船舶电力拖动

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第五章 控制电机
课程教学要求：
☆了解各种特殊电机的基本结构和特点特性
☆掌握常用控制电机运行原理及常用控制电机的应用
控制电机是指具有特殊性能、能执行特定任务的电机。普通电机主要是进行
能量转换，要求较高的力能指标；而控制电机主要对控制信号进行转换或变换
要求较高的控制性能。在科学技术高速发展的今天，控制电机已是构成开环控
制/闭环控制、 同步联结和机电模拟解算装置等自动控制系统的基础元件。广泛
应用于如化工、炼油、钢铁、造船、原子能反应堆、数控机床、自动化仪表和
仪器、电子计算机外设等民用设备及雷达定位、自动导航、激光制导等军事设
备。
§ 5.1 伺服电动机
伺服一词源自“Servo”的音意译。在伺服系统(Servo System)中，伺服电动
机用来控制被控对象的转角或位移，使其自动、连续、精确地复现输入指令的
变化。
世界上第一个伺服系统由美国麻省理工学院辐射实验室于 1944 年研制成功。
（火炮自动跟踪伺服系统。早期伺服系统都是采用交磁电机扩大机的驱动方式）
现代的火炮已采用雷达跟踪和计算机伺服控制。下图为舰船火炮系统框图
火炮的控制主要是方位角和俯仰角，由计算机根
据雷达探测的目标信息（方位，移动速度与方向等）
及本舰状态、风力风向等计算给出，交由伺服驱动系

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统控制炮塔方位和炮管俯仰。战场情况瞬间而变，因此，对伺服驱动的
基本要求是高精确度、高灵敏度和高可靠性。
5.1.1 直流伺服电动机
直流伺服电动机分传统型和低惯量型两大类。
传统型直流伺服电动机就是微型的他励直流电动机， 也是由定子、 转子（电
枢）、电刷和换向器四大部分组成。按定子磁极的种类可分为永磁式和电磁式两
种。永磁式电动机的磁极是永久磁铁；电磁式电动机的磁极是电磁铁，磁极外
面套着励磁绕组。
低惯量型直流伺服电动机的明显特点是转子轻，转动惯量小，快速响应好。
如空心杯电枢永磁式直流伺服电动机等。
直流伺服电动机的控制方式有两种：
一种是电枢控制：当励磁电压恒定，负载转矩也一定时，电枢电压的大小控
制着电动机的转速，若电枢电压为零，则电动机停转。电枢电压极性控制着电
动机的旋转方向。
另一种是磁极控制：把励磁绕组电压作为控制信号即改变励磁绕组电压控制
转速的方法。
电枢控制较磁场控制具有较多的优点，因此自动控制系统中大多采用电枢控
制，而磁场控制只用于小功率电动机中。
直流伺服电动机的运行特性主要为其机械特性和调节特性
直流伺服电动机的转速与转矩的关系公式(与他励直流电动机类似)
Ua r
a
n= - T = n0 - b T
Ce F Ce CT F 2

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机械特性是指控制电压恒定时，电动机的转速与电磁转矩的关系，即
Ua=常数时，转速 n 与转矩 T 之间的关系 n=f(T)。
调节特性是指电磁转矩恒定时，电动机的转速
随控制电压变化的关系，即
T=常数时，转速 n 与转矩 Ua 之间的关系 n=f(Ua)。
从图中可以看出，机械特性是线性的，这些特性曲线与纵轴的交点为电动机
的理想空载转速 n0=Ua/(CeΦ)，它相当于无损耗时的空载转速。 特性曲线的斜率
表示伺服电动机机械特性的硬度，斜率大，硬度软。随着控制电压增大，电动
机的机械特性曲线平行地向转速和转矩增加的方向移动，但是它的斜率保持不
变，所以电枢控制时直流伺服电动机的机械特性是一组平行的直线。
调节特性曲线也是一组平行的直线。这些曲线与横轴的交点表示在一定负载
转矩时电动机的始动电压。若负载转矩一定，电动机的控制电压大于相对应的
始动电压，则电动机就转动起来并达到某一转速；反之，控制电压小于相对应
的始动电压，则电动机的最大电磁转矩小于负载转矩，它就不能起动。因此，
在调节特性曲线上，从坐标原点到始动电压点的这一段横坐标所表示的范围称
为在某一电磁转矩时伺服电动机的失灵区。显然，失灵区的大小与电磁转矩的
大小成正比。
实际直流伺服电动机的特性曲线是一组接近直线的曲线。直流伺服电动机的
优点除了机械特性线性之外，还包括速度调节范围宽而且平滑，起动转矩大，
无自转现象，反应也相当灵敏，其缺点是由于存在换向器和电刷的滑动接触，
常因接触不良而影响运行的稳定性，电刷火花会产生干扰。

