控制电机001

第9章控制电机第9章控制电机9.1控制电机概述9.2步进电动机9.3伺服电动机9.4微型同步电动机9.5测速发电机思考题与习题第9章控制电机9.1控制电机概述9.1.1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系统的基础元件，广泛应用于各个部门，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、电影、电视、电子计算机外设等民用设备，或雷达天线自动定位、飞机自动驾驶仪、导航仪、激光和红外线技术、导弹和火箭的制导、自动火炮射击控制、舰艇驾驶盘和方向盘的控制等军事设备。第9章控制电机这些系统能处理包括直线位移、角位移、速度、加速度、温度、湿度、流量、压力、液面高低、比重、浓度、硬度等多种物理量。现以自动控制系统的一个重要分支——按预定要求控制物体位置的伺服系统为例来说明一下控制电机的种类和用途。图9-1为两种伺服系统的示意方框图。其中图9-1（a）为经济型数控机床常用的步进电动机开环伺服系统，计算机数控装置给出位移指令脉冲，驱动电路将脉冲放大，去驱动步进电动机按命令脉冲转动，并带动工作台按要求进行位移。第9章控制电机图9-1（b）为高档数控机床使用的全闭环位置伺服控制系统，该系统由数控装置给出加工所要求的位移指令值，在机床工作台上装有直线位置传感器进行实际位置检测，在伺服电动机轴上还装有速度传感器完成实际速度检测。该系统的位置比较电路要进行位置指令值和实际位置反馈值之间的偏差运算，根据偏差情况计算出所需速度，所需速度还要和实际速度检测值进行比较，用一系列综合运算结果实时地通过伺服驱动器去推动伺服电动机旋转，实现工作台的精确移动。第9章控制电机控制电机的种类很多，若按电流分类，可分为直流和交流两种；按用途分类，直流控制电机又可分为直流伺服电动机、直流测速发电机和直流力矩电动机等；交流控制电机可分为交流伺服电动机、交流测速发电机、步进电动机、微型同步电动机等。各种控制电机的用途和功能尽管不同，但它们基。第9章控制电机图9-1(a)步进电动机开环伺服系统；(b)全闭环位置伺服控制系统驱动电路指令脉冲步进电动机工件台(a)(b)指令值伺服电动机速度检测伺服驱动器速度控制电路直线位置检测位置比较电路位置反馈速度反馈－－＋第9章控制电机1.作为信号元件用的控制电机(1)交、直流测速发电机。测速发电机的输出电压与转速精确地保持正比关系，在系统中主要用于转速检测或速度反馈，也可以作为微分、积分的计算元件。第9章控制电机(2)自整角机。自整角机的基本用途是传输角度数据，一般由两个以上元件对接使用，输出电压信号时是信号元件，输出转矩时是功率元件。作为信号元件时，输出电压是两个元件转子角差的正弦函数。作为功率元件时，输出转矩也近似为两个元件转子角差的正弦函数。自整角机在随动系统中可作为自整步元件或角度的传输、变换、接收元件。第9章控制电机(3)旋转变压器。普通旋转变压器都做成一对磁极，其输出电压是转子转角的正弦、余弦或其他函数，主要用于坐标变换、三角运算，也可以作为角度数据传输和移相元件使用。多极旋转变压器是在普通旋转变压器的基础上发展起来的一种精度可达角秒级的元件，在高精度解算装置和多通道系统中用作解算、检测元件或实现数模传递。第9章控制电机2.作为功率元件用的控制电机(1)交流和直流伺服电动机。交、直流伺服电动机在系统中作执行元件，其转速和转向取决于控制电压的大小和极性（或相位），机械特性近于线性，即转速随转矩的增加近似线性下降，比普通电动机的控制精度高。使用时，电动机通常经齿轮减速后带动负载，所以又称为执行电动机。第9章控制电机(2)电机扩大机。电机扩大机可以利用较小的功率输入来控制较大的功率输出，在系统中作为功率放大元件。电机扩大机的控制绕组上所加的电压一般不高，励磁电流不大，而输出电动势较高，电流较大，这就是功率放大。电机扩大机的放大倍数可达1000～10000倍，也可作为自动调节系统中的调节元件。第9章控制电机(3)步进电动机。步进电动机是一种将脉冲信号转为相应的角位移或线位移的机电元件。它由专门的电源供给脉冲信号电压，当输入一个电脉冲信号时，它就前进一步，输出角位移量或线位移量与输入脉冲数成正比，而转速与脉冲频率成正比。步进电动机在经济型数控系统中作为执行元件得到广泛应用。(4)微型同步电动机。微型同步电动机具有转速恒定，结构简单，应用方便等特点，应用在自动控制系统和其他需要恒定转速的仪器上。第9章控制电机(5)磁滞电动机。磁滞电动机具有恒速特性，亦可在异步状态下运行，主要用于驱动功率较小的要求转速平稳和起动频繁的同步驱动装置中。(6)单相串励电动机。单相串励电动机是交直流两用的，多数情况下使用交流电源。由于它具有较大的起动转矩和软的机械特性，因而广泛应用在电动工具中，如手电钻就采用这种电动机。第9章控制电机(7)电磁调速电动机。电磁调速电动机是采用电磁转差离合器调速的异步电动机。这种电动机可以在较大的范围内进行无级平滑调速，是交流无级调速设备中最简单实用的一种，在纺织、印染、造纸等轻工业机械中得到广泛应用。第9章控制电机9.1.2对控制电机的要求及其发展概况1.对控制电机的要求控制电机是在普通旋转电机的基础上发展起来的，其基本原理与普通旋转电机并无本质区别。不过，普通电机的主要任务是完成能量的转换，对它们的要求主要着重于提高效率等经济指标以及起动和调速等性能。而控制电机的主要任务是完成控制信号的传递和转换，因此，现代控制系统对它的基本要求是高精确度、高灵敏度和高可靠性。第9章控制电机高精确度是指控制电机的实际特性与理想特性的差异应越小越好。对功率元件来说，是指其特性的线性度和不灵敏区；对信号元件来说，则主要指静态误差、动态误差以及环境温度、电源频率和电源电压的变化所引起的漂移。