电动机机械特性曲线平行地向转速和转矩增加的方向移动

第四章控制电机控制电机一般是指在自动控制系统中作为执行元件或测量元件的小功率电机。就电磁过程及所遵循的基本规律而言，控制电机与一般旋转电机没有本质区别，只是作用不同而已。普通旋转电机主要来完成电能和机械能的转换，而控制电机则主要用来完成控制信号的传递和变换。第四章控制电机根据在自动控制系统中所起的作用，控制电机基本上可分为两大类：一类用做执行元件，主要包括直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机、小功率同步电动机等；一类用做测量元件，主要包括：自整角机、交直流测速电机、旋转变压器等。主要内容§4.1步进电动机§4.2直流伺服电动机§4.3交流异步电动机和交流伺服电动机§4.4小功率同步电动机§4.5测速发电机§4.1步进电动机步进电动机又称电脉冲马达，是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其特点是电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转子的角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及其频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向，很容易用微机实现数字控制。§4.1.1步进电动机工作原理按其结构和工作原理，步进电动机可分为反应式（磁阻式）、电磁式永磁式这几种结构在性能上各有特点，但基本工作原理是一样的。§4.1.1步进电动机工作原理下图是数字控制开环伺服系统中广泛应用的三相反应式步进电动机的工作原理示意图。§4.1.1步进电动机工作原理几个概念：单：每次切换前后只有一相绕组通电双：每次切换前后有两相绕组通电拍：从一种通电状态转换到另一种通电状态三相步进电动机绕组的通电方式一般有单三拍、单六拍及双三拍等几种。§4.1.1步进电动机工作原理一、三相单三拍运行方式（单拍方式）每次只有一相绕组通电，使步进电机按顺时针或逆时针方向旋转，这种控制方式称为单相控制方式。对三相电动机又称单三拍控制方式，其绕组波形如图§4.1.1步进电动机工作原理二、三相双三拍运行方式（双拍方式）三相双三拍运行方式工作比较稳定，功耗比单拍方式相比增大近一倍，其绕组电流波形图§4.1.1步进电动机工作原理二、三相六拍运行方式（单－双拍方式）三相六拍运行方式的绕组通电顺序按A→AB→B→BC→C→CA→A进行，每切换一次步进电动机顺时针旋转15º，运行原理图如图§4.1.1步进电动机工作原理其绕组电流波形如图二、三相六拍运行方式（单－双拍方式）§4.1.2步进电动机类型与结构一、反应式步进电动机图为三相反应式步进电动机结构示意图设转子的齿数为Z，则齿距为：τ＝360º/Z每通电一次，转子就走一步，故步距角β为：mKZZ360360拍数＝拍数齿距式中K为状态系数。§4.1.2步进电动机类型与结构一、反应式步进电动机若步进电动机的Z＝40，三相单三拍运行时，其步距角为：3403360若按三相六拍运行时，步距角为：5.14032360由此可见，步进电动机的转子齿数Z和定子相数m愈多，则步距角β愈小，控制越精确。如果电脉冲的频率为f（电源频率），则步进电动机转速n§4.1.2步进电动机类型与结构一、反应式步进电动机fmKZfn6060360可见，反应式步进电动机转速只取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，而与电压、负载、温度等因素无关。§4.1.2步进电动机类型与结构一、反应式步进电动机反应式步进电动机可以按特定指令进行角度控制，也可以进行速度控制。当步进电动机的通电方式选定后，其转速只与输入脉冲频率成正比，改变脉冲频率就可以改变转速，故可进行无级调速，调速范围宽。