并行控制的功能框图如图）软件、硬件结合的方法。并行控制的功能框图如图4-9所示。所示。2022年7月28日星期四机电控制技术 3）步进电动机速度控制）步进电动机速度控制 控制步进电动机的运行速度，实际
26、上就是控制系统发出的脉冲频率控制步进电动机的运行速度，实际上就是控制系统发出的脉冲频率或者换相的周期。系统可用两种方法来确定脉冲的周期：一种是用软件或者换相的周期。系统可用两种方法来确定脉冲的周期：一种是用软件延时，另一种是用定时器。延时，另一种是用定时器。4）步进电动机的加减速控制）步进电动机的加减速控制 对于步进电动机的点位控制系统，从起点至终点的运行速度都对于步进电动机的点位控制系统，从起点至终点的运行速度都有一定要求。在点位控制过程中，运行速度都需要有一个有一定要求。在点位控制过程中，运行速度都需要有一个“加速恒加速恒速减速低恒速停止速减速低恒速停止”的加减速过程，如图的加减速过程，如
27、图4-10所示。所示。2022年7月28日星期四机电控制技术2.步进电动机的闭环控制步进电动机的闭环控制 步进电动机的闭环控制是直接或间接地检测转子的位置和速度，步进电动机的闭环控制是直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理自动给出驱动的脉冲串。采用闭环控制不仅然后通过反馈和适当的处理自动给出驱动的脉冲串。采用闭环控制不仅可以获得更加精确的位置控制和更高、更平衡的转速，还可以在步进电可以获得更加精确的位置控制和更高、更平衡的转速，还可以在步进电动机的许多其他领域中获得更大的通用性。动机的许多其他领域中获得更大的通用性。根据不同的使用要求，步进电动机的闭环控制也有不同的方案。根
28、据不同的使用要求，步进电动机的闭环控制也有不同的方案。采用光电脉冲编码器作为位置检测元件的步进电动机的闭环控制功能框采用光电脉冲编码器作为位置检测元件的步进电动机的闭环控制功能框图如图图如图4-11所示。其分辨率必须与步进电动机的步矩角相匹配。所示。其分辨率必须与步进电动机的步矩角相匹配。2022年7月28日星期四机电控制技术 自整角机是一种对角位移或角速度的偏差能自动整步的控制电机，自整角机是一种对角位移或角速度的偏差能自动整步的控制电机，在自动控制系统中自整角机总是两个以上组合使用。这种组合方式能将在自动控制系统中自整角机总是两个以上组合使用。这种组合方式能将转轴上的转角变换为电信号，或者
29、再将电信号变换为转轴上的转角，使转轴上的转角变换为电信号，或者再将电信号变换为转轴上的转角，使机械上互不相连的两根或几根转轴同步偏转或旋转，以实现角度的传输、机械上互不相连的两根或几根转轴同步偏转或旋转，以实现角度的传输、变换和接收。变换和接收。4.3 自整角机自整角机 在伺服系统中，产生信号所用的自整角机称为发送机，接收信号所在伺服系统中，产生信号所用的自整角机称为发送机，接收信号所用的自整角机称为接收机。自整角机广泛应用于冶金、航海等位置和方用的自整角机称为接收机。自整角机广泛应用于冶金、航海等位置和方位同步指示系统，以及火炮、雷达等伺服系统中。位同步指示系统，以及火炮、雷达等伺服系统中。
30、自整角机按工作原理分可分为力矩式自整角机和控制式自整角机。自整角机按工作原理分可分为力矩式自整角机和控制式自整角机。力矩式自整角机主要用在指示系统中，以实现角度的传输。控制式自整力矩式自整角机主要用在指示系统中，以实现角度的传输。控制式自整角机主要用在传输系统中，做检测元件用，其任务是将角度信号变换为角机主要用在传输系统中，做检测元件用，其任务是将角度信号变换为电压信号。电压信号。2022年7月28日星期四机电控制技术4.3.1 力矩式自整角机的工作原理力矩式自整角机的工作原理 力矩式自整角机的接线图如图力矩式自整角机的接线图如图4-12所示。图中左边的是发送机，右所示。图中左边的是发送机，右
31、边的是接收机，它们的转子励磁绕组边的是接收机，它们的转子励磁绕组Z1Z2和和Z1Z2接到同一单相电源接到同一单相电源上，同步绕组的出线端按顺序依次连接，当发送机和接收机的励磁绕组上，同步绕组的出线端按顺序依次连接，当发送机和接收机的励磁绕组相对于本身同步绕组的偏转角分别为相对于本身同步绕组的偏转角分别为1和和2时，两者的相对偏转角为时，两者的相对偏转角为=12，这个相对偏转角，这个相对偏转角称为失调角。称为失调角。2022年7月28日星期四机电控制技术4.3.2 控制式自整角机的工作原理控制式自整角机的工作原理 若把发送机和接收机的转子绕组若把发送机和接收机的转子绕组(励磁绕组励磁绕组)互相垂
