第 八
章
控
制
电
机
§8.1 伺服电动机 §8.2 步进电动机 §8.3 测速发电机 §8.4 微型同步电动机 §8.5 自整角机 §8.6 旋转变压器 小结
§8.1 控制电机概述
直流电源供电 ?直流电动机： ?直流电机 ? 对外提供直流电 ?直流发电机： ? ? 静止的电力设备 ，实现能量 ?变压器： ? ?交流电机?三相异步电动机 ? ? ?同步电机 ?
这些电机在结构上、 这些电机在结构上、运行方式等方面均存在一定的 差别，但均基于电磁感应原理 而且电机在应用上、 电磁感应原理， 差别，但均基于电磁感应原理，而且电机在应用上、 性能指标等方面， 性能指标等方面，均着眼于 如功率、转矩、效率等 ? 力能指标： ? 作为能量转换装置来使 用 动力电机。 这类电机称为动力电机 这类电机称为动力电机。
伺服电动机 §8.1 控制电机概述 ? ?步进电动机 ?测速发电机 ? 常用控制电机有： ? 自整角机 ? ?旋转变压器 ? ?其它一些新型电机 ? 原理上和前面介绍的动力电机没有本质的区别，均基 于电磁感应原理，但在结构上有很多的特点，性能指 标、技术指标也不相同，应用上也不再以力能指标作 为关注点，而是关注于其控制性能与控制作用，如控 控制性能与控制作用， 控制性能与控制作用 制精度、响应速度、可靠性等方面，着眼于: 制精度、响应速度、可靠性等方面，着眼于
实现对控制信号的变换 和传递 ? 在控制系统中作为执行元件、信号(检测)元件
§8.1 控制电机概述
总结: 总结
?直流电动机 ? ? ?交流电动机 → 着眼点是力能指标， ?动力电机： ?变压器 ? ? ? ? 均是作为能量转换装置来使用 ? ? ? ? ?伺服电动机 ? ? ?控制电机： ?测速发电机 → 着眼于实现控制信号的变换和传递， ? ?步进电动机 ? ? ? ? 在控制系统中作执行元件或信号元件 ?
故要求控制电动机具有精度高，响应快， 故要求控制电动机具有精度高，响应快，可靠性高等
§8.2 伺服电动机 一、概述： 又称为执行电动机，在控制系统中作为 概述： 又称为执行电动机，
为执行元件。 为执行元件。
角位移 1、作用： 输入电压信号 ? 输出 信号 ? ?角速度 改变控制电压信号大小和极性（或相位），即可 改变电动机的转速和转向。
直流：输出功率较大，范围1 ~ 600 W，可上千瓦 2、分类： ? ?交流：输出功率较小，范围0.1 ~ 100 W
§8.2 伺服电动机 一、概述： 又称为执行电动机，在控制系统中作为 概述： 又称为执行电动机，
执行元件。 执行元件。
有信号转，无信号停； ?1. 可控性好： ? ?2. 快速响应，反应灵敏
?3. 稳定性好：即转矩T ↑→ 转速n均匀 ↓ ? ? 3、性能： ?4. 调速范围广：n能随控制电压信号的变化 ? 在较大范围内调节 ? ?5. 控制功率小，体积小，耗电省 ? ?6. 无自转现象：u = 0, n = 0 ?
§8.2 伺服电动机 一、概述： 又称为执行电动机，在控制系统中作为 概述： 又称为执行电动机，
执行元件。 执行元件。
4、应用： 广泛应用于机电一体化 的设备中， 应用于运动 控制系统中。
如：各类加工机械(数控机床、)、各类机器人、自 动化生产线、医疗设备、计算机(光驱、硬盘驱动器、 软驱等、打印机)等
§8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：
1、基本结构：类似于普通小型直流机，但一般较 、基本结构：类似于普通小型直流机， 细长，响应速度快。（GD 细长，响应速度快。（ 2小） 。（ 2、原理：类似于直流电动机。 、原理：类似于直流电动机。 以电机模型来做简要分析。
U f ? f I f ? Φ ? 电磁力定理 ?→ ?→ ? ? ? ?? ? ? ? → Ua ? Ia ? ?→ ? 拖动转子 T ?? ? ??→ n
§8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：
3、控制方式：伺服电机是将控制信号(一般为电 控制方式：伺服电机是将控制信号( 压信号)转变成速度信号输出， 压信号)转变成速度信号输出，该控制信号可以加到 电枢端，也可以加到励磁端。 电枢端，也可以加到励磁端。 施加的方式不同， 控制电压 uK 施加的方式不同，分为
这种控制方式好。 ?电枢控制：uc加在电枢绕组上。 ? ?电磁式直流伺服电动机：直流励磁 ? 励磁方式不同，又分为 ? ? ?永磁式直流伺服电动机：永久磁铁 ? ? ? ?磁场控制：uc 加在励磁绕组上。一般不用此方式。 ? 因其调节特性在某一范围内不是单值函数， ? ? 每个转速对应两个控制信号 ?
§8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：
Ra UK ? T = n0 ? β T 4、机械特性： n = 、机械特性： 2 Ce Φ C e C T Φ
采取电枢控制， 采取电枢控制，且忽略电枢反应
u K 不变： = f (T )为一直线 n ? n ?u K 变化： 0 ∝ U ? 一族平行直线，斜率 β 恒定 ? TL一定时 ? ? ? ? ? → u K ↑→ n ↑
如图。 如图。
§8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：
Ra UK ? T = n0 ? β T 4、机械特性： n = 、机械特性： 2 Ce Φ C e C T Φ
如图。 如图。
C Tφ 堵转转矩TK = U K : 当转速为0时的转矩。 Ra 不同的控制电压对应不同的堵转转矩。
§8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：
Ra UK ? T = n0 ? β T 4、机械特性： n = 、机械特性：
2 Ce Φ C e C T Φ
如图。 如图。
说明： 说明：堵转转矩反应了电机对某一控制 电压能作出反映的最大负载大小。 电压能作出反映的最大负载大小。反映 了直流伺服电机的负载能力。 了直流伺服电机的负载能力。对应某一 控制电压， 控制电压，若负载转矩 TL ≥ TK , 则电机堵转，达不到控制作用。 则电机堵转，达不到控制作用。
§8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：
Ra UK ? T = n0 ? β T 4、机械特性： n = 、机械特性： 2 Ce Φ C e C T Φ
如图。 如图。
机械特性曲线比较直观地反应出了转速随负载的 机械特性曲线比较直观地反应出了转速随负载的 比较直观地反应出了 变化情况，但对于控制电压U 变化情况，但对于控制电压 K对转速的控制作用在单 条曲线中没有反应出来，而是运动控制中， 条曲线中没有反应出来，而是运动控制中，为了控制 伺服电机的转速，需要知道电动机在带负载以后， 伺服电机的转速，需要知道电动机在带负载以后，转 速随控制电压U 变化的情况。 为直观反映控制电压 速随控制电压 K变化的情况。 为直观反映控制电压 UK对转速的控制作用，引入调节特性的概念。 对转速的控制作用，引入调节特性的概念。
§8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：
5、调节特性： 、调节特性： 一定( 一定) ①、当 T 一定(即 TL 一定)，电机稳态转速 n 与控制 的关系， 电压 uK 的关系，即 因： 所以： 所以：n 和
n = f (u K )
uK n= ? βT Ce Φ
之间是线性关系， uK 之间是线性关系，且改变 T，曲线平移
n ∝ u K 成线性关系 特点： 如图： ②、特点： ? 如图： ?n = 0时，负载TL不同，u K 不同
§8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：
5、调节特性： n = u K ? β T 、调节特性：
Ce Φ
如图： 如图：
始动电压：调节特性与横坐 始动电压： 标的交点(n=0) (n=0)称为某一转矩 标的交点(n=0)称为某一转矩 T时的始动电压，即对应于某 时的始动电压， 一负载转矩， 一负载转矩，电机处于待动 而未动的临界电压。 而未动的临界电压。其大小 为：
Ra u K＝ T CTφ
§8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：
5、调节特性： n = u K ? β T 、调节特性：
Ce Φ
如图： 如图：
①、当 某转矩对应的始动电 uK＜ 压时，则电动机不能起动 压时，
失灵区
§8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：
5、调节特性： n = u K ? β T 、调节特性：
Ce Φ
如图： 如图：
②、失灵区的大小与电磁转矩 (负载转
矩)的大小有关，为提 负载转矩)的大小有关， 高灵敏度， 高灵敏度，一般要求始动电压 小。
§8.2 伺服电动机 直流伺服电动机： 二、直流伺服电动机：
CT φ 堵转转矩：TK = Uk Ra
反映了直流伺服电机的负载能力。 反映了直流伺服电机的负载能力。
Ra T 始动电压： 始动电压： u K＝ CTφ
反映了直流伺服电机的灵敏度。 反映了直流伺服电机的灵敏度。 从对堵转转矩和始动电压的分析可知： 从对堵转转矩和始动电压的分析可知：
带负载能力 是互相制约的。 ? ?灵敏度
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
1、基本结构：类似于两相交流异步电动机。如图。 、基本结构：类似于两相交流异步电动机。如图。 空心杯转子的结构及特点： 空心杯转子的结构及特点： 转动惯量小 非磁性材料有助于产生涡流。
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
1、基本结构：类似于两相交流异步电动机。如图。 、基本结构：类似于两相交流异步电动机。如图。
?外定子： 嵌放励磁绕组和控制绕组 ? 两相绕组 ? ?定子 ?? ? →? ?内定子：不放绕组，仅做磁路的一部份 ? ? ? ? ? ? ?励磁绕组f → 接单相交流电U f 外定子? ? ? ? ? ?控制绕组C → 接控制电压U C ? ? ? 绕组空间相位差90 ，电压频率一致 ? ? ?气隙：大(因有两段)，需要的励磁电流大 ? ? ?转子： ?
