1、第第2 2章章 控制電機控制電機 第第2章章 控制電機控制電機 2.1 控制電機概述控制電機概述 2.2 步進電動機步進電動機 2.3 伺服電動機伺服電動機 2.4 微型同步電動機微型同步電動機 2.5 測速發電機測速發電機 2.6 舵機舵機思考題與習題思考題與習題 第第2 2章章 控制電機控制電機 2.1 控制電機概述控制電機概述 2.1.1 控制電機的用途和類別 在科學技術高速發展的今天， 控制電機已是構成開環控制、 閉環控制、 同步聯結和機電模擬解算裝置等系統的基礎元件， 廣泛應用于各個部門， 如化工、 煉油、 鋼鐵、 造船、 原子能反應堆、 數控機床、 自動化儀表和儀器、 電影、 電視

2、、 電子計算機外設等民用設備， 或雷達天線自動定位、 飛機自動駕駛儀、 導航儀、 激光和紅外線技術、 導彈和火箭的制導、 自動火炮射擊控制、 艦艇駕駛盤和方向盤的控制等軍事設備。 第第2 2章章 控制電機控制電機 這些系統能處理包括直線位移、 角位移、 速度、 加速度、 溫度、 濕度、 流量、 壓力、 液面高低、 比重、 濃度、 硬度等多種物理量。 現以自動控制系統的一個重要分支按預定要求控制物體位置的伺服系統為例來說明一下控制電機的種類和用途。 圖2-1為兩種伺服系統的示意方框圖。 其中圖2-1（a）為經濟型數控機床常用的步進電動機開環伺服系統， 計算機數控裝置給出位移指令脈沖， 驅動電路將

3、脈沖放大， 去驅動步進電動機按命令脈沖轉動， 并帶動工作臺按要求進行位移。 第第2 2章章 控制電機控制電機 圖2-1（b）為高檔數控機床使用的全閉環位置伺服控制系統， 該系統由數控裝置給出加工所要求的位移指令值， 在機床工作臺上裝有直線位置傳感器進行實際位置檢測， 在伺服電動機軸上還裝有速度傳感器完成實際速度檢測。 該系統的位置比較電路要進行位置指令值和實際位置反饋值之間的偏差運算， 根據偏差情況計算出所需速度， 所需速度還要和實際速度檢測值進行比較， 用一系列綜合運算結果實時地通過伺服驅動器去推動伺服電動機旋轉， 實現工作臺的精確移動。 第第2 2章章 控制電機控制電機 圖2-1 兩種伺服

4、系統示意方框圖(a) 步進電動機開環伺服系統； (b) 全閉環位置伺服控制系統 驅 動 電 路指 令 脈 沖步 進 電 動 機工 件 臺(a)(b)指 令 值伺 服電 動 機速 度 檢 測伺 服驅 動 器速 度 控 制電 路直 線 位 置 檢 測位 置 比 較電 路位 置 反 饋速 度 反 饋第第2 2章章 控制電機控制電機 控制電機的種類很多， 若按電流分類， 可分為直流和交流兩種； 按用途分類， 直流控制電機又可分為直流伺服電動機、 直流測速發電機和直流力矩電動機等； 交流控制電機可分為交流伺服電動機、 交流測速發電機、 步進電動機、 微型同步電動機等。 各種控制電機的用途和功能盡管不同，

5、 但它們基本上可分為信號元件和功率元件兩大類。 第第2 2章章 控制電機控制電機 1. 作為信號元件用的控制電機 交、 直流測速發電機。 測速發電機的輸出電壓與轉速精確地保持正比關系， 在系統中主要用于轉速檢測或速度反饋， 也可以作為微分、 積分的計算元件。 第第2 2章章 控制電機控制電機 2. 作為功率元件用的控制電機 (1) 交流和直流伺服電動機。 交、 直流伺服電動機在系統中作執行元件， 其轉速和轉向取決于控制電壓的大小和極性（或相位）， 機械特性近于線性， 即轉速隨轉矩的增加近似線性下降， 比普通電動機的控制精度高。 使用時， 電動機通常經齒輪減速后帶動負載， 所以又稱為執行電動機。

6、 第第2 2章章 控制電機控制電機 (2) 步進電動機。 步進電動機是一種將脈沖信號轉為相應的角位移或線位移的機電元件。 它由專門的電源供給脈沖信號電壓， 當輸入一個電脈沖信號時， 它就前進一步， 輸出角位移量或線位移量與輸入脈沖數成正比， 而轉速與脈沖頻率成正比。 步進電動機在經濟型數控系統中作為執行元件得到廣泛應用。 (3) 微型同步電動機。 微型同步電動機具有轉速恒定， 結構簡單， 應用方便等特點， 應用在自動控制系統和其他需要恒定轉速的儀器上。 第第2 2章章 控制電機控制電機 (4) 磁滯電動機。 磁滯電動機具有恒速特性， 亦可在異步狀態下運行， 主要用于驅動功率較小的要求轉速平穩和

7、起動頻繁的同步驅動裝置中。 (5) 單相串勵電動機。 單相串勵電動機是交直流兩用的， 多數情況下使用交流電源。 由于它具有較大的起動轉矩和軟的機械特性， 因而廣泛應用在電動工具中， 如手電鉆就采用這種電動機。 第第2 2章章 控制電機控制電機 (6) 電磁調速電動機。 電磁調速電動機是采用電磁轉差離合器調速的異步電動機。 這種電動機可以在較大的范圍內進行無級平滑調速， 是交流無級調速設備中最簡單實用的一種， 在紡織、 印染、 造紙等輕工業機械中得到廣泛應用。 第第2 2章章 控制電機控制電機 2.1.2 對控制電機的要求及其發展概況 1. 對控制電機的要求 控制電機是在普通旋轉電機的基礎上發展

8、起來的， 其基本原理與普通旋轉電機并無本質區別。 不過， 普通電機的主要任務是完成能量的轉換， 對它們的要求主要著重于提高效率等經濟指標以及起動和調速等性能。 而控制電機的主要任務是完成控制信號的傳遞和轉換， 因此， 現代控制系統對它的基本要求是高精確度、 高靈敏度和高可靠性。 第第2 2章章 控制電機控制電機 高精確度是指控制電機的實際特性與理想特性的差異應 越小越好。 對功率元件來說， 是指其特性的線性度和不靈敏區； 對信號元件來說， 則主要指靜態誤差、 動態誤差以及環境溫度、 電源頻率和電源電壓的變化所引起的漂移。 這些特性都直接影響整個系統的精確度。 高靈敏度是指控制電機的輸出量應能迅

