电机传动与控制第五章控制电机

控制电机第五章1、了解控制电机的分类；2、了解交、直流伺服电机的工作原理及特点；3、了解各种控制电机的用途；4、了解控制电机与普通电机的区别；5、了解轴角的检测方法。本章要求：本章知识点：1、步进电机的工作原理及驱动方式；2、交流伺服电机的工作原理；3、自转及消除自转的措施；4、力矩电机大转矩低转速的机理；5、控制系统的一般组成。直流发电机直流电动机直流电机同步电机同步发电机同步电动机异步发电机异步电动机交流电机异步电机电机控制电机变压器（也属交流电机的一种，但它静止不动）电机的分类：控制电机的用途与要求：1、用途：用于自动控制、自动调节、远程控制、伺服控制系统。2、对控制电机的一般要求：动作灵敏、响应快、控制精度高、稳定性好。5.1步进电机传动控制系统步进电动机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件，每当输入一个电脉冲时，它便转过一个固定的角度，这个角度称为步距角β，简称为步距。每输入一个脉冲电动机便转动一步，步进电动机便因之而命名。当电动机不失步时，步进电动机的位移量与输入脉冲数严格成比例，不会引起积累误差，其转速与脉冲频率和步距角有关。控制输入脉冲数量、频率及电动机各相绕组的接通次序，就可以得到所需的位移、速度和转向。通过传动机构，带动工作设备完成符合要求的动作。步进电机的分类1、定位电磁铁原理的步进电机；2、反应式步进电机（变磁阻式）；3、永磁式步进电机；4、混合式步进电机。5.1.1步进电机的结构与工作原理当A相通电时，定子A相的齿与转子上的齿对齐(磁通具有力图沿磁阻最小路径通过的特点)，B相的齿与转子上的齿错开1/3齿，C相的齿与转子上的齿错开2/3齿。若按A、B、C相轮流导通，每通电一次转过1/3齿；若按A、AB、B、BC、C、CA的方式，则每通电一次，转过1/6齿。转子与相之间错开的角度增量为t/m定子绕组按一定的规律通电；转子铁心在磁场作用下每次转过一定的角度。实际步进电动机的步距角通常较小，这就要求转子的齿数多。反应式步进电动机工作原理接线与结构A相绕组通电B相绕组通电C相绕组通电5.1.2步进电机的步距角、和拍的定义1、拍——定子由一种通电状态转换到另一种通电状态（即磁场状态每一次变化）称为一拍；2、步距角β——步进电机每转一步（一拍）所转过的角度。其大小取决于转子的齿数，和通电的方式。步距角β=360o/(ZKm)Z——转子齿数；m——定子绕组相数；K——状态系数（单m拍、双m拍时K=1，单、双m拍时K=2）。3、步进电机的转速n=60f×β/2π显然，齿数越多、相数越多，步距角越小，精度越高，但转速越慢。5.1.3提高步进电机分辨率的方法：1、增加转子齿数Z（设计成小步距角的步进电机）但齿太小，容易磁饱和，力矩变小；2、增加定子绕组相数m（做成多相）；3、做成多段式结构；4、采用电流细分技术（通过单片机的D/A控制步进电机定子相邻两相电流的比例实现）。但要注意，细分主要是改善运动性能。5.1.4步进电动机的分类1．按步进电动机的工作原理分1）励磁式电机的定子转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动。2）反应式(变磁阻式）转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动。这是步进电动机发展的主要类型，有较好的技术性能指标。3）混合式（即永磁感应子式）它与反应式的主要区别是转子上置有磁钢。反应式电机转子无磁钢，输入能量全靠定子励磁电流供给，静态电流比永磁式大许多。永磁感应子式电机具有驱动电流小、效率高、过载能力强和具有零电流力矩等优点，是一种很有发展前途的步进电动机。还有其它的分类方法（自学）混合式步进电机有零电流力矩5.1.5环形分配器的实现1、硬件环形分配器（随着单片机的出现已很少使用）；2、软件环形分配器（通过查表实现）5.1.6步进电机的驱动电路1、单电压限流型驱动电路为了克服静摩擦力和惯性，加大步进电机的加速度，加快启动过程，采用高低压切换电路。