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5.1.2 交流伺服电动机
一、基本结构
交流伺服电动机在结构上为两相异步电动机，其定子上有空间相差 90°电角
度的两相分布绕组，它们可以有相同或不同的匝数。定子绕组的一相作为励磁
绕组，运行时接到电压为 Uf 的交流电源上，另一相作为控制绕组，输入控制信
号电压 Uc。 电压 Uf 和 Uc 同频率，一般为 50 Hz 或 400 Hz。
常用的转子结构有两种形式：高电阻笼型转子和非磁性空心杯转子。
高电阻笼型转子的结构和普通笼型感应电动机一样，但为减小转子的转动惯
量，常将转子做成细而长的形状。笼型转子的导条和端环可以采用高电阻率的
材料（如黄铜、青铜等）制造，也可采用铸铝转子。 如我国生产的 SL 系列两
相交流伺服电动机就采用铸铝转子。由于转子回路的电阻增大，使得交流伺服
电动机的特性曲线变软。
非磁性空心杯转子的结构如图所示。电动机中除了有
和一般感应电动机一样的定子外，还有一个内定子。内
定子是由硅钢片叠压而成的圆柱体，通常内定子上无绕
组，只是代替笼形转子铁心作为磁路的一部分，作用是
减少主磁通磁路的磁阻。在内外定子之间有一个细长的、
装在转轴上的空心杯形转子，杯形转子通常用非磁性材料铝或铜制成，壁很薄，
一般只有 0.2～0.8mm，因而具有较大的转子电阻和很小的转动惯量。杯形转子
可以在内外定子间的气隙中自由旋转。电动机依靠杯形转子内感应的涡流与气
隙磁场作用而产生电磁转矩。

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可见，杯形转子交流伺服电动机的优点为转动惯量小，摩擦转矩小，
因此快速响应好；另外，由于转子上无齿槽，所以运行平稳，无抖动，噪声小。
其缺点是由于这种结构的电动机的气隙较大，励磁电流也较大，致使电动机的
功率因数较低，效率也较低，它的体积和容量要比同容量的笼型伺服电动机大
得多。我国生产的这种伺服电动机的型号为 SK，这种伺服电动机主要用于要求
低噪声及低速平稳运行的某些系统中。
二、工作原理
两相交流伺服电动机的工作原理与单相电容异步电动机相似。两相绕组轴线
位置在空间相差 90°电角度，当两相绕组分别加以交流电压以后，就会在气隙
中产生旋转磁场。当转子导体切割旋转磁场的磁力线时，便会感应电动势，产
生电流，转子电流与气隙磁场相互作用产生电磁转矩，使
转子随旋转磁场的方向而旋转。
若控制绕组无控制信号，只有励磁绕组中有励磁电流，则气隙中形成的是单
相脉振磁动势。前面的知识告诉我们伺服电动机转子是不会转动的。一旦控制
绕组有信号电压，一般情况下，两相绕组上所加的电压 Uf 和 Uc、流入的电流 If
和 Ic 以及由电流产生的磁动势 Ff 和 Fc 是不对称的，则电动机内部便建立起椭圆
形旋转磁场。椭圆形旋转磁场同样可以分解为两个速度相等、转向相反的圆形
旋转磁场，但它们大小不等（与原椭圆旋转磁场同向的磁场大，相反的小），因
此转子上两个电磁转矩也大小不等，方向相反，合成转矩不为零，这样转子就
不再保持静止状态，而随着正转磁场的方向转动起来。
但当控制信号消失，即控制电压 Uc=0 时，按要求，伺服电动机应立即停转。

