电机与拖动第8章.ppt

第8章 控制电机,8.1伺服电动机 8.2 测速发电机 8.3 无刷直流电动机 8.4 步进电动机 8.5 自整角机 8.6旋转变压器 8.7直线电动机,8.1伺服电动机,8.1.1 直流伺服电动机,直流伺服电动机的基本结构与普通小型直流电动机相同，直流伺服电动机的基本工作原理与普通直流电动机相同。 直流伺服电动机按照控制方式的不同分磁场控制和电枢控制两种。,1. 电枢控制直流伺服电动机的工作特性,图8-1 电枢控制原理图,直流伺服电动机的特性主要指机械特性和调节特性。,根据直流电动机的机械特性方程式,8.1伺服电动机,图8-2不同控制电压下的机械特性,得机械特性为一直线,n0 -理想空载转速 Tk-堵转转矩 -直线斜率,图8-3 不同负载时的调节特性,由下式,得调节特性,8.1伺服电动机,2. 磁场控制直流伺服电动机的工作特性,磁场控制是指在电枢绕组加恒定电压，而励磁回路加控制电压信号，尽管磁场控制也可达到改变控制电压来改变转速的大小和旋转方向的目的，但因随着控制信号减弱其机械特性变软，而调节特性为非线性的，故这种控制方式很少采用。,由以上分析可见电枢控制时直流伺服电动机的机械特性和调节特性均为线性，这种线性特性是理想的特性曲线可实现高精度控制。,8.1伺服电动机,8.1.2 交流伺服电动机,交流伺服电动机的基本结构和普通异步电动机相似，常用的转子结构有两种，笼型转子和非磁性空心杯转子。定子一般为两相绕组，它们在空间相差90°电角度。其中一相绕组为励磁绕组，运行时接至电压为的交流电源上；另一相则为控制绕组，施加与同频率、大小或相位可调的控制电压，通过改变的大小或相位控制伺服电动机的起、停及运行转速。,1.交流伺服电动机的工作原理,图8-4交流伺服电动机原理图,若控制电压 为零，则电机气隙内的磁场为脉振磁场，电机无起动转矩，转子不转；若有控制信号加在控制绕组上，且控制绕组中流过的电流与励磁绕组中流过的电流不同相位，则在气隙内建立一旋转磁场电机具有起动转矩，转子就可转动。,8.1伺服电动机,（b）,(a) (b),(c),图8-5自转现象与转子电阻的关系,如消除了“自转”现象电机就能达到可控目的。为了实现无“自转”现象，由单相异步电动机的工作原理可知电机必须具有足够大的转子电阻。,8.1伺服电动机,2.交流伺服电动机的控制方式,交流伺服电动机的控制方式有三种：（1）幅值控制； （2）相位控制； （3）幅值-相位控制。,（1）幅值控制时的特性,（a）原理接线图 （b）电压相量图,图8-6幅值控制,控制电压 的相位不变仅改变控制电压幅值来改变电机的转速,8.1伺服电动机,图8-7 幅值控制时的机械特性 图8-8 幅值控制时的调节特性,通常将控制电压Uc与归算到控制绕组的电源电压U1之比e称为幅值控制时的有效信号系数，即有,当改变控制电压时，有效信号系数相应改变，取e=1、0.75、0.5、0.25时的一组机械特性和调节特性曲线,8.1伺服电动机,（2）相位控制时的特性,控制电压 的大小不变仅改变控制电压的相位,（a）原理电路图； （b）电压相量图,图8-9相位控制,8.1伺服电动机,图8-10相位控制时的机械特性 图8-11相位控制时的调节特性,当改变控制电压相位时，有效信号系数相应改变，得到一组相位控制的 机械特性和调节特性,8.1伺服电动机,（3）幅值-相位控制时的特性,图8-12 幅值-相位控制,这种控制方式一般是在励磁绕组串联电容Ca进行分相,8.1伺服电动机,图8-13 幅值-相位控制时的机械特性 图8-14幅值-相位控制时的调节特性,这种控制方式简单方便不需要移相装置，利用串联电容就能在单相交流电源上获得控制电压和励磁电压的分相，是实际应用中最常见的一种控制方式。