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1、普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机和伺服系统机械特性控制电压恒定时，电机转速随转矩的变化关系理想空载转速：堵转转矩：机械特性斜率：普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机和伺服系统调节特性负载转矩恒定时，转速随控制电压变化调节特性与横坐标的交点，就表示在某一电磁转矩时电动机的始动电压。从原点到始动电压点的一段范围，称为在某一电磁转矩值时伺服电动机的失灵区，也称死区。机械时间常数定义：当电动机空载时电枢外施阶跃电压，其角速度从0上升到稳定角速度的63.2%时所需要的时
2、间。普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机和伺服系统机械时间常数与转动惯量成正比；与电机的每极气隙磁通的平方成反比，为了减小电机机械时间常数，应增加每极气隙磁通；与电枢电阻Ra的大小成正比，为减小时间常数，应尽可能减小电枢电阻，当伺服电动机用于自动控制系统，并由放大器供给控制电压时，应计入放大器的内阻Ri，Ra+Ri；直流伺服电动机的机械时间常数一般30ms，低惯量直流伺服电机的时间常数1，则合成单相转矩在电动机正向旋转范围内为负值，即T0。这就是说，控制信号消失后，处于单运行状态的电机由于电磁转矩为制动性质而能迅速停转。因此，增
3、大转子电阻是防止交流伺服电动机出现“自转”现象的有效措施。为什么会产生自传：T=T1+T2，在正向旋转时，0s0。所以，只要负载转矩不太大，转子仍能继续旋转，不会因控制信号的消失而停转，这种“自转”现象使伺服电动机失去控制，在自动控制系统中是不允许的。增大转子电阻的三个好处：1.能消除自转现象2.可以增大调速范围3.使机械特性更加线性增大转子电阻后的单相转矩两相合成转矩普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机和伺服系统正常转子电阻时的单相转矩1.幅值控制幅值控制控制电压与激磁电压之间保持90度相位差不变，通过改变控制信号（电压）的幅
4、值来改变电机的转速。普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机和伺服系统最不对称，脉振磁场对称，圆形旋转磁场不对称，椭圆形旋转磁场定义：为信号系数，则：2.相位控制相位控制控制电压的幅值保持不变，通过改变控制电压对激磁电压的相角来实现对电机的控制。普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机和伺服系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机和伺服系统由于与激磁电压相差90度的电压为：所以信号系数定义为：脉振磁场椭圆形
5、磁场圆形磁场3.幅值相位控制（电容控制）幅值相位控制（电容控制）激磁回路串联电容后接到相位和幅值都不变的激磁电源，当改变控制电压幅值时，由于激磁回路电流发生变化，使激磁绕组及其串联电容上的电压分布发生变化，从而使控制电压与激磁绕组上的电压间的相位角也发生变化。普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机和伺服系统当改变控制电压的幅值以改变转速时，由于转子绕组的耦合作用，激磁电流If 的大小和相位都会改变，致使激磁绕组上的电压的大小和相位也随之改变。所以，这是一种幅值和相位的复合控制方式。Cph普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家
6、级规划教国家级规划教材材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机和伺服系统4.双相控制双相控制 激磁电压与控制电压间的相位固定为90度，而激磁电压的幅值随控制信号的改变而同样的改变，也就是说，不论控制信号大小，电机始终在圆形旋转磁场下工作，可获得最大输出功率和效率。普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机和伺服系统1永磁同步电动机当定子绕组接通电源后，电动机以异步电动机原理起动动转，加速运转至同步转速时，由转子永磁磁场和定子磁场产生的同步电磁转矩（由转子永磁磁场产生的电磁转矩与定子磁场产生的磁阻转矩合成）将转子牵入同步，电动机进入同步运行
7、。2.磁阻同步电动机是利用转子交轴和直轴磁阻不等而产生磁阻转矩的同步电动机，其定子与异步电动机的定子结构类似，只是转子结构不同。3磁滞同步电动机磁滞同步电动机是利用磁滞材料产生磁滞转矩而工作的同步电动机。定子绕组接通电源后，产生的旋转磁场使磁滞转子产生异步转矩而起动旋转，随后自行牵入同步运转状态。在电动机异步运行时，定子旋转磁场以转差频率反复地磁化转子；在同步运行时，转子上的磁滞材料被磁化而出现了永磁磁极，从而产生同步转矩。测速发电机是一种测量转速的信号元件，它将输入的机械转速变换成为电压信号输出。要求：要求：输出电压与转速成正比，U2=Kn,并保持稳定；剩余电压(转速为零时的输出电压）要小；