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但是此时定子中的磁场完全由励磁绕组产生，电动机内部建立的是单相
脉振磁场,电动机将继续旋转，这种现象称之为“自转”。
“自转”现象在自动控制系统中是绝不允许的，解决的办法就是增大转子电阻。
当转子电阻增大到使 sm>1 的程度时，合成
转矩 T 位于 2、4 象限，在电动机运行范围
内，0＜s＜1 时，合成转矩均为负值，即为
制动转矩，因而当控制电压 Uc 等于零为单相运行时，电动机就立刻产生制动转
矩，与负载转矩一起促使电动机迅速停转，这样就不会产生自转现象。
无自转现象是交流伺服电动机的基本特性之一，也是自动控制系统对交流伺
服电动机的基本要求。所以，为了消除自转现象，交流伺服电动机单相供电时
的机械特性曲线必须如上图所示，这就要求伺服电动机有相当大的转子电阻，
最理想的是使 sm＞1，就可以完全消除自转现象。前面讲到的转子的两种特殊结
构形式正是为了满足这种要求。
三、控制方式
交流伺服电动机两绕组通常对称设计，两绕组上所加的电压 Uc、Uf 也对称
时，得到的是圆形旋转磁场，电动机转速最高。若控制电压 Uc 的幅值与 Uf 不等
或与相位差不是 90°，则气隙中旋转磁场变为椭圆形。当负载转矩一定时，通
过调节 Uc 的大小或相位差可以改变旋转磁场的椭圆度，从而影响到电磁转矩，
来达到改变电动机转速的目的。因此，交流伺服电动机的控制方式有以下三种：
Ø 幅值控制
这种控制方式通过调节控制电压的大小来改变电动机的转速，而控制电压

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Uc 与励磁电压 Uf 之间的相位角保持 90°电角度，通常 Uc 滞后于 Uf。
如用控制信号系数 α 来反映控制电压的大小，则 0<α<1 变化，气隙磁场就由脉
振磁场→椭圆形旋转磁场→圆形旋转磁场变化，电机转速逐渐升高。
Ø 相位控制
这种控制方式通过调节控制电压的相位（即调节 Uc 与 Uf 之间的相位角 β ）
来改变电动机的转速，而 Uc 的幅值保持不变。
当 β=0 时，电动机停转。（脉振磁场）
当 β=90 时，电动机转速最高。（圆形旋转磁场）
Ø 幅相控制
U a
同时改变 Uc 的幅值和相位。信号系数随之改变： =
n sin b
U f
这种控制方式利用串联电容器来分相，不需要复杂的移相装置，
设备简单，成本较低，成为最常用的一种
控制方式。
将励磁绕组串联电容 C 以后接到稳压电源 U1 上，控制绕组仍外施控制电压 Uc，而 Uc 的相位始终与
U1 的相位同相。这时励磁绕组上外施励磁电压 Uf = U1 ­Uca。
当调节控制电压 Uc 的幅值来改变电动机的转速时，由于转子绕组与励磁绕组的耦合作用（相当于变
压器的二次绕组与一次绕组），使励磁绕组的电流 If 也发生变化，致使励磁绕组 Uf 及电容 C 上 Uca 也随之
改变，即电压 Uc 与 Uf 的大小及它们之间的相位角β都随之改变，所以这是一种幅值和相位的复合控制方
式。 
§ 5.2 测速发电机
测速发电机是一种检测转速的信号元件，它将输入的机械转速变换成电压信
q
号输出。这就要求电机的输出电压与转速成正比关系： U=Kn 或 U = K ¢ d
dt
输出电压正比于转子转角对时间的微分，因此在计算装置中也把它作为微分或
积分等解算元件。自动控制系统对测速发电机的要求是：