9、速跟上輸入信號的變化， 即對輸入信號能做出快速響應。 目前， 自動控制系統中的控制指令是經常變化的， 有時極為迅速， 因而控制電機， 特別是功率元件能否對輸入信號做出快速響應， 會嚴重影響整個系統的工作。 第第2 2章章 控制電機控制電機 表征快速響應的主要指標有靈敏度和機電時間常數等。 高可靠性是指控制電機對不同的使用環境應有廣泛的適應性， 在較差的環境中能非?？煽康毓ぷ鳌?第第2 2章章 控制電機控制電機 2. 控制電機的發展概況 控制電機屬于電機制造工業中一個新機種， 它的歷史雖短但發展迅速。 控制電機的品種繁多， 用途各異， 據不完全統計， 已達3000種以上， 是普通電機所不可比擬的

10、。 在國外， 從20世紀30年代開始， 控制電機隨著工業自動化、 科學技術和軍事裝備的發展而迅速發展， 其使用領域也日益擴大。 到了20世紀40年代以后， 已逐步形成自整角機、 旋轉變壓器、 交直流伺服電動機、 交直流測速發電機等一些基本系列。 第第2 2章章 控制電機控制電機 20世紀60年代以后， 由于電子技術、 航天等科學技術的發展和自動控制系統的不斷完善， 對控制電機的精度和可靠性提出了更高的要求， 控制電機的品種也日益增多， 在原有的基礎上又生產出多極自整角機、 多極旋轉變壓器、 感應同步器、 無接觸自整角機、 無接觸旋轉變壓器、 永磁式直流力矩電動機、 無刷直流伺服電動機、 空心杯

11、轉子永磁式直流伺服電動機、 印制繞組直流伺服電動機等新機種。第第2 2章章 控制電機控制電機 目前在自動化系統中， 常用數字計算機進行控制， 而在它的輸出設備中又要將數字信號轉換成角位移或線位移， 即實現數模轉換。 步進電動機的工作特性完全適合這種要求， 因此得到較快發展。 在數字計算機輸入設備中， 為了進行模數轉換， 出現了多相自整角機和多相旋轉變壓器。 第第2 2章章 控制電機控制電機 由于新原理、 新技術、 新材料的發展， 使電機在很多方面突破了傳統的觀念， 研制出一些新原理、 新結構的電機， 如霍爾效應的自整角機及旋轉變壓器、 霍爾無刷直流測速發電機、 壓電直線步進電動機， 利用“介質

12、極化”研制出駐極體電機， 利用“磁性體的自旋再排列”研制出光電機， 此外， 還有電介質電動機、 靜電電動機、 集成電路電動機等。 第第2 2章章 控制電機控制電機 控制電機的進一步發展已經不限于一般的電磁理論， 而將與其他學科相互結合， 相互促進， 成為一門多種學科相互滲透的邊緣學科。 研究特種電機的原理、 結構與應用， 在21世紀自動化技術、 電腦技術的開發和應用中將具有光輝的前景。 控制電機種類較多， 不可能一一介紹。 本章在電機原理的基礎上介紹幾種常用控制電機的基本結構、 基本工作原理、 主要運行特性和使用方法等基本問題。 第第2 2章章 控制電機控制電機 2.2 步進電動機步進電動機

13、在自動控制系統中， 常常需要把數字信號轉換為角位移。 步進電動機就是一種將電脈沖信號轉換成相應角位移或線位移的開環控制元件。它通過專用電源把電脈沖按一定順序供給定子各相控制繞組， 在氣隙中產生類似于旋轉磁場的脈沖磁場。 輸入一個脈沖信號， 電動機就轉動一個角度或前進一步， 因此， 步進電動機又稱為脈沖電動機。第第2 2章章 控制電機控制電機 步進電機基本結構圖第第2 2章章 控制電機控制電機 在非超載的情況下，步進電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差

14、等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。步進電動機的角位移量或線位移量與電脈沖數成正比，它的轉速或線速度與電脈沖頻率成正比。 在負載能力范圍內，這些關系不因電源電壓、負載大小、環境條件的波動而變化。通過改變脈沖頻率的高低，可以在很大范圍內實現步進電動機的調速，并能快速起動、制動和反轉。 第第2 2章章 控制電機控制電機 隨著電子技術和計算技術的迅速發展， 步進電動機的應用日益廣泛， 目前在經濟型數控機床、 繪圖機、 自動記錄儀表和數模變換裝置上都使用了步進電動機。 從零件的加工過程看， 工作機械對步進電動機的基本要求是： 第第2 2章章 控制電機控制電機 (1) 調速

15、范圍寬， 應盡量提高最高轉速以提高勞動生產率。 (2) 動態性能好， 能迅速起動、 正反轉和停轉。 (3) 加工精度較高， 即要求一個脈沖對應的位移量小， 并要精確、 均勻， 這就要求步進電動機步距小， 步距精度高， 不丟步或越步。 (4) 輸出轉矩大， 可直接帶動負載。 第第2 2章章 控制電機控制電機 步進電動機的種類繁多， 按相數可分為單相、 兩相、 三相及多相步進電動機， 按其運動方式分為旋轉運動型、 直線運動型和平面運動型。 通常使用的旋轉型步進電動機又可分為反應式、 永磁式和感應式。 其中反應式步進電動機是我國目前應用最廣泛的一種， 它具有調速范圍大， 動態性能好， 能快速起動、

16、制動和反轉等優點。 永磁式和感應式步進電動機的基本原理與反應式步進電動機相似， 因此本節以反應式步進電動機為例， 簡單分析步進電動機的基本原理與運行性能。 第第2 2章章 控制電機控制電機 2.2.1 步進電動機的工作原理 圖2-2是一個三相反應式步進電動機的工作原理圖， 其定子、 轉子鐵心均由硅鋼片疊壓而成。 定子上均勻分布六個磁極， 磁極上裝有線圈， 相對兩個極上的線圈串聯起來組成三個獨立的繞組， 稱為三相繞組。 轉子是四個均勻分布的齒， 齒寬等于定子主磁極端面的有效寬度， 轉子上沒有繞組， 本身亦無磁性。 第第2 2章章 控制電機控制電機 圖2-2 三相單三拍運行時反應式步進電動機工作原

