1、項目五項目五 特殊電動機控制線路的安裝與調試特殊電動機控制線路的安裝與調試項目概述 特種電機通常指的是結構、性能、用途或原理等與常規電機不同，且體積和輸出功率較小的微型電機或特種精密電機，一般其外徑不大于 130mm。特種電機可以分為驅動用特種電機和控制用特種電機兩大類，前者主要用來驅動各種機構、儀表以及家用電器等；后者是在自動控制系統中傳遞、變換和執行控制信號的小功率電機的總稱，用作執行元件或信號元件。控制用的特種電機分為測量元件和執行元件。測量元件包括旋轉變壓器，交、直流測速發電機等；執行元件主要有交、直流伺服電動機，步進電動機等。5.1 伺服電動機控制線路的安裝與調試伺服電動機在自動控制

2、系統中用作執行元件，用于將輸入的控制電壓轉換成電機轉軸的角位移或角速度輸出，伺服電動機的轉速和轉向隨著控制電壓的大小和極性的改變而改變。在自動控制系統中，對伺服電動機的性能有如下要求：1調速范圍寬。2機械特性和調節特性為線性。3無“自轉”現象。4快速響應。伺服電動機有直流和交流兩大類。直流伺服電動機輸出功率較大，交流伺服電動機的輸出功率較小。5.1.1 直流伺服電動機1結構直流伺服電動機結構和原理與普通直流電動機的結構和原理沒有根本區別。按照勵磁方式的不同，直流伺服電動機分為永磁式直流伺服電動機和電磁式直流伺服電動機。永磁式直流伺服電動機的磁極由永久磁鐵制成，不需要勵磁繞組和勵磁電源。電磁式直

3、流伺服電動機一般采用他勵結構，磁極由勵磁繞組構成，通過單獨的勵磁電源供電。按照轉子結構的不同，直流伺服電動機分為空心杯形轉子直流伺服電動機和無槽電樞直流伺服電動機。空心杯形轉子直流伺服電動機由于其力能指標較低，現在已很少采用。無槽電樞直流伺服電動機的轉子是直徑較小的細長型圓柱鐵芯，通過耐熱樹脂將電樞繞組固定在鐵芯上，具有散熱好、力能指標高、快速性好的特點。2控制方式直流電動機的控制方式有兩種：一種稱為電樞控制，在電動機的勵磁繞組上加上恒壓勵磁，將控制電壓作用于電樞繞組來進行控制；一種稱為磁場控制，在電動機的電樞繞組上施加恒壓，將控制電壓作用于勵磁繞組來進行控制。由于電樞控制的特性好，電樞控制中

4、回路電感小，響應快，在自動控制系統中多采用電樞控制。（1）電樞控制方式下的工作原理與特性在電樞控制方式下，作用于電樞的控制電壓為 Uc，勵磁電壓 Uf保持不變，如圖 5.1 所示。圖 5.1電樞控制的直流伺服電動機原理圖直流伺服電動機的機械特性表達式為：TnTCCRCUnTeaec02 （5-1）式中，Ce為電勢常數；CT為轉矩常數；Ra為電樞回路電阻。由于直流伺服電動機的磁路一般不飽和，我們可以不考慮電樞反應，認為主磁通 大小不變。伺服電動機的機械特性，指控制電壓一定時轉速隨轉矩變化的關系。當作用于電樞回路的控制電壓 Uc不變時，轉矩 T 增大時轉速 n 降低，轉矩的增加與電動機的轉速降成正

5、比，轉矩 T 與轉速 n 之間成線性關系，不同控制電壓作用下的機械特性如圖 32a 所示。a) b)圖 5.2 直流伺服電動機的特性a)機械特性；b)調節特性伺服電動機的調節特性是指在一定的負載轉矩下，電動機穩態轉速隨控制電壓變化的關系。當電動機的轉矩 T 不變時，控制電壓的增加與轉速的增加成正比，轉速 n 與控制電壓 Uc也成線性關系。不同轉矩時的調節特性如圖 32b 所示。由圖可知，當轉速 n0 時，不同轉矩 T 所需要的控制電壓 Uc也是不同的，只有當電樞電壓大于這個電壓值，電動機才會轉動，調節特性與橫軸的交點所對應的電壓值稱始動電壓。負載轉矩 TL不同時，始動電壓也不同，TL越大，始動

