第五章控制電機

1、第五章 控制電機機電傳動控制Page 2步進電動機 步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械位移的機電執(zhí)行元件。每當(dāng)一個脈沖信號施加于電機的控制繞組時，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個固定的角度（步距角），順序連續(xù)地發(fā)給脈沖，則電機軸一步接一步地運轉(zhuǎn)。5.1 步進電機Page 3步進電動機特點：n 步進電動機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，運行中無累積誤差。n 步進電機能方便地實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)和調(diào)速、定位控制。特別是不需位置傳感器或速度傳感器就可以在開環(huán)控制下精確定位或同步運行。n 步進電動機的缺點是不能達到很高的轉(zhuǎn)速（一般每分鐘小于10001000到20002000轉(zhuǎn)）。存在低頻振蕩、失步和高頻失步等缺陷。另外，

2、步進電機自身的噪聲和振動較大。 5.1 步進電機Page 4步進電動機的分類 步進電動機的種類很多，按工作原理分，有反應(yīng)式（Variable-reluctance）、永磁式（Permanent-magnet）、混合式（Hybrid）三種。按輸出轉(zhuǎn)矩大小分，有快速步進電機、功率步進電機。按勵磁相數(shù)分有二、三、四、五、六、八相等。按定子排列還可分為多段式(軸向式)和單段式(徑向式)。 5.1 步進電機Page 5定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子反應(yīng)式步進電動機5.1 步進電機Page 6兩相四極定子兩相四極定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子反應(yīng)式步進電動機5.1 步進電機Page 7疊片疊片 磁極磁極轉(zhuǎn)子內(nèi)磁鐵轉(zhuǎn)子內(nèi)磁鐵混合式步進電動

3、機5.1 步進電機Page 8轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 兩相四極定子兩相四極定子混合式步進電動機5.1 步進電機Page 9 轉(zhuǎn)子部分由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)軸等組成。轉(zhuǎn)子鐵心是由硅鋼片或軟磁材料疊壓而成的齒形鐵心。圖中轉(zhuǎn)子上有4 4個凸齒。 若對勵磁繞組以一定方式通以直流勵磁電流，則轉(zhuǎn)子以相應(yīng)的方式轉(zhuǎn)動。其轉(zhuǎn)動原理其實就是電磁鐵的工作原理 。 AAK1K2K3BCBC三相反應(yīng)式步進電動機工作原理5.1 步進電機Page 10 比如，給A相繞組通電時，轉(zhuǎn)子位置如圖，轉(zhuǎn)子齒偏離定子齒一個角度。由于勵磁磁通力圖沿磁阻最小路徑通過，因此對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁吸力，迫使轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與定子齒對齊位置時，因轉(zhuǎn)子只受徑向力而無切線

4、力，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被鎖定在這個位置上。由此可見：是助使步進電機旋轉(zhuǎn)的根本原因。三相反應(yīng)式步進電動機工作原理5.1 步進電機Page 11基本工作原理動畫演示動畫演示5.1 步進電機Page 12通電方式 對于上述三相反應(yīng)式步進電機，其運行方式有單三拍（全步，F(xiàn)ull Step）、單雙六拍（半步,Half Step）及雙三拍等通電方式。“單”、“雙”、“拍”的意思是：“單”是指每次切換前后只有一相繞組通電，“雙”就是指每次有兩相繞相通電；而從一種通電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種通電狀態(tài)就叫做一“拍”。5.1 步進電機Page 13 指對三相繞組單獨輪流通電，三次換相（三拍）完成一個通電循環(huán)。通電順序為AB

