电机与电气控制技术第三版：第4章 特种电机简介

第4章特种电机简介

本章要点直流伺服电动机的结构及运行特性交流伺服电动机的工作原理及控制方式步进电动机的工作原理、结构及控制4.1伺服电动机

伺服电动机可以把输入的电压信号变换成为电机轴上的角位移和角速度等机械信号输出。

伺服电动机在控制系统中一般用作执行元件。根据被控对象的不同，由伺服电动机组成的伺服系统一般有三种基本控制方式，即位置控制、速度控制和力矩控制，通常位置和速度控制用得较多。伺服电动机直流伺服电动机直流伺服电动机的输出功率通常为1~600W，可用于功率较大的控制系统中；交流伺服电动机交流伺服电动机的输出功率较小，一般为0.1~100W，用于功率较小的控制系统。4.1.1直流伺服电动机1.直流伺服电动机的结构直流伺服电动机直流伺服电动机的控制电源为直流电压普通型直流伺服电动机盘形电枢直流伺服电动机无槽直流伺服电动机空心杯直流伺服电动机1）普通型直流伺服电动机普通型直流伺服电动机由定子和转子两大部分组成。根据励磁方式又可分为电磁式和永磁式两种。电磁式伺服电动机的定子磁极上装有励磁绕组，励磁绕组接励磁控制电压产生磁通；永磁式伺服电动机的磁极是永久磁铁，其磁通是不可控的。与普通直流电机相同，直流伺服电动机的转子一般由硅钢片叠压而成，转子外圈有槽，槽内装有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷与外边电枢控制电路相连接。为提高控制精度和响应速度，伺服电动机的电枢铁心长度与直径之比比普通直流电机要大，气隙也较小。当定子中的励磁磁通和转子中的电流相互作用时，就会产生电磁转矩驱动电枢转动，恰当地控制转子中电枢电流的方向和大小，就可以控制伺服电动机的转动方向和转动速度。电枢电流为零时，伺服电动机则停止不动。普通的电磁式和永磁式直流伺服电动机性能接近，其惯性较其他类型伺服电动机大。2）盘形电枢直流伺服电动机图4-1为盘形电枢直流伺服电动机的结构示意图。盘形电枢直流伺服电动机的定子由永久磁铁和前后铁扼共同组成，磁铁可以在圈盘电枢的一侧，也可在其两侧。盘形伺服电动机的转子电枢由线圈沿转轴的径向圆周排列，并用环氧树脂浇注成圆盘形。盘形绕组中通过的电流是径向电流，而磁通是轴向的，径向电流与轴向磁通相互作用产生电磁转矩，使伺服电动机旋转3）空心杯电枢直流伺服电动机空心杯电枢直流伺服电动机有两个定子，一个由软磁材料构成的内定子和一个由永磁材料构成的外定子，外定子产生磁通，内定子主要起导磁作用。空心杯伺服电动机的转子，由单个成型线圈沿轴向排列成空心杯形，并用环氧树脂浇注成型。空心杯电枢直接装在转轴上，在内外定子间的气隙中旋转。4）无槽直流伺服电动机无槽直流伺服电动机与普通伺服电动机的区别是无槽直流伺服电动机的转子铁心上不开元件槽，电枢绕组元件直接放置在铁心的外表面，然后用环氧树脂浇注成型。后三种伺服电动机与普通伺服电动机相比，具有转动惯量小，其动态特性较好，适用于快速系统。2.直流伺服电动机的运行特性