17、理 ABCACB1342ABC1BCA234ACB4CBA321(a)(b)(c)第第2 2章章 控制電機控制電機 當A相繞組通電且B相、 C相繞組都不通電時， 由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點， 因而轉子齒1和齒3的軸線與定子A極軸線對齊（負載轉矩為零時）， 如圖2-2(a)所示。 當A相斷電且B相通電時， 轉子便逆時針方向轉過30， 使轉子齒2和齒4的軸線與定子B極軸線對齊， 如圖2-2(b)所示。 當B相斷電且C相通電時， 轉子再轉過30， 使轉子齒1和齒3的軸線與定子C極軸線對齊， 如圖2-2(c)所示。如此循環往復, 按ABCA的順序不斷接通和斷開控制繞組， 氣隙中將產生脈沖式的

18、旋轉磁場， 轉子就一步一步地按逆時針方向轉動。 第第2 2章章 控制電機控制電機 步進電動機的轉速取決于定子繞組與電源接通、 斷開的頻率， 即輸入的電脈沖頻率， 步進電動機的轉向則取決于定子繞組輪流通電的順序。 若步進電動機的通電順序改為ACBA， 則電動機為順時針方向旋轉。 定子繞組與電源的接通或斷開一般由數字邏輯電路或計算機軟件來控制。 第第2 2章章 控制電機控制電機 上述通電過程中， 定子繞組每改變一次通電方式， 步進電動機就走一步， 稱其為一拍。 上述通電方式也稱為三相單三拍。 其中， “單”是指每次只有一相定子繞組通電， “三拍”是指每經過三次切換， 定子繞組通電狀態為一個循環，

19、再下一拍通電時就重復第一拍通電方式。 步進電動機每拍轉子所轉過的角位移稱為步距角， 可見， 三相單三拍通電方式時， 步距角是30。 第第2 2章章 控制電機控制電機 三相步進電動機除了單三拍通電方式外， 還可工作在三相單、 雙六拍通電方式。 三相單、 雙六拍時電動機運行情況如圖2-3所示。 這種方式的通電順序為AABBBCCCAA， 或為AACCCBBBAA。 按前一種順序通電， 即先接通A相定子繞組， 接著使A、 B兩相定子繞組同時通電； 然后斷開A相， 使B相繞組單獨通電； 再同時接通B、 C兩相定子繞組； 接著C相單獨通電， 然后C、 A兩相定子繞組同時通電， 并依次循環進行。 這種工作

20、方式下， 定子三相繞組需經過六次換接才能完成一個循環， 故稱為“六拍”。 “單、 雙六拍”是單相繞組與兩相繞組交替接通的通電方式。 第第2 2章章 控制電機控制電機 拍數不同使這種通電方式的步距角也與單三拍的不同。 當A相定子繞組通電時， 和單三拍運行的情況相同， 轉子齒1和齒3的軸線與定子A極軸線對齊， 如圖2-3(a)所示。 當A、 B兩相定子繞組同時通電時， 轉子的位置應兼顧到A、 B兩對極所形成的兩路磁通， 在氣隙中所遇到的磁阻同樣程度地達到最小。 這時相鄰兩個A、 B磁極與轉子齒相作用的磁拉力大小相等且方向相反， 使轉子處于平衡狀態。 第第2 2章章 控制電機控制電機 這樣， 當A相

21、通電轉到A、 B兩相同時通電時， 轉子只能逆時針轉過15， 如圖2-3(b)所示。 當斷開A相定子繞組而使B相定子繞組單獨通電時， 轉子將繼續沿逆時針方向轉過一個角度， 直至使轉子齒2和齒4的軸線與定子B極軸線對齊為止， 如圖2-3(c)所示， 這時轉子又轉過15。 若繼續按BCCCAA的順序通電， 那么步進電動機就按逆時針方向連續轉動。 如果通電順序改為AACCCBBBAA時， 電動機將按順時針方向轉動。 在單三拍運行方式時， 每經過一拍， 轉子轉過的步距角為30。 第第2 2章章 控制電機控制電機 采用單、 雙六拍通電方式后， 當由A相定子繞組單獨通電轉到B相定子繞組單獨通電時， 中間還要

22、經過A和B兩相繞組同時通電這一狀態， 也就是說要經過二拍， 轉子才轉過30。 所以， 在單、 雙六拍運行方式時， 三相步進電動機的步距角為15， 是單三拍運行時的一半。 第第2 2章章 控制電機控制電機 圖2-3 單、 雙六拍運行時的三相反應式步進電動機 (a)(b)(c)BCBCAA423115ABCBCA24BCCB42AA313031第第2 2章章 控制電機控制電機 在實際工作中還經常采用三相雙三拍的運行方式， 也就是按ABBCCAAB的通電方式或ACCBBAAC的通電方式供電。 這種通電方式與單三拍運行時一樣， 每一循環也是換接三次， 總共有三種通電狀態， 但不同的是， 每次換接時都同

23、時有兩相定子繞組接通。 三相雙三拍的運行方式比三相單三拍的好， 因為單三拍在切換時出現的一相定子繞組斷電而另一相定子繞組開始通電的狀態容易造成失步， 而且由于單一定子繞組通電吸引轉子， 也易使轉子在平衡位置附近產生振蕩。 第第2 2章章 控制電機控制電機 而雙三拍運行時， 每個通電狀態均為兩相定子繞組同時通電， 通電方式改變時保證其中一相電流不變（另兩相切換）， 使運行可靠、 穩定。 雙三拍運行時， 每一通電狀態的轉子位置和磁通路徑與三相六拍相應的兩相繞組同時接通時相同， 如圖2-3(b)所示。 可以看出， 這時轉子每步轉過的角度與單三拍時相同， 也是30。 第第2 2章章 控制電機控制電機