,8.1伺服电动机,8.1.3交流伺服电动机与直流伺服电动机的性能比较,1、机械特性和调节特性 直流伺服电动机的机械特性和调节特性都是线性的，且在不同控制电压下机械特性是平行的，斜率不变。而交流伺服电动机的机械特性和调节特性都是非线性的，这种非线性特性将影响系统的动态精度。 2、“自转”现象 交流伺服电动机可能 出现“自转”现象，而直流不存在“自转”问题。 3、体积、重量和效率 交流伺服电动机的转子电阻很大，因此其损耗大、效率低。它只适用于小功率系统，对于功率较大的控制系统则多地采用直流伺服电动机。 4、结构、运行可靠性及对系统的干扰等 直流伺服电动机结构复杂，而且维护比较麻烦；存在换向火花问题，会对其它仪器和无线电通讯等产生干扰。 交流伺服电动机结构简单，运行可靠，维护方便，使用寿命长，特别适宜于在不易检修的场合使用。,8.2测速发电机,测速发电机是一种把转子转速转换为电压信号的机电式元件。它的输出电压与转速成正比关系，即,按励磁方式不同，直流测速发电机可分为电磁式和永磁式两大类。其结构和工作原理与普通直流发电机基本相同。,8.2.1直流测速发电机,图8-15 直流测速发电机原理 图,空载时,1、输出特性,8.2测速发电机,由于负载电流 ，可得,可见，当磁通不变时Ua与n之间就成正比关系。当负载RL变化时，将使输出特性斜率发生变化。,图8-16 不同负载时的理想输出特性,当接负载时，电压平衡方程式为,8.2测速发电机,2、误差分析,测速发电机在实际运行中，输出电压与转速之间并不能严格地保持正比关系，即出现线性误差。产生误差的主要原因有以下几点。,图8-17输出特性曲线,（1）电枢反应的影响 因电枢反应对主磁场有去磁效应，所以即使电机励磁电流不变，负载后气隙合成磁通将减小。使输出特性偏离直线。 （2） 电刷接触压降的影响 接触电阻是随着负载电流变化而变化的，因此接触电阻也是破坏线性关系的因素之一。 （3） 温度的影响 在电磁式测速发电机中，因励磁绕组长期通电，其阻值也相应增大，使励磁电流减小，从而引起磁通下降，造成线性误差。,8.2测速发电机,8.2.2 交流测速发电机,交流测速发电机分同步测速发电机和异步测速发电机两大类。因异步测速发电机定子输出绕组感应电动势频率恒为励磁电源的频率，与转速无关，其大小与转速成正比，所以交流测速发电机广泛应用在自动控制系统中。因此本节只介绍交流异步测速发电机。,1、基本结构及工作原理,图8-18 杯形转子交流测速发电机结构图,交流测速发电机的结构与交流伺服电动机相同，定子上有两相正交绕组，其中一相接电源励磁，另一相则用来输出电压信号。转子有鼠笼式和非磁性空心杯式两种。,8.2测速发电机,（a）转子静止 （b）转子旋转 图8-19 交流测速发电机工作原理,当励磁绕组外加恒定的交流电压 时，便有电流流过，产生频率为的直轴脉振磁通。由图8-19（a）可见当转子静止时，电机气隙中只有直轴磁通，而输出绕组与直轴磁通无匝链,输出电压为零，没有信号电压输出。,8.2测速发电机,当转子以转速n旋转时，转子导体切割励磁磁场还产生旋转电动势，方向由右手定则判断如图8-19（b）所示，为分析方便上、下半个圆周上的导条分别用一根导体代替，则转子导体切割励磁磁场产生的旋转电动势为,式中 为常数； 为转子直径； 为旋转电动势有效值,在输出绕组中产生感应电动势为,而且,则,8.2测速发电机,2、交流测速发电机的误差分析,（1） 线性误差 由式上式可见， 当磁通不变时输出电压与转速成严格的线性关系，但推得此公式是忽略了定子漏阻抗，以及忽略转子杯导条的漏阻抗，若考虑这些因素，直轴磁通的大小是变化的，因此产生了线性误差。 （2） 相位误差 输出电压与励磁电压之间的相移也随转速的变化而变化。 （3） 剩余电压 理想的测速发电机在转速为零时输出电压应为零，但实际上即使转速为零输出电压并不为零，这时输出绕组中所产生的电压称为剩余电压。 