第8章控制電機8.1伺服電動機8.2測速發電機8.3步進電動機

8.1伺服電動機

如圖8-1所示是伺服電動機實物圖。圖8-1伺服電動機實物圖

8.1.1直流伺服電動機

為了達到自動控制系統的要求,伺服電動機應具有以下特點:

(1)調速范圍寬。

(2)機械特性和調節特性線性度好。

(3)無自轉現象。

(4)快速響應性好。

一、直流伺服電動機的分類及結構

直流伺服電動機是指使用直流電源的伺服電動機。直流伺服電動機實質上就是一臺他勵直流電動機,但又具有自身的特點,比如氣隙小,磁路不飽和;電樞電阻機械特性軟;電樞細長,轉動慣量小等。他勵直流伺服電動機的控制方式分為電樞控制和磁場控制。采取電樞控制時,控制信號施加于電樞繞組回路,勵磁繞組接于恒定電壓的直流電源上;采取磁場控制時,控制信號施加于勵磁繞組回路,電樞繞組接于恒定電壓的直流電源上。由于電樞控制的特性好、電樞控制回路電感小、響應迅速,因此控制系統多采用電樞控制。

1.普通型直流伺服電動機

普通型直流伺服電動機由定子和轉子兩部分組成,一般為永磁式,伺服電動機的電樞鐵心長度與直徑之比比普通電機大,氣隙也小,常用于沒有特殊要求的自動控制系統中。

2.盤形電樞直流伺服電動機

盤形電樞直流伺服電動機電樞直徑遠大于長度,電樞是印刷繞組或繞線式繞組,結構簡單、啟動轉矩大、力矩波動小、轉向性能好、電樞轉動慣量小、反應快,常用于低速、起動頻繁、要求薄型安裝的場合,如數控車床、機器人等。

3.杯形直流伺服電動機

杯形直流伺服電動機有內、外定子,外定子用永久磁鋼,內定子起磁軛作用,空心杯轉子沿圓柱面排列成杯形,具有低慣量、靈敏度高、耗能低、力矩波動小、換向性能好的特點,常用于攝像機、錄音機、XY函數記錄儀等。

4.無槽電樞直流伺服電動機

無槽電樞直流伺服電動機的電樞鐵心是光滑的無槽圓錐體,繞組用環氧樹脂固化成形并黏接在鐵心上,常用于動作速度快、功率大的場合,如數控機床、雷達天線的驅動等。

二、直流伺服電動機的工作原理

直流伺服電動機的工作原理和普通直流電動機相同。當勵磁繞組和電樞繞組中都通過電流并產生磁通時,它們相互作用而產生電磁轉矩,使直流伺服電動機帶動負載工作。

直流伺服電動機的勵磁繞組和電樞繞組分別裝在定子和轉子上,改變電樞繞組的端電壓或改變勵磁電流都可以實現調速控制。

1.電樞控制

電樞控制為勵磁磁通保持不變,改變電樞繞組端電壓的控制方式。如圖8-2所示,電樞繞組作為接收信號的控制繞組,接控制電壓UK。勵磁繞組接到電壓為Uf的直流電源上,以產生磁通。當電動機的負載轉矩不變時,升高電樞電壓,電機的轉速就升高;反之轉速就降低;無控制電壓輸出時,電動機立即停止轉動。圖8-2電樞控制方式伺服電動機原理圖

2.磁場控制

磁場控制為電樞繞組電壓保持不變,改變勵磁回路的電壓的控制方式。如圖8-3所示,電樞繞組起勵磁繞組的作用,接在勵磁電源Uf上,而勵磁繞組則作為控制繞組,受控于電壓UK。若電動機的負載轉矩不變,當升高勵磁電壓時,勵磁電流增加,主磁通增加,電機轉速就降低;反之,轉速升高。改變勵磁電壓的極性,電機轉向隨之改變。圖8-3磁場控制方式伺服電動機原理圖

三、直流伺服電動機的運行特性

1.機械特性

這里主要說明電樞控制方式的直流伺服電動機的機械特性。當電樞電壓等于常數時,轉速與電磁轉矩之間的函數關系為

由式(8-1)可見,改變電壓UK,機械特性的斜率不變,因此機械特性是一組平行的直線。電樞控制時,直流伺服電動機的機械特性和他勵直流電動機改變電樞電壓時的人為機械特性是一樣的,如圖8-4所示。圖8-4電樞控制方式伺服電動機機械特性

2.調節特性

調節特性是指電磁轉矩一定時,電動機轉速與控制電壓UK的關系。根據式(8-1)可得到直流伺服電動機的調節特性曲線,如圖8-5所示,調節特性是線性的,當電磁轉矩T一定時,