24、上述簡單的三相反應式步進電動機的步距角太大， 即每一步轉過的角度太大， 如用于精度要求較高的數控機床等控制系統， 會嚴重影響到加工工件的精度。 這種結構只在分析原理時采用， 實際使用的步進電動機都是小步距角的。 圖2-4所示的結構是最常見的一種小步距角的三相反應式步進電動機。 第第2 2章章 控制電機控制電機 圖2-4 小步距角的三相反應式步進電動機 第第2 2章章 控制電機控制電機 在圖2-4中， 三相反應式步進電動機定子上有六個極， 極上有定子繞組， 沿直徑相對的兩個極的線圈串聯， 構成一相控制的繞組， 共有A、 B、 C三相。 轉子圓周上均勻分布若干個小齒， 定子每個磁極端面上也有若干個

25、小齒。 根據步進電動機工作的要求， 定子、 轉子的齒寬、 齒距必須相等， 定子、 轉子齒數要適當配合， 即要求在A相一對極下， 定子、 轉子齒一一對齊時， 下一相（B相）所在一對極下的定子、 轉子齒錯開一齒距(t)的1/m（m為相數）， 即為t/m； 再下一相（C相）的一對極下定子、 轉子齒錯開2t/m， 依次類推。 第第2 2章章 控制電機控制電機 一轉子齒數zr=40， 相數m=3， 一相繞組通電時， 在氣隙圓周上形成的磁極數2p=2， 以三相單三拍運行為例， 每一齒距的空間角為940360360rzz 每一極距的空間角為 60312402360pm(2-1) (2-2) 第第2 2章章

26、控制電機控制電機 由于每一極距所占的齒數不是整數， 因此當A極下的定、 轉子齒對齊時， B極的定子齒和轉子齒必然錯開1/3齒距， 即為3， 如圖2-5所示。 每一極距所占的齒數為 326312402pmzr(2-3) 第第2 2章章 控制電機控制電機 圖2-5 小步距角的三相反應式步進電動機的展開圖 7ABCt326t31t326t316t327第第2 2章章 控制電機控制電機 由圖2-5可以看出， 若斷開A相定子繞組而接通B相定子繞組， 則步進電動機中產生沿B極軸線方向的磁場， 因磁通力圖走磁阻最小路徑閉合， 就使轉子受到同步轉矩的作用而轉動， 轉子按逆時針方向轉過1/3齒距(3)， 直到B

27、極下的定子齒與轉子齒對齊。 相應的A極和C極下的定子齒又分別和轉子齒相錯1/3齒距。 按此順序連續不斷通電， 轉子便連續不斷地轉動。 第第2 2章章 控制電機控制電機 若采用三相單、 雙六拍通電方式運行， 即按AABBBCCCAA順序循環通電， 同樣， 步距角也要減少一半， 即每一脈沖時轉子僅轉動1.5。 由上面分析可知， 步進電動機的轉子每轉過一個齒距， 相當于在空間轉過360/zr， 則每一拍轉過的角度只是齒距角的1/N（N為運行拍數）， 因此， 步距角為Nzrs360(2-4) 第第2 2章章 控制電機控制電機 如果脈沖頻率很高， 步進電動機定子繞組中送入的是連續脈沖， 各相繞組不斷地輪

28、流通電， 這時， 步進電動機不是一步一步地轉動， 而是連續不斷地轉動， 它的轉速與脈沖頻率成正比。 由s=360/(zrN)可知， 每輸入一個脈沖， 轉子轉過的角度是整個圓周角的1/(zrN)， 也就是轉過1/(zrN)轉， 因此每分鐘轉子所轉過的圓周數， 即轉速為Nzfnr60式中, n為轉速， 單位是r/min。 第第2 2章章 控制電機控制電機 以上討論的步進電動機都是三相的， 也有其他多相步進電動機。 步進電動機的相數和轉子齒數越多， 則步距角s就越小。 在一定的脈沖頻率下， 步距角越小， 轉速也越低。 但是相數越多， 電源就越復雜， 成本也較高， 因此， 目前步進電動機一般最多六相，

29、 也有個別更多相的。 第第2 2章章 控制電機控制電機 2.2.2 步進電動機的運行特性 下面主要通過靜態和步進兩種運行狀態來分析反應式步進電動機的運行特性。 1. 靜態運行狀態 步進電動機通電方式保持穩定的狀態稱為靜態運行狀態。 靜態運行狀態下步進電動機的轉矩與轉角特性簡稱矩角特性T=f（）， 這是步進電動機的基本特性。 步進電動機的轉矩就是同步轉矩（即電磁轉矩）， 轉角就是通電相的定、 轉子齒中心線間用電角度表示的夾角， 如圖2-6所示。 第第2 2章章 控制電機控制電機 當步進電動機通電相（一相通電時）的定、 轉子齒對齊時， =0， 電機轉子上無切向磁拉力作用， 轉矩T等于零， 如圖2-

30、6(a)所示。 若轉子齒相對于定子齒向右錯開一個角度， 這時出現了切向磁拉力， 產生轉矩T， 轉矩方向與偏轉方向相反， 規定為負， 如圖2-6(b)所示。 顯然， 在90時， 越大， 轉矩T越大。 當90時， 由于磁阻顯著增大， 進入轉子齒頂的磁通量急劇減少， 切向磁拉力以及轉矩減少， 直到=180時， 轉子齒處于兩個定子齒正中， 因此， 兩個定子齒對轉子齒的磁拉力互相抵消， 如圖2-6(c)所示， 此時， 轉矩T又為零。 第第2 2章章 控制電機控制電機 如果再增大， 則轉子齒將受到另一個定子齒的作用， 出現相反的轉矩， 如圖2-6(d)所示。 由此可見， 轉矩T隨轉角作周期變化， 變化周期

31、是一個齒距， 即2電弧度。 第第2 2章章 控制電機控制電機 圖2-6 定、 轉子間的作用力 OOTOTO第第2 2章章 控制電機控制電機 T=f()的形狀比較復雜， 它與定、 轉子沖片齒的形狀以及飽和程度有關。 實踐證明， 反應式步進電動機的矩角特性接近正弦曲線， 如圖2-7所示（圖中只畫出從-到+的范圍）。 若電動機空載， 在靜態運行時， 轉子必然有一個穩定平衡位置。 從上面分析看出， 這個穩定平衡位置在=0處， 即通電相定、 轉子齒對齊位置。 因為當轉子處于這個位置時， 如有外力使轉子齒偏離這個位置， 只要偏離角0180， 除去外力， 轉子能自動地重新回到原來位置。 第第2 2章章 控制

