电工技术
主编 李中发
制作 李中发
2005年 1月第 9章 控制电机
了解 伺服电动机的基本结构和工作原理
了解 测速发电机的基本结构和工作原理
了解 步进电动机的基本结构和工作原理学习要点第 9章 控制电机
9.1 伺服电动机
9.2 测速发电机
9.3 步进电动机
9.1 伺服电动机伺服电动机又称为执行电动机,在自动控制系统中作为执行元件,把输入的电压信号变换成转轴的角位栘或角速度输出 。 输入的电压信号又称为控制信号或控制电压
,改变控制电压可以改变伺服电动机的转速或转向 。
自动控制系统对伺服电动机的主要要求有：
（ 1） 调速范围宽 。 即要求伺服电动机的转速随着控制电压的改变能在宽广的范围内连续调节 。
（ 2） 响应速度快 。 即要求伺服电动机通电后能立即运转,控制电压改变时伺服电动机的转速能非常灵敏和准确地跟着变化 。
（ 3） 机械特性的线性度好 。 即要求伺服电动机在控制电压一定时其转速能随转矩线性变化,这样有利于提高自动控制系统的动态精度 。
（ 4） 无,自转,现象 。 即要求伺服电动机在控制电压降为零时能立即自行停转 。
结构,交流伺服电动机就是两相异步电动机,定子 装有两个绕组,一个是励磁绕组,另一个是控制绕组,两个绕组在空间相距 90° ； 转子 有鼠笼式转子和杯形转子两种,为了减小转动惯量,转子做成细长形,且电阻较大 。
9.1.1 交流伺服电动机
C
+
f
U
－
+ c
U
－
SM
～
工作原理,没有控制信号时,
定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场,转子静止不动；有控制电压时,定子内便产生一个旋转磁场,转子沿旋转磁场的方向旋转,在负载恒定的情况下,电动机的转速将随控制电压的大小而变化；控制电压的相位相反时,电动机反转 。
机械特性,负载一定时，控制电压从愈高，转速也愈高；在控制电压一定时，负载增加则转速下降。
n
T
0
U c0,8 U c0,6 U c0,4 U
c
特点,起动转矩较大，调速范围宽广，运行平稳，噪音小；
但控制特性非线性，且转子电阻大，损耗大，效率低，体积大，重量重，只适用于 0.5～
100W的小功率控制系统。
当运行中的伺服电动机失去控制电压后，处于单相运行状态。合成转矩的方向与转子旋转的方向相反，是制动转矩。
因此，正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压便会迅速停止运转，即无“自转”现象。
工作原理,采用电枢控制方式时,Uf保持恒值，当电枢电压 Uc（ 即信号电压）
改变时，得到一组平行的机械特性。
9.1.2 直流伺服电动机结构,直流伺服电动机实质上是一台他励式直流电动机 。 按结构可分为传统型和低惯量型两大类 。 传统型直流伺服电动机的结构与普通直流电动机基本相同,也是由定子和转子两大部分组成,分为永磁式和电磁式两种 。
+
U f
－
+
U c
－
M
—
n
T
0
U c1
U c2
U c3
U c4
U c1 > U c2 > U c3 > U c4
TUCCC RUCC Un 2
f
2
me
a
fe
c
特点,起动转矩大，调速范围宽，无自转现象，但易产生火花，
可靠性差，易产生无线电干扰。
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为电压信号输出,广泛应用于各种速度和位置控制系统中 。
测速发电机分为交流和直流两大类 。 交流测速发电机又分为同步和异步两种,直流测速发电机分为永磁式和电磁式两种 。
自动控制系统对测速发电机的主要要求有：
（ 1） 输出特性呈正比关系并保持稳定 。 即要求测速发电机的输出电压与转速应保持严格的正比关系,且不随外界条件的变化而发生改变 。
（ 2） 电机的转动惯量要小,以保证反应迅速 。
（ 3） 电机的灵敏度高 。 即要求测速发电机的输出电压对转速的变化反应灵敏 。
9.2 测速发电机
9.2.1 交流测速发电机励磁绕组通入正弦电流时,在绕组的轴线方向上产生了一个随时间按正弦规律变化的脉动磁通 Φ1。 Φ1在转子中感应出电流产生,并由此产生转子磁通 Φ2。
1
I
×
×
·
+
1
U
－
Φ
1
·
Φ
2
励磁绕组输出绕组测速发电机静止时测速发电机静止时,Φ2也沿励磁绕组的轴线方向，忽略励磁绕组的电阻和漏抗
，合成磁通 Φ在励磁绕组中产生的感应电动势 E1与励磁电压 U1的关系为：
U1≈E1≈4.44f1N1Φm
可见，当 U1和 f1不变时，合成磁通 Φ的大小基本保持不变，仍为原来的磁通 Φ1。
由于 Φ1的方向与输出绕组的轴线垂直，
在输出绕组中不产生感应电动势，因此
，当测速发电机静止不动时，输出电压为零。
测速发电机旋转时,转子导体因切割磁通 Φ1而产生电动势和电流
。 E2和 I2与磁通 Φ1及转子转速 n
成正比,转子电流 I2产生磁通 Φ2
,两者也成正比,磁通 Φ2的方向与输出绕组的轴线方向一致,因而在输出绕组中产生与励磁电压频率相同的感应电动势,输出绕组两端得到频率相同的输出电压
,其大小与磁通 Φ2成正比,输出电压 U2与励磁电压 U1及转子转速成正比 。
1
I
×
×
·
·
+
1
U
－
－
2
U
+
Φ
1
×
·
Φ
2
n
测速发电机旋转时空心杯转子测速发电机与直流测速发电机相比，具有结构简单、工作可靠等优点，是目前较为理想的测速元件。
9.2.2 直流测速发电机在恒定的磁场中，电枢绕组旋转切割磁力线磁通并产生与转速 n
成正比的感应电势 E=KeΦn。
空载时,电抠电流 Ia=0,直流测速发电机的输出电压和电枢感应电势相等，由上式可知空载时直流测速发电机的输出电压与转速成正比。
负载时,电枢电流,直流测速发电机的输出电压为 U2=E
－ IaRa,电枢电流为 Ia=U2/RL,所以输出电压为：
Knn
R
R
K
R
R
EU?