5、時，轉(zhuǎn)子按順時針方向一步一步轉(zhuǎn)動。通電順序改為A，時，轉(zhuǎn)子按逆時針方向一步一步轉(zhuǎn)動?？梢?，欲改變步進電機的旋轉(zhuǎn)方向，則只要改變通電順序即可。 電流換接三次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進一個齒距角（此例中轉(zhuǎn)子有四個齒，則齒距角為90 ） 電流每換接一次轉(zhuǎn)子前進一個角度稱為步距角。此例中電流換接三次走完一個齒距角，則步距角為30三相單三拍工作方式5.1 步進電機Page 14 按A-AB-B-BC-C-CA-A或A-CA-C-BC-B-AB-A相序循環(huán)通電。同樣，通電順序改變時，旋轉(zhuǎn)方向改變。而電流換接次數(shù)多了一倍，步子走得更細了，步距角為15 三相單、雙六拍工作方式5.1 步進電機Page 15 按A

6、B-BC-CA-AB或AC-CA-BC-AC相序循環(huán)通電。步距角與三相單三拍工作方式相同也30，運行穩(wěn)定性較前者好。 綜上所述，可得出：綜上所述，可得出： 通電頻率提高，步進電動機的轉(zhuǎn)速升高。通電頻率提高，步進電動機的轉(zhuǎn)速升高。 每一循環(huán)中通電拍數(shù)越多，步距角減小。步每一循環(huán)中通電拍數(shù)越多，步距角減小。步進電動機的轉(zhuǎn)速降低。進電動機的轉(zhuǎn)速降低。 三相雙三拍工作方式5.1 步進電機Page 16小步距角步進電機 小步距角步進電動機結(jié)構(gòu)特點：如圖所示，定子的內(nèi)園和轉(zhuǎn)子外園均有齒和槽。定子、轉(zhuǎn)子的齒寬和齒距相等。定子極面小齒和轉(zhuǎn)子上的小齒位置符合下列規(guī)律：當(dāng)A相的定子齒和轉(zhuǎn)子齒對齊時(如圖所對應(yīng)位置

7、)，B相的定子齒應(yīng)相對于轉(zhuǎn)子齒順時針方向錯開1/3齒距，而C相的定子齒又應(yīng)相對于轉(zhuǎn)子齒順時針方向錯開2/3齒距。也就是，當(dāng)某一相磁極下定子與轉(zhuǎn)子的齒相對時，下一相磁極下定子與轉(zhuǎn)子齒的位置則剛好錯開t/m、2t/m 、3t/m 依此類推（ t齒距；m相數(shù)）。 5.1 步進電機Page 17小步距角步進電機 5.1 步進電機Page 18小步距角步進電機 5.1 步進電機Page 19小步距角步進電機 5.1 步進電機Page 20n 1.矩角特性 反映步進電動機的轉(zhuǎn)矩依存偏轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系， T=f(e) 。偏轉(zhuǎn)角e是指步進電動機在負載的作用下，轉(zhuǎn)子齒偏離平衡位置的角度。當(dāng)e=/2時，轉(zhuǎn)子齒與定子

8、齒錯開1/4齒距，此時轉(zhuǎn)矩T最大。n 意義：提高步進電機的分辨率和定位精度，運行平穩(wěn)可靠，降低振動、噪音。n 方法：使繞組中的電流強度按階梯式上升或下降。n 原理：轉(zhuǎn)矩與定子繞組電流成線性關(guān)系。5.1 步進電動機5.1.3 步距角細分步距角細分5.1.4 步進電動機的主要特性步進電動機的主要特性Page 215.1 步進電動機 是指啟動頻率與傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量之間的關(guān)系。 啟動頻率指步進電動機由靜止?fàn)顟B(tài)突然啟動、不失步地進入正常運行狀態(tài)所允許的最高啟動頻率。 轉(zhuǎn)動慣量越小，啟動頻率越高。步進電動機的拍數(shù)越多，步距角越小，負載越小，啟動頻率就越高。 最大轉(zhuǎn)矩越大，電磁力矩越大，啟動頻率越高。2.啟