UK越高,n也越高。當轉速為零時,對應不同的負載轉矩可得到不同的起動電壓,當電樞電壓小于起動電壓時,直流伺服電動機不能起動。圖8-5直流伺服電動機調節特性

8.1.2交流伺服電動機

一、交流伺服電動機的分類及結構

交流伺服電動機分為永磁式同步和異步交流伺服電動機,是由定子和轉子兩部分組成,與其他旋轉電機結構一樣。定子鐵心中安放著空間垂直的兩相繞組,如圖8-6所示,其中一相為控制繞組,另一相為勵磁繞組。圖8-6交流伺服電動機的兩相繞組

圖8-7交流伺服電動機的工作原理

1.幅值控制

始終保持控制電壓和勵磁電壓之間的相位角差β為90°,僅僅通過改變控制電壓的幅值來改變伺服電動機的轉速,這種控制方式稱為幅值控制。

2.相位控制

相位控制是保持控制電壓和勵磁電壓均為額定電,Uf=UN,Uc=UN,通過調節控制電壓和勵磁電壓相位差,實現對伺服電動機的控制。

3.幅值-相位控制

幅值-相位控制是對幅值和相位差的綜合控制,即通

過改變控制電壓的幅值及控制電壓與勵磁電壓間的相位差

來控制伺服電動機的轉速,幅值-相位控制接線圖如圖

8-8-所示。圖8-8-幅值-相位控制接線圖

三、交流伺服電動機的應用

在實際的伺服控制系統中,交流伺服電動機的控制繞組需要連接到伺服放大器(伺服驅動器)的輸出端,放大器起放大控制電信號的作用。伺服放大器將工頻交流電源轉換成幅度和頻率均可調的交流電源供給伺服電動機。伺服驅動器一般通過位置、速度和力矩3種方式對伺服馬達進行控制,實現高精度的傳動系統定位。

8.2測速發電機圖8-9測速發電機如圖8-9所示是測速發電機。

8.2.1直流測速發電機

測速發電機是轉速的測量裝置,它的輸入量是轉速,輸出量是電壓信號,輸出量和輸入量成正比,反饋到控制系統,實現對轉速的調節和控制。即測速發電機是一種測量轉速的信號元件,它將輸入的機械轉速變換成為電壓信號輸出。

為了達到自動控制系統的要求,測速發電機應具有精確度高、靈敏度高、可靠性好等特點,具體要求為以下幾方面:

(1)輸出電壓與轉速為線性關系,并保持穩定;

(2)溫度變化對輸出特性的影響要小;

(3)輸出電壓的斜率特性要好,即輸出電壓對轉速的變化反應靈敏,輸出特性斜率要大;

(4)剩余電壓(轉速為零時的輸出電壓)要小;

(5)輸出電壓的極性和相位能夠反映被測對象的轉向;

(6)轉動慣量和摩擦轉矩小,以保證反應迅速。

一、直流測速發電機的結構與分類

直流測速發電機的結構與普通小型直流發電機相同,也分為定子和轉子兩部分。按勵磁方式可分為永磁式和電磁式兩種形式。

1.永磁式直流測速發電機

永磁式直流測速發電機定子的磁極是用永久磁鋼制成的,不需要勵磁繞組。永磁式直流測速發電機按其轉速可分為普通速度測速電機和低速測速電機。

2.電磁式直流測速發電機

電磁式直流測速發電機的定子鐵心上裝有勵磁繞組,外接電源供電,產生磁場。

二、直流測速發電機的工作原理

1.工作原理

直流測速發電機就是一種微型直流發電機。如圖8-10所示為電磁式直流測速發電機空載時的原理圖。根據直流電機理論,在磁極磁通量為常數時,電樞感應電動勢為

式中,Ke為電動勢系數,Ke=CeΦ。圖8-10電磁式直流測速發電機空載時的原理圖8-11電磁式直流測速發電機帶負載時的原理

直流測速發電機的輸出特性如圖8-12所示圖8-12直流測速發電機的輸出特性

2.誤差分析

直流測速發電機的輸出電壓與轉速要嚴格保持正比關系在實際中是難以做到的,造成這種非線性誤差的原因主要有以下幾個方面:

(1)電樞反應產生的影響。

(2)溫度變化產生的影響。

(3)接觸電阻產生的影響。

三、直流測速發電機的應用

直流測速發電機的作用是將機械速度轉變為電氣信號,在自動控制系統和計算裝置中常用作測速元件、檢測元件、解算元件、校正元件等。其與伺服電動機配合,廣泛使用于許多速度控制或位置控制系統中,如在恒速控制系統中,測速發電動機將速度轉換為電壓信號作為速度反饋信號,可達到較高的穩定性和較高的精度。

