第15章控制电机

1、第第15章章 控制电机 15.1 伺服电动机伺服电动机 定义：定义：在自动控制系统和计算装置中，作为执行、检测和计在自动控制系统和计算装置中，作为执行、检测和计 算元件用的各种电机，统称控制电机。算元件用的各种电机，统称控制电机。 本章主要介绍伺服电动机、无刷直流电动机 、步进电动机 和直线感应电动机 。 伺服电动机伺服电动机也称执行电动机，在自动控制系统中作为执行元 件，其任务是把接收的电信号转变为轴上的角位移或角速度。 这种电机有信号时就动作，没有信号时就立即停止。 分类：分类：伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机。 一、直流伺服电动机 结构结构主要包括三大部分： 定子、转子、电刷

2、和换向片 （1）定子：磁极磁场由定子的 磁极产生。 （2）转子：又称为电枢，由硅 钢片叠压而成，表面嵌有线圈， 通以直流电时，在定子磁场作 用下产生带动负载旋转的电磁 转矩。 （3）电刷与换向片。为使所产 生的电磁转矩保持恒定方向， 转子能沿固定方向均匀的连续 旋转，电刷与外加直流电源相 接，换向片与电枢导体相接。 分类分类 他励式 永磁式 磁极由永磁材料 制成 磁极由冲压硅钢 片叠压而成，外 绕线圈通以直流 电产生恒定磁场 直流伺服电动机实际上就是一台直流电动机，其结构与普通小型 直流电动机相同，只是为了减小转动惯量而做得细长一些。 工作原理工作原理 和普通直流电动机完全相同，当磁极有磁通，

3、 绕组中有电流通过时，电枢电流与磁通作用 产生转矩，伺服电动机就动作。 分类分类 磁场控制 电枢控制 励磁绕组始终接在一个恒定的直流电压 上，用以产生主磁通；电枢绕组作为控 制绕组接到控制电压上，控制电枢电流、 电磁转矩以及输出的转速和转向。 电枢绕组始终接在恒定的直流电源上， 励磁绕组则作为控制绕组。改变励磁电 压的大小和方向，就能改变电动机的转 速与转向。 两种控制类型，电枢控制的性能比磁场控制优越，自动控制两种控制类型，电枢控制的性能比磁场控制优越，自动控制 系统中多采用电枢控制方式。系统中多采用电枢控制方式。 （1）机械特性机械特性：指励磁电压恒定，电枢的控制电压为一个定 值时电动机的

4、转速与电磁转矩之间的关系。 （2）调节特性调节特性：指电磁转矩恒定时，电机的转速随控制电压 的变化关系。 （a）机械特性 （b） 调节特性 控制特性控制特性 从上图可知， （1）电枢控制时，机械特性和调节特性都是线性，这是一 个可贵的优点。 （2）当负载转矩恒定时，电枢的控制电压升高，电动机的 转速就升高；反之，减小电枢控制电压，电动机的转速就 降低；改变控制电压的极性，电机就反转；控制电压变零， 电机就停转。 （3）直流伺服电机具有良好的启动、制动和调速特性，可 很方便地在宽范围内实现平滑无级调速，故多采用在对伺 服电机的调速性能要求较高的生产设备中。其输出功率一 般为 1600W。 （4）

5、伺服系统的应用非常广泛，有位置伺服系统、速度伺 服系统、增量运动伺服系统等。 现以伺服称重系统为例来说明直流伺服电动机的应用。 分析过程略。 一、交流伺服电动机 结构结构主要包括两大部分： 定子、转子 交流伺服电动机就是两相异步 电动机，其定子槽内嵌有两套 有空间相差90电角度的定子 绕组，一套是励磁绕组，另一 套是控制绕组。 转子基 本结构 非磁性 空心杯 形转子 笼形 转子 与普通三相异步电动机笼型转子相似，只 是外形上细而长，以利于减小转动惯量。 为了减小转动惯量，杯形转子通常是用铝 合金或铜合金制成的空心薄壁圆筒。此外， 为为减小磁路的磁阻，在空心杯形转子内 放置固定的内定子。 两种转

6、子转动的原理是一样的，当前主要应用 的是鼠笼转子的交流伺服电动机。 工作原理工作原理 励磁绕组与电容串联后接到交流电源上，其 电压为U。根据旋转磁场理论，只要控制电 压的相位与励磁电压的相位不同，就能在电 动机中产生一个两相旋转磁场，使电动机旋 转起来。 自转现象：如果电动机处在旋转状态下，当控制电压消失时， 即Uk=0时，电动机在单相磁场的作用下会继续按原旋转方向 转动，只是转速略有下降，但不会停转。这种在控制电压消 失后电动机仍然旋转不停的现象称为“自转”。自转现象破 坏了伺服电动机的伺服性。 解决方法：实际的交流伺服电动机，通常是采取增加转子回 路电阻的方法，当控制电压消失后，由励磁绕组