产生剩余电压产生的原因很多主要有两个方面：一是制造工艺问题，二是导磁材料的磁导率不均匀以及非线性产生高次谐波磁场，这些谐波磁场将在输出绕组中感应高次谐波电势。,8.3无刷直流电动机,无刷直流电动机利用电子开关线路和位置传感器取代了电刷和换向器使得无刷直流电动机既具有直流电动机机械特性和调节特性，又具有交流电动机运行的可靠性、维护方便等优点，现已得到越来越广泛的应用，如用于军事工业、家用电器、精密机床，载人飞船等高精度伺服控制系统中。 无刷直流电动机是由电动机、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成，其原理框图为图8-21。,图8-21无刷直流电动机原理框图,8.3无刷直流电动机,8.3.1 无刷直流电动机的基本结构,图8-22 嵌入式转子结构,无刷直流电动机就电动机本体而言是一种采用永磁体励磁的同步电动机，所以也称为无刷永磁直流伺服电动机，它的定子结构与普通同步电动机基本相同，铁心中嵌有多相对称绕组，而转子则由永磁体取代了电励磁同步电动机的转子励磁绕组。图8-22为嵌入式转子结构，永磁体嵌入转子铁心表面的槽中。,8.3无刷直流电动机,8.3.2. 无刷直流电动机的工作原理,图8-23直流电动机工作原理图,无刷直流电动机本质上类似一台反装式直流电动机。在直流电动机中，通常磁极装在定子上，电枢绕组位于转子上。由电源向电枢绕组提供的电流为直流，通过电刷和换向器使转子绕组电流方向随时改变即所谓换向。图8-23为直流电动机工作原理图，由于电刷位于几何中性线处，使与始终相互垂直，保证电动机在最大电磁转矩下运行。,8.3无刷直流电动机,无刷直流电动机是将直流电动机反装，即将永磁体磁极放在转子上，而电枢绕组成为静止的定子绕组，为了使定子绕组中的电流方向能随其线圈边所在处的磁场极性交替变化，需将定子绕组与电力电子器件构成的逆变器连接，并安装转子位置检测器，以检测转子磁极的空间位置，根据转子磁极的空间位置控制逆变器中功率开关器件的通断，从而控制电枢绕组的导通情况及绕组电流的方向，使电枢绕组产生的磁势与主极磁势保持一定角度从而产生电磁转矩。完成换向器直流电动机的换向功能。 电子开关线路的作用是根据转子位置适时地给相应的定子绕组通电。目前最常见的无刷直流电动机定子绕组为三相。当绕组为星形连接时，其逆变器可以采用桥式电路，也可以采用半桥电路；当绕组为角形连接时，逆变器只能采用桥式电路。以三相无刷直流电动机为例，三种连接方式如图8-24所示。目前应用做多的是图8-24（b）所示三相星形桥式电路。,8.3无刷直流电动机,（a） （b）,（c）,图8-24三相无刷直流电动机绕组连接方式,8.3无刷直流电动机,下面以图8-25所示的星形全桥接法三相无刷直流电动机为例，对无刷直流电动机的具体工作情况作进一步分析。,图8-25三相无刷直流电动机原理图,8.3无刷直流电动机,图8-26表示出电机转子在几个不同位置时，定子绕组的通电情况，根据电枢磁势与转子磁势的相互作用，分析电机所产生的转矩。,（a）1、6导通 （b）3、2导通,（c）5、4导通,图8-26电枢磁势与转子磁势的相互关系,8.3无刷直流电动机,为方便起见上述分析只是给出了几个瞬间的情况，实际的导通顺序为V6V1V1V2V2V3V3V4V4V5 V5V6，是按照转子每转过60°电角度，就进行一次换相，一个循环通电状态完成后，转子转过一对磁极，对应于360°电角度，即一个循环需进行6次换相，相应地定子绕组有6种导通状态，而在每个60°区间都只有两相绕组同时导通，这种工作方式常称为二相导通三相六状态。 无刷直流电动机中的位置传感器是用来检测转子磁极的空间位置，并发出相应的信号控制可控硅元件的通断，使定子绕组产生的磁势与转子主极磁势之间呈一定角度，产生电磁转矩使转子产生连续转动。