控制電機 提綱--

1、步進電機步進電動機（Stepping Motor，或 Step Motor 、Stepper Motor）是一種可由電脈沖控制運動的特殊電動機，可以通過脈沖信號轉(zhuǎn)換控制的方法將脈沖電信號變換成相應(yīng)的角位移或線位移。因此步進電動機也被稱為脈沖電動機（Pulse Motor）。步進電動機不能直接使用通常的直流或交流電源來驅(qū)動，而是需要使用專門的步進電動機驅(qū)動器通過一定的控制方式，可以使步進電動機運動時的角位移或線位移與脈沖數(shù)成正比，即其轉(zhuǎn)速或線速度與輸入控制脈沖的頻率成正比。在步進電動機所能承受的負載能力范圍內(nèi)，這種關(guān)系不會因電源電壓、負載大小以及環(huán)境條件的波動而變化，因而在系統(tǒng)中可以采用開環(huán)的方

2、式進行運動控制，從而使控制系統(tǒng)大為簡化。通常步進電動機可以在較寬的范圍內(nèi)通過改變輸入控制脈沖的頻率來實現(xiàn)調(diào)速，并能夠做到快速起動、反轉(zhuǎn)和制動。另一種是由磁阻原理產(chǎn)生的。作用力則是由定/轉(zhuǎn)子間氣隙磁阻的變化產(chǎn)生的，當定子繞組通電時，產(chǎn)生一個單相磁場作用于轉(zhuǎn)子，由于磁場在轉(zhuǎn)子與定子之間的分布要遵循磁阻最小原則（或磁導(dǎo)最大原則），即磁通總要沿著磁阻最?。ù艑?dǎo)最大）的路徑閉合，因此，當轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場的磁極軸線與定子磁極的軸線不重合時，便會有磁阻力作用在轉(zhuǎn)子上并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使其趨于磁阻最小的位置，即兩軸線重合位置，這類似于磁鐵吸引鐵質(zhì)物質(zhì)的現(xiàn)象。步進電動機的運動是受走步脈沖信號控制的，因此適合于作為數(shù)字控制

3、系統(tǒng)的伺服元件。它的直線位移量或角位移量與電脈沖數(shù)成正比，所以電機的線速度或轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。通過改變脈沖頻率的高低，就可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，并能實現(xiàn)快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)。步進電動機的運動是受（電脈沖）信號控制的，通過改變（脈沖頻率）的高低，就可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，并能實現(xiàn)電機的（ABC）【A啟動B制動 C反轉(zhuǎn)】。步進電動機按產(chǎn)生轉(zhuǎn)距的方式不同可分為反應(yīng)式、激磁式及混合式三種。反應(yīng)式步進電動機的定轉(zhuǎn)子都是凸極結(jié)構(gòu)，是利用磁阻最小原理工作。反應(yīng)式步進電動機轉(zhuǎn)子齒數(shù)可以很多，因此步距角可以做得很小。即使沒有減速裝置，也可以低速、高精度地實現(xiàn)位置控制。激磁式步進電動機的激

4、磁可以是永磁式或電磁激磁式，通常是永磁式激磁。激磁式步進電動機轉(zhuǎn)子是由于具有磁場，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩較大，但由于制造工藝的緣故，轉(zhuǎn)子磁極數(shù)目不能做的太多，因此步距角比較大。混合式步進電動機兼有反應(yīng)式步進電動機和永磁式步進電動機的優(yōu)點，可以做到步距角小而驅(qū)動轉(zhuǎn)矩又大。錯齒的存在是步進電動機能夠旋轉(zhuǎn)的前提條件。所以，在步進電動機的結(jié)構(gòu)中必須保證有錯齒的存在，也就是說，當某一相處于對齒狀態(tài)時，其他相必須處于錯齒狀態(tài)。磁阻式轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理：在定子繞組由通電產(chǎn)生的相應(yīng)的電磁場的作用下，在定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒之間存在磁場，轉(zhuǎn)子小齒將被強行推動到最大磁導(dǎo)率（或者最小磁阻）的位置，即定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒對齊的位置），這一過