这些特性都直接影响整个系统的精确度。高灵敏度是指控制电机的输出量应能迅速跟上输入信号的变化，即对输入信号能做出快速响应。目前，自动控制系统中的控制指令是经常变化的，有时极为迅速，因而控制电机，特别是功率元件能否对输入信号做出快速响应，会严重影响整个系统的工作。第9章控制电机表征快速响应的主要指标有灵敏度和机电时间常数等。高可靠性是指控制电机对不同的使用环境应有广泛的适应性，在较差的环境中能非常可靠地工作。第9章控制电机2.控制电机的发展概况控制电机属于电机制造工业中一个新机种，它的历史虽短但发展迅速。控制电机的品种繁多，用途各异，据不完全统计，已达3000种以上，是普通电机所不可比拟的。在国外，从20世纪30年代开始，控制电机随着工业自动化、科学技术和军事装备的发展而迅速发展，其使用领域也日益扩大。到了20世纪40年代以后，已逐步形成自整角机、旋转变压器、交直流伺服电动机、交直流测速发电机等一些基本系列。第9章控制电机20世纪60年代以后，由于电子技术、航天等科学技术的发展和自动控制系统的不断完善，对控制电机的精度和可靠性提出了更高的要求，控制电机的品种也日益增多，在原有的基础上又生产出多极自整角机、多极旋转变压器、感应同步器、无接触自整角机、无接触旋转变压器、永磁式直流力矩电动机、无刷直流伺服电动机、空心杯转子永磁式直流伺服电动机、印制绕组直流伺服电动机等新机种。第9章控制电机目前在自动化系统中，常用数字计算机进行控制，而在它的输出设备中又要将数字信号转换成角位移或线位移，即实现数模转换。步进电动机的工作特性完全适合这种要求，因此得到较快发展。在数字计算机输入设备中，为了进行模数转换，出现了多相自整角机和多相旋转变压器。第9章控制电机由于新原理、新技术、新材料的发展，使电机在很多方面突破了传统的观念，研制出一些新原理、新结构的电机，如霍尔效应的自整角机及旋转变压器、霍尔无刷直流测速发电机、压电直线步进电动机，利用“介质极化”研制出驻极体电机，利用“磁性体的自旋再排列”研制出光电机，此外，还有电介质电动机、静电电动机、集成电路电动机等。第9章控制电机控制电机的进一步发展已经不限于一般的电磁理论，而将与其他学科相互结合，相互促进，成为一门多种学科相互渗透的边缘学科。研究特种电机的原理、结构与应用，在21世纪自动化技术、电脑技术的开发和应用中将具有光辉的前景。控制电机种类较多，不可能一一介绍。本章在电机原理的基础上介绍几种常用控制电机的基本结构、基本工作原理、主要运行特性和使用方法等基本问题。第9章控制电机9.2步进电动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。它通过专用电源把电脉冲按一定顺序供给定子各相控制绕组，在气隙中产生类似于旋转磁场的脉冲磁场。第9章控制电机输入一个脉冲信号，电动机就转动一个角度或前进一步，因此，步进电动机又称为脉冲电动机。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。通过改变脉冲频率的高低，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。第9章控制电机随着电子技术和计算技术的迅速发展，步进电动机的应用日益广泛，目前在经济型数控机床、绘图机、自动记录仪表和数模变换装置上都使用了步进电动机。从零件的加工过程看，工作机械对步进电动机的基本要求是：第9章控制电机(1)调速范围宽，应尽量提高最高转速以提高劳动生产率。(2)动态性能好，能迅速起动、正反转和停转。(3)加工精度较高，即要求一个脉冲对应的位移量小，并要精确、均匀，这就要求步进电动机步距小，步距精度高，不丢步或越步。(4)输出转矩大，可直接带动负载。第9章控制电机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，因此本节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与运行性能。第9章控制电机9.2.1步进电动机的工作原理图9-2是一个三相反应式步进电动机的工作原理图，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。第9章控制电机图9-2三相单三拍运行时反应式步进电动机工作原理ABCACB1342ABC1BCA234ACB4CBA321(a)(b)(c)第9章控制电机当A相绕组通电且B相、C相绕组都不通电时，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，因而转子齿1和齿3的轴线与定子A极轴线对齐（负载转矩为零时），如图9-2(a)所示。当A相断电且B相通电时，转子便逆时针方向转过30°，使转子齿2和齿4的轴线与定子B极轴线对齐，如图9-2(b)所示。当B相断电且C相通电时，转子再转过30°，使转子齿1和齿3的轴线与定子C极轴线对齐，如图9-2(c)所示。如此循环往复,按A—B—C—A，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。第9章控制电机步进电动机的转速取决于定子绕组与电源接通、断开的频率，即输入的电脉冲频率，步进电动机的转向则取决于定子绕组轮流通电的顺序。若步进电动机的通电顺序改为A—C—B—A，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一般由数字逻辑电路或计算机软件来控制。第9章控制电机上述通电过程中，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，步距角