所以位置传感器是无刷直流电动机的重要组成部分。,8.3无刷直流电动机,8.3.3 无刷直流电动机的电磁转矩和运行特性,1、电磁转矩,而三相无刷直流电动机的电磁功率瞬时值为,在理想情况下任意时刻三相绕组中均有两相导通，一相电动势为Ep、电流为Id；另一相电动势为-Ep、电流为-Id。所以任意时刻均有,则电动机的瞬时电磁转矩为,8.3无刷直流电动机,因为,所以,上式表明，无刷直流电动机的电磁转矩公式与普通有刷直流电动机相同，若不计电枢反应磁动势对气隙磁场的影响，转矩系数Kt为常数，通过控制定子电流大小就可以控制电磁转矩，因此无刷直流电动机具有与有刷直流电动机同样优良的控制性能。,2、运行特性,由图8-26可见在任意时刻电路连接情况均为同时导通的两相绕组串联后跨接在直流电源电压Ud两端，若不考虑电枢绕组电感的影响，且忽略功率开关的管压降，根据基尔霍夫定律得直流回路的电压平衡方程应为,8.3无刷直流电动机,因为,可得无刷直流电动机的转速公式为,又因为,可得机械特性方程式,可见，无刷直流电动机的机械特性方程同他励直流电动机在形式上完全一致。,8.3无刷直流电动机,图8-27机械特性曲线 图8-28调节特性曲线,由以上分析可见，无刷直流电动机的机械特性和调节特性均为线性，可通过调节电源电压实现无级调速，因此无刷直流电动机与直流电动机一样具有优良的伺服控制性能。,8.3无刷直流电动机,8.3.4无刷直流电动机的PWM控制方式,由机械特性方程可知，要调节无刷直流电动机的转速，需改变直流电压Ud。因加到定子绕组的电压是施加到同时导通的两相定子绕组间的线电压，我们可以在直流电源电压Ud一定的情况下，通过对逆变器的功率开关进行PWM控制，连续地调节施加到电机绕组的平均电压和电流，从而实现转速调节，无刷直流电动机大多采用这种控制方式。,进行PWM控制时可以对上、下桥臂两只功率开关同时进行PWM通、断控制，也可以只对其中之一进行通断控制，而另一只功率开关保持连续导通状态（仅进行换相控制，而不进行PWM控制），前者称为反馈斩波方式，后者称为续流斩波方式。下面说明两种斩波方式的具体工作情况。,8.3无刷直流电动机,若PWM周期为T，每个开关周期中导通时间为ton，则施加到定子绕组的电压平均值为,（a） （b）,（c）,图8-29 PWM控制时的电流路径,（a）PWM导通期间的电流路径；（b）反馈方式时PWM关断期间的电流路径； （c）续流方式时PWM关断期间的电流路径,8.3无刷直流电动机,（a） （b） 图8-30 不同斩波方式时的绕组电压波形,（a）反馈方式时的绕组电压波形；（b）续流方式时的绕组电压波形,当采用续流斩波方式时，只对V1或V6进行PWM控制，另一只功率开关始终导通（只受换相信号控制）。以对V1进行斩波控制为例，在PWM导通期间V1导通，则V1、V6同时导通，电流路径与图8-29（a）所示的反馈斩波方式下相同，绕组电压为Ud；在PWM关断期间，V1关断，而V6持续导通，电流路径如图8-29（c）所示，电流经D4、V6续流，A、B两相绕组短路，电压为零，施加到定子绕组的电压波形如图8-30（b）所示，易得此时定子绕组电压平均值为,8.3无刷直流电动机,可见采用PWM方式时，在直流电压Ud一定的条件下，通过改变PWM信号的占空比 就可以改变加到无刷直流电动机定子绕组的电压平均值，从而调节电机的转速。,无刷直流电动机是电子学与旋转电机相结合的一种新型伺服电机。由于电机本体采用无刷结构，维护简单可在恶劣环境中长期运行，电机的使用寿命长；调速性能好，电机从零到额定转速可实现无级调速；控制方便，对变化的负载能进行稳定的运行和随时增加转速的控制，并能连续的进行正、反转运行；控制装置时间常数小快速响应性好，控制精度高，运行可靠性高，目前被广泛的应用于控制系统中。,8.4 步进电动机,步进电动机属于一种特殊运行方式的同步电动机。