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l 测速发电机的输出电压与转速保持严格的线性关系，且不随外界
条件（如温度等）的改变而发生变化；
l 电机的转动惯量要小，以保证反应迅速；
l 电机的灵敏度要高，即测速发电机的输出电压对转速的变化反应灵敏，
也就是要求测速发电机的输出特性斜率要大。
测速发电机有直流测速发电机和交流测速发电机两大类。其中直流测速发电
机又分为永磁式和电磁式两种，国产型号分别为 CY 和 CD；交流测速发电机又
分为同步和异步两种，国产型号分别为 CG（感应子式）、CK（空心杯转子）、
CL（笼型转子）。另外还有采用新原理、新结构研制成的霍尔效应测速发电机。
5.2.1 直流测速发电机
直流测速发电机的结构和普通小型直流发电机相同，按励磁方式可分为他励
式和永磁式两种，永磁式较为常用。
直流测速发电机的工作原理和一般直流发电机没有区别，在恒定磁场中，电
枢以转速 n 旋转时，电枢上的导体切割空载主磁通 Φ1，于是就在电刷间产生空
载感应电动势：E0=CeΦ1n
空载时，电枢电流 Ia=0，输出电压是空载感应电动势， U0=E0 与转速 n 成正比。
负载时，电枢电流 Ia≠0 若不计电枢反应的影响，输出电压应为：
U R R C F
U = E0 - I a Ra = E - R → U =
a
L
E0 = L e 1 n
RL Ra + RL Ra + RL
在理想情况下，Ra、RL 和 Φ1 均为常数，直流测速发电机的输出电压 U 与转速 n
仍成线性关系。对于不同的负载电阻，测速发电机输出特性的斜率有所不同，
它随负载电阻的减小而降低。

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5.2.2 交流异步测速发电机
在自动控制系统中，目前应用的交流测速发电机主要是空心杯形转子异步测
速发电机，其结构和杯形转子伺服电动机相似，定子的两相绕组在空间位置上
严格保持 90°电角度，其中一相作为励磁绕组，外施稳频稳压的交流电源励磁；
另一相作为输出绕组，其两端的电压即为测速发电机的输出电压。
当电机的励磁绕组外施电压 U1 时，便有电流 I1 流过绕组，
在电机气隙中沿励磁绕组轴线（d 轴）产生一频率为 f 的脉
动磁通 Φ1。
转子不动时， d 轴的脉振磁通只能在空心杯转子中感应出脉动电动势，由于
转子是闭合的，这一脉动电动势将产生转子电流，而此电流所产生的磁通与励
磁绕组产生的磁通在同一轴线上，阻碍Φ1 的变化，所以合成磁通仍为沿 d 轴的
磁通 Φd。而输出绕组的轴线和励磁绕组轴线空间位置相差 90°电角度，它与 d
轴磁通没有耦合关系，故不产生感应电动势，输出电压为零。
转子转动后，转子绕组中除了感应有变压器电动势外，同时因转子导体切割
磁通 Φd，而在转子绕组中感应一旋转电动势 Erq，其有效值 Erq∝ Φdn
由于 Φd 按频率 f 交变，所以 Erq 也按频率 f 交变。在 Erq 的作用下，转子将产生
电流 Irq， rq 所产生的磁通 Φq 也是交变的， q 的大小与 Irq 也就是与 Erq 的大小
由 I Φ
成正比，即 Φq∝Erq
Φq 的轴线与输出绕组轴线（q 轴）重合，由于 Φq 作用在 q 轴，因而在定子的
输出绕组中感应出脉动电动势，其频率仍为 f，而有效值为
E2=4.44fN2K w2Φq=C1n （考虑到 Φq∝Erq∝n）

