第5章 控制電機(jī)

華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院機(jī)電傳動(dòng)控制主講教師機(jī)電傳動(dòng)控制第五章控制電機(jī)

基本要求了解機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)中一些常用控制電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)；了解步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角和轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)表達(dá)式及物理意義；了解各種控制電動(dòng)機(jī)的基本工作原理、主要運(yùn)行特性及特點(diǎn)；了解各種控制電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合，以便正確選用和使用；重點(diǎn)和難點(diǎn)重點(diǎn)：常用控制電動(dòng)機(jī)的基本工作原理、運(yùn)行特性與特點(diǎn)；

難點(diǎn)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的不同結(jié)構(gòu)、不同脈沖分配方式及其運(yùn)行特性；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角的細(xì)分原理及作用；CONTENTS5.15.25.35.4步進(jìn)電機(jī)直流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)直驅(qū)電機(jī)5.1

步進(jìn)電機(jī)5.1步進(jìn)電機(jī)棘爪驅(qū)動(dòng)：線(xiàn)圈通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，應(yīng)用于指針電報(bào)機(jī)（1850年）1920，英國(guó)海軍應(yīng)用于控制軍艦上的大炮,實(shí)現(xiàn)對(duì)炮身方向的定位FrankW.Woods申請(qǐng)了5定子繞組的步進(jìn)電機(jī)專(zhuān)利（1922年）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移的機(jī)電執(zhí)行元件當(dāng)一個(gè)脈沖信號(hào)施加于控制繞組時(shí)，轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的角度（步距角）順序連續(xù)地發(fā)給脈沖，則電機(jī)軸一步接一步地運(yùn)轉(zhuǎn)5.1步進(jìn)電機(jī)輸出角位移或線(xiàn)位移與輸入脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比能方便地實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)和調(diào)速、定位控制，運(yùn)行中無(wú)累積誤差不需位置/速度傳感器就可以在開(kāi)環(huán)控制下精確定位或同步運(yùn)行不能達(dá)到很高的轉(zhuǎn)速（一般≤1000~2000rpm）存在低頻振蕩、失步和高頻失步等缺陷自身的噪聲和振動(dòng)較大5.1步進(jìn)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)高力矩反應(yīng)式（Variable-reluctance）轉(zhuǎn)子本身沒(méi)有勵(lì)磁繞組，采用軟磁材料；步距角小，大轉(zhuǎn)矩輸出可達(dá)1.2°、動(dòng)態(tài)性能差、效率低、發(fā)熱大永磁式（Permanent-magnet）轉(zhuǎn)矩和體積較??；步進(jìn)角一般為7.5°或15°；永久磁鐵做轉(zhuǎn)子混合式（Hybrid）混合了永磁式和反應(yīng)式的有優(yōu)點(diǎn)；兩相步距角一般為1.8°；五相步距角一般為0.72°5.1步進(jìn)電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的分類(lèi)快速步進(jìn)電機(jī)

輸出轉(zhuǎn)矩0.07Nm—4Nm功率步進(jìn)電機(jī)

輸出轉(zhuǎn)矩5Nm—40Nm5.1步進(jìn)電機(jī)根據(jù)輸出轉(zhuǎn)矩大小二、三、四、五、六、八相等根據(jù)勵(lì)磁相數(shù)定子轉(zhuǎn)子5.1步進(jìn)電機(jī)—結(jié)構(gòu)和原理反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)定子由硅鋼片疊成的定子鐵芯和裝在其上的多個(gè)繞組組成，輸入電脈沖對(duì)多個(gè)定子繞組輪流進(jìn)行勵(lì)磁而產(chǎn)生磁場(chǎng)，定子繞組的個(gè)數(shù)稱(chēng)為相數(shù)

轉(zhuǎn)子用硅鋼片疊成或用軟磁性材料做成凸極結(jié)構(gòu)，凸極的個(gè)數(shù)稱(chēng)為齒數(shù)

反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)物5.1步進(jìn)電機(jī)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理轉(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。若對(duì)勵(lì)磁繞組以一定方式通以直流勵(lì)磁電流，則轉(zhuǎn)子以相應(yīng)的方式轉(zhuǎn)動(dòng)。5.1步進(jìn)電機(jī)

給A相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子齒偏離定子齒一個(gè)角度。由于勵(lì)磁磁通力圖沿磁阻最小路徑通過(guò)，因此對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁吸力，迫使轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與定子齒對(duì)齊位置時(shí)，轉(zhuǎn)子只受徑向力而無(wú)切線(xiàn)力，轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被鎖定在這個(gè)位置上。5.1步進(jìn)電機(jī)錯(cuò)齒是使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因5.1步進(jìn)電機(jī)基本工作原理A相繞組通電