32、電機控制電機 當=時， 雖然兩個定子齒對轉子一個齒的磁拉力互相抵消， 但是只要轉子向任一方向稍偏離， 磁拉力就失去平衡， 穩定性被破壞， 所以=這個位置是不穩定的， 兩個不穩定點之間的區域構成靜穩定區， 如圖2-7所示。 矩角特性上， 電磁轉矩的最大值稱為最大靜態轉矩Tm， 它表示步進電動機承受負載的能力， 是步進電動機最主要的性能指標之一。 第第2 2章章 控制電機控制電機 圖2-7 反應式步進電動機的矩角特性 不穩定平衡點穩定平衡點OT最大靜轉矩靜穩定區不穩定平衡點第第2 2章章 控制電機控制電機 2. 步進運行狀態 步進電動機的步進運行狀態與控制脈沖的頻率有關。 當步進電動機在極低的頻率

33、下運行時， 后一個脈沖到來之前轉子已完成一步， 并且運動已基本停止， 這時電動機的運行狀態由一個個單步運行狀態所組成。 步進電動機的單步運行狀態為一振蕩過程。 參看圖2-8， 當步進電動機空載， A相通電時， 轉子齒1和齒3的軸線與定子A極軸線對齊。 第第2 2章章 控制電機控制電機 A相斷電， B相通電時， 轉子將按逆時針方向轉動， 在轉子齒2和齒4轉到對準定子B極軸線的瞬間， 電動機的磁阻轉矩為零。 但由于轉子慣性的影響, 它將繼續向逆時針方向轉動。 當轉子齒2和齒4的軸線越過B極軸線位置后， 就受到反向轉矩的作用而減速直到停轉， 但此時轉子仍受到反向轉矩的作用， 于是開始沿順時針方向轉動

34、。 當轉子齒2和齒4的軸線再次對齊B極軸線時， 又會因轉子慣性的影響同樣繼續沿順時針方向轉動， 如此來回振蕩。 第第2 2章章 控制電機控制電機 圖2-8 步進電動機的轉子振蕩過程 Ots第第2 2章章 控制電機控制電機 由于摩擦等阻尼力矩的影響， 最終將使齒2和齒4的軸線停止在B極軸線位置。 可見， 當電脈沖由A相切換到B相繞組時， 轉子將轉過一個步距角s， 但整個過程是一個振蕩過程。 一般來說， 這一振蕩是不斷衰減的， 如圖2-8所示。 阻尼作用越大， 衰減得越快。 當通電脈沖的頻率增高時， 脈沖周期縮短， 因而可能出現在一個周期內轉子振蕩還未衰減完， 下一個脈沖就來到的情況。 這種運行狀

35、態表現的特性主要有以下兩個方面。 第第2 2章章 控制電機控制電機 (1)動穩定區。 動穩定區是指步進電動機從一種通電狀態切換到另一種通電狀態時， 不致引起失步的區域。 如步進電動機空載， 且在A相通電狀態下， 其矩角特性如圖2-9(a)中曲線A所示， 轉子位于穩定平衡點OA處。 加一脈沖， 則A相斷電， B相通電， 矩角特性變為曲線B。 曲線A與曲線B之間相隔一個步距角s， 轉子新的穩定平衡位置為OB。 只要改變通電狀態， 轉子位置處于BB間， 轉子就能向OB點運動， 而達到新的穩定平衡。第第2 2章章 控制電機控制電機 區間BB為步進電動機空載狀態下的動穩定區， 如圖2-9(a)所示。 可

36、見， 步距角越小， 即相數增加或拍數增加， 則動穩定區越接近靜穩定區， 步進電動機運行越穩定， 如圖2-9(b)所示。 第第2 2章章 控制電機控制電機 圖2-9 三相步進電動機的動穩定區 動穩定區sABOAABA B OB TsA ABOAOAB T第第2 2章章 控制電機控制電機 (2)最大負載轉矩TST。 圖2-10所示為步進電動機的矩角特性。 圖中相鄰兩個矩角特性的交點所對應的電磁轉矩用TST表示。 當步進電動機所帶負載轉矩TZ1TST時， 在A相通電狀態下， 轉子處在失調角（定子磁極A的軸線和轉子齒1的軸線的夾角）A的平衡點a。 當A相斷電， B相通電時， 在改變通電狀態的瞬間， 由

37、于慣性， 轉子位置還來不及改變， 矩角特性躍變為曲線B， 這時對應角A的電磁轉矩為特性曲線B上的b點， 此時電動機轉矩大于負載轉矩TZ1， 使轉子加速， 向著增大方向運動， 最后達到新的穩定平衡點b。 第第2 2章章 控制電機控制電機 如果負載轉矩為TZ2， 如圖2-10所示， 其穩定平衡點是曲線A上的a點， 對應的失調角為A。 當A相斷電， B相通電后， 這時對應角A的轉矩為特性曲線B上的b點， 顯然， 此時的電動機轉矩小于負載轉矩TZ2， 電動機不能做步進運動。 因此， 各相矩角特性的交點所對應的轉矩TST就是最大負載轉矩， 也稱為起動轉矩。 最大負載轉矩TST比最大靜態轉矩Tm要小。 隨

38、著步進電動機相數m或拍數N的增加， 步距角減小， 兩曲線的交點就升高。 TST越大， 就越接近于最大靜態轉矩Tm。 第第2 2章章 控制電機控制電機 圖2-10 步進電動機的最大負載轉矩 Ba TSTTb TZ2OBOATZ1AbBabAA 第第2 2章章 控制電機控制電機 步進電動機在連續運行狀態時產生的轉矩稱為動態轉矩。 步進電動機的最大動態轉矩將小于最大靜態轉矩， 并隨著脈沖頻率的升高而降低。 這是因為步進電動機的定子繞組中存在電感，具有一定的電氣時間常數， 使繞組中電流呈指數曲線上升或下降。 步進電動機的運行頻率很高， 周期很短， 電流來不及增長， 電流峰值隨脈沖頻率增大而減小， 勵磁