9、動慣頻特性2.啟動慣頻特性啟動慣頻特性Page 225.1 步進電動機n 步進電機不失步運行時的最高脈沖頻率稱為連續(xù)運行頻率。啟動頻率遠低于運行頻率。n 步進電動機的轉(zhuǎn)矩與運行頻率的關(guān)系為運行頻率特性。隨著運行頻率增高，負載能力變差。n 繞組電感和驅(qū)動電源電壓對運行頻率的上限影響很大。3.運行頻率特性運行頻率特性n 指在負載一定時且穩(wěn)定運行時，最大轉(zhuǎn)矩與脈沖頻率的關(guān)系。n 繞組作為感性負載會阻礙電流的變化，隨著頻率的升高，電流波形的前后沿占通電時間的比例越來越大，平均電流下降，輸出轉(zhuǎn)矩減小。甚至發(fā)生堵轉(zhuǎn)。n 低電感、高電壓時矩頻特性將提高。3.矩頻特性矩頻特性Page 235.1 步進電動機有

10、兩種表示方法：n 最大步距誤差：指電動機旋轉(zhuǎn)一周時，相鄰兩步之間實際步距與理想步距的最大差值。n 累積步距誤差：指電動機旋轉(zhuǎn)一周過程中，連續(xù)走若干步后步距誤差的最大累積值。n 影響步距精度的因素有定子磁極、轉(zhuǎn)子齒的分度精度、鐵芯疊壓及裝配精度、氣隙的不均勻程度、各相勵磁電流的不對稱度等。5. 精度精度Page 245.2 直流伺服電動機輸出功率大于步進電動機(1600W)，結(jié)構(gòu)特征：結(jié)構(gòu)上同與他勵直流電動機，只是外形細長，轉(zhuǎn)動慣量小。根據(jù)定子勵磁方式，有電磁式和永磁式兩種。其機械特性也與他勵直流電動機相同。n 有控制信號時轉(zhuǎn)動，無控制信號時就停止n 改變控制電壓的大小和極性，可以控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向

11、。（電樞控制方式）n 改變磁通的大小和方向也可以控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。（磁場控制方式）n 調(diào)速范圍廣，轉(zhuǎn)子慣性小，控制功率小，可靠性好Page 255.3 交流伺服電動機n 5.3.1 交流伺服電動機的基本結(jié)構(gòu)n 結(jié)構(gòu)：n 定子：放置三相對稱繞組n 轉(zhuǎn)子：永磁材料n 種類：n 無刷直流電流機n 永磁同步電動機Page 265.3.2 無刷直流電動機1.結(jié)構(gòu)： 相當(dāng)于一臺反裝式直流電動機，它是用電子換向器取代一般直流電動機中的機械換向器，構(gòu)成沒有換向器的直流電動機。這種電機結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，沒有火花，電磁噪聲低，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代生產(chǎn)設(shè)備、儀器儀表、計算機外圍設(shè)備和高級家用電器。5.3 交流伺服電動機P

12、age 27電子換向器與繞組的連接位置檢測器輸出信號波形 為了檢測電動機轉(zhuǎn)子的位置，在電動機內(nèi)裝有三個位置檢測器，分別與定子三相繞組的位置相對應(yīng)，輸出三路方波，來控制電子換向器中的晶體管的導(dǎo)通和截止，實現(xiàn)對定子繞組內(nèi)部電流換向。電樞電流波形與位置檢測器輸出波形相同。 在轉(zhuǎn)子軸上還裝有測速發(fā)電機和光電脈沖編碼器。5.3 交流伺服電動機Page 285.3 交流伺服電動機2.轉(zhuǎn)子位置檢測器轉(zhuǎn)子位置檢測器Page 29L1、L2、L3為耦合線圈，放置于定子繞組換流位置，金屬扇形盤與轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)扇形盤離開L2線圈時，L1線圈將有信號輸出。5.3 交流伺服電動機3）接近開關(guān)式）接近開關(guān)式Page 3