對(duì)于三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其運(yùn)行方式有單三拍（全步，F(xiàn)ullStep）、單雙六拍（半步，HalfStep）及雙三拍等通電方式。“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(jìn)電機(jī)—通電方式5.1步進(jìn)電機(jī)—通電方式步進(jìn)電機(jī)有三種驅(qū)動(dòng)模式，即滿(mǎn)步，半步，還有微步驅(qū)動(dòng)。（1）滿(mǎn)步驅(qū)動(dòng)（Full-step）滿(mǎn)步驅(qū)動(dòng)，就是一次走一個(gè)步距，這是一種常用的驅(qū)動(dòng)方式。根據(jù)通電相數(shù)，滿(mǎn)步驅(qū)動(dòng)又分成兩種，一種是單相通電驅(qū)動(dòng)，一種是雙相通電驅(qū)動(dòng)。5.1步進(jìn)電機(jī)—通電方式步進(jìn)電機(jī)有三種驅(qū)動(dòng)模式，即滿(mǎn)步，半步，還有微步驅(qū)動(dòng)。（1）滿(mǎn)步驅(qū)動(dòng)（Full-step）滿(mǎn)步驅(qū)動(dòng)，就是一次走一個(gè)步距，這是一種常用的驅(qū)動(dòng)方式。根據(jù)通電相數(shù)，滿(mǎn)步驅(qū)動(dòng)又分成兩種，一種是單相通電驅(qū)動(dòng)，一種是雙相通電驅(qū)動(dòng)。5.1步進(jìn)電機(jī)—通電方式5.1步進(jìn)電機(jī)—通電方式步進(jìn)電機(jī)有三種驅(qū)動(dòng)模式，即滿(mǎn)步，半步，還有微步驅(qū)動(dòng)。（2）半步驅(qū)動(dòng)（Half-step）半步驅(qū)動(dòng)，就是一次只走半個(gè)步距，實(shí)現(xiàn)方式是單相和雙相交替通電；半步驅(qū)動(dòng)的好處是提高分辨率，可以通過(guò)優(yōu)化線(xiàn)圈電流大小，來(lái)提高半步驅(qū)動(dòng)扭矩5.1步進(jìn)電機(jī)—通電方式對(duì)三相繞組單獨(dú)輪流通電，三次換相（三拍）完成一個(gè)循環(huán)，順序?yàn)锳—B—C

時(shí)，轉(zhuǎn)子按順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊睫D(zhuǎn)動(dòng)，欲改變旋轉(zhuǎn)方向，只要改變通電順序即可電流換接三次，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進(jìn)一個(gè)齒距角；電流換接一次，轉(zhuǎn)子前進(jìn)角度稱(chēng)為步距角每次只有一相通電，容易使得轉(zhuǎn)子在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩，運(yùn)行穩(wěn)定性差；在切換一相控制繞組斷電而另一相控制繞組開(kāi)始通電，容易造成失步三相單三拍工作方式5.1步進(jìn)電機(jī)

按AB-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（30°），運(yùn)行穩(wěn)定性較前者好

5.1步進(jìn)電機(jī)三相雙三拍工作方式……

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(shí)，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(xì)了，步距角為15°5.1步進(jìn)電機(jī)三相單、雙六拍工作方式定轉(zhuǎn)子外圓均有齒和槽；定子、轉(zhuǎn)子齒寬和齒距相等當(dāng)A相的定子齒和轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊時(shí)，B

相的定子齒應(yīng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子齒順時(shí)針?lè)较蝈e(cuò)開(kāi)1/3齒距，C

相的定子齒又應(yīng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子齒順時(shí)針?lè)较蝈e(cuò)開(kāi)2/3齒距當(dāng)某一相磁極下定子與轉(zhuǎn)子的齒相對(duì)時(shí)，下一相磁極下定子與轉(zhuǎn)子齒的位置則剛好錯(cuò)開(kāi)t/m、2t/m、3t/m…依此類(lèi)推（

t—齒距；m—相數(shù)）

小步距角步進(jìn)電機(jī)5.1步進(jìn)電機(jī)—小步距角步進(jìn)電機(jī)5.1步進(jìn)電機(jī)—小步距角步進(jìn)電機(jī)當(dāng)定子通電循環(huán)一周時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距。設(shè)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為Z，則轉(zhuǎn)子齒距為：

=360/z因?yàn)槊客娨淮?，轉(zhuǎn)子走一步，則步距角為：

=齒距/拍數(shù)=360/zKm式中，k—狀態(tài)系數(shù)（單三拍、雙三拍時(shí)，K=1;單、雙六拍時(shí)，K=2)5.1步進(jìn)電機(jī)—小步距角步進(jìn)電機(jī)若步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為Z=40，則：三相單三拍運(yùn)行時(shí)，步距角