7、单相通电运 行产生制动性质的电磁转矩，使电动机停转。 控制方法和运行特性控制方法和运行特性 三种控制方法： （1）幅值控制：即保持控制电压UK的相位不变，仅改变其幅值来进行控制。 （2）相位控制：即保持UK的幅值不变，仅改变其相位来进行控制。 （3）幅-相控制：同时改变UK的大小和相位来进行控制。 实质：都是利用改变不对称两相电压中正序和负序电压的比例，来改变 正向和反向电磁转矩的大小，从而达到改变全成电磁转矩和转速的目的。 常用的电容控制是一种复杂的幅-相控制。 由图可见 （1）在一定负载转矩下，控制电 压越高，转速也越高； （2）在一定控制电压下，负载增 加，转速下降。 （3）此外，由于电

8、阻较大，机械 特性曲线下降较快，特性很软， 不利于系统的稳定。 不同控制电压下的机械 特性曲线 15.2 15.2 无刷直流电动机无刷直流电动机 无刷直流电动机无刷直流电动机是在电力电子技术进步的基础上发展起来的 一种典型的机电一体化产品，它是由电动机本体、位置检测 器、逆变器和控制器组成的自同步电动机系统或自控式变频 同步电动机。系统的组成 如下图。 结构结构 无刷直流电动机最初的设计思想来自普通的直流电动机，不同 的是将直流电动机的定、转子位置进行了互换，用逆变器和转 子位置检测器代替直流电动机的电刷和机械换向器 定子定子转子转子 电刷和电刷和 机械换向器机械换向器 直流电机直流电机 电机

9、本体电机本体 转子转子定子定子 逆变器和转子逆变器和转子 位置检测器位置检测器 转子为永磁结构，多采用钐转子为永磁结构，多采用钐 钴和钕铁硼等高矫顽力、高钴和钕铁硼等高矫顽力、高 剩磁密度的稀土永磁，产生剩磁密度的稀土永磁，产生 气隙磁通气隙磁通 定子为电枢，有多定子为电枢，有多 相对称绕组。相对称绕组。 无刷直流电机无刷直流电机 控制器控制器 1. 电机本体 2. 逆变器 逆变器将直流电转换成交流电向电机供电。与一般逆变器不 同，它的输出频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信 号，是一个“自控式逆变器”。由于采用自控式逆变器，无 刷直流电动机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电 机和逆

10、变器不会产生振荡和失步，这也是无刷直流电动机的 重要优点之一。 4. 控制器 控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功 能的指挥中心，它主要完成以下功能： （1）对转子位置检测器输出的信号、PWM调制信号、正 反转和停车信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各开关管 的斩波信号和选通信号，实现电机的正反转及停车控制。 （2）产生PWM调制信号，使电机的电压随给定速度信号 而自动变化，实现电机开环调速。 （3）对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节，使系 统具有较好的动态和静态性能。 （4）实现短路、过流、过电压和欠电压等故障保护功能。 3. 位置检测器 位置检测器的作用是检测转子磁极相对于

11、定子绕组的位置信 号，为逆变器提供正确的换相信息。位置检测包括有位置传 感器检测和无位置传感器检测两种方式。 该电机既具有直流电动机运行效率高和调速性能好的特 点，又取消了直流电动机的电刷结构，所以称无刷直流 电动机。由于无刷直流电动机的电机本体实际上是一种 永磁同步电机，所以无刷直流电动机也称为永磁无刷直 流电动机。 基本工作原理基本工作原理 电机本体的电枢绕组为三相星形连接，位置传感器与电 机本体同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生 驱动信号，驱动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器 的功率开关管，使电机的各相绕组按一定的顺序工作。 转子在空间每转过60电角度，逆变器开关就发生一次切换

12、，功率开关管 的导通逻辑为VT1、VT6VT3 VT2VT3、VT4 VT5、VT4 VT5、 VT6 VT1、VT6。在此期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用， 沿顺时针方向连续旋转。定子合成磁场在空间不是连续旋转的，而是一种 跳跃式旋转磁场，转子在空间每转过60电角度，定子绕组就进行一次换 流，定子合成磁场的磁状态就发生一次跃变。 这种两相导通星形三相六状态的工作方式是无刷直流电动机 最常用的一种工作方式。 运行特性运行特性 机械特性。无刷直流电动机在不同的供电电压驱动下，得到的机 械特性与一般直流电动机的机械特性相同，机械特性较硬。当转 矩较大，转速较低时，流过开关管和电枢绕组的电

