第九章 直流伺服电机工作原理

9.2.1 交流测速发电机
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。
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9.2.1 交流测速发电机
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。
输出绕组 励磁绕组
交流伺服电动机 直流伺服电动机
2020/7/30
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4
9.1.1 交流伺服电动机
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。
控制绕组 电力工程技术 （china-dianli）
内定子
励磁绕组
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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”。
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控制信号
控制电压
+
检放 测 大+–
与电源电压 频 率相同，相位相
元器
同或反相。
–
件
控制绕组
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 和控制绕组电流 不同相时，因此便产生两相旋转 磁场。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。
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9.3 步进电动机
种类：励磁式和反应式两种。 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。
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。
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9.1 伺服电动机
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：
如何克服“自转”现象呢？
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正反向旋转磁场的合成转矩特性 (正向)
s1 0 s2 2
正 转
(反向)
s1 s2 1
反 转
s1 2 s
s2 0
当单相励磁时，在电动机运行范围0<S1<1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。 电力工程技术（china-dianli）
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综合上述分析可知：
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。
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第九章 直流伺服电机工作原理
9.1 伺服电动机 9.2 测速发电机 9.3 步进电动机 9.4 自动控制的基本概念
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第9章 控制电机
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。
系统。
U2 RL2<RL1
RL=
RL1 RL2
0
n
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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。
按AB 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AAB B BC C CA的顺序给三相
绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制 特性。
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现增大转子电阻，使Sm>1
s1 0 s2 2
s1 s2 1
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s1 2 s
s2 0
当单相励磁时，在电动机运行范围0<S1<1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。
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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。
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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。
C
B
C
B
A' 电力工程技术
A'
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同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4
齿和B、B´ 磁极轴线对齐；当C相通电时，转子 再转过30角，1、3齿和C´、C磁极轴线对齐。
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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。
A相绕组通电，B、C相
A
B' 1 C'
42
C 3B A'
不通电。气隙产生以A-A为轴线 的磁场，而磁力线总是力图从 磁阻最小的路径通过，故电动 机转子受到一个反应转矩，在 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。
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A
B'
C'
A
B'
C'
T
机械特性曲线如图所示。 O
直流伺服电动机的
由机械特性可知：
n=f(T)曲线(U1=常数)
(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。
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应用： 直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。通常
杯形转子
交流伺服电动机结构图
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+–
+
+
控制信号
1
–
– 励磁绕组
1
+
检放
测 元
+– 大
–
件 器 控制绕组
(a）接线图
(b) 相量图
交流伺服电动机的接线图和相量图
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,从而产生所需的旋转磁场。
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。
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9.2 测速发电机
测速发电机是一种转速测量传感器。在许
多自动控制系统中，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。
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测速发电机（分c为hin交a-d流ian和li）直流两种类型。
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9.3 步进电动机
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) 来一个脉电冲力，工程转技一术个步距角。
(2) 控制脉冲（c频hin率a-，dia可nli控） 制电机转速。 (3) 改变脉冲顺序，可改变转动方向。 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，因此它在数控机床、钟表工 业及自动记录仪等方面都有很广泛的应用
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下面以反应式步进电机为例说明步进电机的 结构和工作原理。
三相反应式步进电动机的原理结构图如下：
转子
IA
A
IC C
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
IB
成一相。采用Y B 连接，转子有四
个齿。
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当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时， 电枢产生电动势E，其大小为： 发电机的输出电压为：
上式中代入： 于是
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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
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，从而产生的电磁 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
o
不同控制电压下的机械特性曲线 T
n=f(T),
U =常数 电力工程技术（china-dianli） 1
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。
•1 •
•
定子
•
转子 +
+ 励磁 绕组
–
输出 绕组
–
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工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电
源U1，由 U1 4.44 f1N11 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：
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：
过15。
A
B'
C'
C
B
A'
B、C相同时通电，
C' 、C 磁极拉住1、3 齿，B、B' 磁极拉住
2、4齿，转子再转过 15。
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。 I2
I1
放+
+
U1为励磁电压， U
大 U2 M
U1
U2为电枢电压
器–
–
直流伺服电动机的接线图
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直流伺服电机的机
n
械特性与他励直流电机
相同一样，也可用下式
表示
A
B' 1 C'
42
C 3B A'
动画 A相通电，转子1、
3齿与A、A' 对齐。
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A
B'
C'
C
B
A'
A、B相同时通电，
A、A' 磁极拉住1、3齿， B、B' 磁极拉住2、4齿，
转子转过15，到达左图 所示位置。
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A
B'
C'
C
B
A'
B 相通电，转子2、 4齿与B、B´ 对齐,又转
1.工作原理 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 轮流通入直流IA电流，观察转子的运动情况。
IC C
IB B
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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。
9.2.1 直流测速发电机
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
+
+
+
U1
–
E TG – Ra
U2
–
RL
他励式直流测速发电机接线图
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、电力40工0H程z技等术多种。它的应用很广
泛，如用在各种自（动chi控na制-dia、nl自i）动记录等系统中。
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9.1.2 直流伺服电动机
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。