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
1、基本结构：类似于两相交流异步电动机。如图。 、基本结构：类似于两相交流异步电动机。如图。
定子： ? ?气隙： ?转子：位于内外定子之间细长 ? ? ?鼠笼式 : 采用高电阻率导体，简单，类似单相异步机 ? ? ? 空心杯式：呈现杯形，用非磁 性材料 制成， ? ? ?? ? 壁厚0.2 ~ 0.6mm ? ? ? GD 2小，响应快，运行平滑，加工困难 ? ? ?
解释空心杯的含义。 解释空心杯的含义。
§8.2 伺服电动机 三、交流伺服电动机： 交流伺服电动机：
2、工作原理：类似于单相异步电动机。 、工作原理：类似于单相异步电动机。 ①、原理图： 原理图：
§8.2 伺服电动机 三、交流伺服电动机： 交流伺服电动机：
2、工作原理： 、工作原理： ②、原理分析： 原理分析：
励磁绕组f ?? ? ? → I f → 脉振磁势 → 转子无法起动? ? ? ?→ 施加控制信号U K → I K，和I f 不同相? ?
励磁电压U f
→ 椭园形旋转励磁 → 杯形转子感应涡流 ?φ作用下→ 起动转矩 → ?? 电机起动 → 旋转
U K 大小、相位变化 → 旋转磁场的 ? ?→ ?椭圆度变化 → 影响电磁转矩大小 → n变化
? ?转向变化 → 转子转向变化
实现控制
§8.2 伺服电动机 三、交流伺服电动机： 交流伺服电动机：
2、工作原理： 、工作原理： ②、原理分析： 原理分析： 当控制电压消失时(即Uc=0)时，电机将如何运行？ 当控制电压消失时 即 时 电机将如何运行？ 若为普通的两相电机，当控制电压消失时，电 普通的两相电机，当控制电压消失时， 普通的两相电机 机单相运行，转速将有所下降， 机单相运行，转速将有所下降，但仍将能继续旋转 前面介绍的单相电机就是这样工作的。 ，前面介绍的单相电机就是这样工作的。但对于控 制电机，是一种失控现象，称为自转 自转， 制电机，是一种失控现象，称为自转，对于控制电 机是不允许的。 机是不允许的。
§8.2 伺服电动机 三、交流伺服电动机： 交流伺服电动机：
2、工作原理： 、工作原理： ②、原理分析： 原理分析： 当控制电压消失时(即Uc=0)时，电机将如何运行？ 当控制电压消失时 即 时 电机将如何运行？
信号来，U K ≠ 0，电机动作 根据控制电机的可控性要求， ? ?信号消失，U K = 0，电机停转
否则认为失控。
电机的失控又称为自转，将影响控制的可靠性。
§8.2 伺服电动机 三、交流伺服电动机： 交流伺服电动机：3、性能指标及要求： 、性能指标及要求：
调速范围宽
? 机械特性线性度好 ? ?转子电阻大 ? 制造上保证 ??? 快速响应 ? ?转运惯量小 ? 无自转 ?
下面来分析讨论转子电阻大( 对电机性能的影响。 下面来分析讨论转子电阻大( r2 ↑ )对电机性能的影响。
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
3、性能指标及要求： 、性能指标及要求： 增大转子电阻大对电机性能的影响： 增大转子电阻大对电机性能的影响： ①无论单、三相感应电机，其稳定运行区域为 0 ~ sm ， 无论单、三相感应电机， 而一般的
sm 很小，表明稳定运行区域窄。若： 很小，表明稳定运行区域窄。
r2 ↑? sm ↑ ，扩大调速范围。
② r2 ↑? 还能改善稳定运行区域的线性度 ③ r2 ↑? 防止电机自转现象
§8.2 伺服电动机 三、交流伺服电动机： 交流伺服电动机：
4、自转现象讨论： 、自转现象讨论：
信号来， U K ≠ 0 ，电机动作 正常情况： 正常情况：? U K = 0 ，电机停转 ? 信号消失，
否则认为失控。
电机的失控又称为自转，将影响控制的可靠性。 电机的失控又称为自转，将影响控制的可靠性。
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
4、自转现象讨论： 、自转现象讨论： ①、自转现象1：如图
。 自转现象1 如图。
U ?U K 到 来之前： f 产生脉振磁场，电机无法起动； ? ?U K 一到 ：和U f 一起产生旋转磁场， ? ? ? 运行在A点； ?U 再消失： 只有 U f 产生脉振磁场， K ? ? 但电机仍能运行在B点 ? 失控 ?
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
4、自转现象讨论： 、自转现象讨论： ①、自转现象1：如图。 自转现象1 如图。 ②、失控现象2：如图。 失控现象2 如图。
UK = 0 ? ? → 电机能够起动起来 但外界振动，干扰使n ≠ 0? 出现自转现象 ? 失控 ?
以上两种自转现象均是在没有控制电压的情况下， 以上两种自转现象均是在没有控制电压的情况下， 电机仍有与原转速方向一致的电磁转矩 与原转速方向一致的电磁转矩； 电机仍有与原转速方向一致的电磁转矩；在交流伺服 电机中如何来防止自转呢？ 电机中如何来防止自转呢？ 设法产生一个与原转速方向相反的电磁转矩， 设法产生一个与原转速方向相反的电磁转矩，使电 机在控制电压为0时停止转动。 机在控制电压为0时停止转动。
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
4、自转现象讨论： 、自转现象讨论： ①、自转现象1：如图。 自转现象1 如图。 ②、失控现象2：如图。 失控现象2 如图。 ③、解决措施： 解决措施：
r2 ↑? 防止电机自转现象
讨论
当r2较小时：
单相绕组(u k = 0)时的特性曲线如图。 ? n > 0? ?→ ?一象限： ? ? 拖动作用，n ↑ T > 0? ? ? ? n ?三象限：
当r2 ↑↑ 时 :
n1 ? n ? ? F+ → Tm 对应的转差率sm ↑ ( sm = n > 1) ? 1 ? sm ↑→ ? ? F → T 对应的转差率s′ ↑ ( s′ = ? n1 ? n > 1) m m m ? ? ? n1 ? ? 合成转矩位于二、四象限，如图： ? n > 0? ?二象限： ? → 反向 → 制动作用，n ↓ T 0? ? ? n、T总是反向 ? 不能自转 ? 即一旦控制信号消失，因r2 ↑↑→ T制动，停转。
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
4、自转现象讨论： 、自转现象讨论： ①、自转现象1：如图。 自转现象1 如图。 ②、失控现象2：如图。 失控现象2 如图。 ③、解决措施： 解决措施：
r2 ↑? 防止电机自转现象
结论：在电机设计时应 结论：
sm =
r2
′ ′
x1 + x 2
≥ 1，即r2 ≥ x1 + x 2
′
′
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
5、控制方式： 、控制方式：
U K 大小、相位变化 → 旋
转磁场的
椭圆度变化 → 影响电磁转矩大小 → n变化 ? ?转向变化 → 转子转向变化
(1)、幅度控制： (2)、相位控制： (3)、幅相控制：
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
5、控制方式： 、控制方式： (1)、幅度控制： 接线图： ①. 接线图： 原理： ②. 原理： ? ? 保证 U K、U f 相位差为 度（通过移相电路实现）， 90 ? 改变控制电压 U 的大小来控制电机转速
C
③．信号系数
α
：控制信号的大小对电机的控制 控制信号的大小对电机的控制 作用可通过幅值控制信号系数来 描述。 描述。
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
5、控制方式： 、控制方式： (1)、幅度控制： ③．信号系数
α
控制信号的大小对电机的控制作用可通过幅值 控制信号系数来描述。 控制信号系数来描述。 ? ? 一般控制绕组额定电压 U CN = U f ，那么控制信号的
UC UC 信号系数 α = U = U CN f
? ?α = 1：U CN = U f 幅值相等，相位差90度 → 园形旋转磁场 → 电磁转矩T最大 ? ? ? ?α ↓ ：椭园度增大， 电磁转矩T越少，电机转速越慢 ?→ → ?α = 0：脉振磁场，电机停转 ? ?