13、流很大，这时， 管压降随着电流增大而增加较快，使加在电枢绕组上的电压有所 减小，因而机械特性曲线会偏离直线，向下弯曲。 2 调节特性。无刷直流电动机的调节特性如图所示。 机械特性曲线 调节特性曲线 无刷直流电动机的特性无刷直流电动机的特性 1与直流电动机相比： （1）从机械特性和调节特性可以看出，无刷直流电动机与一般直流电 动机一样，具有良好的调速控制性能，可以通过调节电源电压实现无级 调速。 （2）可靠性高，寿命长；不必经常进行维护和修理；无电气接触火花、 无线电干扰少；可工作于高真空、不良介质环境；可在高转速下工作， 专门设计的高速无刷直流电动机的工作转速可达每分钟10万转以上；机 械噪声

14、低；发热的绕组安放在定子上，有利于散热，便于温度监控，易 得到更高的功率密度。 2与异步电动机相比，无刷直流电动机有以下特点： （1）由于采用高性能永磁材料，无刷直流电动机转子体积小，可以具 有较低的惯性、更快的响应速度、更高的转矩/惯量比。 （2）由于没有转子损耗，也无需定子励磁电流分量，所以无刷直流电 动机具有较高的效率和功率密度。 （3）由于没有转子发热，无需考虑转子冷却问题。 （4）异步电动机的非线性本质，使其控制系统极为复杂。而无刷直流 电动机具有可与直流电动机篦美的机械特性及调节特性，控制简单。 15.3 15.3 步进电动机步进电动机 步进电动机步进电动机步进电动机是一种由电脉冲

15、控制的特殊同步电动 机，其作用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或线位移。 因此，步进电动机又称为脉冲电动机。步进电动机可以实现 信号变换，是自动控制系统和数字控制系统中广泛应用的执 行元件。如在数控机床、打印机、绘图仪、机器人控制、石 英钟表等场合都有应用。 分类：分类：步进电动机的种类很多，按运动方式可分为旋转运动、 直线运动和平面运动等几种；工作原理可分为反应式、永磁 式和永磁感应式等几种。其中反应式步进电动机又分为单段 式和多段式两种形式。目前单段反应式步进电动机使用较多。 典型结构典型结构 其定子、转子是用硅钢片或其它软磁材料制成。定子的每对极 上绕有一对绕组组成一相。在定子磁极和转子

16、上都开有齿分度 相同的小齿，采用适当的齿数配合，使当A相磁极的小齿与转 子小齿一一对正时，B相磁极的小齿与转子小齿相互错开1/3齿 距，C相则错开2/3齿距。 工作原理工作原理 如图所示，当A相绕组通以直流电时，转子被磁化，并被拉到与 A相绕组轴线重合的位置。如果改为B相通电，转子就沿顺时针 方向转过60，转到B相通绕组的轴向位置，就前进一步，这个 角度就叫步距角。每转过一个位置，转子能够自锁。 从一相通电，换到另一相通电叫做一拍，这三相（不同于三相 交流电的三相）依次通电的运行方式，叫做三相单三拍运行方 式。 如图所示，如果A、B两相同时通电，转子轴线便转至A、 B两相之间的轴线上。这种按A

17、C、CB、BA顺序两相同 时通电的运行方式叫做三相双三拍运行方式。如果按两 者组合方式A、AB、B、BC、C、CA的方式通电，其步 距角就变为原来的一半，这叫三相六拍运行方式。 步距角 0 2 360 b NZ 当转子齿数为Z2时，N拍反应式步进电动机每转过一个齿距， 相当于转过360/Z2，而每一拍转过的角度是齿距的1/N，因 此可知步距角 如果拍数增加一倍，步距角减小一半。对于 的步 进电动机，三相三拍运行的步距为 ； 而三相六拍运行的步距角为 。 0 0 360 3 (40 30) b 0 1.5 b 2 40Z 若通电脉冲角频率为 时，由于转子每经过 个脉冲 旋转一周，故步进电动机每分

18、钟的转速为 f 2 NZ 2 60 f n NZ 转速 选用步进电动机时要根据在系统中的实际工作情况，综合 考虑步距角、转矩、频率以及精度是否能满足系统的要求。 步进电动机的特点步进电动机的特点 根据上述原理，可以归纳步进电动机的基本特点如下： 1位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成 结构简单且具有一定精度的开环控制系统，也可以在需要更高精度时 组成闭环控制系统。 2易于起动、停止、正反转及变速，快速响应性好。 3速度可以在相当宽的范围内平滑调节。可以用一台控制器控制几 台步进电动机同步运行。 4具有自锁能力。当控制脉冲停止输入且让最后一个脉冲控制的绕 组继续通电时，电机可