8、输出电压的极性或相位能反映被测对象的转向；温度变化对输出特性的影响小；灵敏度高，即输出电压对转速的变化反应灵敏，输出特性斜率要大；转动惯量和摩擦转矩小，以保证反应迅速。3.测速发电机测速发电机普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材产生误差的原因和改进方法q电枢反应电枢反应对策：选用较大气隙和较小线负荷；转速不超过最大线性工作速度，负载电阻不小于最小负载电阻；补偿绕组；3.测速发电机测速发电机普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材q电刷接触电压降电刷接触电压降对策：选用导电性能较好的电刷3.测速发电机测速发电机普通高等教育普通高等教育“
9、十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材q电刷位置的影响电刷位置的影响对策：严格地位于几何中性线上q温度的影响温度的影响对策：将磁路设计的较饱和；在励磁回路中串电阻；在励磁回路中串联具有负温度系数的热敏电阻；励磁回路由恒流源供电q纹波的影响纹波的影响直流测速发电机在和n固定时，输出电压也不是稳定的直流电压，而总带有微弱的波动，成为纹波对策：增加支路元件数，电枢采用斜槽结构，无槽3.测速发电机测速发电机普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材3.剩余电压（零速电压）剩余电压（零速电压） 转速为零时输出绕组所产生的电压，包括基波分量和高次谐波分转速为零时输出绕组所产生
10、的电压，包括基波分量和高次谐波分量。一般几十毫伏。量。一般几十毫伏。剩余电压对输出特性的影响剩余电压对输出特性的影响3.测速发电机测速发电机普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材剩余电压基波分量剩余电压基波分量 变压器分量、旋转分量和电容分量变压器分量、旋转分量和电容分量产生变压器分量的原因：产生变压器分量的原因：励磁绕组轴线与输出绕组轴线不垂直；励磁绕组轴线与输出绕组轴线不垂直；定子加工不良，造成气隙不均匀。定子加工不良，造成气隙不均匀。旋转分量旋转分量由于铁心材料各向磁滞变化的情况不同，或者铁心片间短路以及空心杯转子的材料和壁厚不均匀，都会导致去磁效应不同，使
11、电机气隙圆周上各点磁密相位不一致，而形成一个椭圆形旋转磁场，使输出绕组产生感应电动势，产生剩余电压。电容分量电容分量由于励磁绕组和输出绕组之间会存在寄生的分布电容,当励磁绕组加交流电压时，通过寄生的分布电容也会在输出绕组中产生电压。剩余电压的基波分量也可分为交变分量和固定分量。交变分量是由于转子形状不规则及材料各向异性等原因所引起，其大小与转子位置有关，随转子位置成周期性变化。除此之外，其他原因所引起的剩余电压与转子位置无关，即为剩余电压的固定分量。 3.测速发电机测速发电机普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材剩余电压的高次谐波分量主要是由于两个原因产生：1.励
12、磁电源电压波形为非正弦波；2.电机磁路的饱和。减小剩余电压的措施减小剩余电压的措施改进制造材料和工艺，降低磁路饱和程度；改进制造材料和工艺，降低磁路饱和程度；采用内外定子铁心可调结构；采用内外定子铁心可调结构；采用补偿绕组（可补偿剩余电压的固定分量）；采用补偿绕组（可补偿剩余电压的固定分量）；霍尔原理：在一块半导体薄片的相对两侧通入控制电流霍尔原理：在一块半导体薄片的相对两侧通入控制电流I,在薄片的垂直方向加在薄片的垂直方向加以磁场以磁场B，则在半导体薄片的另外两侧会产生一个电动势，这一现象叫做霍尔，则在半导体薄片的另外两侧会产生一个电动势，这一现象叫做霍尔效应。所产生的电动势叫霍尔电动势。该
13、导体薄片叫做霍尔元件效应。所产生的电动势叫霍尔电动势。该导体薄片叫做霍尔元件二、工作原理二、工作原理三相反应式步进电动机有三种运行方式：(1)三相单三拍运行；(2)三相双三拍运行；(3)三相单、双六拍运行“三相”指步进电机的相数；“单”指每次只给一相绕组通电；“双”则是每次同时给二相绕组通电；“三拍”指通电三次完成一个循环4.步进电机步进电机普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材A相导通B相导通1. 三相单三拍运行方式三相单三拍运行方式C相导通A相导通按A-B-C-A的顺序通电，电机转子在磁阻转矩作用下沿ABC方向转动，电机的转速直接取决于控制绕组的换接频率。 定
14、子控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍，此时电机转子所转过的空间角度称为步距角。齿距角：步距角：4.步进电机步进电机普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材2. 三相双三拍运行方式三相双三拍运行方式按AB-BC-CA-AB或相反的顺序通电，每次同时给两相绕组通电，且三次换接为一个循环。步距角与三相单三拍运行方式的步距角相同。AB相导通BC相导通4.步进电机步进电机普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材3. 三相单、双六拍运行方式三相单、双六拍运行方式按A-AB-B-BC-C-CA或相反顺序通电，即需要六拍才完成一个循环，因此步距角为：A
