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控制電機論文學生姓名： 任課教師： 學生學號： 專 業(yè)：電氣工程信息技術學院2012 年 3 月控制電機綜述 控制電機作為微特電機的主要分支，其結構和原理有別于普通電機，并且種類眾多。本書的編寫始終貫徹以控制電機基本結構、工作原理和運行特性為主線的指導思想，同時兼顧控制電機的合理選擇和實際應用。在控制電機種類方面選擇了比較典型的旋轉(zhuǎn)變壓器、自整角機、測速發(fā)電機、伺服電動機、步進電動機和各類微特同步電動機，對新結構和新原理的控制電機也作了一定的介紹。全書共分為9章，包括伺服電動機、測速發(fā)電機、自整角機、旋轉(zhuǎn)變壓器和步進電動機等。1、控制電機的分類控制電機根據(jù)在自動控制系統(tǒng)中的作用，分為以下幾類：（1）執(zhí)行元件（功率元件）l 直流伺服電動機l 交流伺服電動機l 步進電動機l 無刷直流電動機作用是將電信號轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度以及直線位移和線速度，并帶動控制對象運動。（2）測量元件（信號元件）l 自整角機 l 交、直流測速發(fā)電機 l 旋轉(zhuǎn)變壓器作用是測量機械轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)角差和轉(zhuǎn)速，在控制系統(tǒng)中作為敏感元件和校正元件。執(zhí)行元件主要包括交、直流伺服電動機、步進電機等，它的任務是將輸入的電信號轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度的變化；測量元件主要包括交、直流測速發(fā)電機，自整角機等，它可以用來測量機械轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)較差和轉(zhuǎn)速等。2、各類控制電機的簡介2.1旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器（resolver）是一種電磁式傳感器，又稱同步分解器。它是一種測量角度用的小型交流電動機，用來測量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)軸角位移和角速度，由錠子和轉(zhuǎn)子組成。旋轉(zhuǎn)變壓器在同步隨動系統(tǒng)及數(shù)字隨動系統(tǒng)中可用于傳遞轉(zhuǎn)角或電信號；在解算裝置中可作為函數(shù)的解算之用，故也稱為解算器。旋轉(zhuǎn)變壓器一般有兩極繞組和四極繞組兩種結構形式。兩極繞組旋轉(zhuǎn)變壓器的錠子和轉(zhuǎn)子各有一對磁極，四極繞組則各有兩隊磁極，主要用于高精度的檢測系統(tǒng)。除此之外，還有多極式旋轉(zhuǎn)變壓器，用于高精度絕對式檢測系統(tǒng)。 按輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角間的函數(shù)關系，主要分三大類旋轉(zhuǎn)變壓器：1、正-余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的函數(shù)關系成正弦或余弦函數(shù)關系。2、線性旋轉(zhuǎn)變壓器，其輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成線性函數(shù)關系。 線性旋轉(zhuǎn)變壓器按轉(zhuǎn)子結構又分成隱極式和凸極式兩種。3、比例式旋轉(zhuǎn)變壓器，其輸出電壓與轉(zhuǎn)角成比例關系。 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種精密角度、位置、速度檢測裝置，適用于所有使用旋轉(zhuǎn)編碼器的場合，特別是高溫、嚴寒、潮濕、高速、高震動等旋轉(zhuǎn)編碼器無法正常工作的場合。由于旋轉(zhuǎn)變壓器以上特點，可完全替代光電編碼器，被廣泛應用在伺服控制系統(tǒng)、機器人系統(tǒng)、機械工具、 汽車、電力、冶金、紡織、印刷、航空航天、船舶、兵器、電子、冶金、礦山、油田、水利、化工、輕工、建筑等領域的角度、位置檢測系統(tǒng)中。也可用于坐標變換、三角運算和角度數(shù)據(jù)傳輸、作為兩相移相器用在角度-數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置中。2.2自整角機 利用自整步特性將轉(zhuǎn)角變?yōu)榻涣麟妷夯蛴赊D(zhuǎn)角變?yōu)檗D(zhuǎn)角的感應式微型電機，在伺服系統(tǒng)中被用作測量角度的位移傳感器。