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
5、控制方式： 、控制方式： (2)、相位控制：
①. 接线图：通过移相器来改变相位差
β
②.原理： ? ? ? ? 保证U K 和U f 幅值 一致不变，通过改变U K 和U f 相位差
大小来控制电机转速和转向。
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
5、控制方式： 、控制方式： (2)、相位控制： ①. 接线图： ②.原理：
β
改变相位差 β ，可改变控制绕组内的电流 I C和励磁电
的相位差，从而改变旋转磁场的 ?椭园度 If ? ?转向
实现转向、转速的改变
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
5、控制方式： 、控制方式： (2)、相位控制： ③.信号系数： 信号系数：
sin β 称为相位控制的信号系数。 称为相位控制的信号系数。
控制信号与励磁电压相位差 β 的变化对电机的 来描述。 控制作用可通过相位控制信号系数 sin β 来描述。 ④．相位控制时的机械特性和调节特性：类似幅值 相位控制时的机械特性和调节特性： 控制，呈现非线性。 控制，呈现非线性。
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
5、控制方式： 、控制方式： (3)、幅相控制
幅值-相位复合控制，这种方法较前面两种方法输 幅值 相位复合控制， 相位复合控制 出功率大，且不用移相装置，成本低，多被
采用。 出功率大，且不用移相装置，成本低，多被采用。 ①. 接线如图： 励磁回路串电容，控制回路通过电位器调电压。
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
5、控制方式： 、控制方式： (3)、幅相控制 ②.原理： ? 改变控制电压 U K 大小， ? ? U 、U 的相位差 也随之改变，实现转速调节。
K f
③．幅相控制时的机械特性和调节特性：类似幅值控 制，但线性度稍差。 ④.优点：控制线路简单，无须复杂的移相设备，只需 电容分相，成本低，输出功率大的优点，实际应用较 多。
§8.3 步进电动机 概述： 一、概述：
?将输入的脉冲电信号 → 角位移输出 ? ? 一个脉冲信号 ?对应 → 转过一个角度 ? ? ? ?功能： ? ? ?角位移 ∝ 脉冲数 ? ? ?转向和脉冲的给出的方式有关 ? ? ? ?反映式步进电机 ? ? ?分类： ?永磁式步进电机 ? ?混合式步进电机 ? ? ?
下面介绍反应式步进电动机
§8.3 步进电动机 基本结构： 二、基本结构： ：
?相数m = 2 ~ 6 ? 每个磁极上套有控制绕 组， ?定子? ?定子磁极数 2m ? ? 相对的励磁绕组为一相 ， 即 ? ? ? 每一相绕组绕在相对的 两磁 ? ? 极上。 ?转子：转子齿。齿宽与 定子磁极极靴宽度相等 ， ? ? 由硅钢 片叠成 ?
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
相数m = 3 设 ?定子磁极2m = 6：分别用 A、B、C、A ′、B′、C′表示 ? ?转子齿数 4：分别用1、、 4表示 2 3、 ?
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
1.运行过程分析： 1.运行过程分析： 运行过程分析 ①. A相通直流脉冲信号 ，B、C相绕组不通电：
A、A′磁极 磁力线分布 如图示： ? ?磁轭 ?转子齿1和A正对 3 ?转子齿1、 ，即? 轴线重合。 ? ?A、A′ ?转子齿3和A′正对
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
1.运行过程分析： 1.运行过程分析： 运行过程分析 ①. A相通直流脉冲信号
3 ?转子齿1、 即? 轴线重合。 ?A、A′
，B、C相绕组不通电：
说明： 说明： ● 若二者轴线开始不重合，
A、A′磁力线力图通过磁阻最小的路径 ????????????????? → ?
转子将受到磁阻转矩（即反应转矩）的作用，使转子 转到轴线重合的位置。
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利
用反应转距（不同于电磁转距）
1.运行过程分析： 1.运行过程分析： 运行过程分析 ①. A相通直流脉冲信号
3 ?转子齿1、 即? 轴线重合。 ?A、A′
，B、C相绕组不通电：
说明： 说明： ● 反应转矩：又称磁阻转矩， 不同于电磁转矩； 反应转矩的作用：一方面可带动转子转动， 另一方面，又可防止转子自由转运。分析。 分析。 分析
●
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
1.运行过程分析： 1.运行过程分析： 运行过程分析 ①. A相通直流脉冲信号
3 ?转子齿1、 即? 轴线重合。 ?A、A′
，B、C相绕组不通电：
说明： 说明： ● 图中位置转子只受到径向力作用，反 映转矩为零。
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
1.运行过程分析： 1.运行过程分析： 运行过程分析 ②.A、C相绕组断电，B相加脉冲信号，如图 切换瞬间，磁力线以B相磁极轴线对称分布，如图。 因
B′和转子齿4的距离要近过转子齿1 ? ?B和转子齿2的距离要近过转子齿3
所以磁力线力图沿B → 2 → 4 → B′通过? ?? 此时BB′、 轴线不重合 24 ? 产生反应转矩
°
使转子逆时针转过30
使轴线重合 ? 磁阻最小
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
1.运行过程分析： 1.运行过程分析： 运行过程分析 ③.B、A相绕组断电，C相加脉冲信号，如图 切换瞬间，磁力线以C相磁极轴线对称分布，如图。
C 磁力线路径： → 3 → 1 → C′
类似上述分析，可知转子又转过30
C、C′ 轴线重合。 使 ? 3 ?1、
°
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
1.运行过程分析： 1.运行过程分析： 运行过程分析 ④. C、B相绕组断电，A相加脉冲信号，如图 切换瞬间，磁力线以A相磁极轴线对称分布，如图。 磁力线路径：A
→ 4 → 2 → A′
类似上述分析，可知转子又转过30
A、A′ 使 ? 轴线重合。 4 ?2、
°
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
1.运行过程分析： 1.运行过程分析： 运行过程分析 结论： 结论： （1） 按A → B → C → A…… 顺序轮流加电脉冲 ? 信号，则转子齿按逆时针方向一步步地转运。 信号，则转子齿按逆时针方向一步步地转
运。 （2）若改变通电顺序，转子转向改变。 若改变通电顺序，转子转向改变。
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
2、基本概念： 、基本概念： 一拍： ①一拍：控制绕组从一种通电状态切换到另一种通 电状态，称为一拍。即改变一次通电方式为一拍。 电状态，称为一拍。即改变一次通电方式为一拍。 步距角： 每一拍转过的角度。 ②步距角： θ s 每一拍转过的角度。 ③三拍：经过三次通电状态的转换完成一次通电状态 三拍： 的循环。转过一个转子齿对应的空间角度。 的循环。转过一个转子齿对应的空间角度。 ④三相：定子有三相绕组。 三相：定子有三相绕组。 每次只有一相绕组通电。 ⑤单：每次只有一相绕组通电。 ⑥双：每次有两相绕组通电。 每次有两相绕组通电。
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
3、控制方式： 控制方式： ①三相单三拍： 三相单三拍： 每次只有一相绕组单独通电， 每次只有一相绕组单独通电，控制绕组每换接三次 通电状态构成一个通电状态的循环的控制方式。 通电状态构成一个通电状态的循环的控制方式。 上例中通电方式为 A → B → C → A…… 对应的步距角
θ b 为30
°
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
3、控制方式： 控制方式： ②三相双三拍： 三相双三拍： 每次有两相绕组同时通电， 每次有两相绕组同时通电，控制绕组每换接三次通 电状态构成一个通过状态的循环的控制方式。 电状态构成一个通过状态的循环的控制方式。 其通电方式为 AB → BC → CA → AB…… 可知其步距角 θ b 为30
°
分析 分析
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
3、控制方式： 控制方式： ②三相双三拍：当A、B两相绕组同时加电脉冲信号时 三相双三拍：
通过转子齿1、 3 ? ?A相绕组产生的定子磁场 ?? ? ? ? ??→ 反应转矩T1 ? 、 4 ?B相绕组产生的定子磁场 ?通过转子齿2?→ 反应转矩T ????? 2 ?
二者大小相等，方向相 反 ? 平衡。 ?
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
3、控制方式： 控制方式： ②三相双三拍：当A、B两相绕组同时加电脉冲信号时 三相双三拍：
§8.3 步进电动机
工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
3、控制方式： 控制方式： ③三相单双六拍： 三相单双六拍： 控制绕组每换接六次通电状态构成一个通过状态的循 控制绕组每换接六次通电状态构成一个通过状态的循 六次 环的控制方式。 其通电方式为： 环的控制方式。 其通电方式为：
A → AB → B → BC → C → CA → A……
由图可见， 由图可见，其两拍转过的角度刚好和三相单三拍运行 方式一拍转过的角度一致。 方式一拍转过的角度一致。 可知其步距角 θ b 为15 °
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
3、控制方式： 控制方式： ③三相单双六拍： 三相单双六拍：
A → AB → B → ……
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
3、控制方式： 控制方式： ③三相单双六拍： 三相单双六拍： 若改变通电顺序， 若改变通电顺序，转向改变
A → AC → C → CB → B → BA → A……
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
3、控制方式： 控制方式： 4、总结： 总结： ①.采用双相通电方式运行，其稳定性要比单相方式好 采用双相通电方式运行， ②.采用单、双拍通电方式，其步距角是单拍方式或双 采用单、双拍通电方式， 拍方式的一半； 拍方式的一半； ③.一个通电状态的循环，转子转过的角度为转子齿对 一个通电状态的循环， 应的空间角度，为提高控制精度，需要增加转子齿数。 应的空间角度，为提高控制精度，需要增加转子齿数。
小步距角反应式步进电动机。
§8.3 步进电动机 小步距角反应式步进电动机分析： 四、小步距角反应式步进电动机分析：
定子磁极数为6，每个极靴上各有5个小齿 ? 以 ?相数m为3 ?转子齿数为40 ?