利用高电压产生大力矩，利用低电压维持静止，从而减少发热。当晶体管VT导通瞬间，由于电容C两端电压不能突变，电容相当于短路，加在电阻R的电压很小，电流很小，电压全部加在绕组L上，电流快速上升。随着电容充电，加在绕组L的电压降低电流减少。V为续流二极管，RD为限流电阻防止关断瞬间反电势过高，击穿晶体管VT。电容C仅在启动时起作用，称为加速电容。时间常数τ=L/（r+R)为了提高速度，要加大R，但要保证维持电流，必须同时提高U。造成功耗大。I=U/（r+R)2、双电源高低压切换型驱动电路开始时VT1、VT2同时导通，80V直接加在绕组L上，当经过t2时间，关断VT2，用低压12V维持。在下一步开始前，把VT1关断。引起步进电机失步的原因：1、步进电机的力矩不够（负载力矩大于步进电机的最大静力矩）；2、加减速过快（动态力矩不够）；即给定角加速度ε=（TM-TL）/J步进电机控制的优缺点：优点：1、步进电机不失步时，步进电机的角位移与输入脉冲数严格成比例，可以用于高精度的开环控制；2、控制方法及设备简单，价钱便宜；3、零速（堵转）力矩大；4、永磁式和混合式有零电流力矩；5、体积小。缺点：1、高速力矩小（每一步只有一个齿出力）响应慢；2、允许最高转速低（每一步都作启、停运动）；3、精度低（受步距角限制）4、共振点多，噪声大；5、功率小。在高性能的控制中步进电机正被交流伺服控制取代。只有A相通电A相电流大于B相B相电流大于A相AA′B′BCC′AA′B′BCC′4321AA′B′BCC′5.1.7步距角的细分技术步距角的细分技术是利用计算机的D/A控制两相电流的比例来实现细分。例A相电流按1、7/8、6/8、5/8、4/8、3/8、2/8、1/8、0递减；B相电流则按0、1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8、7/8、1递增。就可以把1拍细分成8拍。T步5·2交流伺服电机伺服电动机的定义：能对输出信号迅速作出相应反应的电机称为伺服电动机。伺服电动机有交流、直流两种。伺服：——即跟随。输出信号跟随输入控制信号作相应的变化。伺服电机的特点伺服电机与一般的驱动电机相比主要有如下的特点：1、调速范围大（由几分钟一转到每分钟上万转）2、转子的惯性小（即转动惯量小）；3、控制功率小、过载能力强；交流伺服电动机的结构：实质：两相异步电动机（与单相异步机相似）。组成：定子（励磁绕组、控制绕组），转子（细长形，或杯型，减小转动惯量）。杯形转子：可看成无数导条组成的鼠笼转子。纵横剖面图5·1·1两相交流伺服电机两相交流伺服电机结构与普通异步电机差不多，为提高响应的快速性，转子做成细长形或空心杯形。定子绕组与单相电容式异步电动机类似，把两个绕组在空间上布置成互成900电角度(空间角度与电角度的关系：为空间角度=电角度/极对数)，其中一个为励磁绕组WF，另一个为控制绕组WC（提供动力），分别接在两个频率相同但频率可变的电源上，形成旋转磁场。其工作原理以分相式单相异步电动机的原理为基础，励磁绕组接到电压一定的交流电网上，控制绕组接到控制电压UC上，当有控制信号输入时，两相绕组便产生旋转磁场。该磁场与转子中的感应电流相互作用产生转矩，使转子跟着旋转磁场以一定的转差率转动起来，其同步转速n0＝60f／p转子的转向与旋转磁场的方向相同，把控制电压的相位改变180°。则可改变伺服电动机的旋转方向。例如给下图的控制电压，电机作连续的正反转。对伺服电动机的要求是：控制电压一旦取消，电动机必须立即停转。但根据单相异步电动机的原理，电动机转子一旦转动以后，再取消控制电压，仅励磁电压单相供电，电机仍将继续转动，即存在“自转”现象，这意味着失去控制作用，这是不允许的。5．1．3消除自转现象的措施从三相异步电动机的人为机械特性可知，加大转子电阻可改变电动机的转速转矩特性（见图6．