它由专门电源供给电脉冲，并将输入的脉冲电信号变换为角位移或直线位移，也就是给一个脉冲信号，电动机就转一个角度，因此这种电动机叫步进电动机。因为它输入的既不是正弦交流，也不是恒定直流，而是脉冲电流，所以又叫做脉冲电动机。是数字控制系统中一种重要的执行元件。,8.4.1 反应式步进电动机的基本结构和工作原理,图8-31 四相反应式步进电动机的结构,图8-31为反应式步进电动机典型结构图。为四相八极反应式步进电动机每极上套有一个集中绕组，相对两极的绕组串联构成一相。转子只有齿槽没有绕组，图中转子齿数为50个，定子每个磁极上有5个小齿。为了适应不同步距角的要求。,8.4 步进电动机,图8-32为一台四相八极反应式步进电动机示意图，定子铁心无小齿，相对两极的绕组串联成一相，转子只有六个齿，齿宽等于定子极靴的宽度。反应式步进电动机的工作原理是利用凸极转子交轴与直轴磁阻不相等产生反应转矩而转动的。,（a）A相通电 （b）C相通电 （c）B相通电 （d）D相通电 图8-32 四相单四拍运行,8.4 步进电动机,由图8-32可见电源每切换一次，步进电动机转子旋转15°，这种电源的通电方式每变换一次，称为一拍，每一拍转子所转过的角度称为步距角用表示。电源每切换四次后开始重复，即一个循环为四拍，每次只接通一相绕组的四相供电方式称为“四相单四拍运行”。如果每次同时接通两相绕组，如ACCBBDDA，也是四拍一个循环，则这种供电方式称为“四相双四拍运行”，不难看出这种四相双四拍供电方式与四相单四拍供电方式的步距角相等。,除了以上这两种运行方式外，四相步进电动机还可以四相八拍运行，它的供电方式是上述单拍和双拍的组合即按AACCCBBBDDDA的顺序通电。这时，每一循环换接八次，总共有八种通电状态，所以称为“四相八拍运行”。四相八拍运行时转子每步转过的角度比四相四拍运行时要小一半，因此一台步进电动机采用不同的供电方式，步距角可有两种不同数值。,8.4 步进电动机,由上述工作原理分析可见，每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角，经过了一个通电循环后转子转过了一个齿距的距离，所以转子每步转过的空间角度（机械角度），即步距角为,式中，N为运行拍数， ，m为电机相数,为提高工作精度，就要求步距角很小。由式（8-28）可见，要减小步距角可以增加拍数N，相数增加相当于拍数增加，但相数越多，电源及电机的结构也越复杂。,因此每分钟转子所转过的圆周数，即转速为：,8.4 步进电动机,8.4.2步进电动机的运行特性,步进电动机的运行特性对正确使用步进电动机具有重要意义。反应式步进电动机的运行特性有三种，分别为静态运行特性、步进运行特性和连续脉冲运行特性。下面分别进行介绍。,1、静态运行特性,当控制脉冲停止时，步进电动机一相或几相通入恒定不变的直流电流，这时转子将固定于某一位置上保持不动，称为静止状态。静态运行特性是指在静止状态下，电磁转矩与转子失调角之间的函数关系， ，简称距角特性。,8.4 步进电动机,图8-34步进电动机的电磁转矩与失调角的关系,由此可见电磁转矩随转角作周期变化，变化的周期是一个齿距即电弧度，下式为 的关系式,式中 为最大静态转矩，它与通电状态及绕组内电流大小有关。对应的曲线如图8-35所示。,8.4 步进电动机,图8-35 步进电动机的矩角特性,如电机空载运行转子的稳定平衡位置在 处，如瞬间偏离此位置，且失调角在 范围内转子都能在 的作用下转到稳定平衡位置，所以两个不稳定平衡点之间的区域称为静稳定区。图8-35是单相通电状态时的矩角特性，如两相、三相同时通电时，矩角特性是两个或三个单相距角特性的合成。,8.4 步进电动机,2、步进运行特性,步进运行状态是指脉冲频率很低，下一个脉冲到来之前转子已走完一步，且转子已经停止。