19、以保持在固定的位置上，即停在最后一个控制 脉冲所控制的角位移的终点位置上。所以步进电动机具有带电自锁能 力。 5步距角选择范围大，可在几十角分到180范围内选择。在小步距 情况下，通常可以在超低速高转矩稳定运行，可以不经减速器直接驱 动负载。 6步进电动机按应用可分为伺服式和功率式。功率步进电 动机可以不通过力矩放大装置直接带动机床等负载运动，简 化了传动系统的结构，并具有一定的精度。 7电机本体没有电刷、转子上没有绕组，也不需位置传感 器，可靠性高。 8步进电动机需要与控制器配合使用，不能直接使用普通 的交直流电源的。 9步进电动机带惯性负载的能力差。 10存在失步、共振等现象，在使用中要根

20、据负载和运行条 件合理选用步进电动机及其控制器。 15.4 15.4 直线感应电动机直线感应电动机 直线电动机直线电动机是近年来国内外积极研究发展的新型电机之一， 它是一种不需要中间转换装置，而能直接作直线运动的电动 机械，在交通运输、机械工业和仪器仪表工业中，直线电机 已得到推广和应用。 基本结构基本结构 直线电动机是一种作直线运动 的电动机。它可以看成是从旋从旋 转电动机演化而来的转电动机演化而来的。如图所 示，设想把旋转电动机沿径向 剖开并拉直，就得到了直线电 动机。 旋转电动机的径向、周向和轴向，在直线电动机中 分别称为法向、纵向和横向。 分类分类 按初级 运动还 是次级 运动 按工作

21、 原理 直线感应电动机 动初级 直线同步电动机 直线直流电动机 其他直线电动机 动次级 实际电机的初级和次级长度做成不等，从降低成本出发， 通常采用短初级的形式。 （a）短初级 (b)短次级 工作原理工作原理 当直线感应电机的初级接到三相交流电源时，与普通 感应电机相似，气隙内将形成一相从A相移向B相、从 B相移向C相的平移行波磁场（主磁场）。行波磁场的 推移速度是同步速度 。行波磁场将在次级感生电动 势和电流，此电流与行波磁场相互作用产生切向电磁 力，使动子作直线运动。设动子的运动速度为v，则转 差率 。直线感应电机通常作为电动机 用，故0s1。 ()/ ss svvv s v 直线感应电动

22、机初级：铁心由硅钢片叠成，表面开槽， 三相绕组嵌在槽内。 次级有很多形式：一种是在钢板上开槽，槽内嵌入铜条 或铝条，两侧用铜带或铝带连接起来，形成类似于笼形 转子的短路绕组。当次级较长时，通常采用整块钢板或 在钢板上复合铜或铝等金属作为次级。此外，也有仅用 铜或铝构成的非磁性次级。 为保证长距离运动中定子和动子不致相擦，直线电机的气 隙一般要比普通感应电机大得多。 特点特点 1、结构简单，由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运 动的附加装置，因而使得系统本身的结构大为简化，重量和 体积大大地下降； 2、定位精度高，在需要直线运动的地方，直线电机可以实 现直接传动，因而可以消除中间环节所带来的各

23、种定位误差， 故定位精度高，如采用微机控制，则还可以大大地提高整个 系统的定位精度； 3、反应速度快、灵敏度高，随动性好。直线电机容易做到 其动子用磁悬浮支撑，因而使得动子和定子之间始终保持一 定的空气隙而不接触，这就消除了定、动子间的接触摩擦阻 力，因而大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性； 4、工作安全可靠、寿命长。直线电机可以实现无接触传递 力，机械摩擦损耗几乎为零，所以故障少，免维修，因而工 作安全可靠、寿命长。 直线电机主要应用主要应用于三个方面：一是应用于自动控制系统， 这类应用场合比较多；其次是作为长期连续运行的驱动电机； 三是应用在需要短时间、短距离内提供巨大的直线运动能的 装置中。 磁悬浮列车是直线电机实际应用的最典型的例子，目前， 美、英、日、法、德、加拿大等国都在研制直线悬浮列车， 其中日本进展最快。 超导磁悬浮系统示意图 在超导磁悬浮系统中，超导线圈超导线圈装在车上，而与其相互作用产生推进、 悬浮、导向功能的各种线圈都装在地面轨道上。借助这些线圈的作用， 使车上超导线圈产生推进、悬浮、导向力。悬浮线圈悬浮线圈设在地面上，推进推进 与导向两用线圈与导向两用线圈设在轨道内侧，超导线圈超导线圈装在车辆框架的外侧。 推进原理 因为车辆的走行速度与供给推进线圈的电 流频率成正比，其推力的大小与该电流的 幅值成正比，所以推进