的反应式步进电动机为例。
§8.3 步进电动机 小步距角反应式步进电动机分析： 四、小步距角反应式步进电动机分析：
定、转子的齿宽、齿距相等， 转子的齿宽、齿距相等， 齿距是指：相邻两齿的中心线的距离， 齿距是指：相邻两齿的中心线的距离， 是指 用对应的空间角度 θ 表示，本例中为 1 表示，
θ1 = 360
40
= 9
相应的展开图如下： 相应的展开图如下：
§8.3 步进电动机 小步距角反应式步进电动机分析： 四、小步距角反应式步进电动机分析：
为定子磁极，每个
磁极上有5个小齿， 图中 A、B、C 为定子磁极，每个磁极上有5个小齿， 下面为转子齿。 表示一个齿距。 下面为转子齿。t表示一个齿距。
§8.3 步进电动机 小步距角反应式步进电动机分析： 四、小步距角反应式步进电动机分析：
1、动作过程分析： 、动作过程分析： 相加脉冲信号： ①.A相加脉冲信号： 相加脉冲信号
定子齿 A相下 正对齐，磁阻最小， ? ?转子齿 反应转矩T = 0, 此时B′相下齿中心线错开
1 2 t齿距，C相下错开 t齿距。 3 3
§8.3 步进电动机 小步距角反应式步进电动机分析： 四、小步距角反应式步进电动机分析：
1、动作过程分析： 、动作过程分析： 相加脉冲信号： ②.B相加脉冲信号： 相加脉冲信号 反应转矩使B相磁极下 反应转矩使 相磁极下 定、转子齿正对齐， 转子齿正对齐，
1 即相当于转子转过 t 3
此时A、 下各错开 此时 、C下各错开1 t
3
1 ，此时转子转过 t＝9° 3
相当于“一拍”对应转 子转过 3°
§8.3 步进电动机 小步距角反应式步进电动机分析： 四、小步距角反应式步进电动机分析：
2、步距角： b 、步距角： θ 根据每个通电循环(N拍 根据每个通电循环(N拍) (N 转子转过一个齿距( 转子转过一个齿距(对 应的机械角度为 θ = 360 Zr )的原则，可知 的原则，
360 =3 ?三相单三拍：θ b = ZrN ? ?三相单双六拍：θ = 1.5 b ?
（Zr：转子齿，N：一个循环拍数）
§8.3 步进电动机 小步距角反应式步进电动机分析： 四、小步距角反应式步进电动机分析：
2、控制方式： 、控制方式：
角度控制：当脉冲f 低时，每输入一个脉冲， ? ? 定子绕组改变一次通电状态， ? 转子转过一个θ b角； ? ?速度控制：当脉冲f 高时，形成连续运动， ? ? 60 f （r / min），每输入一个脉 ? n = ZrN ? 1 ? ? 冲转子转过 ZrN 转； ?
§8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：
静态运行 ? 步进电动机的运行可分为 ?步进运行 三种运行状态 ?连续运行 ?
不同的运行状态具有不同的运行特性。
§8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：
1.静态运行状态： 1.静态运行状态： 静态运行状态 ①.概念： 不改变步进电机通电状态，转子固定于某 该运行状态的特性通过矩角特性来反映。 矩角特性来反映。 矩角特性来反映 ②.矩角特性： 即 转子静态转矩 失调角 静态转矩与失调角 静态转矩 失调角之间的关系， 一位置时的运行状态。
T = f (θ)
§8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：
1.静态运行状态： 1.静态运行状态： 静态运行状态 ②.矩角特
性：转子静态转矩 失调角 静态转矩与失调角 静态转矩 失调角之间的关系， 即
T = f (θ)
静态转矩： 转子静态时受到的转矩，即反应转矩。 ? ?失调角： 转子偏离初始平衡位置（θ＝0）时的电角度，即定子齿 ? 与转子齿中心线之间的夹角，用电角度来表示。 ? ? ?电角度： 因控制绕组通电状态变化一个循环，转子正好转过一个 ? 齿，即一个转子齿对应电角度为360°，故将来定、转子 ? ? 齿错开平衡位置的大小可用电角度的大小来描述 ?
§8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：
1.静态运行状态： 1.静态运行状态： 静态运行状态 ②.矩角特性：T = f (θ )
静态转矩： ? ?失调角： ?电角度： ?
§8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：
1.静态运行状态： 1.静态运行状态： 静态运行状态 ③.矩角特性曲线： T = f (θ )
分析
（向右） ?T的正方向：顺时针方向 正方向规定： ? （向右） ?θ的正方向：顺时针方向
θ＝0： T＝0，即空载。 ? ?0＜θ＜90°： 当转子加一顺时针方向（向右）的负载转矩时， ? 转子偏离平衡位置θ角， 产生切线磁拉力 ? ? ? θ ↑→ ? T方向向右，T＜0， 和θ反向，且 T ↑ ? T ?θ＝90°： 最大 ? ?→ ?→ ?90°＜θ＜180°： 因磁阻 ↑↑ ? 磁力线 ↓↓ ? 磁拉力 ↓↓ ? ? T↓ ?→ ? ?θ＝180°： 转子齿处于两定子齿中间，受左右两个定子齿 ? ? 的磁拉力相等，T＝0 ?θ＞180°： 转子齿受左边定子齿的磁拉力作用，T＞0，此 ? ? 时转齿相对于另一齿 ? 180°＜θ＜0°的位置 ?
实践表明静转矩与失 调角的关系为： T = ?C sin θ，近似为一正弦曲线。
如图。 其中：C为常数，与控制绕组、控制电流、磁阻等有关
§8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：
1.静态运行状态： 1.静态运行状态： 静态运行状态
④.特点：T 0，即T总是和θ反向，使转子趋向平衡位置 ? ?T > 0，θ
静态运行时，当有外力作用使转子偏离平衡位置(即转 子齿与定子齿位置对齐位置)时，只要在
π
范围内，当外力去掉后，转子在静转矩的作用下，能 自动回到初始平衡位置。 当 时，为不稳定平衡点。因为：此时静转 θ = ±π 矩为0，但只要转子向左或向右稍微有一点偏离，转子 受到 左右两个方向的磁拉力不再相等而失去平衡。
§8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：
1.静态运行状态： 1.静态运行状态： 静态运行状态
④.特点：T 0，即T总是和θ反向，使转
子趋向平衡位置 ? ?T > 0，θ
⑤.结论： 结论
π
§8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：
1.静态运行状态： 1.静态运行状态： 静态运行状态 2.步进运行状态： 2.步进运行状态： 步进运行状态 概念： ①. 概念： 当脉冲频率较低时，加一个脉冲，转子走完一步， 当脉冲频率较低时，加一个脉冲，转子走完一步， 达到新的平衡位置以后，再加第二个脉冲， 达到新的平衡位置以后，再加第二个脉冲，走第二 步……，电机呈现出一转一停的状态，这种运行状态 ……，电机呈现出一转一停的状态， 称为步进运行状态. 称为步进运行状态.。 该运行状态的特性通过动稳定区概念来反映。 该运行状态的特性通过动稳定区概念来反映。 动稳定区概念来反映
§8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：
2.步进运行状态： 2.步进运行状态： 步进运行状态 动稳定区： ②.动稳定区： 动稳定区
从一种稳定通电状态(A相通电)，转换到另一种稳定 通电状态(如B相通电)，不会引起失步的区域。 假定理想空载。A相通电时的稳定平衡点为 O A ，B 相通电时的稳定平衡点为 O B ，从 O A 转到 O B为一拍，
θ 转子转过角度为： b ，即静稳定运行区相隔一个步距
角。
§8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：
2.步进运行状态： 2.步进运行状态： 步进运行状态 动稳定区： ②.动稳定区： 动稳定区
当f很低时：第一个脉冲结束后，转子处于O A 位置，转子稳定下后， ? ? 再加 第二个脉冲，转子转过θ b，稳定于O B点； ?当f较高时： 当第一个脉冲结束后，转子可能还没稳定下来，此时 ? ? ? 新的脉冲 又来了，但只要新脉冲来时(即通电状态改变时)， ? 转子 处于新脉 冲的静稳定运行区(B′ ~ B′′)之间(可以不在O A ? ? 位置)，即处于新脉 冲的矩角特性内，电动机的反应转矩都 ? ? 将使转子向O B点移动，达到这一新的平衡位置； ?
§8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：
2.步进运行状态： 2.步进运行状态： 步进运行状态 动稳定区： ②.动稳定区： 动稳定区 从以上的分析可知： 在通电状态换接的瞬间，只要转子位置位于后一相 的静态稳定区域内，转子就能在静态转矩的作用下趋 向新的稳定平衡点。 ?1、B′ ~ B′′为空载特性的动稳定区 ? ? ? 结论： 即后一相的静稳定区是 前一相的 动稳定区 ? ?2、步距角θ b 越小，动稳定区越接近 静稳定区 ? 稳定性能越好 ? ?
§8.3 步进电动机
运行特性： 五、运行特性：
2.步进运行状态： 2.步进运行状态： 步进运行状态 动稳定区： ②.动稳定区： 动稳定区 失步： ③. 失步： 当通电
f 很高时，在通电状态改变时，可能造成转子
位置位于动稳定区 B′ ~ B′′ 之外时，转子将转不到 O B 点，即这一次的脉冲信号不起作用，转子将少走一步， 相当于丢失了一个信号。称为失步 失步。 失步 这一现象说明步进电机的脉冲频率有一定的限制。
§8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：
2.步进运行状态： 2.步进运行状态： 步进运行状态 ④. 起动转矩 TLm ： 相邻矩角特性交点对应的 转矩称为起动转矩 TLm 。 又称为步进电机的最大负载转矩。它反映了步进 电机从静止状态突然起动并不失步运行所能带动的 最大负载转矩。显然，步距角越小，最大负载转矩 越大。 3、高频恒频运行状态： 又称为连续运行状态。
第 八
章
控
制
电
机
§8.1 伺服电动机 §8.2 步进电动机 §8.3 测速发电机 §8.4 微型同步电动机 §8.5 自整角机 §8.6 旋转变压器 小结
§8.1 控制电机概述
直流电源供电 ?直流电动机： ?直流电机 ? 对外提供直流电 ?直流发电机： ? ? 静止的电力设备 ，实现能量 ?变压器： ? ?交流电机?三相异步电动机 ? ? ?同步电机 ?