5、程稱為對齒，并處于平衡狀態(tài)。當定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒對齊后，將不再產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的磁力，為了持續(xù)形成轉(zhuǎn)動，必須使其它沒有對齊的即錯齒的定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒產(chǎn)生磁力，并由磁阻作用形成轉(zhuǎn)矩。這一過程中即是步進電動機的電流換相。錯齒的存在是步進電動機能夠旋轉(zhuǎn)的前提條件。所以，在步進電動機的結(jié)構(gòu)中必須保證有錯齒的存在，也就是說，當某一相處于對齒狀態(tài)時，其他相必須處于錯齒狀態(tài)。如果給處于錯齒狀態(tài)的相通電，則轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下，將向磁導(dǎo)率最大（或磁阻最?。┑奈恢棉D(zhuǎn)動，即向趨于對齒的狀態(tài)轉(zhuǎn)動。電動機基于這一原理實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)子齒與定子齒能自動錯位，使電機中一相磁極的一個定子齒和一個轉(zhuǎn)子齒對齊時，其它的齒應(yīng)

6、錯開一定的角度。則必須滿足如下二個條件： 在相同的磁極下，對應(yīng)的定子與轉(zhuǎn)子齒應(yīng)同時對齊或同時錯開，使在各同名相下產(chǎn)生的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩大小相等，方向相同，因此要求轉(zhuǎn)子齒數(shù)Zr是一相磁極對數(shù)的倍數(shù)，即Zr = 2pk(2)在不同相的極下，定子與轉(zhuǎn)子齒的相對應(yīng)置應(yīng)依次錯開1m齒，從而使變換通電狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子能連續(xù)步進，因而轉(zhuǎn)子齒數(shù)不能是總極數(shù)的倍數(shù)，即Zr 2mpk式中 m-電機的相數(shù)p-電機的極對數(shù)（每相）k-正整數(shù)當定子前后相的磁極在相鄰位置上時，如圖4.4a所示，轉(zhuǎn)子齒數(shù)應(yīng)為Zr = 2mpk ±2p當前后相的磁極在相隔一個極的位置時，如圖4.4（b）所示，轉(zhuǎn)子齒數(shù)應(yīng)Zr=2mpk±

7、;p矩角特性是控制繞組通電狀態(tài)不變時，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系，即靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系一般來說，多相通電時的矩角特性以及最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與單相通電時不同。多相通電時的矩角特性可近似地由每相各自通電時的矩角特性疊加起來求出。五相步進電動機兩相通電時轉(zhuǎn)矩最大值為 三相通電時轉(zhuǎn)矩最大值為 最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與控制繞組中電流的平方成正比，其前提條件是磁路不飽和，實際上當電流達到一定數(shù)值后，磁路開始飽和，正比關(guān)系被破壞，隨I增大，最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩增大得越來越慢。不穩(wěn)定平衡點 在，雖然也有，但 或 后，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與 的方向一致，驅(qū)使轉(zhuǎn)子背離穩(wěn)定平衡點。動穩(wěn)定區(qū) 是指步進電動機從一種通電狀態(tài)切換到另一種通電狀態(tài)，不至引

8、起失步的區(qū)域。 當步進電動機處于矩角特性曲線“n”所對應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)時，輸入一個脈沖，使其控制繞組改變通電狀態(tài)，矩角特性向前躍移一個步距角，穩(wěn)定平衡點也由0變?yōu)?O1。在改變通電狀態(tài)時，只有當轉(zhuǎn)子起始位置在此區(qū)間，才能使它向O1 點運動，達到該穩(wěn)定平衡位置。因此把區(qū)域 稱為動穩(wěn)定區(qū)。穩(wěn)定裕度為為單拍制運行時的步距角。最大負載能力（起動轉(zhuǎn)矩）：步進電動機在步進運行時所能帶動的最大負載，可由相鄰兩條矩角特性交點所對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩來確定。情況1：負載轉(zhuǎn)矩 時，A相通電時，轉(zhuǎn)子處于a點；改由B相通電時，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定后位于b點，前進一步。情況2：負載轉(zhuǎn)矩時，A相通電時，轉(zhuǎn)子處于a”點；改由B相通電時，轉(zhuǎn)子不能前

9、進。衰減振蕩 由于軸上的摩擦，風阻及內(nèi)部電阻尼等存在，單步運動時轉(zhuǎn)子環(huán)繞平衡位置的振蕩過程總是衰減的。單步運行時所產(chǎn)生的振蕩現(xiàn)象對步進電動機的運行是很不利的，它影響了系統(tǒng)的精度，帶來了振動及噪音。為了使轉(zhuǎn)子振蕩衰減得快，在步進電動機中往往專門設(shè)置了特殊的阻尼器。當控制脈沖頻率達到一定數(shù)值之后，再增加頻率，由于電感和渦流作用使動態(tài)轉(zhuǎn)矩減小。可見，動態(tài)轉(zhuǎn)矩是電源脈沖頻率的函數(shù)，把這種函數(shù)關(guān)系稱為步進電動機運行時的轉(zhuǎn)矩-頻率特性，簡稱為運行矩頻特性。矩頻特性表明，在一定控制脈沖頻率范圍內(nèi)，隨頻率升高，電機的功率和轉(zhuǎn)速都相應(yīng)地提高，超出該范圍則隨頻率升高轉(zhuǎn)矩下降，步進電動機帶負載的能力也逐漸下降，到某