在忽略电枢反应的情况下，直流伺服电动机的电压平衡方程可表示如下：当磁通恒定时，电枢反电动势为：式中：ke为电动势常数直流伺服电动机的电磁转矩为：式中：KT为转矩常数转速关系式：直流伺服电动机的机械特性和调节特性1）机械特性机械特性是指在控制电枢电压保持不变的情况下，直流流伺服电动机的转速n随转矩变化的关系。当电枢电压为常值时:当转矩为零时，电机的转速仅与电枢电压有关，此时的转速为直流伺服电动机的理想空载转速，理想空载转速与电枢电压成正比，即：当转速为零时，电机的转矩仅与电枢电压有关，此时的转矩称为堵转转矩，堵转转矩与电枢电压成正比，即：给定不同的电枢电压得到的直流伺服电动机的机械特性不同电枢电压下的机械特性曲线为一组平行线，其斜率为-k。当控制电压一定时，不同的负载转矩对应不同的机械转速。转矩T增大时，转速n降低。（2）调节特性直流伺服电动机的调节特性是指负载转矩恒定时，电机转速与电枢电压的关系。调节特性与横轴的交点所对应的电压值为始动电压，只有当控制电压大于始动电压，电动机才会转动。负载转矩TL不同时，始动电压也不同，TL越大，始动电压越高，死区越大，伺服电动机越不灵敏，所以伺服电动机不可带太大的负载。当转矩一定时，转速与电压的关系也为一组平行线，当电动机的转矩T不变时，控制电压增加，转速成正比地增加。其斜率为1/ke。直流伺服电动机的特点直流伺服电动机的优点是：机械特性和调节特性的线性度好，调整范围大，启动转矩大，效率高；缺点是：电枢电流较大，电刷和换向器维护工作量大。4.1.2交流伺服电动机

1.交流伺服电动机的工作原理交流伺服电动机一般是两相交流电机，由定子和转子两部分组成。交流伺服电动机的转子有笼型和杯型两种，其转子电阻都比较大，其目的是使转子在转动时产生制动转矩，使其在控制绕组不加电压时，能及时制动，防止自转。交流伺服电动机的定子为两相绕组，并在空间相差90°电角度。两个定子绕组结构完全相同，一个绕组为励磁绕组，另一个绕组为控制绕组。Uf为励磁电压，Uc为控制电压，这两个电压均为交流，相位互差90°。当励磁绕组和控制绕组均加互差90°电角度的交流电压时，在空间形成圆形旋转磁场（控制电压和励磁电压的幅值相等）或椭圆形旋转磁场（控制电压和励磁电压幅值不等），转子在旋转磁场的作用下旋转。当控制电压和励磁电压的幅值相等时，控制两者的相位差也能产生旋转磁场。伺服电动机的特点伺服电动机的特点是：①伺服电动机有较宽的调速范围；②当励磁电压不为零，控制电压为零时其转速为零；③机械特性应为线性并且动态特性好；④伺服电动机的转子电阻大，转动惯量小。2.交流伺服电动机的控制方式

交流伺服电动机的控制方式有三种，即幅值控制、相位控制和幅相控制。1）幅值控制。控制电压和励磁电压保持相位差90°，只改变控制电压幅值，这种控制方法称为幅值控制。使用时控制电压Uc的幅值在额定值与零之间变化，励磁电压Uf保持为额定值。幅值控制交流伺服电动机特性

①当励磁电压为额定电压，控制电压为零时，伺服电动机转速为零，电机不转。②当励磁电压为额定电压，控制电压也为额定电压时，伺服电动机转速最大，转矩也为最大。③当励磁电压为额定电压，控制电压在额定电压与零电压之间变化时，伺服电动机的转速从最高转速至零转速间变化。2）相位控制相位控制时控制电压和励磁电压均为额定电压，通过改变控制电压和励磁电压相位差。实现对伺服电动机的控制。设控制电压与励磁电压的相位差为β，β=0~90°。当β=0°时，控制电压与励磁电压同相位，气隙总磁通势为脉振磁通势，伺服电动机转速为零不转动；当β=90°时，为圆形旋转磁通势，伺服电动机转速最大，转矩也为最大；当β=0~90°变化时，磁通势从脉振磁通势变为椭圆形旋转磁通势最终变为圆形旋转磁通势，伺服电动机的转速由低向高变化。β值越大越接近圆形旋转磁通势。3）幅相控制幅相控制是对幅值和相位差都进行控制，通过改变控制电压的幅值及控制电压与励磁电压的相位差控制伺服电动机的转速。当控制电压的幅值改变时，电机转速发生变化，此时励磁绕组中的电流随之发生变化，励磁电流的变化引起电容端电压的变化，使控制电压与励磁电压之间的相位角β改变。幅相控制的机械特性和调节特性不如幅值控制和相位控制，但由于线路比较简单，不需要移相器，因此在实际应用中用得较多。4.2步进电动机