3），转子电阻增大到一定程度，可使最大转矩出现在s＝1附近。为此目的，通常把伺服电动机的转子电阻R2设计得很大，使电动机在失去控制电压时，亦即成单相运行时，正转矩或负转矩的最大值均出现在S＞1的地方，这样可得出图6·4所示的机械特性曲线。图6．4中曲线1为有控制电压时伺服电机的机械特性曲线，曲线T＋和T－为去掉控制电压后，脉动磁场分解为正、反两个旋转磁场Bm1、Bm2对应产生的转矩曲线。曲线T为去掉控制电压Uc后单相供电时的合成转矩曲线。从图看出，它与单相供电的异步电机合成转矩的机械特性曲线不同，合成力矩T在第二和和第四象限内。当速度为正时，电磁转矩T为负，当速度为负时，电磁转矩T为正，即去掉控制电压后，单相供电时的电磁转矩的方向总是与转子转向相反，是一制动转矩。因此，可使转子迅速停止。若去掉控制电压时，同时去掉励磁，则电机失去制动转矩，因此，两相交流伺服电机工作时，励磁绕组始终与电源连接。加大转子电阻还带来稳定调速段加宽，启动转矩提高，的好处，有利于提高电机的启动性能。没有启动转矩有启动转矩调速范围小n0~ns调速范围大0~n05·13两相交流伺服电机的控制方法两相交流伺服电机的控制方法主要采用调幅控制，即改变控制电压UC的控制方式。其特性见图6·6。图中n0为什么随控制电压变化，而不是象图5·24那样，保持n0不变，是因为转子电阻很大，Sm＞1，单励磁绕组工作产生负转矩的原因。其它交流伺服电机（多为三相电机）5·14伺服电机在控制系统中的应用伺服控制分为：位置伺服：以保证位置精度为控制目标；速度伺服：以保证速度精度为控制目标；加速度伺服：以保证加速度精度为控制目标；力伺服：以保证力或力矩精度为控制目标；不管伺服控制的最终对象是什么，但对电机而言，不外乎是位置、速度、加速度、力矩控制。通过阀门控制流量其实质是控制电机转角（位置伺服）；自动瞄准火炮控制是速度伺服；振动试验台是加速度伺服；造纸生产中的纸厚控制，是力矩控制（恒张力控制）；用机械手夹刚性较软的薄壁件、或硬度强度较差的物体，例如鸡蛋、玻璃杯等需要控制力的大小，也是力矩控制。控制系统组成的一般框图速度、位置双闭环的控制系统这是一个速度、位置双闭环的控制系统。速度环是内环，位置环是外环。多环的控制系统，最终要保证的物理量放在最外环。内环是改善动态品质，外话环是保证控制目标的精度。当把外环传感器换成力传感器，则系统成为力伺服控制系统。在图6·7中在位置传感器的输出端加一微分电路就成为速度反馈，系统则成为速度伺服；在此基础上再加一级微分电路，就成为加速度反馈，系统则成为加速度伺服。当反馈元件选用了位置、速度、加速度传感器中的任一种，经过适当的电路处理，都可得到另外两个物理量。力传感器二阶微分更详细的方框图采用复杂的控制系统其目的是为了改善系统的动态品质。所谓改善动态品质是指：提高响应速度；减少震荡次数；减小超调量；缩短调整时间。例如定位控制，1的控制就比2好。12原理：与普通直流电机完全相同。所不同的是电枢电阻大，机械特性软、线性（电阻大，可弱磁起动、可直接起动）。控制方式：1.电枢控制（常用）；2.励磁控制（少用）。直流伺服电动机的两种控制方式5·2直流伺服电动机（自学）电枢控制励磁控制与交流伺服电动机（电压控制）的特性相比，直流伺服电动机的n—T特性是一直线，特性硬。缺点是有电刷。见图6·8、图6·95·3力矩电机伺服电动机都要求转子转动惯量小，这是基于两点：1、相同功率的电动机转速越高电机体积越小、重量越轻、价格越低；采用高速电机与大减速比的减速器配合，以满足执行机构所需的转速和力矩，比直接采用低速电机，无论体积、重量、价格都有优势。（因为减速器材料可通过热处理、和选用合金材料提高性能，减小体积减轻重量，而电机必须用矽钢片；此外，普通钢材比电机材料如：矽钢片、铜、铝便宜）；2、由于采用大减速器比，负载及执行机构的转动惯量JL折算到电机轴上很小、（电机所需克服静负载的力矩也小）。而电机的转动惯量成为系统的主要惯量。例如：某负载的转动惯量是电机转子转动惯量的10倍，若取减