13、03.無刷直流電動機的工作原理時間時間( (電角度電角度) )0 0120120240240電樞繞組電流方向電樞繞組電流方向ABABACACBCBCBABACACACBCB(+)(+)側(cè)導(dǎo)通的晶體管側(cè)導(dǎo)通的晶體管1 13 35 5(-)(-)側(cè)導(dǎo)通的晶體管側(cè)導(dǎo)通的晶體管6 62 24 46 6Page 3112060sinsrsrrammFFKT電磁轉(zhuǎn)矩：電磁轉(zhuǎn)矩：F Fa a- -定子磁勢定子磁勢F Fr r- -轉(zhuǎn)子磁勢轉(zhuǎn)子磁勢srsr- -定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢之間的夾角定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢之間的夾角Page 325.3.3 正弦波永磁同步電動機n 1.正弦波永磁同步電動機的基本結(jié)構(gòu) n 與無

14、刷直流電動機的結(jié)構(gòu)基本相同，但磁場是按正弦波分布的，是旋轉(zhuǎn)磁場。在轉(zhuǎn)子軸上裝有測速發(fā)電機和位置檢測器。n 2.電磁轉(zhuǎn)矩n通過定子繞組電流換向控制電路和位置檢測器，保持sr始終為90度。n永磁同步電動機的轉(zhuǎn)矩與定子繞組電流的幅值成正比。srrammFFKTsinPage 33力矩電機的特點：n 它是一種可以產(chǎn)生低轉(zhuǎn)速，大轉(zhuǎn)矩的伺服電機，分為交流和直流兩種。n 1.1.轉(zhuǎn)矩大轉(zhuǎn)矩大的原因的原因 每根電樞繞組導(dǎo)體受的電磁力F=BIaL 電機體積相同時 D2L不變，當(dāng)L減小時，D增大。在相同電流Ia和相同用銅量的情況下，電樞導(dǎo)體的繞組粗細不變，總導(dǎo)體數(shù)N隨L的增加而減少，即NL不變。 轉(zhuǎn)矩為 ：T=N

15、FD/2=BIaNLD/2N為導(dǎo)體數(shù) 當(dāng)D較大時，T較大Page 34每根導(dǎo)體切割磁力線所產(chǎn)生的感生電勢為： 60DnBlBlveaNBlDUnDnNBlEUaaa120120/00上式說明，在保持上式說明，在保持Nl不變的情況下，理想空載轉(zhuǎn)速與電樞直徑成反比，電不變的情況下，理想空載轉(zhuǎn)速與電樞直徑成反比，電樞直徑越大，空載轉(zhuǎn)速越低。應(yīng)用于雷達、衛(wèi)星天線等設(shè)備驅(qū)動。樞直徑越大，空載轉(zhuǎn)速越低。應(yīng)用于雷達、衛(wèi)星天線等設(shè)備驅(qū)動。Page 35n 直流有刷伺服電機n 直流無刷電機n 交流永磁同步伺服電機n 直驅(qū)電機(力矩電機)n 直線電機n 步進電機常見伺服電機5.2 伺服電機Page 361 直流有

16、刷伺服電機n 原理同直流電動機n 過載能力強n 響應(yīng)速度快（細長）n 多為永磁電機5.2 伺服電機Page 37軸向磁通直流有刷電機轉(zhuǎn)子線圈轉(zhuǎn)子線圈電機結(jié)構(gòu)電機結(jié)構(gòu)低速時仍能保持良好的特性，結(jié)構(gòu)緊湊。低速時仍能保持良好的特性，結(jié)構(gòu)緊湊。5.2 伺服電機Page 38有刷直流電機 無刷直流電機繞組線圈旋轉(zhuǎn)繞組線圈旋轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)子磁鐵旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子磁鐵旋轉(zhuǎn)磁鐵磁鐵2 直流無刷電機5.2 伺服電機Page 39直流無刷電機換相原理利用霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置,在固定位置換相需要驅(qū)動器配合電機才能工作,增加了電路成本沒有電刷，維修容易霍爾傳感器霍爾傳感器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子定子定子磁鐵磁鐵5.2 直流伺服電機Page 40內(nèi)轉(zhuǎn)

