第4章特種電機簡介

本章要點直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)及運行特性交流伺服電動機的工作原理及控制方式步進電動機的工作原理、結(jié)構(gòu)及控制4.1伺服電動機

伺服電動機可以把輸入的電壓信號變換成為電機軸上的角位移和角速度等機械信號輸出。

伺服電動機在控制系統(tǒng)中一般用作執(zhí)行元件。根據(jù)被控對象的不同，由伺服電動機組成的伺服系統(tǒng)一般有三種基本控制方式，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較多。伺服電動機直流伺服電動機直流伺服電動機的輸出功率通常為1~600W，可用于功率較大的控制系統(tǒng)中；交流伺服電動機交流伺服電動機的輸出功率較小，一般為0.1~100W，用于功率較小的控制系統(tǒng)。4.1.1直流伺服電動機1.直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)直流伺服電動機直流伺服電動機的控制電源為直流電壓普通型直流伺服電動機盤形電樞直流伺服電動機無槽直流伺服電動機空心杯直流伺服電動機1）普通型直流伺服電動機普通型直流伺服電動機由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。根據(jù)勵磁方式又可分為電磁式和永磁式兩種。電磁式伺服電動機的定子磁極上裝有勵磁繞組，勵磁繞組接勵磁控制電壓產(chǎn)生磁通；永磁式伺服電動機的磁極是永久磁鐵，其磁通是不可控的。與普通直流電機相同，直流伺服電動機的轉(zhuǎn)子一般由硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子外圈有槽，槽內(nèi)裝有電樞繞組，繞組通過換向器和電刷與外邊電樞控制電路相連接。為提高控制精度和響應(yīng)速度，伺服電動機的電樞鐵心長度與直徑之比比普通直流電機要大，氣隙也較小。當(dāng)定子中的勵磁磁通和轉(zhuǎn)子中的電流相互作用時，就會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動電樞轉(zhuǎn)動，恰當(dāng)?shù)乜刂妻D(zhuǎn)子中電樞電流的方向和大小，就可以控制伺服電動機的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動速度。電樞電流為零時，伺服電動機則停止不動。普通的電磁式和永磁式直流伺服電動機性能接近，其慣性較其他類型伺服電動機大。2）盤形電樞直流伺服電動機圖4-1為盤形電樞直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)示意圖。盤形電樞直流伺服電動機的定子由永久磁鐵和前后鐵扼共同組成，磁鐵可以在圈盤電樞的一側(cè)，也可在其兩側(cè)。盤形伺服電動機的轉(zhuǎn)子電樞由線圈沿轉(zhuǎn)軸的徑向圓周排列，并用環(huán)氧樹脂澆注成圓盤形。盤形繞組中通過的電流是徑向電流，而磁通是軸向的，徑向電流與軸向磁通相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使伺服電動機旋轉(zhuǎn)3）空心杯電樞直流伺服電動機空心杯電樞直流伺服電動機有兩個定子，一個由軟磁材料構(gòu)成的內(nèi)定子和一個由永磁材料構(gòu)成的外定子，外定子產(chǎn)生磁通，內(nèi)定子主要起導(dǎo)磁作用。空心杯伺服電動機的轉(zhuǎn)子，由單個成型線圈沿軸向排列成空心杯形，并用環(huán)氧樹脂澆注成型?？招谋姌兄苯友b在轉(zhuǎn)軸上，在內(nèi)外定子間的氣隙中旋轉(zhuǎn)。4）無槽直流伺服電動機無槽直流伺服電動機與普通伺服電動機的區(qū)別是無槽直流伺服電動機的轉(zhuǎn)子鐵心上不開元件槽，電樞繞組元件直接放置在鐵心的外表面，然后用環(huán)氧樹脂澆注成型。后三種伺服電動機與普通伺服電動機相比，具有轉(zhuǎn)動慣量小，其動態(tài)特性較好，適用于快速系統(tǒng)。2.直流伺服電動機的運行特性