10、一頻率以后，就帶不動任何負載，而且只要受到一個很小的擾動，就會振蕩、失步以至停轉(zhuǎn)。 低頻丟步現(xiàn)象 是指步進電動機在低頻運行時，轉(zhuǎn)子運動步數(shù)少于給定脈沖數(shù)的現(xiàn)象。是否丟步與下一脈沖到來時轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)。低頻共振現(xiàn)象：當控制脈沖頻率等于轉(zhuǎn)子振蕩頻率的1K倍時，如果阻尼作用不強，即使電機不發(fā)生低頻失步，也會產(chǎn)生強烈振動，這就是步進電機低頻共振現(xiàn)象。旋轉(zhuǎn)變壓器當旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊施加交流電壓勵磁時，其副邊輸出電壓將與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角保持某種嚴格的函數(shù)關(guān)系，從而實現(xiàn)角度的檢測、解算或傳輸?shù)裙δ堋?當旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊施加交流電壓勵磁時，其副邊輸出電壓將與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角保持某種嚴格的函數(shù)關(guān)系，從而實現(xiàn)角度的檢測、解算或

11、傳輸?shù)裙δ堋?交軸誤差：正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器一相勵磁繞組額定勵磁，另一相短接，所有的定子和轉(zhuǎn)子繞組在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角為0°、90°、180°、270°時的零位組合的角度偏差旋轉(zhuǎn)變壓器中，變壓比是指在規(guī)定勵磁條件下，最大空載輸出電壓的基波分量與勵磁電壓的基波分量之比原邊補償?shù)木€性旋轉(zhuǎn)變壓器·自整角機自整角機是一種將轉(zhuǎn)角變換成電壓信號或?qū)㈦妷盒盘栕儞Q成轉(zhuǎn)角，以實現(xiàn)角度傳輸、變換和指示的元件。它可以用于測量或控制遠距離設(shè)備的角度位置，也可以在隨動系統(tǒng)中用作機械設(shè)備之間的角度聯(lián)動裝置，以使機械上互不相聯(lián)的兩根或兩根以上轉(zhuǎn)軸保持同步偏轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)。自整角機可根據(jù)在系統(tǒng)中

12、的不同作用可分為控制式和力矩式兩大類 。帶有ZKC的控制式自整角機原理圖控制式自整角機的工作原理歸納如下： (1) ZKF勵磁磁場是脈振磁場，ZKF定子各相繞組的感應(yīng)電動勢在時間上同相位，其有效值與定、轉(zhuǎn)子的相對位置有關(guān)。 (2) 在ZKF定子繞組感應(yīng)電動勢作用下，兩自整角機繞組中的相電流總是大小相等、方向相反。(3) 在自整角機控制式運行時，將ZKB起始協(xié)調(diào)位置規(guī)定為與繞組軸線垂直的位置，協(xié)調(diào)時輸出電動勢 。輸出繞組軸線相對協(xié)調(diào)位置的轉(zhuǎn)角 稱為失調(diào)角。(4) 輸出繞組的電壓為 ，在失調(diào)角很小時， 當出現(xiàn)失調(diào)角時，自整角機輸出電壓經(jīng)放大后帶動伺服機轉(zhuǎn)動直至失調(diào)角為零。力矩式自整角機的差動運行（

13、帶有ZCF的力矩式自整角機系統(tǒng)）當需要指示的角度為兩個已知角的和或差時，可以在一對力矩式自整角機之間加入一臺力矩式差動發(fā)送機ZCF，構(gòu)成差動發(fā)送機系統(tǒng)。也可以在一對力矩式自整角機之間加入一臺力矩式差動接收機ZCJ，構(gòu)成差動接收機系統(tǒng)。在隨動系統(tǒng)中，通常采用差動發(fā)送機系統(tǒng)。ZLJ轉(zhuǎn)子必然從相軸線轉(zhuǎn)過達到協(xié)調(diào)位置，實現(xiàn)兩角之差的傳送。 若ZLF和ZKC的轉(zhuǎn)子異向偏轉(zhuǎn)時，則能實現(xiàn)兩角之和的傳送。 交流伺服控制兩相交流異步伺服電動機，若在兩相對稱繞組中施加兩相對稱電壓，即勵磁繞組和控制繞組電壓幅值相等且兩者之間的相位差為90°電角度，便可在氣隙中得到圓形旋轉(zhuǎn)磁場。否則，若施加兩相不對稱電壓，