L
a
e
L
a
2
11
+
U 2
－
+
U 1
－
TG
—
R L
I a
步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制、并将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的控制电机。步进电动机由专用电源供给电脉冲，每输入一个脉冲，步进电动机就前进一步。
9.3 步进电动机步进电动机是受脉冲信号控制的，因此适合于作为数字控制系统的执行元件。在负载能力的范围内，它的位移量与电脉冲数成正比，速度与脉冲频率成正比，所以，可以改变脉冲电源的频率来实现调速。
步进电动机种类繁多，不同种类、不同作用的步进电动机有不同的结构特点。按步进电动机的运行方式，可将步进电动机分为旋转式和直线式两类。常用的旋转式步进电动机又分为反应式、永磁式和感应式 3种，其中，反应式步进电动机具有惯性小、反应快和速度高的特点，应用比较普遍。
定子磁极 转子齿 接线方式
9.3.1 步进电动机的结构
1．单三拍控制方式按照 A→B→C→A… 的顺序通电。每改变一次通电状态，转子顺时针方向转 30°。 如果通电顺序改为 A→C→B→A…,则电动机反转。
（ a ） A 相通电 （ b ） B 相通电 （ c ） C 相通电
B'
C
1
24
A
A '
B
C'
3
B'
C
2
4
A
A '
B
C' B'
C
1
2
4
A
A '
B
C'
33
1
9.3.2 步进电动机的工作原理
2．六拍控制方式
（ a ） A 相通电 （ b ） A,B 相通电
B'
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A
A '
B
C'
3
（ c ） B 相通电 （ d ） B,C 相通电按照
A→AB→B→BC
→C→CA→A…
的顺序通电。每改变一次通电状态，转子顺时针方向转 15°。若改变通电顺序，
则电动机反转。
三相步进电动机的步距角与转子的齿数 zr和运行的拍数 m有如下关系：
mz r
36 0
如果脉冲信号的频率为 f,则步进电动机的转速为：
r / m i n3 6 060 fn?
9.3.3 步进电动机的步距角与转速
主编 李中发
制作 李中发
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了解 伺服电动机的基本结构和工作原理
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9.1 伺服电动机
9.2 测速发电机
9.3 步进电动机
9.1 伺服电动机伺服电动机又称为执行电动机,在自动控制系统中作为执行元件,把输入的电压信号变换成转轴的角位栘或角速度输出 。 输入的电压信号又称为控制信号或控制电压
,改变控制电压可以改变伺服电动机的转速或转向 。
自动控制系统对伺服电动机的主要要求有：
（ 1） 调速范围宽 。 即要求伺服电动机的转速随着控制电压的改变能在宽广的范围内连续调节 。
（ 2） 响应速度快 。 即要求伺服电动机通电后能立即运转,控制电压改变时伺服电动机的转速能非常灵敏和准确地跟着变化 。
（ 3） 机械特性的线性度好 。 即要求伺服电动机在控制电压一定时其转速能随转矩线性变化,这样有利于提高自动控制系统的动态精度 。
（ 4） 无,自转,现象 。 即要求伺服电动机在控制电压降为零时能立即自行停转 。
结构,交流伺服电动机就是两相异步电动机,定子 装有两个绕组,一个是励磁绕组,另一个是控制绕组,两个绕组在空间相距 90° ； 转子 有鼠笼式转子和杯形转子两种,为了减小转动惯量,转子做成细长形,且电阻较大 。
9.1.1 交流伺服电动机
C
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工作原理,没有控制信号时,
定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场,转子静止不动；有控制电压时,定子内便产生一个旋转磁场,转子沿旋转磁场的方向旋转,在负载恒定的情况下,电动机的转速将随控制电压的大小而变化；控制电压的相位相反时,电动机反转 。
机械特性,负载一定时，控制电压从愈高，转速也愈高；在控制电压一定时，负载增加则转速下降。
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特点,起动转矩较大，调速范围宽广，运行平稳，噪音小；
但控制特性非线性，且转子电阻大，损耗大，效率低，体积大，重量重，只适用于 0.5～
100W的小功率控制系统。
当运行中的伺服电动机失去控制电压后，处于单相运行状态。合成转矩的方向与转子旋转的方向相反，是制动转矩。
因此，正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压便会迅速停止运转，即无“自转”现象。
工作原理,采用电枢控制方式时,Uf保持恒值，当电枢电压 Uc（ 即信号电压）
改变时，得到一组平行的机械特性。