17、子與外轉(zhuǎn)子直流無刷電機外轉(zhuǎn)子內(nèi)轉(zhuǎn)子5.2 伺服電機Page 41內(nèi)轉(zhuǎn)子直流無刷電機定子轉(zhuǎn)子定子線圈定子線圈轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)子磁極5.2 伺服電機Page 42用于電動自行車的無刷電機（外轉(zhuǎn)子）霍爾傳感器霍爾傳感器轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)子磁極定子線圈定子線圈5.2 伺服電機Page 43光驅(qū)主軸用無刷電機（外轉(zhuǎn)子）霍爾傳感器霍爾傳感器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子定子定子磁鐵磁鐵5.2 伺服電機Page 44軸向磁通直流無刷電機1-stator, 1-rotor2-stator, 1 rotor1-stator, 2-rotor轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子定子定子rotorstatorrotorstatorstatorrotor永磁體5.2 伺服電機Pa

18、ge 45軸向磁通直流無刷電機定子線圈定子線圈電機結(jié)構(gòu)電機結(jié)構(gòu)5.2 伺服電機Page 463 交流永磁同步伺服電機交流伺服電機可分為三類:n 兩相交流伺服電機（已很少使用）n 交流異步伺服電機n 交流永磁同步伺服電機5.2 伺服電機Page 47交流永磁同步伺服電機實物5.2 伺服電機Page 48交流永磁同步伺服電機實物5.2 伺服電機Page 494 直驅(qū)電機（力矩電機） 一般的伺服電機速度很高，轉(zhuǎn)矩較小， 而控制 對象有時需要速度很低，所以要采用復(fù)雜的減速裝置，在選用電機時必須考慮：轉(zhuǎn)矩配合、速度配合和慣量配合 5.2 伺服電機Page 50直驅(qū)電機優(yōu)點n 無需連軸節(jié)、齒形帶等配件n

19、設(shè)計更為簡潔n 無間隙傳動n 更緊湊的機械裝配n 提高整體性能5.2 伺服電機Page 51直驅(qū)電機優(yōu)點5.2 伺服電機Page 521、結(jié)構(gòu)扁平（力矩大）2、多極磁場（轉(zhuǎn)速低）DTNNllDDlNBIDlNBIDNFTlBIFaaa這樣才有必須增多。基本不變，為了保持就會變小，增大了，由于下考慮問題：我們在相相同同體體積積222直流力矩電機5.2 伺服電機Page 530nDUUeDneDnvBlveaaaaa空載電樞直徑一定，外加電壓所以常數(shù)而在理想空載情況下，則，線速度：，導(dǎo)體的感應(yīng)電勢：精度高、響應(yīng)快、線性度好精度高、響應(yīng)快、線性度好直流力矩電機5.2 伺服電機Page 54交流力矩電

20、機5.2 伺服電機Page 55 直線電動機是一種能直接將電能轉(zhuǎn)換為直線運動的伺服驅(qū)動元件。在交通運輸、機械工業(yè)和儀器工業(yè)中，直線電動機已得到推廣和應(yīng)用。它為實現(xiàn)高精度、快響應(yīng)和高穩(wěn)定的機電傳動和控制開辟了新的領(lǐng)域。 按工作原理來區(qū)分，可分為直線異步電動機、直線直流電動機和直線同步電動機三種（還有直線步進電動機）。 5 直線電機5.2 伺服電機Page 56短初級短初級短次級短次級動子動子定子定子直線電動機是由旋轉(zhuǎn)電動機演變而來的，結(jié)構(gòu)類似于將其旋轉(zhuǎn)電動機切割并展開鋪平而成直線異步電機結(jié)構(gòu)5.2 伺服電機Page 57n 直線電動機初級的多相繞組通入多相電流后，也會產(chǎn)生一個行波氣隙磁場B ，這個磁場的磁感應(yīng)強度按通電的相序順序作直線移動。 顯然行波的移動速度與旋轉(zhuǎn)磁場在定子內(nèi)圓表面的線 速度是一樣的， 這個速度稱之同步線速， 用 表示，且 式中， 極距(cm)； f 電源頻率(Hz)。sv)cm/s(2fvs直線異步電機原理5.2 伺服電機Pag