在忽略電樞反應(yīng)的情況下，直流伺服電動機的電壓平衡方程可表示如下：當(dāng)磁通恒定時，電樞反電動勢為：式中：ke為電動勢常數(shù)直流伺服電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為：式中：KT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)轉(zhuǎn)速關(guān)系式：直流伺服電動機的機械特性和調(diào)節(jié)特性1）機械特性機械特性是指在控制電樞電壓保持不變的情況下，直流流伺服電動機的轉(zhuǎn)速n隨轉(zhuǎn)矩變化的關(guān)系。當(dāng)電樞電壓為常值時:當(dāng)轉(zhuǎn)矩為零時，電機的轉(zhuǎn)速僅與電樞電壓有關(guān)，此時的轉(zhuǎn)速為直流伺服電動機的理想空載轉(zhuǎn)速，理想空載轉(zhuǎn)速與電樞電壓成正比，即：當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時，電機的轉(zhuǎn)矩僅與電樞電壓有關(guān)，此時的轉(zhuǎn)矩稱為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與電樞電壓成正比，即：給定不同的電樞電壓得到的直流伺服電動機的機械特性不同電樞電壓下的機械特性曲線為一組平行線，其斜率為-k。當(dāng)控制電壓一定時，不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩對應(yīng)不同的機械轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)矩T增大時，轉(zhuǎn)速n降低。（2）調(diào)節(jié)特性直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時，電機轉(zhuǎn)速與電樞電壓的關(guān)系。調(diào)節(jié)特性與橫軸的交點所對應(yīng)的電壓值為始動電壓，只有當(dāng)控制電壓大于始動電壓，電動機才會轉(zhuǎn)動。負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL不同時，始動電壓也不同，TL越大，始動電壓越高，死區(qū)越大，伺服電動機越不靈敏，所以伺服電動機不可帶太大的負(fù)載。當(dāng)轉(zhuǎn)矩一定時，轉(zhuǎn)速與電壓的關(guān)系也為一組平行線，當(dāng)電動機的轉(zhuǎn)矩T不變時，控制電壓增加，轉(zhuǎn)速成正比地增加。其斜率為1/ke。直流伺服電動機的特點直流伺服電動機的優(yōu)點是：機械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，調(diào)整范圍大，啟動轉(zhuǎn)矩大，效率高；缺點是：電樞電流較大，電刷和換向器維護工作量大。4.1.2交流伺服電動機

1.交流伺服電動機的工作原理交流伺服電動機一般是兩相交流電機，由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子有籠型和杯型兩種，其轉(zhuǎn)子電阻都比較大，其目的是使轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，使其在控制繞組不加電壓時，能及時制動，防止自轉(zhuǎn)。交流伺服電動機的定子為兩相繞組，并在空間相差90°電角度。兩個定子繞組結(jié)構(gòu)完全相同，一個繞組為勵磁繞組，另一個繞組為控制繞組。Uf為勵磁電壓，Uc為控制電壓，這兩個電壓均為交流，相位互差90°。當(dāng)勵磁繞組和控制繞組均加互差90°電角度的交流電壓時，在空間形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場（控制電壓和勵磁電壓的幅值相等）或橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場（控制電壓和勵磁電壓幅值不等），轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下旋轉(zhuǎn)。當(dāng)控制電壓和勵磁電壓的幅值相等時，控制兩者的相位差也能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。伺服電動機的特點伺服電動機的特點是：①伺服電動機有較寬的調(diào)速范圍；②當(dāng)勵磁電壓不為零，控制電壓為零時其轉(zhuǎn)速為零；③機械特性應(yīng)為線性并且動態(tài)特性好；④伺服電動機的轉(zhuǎn)子電阻大，轉(zhuǎn)動慣量小。2.交流伺服電動機的控制方式

交流伺服電動機的控制方式有三種，即幅值控制、相位控制和幅相控制。1）幅值控制?？刂齐妷汉蛣畲烹妷罕３窒辔徊?0°，只改變控制電壓幅值，這種控制方法稱為幅值控制。使用時控制電壓Uc的幅值在額定值與零之間變化，勵磁電壓Uf保持為額定值。幅值控制交流伺服電動機特性