9.1.2 直流伺服电动机结构,直流伺服电动机实质上是一台他励式直流电动机 。 按结构可分为传统型和低惯量型两大类 。 传统型直流伺服电动机的结构与普通直流电动机基本相同,也是由定子和转子两大部分组成,分为永磁式和电磁式两种 。
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可靠性差，易产生无线电干扰。
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为电压信号输出,广泛应用于各种速度和位置控制系统中 。
测速发电机分为交流和直流两大类 。 交流测速发电机又分为同步和异步两种,直流测速发电机分为永磁式和电磁式两种 。
自动控制系统对测速发电机的主要要求有：
（ 1） 输出特性呈正比关系并保持稳定 。 即要求测速发电机的输出电压与转速应保持严格的正比关系,且不随外界条件的变化而发生改变 。
（ 2） 电机的转动惯量要小,以保证反应迅速 。
（ 3） 电机的灵敏度高 。 即要求测速发电机的输出电压对转速的变化反应灵敏 。
9.2 测速发电机
9.2.1 交流测速发电机励磁绕组通入正弦电流时,在绕组的轴线方向上产生了一个随时间按正弦规律变化的脉动磁通 Φ1。 Φ1在转子中感应出电流产生,并由此产生转子磁通 Φ2。
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，合成磁通 Φ在励磁绕组中产生的感应电动势 E1与励磁电压 U1的关系为：
U1≈E1≈4.44f1N1Φm
可见，当 U1和 f1不变时，合成磁通 Φ的大小基本保持不变，仍为原来的磁通 Φ1。
由于 Φ1的方向与输出绕组的轴线垂直，
在输出绕组中不产生感应电动势，因此
，当测速发电机静止不动时，输出电压为零。
测速发电机旋转时,转子导体因切割磁通 Φ1而产生电动势和电流
。 E2和 I2与磁通 Φ1及转子转速 n
成正比,转子电流 I2产生磁通 Φ2
,两者也成正比,磁通 Φ2的方向与输出绕组的轴线方向一致,因而在输出绕组中产生与励磁电压频率相同的感应电动势,输出绕组两端得到频率相同的输出电压
,其大小与磁通 Φ2成正比,输出电压 U2与励磁电压 U1及转子转速成正比 。
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测速发电机旋转时空心杯转子测速发电机与直流测速发电机相比，具有结构简单、工作可靠等优点，是目前较为理想的测速元件。
9.2.2 直流测速发电机在恒定的磁场中，电枢绕组旋转切割磁力线磁通并产生与转速 n
成正比的感应电势 E=KeΦn。
空载时,电抠电流 Ia=0,直流测速发电机的输出电压和电枢感应电势相等，由上式可知空载时直流测速发电机的输出电压与转速成正比。
负载时,电枢电流,直流测速发电机的输出电压为 U2=E
－ IaRa,电枢电流为 Ia=U2/RL,所以输出电压为：
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步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制、并将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的控制电机。步进电动机由专用电源供给电脉冲，每输入一个脉冲，步进电动机就前进一步。
9.3 步进电动机步进电动机是受脉冲信号控制的，因此适合于作为数字控制系统的执行元件。在负载能力的范围内，它的位移量与电脉冲数成正比，速度与脉冲频率成正比，所以，可以改变脉冲电源的频率来实现调速。
步进电动机种类繁多，不同种类、不同作用的步进电动机有不同的结构特点。按步进电动机的运行方式，可将步进电动机分为旋转式和直线式两类。常用的旋转式步进电动机又分为反应式、永磁式和感应式 3种，其中，反应式步进电动机具有惯性小、反应快和速度高的特点，应用比较普遍。
定子磁极 转子齿 接线方式
9.3.1 步进电动机的结构
1．单三拍控制方式按照 A→B→C→A… 的顺序通电。每改变一次通电状态，转子顺时针方向转 30°。 如果通电顺序改为 A→C→B→A…,则电动机反转。
（ a ） A 相通电 （ b ） B 相通电 （ c ） C 相通电
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9.3.2 步进电动机的工作原理
2．六拍控制方式
（ a ） A 相通电 （ b ） A,B 相通电
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（ c ） B 相通电 （ d ） B,C 相通电按照
A→AB→B→BC
→C→CA→A…
的顺序通电。每改变一次通电状态，转子顺时针方向转 15°。若改变通电顺序，
则电动机反转。
三相步进电动机的步距角与转子的齿数 zr和运行的拍数 m有如下关系：
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36 0
如果脉冲信号的频率为 f,则步进电动机的转速为：
r / m i n3 6 060 fn?
9.3.3 步进电动机的步距角与转速