在这种运行状态下研究步进电动机的运行特性主要是对动稳定区和最大负载能力的分析。,（1） 动稳定区和稳定裕度,图8-36 空载运行时动稳定区和稳定裕度,动稳定区是指步进电动机从一种通电状态切换到另一种通电状态，不至引起失步的区域。显然，步距角越小，动稳定区越接近静稳定区。,稳定裕度用下式表示,式中 为单拍制运行时的步距角,8.4 步进电动机,（2） 最大负载能力（起动转矩）,步进电动机在步进运行时所能带动的最大负载可由相邻两条矩角特性交点所对应的电磁转矩来确定。,图8-37 最大负载能力的确定,由图8-37看出：当电机所带负载转矩 时，当改变通电状态时电机就能完成步进运行 ；否则电机就不能作步进运行。所以各相矩角特性的交点所对应的转矩是电机作单步运动所能带动的极限负载，也称为起动转矩。,8.4 步进电动机,3、连续脉冲运行特性,当步进电动机输入脉冲频率f 较高时，步进电机已不是一步步的运行，而是进入连续转动状态，这种运行状态称作连续脉冲运行状态。 当步进电动机在高频恒频运转时产生的平均转矩小于静态转矩。频率越高，电机的转速越快，平均转矩越低。将电机的转速和频率之间的关系称为矩频特性用图8-38表示。,图8-38 步进电动机的矩频特性,由图8-38可见电机的转矩随频率的上升而下降。其原因是由于定子绕组电感的影响，绕组电感有延缓电流变化的特性，频率越高，周期越短，电流来不及变化使电流减小，转矩大大下降，负载能力降低。,8.5 自整角机,自整角机是一种将转角变换成电压信号或将电压信号变换成转角，以实现角度传输、变换和指示的元件。它可以用于测量或控制远距离设备的角度位置，也可以在随动系统中用作机械设备之间的角度联动装置，以使机械上互不相联的两根或两根以上转轴保持同步偏转或旋转。通常是两台或多台组合使用。,8.5.1自整角机的功能与分类,图8-39自整角机结构示意图,自整角机的基本结构与一般同步电机相似，定、转子铁心均由高导磁率、低损耗的优质硅钢片叠压而成，定子铁心上嵌有对称三相绕组，称为整步绕组，转子采用单相励磁绕组，其转子结构形式分隐极式和凸极式两种，如图8-39所示为转子采用凸极式自整角机结构示意图。,8.5 自整角机,按其工作原理以及在自动控制系统中的作用不同，自整角机可分为控制式和力矩式两大类，力矩式自整角机具有执行功能主要用于指示系统中以实现转角的传输；控制式自整角机具有检测功能主要用于传输系统中将角度信号变换成电压信号输出。,8.5.2力矩式自整角机的工作原理,图8-40 力矩式自整角机接线图,图8-40为力矩式自整角机接线图ZLF为发送机，ZLJ为接收机，它们的励磁绕组接入同一单相交流电源，三相整步绕组按相序对应相接。 应用叠加原理分别考虑ZLF励磁磁通和ZLJ励磁磁通的作用,8.5 自整角机,图8-41转子电流与定子磁场相互作用产生转矩,为分析方便将ZLJ中的 分解成两个分量,8.5 自整角机,则,在该转矩作用下使失调角减小，当其为零后 ，转矩为零 使ZLJ转子轴线停止在与ZLF转子轴线一致的位置上,称为整步转矩,8.5.3控制式自整角机的工作原理,图8-42为控制式自整角机接线图。图中ZKF为控制式自整角机的发送机，ZKB为控制式自整角机的接收机，也称为自整角变压器，与力矩式自整角机的不同点在于其接收机不直接驱动机械负载，而是指输出一个与失调角有关的电压信号。,8.5 自整角机,图8-42控制式自整角机接线图,当ZKF的励磁绕组接交流电源励磁后，便产生一个在其轴线上脉振的磁场 ， 该脉振磁场的磁通在定子各相绕组中感应电势,在ZKF与ZKB的整步绕组回路中产生电流,8.5 自整角机,ZKF为控制式自整角机的发送机，ZKB为控制式自整角机的接收机，也称为自整角变压器，ZKF和ZKB的整步绕组对应联接。ZKB的转子绕组向外输出电压，该电压通常是接到放大器的输入端，经放大后再加到伺服电动机的控制绕组，来驱动负载转动。