第5章 控制電機

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

基本要求了解機電傳動控制系統(tǒng)中一些常用控制電動機的基本結(jié)構(gòu)；了解步進電動機步距角和轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)表達式及物理意義；了解各種控制電動機的基本工作原理、主要運行特性及特點；了解各種控制電動機的應(yīng)用場合，以便正確選用和使用；重點和難點重點：常用控制電動機的基本工作原理、運行特性與特點；

難點：步進電動機的不同結(jié)構(gòu)、不同脈沖分配方式及其運行特性；步進電動機步距角的細分原理及作用；CONTENTS5.15.25.35.4步進電機直流伺服電機交流伺服電機直驅(qū)電機5.1

步進電機5.1步進電機棘爪驅(qū)動：線圈通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定角度，應(yīng)用于指針電報機（1850年）1920，英國海軍應(yīng)用于控制軍艦上的大炮,實現(xiàn)對炮身方向的定位FrankW.Woods申請了5定子繞組的步進電機專利（1922年）步進電動機：一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械位移的機電執(zhí)行元件當(dāng)一個脈沖信號施加于控制繞組時，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步進電機輸出角位移或線位移與輸入脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比能方便地實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)和調(diào)速、定位控制，運行中無累積誤差不需位置/速度傳感器就可以在開環(huán)控制下精確定位或同步運行不能達到很高的轉(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較大5.1步進電機優(yōu)點缺點高力矩反應(yīng)式（Variable-reluctance）轉(zhuǎn)子本身沒有勵磁繞組，采用軟磁材料；步距角小，大轉(zhuǎn)矩輸出可達1.2°、動態(tài)性能差、效率低、發(fā)熱大永磁式（Permanent-magnet）轉(zhuǎn)矩和體積較小；步進角一般為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；兩相步距角一般為1.8°；五相步距角一般為0.72°5.1步進電機根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的分類快速步進電機

輸出轉(zhuǎn)矩0.07Nm—4Nm功率步進電機

輸出轉(zhuǎn)矩5Nm—40Nm5.1步進電機根據(jù)輸出轉(zhuǎn)矩大小二、三、四、五、六、八相等根據(jù)勵磁相數(shù)定子轉(zhuǎn)子5.1步進電機—結(jié)構(gòu)和原理反應(yīng)式步進電動機結(jié)構(gòu)定子由硅鋼片疊成的定子鐵芯和裝在其上的多個繞組組成，輸入電脈沖對多個定子繞組輪流進行勵磁而產(chǎn)生磁場，定子繞組的個數(shù)稱為相數(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)，凸極的個數(shù)稱為齒數(shù)

反應(yīng)式步進電動機實物5.1步進電機三相反應(yīng)式步進電動機工作原理轉(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。5.1步進電機

給A相繞組通電時，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，轉(zhuǎn)子只受徑向力而無切線力，轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被鎖定在這個位置上。5.1步進電機錯齒是使步進電機旋轉(zhuǎn)的根本原因5.1步進電機基本工作原理A相繞組通電

對于三相反應(yīng)式步進電機，其運行方式有單三拍（全步，F(xiàn)ullStep）、單雙六拍（半步，HalfStep）及雙三拍等通電方式?！皢巍笔侵该看吻袚Q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步進電機—通電方式5.1步進電機—通電方式步進電機有三種驅(qū)動模式，即滿步，半步，還有微步驅(qū)動。（1）滿步驅(qū)動（Full-step）滿步驅(qū)動，就是一次走一個步距，這是一種常用的驅(qū)動方式。根據(jù)通電相數(shù)，滿步驅(qū)動又分成兩種，一種是單相通電驅(qū)動，一種是雙相通電驅(qū)動。5.1步進電機—通電方式步進電機有三種驅(qū)動模式，即滿步，半步，還有微步驅(qū)動。（1）滿步驅(qū)動（Full-step）滿步驅(qū)動，就是一次走一個步距，這是一種常用的驅(qū)動方式。根據(jù)通電相數(shù)，滿步驅(qū)動又分成兩種，一種是單相通電驅(qū)動，一種是雙相通電驅(qū)動。5.1步進電機—通電方式5.1步進電機—通電方式步進電機有三種驅(qū)動模式，即滿步，半步，還有微步驅(qū)動。（2）半步驅(qū)動（Half-step）半步驅(qū)動，就是一次只走半個步距，實現(xiàn)方式是單相和雙相交替通電；半步驅(qū)動的好處是提高分辨率，可以通過優(yōu)化線圈電流大小，來提高半步驅(qū)動扭矩5.1步進電機—通電方式對三相繞組單獨輪流通電，三次換相（三拍）完成一個循環(huán)，順序為A—B—C

時，轉(zhuǎn)子按順時針方向一步一步轉(zhuǎn)動，欲改變旋轉(zhuǎn)方向，只要改變通電順序即可電流換接三次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進一個齒距角；電流換接一次，轉(zhuǎn)子前進角度稱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始通電，容易造成失步三相單三拍工作方式5.1步進電機

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°），運行穩(wěn)定性較前者好

5.1步進電機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，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°5.1步進電機三相單、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)子齒對齊時，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，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)）

小步距角步進電機5.1步進電機—小步距角步進電機5.1步進電機—小步距角步進電機當(dāng)定子通電循環(huán)一周時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距。設(shè)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為Z，則轉(zhuǎn)子齒距為：

=360/z因為每通電一次，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，K=1;單、雙六拍時，K=2)5.1步進電機—小步距角步進電機若步進電機轉(zhuǎn)子齒數(shù)為Z=40，則：三相單三拍運行時，步距角