6、電壓越高，死區越大。負載越大，死區越大，伺服電機不靈敏，所以不可帶太大負載。直流伺服電動機的機械特性和調節特性的線性度好，調整范圍大，起動轉矩大，效率高。缺點是電樞電流較大；電刷和換向器維護工作量大；接觸電阻不穩定；電刷與換向器之間的火花有可能對控制系統產生干擾。5.1.2 交流伺服電動機1. 結構交流伺服電動機在結構上類似于單相異步電動機，它的定子鐵心中安放著空間相差90 電角度的兩相繞組，一相稱為勵磁繞組，一相稱為控制繞組。電動機工作時，勵磁繞組接單相交流電壓，控制繞組接控制信號電壓，要求兩相電壓要同頻率。交流伺服電動機的轉子有兩種結構形式。一種是籠型轉子，與普通三相異步電動機籠型轉子相似

7、，只不過在外形上更細長，從而減小了轉子的轉動慣量，降低了電動機的機電時間常數。籠型轉子交流伺服電動機體積較大，氣隙小，所需的勵磁電流小，功率因數較高，電動機的機械強度大，但快速響應性能稍差，低速運行也不夠平穩。另一種是非磁性空心杯形轉子，其轉子做成了杯形結構，為了減小氣隙，在杯形轉子內還有一個內定子，內定子上不設繞組，只起導磁作用，轉子用鋁或鋁合金制成，杯壁厚0.20.8mm，轉動慣量小且具有較大的電阻，空心杯轉子交流伺服電動機結構示意圖如圖5.3 所示。杯型轉子交流伺服電動機具有響應快、運行平穩的優點，但結構復雜，氣隙大，空載電流大，功率因數較低。圖 5.3 空心杯轉子交流伺服電動機結構示意

8、圖2. 工作原理交流伺服電動機的工作原理示意圖如圖 34 所示。圖 5.4交流伺服電動機工作原理示意圖交流伺服電動機勵磁繞組和控制繞組在空間位置上相差 90 電角度，工作時，勵磁繞組通入恒定交流電壓，控制繞組由伺服放大器供電通入控制電壓，兩個電壓的頻率相同，并且在相位上也相差 90 電角度。這樣，兩個繞組共同作用在電動機內部產生了一個旋轉磁場，在旋轉磁場的作用下會在轉子中產生感應電動勢和電流，轉子電流與旋轉磁場相互作用產生電磁轉矩，帶動轉子轉動。由所學知識可知，在單相異步電動機中，當轉子轉動起來以后，斷開起動繞組，電動機仍然能夠轉動。如果在交流伺服電動機中，控制繞組斷開后，電動機仍然轉動，那么

9、伺服電動機就處于“自轉”狀態，這是伺服電動機所不能允許的。 如何消除伺服電動機的“自轉”現象呢？只需要增加伺服電動機的轉子電阻就可以了。當控制繞組斷開后，只有勵磁繞組起到勵磁作用，單相交流繞組產生的是一個脈振磁場，脈振磁場可以分解為兩個方向相反大小相同的旋轉磁場。當轉子電阻較小（臨界轉差率Sm1）時，伺服電動機的機械特性如圖 5.5a 所示，曲線 T+為正向旋轉磁場作用下的機械特性，曲線 T為反向旋轉磁場作用下的機械特性，曲線 T 為合成機械特性曲線，可以看出，電磁轉矩的方向與轉速的方向相同，電動機仍然能夠轉動。當轉子電阻較大（Sm1）時，伺服電動機的機械特性如圖 5.5b 所示，曲線 T 為