同时伺服电动机还经过减速装置带动ZKB的转子随同负载一起转动，使失调角减小，ZKB的输出电压随之减小。当达到协调位置时，ZKB的输出电压为零，伺服电动机停止转动。,8.5 自整角机,图8-43定子磁场的分解与合成,8.5 自整角机,x轴方向总磁通密度为,整理得：,同理得y轴方向总磁通密度为,8.5 自整角机,由上面的分析结果，可得出结论： （1）定子合成磁场仍为脉振磁场； (2) 合成磁场总是位于励磁绕组轴线上，即与励磁磁场在同一 轴线上,其幅值为 ，合成磁场空间位置不变，磁 场大小为时间的函数，所以定子合成磁场仍为脉振磁场。,当ZKB定子合成磁场的轴线与输出绕组轴线的夹角 时，合成磁场在输出绕组中感应电动势的有效值为,由于系统的自动跟随作用，失调角一般很小，可近似认为 ，,则ZKB的输出电压为,8.5 自整角机,图8-45ZKB的输出电动势,8.5.4自整角机的应用举例,这样输出电压的大小直接反映发送轴与接收轴转角差值的大小。,图8-46 液面位置指示器 1-浮子；2-平衡锤；3-自整角发送机；4-自整角接收机,浮子随液面的高度升降，通过滑轮带动自整角发送机ZLF的转子转动，接收机转子带动指针准确跟随着发送机转子的转角变化而偏转，从而实现了远距离位置的指示。,8.6 旋转变压器,旋转变压器是自动控制装置中的一类精密控制微电机。从物理本质看，可以认为是一种可以旋转的变压器，这种变压器的原、副边绕组分别放置在定子和转子上。当旋转变压器的原边施加交流电压励磁时，其副边输出电压将与转子的转角保持某种严格的函数关系，从而实现角度的检测、解算或传输等功能。,8.6.1旋转变压器的结构及分类,旋转变压器有多种分类方法，按输出电压与转子转角间的函数关系分，可以分为正余弦旋转变压器、线性旋转变压器和比例式旋转变压器等。,8.6 旋转变压器,(a) 结构示意图 (b) 绕组原理图 图 8-47 旋转变压器定、转子绕组,旋转变压器的结构示意图如图8-47（a）所示，其中S1-S2为定子励磁绕组，S3-S4为定子交轴绕组，两绕组结构上完全相同，在定子槽中互差90°对称放置；R1-R2为转子余弦输出绕组，R3-R4为转子正弦输出绕组。,8.6 旋转变压器,8.6.2正余弦旋转变压器,旋转变压器是旋转器件，定子绕组和转子绕组之间的耦合程度随转子转角的改变而改变，正余弦旋转变压器输出绕组的电压是与转子转角呈正弦和余弦函数关系。,1、正余弦旋转变压器的工作原理,图8-48旋转变压器的工作原理,（1）空载运行,设S1-S2轴线与R1-R2轴线的夹角为,励磁磁通在励磁绕组S1-S2、正弦绕组R3-R4和余弦R1-R2中感应电势分别为,8.6 旋转变压器,旋转变压器的变比,输出电动势与转子转角有严格的正、余弦关系。,忽略励磁绕组的电阻和漏抗，则,8.6 旋转变压器,（2）负载运行,图8-49正弦绕组接负载,正弦输出绕组R3-R4带上负载以后，其输出电压不再是转角的正余弦函数，这种输出特性偏离正余弦规律的现象称为输出特性的畸变。,将在其中感应电动势,8.6 旋转变压器,将 和 代入,可以看出，负载时由于交轴磁场的存在，在输出电压中多出 项，使旋转变压器的输出特性不再是转角的正弦函数，而是发生了畸变。并且负载阻抗越小，畸变愈严重。,8.6 旋转变压器,2、输出特性的补偿,当正余弦旋转变压器一个输出绕组工作，另一个输出绕组作补偿时，称为二次测补偿。,图8-51二次侧补偿正余弦旋转变压器,为了消除畸变，就必须设法消除交轴磁通的影响。补偿的方法有副边补偿、原边补偿及原副边补偿三种。