§4.1.2步进电动机类型与结构综上所述，步进电动机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件（温度、压力、冲击和振动等）变化的影响，只与控制脉冲同步。能按照控制的要求进行启动、停止、反转和改变速度。因此被广泛地应用于各种数字控制系统中。§4.1.2步进电动机类型与结构二、永磁式步进电动机永磁式步进电动机的结构如图。与反应式相比，具有控制功率小，内部电磁阻尼较大和断电情况下具有定位转矩等特点。§4.1.2步进电动机类型与结构三、电磁式步进电动机电磁式步进电动机转子的磁极上绕有激磁绕组，绕组中通以直流电以产生直流磁通。与反应式步进电动机相比，有如下特点：输出转矩大而脉冲电流较小低频运行时更稳定可靠高频运行时的矩频特性好§4.1.2步进电动机类型与结构四、永磁反应式（混合式）步进电动机永磁式反应式步进电动机可分为转子带磁钢和定子带磁钢两种。右图是转子带磁钢的典型结构。§4.1.2步进电动机类型与结构永磁反应式步进电动机既具有反应式步进电动机的步距角小和工作频率较高的特点，又具有永磁式步进电动机的控制功率比较小的特点，但结构较复杂，成本也较高。除了三相步进电动机外，常见的还有四相、五相和七相电动机。通常相数越多，输出转矩越平稳。大型电子机械常用三相和五相电动机，而小型精密产品中多采用四相电动机。§4.1.3步进电动机主要特性步进电动机主要特性：步距角及步距误差矩角特性动态矩频特性启动惯频特性单步运行与振荡特性§4.1.3步进电动机主要特性一、步距角及步距误差步距角β即步进电动机每步转过的空间角度。步距角越小，分辨力越高。步距误差即步进电动机每走一步，转子实际的角位移与设计的步距角之间的差值。连续走若干步，步距误差就会形成累积，转一圈范围内步距累积误差的最大值，称为步进电动机的累积误差§4.1.3步进电动机主要特性步距误差和累积误差通常用度(º)、分(')或者步距角的百分比表示。影响步距误差和累积误差的主要因素有：齿与磁极的分度精度；铁心叠压及装配精度；各相矩角特性之间的差别的大小；气隙的不均匀程度等。§4.1.3步进电动机主要特性二、矩角特性矩角特性是反映步进电动机电磁转矩T随偏转角θ变化的关系。定子一相绕组通以直流电后，如果转子上没有负载转矩的作用，转子齿和通电相磁极上的小齿对齐，这个位置称为步进电动机的初始平衡位置。§4.1.3步进电动机主要特性当转子有负载转矩作用时，转子齿就要偏离初始位置，重新平衡后转子齿偏离初始位置的角度称为转子偏转角θ（空间角），对应的电角度θe称为失调角。电角度是空间角度的Z倍，即θe＝ZθZ为电动机定子齿数。§4.1.3步进电动机主要特性电磁转矩T与失调角θe的关系曲线T＝f(θe)称为矩角特性曲线，如图。当θe达到±π/2时，即定子齿与转子齿错开1/4个齿距时，转矩T达到最大值Ts,max，称为最大静转矩。§4.1.3步进电动机主要特性最大静转矩反映了步进电动机带负载能力，是步进电动机最主要的性能指标之一。步进电动机的负载转矩必须小于最大静转矩。在实际使用中，为了能稳定运行，负载转矩一般只能是最大静转矩的0.3～0.5倍。§4.1.3步进电动机主要特性三、动态矩频特性动态矩频特性是指步进电动机所能产生的最大转矩与转速的关系曲线，如图§4.1.3步进电动机主要特性动态矩频特性是选用合适的步进电动机的最重要的指标之一。值得注意：同一电动机在使用不同的驱动方案时的矩频特性相差很大，因而在选用电动机时必须注意所给特性的测试条件。§4.1.3步进电动机主要特性曲线①为单相通电、单电压驱动时的矩频特性；曲线②为单相通电、高低压驱动时的矩频特性；曲线③为双相通电、高低压驱动时的矩频特性。如图为某型号步进电动机在三种不同驱动情况下的矩频特性。§4.1.3步进电动机主要特性从动态矩频特性曲线可见，随着电动机运行频率的提高，输出转矩逐渐下降。§4.1.3步进电动机主要特性高速运行时，相电流平均值降低，在很高速时，当激磁时间结束之前，相绕组里的电流可能尚未达到额定值，波形产生严重失真，如图(b)。相电流的减小使有效转矩减小。