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式中 N2Kw2 为输出绕组的有效匝数，C1 为比例常数。
通过此式可看出，输出绕组中所感应产生的电动势 E2 与转速 n 成正比，由这
个电动势产生输出电压 U2。若转子转动方向相反，则转子中的旋转电动势 Erq、
电流 Irq 及其所产生的磁通 Φq 的相位均随之相反，因而输出电压的相位也相反。
这样，异步测速发电机就能将转速信号转变成电压信号输出，实现测速的目的。
§ 5.3 步进电机
在自动控制系统中，常常需要把数字信号转换为角位移。步进电动机就是一
种用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的控制电
机。即给一个电脉冲信号，电机就转动某一角度或前行一步，故又称之为脉冲
电机。
步进电动机的角位移量或线位移量与电脉冲数成正比，它的转速或线速度与
电脉冲频率成正比。在负载能力范围内，这些关系不因电源电压、负载大小、
环境条件的波动而变化。通过改变脉冲频率，可以在很大范围内实现步进电动
机的调速，并能快速起动、制动和反转。步进电动机最大的缺陷是重载或高速
时，容易丢失脉冲而失步。
目前，在步进电机驱动领域里，有许多新的应用成果，如 PWM 驱动、超微
步驱动等。似有取代直流伺服驱动的趋势。
步进电动机的种类繁多，
按相数可分为单相、两相、三相及多相步进电动机，
按其运动方式分为旋转运动型、直线运动型和平面运动型。
通常使用的旋转型步进电动机又可分为反应式、永磁式和感应式。其中反应

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式步进电动机是我国目前应用最广泛的一种，它具有调速范围大，动态
性能好，能快速起动、制动和反转等优点。
永磁式和感应式步进电动机的基本原理与反应式步进电动机相似，因此仅以
反应式步进电动机为例，简单分析步进电动机的基本原理。
一、步进电动机的工作原理
三相反应式步进电动机结构见左图，其定子、转子铁心均
由硅钢片叠压而成。定子上均匀分布六个磁极，磁极上装有
线圈，相对两个极上的线圈串联起来组成三个独立的绕组，
称为三相绕组。转子是四个均匀分布的齿，齿宽等于定子主
磁极端面的有效宽度，转子上没有绕组，本身亦无磁性。
(a)U 相通电 (b) V 相通电 (c) W 相通电
反应式步进电动机的运行原理
当 U 相绕组通电且 V、W 相绕组都断电时，由于磁通具有力图走磁阻最小路
径的特点， 因而转子齿 1、3 的轴线与定子 U 极轴线对齐（负载转矩为零时）；
当 U 相断电且 V 相通电时，转子便逆时针方向转过 30°，使转子齿 2、4 的轴
线与定子 V 极轴线对齐；当 V 相断电且 W 相通电时， 转子再转过 30°，使转
子齿 1、3 的轴线与定子 W 极轴线对齐。如此循环往复, 按 U—V—W—U 的顺
序不断接通和断开控制绕组，气隙中将产生脉冲式的旋转磁场，转子就一步一
步地按逆时针方向转动。