32、直的位置作为谐互相垂直的位置作为谐调位置，并将接收机的转子绕组调位置，并将接收机的转子绕组Z1Z2从电源断开，如图从电源断开，如图4-13所示，具所示，具有这样的接线方式的自整角机称为控制式自整角机。当发送机的转子由有这样的接线方式的自整角机称为控制式自整角机。当发送机的转子由主令轴转过主令轴转过角，即出现失调角时，接收机的转子绕组即输出一个与失角，即出现失调角时，接收机的转子绕组即输出一个与失调角调角具有一定函数关系的电压信号，这样就实现了转角信号的变换。具有一定函数关系的电压信号，这样就实现了转角信号的变换。此时，接收机是变压器状态，故在控制式自整角机系统中的接收机也称此时，接收机是变压器
33、状态，故在控制式自整角机系统中的接收机也称为自整角变压器。为自整角变压器。2022年7月28日星期四机电控制技术 伺服电动机又称为执行电动机。伺服电动机是自动控制系统和计伺服电动机又称为执行电动机。伺服电动机是自动控制系统和计算机外围设备中常用的执行元件，它的作用是将输入的电压信号算机外围设备中常用的执行元件，它的作用是将输入的电压信号(即控即控制电压制电压)转换成轴上的角位移和角速度输出，以驱动控制对象。其最大转换成轴上的角位移和角速度输出，以驱动控制对象。其最大的特点是有控制电压时转子立即旋转，无控制电压时转子立即停转。伺的特点是有控制电压时转子立即旋转，无控制电压时转子立即停转。伺服电动
34、机转轴的转向和转速是由控制电压的方向和大小决定的。其容量服电动机转轴的转向和转速是由控制电压的方向和大小决定的。其容量一般在一般在0.1100 W，常用的是，常用的是30 W以下。伺服电动机可分为交流伺服以下。伺服电动机可分为交流伺服电动机和直流伺服电动机。电动机和直流伺服电动机。4.4 伺服电动机伺服电动机4.4.1 交流伺服电动机交流伺服电动机 1.交流伺服电动机的基本结构交流伺服电动机的基本结构 交流伺服电动机就是一台两相交流异步电动机，但其转子的电阻比交流伺服电动机就是一台两相交流异步电动机，但其转子的电阻比一般交流异步电动机大得多。为了使交流伺服电动机对输入信号能有快一般交流异步电动
35、机大得多。为了使交流伺服电动机对输入信号能有快速地反应，必须尽量减小转子的转动惯量，所以转子一般做得细而长。速地反应，必须尽量减小转子的转动惯量，所以转子一般做得细而长。2022年7月28日星期四机电控制技术近年来，为了进一步提高交流伺服电动机的快速反应性，采用了如图近年来，为了进一步提高交流伺服电动机的快速反应性，采用了如图4-14所示所示2022年7月28日星期四机电控制技术2.交流伺服电动机的工作原理交流伺服电动机的工作原理 当没有控制信号电压时，气隙中只有励磁绕组产生的脉动磁场，当没有控制信号电压时，气隙中只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子上由于没有启动转矩而静止不动；当有控制信号电压且
36、控制绕组电转子上由于没有启动转矩而静止不动；当有控制信号电压且控制绕组电流和励磁绕组电流相位不同时，则在气隙中产生一个旋转磁场并产生电流和励磁绕组电流相位不同时，则在气隙中产生一个旋转磁场并产生电磁转矩，使转子沿旋转磁场的方向旋转。磁转矩，使转子沿旋转磁场的方向旋转。交流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自转。为交流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自转。为了消除交流伺服电动机的自转现象，必须加大转子的电阻，这是因为当了消除交流伺服电动机的自转现象，必须加大转子的电阻，这是因为当控制信号电压消失后，伺服电动机仍处于单相运行状态，若转子电阻很控制信号电压消失后，伺