14、即兩相電壓幅值不同，或電壓間的相位差不是90°電角度，得到的便是橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場。當氣隙中的磁場為圓形旋轉(zhuǎn)磁場時，電動機運行在最佳工作狀態(tài)。幅值控制保持勵磁電壓的幅值和相位不變，通過調(diào)節(jié)控制電壓的大小來調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，而控制電壓與勵磁電壓之間始終保持90°電角度相位差。相位控制保持控制電壓的幅值不變，通過調(diào)節(jié)控制電壓的相位，即改變控制電壓相對勵磁電壓的相位角，實現(xiàn)對電動機的控制。幅值-相位控制（或稱電容控制）利用勵磁繞組中的串聯(lián)電容來分相，它不需要復(fù)雜的移相裝置，所以設(shè)備簡卑，成本較低，成為較常用的控制方式。雙相控制勵磁繞組與控制繞組間的相位差固定為90°電角度，

15、而勵磁繞組電壓的幅值隨控制電壓的改變而同樣改變。兩相感應(yīng)伺服電動機轉(zhuǎn)子電阻必須足夠大 ，這是其與普通感應(yīng)電動機相比的另外一個重要特點。 原因：1）擴大轉(zhuǎn)速范圍并使機械特性盡可能接近線性； 2）實現(xiàn)無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象 c）增大轉(zhuǎn)子電阻至sm+>1 圖2-3 自轉(zhuǎn)現(xiàn)象與轉(zhuǎn)子電阻的關(guān)系 增大轉(zhuǎn)子電阻至sm+>1 時： 如果轉(zhuǎn)子電阻足夠大，致使正向旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率sm+>1，則可使單相運行時電機的合成電磁轉(zhuǎn)矩在電動機運行范圍內(nèi)均為負值，即Te<0，如圖2-3 c）所示。當控制電壓消失后，由于電磁轉(zhuǎn)矩為制動性轉(zhuǎn)矩，使電機迅速停止旋轉(zhuǎn)?？梢?，在這種條件下，電動機不會產(chǎn)生

16、自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。因此，增大轉(zhuǎn)子電阻是克服兩相感應(yīng)伺服電動機“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象的有效措施。 對稱分量法是把電機兩相繞組的不對稱磁動勢分解為兩組對稱的磁動勢來研究。其中一組對稱磁動勢的相序與外施電壓的相序一致，稱為正序分量；另一組對稱磁動勢的相序與外施電壓相序相反，稱為負序分量。利用電機學(xué)中講過的感應(yīng)電動機原理，可以方便地得到正、負序分量分別作用時的等效電路，進而導(dǎo)出有關(guān)計算公式。 交流異步伺服電動機的調(diào)節(jié)特性都不是線性關(guān)系，僅在轉(zhuǎn)速標么值較小和信號系數(shù)e不大的范圍內(nèi)才近似于線性關(guān)系。所以，為了獲得線性的調(diào)節(jié)特性，伺服電動機應(yīng)工作在較小的相對轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，這可通過提高伺服電動機的工作頻率來實現(xiàn)。圖2-2 不同轉(zhuǎn)

17、子電阻時的感應(yīng)電動機機械特性 rr4> rr3> rr2 > rr1 伺服電機的特點Ø 寬廣的調(diào)速范圍。伺服電動機的轉(zhuǎn)速隨著控制電壓的改變能在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。Ø 機械特性和調(diào)節(jié)特性均為線性。伺服電動機的機械特性是指控制電壓一定時，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的變化關(guān)系；調(diào)節(jié)特性是指電動機轉(zhuǎn)矩一定時，轉(zhuǎn)速隨控制電壓的變化關(guān)系。線性的機械特性和調(diào)節(jié)特性有利于提高自動控制系統(tǒng)的動態(tài)精度。Ø 無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。伺服電動機在控制電壓為零時能立自行停轉(zhuǎn)。Ø 快速響應(yīng)。電動機的機電時間常數(shù)要小，相應(yīng)地伺服電動機要有較大的培轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和較小的轉(zhuǎn)動慣量。這樣，電動機的轉(zhuǎn)速便能隨著控制電壓的改變而迅速變化。Ø 同步電動機變頻調(diào)速