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若步进电动机的通电顺序改为 U—W—V—U，则电动机为顺时针方
向旋转。定子绕组与电源的接通或断开可由数字逻辑电路或计算机软件来控制。
上述通电过程中，定子绕组每改变一次通电方式，步进电动机就走一步，称
其为一拍。上述通电方式也称为三相单三拍。其中，
“单”是指每次只有一相定
子绕组通电，
“三拍”是指每经过三次切换，定子绕组通电状态为一个循环，再
下一拍通电时就重复第一拍通电方式。
步进电动机每拍转子所转过的角位移称为步距角，可见，三相单三拍通电方
式时的步距角是 30°。
三相步进电动机除了单三拍通电方式外，还可工作在三相单、双六拍通电方
式。
当 U 相通电时，转子齿 1、3 的轴线与定子 U 极轴线对齐；当 UV 两相同时
通电时，转子的位置应兼顾到 U、V 两对极所形成的两路磁通，在气隙中所遇到
的磁阻同样程度地达到最小。这时相邻两个 U、V 磁极与转子齿相作用的磁拉力
大小相等且方向相反，使转子处于平衡状态。因此，当 U 相通电转到 UV 两相
同时通电时，转子只能逆时针转过 15°；当断开 U 相而使 V 相定子绕组单独通
电时，转子将继续沿逆时针方向转过一个角度， 直至使转子齿 2、4 的轴线与
定子 V 极轴线对齐为止，这时转子又转过 15°。继续按 VW—W—WU—U 的顺

13. 船舶电力拖动 [11415~6] Created by Kairry
序通电，那么步进电动机就按逆时针方向连续转动。
可见，三相单、双六拍控制方式，六拍完成一个循环。步距角为 15°。
在实际工作中还经常采用三相双三拍的运行方式，也就是按 UV—VW—WU
—UV 的通电方式或 UW—WV—VU—UW 的通电方式供电。 这种通电方式与单
三拍运行时一样，每一循环也是换接三次，总共有三种通电状态，但不同的是，
每次换接时都同时有两相定子绕组接通。
三相双三拍的运行方式比三相单三拍的好，因为单三拍在切换时出现的一相
定子绕组断电而另一相定子绕组开始通电的状态容易造成失步，而且由于单一
定子绕组通电吸引转子，也易使转子在平衡位置附近产生振荡。
由上面分析可知，同一台步进电机，其通电方式不同，步距角可能不一样，
采用单双拍方式，步距角是单拍或双拍的一半；采用双极通电方式稳定性比单
极要好。
上述简单的三相反应式步进电动机的步距角太大，即每一步转过的角度太大，
不能用于精度要求较高控制系统。这种结构只是分析原
理时采用，实际使用的步进电动机都是小步距角的。左
图所示的结构是最常见的一种小步距角的三相反应式步
进电动机。要求转子与定子具有相同齿距、齿宽；转子
的齿数须满足自动错位的条件（即每个定子磁极下的转
子齿数不能同为正整数），这样才能在连续改变通电的状态下获得不断步进运行。
例如：一转子齿数 zr=40，相数 m=3，一相绕组通电时，在气隙圆周上形成
的磁极数 2p=2，以三相单三拍运行为例，

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每一齿距的空间角为θz=360/zr=9°；
每一极距的空间角为θj=360/2pm=60°；
40 40 2
每一极距所占的齿数为 = = 6
2 pm 2 ´ 1´ 3 3
由于每一极距所占的齿数不是整数，因此当 U 极下的定、转子齿对齐时，V
极的定子齿和转子齿必然错开 1/3 齿距，即
3°； 极下定、
W 转子齿错开 2/3 齿距，为 6 °。
可见，转子每转过一个齿距，相当于在
空间转过 360/zr°；则每一拍转过的角度只
是齿距角的 1/N（N 为运行拍数）。因此，步距角为：
o
360
q = zr——转子齿数；N——运行拍数
zr N
三拍运行步距角为 3°；若六拍运行则为 1.5°。
假设脉冲频率为 f，由上式知：每输入一个脉冲，转子转过的角度是整个圆
周角的 1/ zr N（也就是转过 1/ zr N 转）。因此每分钟转子所转过的圆周数，
1 zr N 60 f
即转速为： n = ´ 60 = (r/min)
T zr N
以上讨论的步进电动机都是三相的，也有其他多相步进电动机。步进电动机
的相数和转子齿数越多，则步距角θ就越小。在一定的脉冲频率下，步距角越小，
转速也越低。但是相数越多，电源就越复杂，成本也较高，因此，目前步进电
动机一般最多六相，也有个别更多相的。
§ 5.4 自整角机
自整角机是一种对角位移或角速度的偏差能自动整步的控制电机。也可理解