39、磁通隨之減小， 動態轉矩也將隨之減小。 步進電動機的動態轉矩與頻率的關系即矩頻特性， 是一條下降的曲線， 這也是步進電動機的重要特性之一。 當控制脈沖頻率繼續升高時， 步進電動機將不是一步步地轉動， 而是像普通同步電動機一樣， 作連續勻速旋轉運動。 第第2 2章章 控制電機控制電機 2.2.3 步進電動機的驅動電源 步進電動機應由專用的驅動電源來供電， 由驅動電源和步進電動機組成一套伺服裝置來驅動負載工作。 步進電動機的驅動電源主要包括變頻信號源、 脈沖分配器和脈沖放大器三個部分， 如圖2-11所示。 變頻信號源是一個頻率從幾十赫茲到幾千赫茲的可連續變化的信號發生器， 可以采用多種線路， 最常

40、見的有多諧振蕩器和單結晶體管構成的弛張振蕩器兩種， 它們都是通過調節電阻R和電容C的大小來改變電容充放電的時間常數， 以達到選取脈沖信號頻率的目的。 第第2 2章章 控制電機控制電機 圖2-11 步進電動機的驅動電源 變頻信號源脈沖分配器脈沖放大器步進電動機工作機構驅動電源指令第第2 2章章 控制電機控制電機 脈沖分配器是由門電路和雙穩態觸發器組成的邏輯電路，它根據指令把脈沖信號按一定的邏輯關系加到放大器上，使步進電動機按一定的運行方式運轉。 目前，隨著微型計算機特別是單片機的發展，變頻信號源和脈沖分配器的任務均可由單片機來承擔，這樣不但工作更可靠，而且性能更好。從脈沖分配器輸出的電流只有幾個

41、毫安，不能直接驅動步進電動機，因為步進電動機的驅動電流為幾安到幾十安，因此在脈沖分配器后面都接有功率放大電路作為脈沖放大器，經功率放大后的電脈沖信號可直接輸出到定子各相繞組中去控制步進電動機工作。 第第2 2章章 控制電機控制電機 功率放大是驅動系統最為重要的部分。步進電機在一定轉速下的轉矩取決于它的動態平均電流而非靜態電流（而樣本上的電流均為靜態電流）。平均電流越大電機力矩越大，要達到平均電流大這就需要驅動系統盡量克服電機的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅動方式，到目前為止，驅動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅動、恒流、細分數等。 第第2 2章章 控制電機控制電機 單片機串

42、行控制單片機串行控制 單片機與步進電機驅動器直接只需要兩條控制線即可，一條發送控制器發生的走步脈沖串（CP），另一條發送控制電機轉動方向的控制電平信號。第第2 2章章 控制電機控制電機 脈沖分配器脈沖分配器目前有專用集成芯片，如CH250，L297等。其中CH250用于3相步進電機，L297用于2相或4相步進電機。第第2 2章章 控制電機控制電機 單片機單片機并行控制并行控制 單片機的P1.0P1.3四個端口作為并行口輸出，依次循環輸出驅動四相反應式步進電機所需的8個反應狀態：AB ABC BC BCD CD CDA DA DAB AB 不使用獨立的脈沖分配器，而用單片機數據線直接控制步進電機

43、各相驅動信號，脈沖分配器的功能全部由單片機來實現。第第2 2章章 控制電機控制電機 軟件控制軟件控制用查表的方式實現，在存儲器中開辟一個存儲空間存放這8種狀態，形成數據表，控制軟件按照電動機正、反轉的要求，依次從數據表中將端口狀態取出并配置P1口，對電動機的控制變成順序查表及寫P1口的軟件處理過程。但這種控制方法的缺點是占用大量的控制器資源。第第2 2章章 控制電機控制電機 轉速控制轉速控制軟件延時法軟件延時法：編寫一個延時子程序，每次換相后，調用該子程序，延時結束后，再次執行換相子程序；定時器延時法定時器延時法：設置定時器溢出中斷，將步進電機換相子程序放在定時器中斷服務程序中，每次溢出中斷，

44、電機就換相一次；硬件硬件PWM法法：利用片載的硬件PWM模塊，通過配置相關寄存器，產生不同頻率的基波，實現對步進電機的速度控制。第第2 2章章 控制電機控制電機 微步距控制微步距控制步進電機從一相通電切換到另一相通電時，不一步完成，而是分若干微步讓前一相電流逐次減小，后一相電流逐次增大，就可以按微步距控制步進電機的步距，從提高角度分辨率或增加步進電動機轉動的平穩性，提高步進電動機的性能。第第2 2章章 控制電機控制電機 2.3 伺伺 服服 電電 動動 機機 伺服電動機把輸入的信號電壓變為轉軸的角位移或角速度輸出， 轉軸的轉向與轉速隨信號電壓的方向和大小而改變， 并且能帶動一定大小的負載， 在自

45、動控制系統中作為執行元件， 故伺服電動機又稱為執行電動機。 第第2 2章章 控制電機控制電機 伺服電動機的種類多，用途廣。例如在雷達天線系統中，雷達天線是由交流伺服電動機拖動的, 當天線發出去的無線電波遇到目標時，就會被反射回來送給雷達接收機； 雷達接收機將目標的方位和距離確定后， 向交流伺服電動機送出電信號， 交流伺服電動機按照該電信號拖動雷達天線跟蹤目標轉動。 根據實際應用， 自動控制系統對伺服電動機的基本要求有如下幾點： 第第2 2章章 控制電機控制電機 （1） 可控性好。有控制電壓信號時，電動機在轉向和轉速上應能做出正確的反應；控制電壓信號消失時，電動機應能可靠停轉，即無“自轉”現象。

46、 （2） 響應快。 電動機轉速的高低和方向應能隨控制電壓信號改變而快速變化， 即要求機電時間常數小和靈敏度高。 （3） 具有線性的機械特性和線性的調節特性， 調速范圍大， 轉速穩定。 伺服電動機可分為直流伺服電動機和交流伺服電動機兩大類。 第第2 2章章 控制電機控制電機 由于自動控制系統對電動機的性能及快速響應的要求越 來越高， 促使伺服電動機有了很大的發展， 出現了各種低慣量的伺服電動機， 如低慣量的空心杯轉子直流電動機、 盤形電樞直流電動機和電樞繞組直接繞在鐵心上的無槽電樞直流電動機等。 另外， 隨著電子技術的發展， 又出現了采用電子元件換向的無刷直流伺服電動機。 第第2 2章章 控制電