这些电机在结构上、 这些电机在结构上、运行方式等方面均存在一定的 差别，但均基于电磁感应原理 而且电机在应用上、 电磁感应原理， 差别，但均基于电磁感应原理，而且电机在应用上、 性能指标等方面， 性能指标等方面，均着眼于 如功率、转矩、效率等 ? 力能指标： ? 作为能量转换装置来使 用 动力电机。 这类电机称为动力电机 这类电机称为动力电机。
伺服电动机 §8.1 控制电机概述 ? ?步进电动机 ?测速发电机 ? 常用控制电机有： ? 自整角机 ? ?旋转变压器 ? ?其它一些新型电机 ? 原理上和前面介绍的动力电机没有本质的区别，均基 于电磁感应原理，但在结构上有很多的特点，性能指 标、技术指标也不相同，应用上也不再以力能指标作 为关注点，而是关注于其控制性能与控制作用，如控 控制性能与控制作用， 控制性能与控制作用 制精度、响应速度、可靠性等方面，着眼于: 制精度、响应速度、可靠性等方面，着眼于
实现对控制信号的变换 和传递 ? 在控制系统中作为执行元件、信号(检测)元件
§8.1 控制电机概述
总结: 总结
?直流电动机 ? ? ?交流电动机 → 着眼点是力能指标， ?动力电机： ?变压器 ? ? ? ? 均是作为能量转换装置来使用 ? ? ? ? ?伺服电动机 ? ? ?控制电机： ?测速发电机 → 着眼于实现控制信号的变换和传递， ? ?步进电动机 ? ? ? ? 在控制系统中作执行元件或信号元件 ?
故要求控制电动机具有精度高，响应快， 故要求控制电动机具有精度高，响应快，可靠性高等
§8.2 伺服电动机 一、概述： 又称为执行电动机，在控制系统中作为 概述： 又称为执行电动机，
为执行元件。 为执行元件。
角位移 1、作用： 输入电压信号 ? 输出 信号 ? ?角速度 改变控制电压信号大小和极性（或相位），即可 改变电动机的转速和转向。
直流：输出功率较大，范围1 ~ 600 W，可上千瓦 2、分类： ? ?交流：输出功率较小，范围0.1 ~ 100 W
§8.2 伺服电动机 一、概述： 又称为执行电动机，在控制系统中作为 概述： 又称为执行电动机，
执行元件。 执行元件。
有信号转，无信号停； ?1. 可控性好： ? ?2. 快速响应，反应灵敏
?3. 稳定性好：即转矩T ↑→ 转速n均匀 ↓ ? ? 3、性能： ?4. 调速范围广：n能随控制电压信号的变化 ? 在较大范围内调节 ? ?5. 控制功率小，体积小，耗电省 ? ?6. 无自转现象：u = 0, n = 0 ?
§8.2 伺服电动机 一、概述： 又称为执行电动机，在控制系统中作为 概述： 又称为执行电动机，
执行元件。 执行元件。
4、应用： 广泛应用于机电一体化 的设备中， 应用于运动 控制系统中。
如：各类加工机械(数控机床、)、各类机器人、自 动化生产线、医疗设备、计算机(光驱、硬盘驱动器、 软驱等、打印机)等
§8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：
1、基本结构：类似于普通小型直流机，但一般较 、基本结构：类似于普通小型直流机， 细长，响应速度快。（GD 细长，响应速度快。（ 2小） 。（ 2、原理：类似于直流电动机。 、原理：类似于直流电动机。 以电机模型来做简要分析。
U f ? f I f ? Φ ? 电磁力定理 ?→ ?→ ? ? ? ?? ? ? ? → Ua ? Ia ? ?→ ? 拖动转子 T ?? ? ??→ n
§8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：
3、控制方式：伺服电机是将控制信号(一般为电 控制方式：伺服电机是将控制信号( 压信号)转变成速度信号输出， 压信号)转变成速度信号输出，该控制信号可以加到 电枢端，也可以加到励磁端。 电枢端，也可以加到励磁端。 施加的方式不同， 控制电压 uK 施加的方式不同，分为
这种控制方式好。 ?电枢控制：uc加在电枢绕组上。 ? ?电磁式直流伺服电动机：直流励磁 ? 励磁方式不同，又分为 ? ? ?永磁式直流伺服电动机：永久磁铁 ? ? ? ?磁场控制：uc 加在励磁绕组上。一般不用此方式。 ? 因其调节特性在某一范围内不是单值函数， ? ? 每个转速对应两个控制信号 ?
§8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：
Ra UK ? T = n0 ? β T 4、机械特性： n = 、机械特性： 2 Ce Φ C e C T Φ
采取电枢控制， 采取电枢控制，且忽略电枢反应
u K 不变： = f (T )为一直线 n ? n ?u K 变化： 0 ∝ U ? 一族平行直线，斜率 β 恒定 ? TL一定时 ? ? ? ? ? → u K ↑→ n ↑
如图。 如图。
§8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：
Ra UK ? T = n0 ? β T 4、机械特性： n = 、机械特性： 2 Ce Φ C e C T Φ
如图。 如图。
C Tφ 堵转转矩TK = U K : 当转速为0时的转矩。 Ra 不同的控制电压对应不同的堵转转矩。
§8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：
Ra UK ? T = n0 ? β T 4、机械特性： n = 、机械特性：
2 Ce Φ C e C T Φ
如图。 如图。
说明： 说明：堵转转矩反应了电机对某一控制 电压能作出反映的最大负载大小。 电压能作出反映的最大负载大小。反映 了直流伺服电机的负载能力。 了直流伺服电机的负载能力。对应某一 控制电压， 控制电压，若负载转矩 TL ≥ TK , 则电机堵转，达不到控制作用。 则电机堵转，达不到控制作用。
§8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：
Ra UK ? T = n0 ? β T 4、机械特性： n = 、机械特性： 2 Ce Φ C e C T Φ
如图。 如图。
机械特性曲线比较直观地反应出了转速随负载的 机械特性曲线比较直观地反应出了转速随负载的 比较直观地反应出了 变化情况，但对于控制电压U 变化情况，但对于控制电压 K对转速的控制作用在单 条曲线中没有反应出来，而是运动控制中， 条曲线中没有反应出来，而是运动控制中，为了控制 伺服电机的转速，需要知道电动机在带负载以后， 伺服电机的转速，需要知道电动机在带负载以后，转 速随控制电压U 变化的情况。 为直观反映控制电压 速随控制电压 K变化的情况。 为直观反映控制电压 UK对转速的控制作用，引入调节特性的概念。 对转速的控制作用，引入调节特性的概念。
§8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：
5、调节特性： 、调节特性： 一定( 一定) ①、当 T 一定(即 TL 一定)，电机稳态转速 n 与控制 的关系， 电压 uK 的关系，即 因： 所以： 所以：n 和
n = f (u K )
uK n= ? βT Ce Φ
之间是线性关系， uK 之间是线性关系，且改变 T，曲线平移
n ∝ u K 成线性关系 特点： 如图： ②、特点： ? 如图： ?n = 0时，负载TL不同，u K 不同
§8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：
5、调节特性： n = u K ? β T 、调节特性：
Ce Φ
如图： 如图：
始动电压：调节特性与横坐 始动电压： 标的交点(n=0) (n=0)称为某一转矩 标的交点(n=0)称为某一转矩 T时的始动电压，即对应于某 时的始动电压， 一负载转矩， 一负载转矩，电机处于待动 而未动的临界电压。 而未动的临界电压。其大小 为：
Ra u K＝ T CTφ
§8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：
5、调节特性： n = u K ? β T 、调节特性：
Ce Φ
如图： 如图：
①、当 某转矩对应的始动电 uK＜ 压时，则电动机不能起动 压时，
失灵区
§8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：
5、调节特性： n = u K ? β T 、调节特性：
Ce Φ
如图： 如图：
②、失灵区的大小与电磁转矩 (负载转
矩)的大小有关，为提 负载转矩)的大小有关， 高灵敏度， 高灵敏度，一般要求始动电压 小。
§8.2 伺服电动机 直流伺服电动机： 二、直流伺服电动机：
CT φ 堵转转矩：TK = Uk Ra
反映了直流伺服电机的负载能力。 反映了直流伺服电机的负载能力。
Ra T 始动电压： 始动电压： u K＝ CTφ
反映了直流伺服电机的灵敏度。 反映了直流伺服电机的灵敏度。 从对堵转转矩和始动电压的分析可知： 从对堵转转矩和始动电压的分析可知：
带负载能力 是互相制约的。 ? ?灵敏度
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
1、基本结构：类似于两相交流异步电动机。如图。 、基本结构：类似于两相交流异步电动机。如图。 空心杯转子的结构及特点： 空心杯转子的结构及特点： 转动惯量小 非磁性材料有助于产生涡流。
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
1、基本结构：类似于两相交流异步电动机。如图。 、基本结构：类似于两相交流异步电动机。如图。
?外定子： 嵌放励磁绕组和控制绕组 ? 两相绕组 ? ?定子 ?? ? →? ?内定子：不放绕组，仅做磁路的一部份 ? ? ? ? ? ? ?励磁绕组f → 接单相交流电U f 外定子? ? ? ? ? ?控制绕组C → 接控制电压U C ? ? ? 绕组空间相位差90 ，电压频率一致 ? ? ?气隙：大(因有两段)，需要的励磁电流大 ? ? ?转子： ?