37、服电动机仍处于单相运行状态，若转子电阻很大，临界转差率则会大于大，临界转差率则会大于1，这时正负旋转磁场与转子作用所产生的转，这时正负旋转磁场与转子作用所产生的转矩是一个制动转矩，这就保证了当控制信号电压消失后转子仍转动时，矩是一个制动转矩，这就保证了当控制信号电压消失后转子仍转动时，电动机将被迅速制动而停下。转子电阻加大后，不仅可以消除自传，还电动机将被迅速制动而停下。转子电阻加大后，不仅可以消除自传，还具有扩大调速范围，改善调节特性，提高反应速度等优点。具有扩大调速范围，改善调节特性，提高反应速度等优点。2022年7月28日星期四机电控制技术（1）幅值控制。）幅值控制。保持控制电压与励磁电
38、压间的相位不变，仅改变控制电压的幅值。保持控制电压与励磁电压间的相位不变，仅改变控制电压的幅值。（2）相位控制。）相位控制。保持控制电压与励磁电压的幅值不变，仅改变控制电压的相位。保持控制电压与励磁电压的幅值不变，仅改变控制电压的相位。（3）幅）幅相控制相控制同时改变控制信号电压的幅值和相位。同时改变控制信号电压的幅值和相位。3.交流伺服电动机的控制方法及特点交流伺服电动机的控制方法及特点 一般采用下列一般采用下列3种方法来控制交流伺服电动机的转速高低及旋转方向。种方法来控制交流伺服电动机的转速高低及旋转方向。2022年7月28日星期四机电控制技术交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机
39、虽然相似，但前者的转交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以交流伺服电动机与分相式单相异步电动机相比，子电阻比后者大得多，所以交流伺服电动机与分相式单相异步电动机相比，有以下三个显著特点：有以下三个显著特点：（1）启动转矩大。）启动转矩大。（2）运行范围较宽。）运行范围较宽。（3）无自转现象。）无自转现象。2022年7月28日星期四机电控制技术4.交流伺服电动机的应用举例交流伺服电动机的应用举例 下面介绍交流伺服电动机在电子电位差计中的应用。如图下面介绍交流伺服电动机在电子电位差计中的应用。如图4-15所示所示为电子电位差计电路原理图。电子电位
40、差计主要由测量桥路、变流器、为电子电位差计电路原理图。电子电位差计主要由测量桥路、变流器、电子放大器、交流伺服电动机、指示记录机构以及调节机构所组成。电子放大器、交流伺服电动机、指示记录机构以及调节机构所组成。2022年7月28日星期四机电控制技术4.4.2 直流伺服电动机直流伺服电动机 1.直流伺服电动机的基本结构直流伺服电动机的基本结构 直流伺服电动机的结构、原理与普通直流电动机基本相同。但直流直流伺服电动机的结构、原理与普通直流电动机基本相同。但直流伺服电动机与普通直流电动机相比又有其本身的特点，即气隙较小、电伺服电动机与普通直流电动机相比又有其本身的特点，即气隙较小、电枢电阻较大、机械
41、特性为软特性、电枢比较细长、转动惯量小、换向性枢电阻较大、机械特性为软特性、电枢比较细长、转动惯量小、换向性能较好以及不需换向极等。能较好以及不需换向极等。直流伺服电动机可分为他励式直流伺服电动机和永磁式直流伺服电动机，直流伺服电动机可分为他励式直流伺服电动机和永磁式直流伺服电动机，其转速由信号电压控制。若信号电压加在电枢绕组两端，则称为电枢控其转速由信号电压控制。若信号电压加在电枢绕组两端，则称为电枢控制；若信号电压加在励磁绕组两端，则称为磁极控制。制；若信号电压加在励磁绕组两端，则称为磁极控制。由于电枢控制的直流伺服电动机的线性度较好、损耗较小、电枢回由于电枢控制的直流伺服电动机的线性度较
42、好、损耗较小、电枢回路中的电感较小，使其电磁惯性较小，其响应速度比磁极控制的直流伺路中的电感较小，使其电磁惯性较小，其响应速度比磁极控制的直流伺服电动机快，所以在工程上多采用电枢控制。服电动机快，所以在工程上多采用电枢控制。2022年7月28日星期四机电控制技术4.5.1 旋转变压器的基本结构旋转变压器的基本结构 旋转变压器是一种旋转式的小型交流电动机，它由定子和旋转变压器是一种旋转式的小型交流电动机，它由定子和转子组成。如图转子组成。如图4-20所示为一种无刷旋转变压器的结构。图所示为一种无刷旋转变压器的结构。图中左边为分解器，右边为旋转变压器。旋转变压器结构简单、中左边为分解器，右边为旋转