47、機控制電機 2.3.1 直流伺服電動機 1. 結構和分類 直流伺服電動機分傳統型和低慣量型兩大類。傳統型直流伺服電動機就是微型的他勵直流電動機，也是由定子、轉子（電樞）、電刷和換向器四大部分組成的，按定子磁極的種類可分為永磁式和電磁式兩種。永磁式電動機的磁極是永久磁鐵；電磁式電動機的磁極是電磁鐵，磁極外面套著勵磁繞組。以上兩種傳統式電機的轉子（電樞）鐵心均由硅鋼片沖制疊壓而成，在轉子沖片的外圓周上開有均勻分布的齒和槽，在轉子槽中放置電樞繞組，并經換向器、電刷與外電路相連。第第2 2章章 控制電機控制電機 低慣量型直流伺服電動機的明顯特點是轉子輕， 轉動慣量小， 快速響應好。 按照電樞形式的不同

48、， 低慣量直流伺服電動機分為盤形電樞直流伺服電動機、 空心杯電樞永磁式直流伺服電動機及無槽電樞直流伺服電動機。 第第2 2章章 控制電機控制電機 盤形電樞直流伺服電動機的結構如圖2-12所示。 它的定子是由永久磁鋼和前后磁軛組成的，轉軸上裝有圓盤。電機的氣隙位于圓盤的兩側，圓盤上有電樞繞組，繞組可分為印制繞組和繞線盤式繞組兩種形式。印制繞組是采用與制造印制電路板相類似的工藝制成的， 可以是單片雙面， 也可以是多片重疊。 繞線盤式繞組則是先繞成單個線圈， 然后將繞好的全部線圈沿徑向圓周排列起來， 再用環氧樹脂澆注成圓盤形。 盤形電樞上電樞繞組中的電流沿徑向流過圓盤表面， 并與軸向磁通相互作用而產

49、生轉矩。 第第2 2章章 控制電機控制電機 圖2-12 盤形電樞直流伺服電動機的結構示意圖 第第2 2章章 控制電機控制電機 空心杯電樞永磁式直流伺服電動機的結構如圖2-13所示， 它由一個外定子和一個內定子構成定子磁路。 通常外定子由兩個半圓形的永久磁鐵組成， 而內定子則由圓柱形的軟磁材料制成， 僅作為磁路的一部分， 以減小磁路磁阻。 空心杯電樞是一個用非磁性材料制成的空心杯形圓筒， 直接裝在電機軸上。 在電樞表面可采用印制繞組， 亦可采用沿圓周軸向排成空心杯狀并用環氧樹脂固化成型的電樞繞組。 當電樞繞組流過一定的電流時， 空心杯電樞能在內、 外定子間的氣隙中旋轉， 并帶動電機轉軸旋轉。 第

50、第2 2章章 控制電機控制電機 圖2-13 空心杯電樞永磁式直流伺服電動機結構簡圖 第第2 2章章 控制電機控制電機 無槽電樞直流伺服電動機的結構如圖2-14所示。 電樞鐵心為光滑圓柱體， 其上不開槽， 電樞繞組直接排列在鐵心表面， 再用環氧樹脂把它與電樞鐵心粘成一個整體， 定轉子間氣隙大。 定子磁極可以采用永久磁鐵做成， 也可以采用電磁式結構。 這種電動機的轉動慣量和電樞電感都比杯形或圓盤形電樞大， 因而動態性能較差。 第第2 2章章 控制電機控制電機 圖2-14 無槽電樞直流伺服電動機結構簡圖 第第2 2章章 控制電機控制電機 2. 控制方式 直流伺服電動機的控制方式有兩種： 一種是電樞控

51、制， 一種是磁極控制。 當勵磁電壓恒定， 負載轉矩也一定時， 升高電樞電壓， 電動機的轉速隨之升高； 反之， 減小電樞電壓， 電動機的轉速就降低。 若電樞電壓為零， 則電動機停轉。 改變電樞電壓極性， 電動機的旋轉方向也隨之改變。 這種把電樞電壓作為控制信號即采用改變電樞電壓控制轉速的方法稱為電樞控制。第第2 2章章 控制電機控制電機 把勵磁繞組電壓作為控制信號即改變勵磁繞組電壓控制轉速的方法稱為磁極控制或磁場控制。 電樞控制較磁場控制具有較多的優點， 因此自動控制系統中大多采用電樞控制， 而磁場控制只用于小功率電動機中。 永磁式直流伺服電動機由永磁磁極勵磁， 采用電樞控制方式。 第第2 2章

52、章 控制電機控制電機 3. 運行特性 電樞控制時，直流伺服電動機的原理如圖2-15所示。 為了分析簡便，先作如下假設：電機磁路不飽和，即認為電機的磁化曲線為一直線；電樞反應的去磁作用忽略不計；電機電刷位于幾何中性線，電動機的每相氣隙磁通保持恒定。這樣，直流伺服電動機電樞回路的電壓平衡方程式為 Ua=Ea+IaRa (2-5) 式中，Ra為電動機電樞回路的總電阻（包括電刷接觸電阻）。第第2 2章章 控制電機控制電機 當磁通恒定時，電樞繞組的感應電動勢與轉速成正比，即有 Ea=Cen (2-6) 電動機的電磁轉矩為 T=CTIa (2-7) 將式(2-5)、式(2-6)、式(2-7)聯立求解，即可

53、得出直流伺服電動機的轉速與轉矩的關系公式： TCCRCUnTeaea2 (2-8) 第第2 2章章 控制電機控制電機 圖2-15 電樞控制原理 SMUaIaUe第第2 2章章 控制電機控制電機 圖2-16 電樞控制式直流伺服 電動機的機械特性 nOTUa1 Ua2 Ua3Ua1Ua2Ua3第第2 2章章 控制電機控制電機 由轉速公式便可得到直流伺服電動機的機械特性和調節特性。 (1) 機械特性是指控制電壓恒定時，電動機的轉速與電磁轉矩的關系，即Ua=常數時，轉速n與轉矩T之間的關系n=f(T)。電樞控制時直流伺服電動機的機械特性如圖2-16所示。 從圖中可以看出，機械特性是線性的，這些特性曲線