10、合成機械特性曲線，可以看出，電磁轉矩與轉速的方向相反，在電磁轉矩的作用下，電動機能夠迅速地停止轉動，從而消除了交流伺服電動機的“自轉”。圖 5.5交流電動機單相勵磁時的機械特性a) Sm1 時的機械特性；b) Sm1 時機械特性3. 控制方法在交流伺服電動機中，除了要求電動機不能“自轉”外，還要求改變加在控制繞組上的電壓的大小和相位，能夠改變電動機轉速的大小和方向。根據旋轉磁動勢理論，勵磁繞組和控制繞組共同作用產生的是一個旋轉磁場，旋轉磁場的旋轉方向是由相位超前的那一相繞組轉向相位滯后的那一相繞組。改變控制繞組中控制電壓的相位，可以改變兩相繞組的超前滯后關系，從而改變旋轉磁場的旋轉方向，交流伺

11、服電動機轉速方向也會發生變化。改變控制電壓的大小和相位，可以改變旋轉磁場的磁通，從而改變電動機的電磁轉矩，交流伺服電動機轉速也會發生變化。交流電動機的轉速控制方法有幅值控制、相位控制和幅相控制三種：（1）幅值控制幅值控制是通過改變控制電壓cU的幅值來控制電機的轉速，而cU的相位始終保持不變，使控制電流cI與勵磁電流fI保持 90 電角度的相位關系。如cU=0，則轉速為 0，電動機停轉。幅值控制的接線如圖 5.6 所示。圖 5.6幅值控制和相位控制方式接線圖（2）相位控制相位控制是通過改變控制電壓cU的相位。從而改變控制電流cI與勵磁電流fI之間的相位角來控制電動機的轉速，在這種情況下，控制電壓

12、cU的大小保持不變。當兩相電流cI與fI之間的相位角為 00時，則轉速為 0，電動機停轉。（3）幅相控制幅相控制是指通過同時改變控制電壓cU的幅值及cI與fI之間的相位角來控制電機的轉速。具體方法是在勵磁繞組回路中串入一個移相電容 C 以后，再接到穩壓電源1U上，這時勵磁繞組上的電壓fU=1UcfU，如圖 5.7 所示。控制繞組上加與1U相同的控制電壓cU，那么當改變控制電壓cU的幅值來控制電動機轉速時，由于轉子繞組與勵磁繞組之間的耦合作用，勵磁繞組的電流fI也隨著轉速的變化而發生變化，而使勵磁繞組兩端的電壓fU及電容 C 上的電壓cfU也隨之變化。這樣改變cU幅值的結果使cU、fU的幅值、它

13、們之間的相位角以及相應電流cI、fI之間相位角也都發生變化，如圖 5.8 所示，所以屬于幅值和相位復合控制方式。當控制電壓cU0 時，電動機的轉速為 0，使電動機停轉 圖 5.7幅相控制的接線圖 圖 5.8幅相控制時的相量圖在這一種控制方式中，勵磁回路中所接的電容在選擇時要盡量使電動機起動時兩相繞組產生的磁動勢大小相等、相位差為 90，以保證電動機有良好的起動性能。在三種控制方法中，雖然幅相控制的機械特性和調節特性最差，但由于這種方法所采用的控制設備簡單，不用移相裝置，應用最為廣泛。5.1.3 進給伺服系統機中伺服電機的故障檢修案例三相交流伺服電動機應用廣泛，但通過長期運行后，會發生各種故障，

14、及時判斷故障原因，進行相應處理，是防止故障擴大，保證設備正常運行的一項重要的工作。 1通電后電動機不能轉動，但無異響，也無異味和冒煙。 （1）故障原因電源未通（至少兩相未通） ；熔絲熔斷（至少兩相熔斷） ；過流繼電器調得過小；控制設備接線錯誤。 （2）故障排除檢查電源回路開關，熔絲、接線盒處是否有斷點，修復；檢查熔絲型號、熔斷原因，換新熔絲；調節繼電器整定值與電動機配合；改正接線。 2通電后電動機不轉有嗡嗡聲 （l）故障原因轉子繞組有斷路（一相斷線）或電源一相失電；繞組引出線始末端接錯或繞組內部接反；電源回路接點松動，接觸電阻大；電動機負載過大或轉子卡住；電源電壓過低；小型電動機裝配太緊或軸承