自整角機還可用以實現(xiàn)角度信號的遠距離傳輸、變換、接收和指示。自整角機按用途分為力矩式和控制式(變壓器式)兩種。 力矩式自整角機大多數(shù)采用兩極凸極式結構，只在頻率較高、尺寸較大時才采用隱極式結構。定、轉(zhuǎn)子鐵芯上分別裝嵌單相激磁繞組和三相整步繞組。三相整步繞組為分布式星形接線,各相軸心線在空間相差120。轉(zhuǎn)子繞組通過滑環(huán)和電刷引出接線的為接觸式自整角機；通過電磁耦合方法引出接線的為無接觸式自整角機，后者無接觸摩擦和無線電干擾,但結構復雜,性能指標和利用率低。 控制式自整角接收機（自整角變壓器）多采用隱極式結構，并在轉(zhuǎn)子上裝設高精度的正弦繞組。兩臺控制式自整角機與力矩式自整角機相似可組成角度測量系統(tǒng)，也可以有差動工作方式。 2.3測速發(fā)電機測速發(fā)電機是一種測量轉(zhuǎn)速的微型發(fā)電機，他把輸入的機械轉(zhuǎn)速變換為電壓信號輸出，并要求輸出的電壓信號與轉(zhuǎn)速成正比。 測速發(fā)電機分為直流測速發(fā)電機和交流測速發(fā)電機兩大類 。直流測速發(fā)電機是一種測速元件，它把轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成直流電壓信號輸出。直流測速發(fā)電機廣泛地應用于自動控制、測量技術和計算機技術等裝置中。直流測速發(fā)電機可分為電磁式和永磁式兩種。電磁式勵磁繞組接成他勵，永磁式采用矯頑力高的磁鋼制成磁極。交流測速發(fā)電機有空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機、籠式轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機和同步測速發(fā)電機3種。測速發(fā)電機廣泛用于各種速度或位置控制系統(tǒng)。在自動控制系統(tǒng)中作為檢測速度的元件，以調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速或通過反饋來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度；在解算裝置中可作為微分、積分元件，也可作為加速或延遲信號用或用來測量各種運動機械在擺動或轉(zhuǎn)動以及直線運動時的速度。2.4伺服電動機伺服電動機是用作自動控制裝置中執(zhí)行元件的微特電機。又稱執(zhí)行電動機。其功能是將電信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度。伺服電動機分交、直流兩類。交流伺服電動機具有運行穩(wěn)定、可控性好、響應快速、靈敏度高以及機械特性和調(diào)節(jié)特性的非線性度指標嚴格等特點。直流伺服電動機具有良好的線性調(diào)節(jié)特性及快速的時間響應。 直流伺服電機的特性較交流伺服電機硬。通常應用于功率稍大的系統(tǒng)中，如隨動系統(tǒng)中的位置控制等。交流伺服電機的輸出功率一般為0.1-100 W，電源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應用很廣泛，如用在各種自動控制、自動記錄等系統(tǒng)中。2.5微型同步電機微型同步電機的額定功率從零點幾瓦到數(shù)百瓦，由于同步電動機的轉(zhuǎn)速在一定的輸出功率范圍內(nèi)是不隨負載變化的這種恒速特性使得微型同步電機在諸如電報傳真機、磁帶錄音機和各種精密的計時或是記錄裝置中得到了廣泛的應用。微型同步電機按定子繞組所接電源相數(shù)不同，可分為三相和單相同步電機兩大類。三相微型同步電機的定子結構與普通三相同步電機相同。在定子鐵芯槽內(nèi)嵌放有彼此相差120電度角的三相繞組。工作時，由三相電源供電。單相微型同步電機的定子結構與單相異步電機相同，又分為兩相起動式和罩極式兩種。工作時有單相電源供電。2.6無刷直流電動機一種用電子換向的小功率直流電動機。又稱無換向器電動機、無整流子直流電動機。它是用半導體逆變器取代一般直流電動機中的機械換向器，構成沒有換向器的直流電動機。這種電機結構簡單，運行可靠，沒有火花，電磁噪聲低，廣泛應用于現(xiàn)代生產(chǎn)設備、儀器儀表、計算機外圍設備和高級家用電器。無刷直流電動機由同步電動機和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。同步電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。而轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉(zhuǎn)子的極性，在電動機內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等構成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護和顯示等等。2.7步進電動機步進電動機把電脈沖信號變換成角位移以控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的微特電機。在自動控制裝置中作為執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖信號，步進電動機前進一步，故又稱脈沖電動機。步進電動機分為機電式及磁電式兩種基本類型。機電式步進電動機由鐵心、線圈、齒輪機構等組成。螺線管線圈通電時將產(chǎn)生磁力，推動其鐵心心子運動，通過齒輪機構使輸出軸轉(zhuǎn)動一角度，通過抗旋轉(zhuǎn)齒輪使輸出轉(zhuǎn)軸保持在新的工作位置；線圈再通電，轉(zhuǎn)軸又轉(zhuǎn)動一角度，依次進行步進運動。磁電式步進電動機主要有永磁式、反應式和永磁感應子式3種形式。 步進電機主要用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，精度高，運行可靠。如采用位置檢測和速度反饋，亦可實現(xiàn)閉環(huán)控制。步進電動機已廣泛地應用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，如數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)控機床、計算機外圍設備、自動記錄儀、鐘表等之中，另外在工業(yè)自動化生產(chǎn)線、印刷設備等中亦有應用。2.8直線電動機直線電動機也稱線性電機，線性馬達，直線馬達，推桿馬達。最常用的直線電機類型是平板式和U 型槽式，和管式。 線圈的典型組成是三相，有霍爾元件實現(xiàn)無刷換相。直線電機是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機構的傳動裝置。它可以看成是一臺旋轉(zhuǎn)電機按徑向剖開，并展成平面而成。直線電機主要應用于三個方面：一是應用于自動控制系統(tǒng)，這類應用場合比較多；其次是作為長期連續(xù)運行的驅(qū)動電機；三是應用在需要短時間、短距離內(nèi)提供巨大的直線運動能的裝置中。步進電機的應用 步進電機在各個領域的應用都非常的廣泛，步進電機廣泛應用在生產(chǎn)實踐的各個領域。它最大的應用是在數(shù)控機床的制造中，因為步進電機不需要a/d轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化成為角位移，所以被認為是理想的數(shù)控機床的執(zhí)行元件。早期的步進電機輸出轉(zhuǎn)矩比較小，無法滿足需要，在使用中和液壓扭矩放大器一同組成液壓脈沖馬達。隨著步進電動機技術的發(fā)展，步進電機已經(jīng)能夠單獨在系統(tǒng)上進行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件。比如步進電動機用作數(shù)控銑床進給伺服機構的驅(qū)動電動機，在這個應用中，步進電動機可以同時完成兩個工作，其一是傳遞轉(zhuǎn)矩，其二是傳遞信息。步進電機也可以作為數(shù)控蝸桿砂輪磨邊機同步系統(tǒng)的驅(qū)動電動機。除了在數(shù)控機床上的應用，步進電機也可以并用在其他的機械上，比如作為自動送料機中的馬達，作為通用的軟盤驅(qū)動器的馬達，也可以應用在打印機和繪圖儀中。 下面以三相反應式步進電機為例，淺談步進電機的控制系統(tǒng)及在包裝行業(yè)的應用：1、關于步進電動機基本工作原理 步進電機其典型結構如圖3所示。當A 相控制繞組接通脈沖電流時，在磁拉力作用下使A 相的定、轉(zhuǎn)子對齊，相鄰的B 相和D 相的定、轉(zhuǎn)子小齒錯開。若換成B 相通電，則磁拉力使B 相定、轉(zhuǎn)子小齒對齊（轉(zhuǎn)過），而與B 相相鄰的C 相和A相的定、轉(zhuǎn)子小齒又錯開，即步進電機轉(zhuǎn)過一個步距角。若按A BCA規(guī)律循環(huán)順序通電，則步進電機按一定方向轉(zhuǎn)動。若改變通電順序為：ACBA ，則電機反向轉(zhuǎn)動。這種控制方式稱為三相單三拍。若按ABBCCAAB 或AABBBCCCAA 順序通電則稱為三相雙拍或三相單、雙六拍。無論采用哪種控制方式，在一個通電循環(huán)內(nèi)，步進電機的轉(zhuǎn)角恒為一個齒距角。所以，可以通過改變步進電機通電循環(huán)次序來改變轉(zhuǎn)動方向，可以通過改變通電頻率來改變其角頻率。