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
1、基本结构：类似于两相交流异步电动机。如图。 、基本结构：类似于两相交流异步电动机。如图。
定子： ? ?气隙： ?转子：位于内外定子之间细长 ? ? ?鼠笼式 : 采用高电阻率导体，简单，类似单相异步机 ? ? ? 空心杯式：呈现杯形，用非磁 性材料 制成， ? ? ?? ? 壁厚0.2 ~ 0.6mm ? ? ? GD 2小，响应快，运行平滑，加工困难 ? ? ?
解释空心杯的含义。 解释空心杯的含义。
§8.2 伺服电动机 三、交流伺服电动机： 交流伺服电动机：
2、工作原理：类似于单相异步电动机。 、工作原理：类似于单相异步电动机。 ①、原理图： 原理图：
§8.2 伺服电动机 三、交流伺服电动机： 交流伺服电动机：
2、工作原理： 、工作原理： ②、原理分析： 原理分析：
励磁绕组f ?? ? ? → I f → 脉振磁势 → 转子无法起动? ? ? ?→ 施加控制信号U K → I K，和I f 不同相? ?
励磁电压U f
→ 椭园形旋转励磁 → 杯形转子感应涡流 ?φ作用下→ 起动转矩 → ?? 电机起动 → 旋转
U K 大小、相位变化 → 旋转磁场的 ? ?→ ?椭圆度变化 → 影响电磁转矩大小 → n变化
? ?转向变化 → 转子转向变化
实现控制
§8.2 伺服电动机 三、交流伺服电动机： 交流伺服电动机：
2、工作原理： 、工作原理： ②、原理分析： 原理分析： 当控制电压消失时(即Uc=0)时，电机将如何运行？ 当控制电压消失时 即 时 电机将如何运行？ 若为普通的两相电机，当控制电压消失时，电 普通的两相电机，当控制电压消失时， 普通的两相电机 机单相运行，转速将有所下降， 机单相运行，转速将有所下降，但仍将能继续旋转 前面介绍的单相电机就是这样工作的。 ，前面介绍的单相电机就是这样工作的。但对于控 制电机，是一种失控现象，称为自转 自转， 制电机，是一种失控现象，称为自转，对于控制电 机是不允许的。 机是不允许的。
§8.2 伺服电动机 三、交流伺服电动机： 交流伺服电动机：
2、工作原理： 、工作原理： ②、原理分析： 原理分析： 当控制电压消失时(即Uc=0)时，电机将如何运行？ 当控制电压消失时 即 时 电机将如何运行？
信号来，U K ≠ 0，电机动作 根据控制电机的可控性要求， ? ?信号消失，U K = 0，电机停转
否则认为失控。
电机的失控又称为自转，将影响控制的可靠性。
§8.2 伺服电动机 三、交流伺服电动机： 交流伺服电动机：3、性能指标及要求： 、性能指标及要求：
调速范围宽
? 机械特性线性度好 ? ?转子电阻大 ? 制造上保证 ??? 快速响应 ? ?转运惯量小 ? 无自转 ?
下面来分析讨论转子电阻大( 对电机性能的影响。 下面来分析讨论转子电阻大( r2 ↑ )对电机性能的影响。
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
3、性能指标及要求： 、性能指标及要求： 增大转子电阻大对电机性能的影响： 增大转子电阻大对电机性能的影响： ①无论单、三相感应电机，其稳定运行区域为 0 ~ sm ， 无论单、三相感应电机， 而一般的
sm 很小，表明稳定运行区域窄。若： 很小，表明稳定运行区域窄。
r2 ↑? sm ↑ ，扩大调速范围。
② r2 ↑? 还能改善稳定运行区域的线性度 ③ r2 ↑? 防止电机自转现象
§8.2 伺服电动机 三、交流伺服电动机： 交流伺服电动机：
4、自转现象讨论： 、自转现象讨论：
信号来， U K ≠ 0 ，电机动作 正常情况： 正常情况：? U K = 0 ，电机停转 ? 信号消失，
否则认为失控。
电机的失控又称为自转，将影响控制的可靠性。 电机的失控又称为自转，将影响控制的可靠性。
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
4、自转现象讨论： 、自转现象讨论： ①、自转现象1：如图
。 自转现象1 如图。
U ?U K 到 来之前： f 产生脉振磁场，电机无法起动； ? ?U K 一到 ：和U f 一起产生旋转磁场， ? ? ? 运行在A点； ?U 再消失： 只有 U f 产生脉振磁场， K ? ? 但电机仍能运行在B点 ? 失控 ?
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
4、自转现象讨论： 、自转现象讨论： ①、自转现象1：如图。 自转现象1 如图。 ②、失控现象2：如图。 失控现象2 如图。
UK = 0 ? ? → 电机能够起动起来 但外界振动，干扰使n ≠ 0? 出现自转现象 ? 失控 ?
以上两种自转现象均是在没有控制电压的情况下， 以上两种自转现象均是在没有控制电压的情况下， 电机仍有与原转速方向一致的电磁转矩 与原转速方向一致的电磁转矩； 电机仍有与原转速方向一致的电磁转矩；在交流伺服 电机中如何来防止自转呢？ 电机中如何来防止自转呢？ 设法产生一个与原转速方向相反的电磁转矩， 设法产生一个与原转速方向相反的电磁转矩，使电 机在控制电压为0时停止转动。 机在控制电压为0时停止转动。
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
4、自转现象讨论： 、自转现象讨论： ①、自转现象1：如图。 自转现象1 如图。 ②、失控现象2：如图。 失控现象2 如图。 ③、解决措施： 解决措施：
r2 ↑? 防止电机自转现象
讨论
当r2较小时：
单相绕组(u k = 0)时的特性曲线如图。 ? n > 0? ?→ ?一象限： ? ? 拖动作用，n ↑ T > 0? ? ? ? n ?三象限：
当r2 ↑↑ 时 :
n1 ? n ? ? F+ → Tm 对应的转差率sm ↑ ( sm = n > 1) ? 1 ? sm ↑→ ? ? F → T 对应的转差率s′ ↑ ( s′ = ? n1 ? n > 1) m m m ? ? ? n1 ? ? 合成转矩位于二、四象限，如图： ? n > 0? ?二象限： ? → 反向 → 制动作用，n ↓ T 0? ? ? n、T总是反向 ? 不能自转 ? 即一旦控制信号消失，因r2 ↑↑→ T制动，停转。
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
4、自转现象讨论： 、自转现象讨论： ①、自转现象1：如图。 自转现象1 如图。 ②、失控现象2：如图。 失控现象2 如图。 ③、解决措施： 解决措施：
r2 ↑? 防止电机自转现象
结论：在电机设计时应 结论：
sm =
r2
′ ′
x1 + x 2
≥ 1，即r2 ≥ x1 + x 2
′
′
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
5、控制方式： 、控制方式：
U K 大小、相位变化 → 旋
转磁场的
椭圆度变化 → 影响电磁转矩大小 → n变化 ? ?转向变化 → 转子转向变化
(1)、幅度控制： (2)、相位控制： (3)、幅相控制：
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
5、控制方式： 、控制方式： (1)、幅度控制： 接线图： ①. 接线图： 原理： ②. 原理： ? ? 保证 U K、U f 相位差为 度（通过移相电路实现）， 90 ? 改变控制电压 U 的大小来控制电机转速
C
③．信号系数
α
：控制信号的大小对电机的控制 控制信号的大小对电机的控制 作用可通过幅值控制信号系数来 描述。 描述。
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
5、控制方式： 、控制方式： (1)、幅度控制： ③．信号系数
α
控制信号的大小对电机的控制作用可通过幅值 控制信号系数来描述。 控制信号系数来描述。 ? ? 一般控制绕组额定电压 U CN = U f ，那么控制信号的
UC UC 信号系数 α = U = U CN f
? ?α = 1：U CN = U f 幅值相等，相位差90度 → 园形旋转磁场 → 电磁转矩T最大 ? ? ? ?α ↓ ：椭园度增大， 电磁转矩T越少，电机转速越慢 ?→ → ?α = 0：脉振磁场，电机停转 ? ?