=360/（3*40）=3三相六拍運(yùn)行時(shí)，步距角

=360/（3*2*40）=1.5當(dāng)定子繞組按一定順序不斷輪流通電時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就持續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。如果脈沖的頻率為f(Hz),步距角用弧度表示，則步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：5.1步進(jìn)電機(jī)若步進(jìn)電機(jī)的Z=40，三相單三拍運(yùn)行時(shí)，其步距角若三相六拍運(yùn)行時(shí)，步距角由此可見(jiàn)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z

和定子相數(shù)愈多，則步距角愈小，控制越精確5.1步進(jìn)電機(jī)—步距角細(xì)分每個(gè)單步運(yùn)行引起的步響應(yīng)振幅跟單步的增量直接相關(guān)普通的驅(qū)動(dòng)方式因步距角大而引起的振幅也大，在系統(tǒng)自然諧振區(qū)內(nèi)，有可能引起失步將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)自然步進(jìn)行細(xì)分，得到“微步距”，就可使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步增量減小這不僅明顯提高了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分辨率，且使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、振動(dòng)減小、噪聲降低，即使在諧振區(qū)內(nèi)也不容易引起失步5.1步進(jìn)電機(jī)—步距角細(xì)分不細(xì)分時(shí)：A相繞組通電，轉(zhuǎn)子停在A—A位置，當(dāng)由A相繞組通電轉(zhuǎn)為A、B兩相繞組同時(shí)通電時(shí)，則轉(zhuǎn)子一次轉(zhuǎn)過(guò)30°，停在A、B相繞組之間的位置I細(xì)分時(shí)：當(dāng)由A相繞組通電轉(zhuǎn)為A、B兩相繞組通電時(shí)，B相繞組的電流不是由零一次上升到額定值，而是先達(dá)到額定值的1/2。由于轉(zhuǎn)矩T與流過(guò)繞組的電流I成線(xiàn)性關(guān)系，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)過(guò)15%停在位置II。當(dāng)由A、B兩相繞組通電變?yōu)橹挥蠦相繞組通電時(shí)，A相繞組中電流先降到額定值1/2，轉(zhuǎn)子將停在位置III。分級(jí)越多，精度越高。5.1步進(jìn)電機(jī)—步距角細(xì)分（3）微步驅(qū)動(dòng)（因?yàn)殡娏鞔笮〔煌?，將?huì)導(dǎo)致線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度不同，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的平衡位置發(fā)生變化）兩相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（50齒）五相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（50齒）三相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（50齒）主流步進(jìn)電動(dòng)機(jī)5.1步進(jìn)電機(jī)疊片

磁極轉(zhuǎn)子內(nèi)磁鐵5.1步進(jìn)電機(jī)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)5.1步進(jìn)電機(jī)兩相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（50齒）5.1步進(jìn)電機(jī)5.1步進(jìn)電機(jī)5.1步進(jìn)電機(jī)5.1步進(jìn)電機(jī)PMX

兩相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器5.1步進(jìn)電機(jī)5.1步進(jìn)電機(jī)5.1步進(jìn)電機(jī)5.1步進(jìn)電機(jī)5.1步進(jìn)電機(jī)—失步失步（丟步和越步）：丟步時(shí)，轉(zhuǎn)子前進(jìn)的步數(shù)小于脈沖數(shù)；越步時(shí)，轉(zhuǎn)子前進(jìn)的步數(shù)多于脈沖數(shù)。一次丟步和越步的步數(shù)等于運(yùn)行拍數(shù)的整數(shù)倍。原因及解決思路：轉(zhuǎn)子的加速度慢于步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（輸入電動(dòng)機(jī)的電能不足）（加大驅(qū)動(dòng)電流—增大電磁轉(zhuǎn)矩；提高驅(qū)動(dòng)電壓；改用轉(zhuǎn)矩大的步進(jìn)電機(jī)）轉(zhuǎn)子的平均速度高于定子磁場(chǎng)的平均旋轉(zhuǎn)速度（減小步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流，降低步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及所帶負(fù)載慣性較大（進(jìn)行合理、平滑的加減速控制）步進(jìn)電機(jī)存在共振（適當(dāng)減小步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流；采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法；采用阻尼方法）5.2

