自动控制系统控制电机

自动控制系统控制电机控制电机概述••控制电机是构成开环控制、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。•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1为两种伺服系统的示意方框图。其中图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。图1(a)•图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。•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，但它们基本上可分为信号元件和功率元件两大类。图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－－＋•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。•(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(控制式)，输出转矩时是功率元件（力矩式）。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。•(3)旋转变压器。•旋转变压器是一种电磁式传感器，又称同步分解器。它是一种测量角度用的小型交流电动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，由定子和转子组成。其中定子绕组作为变压器的原边，接受励磁电压，励磁频率通常用400、3000及5000HZ等。转子绕组作为变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压。•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。•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。••(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（A-G-M）系统中的调节元件。•(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。•(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。•(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。•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。•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。•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。•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。•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。步进电机控制系统——步进电机和步进电机驱动器概述特点：没有位置反馈和速度反馈回路；多使用步进电机作为驱动电机；在工作频率范围内，系统每发出一个脉冲，步进电机就转过一定的角度（步距角）；工作台的位移量由发送给步进电机的脉冲数量决定；工作台的移动速度由发送给步进电机的脉冲频率决定；受到步距角的限制，并且对系统误差只能采用软件补偿的方法解决，所以精度较低；受到步进电机运行频率的限制，所以速度较慢。工作台的移动方向由步进电机绕组的通电顺序或电流方向决定；特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)改变脉冲顺序，改变转动方向。步进电机用电脉冲进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移的执行器。步进电机工作方式步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。按照工作原理分：反应式/变磁阻式永磁式、永磁感应子式/混合式按照相数分：两相、三相、四相、五相等反应式步进电机反应式步进电机又称为可变磁阻式（VariableReluctance）步进电机，简称为VR步进电机。1423U1U2V1V2W2W1三相磁阻式步进电动机原理图（a）A相通电（b）B相通电（c）C相通电反应式步进电动机单三拍的工作原理图三相单三拍三相绕组中的通电顺序为：A相B相C相步进电机从一相通电换接到另一相通电，称为一拍，每一拍，转子转过一个固定的角度，称为步距角θ。（a）A、B相通电（b）B、C相通电（c）C、A相通电反应步进电动机双三拍运行的工作原理图三相双三拍三相绕组中的通电顺序为：AB相BC相CA相（a）A相通电（b）AB相通电（c）B相通电反应式步进电动机单双六拍的工作原理图三相单双六拍（三相六拍）三相绕组中的通电顺序为：A相AB相B相BC相C相CA相性能指标步距角θ：步进电机每接收到一个控制脉冲转子转过的角度。NZo360其中Z为转子齿数，为N供电方式的拍数。步距角决定了系统的分辨率。步进电机每转动一个步距角引起的工作台移动距离称为脉冲当量δ。ilo360其中l为丝杠螺距，i为减速齿轮副的传动比。最大静态转矩Mjmax：步进电机在不改变通电状态时（转子处在不动状态，即静态），在电机轴上外加负载转矩，转子会转过一定的角度（失调角），负载撤销后，转子又回到原来的位置。步进电机所能够承受的该类负载转矩的最大值称为最大静态转矩。最大静态转矩反映了步进电机工作时的带载能力。空载启动（突跳）频率fst：空载时步进电机由静止突然启动，进入不丢步的正常运行状态的最高控制脉冲频率。最大运行频率fw：步进电机不丢步而正常连续运行的最高控制脉冲频率。最大运行频率决定了系统的最大速度。工作台移动速度：mm/min60fV步距角一定时，通电状态的切换频率越高，即脉冲频率越高时，步进电动机的转速越高。脉冲频率一定时，步距角越大、即转子旋转一周所需的脉冲数越少时，步进电动机的转速越高。步进电动机的转速为rNZfn60转子旋转一周所需的脉冲数脉冲频率小步距角的步进电动机为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子40个齿，定子仍是6个磁极，但每个磁极上也有五个齿。实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5度，步距角越小，机加工的精度越高。U2U1W2W1V1V2不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。步进电机的选型分辨率脉冲当量步距角最大速度最大运行频率最大加速度空载启动（突跳）频率额定转距最大静转矩（5~10倍额定转矩）反应式步进电机的特点步距角小，运行频率高，控制方便；励磁电流大，要求驱动电源的功率大，从而效率较低；电机的内部阻尼小，单步运行振荡时间长；断电后无定位转矩。永磁式步进电机永磁式（PermanentMagnet）步进电机，简称为PM步进电机，其定子或转子的某一方为永久磁钢。其典型的特点为：步距角大；要求驱动电源的功率小，从而效率较高；电机的内部阻尼大，单步运行振荡时间短；断电后有定位转矩。步进电机的控制脉冲分配方法硬件方法通用硬件电路专用硬件电路软件方法移位寄存器法查表法硬件脉冲分配方法通用硬件电路采用硬件方法进行脉冲分配，控制软件一侧只需要输出一路脉冲信号和一路方向控制信号，步进电机绕阻的供电时序由硬件电路生成。例如三相六拍ABC100110010011001101正转反转X——方向，1—正转，0—反转由以上真值表，可得逻辑表达式为nnnnnnnnnBXAXCAXCXBCXBXA111使用通用IC即可