54、與縱軸的交點為電動機的理想空載轉速n0=Ua/(Ce)， 它相當于無損耗時的空載轉速。特性曲線的斜率表示伺服電動機機械特性的硬度，即電動機的轉速隨轉矩變化而變化的程度，斜率大，硬度軟。 第第2 2章章 控制電機控制電機 由轉速公式或機械特性都可以看出， 隨著控制電壓增大， 電動機的機械特性曲線平行地向轉速和轉矩增加的方向移動， 但是它的斜率保持不變， 所以電樞控制時直流伺服電動機的機械特性是一組平行的直線。 第第2 2章章 控制電機控制電機 圖2-17 電樞控制直流伺服電動機的調節特性 nOUaT1 T2 T3T=0T=1T=2第第2 2章章 控制電機控制電機 (2) 調節特性是指電磁轉矩恒定

55、時， 電動機的轉速隨控制電壓變化的關系， 即T=常數時， n=f(Ua)。 由轉速公式便可畫出直流伺服電動機的調節特性， 如圖2-17所示， 它們也是一組平行的直線。 這些調節特性曲線與橫軸的交點表示在一定負載轉矩時電動機的始動電壓。 若負載轉矩一定， 電動機的控制電壓大于相對應的始動電壓， 則電動機就轉動起來并達到某一轉速；第第2 2章章 控制電機控制電機 反之， 控制電壓小于相對應的始動電壓， 則電動機的最大電磁轉矩小于負載轉矩， 它就不能起動。 因此， 在調節特性曲線上， 從坐標原點到始動電壓點的這一段橫坐標所表示的范圍稱為在某一電磁轉矩時伺服電動機的失靈區。 顯然， 失靈區的大小與電磁

56、轉矩的大小成正比。 第第2 2章章 控制電機控制電機 由以上分析可知， 電樞控制直流伺服電動機的機械特性和調節特性都是一組平行的直線， 這是直流伺服電動機突出的優點。 但上述結論是在理想假設的條件下得到的， 實際直流伺服電動機的特性曲線是一組接近直線的曲線。 直流伺服電動機的優點除了機械性能是線性的之外， 還包括速度調節范圍寬而且平滑， 起動轉矩大， 無自轉現象， 反應也相當靈敏， 與同容量的交流伺服電動機相比， 體積和重量可減少到1/21/4。 其缺點是由于存在換向器和電刷的滑動接觸， 常因接觸不良而影響運行的穩定性， 電刷火花會產生干擾。 第第2 2章章 控制電機控制電機 2.3.2 交流

57、伺服電動機 1. 基本結構 交流伺服電動機在結構上為兩相異步電動機， 其定子上有空間相差90電角度的兩相分布繞組， 它們可以有相同或不同的匝數。 定子繞組的一相作為勵磁繞組， 運行時接到電壓為Uf的交流電源上， 另一相作為控制繞組， 輸入控制信號電壓Uk。 電壓Uf和Uk同頻率， 一般為50 Hz或400 Hz。 第第2 2章章 控制電機控制電機 常用的轉子結構有兩種形式： 高電阻籠型轉子和非磁性空心杯轉子。 高電阻籠型轉子的結構和普通籠型感應電動機一樣， 但是為了減小轉子的轉動慣量， 常將轉子做成細而長的形狀。 籠型轉子的導條和端環可以采用高電阻率的材料（如黃銅、 青銅等）制造， 也可采用鑄

58、鋁轉子。 目前我國生產的SL系列兩相交流伺服電動機就采用鑄鋁轉子。 由于轉子回路的電阻增大， 使得交流伺服電動機的特性曲線變軟， 這主要是為了消除自轉現象。 第第2 2章章 控制電機控制電機 圖2-18 杯形轉子交流伺服電動機結構圖 第第2 2章章 控制電機控制電機 非磁性空心杯轉子的結構如圖2-18所示。 電動機中除了有和一般感應電動機一樣的定子外， 還有一個內定子。 內定子是由硅鋼片疊壓而成的圓柱體， 通常內定子上無繞組， 只是代替籠形轉子鐵心作為磁路的一部分， 作用是減少主磁通磁路的磁阻。 在內外定子之間有一個細長的、 裝在轉軸上的空心杯形轉子， 杯形轉子通常用非磁性材料鋁或銅制成， 壁

59、很薄， 一般只有0.20.8 mm， 因而具有較大的轉子電阻和很小的轉動慣量。 杯形轉子可以在內外定子間的氣隙中自由旋轉， 電動機依靠杯形轉子內感應的渦流與氣隙磁場作用而產生電磁轉矩。 第第2 2章章 控制電機控制電機 可見， 杯形轉子交流伺服電動機的優點為轉動慣量小， 摩擦轉矩小， 因此快速響應好； 另外， 由于轉子上無齒槽， 所以運行平穩， 無抖動， 噪聲小。 其缺點是由于這種結構的電動機的氣隙較大， 勵磁電流也較大， 致使電動機的功率因數較低， 效率也較低， 它的體積和容量要比同容量的籠型伺服電動機大得多。 目前我國生產的這種伺服電動機的型號為SK， 這種伺服電動機主要用于要求低噪聲及低

60、速平穩運行的某些系統中。 第第2 2章章 控制電機控制電機 2. 工作原理 圖2-19所示為兩相交流伺服電動機的原理圖。 兩相繞組軸線位置在空間相差90電角度， 當兩相繞組分別加以交流電壓 以后，就會在氣隙中產生旋轉磁場。 當轉子導體切割旋轉磁場的磁力線時， 便會感應電動勢， 產生電流， 轉子電流與氣隙磁場相互作用產生電磁轉矩， 使轉子隨旋轉磁場的方向而旋轉。 kfU U 、第第2 2章章 控制電機控制電機 圖2-19 交流伺服電動機的原理圖 LkLfkUfIfU第第2 2章章 控制電機控制電機 若控制繞組無控制信號， 只有勵磁繞組中有勵磁電流， 則氣隙中形成的是單相脈振磁動勢。 單相脈振磁動