低速运行时，相绕组电流近似矩形，如图(a)；§4.1.3步进电动机主要特性绕组断电时相电流的衰减时间在高速运行时也影响很大，因残余电压产生的力矩和转动方向相反，减小了电动机转子的平衡转矩；高速运行时涡流损耗大大增加，且转子运动时在相绕组中产生的感生电动势会严重影响波形中间及前后沿形状，如图(c)。这些都是输出转矩下降的原因。步进电动机由静止突然启动，不失步地进入正常运行所允许的最高启动频率，称为启动频率。在实际应用中，为了使电动机能正确地从静止状态启动到高频工作状态或反之，必须使用软硬件方法使电动机速度逐渐上升或下降，避免速度的突然跳变。§4.1.3步进电动机主要特性四、启动惯频特性步进电动机的启动频率和转子负载惯量之间的关系称为启动惯频特性或牵入特性。如图§4.1.3步进电动机主要特性五、单步运行与振荡典型地步进电动机单步振荡曲线如图在需要频繁起停的精确定位系统中，单步振荡会对系统性能带来相当不利的影响。解决方法：使用粘性耦合的惯性阻尼器，使转子振荡快速衰减，该部件在速度迅速变化的情况下会产生粘性摩擦转矩，但不会妨碍恒速工作。返回本章目录§4.2直流伺服电动机伺服电动机又称为执行电动机，它的启停、转向、转速分别由控制信号的有无、极性、大小来决定，“伺服”之名由此而来。伺服电动机按其使用的电源性质不同，可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机输出功率稍大，可达几百瓦；交流伺服电动机输出功率较小，一般只有几十瓦。§4.2.1直流伺服电动机工作原理电磁感应定律当长度为l的导体做切割磁力线运动时，在导体两端会产生感应电动势eBlve式中，B为磁场密度，v为导线切割磁力线的速度。切割电动势e的方向用右手定则确定。§4.2.1直流伺服电动机工作原理电磁力定律如果导体在磁场中的长度为l，流过其中的电流为i，导体所在处的磁通密度为B，则导体在磁场中所受的电磁力FBliF导体所受电磁力的方向由左手定则确定。§4.2.1直流伺服电动机工作原理直流伺服电动机是在自动控制系统中用做执行元件的一种特殊的直流电动机。其结构如图，是由静止的磁极（定子）和旋转的电枢（转子）组成。若磁极由永久磁钢制成，则称为永磁式；若磁极由带有励磁绕组的铁心制成，则称为电磁式或他励式。§4.2.1直流伺服电动机工作原理其中，l为导体在磁场中的长度，即电枢铁心长度；Bx为导体所在处的气隙磁通密度；ia为导体的电流；D为电枢直径。22DliBDFtaxii因电磁力作用在电枢外圆的切线方向，故产生相应的转矩ti：§4.2.1直流伺服电动机工作原理假设空气隙中平均磁通密度为BP，电枢绕组总的导体数为N，则电动机转子所受到的总转矩2PDliNBTa又因磁通密度为BP与磁通Ф成正比，电枢导体电流ia与电枢总电流Ia成正比，而N、l、D为常数，从而有：amICT式中，Cm为直流电动机转矩结构常数。§4.2.1直流伺服电动机工作原理当磁通Ф不变时，上式又可写为amIKT式中，Km为转矩常数，Km＝CmФ由于电枢线圈在磁场中转动，导体切割磁力线便会产生感应电势EanCEea式中，Ce为直流电动机电动势的结构常数；n为电枢转速。§4.2.1直流伺服电动机工作原理当磁通Ф一定时，电枢线圈感应电动势nKEea式中，Ke为电势常数，Ke＝CeФ若直流电动机电枢线圈外加直流电源电压为Ua后等效电路如图。则稳态时有aaaaRIEU此式被称为直流电动机的电压平衡方程§4.2.1直流伺服电动机工作原理由上式可见，直流电动机调速可以有三种方法：改变电枢电源电压Ua，此方法可行性好，是最常用的直流电动机调速方式；改变磁通Ф，即可改变电磁式直流电动机励磁电流；改变Ra，即在电枢电路中串联可调电阻。eaaaCRIUn§4.2.1直流伺服电动机工作原理改变电动机转向的方法要改变电动机转向，必须改变电磁转矩的方向。根据左手定则，要改变电磁转矩的方向，就必须单独改变电枢电流方向或单独改变磁通方向（即单独改变励磁电流的方向）§4.2.2直流伺服电动机主要特性直流伺服电动机最常用的控制方式是电枢控制，即在保持Ra和磁通Ф不变的情况下，通过改变电枢控制电压Ua，来控制直流伺服电动机的运行状态。在电枢控制方式下，