=360/（3*40）=3三相六拍運行時，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，步進電機就持續(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，則步進電機的轉(zhuǎn)速為：5.1步進電機若步進電機的Z=40，三相單三拍運行時，其步距角若三相六拍運行時，步距角由此可見，步進電機的轉(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步進電機—步距角細分每個單步運行引起的步響應(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電動機的一個自然步進行細分，得到“微步距”，就可使步進電動機的步增量減小這不僅明顯提高了步進電動機的分辨率，且使電動機運行平穩(wěn)、振動減小、噪聲降低，即使在諧振區(qū)內(nèi)也不容易引起失步5.1步進電機—步距角細分不細分時：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兩相繞組同時通電時，則轉(zhuǎn)子一次轉(zhuǎn)過30°，停在A、B相繞組之間的位置I細分時：當(dāng)由A相繞組通電轉(zhuǎn)為A、B兩相繞組通電時，B相繞組的電流不是由零一次上升到額定值，而是先達到額定值的1/2。由于轉(zhuǎn)矩T與流過繞組的電流I成線性關(guān)系，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)過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，A相繞組中電流先降到額定值1/2，轉(zhuǎn)子將停在位置III。分級越多，精度越高。5.1步進電機—步距角細分（3）微步驅(qū)動（因為電流大小不同，將會導(dǎo)致線圈產(chǎn)生的磁場強度不同，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的平衡位置發(fā)生變化）兩相混合步進電動機（50齒）五相混合步進電動機（50齒）三相混合步進電動機（50齒）主流步進電動機5.1步進電機疊片

磁極轉(zhuǎn)子內(nèi)磁鐵5.1步進電機混合式步進電動機結(jié)構(gòu)5.1步進電機兩相混合步進電動機（50齒）5.1步進電機5.1步進電機5.1步進電機5.1步進電機PMX

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

直流伺服電機5.2直流伺服電機—伺服伺服（源于希臘語“奴隸”）：服從控制信號的要求而動作。訊號來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動；訊號來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動；當(dāng)訊號消失，轉(zhuǎn)子能即時自行停轉(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控制系統(tǒng)伺服電機：在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機5.2直流伺服電機—直流有刷伺服電機原理同直流傳動電動機，但具有如下特點：1）體積小，重量輕，效率高2）過載能力強3）慣量?。氶L），響應(yīng)速度快、定位精度高4）通常采用高性能永磁體進行勵磁，增加啟動轉(zhuǎn)矩5）功率?。◣淄叩綆装偻撸?、應(yīng)用領(lǐng)域（航天航空、機器人自動化、精密測量、醫(yī)療機械等）6）通常安裝有位置傳感器，與直流伺服驅(qū)動器配合，用于高精度定位控制標(biāo)準(zhǔn)直流有刷伺服電機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，轉(zhuǎn)動脈動會增加（斜槽法；磁性槽楔法；閉口槽法））4）改進：無槽電樞和無鐵心電樞5.2直流伺服電機無槽直流有刷伺服電機（“空心杯電機”）1）低慣量，轉(zhuǎn)矩慣量比很大2）無齒槽效應(yīng)，振動噪聲小，動態(tài)響應(yīng)好3）無鐵芯體積緊湊，損耗小，效率高4）低電感（電磁干擾小，電刷壽命長）5.2直流伺服電機軸向磁通直流有刷電機轉(zhuǎn)子線圈電機結(jié)構(gòu)低速時仍能保持良好的特性，結(jié)構(gòu)緊湊。5.2直流伺服電機2.直流無刷電機與直流有刷伺服電機相比，采用電子換向，沒有電刷：1）結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。2）轉(zhuǎn)速高（幾千到幾萬轉(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)動器配合工作。5.2直流伺服電機內(nèi)轉(zhuǎn)子直流無刷電機實物定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子磁極5.2直流伺服電機霍爾傳感器轉(zhuǎn)子定子磁鐵外轉(zhuǎn)子直流無刷電機實物（光驅(qū)主軸）5.2直流伺服電機5.3

交流伺服電機5.3交流伺服電機—交流永磁同步伺服電機交流伺服電機可分為三類:兩相交流伺服電機（已很少使用）交流異步伺服電機交流永磁同步伺服電機5.3交流伺服電機—交流永磁同步伺服電機交流伺服電機驅(qū)動器5.3交流伺服電機永磁同步電機位置反饋元件作用5.3交流伺服電機為驅(qū)動器內(nèi)電流控制提供轉(zhuǎn)子磁極絕對位置用于磁場定向控制；提供驅(qū)動器內(nèi)速度控制器得電動機速度反饋提供內(nèi)位置控制器的電動機位置反饋5.4

直驅(qū)電機一般伺服電機速度很高，轉(zhuǎn)矩較小，而控制對象有時需要運行速度很低，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5.4直驅(qū)電機直驅(qū)電機優(yōu)點無需連軸節(jié)、齒形帶等配件設(shè)計更為簡潔無間隙傳動更緊湊的機械裝配提高整體性能5.4直驅(qū)電機結(jié)構(gòu)扁平（力矩大），力矩波動小低轉(zhuǎn)速應(yīng)用場合：防空雷達的旋轉(zhuǎn)速度（15/min）1.直流力矩電機5.4直驅(qū)電機精度高、響應(yīng)快、線性度好5.4直驅(qū)電機2.交流力矩電機與通用永磁同步電機運行原理相同，具有較多的磁極對數(shù)和較高的功率密度，可在低速時具備超大的輸出力矩5.4直驅(qū)電機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