運用單片機的輸出功能，通過編程實現(xiàn)輸出3 個信號分別給步進電機的三相A、B、C ，并通過輸出時信號的循環(huán)次序，來設定步進電機的轉(zhuǎn)動方向及輸出信號的頻率以便設定步進電機的轉(zhuǎn)動頻率。步進電機的輸出力矩與電機的有效體積、線圈匝數(shù)、磁通量、電流成正比，因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機力矩越大，反之越小。 圖3 步進電機結構2、步進電動機裝置的選用步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。1、步距角的選擇電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度 （三相電機）等。2、靜力矩的選擇步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）3、電流的選擇靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓）4、力矩與功率換算步進電機一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下： P= M =2n/60 P=2nM/60其中P為功率單位為瓦，為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩單位為牛頓米P=2fM/400(半步工作）其中f為每秒脈沖數(shù)（簡稱PPS)3、硬件部分設計本系統(tǒng)是基于提高智能化及靈活性而設計的，對于步進電機的轉(zhuǎn)動頻率、轉(zhuǎn)動方向、轉(zhuǎn)動步數(shù)、轉(zhuǎn)動位置和停止等通過鍵盤輸入相應指令，由單片機輸出步進電機控制信號來實現(xiàn)控制。用數(shù)碼管顯示輸入的參數(shù)，并在工作時顯示剩下的轉(zhuǎn)矩數(shù)。運用8279 可編程鍵盤/ 顯示器接口芯片作為鍵盤及顯示器接口。運用2 塊7407 芯片作為4 位數(shù)碼管的驅(qū)動。其硬件電路如圖4 所示。本系統(tǒng)采用AT89C52 單片機產(chǎn)生控制信號。單片機內(nèi)部的RAM 和ROM 即可滿足該項目的要求，在以后的實際運用中，如需擴展較多的外部RAM 和ROM 時，可加上數(shù)據(jù)緩沖器。步進電機控制信號通過AT89C52 單片機的Pl 口的Pl. 0、Pl. l、Pl. 2、Pl. 3 四個口輸出的具有時序的方波，經(jīng)74HC04 芯片（為方便輸出，起非門的作用）作為步進電機的控制信號。為了增加步進電機工作的靈活性，在啟動步進電機工作之后，當有鍵按下時，設置產(chǎn)生外部中斷，達到靈活控制步進電機的目的。圖4 硬件電路圖4、軟件程序設計在單片機控制步進電機系統(tǒng)中，相應的控制信號由單片機來產(chǎn)生，根據(jù)需要通過鍵盤輸入步進電機的轉(zhuǎn)動方向、轉(zhuǎn)動速率及轉(zhuǎn)矩數(shù)，在工作時用數(shù)碼管來顯示剩下的轉(zhuǎn)矩數(shù)。所以，軟件部分由4 大模塊組成：系統(tǒng)監(jiān)控、鍵盤掃描及處理、顯示程序、控制信號產(chǎn)生程序。在監(jiān)控模塊中，應完成系統(tǒng)的啟動，進行鍵盤掃描，得到相應鍵值，完成對步進電機轉(zhuǎn)動方向、轉(zhuǎn)動速率及轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)矩數(shù)的設置，并啟動步進電機按照要求進行工作。為增加控制的靈活性，鍵盤輸入數(shù)據(jù)及啟動命令采用中斷的方式來實現(xiàn)。所以監(jiān)控程序只完成對系統(tǒng)的初始化設置，通過鍵盤中斷，實現(xiàn)鍵盤掃描及處理程序的跳轉(zhuǎn)。鍵盤掃描及處理、顯示模塊完成對鍵盤有無鍵按下進行確認，當有鍵按下時，確定按鍵值，并根據(jù)所得鍵值進行處理（ 包括所按鍵是不是輸入鍵還是執(zhí)行鍵。如是輸入鍵，啟動數(shù)據(jù)輸入程序；如是執(zhí)行鍵就啟動產(chǎn)生步進電機控制信號程序）。顯示模塊主要是完成在進行數(shù)據(jù)輸入時，顯示輸入的數(shù)據(jù)值（ 轉(zhuǎn)矩數(shù)、轉(zhuǎn)動方向、轉(zhuǎn)動速率及運行方式）?？刂菩盘柈a(chǎn)生模塊根據(jù)從鍵盤上輸入的數(shù)據(jù)（ 包括轉(zhuǎn)矩數(shù)轉(zhuǎn)動方向、轉(zhuǎn)動速率及運行方式），產(chǎn)生步進電機控制信號，通過單片機AT89C52 的Pl 口輸出。5、步進電機在橫封中的使用在陸續(xù)式包裝機中，橫封是一個很緊要的執(zhí)行機構，也是包裝機中比擬復雜的機構之一。特殊關于有色檔的包裝膜，其封口和