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
5、控制方式： 、控制方式： (2)、相位控制：
①. 接线图：通过移相器来改变相位差
β
②.原理： ? ? ? ? 保证U K 和U f 幅值 一致不变，通过改变U K 和U f 相位差
大小来控制电机转速和转向。
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
5、控制方式： 、控制方式： (2)、相位控制： ①. 接线图： ②.原理：
β
改变相位差 β ，可改变控制绕组内的电流 I C和励磁电
的相位差，从而改变旋转磁场的 ?椭园度 If ? ?转向
实现转向、转速的改变
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
5、控制方式： 、控制方式： (2)、相位控制： ③.信号系数： 信号系数：
sin β 称为相位控制的信号系数。 称为相位控制的信号系数。
控制信号与励磁电压相位差 β 的变化对电机的 来描述。 控制作用可通过相位控制信号系数 sin β 来描述。 ④．相位控制时的机械特性和调节特性：类似幅值 相位控制时的机械特性和调节特性： 控制，呈现非线性。 控制，呈现非线性。
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
5、控制方式： 、控制方式： (3)、幅相控制
幅值-相位复合控制，这种方法较前面两种方法输 幅值 相位复合控制， 相位复合控制 出功率大，且不用移相装置，成本低，多被
采用。 出功率大，且不用移相装置，成本低，多被采用。 ①. 接线如图： 励磁回路串电容，控制回路通过电位器调电压。
§8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：
5、控制方式： 、控制方式： (3)、幅相控制 ②.原理： ? 改变控制电压 U K 大小， ? ? U 、U 的相位差 也随之改变，实现转速调节。
K f
③．幅相控制时的机械特性和调节特性：类似幅值控 制，但线性度稍差。 ④.优点：控制线路简单，无须复杂的移相设备，只需 电容分相，成本低，输出功率大的优点，实际应用较 多。
§8.3 步进电动机 概述： 一、概述：
?将输入的脉冲电信号 → 角位移输出 ? ? 一个脉冲信号 ?对应 → 转过一个角度 ? ? ? ?功能： ? ? ?角位移 ∝ 脉冲数 ? ? ?转向和脉冲的给出的方式有关 ? ? ? ?反映式步进电机 ? ? ?分类： ?永磁式步进电机 ? ?混合式步进电机 ? ? ?
下面介绍反应式步进电动机
§8.3 步进电动机 基本结构： 二、基本结构： ：
?相数m = 2 ~ 6 ? 每个磁极上套有控制绕 组， ?定子? ?定子磁极数 2m ? ? 相对的励磁绕组为一相 ， 即 ? ? ? 每一相绕组绕在相对的 两磁 ? ? 极上。 ?转子：转子齿。齿宽与 定子磁极极靴宽度相等 ， ? ? 由硅钢 片叠成 ?
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
相数m = 3 设 ?定子磁极2m = 6：分别用 A、B、C、A ′、B′、C′表示 ? ?转子齿数 4：分别用1、、 4表示 2 3、 ?
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
1.运行过程分析： 1.运行过程分析： 运行过程分析 ①. A相通直流脉冲信号 ，B、C相绕组不通电：
A、A′磁极 磁力线分布 如图示： ? ?磁轭 ?转子齿1和A正对 3 ?转子齿1、 ，即? 轴线重合。 ? ?A、A′ ?转子齿3和A′正对
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
1.运行过程分析： 1.运行过程分析： 运行过程分析 ①. A相通直流脉冲信号
3 ?转子齿1、 即? 轴线重合。 ?A、A′
，B、C相绕组不通电：
说明： 说明： ● 若二者轴线开始不重合，
A、A′磁力线力图通过磁阻最小的路径 ????????????????? → ?
转子将受到磁阻转矩（即反应转矩）的作用，使转子 转到轴线重合的位置。
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利
用反应转距（不同于电磁转距）
1.运行过程分析： 1.运行过程分析： 运行过程分析 ①. A相通直流脉冲信号
3 ?转子齿1、 即? 轴线重合。 ?A、A′
，B、C相绕组不通电：
说明： 说明： ● 反应转矩：又称磁阻转矩， 不同于电磁转矩； 反应转矩的作用：一方面可带动转子转动， 另一方面，又可防止转子自由转运。分析。 分析。 分析
●
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
1.运行过程分析： 1.运行过程分析： 运行过程分析 ①. A相通直流脉冲信号
3 ?转子齿1、 即? 轴线重合。 ?A、A′
，B、C相绕组不通电：
说明： 说明： ● 图中位置转子只受到径向力作用，反 映转矩为零。
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
1.运行过程分析： 1.运行过程分析： 运行过程分析 ②.A、C相绕组断电，B相加脉冲信号，如图 切换瞬间，磁力线以B相磁极轴线对称分布，如图。 因
B′和转子齿4的距离要近过转子齿1 ? ?B和转子齿2的距离要近过转子齿3
所以磁力线力图沿B → 2 → 4 → B′通过? ?? 此时BB′、 轴线不重合 24 ? 产生反应转矩
°
使转子逆时针转过30
使轴线重合 ? 磁阻最小
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
1.运行过程分析： 1.运行过程分析： 运行过程分析 ③.B、A相绕组断电，C相加脉冲信号，如图 切换瞬间，磁力线以C相磁极轴线对称分布，如图。
C 磁力线路径： → 3 → 1 → C′
类似上述分析，可知转子又转过30
C、C′ 轴线重合。 使 ? 3 ?1、
°
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
1.运行过程分析： 1.运行过程分析： 运行过程分析 ④. C、B相绕组断电，A相加脉冲信号，如图 切换瞬间，磁力线以A相磁极轴线对称分布，如图。 磁力线路径：A
→ 4 → 2 → A′
类似上述分析，可知转子又转过30
A、A′ 使 ? 轴线重合。 4 ?2、
°
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
1.运行过程分析： 1.运行过程分析： 运行过程分析 结论： 结论： （1） 按A → B → C → A…… 顺序轮流加电脉冲 ? 信号，则转子齿按逆时针方向一步步地转运。 信号，则转子齿按逆时针方向一步步地转
运。 （2）若改变通电顺序，转子转向改变。 若改变通电顺序，转子转向改变。
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
2、基本概念： 、基本概念： 一拍： ①一拍：控制绕组从一种通电状态切换到另一种通 电状态，称为一拍。即改变一次通电方式为一拍。 电状态，称为一拍。即改变一次通电方式为一拍。 步距角： 每一拍转过的角度。 ②步距角： θ s 每一拍转过的角度。 ③三拍：经过三次通电状态的转换完成一次通电状态 三拍： 的循环。转过一个转子齿对应的空间角度。 的循环。转过一个转子齿对应的空间角度。 ④三相：定子有三相绕组。 三相：定子有三相绕组。 每次只有一相绕组通电。 ⑤单：每次只有一相绕组通电。 ⑥双：每次有两相绕组通电。 每次有两相绕组通电。
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
3、控制方式： 控制方式： ①三相单三拍： 三相单三拍： 每次只有一相绕组单独通电， 每次只有一相绕组单独通电，控制绕组每换接三次 通电状态构成一个通电状态的循环的控制方式。 通电状态构成一个通电状态的循环的控制方式。 上例中通电方式为 A → B → C → A…… 对应的步距角
θ b 为30
°
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
3、控制方式： 控制方式： ②三相双三拍： 三相双三拍： 每次有两相绕组同时通电， 每次有两相绕组同时通电，控制绕组每换接三次通 电状态构成一个通过状态的循环的控制方式。 电状态构成一个通过状态的循环的控制方式。 其通电方式为 AB → BC → CA → AB…… 可知其步距角 θ b 为30
°
分析 分析
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
3、控制方式： 控制方式： ②三相双三拍：当A、B两相绕组同时加电脉冲信号时 三相双三拍：
通过转子齿1、 3 ? ?A相绕组产生的定子磁场 ?? ? ? ? ??→ 反应转矩T1 ? 、 4 ?B相绕组产生的定子磁场 ?通过转子齿2?→ 反应转矩T ????? 2 ?
二者大小相等，方向相 反 ? 平衡。 ?
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
3、控制方式： 控制方式： ②三相双三拍：当A、B两相绕组同时加电脉冲信号时 三相双三拍：
§8.3 步进电动机
工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
3、控制方式： 控制方式： ③三相单双六拍： 三相单双六拍： 控制绕组每换接六次通电状态构成一个通过状态的循 控制绕组每换接六次通电状态构成一个通过状态的循 六次 环的控制方式。 其通电方式为： 环的控制方式。 其通电方式为：
A → AB → B → BC → C → CA → A……
由图可见， 由图可见，其两拍转过的角度刚好和三相单三拍运行 方式一拍转过的角度一致。 方式一拍转过的角度一致。 可知其步距角 θ b 为15 °
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
3、控制方式： 控制方式： ③三相单双六拍： 三相单双六拍：
A → AB → B → ……
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
3、控制方式： 控制方式： ③三相单双六拍： 三相单双六拍： 若改变通电顺序， 若改变通电顺序，转向改变
A → AC → C → CB → B → BA → A……
§8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
3、控制方式： 控制方式： 4、总结： 总结： ①.采用双相通电方式运行，其稳定性要比单相方式好 采用双相通电方式运行， ②.采用单、双拍通电方式，其步距角是单拍方式或双 采用单、双拍通电方式， 拍方式的一半； 拍方式的一半； ③.一个通电状态的循环，转子转过的角度为转子齿对 一个通电状态的循环， 应的空间角度，为提高控制精度，需要增加转子齿数。 应的空间角度，为提高控制精度，需要增加转子齿数。
小步距角反应式步进电动机。
§8.3 步进电动机 小步距角反应式步进电动机分析： 四、小步距角反应式步进电动机分析：
定子磁极数为6，每个极靴上各有5个小齿 ? 以 ?相数m为3 ?转子齿数为40 ?