43、变压器。旋转变压器结构简单、动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号的幅度动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号的幅度大，抗干扰性强，工作可靠，是数控机床经常使用的位移检大，抗干扰性强，工作可靠，是数控机床经常使用的位移检测元件之一。测元件之一。4.5旋转变压器旋转变压器2022年7月28日星期四机电控制技术2022年7月28日星期四机电控制技术4.5.2 旋转变压器的基本工作原理旋转变压器的基本工作原理 旋转变压器是根据互感原理工作的。它的结构设计与制造保证了定旋转变压器是根据互感原理工作的。它的结构设计与制造保证了定子与转子之间的气隙内的磁通分布呈正子与转子之间的气隙内的磁通
44、分布呈正(余余)弦规律，当定子绕组上加交弦规律，当定子绕组上加交流励磁电压流励磁电压(交变电压，频率为交变电压，频率为24 kHz)时，通过互感在转子绕组中产时，通过互感在转子绕组中产生感应电动势，如图生感应电动势，如图4-21所示。所示。2022年7月28日星期四机电控制技术4.5.3 旋转变压器的检测方法旋转变压器的检测方法 一般采用的是正弦、余弦旋转变压器，其定子绕组和转子绕组中各一般采用的是正弦、余弦旋转变压器，其定子绕组和转子绕组中各有互相垂直的两个绕组，如图有互相垂直的两个绕组，如图4-22所示。所示。2022年7月28日星期四机电控制技术4.5.4 旋转变压器的应用旋转变压器的应
45、用 旋转变压器被广泛应用在高精度随动系统和解算装置中。旋转变压器被广泛应用在高精度随动系统和解算装置中。1.用一对旋转变压器测量差角用一对旋转变压器测量差角 取一对旋转变压器按如图取一对旋转变压器按如图4-23所示的方式连接。图中与发送轴耦合所示的方式连接。图中与发送轴耦合的旋转变压器称为旋变发送机，与接收轴耦合的旋转变压器称为旋变接的旋转变压器称为旋变发送机，与接收轴耦合的旋转变压器称为旋变接收机或旋变变压器。旋转变压器中定子绕组和转子绕组都是二相对称绕收机或旋变变压器。旋转变压器中定子绕组和转子绕组都是二相对称绕组。当用一对旋转变压器测量差角时，为了减少由于电刷接触不良而造组。当用一对旋转
46、变压器测量差角时，为了减少由于电刷接触不良而造成的不可靠性，常常把定子绕组和转子绕组互换使用，即旋变发送机转成的不可靠性，常常把定子绕组和转子绕组互换使用，即旋变发送机转子绕组子绕组Z1-Z2加交流激磁电压加交流激磁电压Us1使绕组使绕组Z3-Z4短路，旋变发送机和旋短路，旋变发送机和旋变变压器的定子绕组相互连接。这样，在旋变变压器的转子绕组变变压器的定子绕组相互连接。这样，在旋变变压器的转子绕组Z3-Z4两端输出一个与两转轴的差角两端输出一个与两转轴的差角=1-2的正弦函数成正比的电动势。当的正弦函数成正比的电动势。当两转轴的差角较小时，该输出电动势近似正比于差角。两转轴的差角较小时，该输出
47、电动势近似正比于差角。2022年7月28日星期四机电控制技术2022年7月28日星期四机电控制技术 2.旋转变压器作为解算元件时的作用旋转变压器作为解算元件时的作用 旋转变压器作为解算元件时可以进行坐标变换，求三角函数及反旋转变压器作为解算元件时可以进行坐标变换，求三角函数及反三角函数。三角函数。下面举一个求反三角函数的例子，已知下面举一个求反三角函数的例子，已知E1、E2，试求转子转角，试求转子转角=cos（E1/E2）。这时接线图如图）。这时接线图如图4-24所示，所示，E1加在转子绕组加在转子绕组Z1-Z2上，上，定子绕组定子绕组D1-D2和和E2串联后接至放大器，经放大器放大后供给伺服
48、电串联后接至放大器，经放大器放大后供给伺服电动机，伺服电动机通过减速器与旋转变压器机械耦合。绕组动机，伺服电动机通过减速器与旋转变压器机械耦合。绕组Z1-Z2：和：和绕组绕组D1-D2完全相同，若忽略绕组完全相同，若忽略绕组Z1-Z2的电阻和漏抗，则绕组的电阻和漏抗，则绕组Z1-Z2所产生的激磁磁通在绕组所产生的激磁磁通在绕组D1-D2中所产生的感应电动势为中所产生的感应电动势为E1cos，放放大器的输入电动势为大器的输入电动势为E1cosE2。当。当E1cosE2=0时，伺服电动机时，伺服电动机便停止转动，这时便停止转动，这时E1/E2=cos，因此，转子转角，因此，转子转角=cos（E1/E2）。）。2022年7月28日星期四机电控制技术2022年7月28日星期四机电控制技术