8.2.2交流測速發電機

一、交流測速發電機的結構與分類

交流測速發電機分為同步測速發電機和異步測速發電機兩種形式。同步測速發電機的輸出電壓大小及頻率均隨轉速(輸入信號)的變化而變化,一般用作指示式轉速計,很少用于控制系統中的轉速測量。異步測速發電機輸出電壓的頻率與勵磁電壓的頻率相同且與轉速無關,其輸出電壓的大小與轉速成正比,因此,在控制系統中應用廣泛。交流異步測速發電機的結構和工作原理與交流伺服電動機一樣,交流異步測速發電機的定子也可以制成鼠籠式或空心杯形。

二、交流測速發電機的工作原理

1.工作原理

交流測速發電機的工作原理以空心杯形轉子異步測速發電機為例進行介紹。空心杯形轉子異步測速發電機定子上嵌有空間相差90°電角度的兩相繞組,它們分別是勵磁繞組和輸出繞組。當轉子旋轉時,輸出繞組的輸出電壓是和轉速成正比的,空心杯形轉子異步測速發電機的工作原理圖如圖8-13所示。圖8-13空心杯形轉子異步測速發電機的工作原理

它們都在勵磁繞組的軸線方向上脈振,脈振磁通和勵磁繞組及空心杯導體相交鏈,下面分兩種情況討論:

(1)當轉子靜止時,勵磁繞組和空心杯轉子之間的關系如同變壓器的原邊與副邊。轉子繞組中有變壓器電動勢產生,由于轉子短路,有電流流過,產生磁通。該磁通的方向也是沿著勵磁繞組軸線方向。輸出繞組和勵磁繞組在空間正交,沒有感應電動勢產生,輸出電壓為零。

(2)當轉子旋轉時,沿勵磁繞組軸線方向的磁通Φd不變,轉子要切割該磁通產生電動勢。電動勢的大小和轉速成正比,方向可由右手定則判定。感應電動勢在短路繞組中產生短路電流,并產生脈振磁動勢Fr,可把它分解成直軸磁動勢Frd和交軸磁動勢Frq。直軸磁動勢會影響勵磁電流的大小,而交軸磁動勢產生的磁通和輸出繞組交鏈,從而在輸出繞組中產生感應電動勢,此電動勢的大小和測速發電機的轉速成正比,頻率是勵磁電源的頻率。

2.異步測速發電機的誤差分析

(1)非線性誤差。

(2)幅值和相位誤差。

(3)剩余電壓誤差。

三、交流測速發電機的應用

交流測速發電機的作用是將機械速度轉換為電氣信號,常用作測速元件、校正元件、解算元件,與伺服電動機配合,廣泛應用于許多速度控制或位置控制系統中。

8.3步進電動機如圖8-14所示是步進電動機實物圖。圖8-14步進電動機實物圖

8.3.1步進電動機的分類與結構

一、步進電動機的分類

步進電動機是一種專門用于速度和位置精確控制的特種電機,一種將電脈沖信號轉換成相應角位移或線位移的電動機,它的旋轉是以固定的角度(稱為步距角)一步一步運行的,故稱步進電動機,又稱脈沖電動機。

按結構和工作原理的不同來分,步進電動機可為反應式步進電動機、永磁式步進電動機和感應子式(又叫混合式)步進電動機。

(1)反應式。反應式步進電動機的定子上有繞組,轉子由軟磁材料組成。這種步進電動機結構簡單、成本低、步距角小,但動態性能差、效率低、發熱大,可靠性難保證。

(2)永磁式。永磁式步進電動機的轉子用永磁材料制成,轉子的極數與定子的極數相同。其特點是動態性能好、輸出力矩大,但這種電機精度差、步矩角大(一般為7.5°或15°)。

(3)混合式。混合式步進電動機綜合了反應式和永磁式的優點,其定子上有多相繞組、轉子上采用永磁材料,轉子和定子上均有多個小齒以提高步矩精度。其特點是輸出力矩

大、動態性能好,步距角小,但結構復雜、成本相對較高。

二、步進電動機的結構

步進電動機是由轉子(轉子鐵心、永磁體、轉軸、滾珠軸承),定子(繞組、定子鐵心),前后端蓋等組成。定子、轉子均由磁性材料構成,都由硅鋼片疊成。步進電動機結構圖如

圖8-15所示。圖8-15步進電動機結構．

步進電動機主要由定子和轉子兩部分構成。以三相反應式步進電動機為例,定子內圓周均勻分布著6個磁極,磁極上有勵磁繞組,每兩個相對的繞組組成一相;三相繞組接成星形作為控制繞組;轉子鐵心上沒有繞組,只有4個齒,齒寬等于定子極靴寬。