15. 船舶电力拖动 [11415~6] Created by Kairry
为是一种角位移传感器。
在转角随动系统中，利用电的联系，使两个在机械上互不联接的转轴作同步
偏转。因此，自整角机总是成对使用，与指令轴相联的自整角机称为发送机，
与执行轴联的称作接收机。
自整角机基本结构上与小型同步电动机相似，定子铁芯嵌有一套三相同步绕
组（互为 120°），转子呈凸极式或隐极式，嵌有单相励磁绕组，以电刷、滑环
引入励磁电源。按工作原理主要有力矩式和控制式两种类型（此外还有差动式）。
一、力矩式自整角机
如图所示将两机的三相对应绕组的同名端相互连接，两机的励磁绕组与同一
单相电源连接。
在励磁绕组中通入单相交流电流时，两台自整角机的气
隙中都将生成脉振磁场，其大小随时间按余弦规律变化。
脉振磁场使整步绕组的各相绕组生成时间上同相位的
感应电动势，电动势的大小取决于整步绕组中各相绕组
的轴线与励磁绕组轴线之间的相对位置。
当两机处协调位置时：两机的三相整步绕组感应电势大小相等、方向相反，
整步绕组没有电流流过，整步绕组不产生磁场，转子励磁绕组不受力。
当两机处失调位置时：两机的整步绕组各相回路中感应电势不相等，存在均
衡电流，带电的整步绕组在气隙磁场的作用下产生电磁转矩，电磁转矩作用于
励磁绕组而试图使转子旋转，由于发送机转子由操作设备控制，其转子不动，
只有接收机转子转动，转动方向为减小失调角的方向。直至失调角为零。

16. 船舶电力拖动 [11415~6] Created by Kairry
只要发送机转子转过一个角度，接收机的转子就会在接收机本身生成的
电磁转矩作用下转过一个相同的角度，从而实现了转角远距离再现。
例如：船舶上的应用
舵角计指示器：发送机转子与转动的舵柱机械传动联接，以
发送舵叶偏转角度，接收机转子带动舵角指示器的指针。
自整角机传令钟：由发令和回令两套自整角机系统及声光铃路系统组成。是驾
驶室与机舱间传送改变主机运转命令的一种设备。
二、控制式自整角机
将发送机和接收机的转子绕组互相垂直的
位置作为协调位，并将接收机的转子绕组从
电源断开，这样的自整角机系统就成为了控
制式自整角机。
当发送机的励磁绕组接通交流电源后，在发
送机气隙中将产生脉振磁场，定子三个空间对称的同步绕组中都感应感生电动
势，其频率、相位都相同，但由于与转子绕组耦合位置不同，其幅值不同。三
个电动势分别产生三个同相电流，同时流经发送机和接收机的定子绕组。产生
两组三个脉振磁动势，在发送机中，三个脉振磁动势合成后仍为脉振磁动势，
其轴线与 D1 绕组轴线重合；同理在接收机中，合成脉振磁动势轴线与 D’1 绕组
轴线重合。由于接收机转子绕组磁场轴线与之垂直，故不会产生感应电动势，
转子绕组输出电压为零。
当发送机转子被主令轴转过 θ角时，同步绕组因耦合位置发生了变化，三个