步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移的执行器。给一个脉冲信号，步进电动机就转动一个角度。因此步进电动机也称为脉冲电动机。步进电动机其角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可以调节电动机的转速。如果停机后某些绕组仍保持通电状态，则还具有自锁能力。步进电动机的最大缺点是在重负载和高速的情况下，容易发生失步。

4.2.1步进电动机的工作原理

1．步进电动机的结构步进电动机在结构上分为定子和转子两部分，定子上有六个磁极，每个磁极上绕有励磁绕组，相对的两个磁极组成一相，分成A、B、C三相。转子无绕组，它是由带齿的铁心做成的。步进电动机是按电磁吸引的原理进行工作的当定子绕组按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极就依次产生磁场，并每次对转子的某一对齿产生电磁引力，将其吸引过来，而使转子一步步转动。每当转子某一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零。如果控制线路不停地按一定方向切换定子绕组各相电流，转子便按一定方向不停地转动。步进电动机每次转过的角度称为步距角。2．步进电动机的工作原理

假设转子上有四个齿，相邻两齿间夹角（齿距角）为90°。当A相通电时，转子1、3齿被磁极A产生的电磁引力吸引过去，使1、3齿与A相磁极对齐。接着B相通电，A相断电，磁极B又把距它最近的一对齿2、4吸引过来，使转子按逆时针方向转动30o。然后C相通电，B相断电，转子又逆时针旋转30°。依次类推，定子按A→B→C→A顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步转30°。若改变通电顺序，按A→C→B→A使定子绕组通电，步进电动机就按顺时针方向转动，同样每步转30°。步进电机的工作方式三相单三拍方式：“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍”是指每三次换接为一个循环。由于每次只有一相绕组通电，在切换瞬间将失去自锁转矩，容易失步，另外，只有一相绕组通电，易在平衡位置附近产生振荡，稳定性不佳，故实际应用中不采用单三拍工作方式。三相双三拍控制方式：即通电顺序按AB→BC→CA→AB（逆时针方向）或AC→CB→BA→AC（顺时针方向）进行，其步距角仍为30°。由于双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作比较稳定。三相六拍控制方式：按A→AB→B→BC→C→CA→A顺序通电，即首先A相通电，然后A相不断电，B相再通电，即A、B两相同时通电，接着A相断电而B相保持通电状态，然后再使B、C两相通电，依次类推，每切换一次，步进电动机逆时针转过15°。如通电顺序改为A→AC→C→CB→B→BA→A，则步进电动机以步距角15°顺时针旋转。三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且转换过程中始终保证有一个绕组通电，工作稳定，因此这种方式被大量采用。3.步进电动机的主要性能指标

（1）步距角和步距误差步距角是指每一拍转子转过的一个空间角度。式中，α是步进电动机的步距角；m是电机相数；Z是转子齿数；K是系数，相邻两次通电相数相同（单拍或双拍工作方式）K=1；相邻两次通电相数不同（单双拍混合），K=2。同一相数的步进电动机可有两种步距角，通常为1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。步距误差是指步进电动机运行时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。连续走若干步时，上述步距误差的累积值称为步距的累积误差。步进电动机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。（2）静态转矩与矩角特性当步进电动机上某相定子绕组通电之后，转子齿将力求与定子齿对齐，使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动（θ=0）。如果在电机轴上外加一个负载转矩TL，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度θ，此角度θ称为失调角。有失调角之后，步进电动机就产生一个静态转矩（也称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角θ的关系叫矩角特性，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静转矩。（3）

最大启动转矩

图4-11为三相单三拍矩角特性曲线，图中的A、B分别是相邻A相和B相的静态矩角特性曲线，它们的交点所对应的转矩是步进电动机的最大启动转矩。

如果外加负载转矩大于启动转矩，电机就不能启动，因而启动转矩是电机能带动负载转动的极限转矩。

（4）启动频率空载时，步进电动机由静止状态突然启动，并进入不失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，加给步进电动机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。步进电动机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。而且，随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。（5）连续运行频率步进电动机启动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有关系。（6）矩频特性与动态转矩矩频特性是描述步进电动机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系。当步进电动机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。4.2.2步进电动机的控制

步进电动机的控制需要有专用的驱动电源，否则不能正常工作。步进电动机的