勵磁繞組分為三相,分別為A相、B相和C相繞組。步進電動機的轉子由軟磁材料制成,在轉子上均勻分布4個凸極,極上不裝繞組,轉子的凸極也稱為轉子的齒。當步進電動機的A相通電,B相及C相不通電時,A方向的磁通經轉子形成閉合回路。若轉子和磁場軸線方向原有一定角度,則在磁場的作用下,轉子被磁化并被吸引,使轉子的位置如圖8-16(a)所示,使通電相磁路的磁阻最小,轉、定子的齒對齊停止轉動。由于A相繞組電流產生的磁通要經過磁阻最小的路徑形成閉合磁路,所以將使轉子齒1、齒3同定子的A相對齊。圖8-16三相反應式步進電動機模型

在步進電動機中,控制繞組每改變一次通電方式,稱為一拍,每一拍轉子就轉過一個步距角,上述的運行方式每次只有一個繞組單獨通電,控制繞組每換接3次構成一個循環,故這種方式稱為三相單三拍式。這種工作方式,因三相繞組中每次只有一相通電,而且一個循環周期共包括3個脈沖,所以稱三相單三拍。每來一個電脈沖,轉子轉過30°,此角稱為步距角。轉子的旋轉方向取決于三相線圈通電的順序,改變通電順序即可改變轉向。

三相單雙六拍式即按A→AB→B→BC→C→CA→A順序通電,每次循環需換接6次,故稱為三相六拍,步距角為15°。因單相通電和兩相通電輪流進行,故又稱為三相單雙六拍式。

三相雙三拍與單三拍方式相似,雙三拍驅動時每個通電循環周期也分為三拍。每拍轉子轉過30°(步距角),一個通電循環周期(3拍)轉子轉過90°(齒距角)。工作方式為三相雙

三拍時,每通入一個電脈沖,轉子也是轉30°。

8.3.3步進電動機的特性

一、步進電動機的基本控制特點

(1)角度控制:每輸入一個脈沖,定子繞組換接一次,輸出軸就轉過一個角度,其步數與脈沖數一致,輸出軸轉動的角位移與輸入脈沖數成正比。

(2)速度控制:各相繞組不斷地輪流通電,步進電動機就連續轉動。反應式步進電動機轉速只取決于脈沖頻率f、轉子齒數Z和拍數,而與電壓、負載、溫度等因素無關。

二、步進電動機的運行特性

1.靜態運行特性

首先需要清楚的幾個名稱:

(1)初始穩定平衡位置:指步進電動機在空載情況下,控制繞組中通以直流電流時,轉子的最后穩定位置。

(2)失調角θ:指步進電動機轉子偏離初始平衡位置的電角度。在反應式步進電動機中,轉子一個齒距所對應的度數為2π電弧度或360°電角度。

(3)矩角特性:在不改變通電狀態(即控制繞組電流不變)時,步進電動機的靜轉矩與轉子失調角的關系,即T=f(θ)。圖8-17三相反應式步進電動機的轉矩和轉角

步進電動機在靜轉矩的作用下,轉子必然有一個穩定平衡位置,如果步進電動機為空載,即T2=0,那么轉子在失調角θ=0°處穩定,即在通電相定子齒與轉子齒對齊的位置穩定。在靜態運行情況下,如有外力使轉子齒偏離定子齒,即0°<θ<π或θ<0°時,則在外力消除后,轉子在靜轉矩的作用下仍能回到原來的穩定平衡位置。當θ=±π時,轉子齒左右兩邊所受的磁拉力相等而相互抵消,靜轉矩T=0,但只要轉子向左或向右稍有一點偏離,轉子所受的左右兩個方向的磁拉力不再相等而失去平衡,故θ=±π為不穩定平衡點。在兩個不穩定平衡點之間的區域構成靜穩定區,即-π<θ<π,如圖8-18所示。圖8-18-三相反應式步進電動機的矩角特性

2.步進電動機的起動和起動頻率(突跳頻率)

若步進電動機靜止于某一相的平衡位置上,當一定頻率的控制脈沖送入時,電動機就開始轉動,但是電動機的轉速不是立刻就能達到穩定數值的,有一暫態過程,這就是起動過程。在一定負載轉矩下,電動機正常起動時(不丟步、不失步)所能加的最高控制頻率稱為起動頻率或突跳頻率,它也是衡量步進電動機快速性能的重要技術指標。

當電動機帶著一定的負載轉矩起動時,作用在電動機轉子上的加速轉矩為電磁轉矩與負載轉矩之差。負載轉矩越大,加速轉矩就越小,電動機就不易轉起來。只有當每步有較長的加速時間(即較低的脈沖頻率)時,電動機才可以起動。因此,隨著負載的增加,其起動頻率是下降的。起動頻率隨負載轉矩下降的規律稱為起動矩頻特性,如圖8-19所示。圖8-19三相反應式步進電動機起動矩頻特性

三、步進電動機的驅動電源

步進電動機的驅動電源主要包括變頻信號源、脈沖分配器和功率放大器3部分。其方框圖如圖8-20所示。圖8-20步進電動機驅動電源方框圖

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