17. 船舶电力拖动 [11415~6] Created by Kairry
绕组上的感应电动势大小也发生变化，电流及磁动势大小也跟着变化。
合成磁动势的轴线也转过θ角。接收机同步绕组中的电流就是发送机同步绕组流
出的电流，故接收机同步绕组合成脉振磁动势轴线也必从 D’1 绕组轴线位置转过
θ角。转子绕组的磁场轴线不再与合成脉振磁动势轴线重合，这样接收机转子绕
组就会感生出感生电动势 E2=E2msinθ， E2 经放大后，控制伺服电动机带动负
载转动，同时转动接收机转子，直至新的协调位置，接收机转子绕组中电动势
消失。此时负载已按主令轴的指令转到所要求的位置。
§ 5.5 旋转变压器
旋转变压器（又称同步分解器）是利用变压器原理将转子转角变换成与之呈
某一函数关系电信号的装置。按其在控制系统中的不同用途可分为计算用旋转
变压器和数据传输用旋转变压器两类。
旋转变压器在结构上与两相异步电机相似，是一种小
型交流电机。旋转变压器分为有刷和无刷两种。有刷
式旋转变压器的特点是结构简单，体积小，但因电刷
与滑环是机械滑动接触的，所以可靠性差，寿命短。
无刷旋转变压器无电刷和滑环，其输出信号大、可靠性高、寿命长及不用维修
等优点，因此得到广泛应用，其内部结构如图所示。旋转变压器分为单极式和
多极式。单极式的定子、转子上仅一对磁极，多极式与单极式相比增加了电气
转角与机械转角的倍数，用于高精度绝对式检测系统。
旋转变压器的工作原理

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由 于 旋 转 变 压 器在 结 构 上 保证
了其定子和转子(旋转一周)之间气隙内
磁通分布符合正弦规律。因此，当激磁
电压加到定子绕组时，通过电磁耦合，
转子绕组便产生感应电势。其输出电压的大小取决于定子与转子两个绕组轴线
在空间的相对位置。两者平行时互感最大，转子绕组的感应电动势也最大；两
者垂直时互感为零，转子绕组的感应电动势也为零。这样，当两者呈一定角度
时，转子绕组中产生的互感电动势按正弦规律变化，如图所示。若变压器变压
比为 k， 当定子绕组输入电压为： U1 = U m sin wt
则转子绕组感应电动势为： U 2 = kU m sin q sin wt
当转子绕组磁轴转到与定子绕组磁轴平行时，互感电动势为最大： kU m sin wt
式中：Um—定子绕组励磁电压的幅值； U1—定子绕组励磁电压；
U2—转子绕组感应电压； θ—变压器转子偏转角
可见，转子输出电压的幅值 kU m sin q 是随转子和定子的相对角位移 θ以正弦函数
变化。因此，只要测量出转子绕组中的感应电势的幅值，便可间接地得到转子
相对于定子的位置，即θ角的大小。
以上是单极式旋转变压器的基本工作原理，在实际应用中，常采用双极式旋
转变压器。这里仅作简要介绍。
定、转子双绕组均互差 90 电角度；D1D2、D3D4 绕组轴线分别与绕组 Z1Z2、
Z3Z4 重合。如图所示。
旋转变压器的工作原理和普通变压器本质上无多大区别。只是由于转子旋转，

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定子励磁绕组和转子输出绕组之间的相对位置发生变化引起互感变化，
从而使输出电压与转子转角成正弦或余弦关系。
工作时，定子 D1D2 绕组加上大小和频率一定的交流电
压 UD 以产生需要的工作磁通，则建立磁通势 F 而产生
脉振磁场，当转子在原来的基准电气零位逆时针转过 θ
角度时。空载时输出电压（有效值）为： U Z 12 = kU d cos q 、 U Z 12 = kU d sin q
由上式，称 Z1Z2 绕组为余弦绕组、称 Z3Z4 绕组为正弦绕组，k 为变比。
负载运行时，会使输出电压产生畸变，必须进行补偿，将定子 D3D4 绕组短
路为原边补偿，将转子 Z3Z4 绕组接一阻抗 Zc(且 Zc =Z1)为副边补偿。同时采用原
边、副边补偿的效果比采用其中任何一种单独补偿效果都好。
本课程这学期暂讲解到此
感谢同学们
预祝取得好成绩，
生活快乐！