15、相导通B相导通AB相导通4.步进电机步进电机普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材起动频率和起动特性起动频率和起动特性 fst是指一定负载转矩下能够不失步地起动的脉冲最高频率，它的大小与电动机本身参数、负载转矩及转动惯量的大小，以及电源条件等因素有关。它是步进电动机的一项重要技术指标。 fst=f(TL) 起动矩频特性 fst=f(J) 起动惯频特性连续运行频率与运行矩频特性连续运行频率与运行矩频特性步进电动机带一定负载正常起动后，连续缓慢地升高脉冲频率，直到不丢步运行的最高频率，称为运行频率。4.步进电机步进电机普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划
16、教国家级规划教材材起动连续运行矩频特性起动惯频特性4.步进电机步进电机普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材4.5 步步进电动机的机的驱动电源源一、对驱动电源的基本要求一、对驱动电源的基本要求1.驱动电源的相数、通电方式和电压、电流都要满足步进电动机的要求；2.要满足步进电动机起动频率和连续运行频率的要求；3.能最大限度地抑制步进电动机的振荡；4.工作可靠，抗干扰能力强；5.成本低、效率高，安装维护方便。4.步进电机步进电机普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材3.功率驱动电路功率驱动电路单极性驱动（反应式步进电动机）q单一电压型功率
17、放大电路优点：线路简单，功率元件少，成本低。缺点：Rf1上要消耗能量，工作效率低。只适用于小功率步进电动机。如果电容C选择不当，在低频段会使振荡有所增加，使低频性能变差。4.步进电机步进电机普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材q高、低电压切换型功率放大电路优点：优点：电源功耗比较小，效率比较高。矩频特性好，启动和运行频率得到了很大的提高。主要缺点：主要缺点：低频运行时输入能量过大，造成电机低频振荡加重；增大了电源的容量，对功率管性能参数的要求高。常用于大功率步进电动机的驱动 4.步进电机步进电机普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材
18、q电流斩波驱动放大电路4.步进电机步进电机普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材q调频调压驱动方式(a)低频； (b)高频4.步进电机步进电机普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材自整角机失调角通常定义a相整步绕组和励磁绕组两轴线间的夹角为转子的位置角。1为发送机转子位置角，2为接收机转子位置角，而=1-2称为失调角。整步转矩当力矩式自整角机系统的失调角产生后，在电机转子上形成的转矩称为整步转矩（也称静态整步转矩）项目项目控制式自整控制式自整角机角机力矩式自整力矩式自整角机角机负载能力自整角变压器只能输出信号，负载能力取决于伺服电动机
19、及放大器只能带动指针、刻度盘等轻负载精度较高较低系统结构较复杂，需要伺服电动机、放大器、减速齿轮等较简单，不需要其它辅助元件系统造价较高较低力矩式自整角机力矩式自整角机与与控制式自整角机控制式自整角机P101-结构：结构：1.发送机与接收机，它们的励磁绕组接发送机与接收机，它们的励磁绕组接 入同一单相交流电源，三相整步绕入同一单相交流电源，三相整步绕组按相序对应连接。组按相序对应连接。2.控制式自整角机控制式自整角机发送机的结构形式和力矩式的发送机发送机的结构形式和力矩式的发送机基本一样，单相励磁绕组通常放置在转子上。基本一样，单相励磁绕组通常放置在转子上。输出：输出：1.角度。角度。2.电压
20、。电压。运行过程：运行过程：失调角：失调角：正余弦旋转变压器负载后之所以输出特性曲线产生畸变，是由于转子磁势的交轴分量得不到补偿所引起的。因此，为了消除畸变，不仅转子的直轴磁势必须补偿，转子的交轴磁势也必须完全补偿。补偿的方法有两种，即二次侧补偿和一次侧补偿。二次侧完全补偿的条件是转子正、余绕组的负载阻抗相等。一次侧完全补偿的条件在定子励磁绕组与交轴绕组完全相同的条件下，当交轴绕组的负载阻抗Zq等于励磁电源的内阻抗Zi，即Zq=Zi时可实现对称补偿正余弦旋转变压器正余弦旋转变压器空载运行空载运行6.旋转变压器旋转变压器普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材由上式可见，当输入电源电压不变时，转子正、余弦绕组的空载输出电压分别与转角呈严格的正、余弦关系。正弦绕组和余弦绕组因此而得名。忽略励磁绕组的漏阻抗，则空载时转子输出绕组电势等于电压，即 6.旋转变压器旋转变压器普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材正余弦旋转变压器负载运行正余弦旋转变压器负载运行(fd 相平衡）6.旋转变压器旋转变压器普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材1空载；2负载正弦绕组的合成电动势：6.旋转变压器旋转变压器普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材
