交流伺服电机的工作原理

   控制电压 U 2 与电源电压 U 频  率相同，相位相 同或反相。

  交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机 有相似之处。 励磁绕组固定接在电源上，当控制电压为零时， 电机无起动转矩，转子不转。  若有控制电压加在控制绕组上，且励磁电流 I 1  和控制绕组电流 I 不同相时，因此便产生两相旋转

  按AB C A  ……的顺序给三相绕组 轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转

  过30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)磁场在 空间旋转了360°而转子转过90°(一个齿距角)。 2. 三相六拍 按AAB B BC C  CA的顺序给三相 绕组轮流通电。这种方式能获得更精确的控制 特性。

  直流测速发电机分永磁式和他励式两种。 两种电机的电枢相同，工作时电枢接负载电阻 RL。但永磁式的定子使用永久磁铁产生磁场， 因而没有励磁线圈；他励式的结构与直流伺服 电机相同，工作时励磁绕组加直流电压U1励磁。 I1 I2

  应用： 直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。通常 应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控 制等。 直流伺服电机输出功率一般为1-600W。

  测速发电机是一种转速测量传感器。在许 多自动控制管理系统中，它被用来测量旋转装置的 转速，向控制电路提供与转速大小成正比的信 号电压。

  当单相励磁时，在电动机运行范围0S11时，转矩 为正值，产生电动转矩，使转子继续转动。反转时 也同样为电动转矩。

  交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。 它的定子上装有空间互差90的两个绕组：励磁绕组 和控制绕组，其结构如图所示。

  由机械特性可知： (1) 一定负载转矩下，当磁通不变时，U2 n。 (2) U2=0时，电机立即停转。 电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机反转。

  工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电 源U1，由 U1  4.44 f1N11 可知：

  当被测转动轴带动发电机转子旋转时，转 子切割1产生转子感应电势Er和转子电流Ir， 它们的大小与1和转子转速 n 成正比：

  教学要求： 1.了解交流伺服电动机的结构和工作原理。 2.了解直流伺服电动机的结构和工作原理。 3.了解交流测速发电机的结构和工作原理。 4.了解步进电动机的结构和工作原理。

  交流测速发电机又分为同步式和异步式两 种，这里只分析异步式交流测速发电机的工作 原理。

  异步式交流测速发电机的结构与杯形转子 交流伺服电机相似，它的定子上有两个绕组， 一个是励磁绕组，一个是输出绕组。

  转子电流 Ir也产生磁通r ，r 在输出绕组 中感应出电压U2 ， U2的大小与r成正比：

  当 U1恒定不变时， U2与n 成正比，这样， 发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压 信号，输出给控制管理系统。 由于铁心线圈电感的非线性影响，交流测 速发电机的输出电压 U2与n 间存在着一定的非 线性误差，使用时要注意加以修正。

  伺服电动机又称执行电动机。其功能是将输 入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角 速度，驱动控制对象。 伺服电动机可控性好，反应迅速。是自动控 制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。 伺服电动机可分为两类： 交流伺服电动机 直流伺服电动机

  由于步进电动机的这一工作职能正好符合 数字控制系统要求，因此它在数字控制机床、钟表工 业及自动记录仪等方面都有很广泛的应用

  区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈， 依靠电磁转矩工作。反应式步进电机的转子上没有励 磁线圈。依靠变化的的磁阻生成磁阻转矩工作。反应 式步进电机的应用最广泛，它有两相、三相、多相之 分。这里主要讨论三相反应式步进电动机的结构和工 作原理。

  交流伺服电动机的特点：不仅要求它在静止状 态下，能服从控制信号的命令而转动，而且要求在 电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停 转。

  但如果交流伺服电动机的参数选择和一般单相 异步电动机相似，电动机一经转动，即使控制等于 零，电动机仍继续转动，电动机失去控制，这种现 象称为“自转”。

  加在控制绕组上的控制电压大小变化时，其 产生的旋转磁场的椭圆度不同，由此产生的电磁 转矩也不同，从而改变电动机的转速。 交流伺服电动机的机械特性如图所示。 n

  在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的 下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时， 电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。 应用: 交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W， 电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广 泛，如用在各种自动控制、自动记录等系统中。

  直流伺服电动机的结构与直流电动机基本相 同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。 直流伺服电动机的工作原理也与直流电动机 相同。 供电方式：他励供电。励磁绕组和电枢分别由两 个独立的电源供电。 I I

  这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为 一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲， 所以称为三相单三拍工作方式。

  三相反应式步进电动机的原理结构图如下： IA A 定子内圆周 定子 均匀分布着六个 磁极，磁极上有 励磁绕组，每两 个相对的绕组组 成一相。采用Y IB B 连接，转子有四 个齿。

  值得注意的是，由于直流电机中存在着电 枢反应现象，使得输出电压U2与转速n 有一定 的线性误差。 RL越小、n 越大，误差越大。因 此，在使用中应使RL和 n的大小符合直流测速 发电机的技术要求。

  测速发电机的作用是将机械速度转变为电压 信号，在自动控制管理系统和计算装置中作为检测元 件、校正元件等。如在恒速控制系统中，测速发 电机将速度转换为电压信号作为反馈信号，达到 调节速度的作用。

  励磁绕组串联电容C , 是为了产生两相旋转磁场。 适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流 相位差接近90,由此产生所需的旋转磁场。

  当单相励磁时，在电动机运行范围0S11时，转矩 为负值，产生制动转矩，使转子停转。反转时也同 样为制动转矩。

  加在控制绕组上的控制电压反相时(保持励 磁电压不变)，由于旋转磁场的旋转方向发生变 化，使电动机转子反转。

  步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲 信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉 冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段 距离。 特点: (1) 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。 (3) 改变脉冲顺序，可改变转动方向。

  前面介绍的异步电动机、直流电动机等都是 作为动力使用的，其主要任务是能量的转换。 本章介绍的各种控制电机的主要任务是转换和 传递控制信号，能量的转换是次要的。 控制电机的种类很多，本章只讨论常用的几种: 伺服电机、测速电机、步进电机。 各种控制电机有各自的控制任务： 如: 伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱 动控制对象；测速发电机将转速转换为电压，并传 递到 输入端作为反馈信号。步进电动机将脉冲信号 转换为角位移或线位移。 对控制电机的主要要求：动作灵敏、准确、 重 量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。

  可见，当励磁电压U1保持恒定时（ 亦恒 定），若Ra、RL不变，则输出电压U2的大小与 电枢转速 n 成正比。这样，发电机就把被测装 置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制 系统。 U2 RL2RL1 RL= RL1 RL2

  由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合， 因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转 矩，使转子转动。

  现以A B C A的通电顺序，使三相绕组 IA 轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。

  1.三相单三拍 动画 ―三相”指三相步进电机；“单”指每次只能一相绕 组通电；“三拍”指通电三次完成一个通电循环。 A相绕组通电，B、C相 不通电。气隙产生以A-A为轴线 A 的磁场，而磁力线 磁阻最小的路径通过，故电动 4 2 3 B C 机转子受到一个反应转矩，在 A 此转矩的作用下，转子必然转 到左图所示位置：1、3齿与A、 A′极对齐。