直流伺服電機(jī)5.2直流伺服電機(jī)—伺服伺服（源于希臘語(yǔ)“奴隸”）：服從控制信號(hào)的要求而動(dòng)作。訊號(hào)來(lái)到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)；訊號(hào)來(lái)到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)訊號(hào)消失，轉(zhuǎn)子能即時(shí)自行停轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng)：使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出，能夠跟隨輸入量（或給定值）的任意變化而變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)伺服電機(jī)：在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)5.2直流伺服電機(jī)—直流有刷伺服電機(jī)原理同直流傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)，但具有如下特點(diǎn)：1）體積小，重量輕，效率高2）過(guò)載能力強(qiáng)3）慣量?。?xì)長(zhǎng)），響應(yīng)速度快、定位精度高4）通常采用高性能永磁體進(jìn)行勵(lì)磁，增加啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩5）功率?。◣淄叩綆装偻撸?、應(yīng)用領(lǐng)域（航天航空、機(jī)器人自動(dòng)化、精密測(cè)量、醫(yī)療機(jī)械等）6）通常安裝有位置傳感器，與直流伺服驅(qū)動(dòng)器配合，用于高精度定位控制標(biāo)準(zhǔn)直流有刷伺服電機(jī)1）電樞繞組安放在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)2）定子采用永磁體3）槽數(shù)較少時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)脈動(dòng)會(huì)增加（斜槽法；磁性槽楔法；閉口槽法））4）改進(jìn)：無(wú)槽電樞和無(wú)鐵心電樞5.2直流伺服電機(jī)無(wú)槽直流有刷伺服電機(jī)（“空心杯電機(jī)”）1）低慣量，轉(zhuǎn)矩慣量比很大2）無(wú)齒槽效應(yīng)，振動(dòng)噪聲小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好3）無(wú)鐵芯體積緊湊，損耗小，效率高4）低電感（電磁干擾小，電刷壽命長(zhǎng)）5.2直流伺服電機(jī)軸向磁通直流有刷電機(jī)轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈電機(jī)結(jié)構(gòu)低速時(shí)仍能保持良好的特性，結(jié)構(gòu)緊湊。5.2直流伺服電機(jī)2.直流無(wú)刷電機(jī)與直流有刷伺服電機(jī)相比，采用電子換向，沒(méi)有電刷：1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。2）轉(zhuǎn)速高（幾千到幾萬(wàn)轉(zhuǎn)/分）。3）控制精度略低（多工作在速度控制模式）。4）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，低速性能差。5）通常需要位置反饋元件（霍爾傳感器或編碼器）6）必須與驅(qū)動(dòng)器配合工作。5.2直流伺服電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子直流無(wú)刷電機(jī)實(shí)物定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子磁極5.2直流伺服電機(jī)霍爾傳感器轉(zhuǎn)子定子磁鐵外轉(zhuǎn)子直流無(wú)刷電機(jī)實(shí)物（光驅(qū)主軸）5.2直流伺服電機(jī)5.3

交流伺服電機(jī)5.3交流伺服電機(jī)—交流永磁同步伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)可分為三類(lèi):兩相交流伺服電機(jī)（已很少使用）交流異步伺服電機(jī)交流永磁同步伺服電機(jī)5.3交流伺服電機(jī)—交流永磁同步伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5.3交流伺服電機(jī)永磁同步電機(jī)位置反饋元件作用5.3交流伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)器內(nèi)電流控制提供轉(zhuǎn)子磁極絕對(duì)位置用于磁場(chǎng)定向控制；提供驅(qū)動(dòng)器內(nèi)速度控制器得電動(dòng)機(jī)速度反饋提供內(nèi)位置控制器的電動(dòng)機(jī)位置反饋5.4

直驅(qū)電機(jī)一般伺服電機(jī)速度很高，轉(zhuǎn)矩較小，而控制對(duì)象有時(shí)需要運(yùn)行速度很低，所以要采用復(fù)雜的減速裝置，在選用電機(jī)時(shí)必須考慮：轉(zhuǎn)矩配合、速度配合和慣量配合5.4直驅(qū)電機(jī)直驅(qū)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)無(wú)需連軸節(jié)、齒形帶等配件設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)潔無(wú)間隙傳動(dòng)更緊湊的機(jī)械裝配提高整體性能5.4直驅(qū)電機(jī)結(jié)構(gòu)扁平（力矩大），力矩波動(dòng)小低轉(zhuǎn)速應(yīng)用場(chǎng)合：防空雷達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度（15/min）1.直流力矩電機(jī)5.4直驅(qū)電機(jī)精度高、響應(yīng)快、線(xiàn)性度好5.4直驅(qū)電機(jī)2.交流力矩電機(jī)與通用永磁同步電機(jī)運(yùn)行原理相同，具有較多的磁極對(duì)數(shù)和較高的功率密度，可在低速時(shí)具備超大的輸出力矩5.4直驅(qū)電機(jī)直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)是一種能直接將電能轉(zhuǎn)換為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的伺服驅(qū)動(dòng)元件。在交通運(yùn)輸、機(jī)械工業(yè)和儀器工業(yè)中，直線(xiàn)電動(dòng)