15、內油脂過硬；軸承卡住。 （2）故障排除查明斷點予以修復；檢查繞組極性；判斷繞組末端是否正確；緊固松動的接線螺絲，用萬用表判斷各接頭是否假接，予以修復；減載或查出并消除機械故障，檢查是否把規定的面接法誤接；是否由于電源導線過細使壓降過大，予以糾正，重新裝配使之靈活；更換合格油脂；修復軸承。 3電動機起動困難，額定負載時，電動機轉速低于額定轉速較多 (1) 故障原因：電源電壓過低；面接法電機誤接；轉子開焊或斷裂；轉子局部線圈錯接、接反；修復電機繞組時增加匝數過多；電機過載。 (2) 故障排除：測量電源電壓，設法改善；糾正接法；檢查開焊和斷點并修復；查出誤接處，予以改正；恢復正確匝數；減載。 4電動

16、機空載電流不平衡，三相相差大 （1）故障原因：繞組首尾端接錯；電源電壓不平衡；繞組存在匝間短路、線圈反接等故障。 （2）故障排除：檢查并糾正；測量電源電壓，設法消除不平衡；消除繞組故障。 5電動機運行時響聲不正常，有異響 （1）故障原因：軸承磨損或油內有砂粒等異物；轉子鐵芯松動；軸承缺油；電源電壓過高或不平衡。 （2）故障排除：更換軸承或清洗軸承；檢修轉子鐵芯；加油；檢查并調整電源電壓。 6運行中電動機振動較大 （1） 故障原因：由于磨損軸承間隙過大；氣隙不均勻；轉子不平衡；轉軸彎曲；聯軸器（皮帶輪）同軸度過低。 （2）故障排除：檢修軸承，必要時更換；調整氣隙，使之均勻；校正轉子動平衡；校直轉

17、軸；重新校正，使之符合規定。 7軸承過熱 （1）故障原因：滑脂過多或過少；油質不好含有雜質；軸承與軸頸或端蓋配合不當（過松或過緊） ；軸承內孔偏心，與軸相擦；電動機端蓋或軸承蓋未裝平；電動機與負載間聯軸器未校正，或皮帶過緊；軸承間隙過大或過小；電動機軸彎曲。 （2）故障排除：按規定加潤滑脂（容積的 1/3-2/3） ；更換清潔的潤滑滑脂；過松可用粘結劑修復，過緊應車，磨軸頸或端蓋內孔，使之適合；修理軸承蓋，消除擦點；重新裝配；重新校正，調整皮帶張力；更換新軸承；校正電機軸或更換轉子。 8電動機過熱甚至冒煙 （1）故障原因：電源電壓過高；電源電壓過低，電動機又帶額定負載運行，電流過大使繞組發熱；

18、修理拆除繞組時，采用熱拆法不當，燒傷鐵芯；電動機過載或頻繁起動；電動機缺相，兩相運行；重繞后定于繞組浸漆不充分；環境溫度高電動機表面污垢多，或通風道堵塞； （2）故障排除：降低電源電壓（如調整供電變壓器分接頭） ；提高電源電壓或換粗供電導線；檢修鐵芯，排除故障；減載；按規定次數控制起動；恢復三相運行；采用二次浸漆及真空浸漆工藝；清洗電動機，改善環境溫度，采用降溫措施；5.2 步進電動機控制線路的安裝與調試步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成相應角位移的電動機，每當一個電脈沖加到步進電動機的控制繞組上時，它的軸就轉動一定的角度，角位移量與電脈沖數成正比，轉速與脈沖頻率成正比，又稱為脈沖電動機。在數