的反应式步进电动机为例。
§8.3 步进电动机 小步距角反应式步进电动机分析： 四、小步距角反应式步进电动机分析：
定、转子的齿宽、齿距相等， 转子的齿宽、齿距相等， 齿距是指：相邻两齿的中心线的距离， 齿距是指：相邻两齿的中心线的距离， 是指 用对应的空间角度 θ 表示，本例中为 1 表示，
θ1 = 360
40
= 9
相应的展开图如下： 相应的展开图如下：
§8.3 步进电动机 小步距角反应式步进电动机分析： 四、小步距角反应式步进电动机分析：
为定子磁极，每个
磁极上有5个小齿， 图中 A、B、C 为定子磁极，每个磁极上有5个小齿， 下面为转子齿。 表示一个齿距。 下面为转子齿。t表示一个齿距。
§8.3 步进电动机 小步距角反应式步进电动机分析： 四、小步距角反应式步进电动机分析：
1、动作过程分析： 、动作过程分析： 相加脉冲信号： ①.A相加脉冲信号： 相加脉冲信号
定子齿 A相下 正对齐，磁阻最小， ? ?转子齿 反应转矩T = 0, 此时B′相下齿中心线错开
1 2 t齿距，C相下错开 t齿距。 3 3
§8.3 步进电动机 小步距角反应式步进电动机分析： 四、小步距角反应式步进电动机分析：
1、动作过程分析： 、动作过程分析： 相加脉冲信号： ②.B相加脉冲信号： 相加脉冲信号 反应转矩使B相磁极下 反应转矩使 相磁极下 定、转子齿正对齐， 转子齿正对齐，
1 即相当于转子转过 t 3
此时A、 下各错开 此时 、C下各错开1 t
3
1 ，此时转子转过 t＝9° 3
相当于“一拍”对应转 子转过 3°
§8.3 步进电动机 小步距角反应式步进电动机分析： 四、小步距角反应式步进电动机分析：
2、步距角： b 、步距角： θ 根据每个通电循环(N拍 根据每个通电循环(N拍) (N 转子转过一个齿距( 转子转过一个齿距(对 应的机械角度为 θ = 360 Zr )的原则，可知 的原则，
360 =3 ?三相单三拍：θ b = ZrN ? ?三相单双六拍：θ = 1.5 b ?
（Zr：转子齿，N：一个循环拍数）
§8.3 步进电动机 小步距角反应式步进电动机分析： 四、小步距角反应式步进电动机分析：
2、控制方式： 、控制方式：
角度控制：当脉冲f 低时，每输入一个脉冲， ? ? 定子绕组改变一次通电状态， ? 转子转过一个θ b角； ? ?速度控制：当脉冲f 高时，形成连续运动， ? ? 60 f （r / min），每输入一个脉 ? n = ZrN ? 1 ? ? 冲转子转过 ZrN 转； ?
§8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：
静态运行 ? 步进电动机的运行可分为 ?步进运行 三种运行状态 ?连续运行 ?
不同的运行状态具有不同的运行特性。
§8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：
1.静态运行状态： 1.静态运行状态： 静态运行状态 ①.概念： 不改变步进电机通电状态，转子固定于某 该运行状态的特性通过矩角特性来反映。 矩角特性来反映。 矩角特性来反映 ②.矩角特性： 即 转子静态转矩 失调角 静态转矩与失调角 静态转矩 失调角之间的关系， 一位置时的运行状态。
T = f (θ)
§8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：
1.静态运行状态： 1.静态运行状态： 静态运行状态 ②.矩角特
性：转子静态转矩 失调角 静态转矩与失调角 静态转矩 失调角之间的关系， 即
T = f (θ)
静态转矩： 转子静态时受到的转矩，即反应转矩。 ? ?失调角： 转子偏离初始平衡位置（θ＝0）时的电角度，即定子齿 ? 与转子齿中心线之间的夹角，用电角度来表示。 ? ? ?电角度： 因控制绕组通电状态变化一个循环，转子正好转过一个 ? 齿，即一个转子齿对应电角度为360°，故将来定、转子 ? ? 齿错开平衡位置的大小可用电角度的大小来描述 ?
§8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：
1.静态运行状态： 1.静态运行状态： 静态运行状态 ②.矩角特性：T = f (θ )
静态转矩： ? ?失调角： ?电角度： ?
§8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：
1.静态运行状态： 1.静态运行状态： 静态运行状态 ③.矩角特性曲线： T = f (θ )
分析
（向右） ?T的正方向：顺时针方向 正方向规定： ? （向右） ?θ的正方向：顺时针方向
θ＝0： T＝0，即空载。 ? ?0＜θ＜90°： 当转子加一顺时针方向（向右）的负载转矩时， ? 转子偏离平衡位置θ角， 产生切线磁拉力 ? ? ? θ ↑→ ? T方向向右，T＜0， 和θ反向，且 T ↑ ? T ?θ＝90°： 最大 ? ?→ ?→ ?90°＜θ＜180°： 因磁阻 ↑↑ ? 磁力线 ↓↓ ? 磁拉力 ↓↓ ? ? T↓ ?→ ? ?θ＝180°： 转子齿处于两定子齿中间，受左右两个定子齿 ? ? 的磁拉力相等，T＝0 ?θ＞180°： 转子齿受左边定子齿的磁拉力作用，T＞0，此 ? ? 时转齿相对于另一齿 ? 180°＜θ＜0°的位置 ?
实践表明静转矩与失 调角的关系为： T = ?C sin θ，近似为一正弦曲线。
如图。 其中：C为常数，与控制绕组、控制电流、磁阻等有关
§8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：
1.静态运行状态： 1.静态运行状态： 静态运行状态
④.特点：T 0，即T总是和θ反向，使转子趋向平衡位置 ? ?T > 0，θ
静态运行时，当有外力作用使转子偏离平衡位置(即转 子齿与定子齿位置对齐位置)时，只要在
π
范围内，当外力去掉后，转子在静转矩的作用下，能 自动回到初始平衡位置。 当 时，为不稳定平衡点。因为：此时静转 θ = ±π 矩为0，但只要转子向左或向右稍微有一点偏离，转子 受到 左右两个方向的磁拉力不再相等而失去平衡。
§8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：
1.静态运行状态： 1.静态运行状态： 静态运行状态
④.特点：T 0，即T总是和θ反向，使转
子趋向平衡位置 ? ?T > 0，θ
⑤.结论： 结论
π
§8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：
1.静态运行状态： 1.静态运行状态： 静态运行状态 2.步进运行状态： 2.步进运行状态： 步进运行状态 概念： ①. 概念： 当脉冲频率较低时，加一个脉冲，转子走完一步， 当脉冲频率较低时，加一个脉冲，转子走完一步， 达到新的平衡位置以后，再加第二个脉冲， 达到新的平衡位置以后，再加第二个脉冲，走第二 步……，电机呈现出一转一停的状态，这种运行状态 ……，电机呈现出一转一停的状态， 称为步进运行状态. 称为步进运行状态.。 该运行状态的特性通过动稳定区概念来反映。 该运行状态的特性通过动稳定区概念来反映。 动稳定区概念来反映
§8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：
2.步进运行状态： 2.步进运行状态： 步进运行状态 动稳定区： ②.动稳定区： 动稳定区
从一种稳定通电状态(A相通电)，转换到另一种稳定 通电状态(如B相通电)，不会引起失步的区域。 假定理想空载。A相通电时的稳定平衡点为 O A ，B 相通电时的稳定平衡点为 O B ，从 O A 转到 O B为一拍，
θ 转子转过角度为： b ，即静稳定运行区相隔一个步距
角。
§8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：
2.步进运行状态： 2.步进运行状态： 步进运行状态 动稳定区： ②.动稳定区： 动稳定区
当f很低时：第一个脉冲结束后，转子处于O A 位置，转子稳定下后， ? ? 再加 第二个脉冲，转子转过θ b，稳定于O B点； ?当f较高时： 当第一个脉冲结束后，转子可能还没稳定下来，此时 ? ? ? 新的脉冲 又来了，但只要新脉冲来时(即通电状态改变时)， ? 转子 处于新脉 冲的静稳定运行区(B′ ~ B′′)之间(可以不在O A ? ? 位置)，即处于新脉 冲的矩角特性内，电动机的反应转矩都 ? ? 将使转子向O B点移动，达到这一新的平衡位置； ?
§8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：
2.步进运行状态： 2.步进运行状态： 步进运行状态 动稳定区： ②.动稳定区： 动稳定区 从以上的分析可知： 在通电状态换接的瞬间，只要转子位置位于后一相 的静态稳定区域内，转子就能在静态转矩的作用下趋 向新的稳定平衡点。 ?1、B′ ~ B′′为空载特性的动稳定区 ? ? ? 结论： 即后一相的静稳定区是 前一相的 动稳定区 ? ?2、步距角θ b 越小，动稳定区越接近 静稳定区 ? 稳定性能越好 ? ?
§8.3 步进电动机
运行特性： 五、运行特性：
2.步进运行状态： 2.步进运行状态： 步进运行状态 动稳定区： ②.动稳定区： 动稳定区 失步： ③. 失步： 当通电
f 很高时，在通电状态改变时，可能造成转子
位置位于动稳定区 B′ ~ B′′ 之外时，转子将转不到 O B 点，即这一次的脉冲信号不起作用，转子将少走一步， 相当于丢失了一个信号。称为失步 失步。 失步 这一现象说明步进电机的脉冲频率有一定的限制。
§8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：
2.步进运行状态： 2.步进运行状态： 步进运行状态 ④. 起动转矩 TLm ： 相邻矩角特性交点对应的 转矩称为起动转矩 TLm 。 又称为步进电机的最大负载转矩。它反映了步进 电机从静止状态突然起动并不失步运行所能带动的 最大负载转矩。显然，步距角越小，最大负载转矩 越大。 3、高频恒频运行状态： 又称为连续运行状态。