,（1）二次侧补偿的正余弦旋转变压器,8.6 旋转变压器,在正、余弦绕组中产生的磁场分别为,此时，转子绕组中的电流 和 分别为,要达到完全补偿，正、余弦输出绕组中感应电动势的大小和相位应与空载时一样，即,8.6 旋转变压器,完全补偿应满足下式,所以应使,要达到完全补偿必须保证在任何条件下两输出绕组的负载阻抗总是相等，当负载阻抗 变化时，补偿阻抗 也应跟着作相应的变化，这在实际使用中存在一定难度，这是二次侧补偿存在的缺点。,8.6 旋转变压器,（2）一次侧补偿的正余弦旋转变压器,图8-52 一次侧补偿的正余弦旋转变压器,定子交轴绕组 对交轴磁通来说是一个阻尼线圈。因为交轴磁通在绕组 中要产生感应电流，根据楞次定律，该电流所产生的磁通是反对交轴磁通变化的，因而对交轴磁通起去磁作用，从而达到补偿的目的。,8.6 旋转变压器,（3）一、二次侧同时补偿的正余弦旋转变压器,图8-53一、二次侧同时补偿的正余弦旋转变压器,采用一、二次测同时补偿，副边接不变的阻抗，负载变动时副边未补偿的部分由原边补偿，从而达到全补偿的目的。,8.6 旋转变压器,3、旋转变压器的应用,旋转变压器被广泛应用于高精度随动系统中作角度信号传输元件，在解算装置中作解算元件，在计算机或数字装置中作轴角编码等。,图8-54为用旋转变压器求解直角三角形原理图，已知直角三角形的斜边C和对边A，求解邻边B和,角。,图8-54求解直角三角形原理图,8.6 旋转变压器,8.6.3 线性旋转变压器,将正、余弦旋转变压器的定子和转子绕组进行改接，就可变成线性旋转变压器。线性旋转变压器输出绕组的输出电压与转子转角成线性关系。,图8-55 线性旋转变压器原理图,8.6 旋转变压器,若不计S1-S2和R1-R2绕组的漏阻抗压降，根据电动势平衡关系可得,因输出绕组的电压为,所以旋转变压器输出绕组的电压为,8.6 旋转变压器,图8-56 线性旋转变压器输出特性曲线,由上图可见，在转角很小时，即在 范围内其输出电压可以看成是随转角的线性函数,可绘制出输出电压 与转子转角 的关系曲线,8.7直线电动机,直线电动机就是可作直线运动的电动机，直线电动机是由旋转电机演变而来，其工作原理与旋转电动机相同。原则上各种形式的旋转电机均可演变成相应的直线电动机，如异步电机、直流电机、同步电机、步进电机等。,8.7.1直线异步电动机,(a) 旋转感应电机 (b)直线感应电机 图8-57直线电机的演变过程,8.7直线电动机,行波磁场的线速度为,该行波磁场切割转子，将在其中产生感应电动势和电流，进而产生电磁转矩，使转子跟随行波磁场做直线运动，其速度为v，则转差率,（a） 单边型,图8-58单边型和双边型直线电机,（b）双边型,8.7直线电动机,8.7.2直线直流电动机,1、永磁式直线直流电动机,永磁式直线直流电动机的磁极由永久磁钢做成。可分为动圈式和动铁式两种。动圈式在用得较多，其原理结构如图8-59所示。永久磁钢在气隙中产生磁场，当可移动线圈中通入直流电流时，便产生电磁力，线圈沿着滑轨作直线运动，改变线圈中直流电流大小和方向，即可改变电磁力的大小和方向。,图8-59动圈式直线永磁直 流电动机结构图 1-移动线圈；2-永久磁钢；3-软铁,图8-60动铁式直线永磁直流电动机 1-固定线圈；2-电刷；3-永久磁钢；4-软铁,8.7直线电动机,当功率较大时采用电励磁方式，图8-61为电励磁式典型结构。当励磁线圈通电后产生磁通如图中虚线所示，当电枢绕组通入电流后，载流导体与磁通相互作用便在每极上产生轴向推力，磁极就沿轴向作往复运动。,2、电磁式直线直流电动机,图8-61电磁式动圈型直线直流电动机 1-极靴； 2-励磁绕组；3-非磁性端板；4-电枢绕组；5-电枢铁心,8.7直线电动机,直线电机的应用相当广泛，图8-62为电动门原理示意图，直线异步电动机的初级线圈为定子，电动门为直线电机的次级线圈为动子。当初级线圈通电后，在次级电动门钢板中产生电流，从而产生推力驱动电动门在道轨上作往复运动以完成打开和合关闭电动门的功能。,图8-62直线电动驱动电动门示意图,