19、字控制系統中，步進電動機常用作執行元件。步進電動機按照勵磁方式分為磁阻式（又稱為反應式） 、永磁式和混磁式三種；按相數分為單相、兩相、三相和多相等形式。下面以三相磁阻式步進電動機為例，介紹步進電動機的結構和工作原理。5.2.1 步進電動機結構三相磁阻式步進電動機模型的結構示意圖如圖 5.9 所示。它的定、轉子鐵心都由硅鋼片疊壓而成。定子上有六個磁極，每兩個相對的磁極上有同一相控制繞組，同一相控制繞組可以并聯或串聯；轉子鐵心上沒有繞組，只有四個齒，齒寬等于極靴寬。圖 5.9 三相磁阻式步進電動機模型的結構示意圖5.2.2 步進電動機工作原理三相磁阻式步進電動機的工作原理圖如圖 5.10 所示。當

20、 U 相控制繞組通電，V、W 兩相控制繞組不通電時，由于磁力線總是通過磁阻最小的路徑閉合，轉子將受到磁阻轉矩的作用，使轉子齒 1 和 3 與定子 U 相磁級軸線對齊，如圖 5.10a 所示。此時磁力線所通過的磁路磁阻最小，磁導最大，轉子只受徑向力而無切向力作用，轉子停止轉動。當 V 相控制繞組通電，U、W 兩相控制繞組不通電時，與 V 相磁極最近的轉子齒 2 和 4 會旋轉到與 V相磁極相對，轉子順時針轉過 30，如圖 5.10b 所示。當 W 相控制繞組通電，U、V 兩相控制繞組不通電，與 W 相磁極最近的轉子齒 1 和 3 會旋轉到與 W 相磁極相對，轉子再次順時針轉過 30，如圖 5.1

21、0c 所示。這樣按 UVWU 的順序輪流給各相控制繞組通電，轉子就會在磁阻轉矩的作用下按順時針方向一步一步的轉動。步進電動機的轉速取決于繞組變換通電狀態的頻率，即輸入脈沖的頻率，旋轉方向取決于控制繞組輪流通電的順序，若通電順序為 UWVU，則步進電動機反向旋轉。控制繞組從一種通電狀態變換到另一種通電狀態叫做“一拍”，每一拍轉子轉過的角度稱為步距角 b。圖 5.10 三相磁阻式步進電動機模型單三拍控制時的工作原理上面的通電方式的特點是，每次只有一相控制繞組通電，切換三次為一個循環，稱為三相單三拍控制方式。三相單三拍控制方式由于每次只有一相通電，轉子在平衡位置附近來回擺動，運行不穩定，很少采用。三

22、相步進電動機除了單三相控制方式外，還有三相雙三拍控制方式和三相單、雙六拍控制方式。三相雙三拍控制的通電順序為 UVVWWUUV，每次有兩相繞組同時通電，每一循環也需要切換三次，步距角與三相單三拍控制方式相同，也為 30。三相單、雙六拍控制方式的通電順序為 UUVVVWWWUU，首先 U 相通電，然后 U、V 兩相同時通電，再斷開 U 相使 V 相單獨通電，再使 V、W 兩相同時通電，等等，依此順序不斷輪流通電，完成一次循環需要六拍。三相六拍控制方式的步距角只有三相單三拍和雙三拍的一半，為 15。三相雙三拍控制方式和三相六拍控制方式在切換過程中始終保證有一相持續通電，力圖使轉子保持原有位置，工作

23、比較平穩。單三拍通電方式沒有這種作用，在切換瞬間，轉子失去自鎖能力，容易失步（即轉子轉動步數與拍數不相等） ，在平衡位置也容易產生振蕩。設轉子齒數為 Zr，轉子轉過一個齒距需要的拍數為 N，則步距角為 NZrb360 （5-2）每輸入一個脈沖，轉子轉過NZr1轉，若脈沖電源的頻率為 f，則步進電動機轉速為 rNZfn60 （5-3）可見，磁阻式步進電動機的轉速取決于脈沖頻率、轉子齒數和拍數，與電壓和負載等因素無關。在轉子齒數一定時，轉速與輸入脈沖頻率成正比，與拍數成反比。三相磁阻式步進電動機模型的步距角太大，難于滿足生產中小位移量的要求，為了減小步距角，實際中將轉子和定子磁極都加工成多齒結構。

24、圖 5.14 是三相磁阻式步進電動機的結構圖，轉子齒數為 Zr40 個，齒沿轉子圓周均勻分布，齒和槽的寬度相等，齒間夾角為 9；定子上有六個磁極，每極的極靴上均勻分布有五個齒，齒寬和槽寬相等，齒間夾角也是 9。磁極上裝有控制繞組,相對的兩個極的繞組abc串聯起來并且連接成三相星形。每個定子磁極的極距為 60，每個極距所占的齒距數不是整數，當 UU相繞組通電，UU相磁極下的定、轉子齒對齊時，VV磁極和 WW磁極下的齒就無法對齊，依次錯開 1/3 齒距角（即錯開 3） 。一般的，m 相異步電動機，依次錯開的距離為 1/m 齒距。如果采用三相單三拍通電方式進行控制，當 U 相通電時，U 磁極的定子齒

25、和轉子齒完全對齊，而 V 磁極和 W 磁極下的定子齒和轉子齒無法對齊，依次錯開 1/3 和 2/3 齒距（即3 和 6） ；當 U 相斷電，V 相圖 5.14小步距角的三相磁阻式步進電動機結構示意圖通電時，V 磁極下的定子齒和轉子齒就會完全對齊，轉子轉過 1/3 齒距；同樣的，當 V 相斷電，W 相通電時，轉子會再次轉過 1/3 齒距。不難看出，通電方式循環改變一輪后，轉子就轉過一個齒距。圖 5.14 所示的步進電動機的齒距角為 9，采用三相單三拍通電時，通電方式循環一輪需要三拍，則步距角 b為 3，我們也可由步距角計算公式計算得出步距角為3340360360NZrb設控制脈沖的頻率為 f，則

26、轉子轉速為23406060ffNZfnr如果采用三相六拍通電時，步距角為5 . 1640360360NZrb設控制脈沖的頻率為 f，則轉子轉速為46406060ffNZfnr轉子轉過一個齒距所需的運行拍數取決于電機的相數和通電方式，增加相數也可以減小步距角。但相數增多，所需驅動電路就越復雜。常用的步進電動機除了三相以外，還有四相、五相和六相的步進電動機。5.2.3 主要技術指標和運行特性1步距角和靜態步距誤差步距角也稱為步距，是指步進電動機改變一次通電方式轉子轉過的角度。步距角與定子繞組的相數、轉子的齒數和通電方式有關。目前我國步進電動機的步距角為0.3690，常用的有 7.5/15、3/6、

27、1.5/3、0.9/1.8、0.75/1.5、0.6/1.2、0.36/0.72等幾種。2最大靜轉矩步進電動機的靜特性，是指步進電動機在穩定狀態（即步進電動機處于通電狀態不變，轉子保持不動的定位狀態）時的特性，包括靜轉矩、矩角特性及靜態穩定區。靜轉矩是指步進電動機處于穩定狀態下的電磁轉矩。在穩定狀態下，如果在轉子軸上加上負載轉矩使轉子轉過一定角度 ，并能穩定下來，這時轉子受到的電磁轉矩與負載轉矩相等，該電磁轉矩即為靜轉矩，而角度 即為失調角。對應于某個失調角時，靜轉矩最大，稱為最大靜轉矩。3矩頻特性當步進電動機的控制繞組的電脈沖時間間隔大于電機機電過渡過程所需的時間，步進電動機進入連續運行狀態，這時電動機產生的轉矩稱為動態轉矩。步