①當(dāng)勵磁電壓為額定電壓，控制電壓為零時，伺服電動機轉(zhuǎn)速為零，電機不轉(zhuǎn)。②當(dāng)勵磁電壓為額定電壓，控制電壓也為額定電壓時，伺服電動機轉(zhuǎn)速最大，轉(zhuǎn)矩也為最大。③當(dāng)勵磁電壓為額定電壓，控制電壓在額定電壓與零電壓之間變化時，伺服電動機的轉(zhuǎn)速從最高轉(zhuǎn)速至零轉(zhuǎn)速間變化。2）相位控制相位控制時控制電壓和勵磁電壓均為額定電壓，通過改變控制電壓和勵磁電壓相位差。實現(xiàn)對伺服電動機的控制。設(shè)控制電壓與勵磁電壓的相位差為β，β=0~90°。當(dāng)β=0°時，控制電壓與勵磁電壓同相位，氣隙總磁通勢為脈振磁通勢，伺服電動機轉(zhuǎn)速為零不轉(zhuǎn)動；當(dāng)β=90°時，為圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢，伺服電動機轉(zhuǎn)速最大，轉(zhuǎn)矩也為最大；當(dāng)β=0~90°變化時，磁通勢從脈振磁通勢變?yōu)闄E圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢最終變?yōu)閳A形旋轉(zhuǎn)磁通勢，伺服電動機的轉(zhuǎn)速由低向高變化。β值越大越接近圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢。3）幅相控制幅相控制是對幅值和相位差都進行控制，通過改變控制電壓的幅值及控制電壓與勵磁電壓的相位差控制伺服電動機的轉(zhuǎn)速。當(dāng)控制電壓的幅值改變時，電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，此時勵磁繞組中的電流隨之發(fā)生變化，勵磁電流的變化引起電容端電壓的變化，使控制電壓與勵磁電壓之間的相位角β改變。幅相控制的機械特性和調(diào)節(jié)特性不如幅值控制和相位控制，但由于線路比較簡單，不需要移相器，因此在實際應(yīng)用中用得較多。4.2步進電動機

步進電動機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移的執(zhí)行器。給一個脈沖信號，步進電動機就轉(zhuǎn)動一個角度。因此步進電動機也稱為脈沖電動機。步進電動機其角位移量與電脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率可以調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。如果停機后某些繞組仍保持通電狀態(tài)，則還具有自鎖能力。步進電動機的最大缺點是在重負(fù)載和高速的情況下，容易發(fā)生失步。

4.2.1步進電動機的工作原理

1．步進電動機的結(jié)構(gòu)步進電動機在結(jié)構(gòu)上分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分，定子上有六個磁極，每個磁極上繞有勵磁繞組，相對的兩個磁極組成一相，分成A、B、C三相。轉(zhuǎn)子無繞組，它是由帶齒的鐵心做成的。步進電動機是按電磁吸引的原理進行工作的當(dāng)定子繞組按順序輪流通電時，A、B、C三對磁極就依次產(chǎn)生磁場，并每次對轉(zhuǎn)子的某一對齒產(chǎn)生電磁引力，將其吸引過來，而使轉(zhuǎn)子一步步轉(zhuǎn)動。每當(dāng)轉(zhuǎn)子某一對齒的中心線與定子磁極中心線對齊時，磁阻最小，轉(zhuǎn)矩為零。如果控制線路不停地按一定方向切換定子繞組各相電流，轉(zhuǎn)子便按一定方向不停地轉(zhuǎn)動。步進電動機每次轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。2．步進電動機的工作原理

假設(shè)轉(zhuǎn)子上有四個齒，相鄰兩齒間夾角（齒距角）為90°。當(dāng)A相通電時，轉(zhuǎn)子1、3齒被磁極A產(chǎn)生的電磁引力吸引過去，使1、3齒與A相磁極對齊。接著B相通電，A相斷電，磁極B又把距它最近的一對齒2、4吸引過來，使轉(zhuǎn)子按逆時針方向轉(zhuǎn)動30o。然后C相通電，B相斷電，轉(zhuǎn)子又逆時針旋轉(zhuǎn)30°。依次類推，定子按A→B→C→A順序通電，轉(zhuǎn)子就一步步地按逆時針方向轉(zhuǎn)動，每步轉(zhuǎn)30°。若改變通電順序，按A→C→B→A使定子繞組通電，步進電動機就按順時針方向轉(zhuǎn)動，同樣每步轉(zhuǎn)30°。步進電機的工作方式三相單三拍方式：“單”是指每次只有一相繞組通電，“三拍”是指每三次換接為一個循環(huán)。由于每次只有一相繞組通電，在切換瞬間將失去自鎖轉(zhuǎn)矩，容易失步，另外，只有一相繞組通電，易在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩，穩(wěn)定性不佳，故實際應(yīng)用中不采用單三拍工作方式。三相雙三拍控制方式：即通電順序按AB→BC→CA→AB（逆時針方向）或AC→CB→BA→AC（順時針方向）進行，其步距角仍為30°。由于雙三拍控制每次有二相繞組通電，而且切換時總保持一相繞組通電，所以工作比較穩(wěn)定。三相六拍控制方式：按A→AB→B→BC→C→CA→A順序通電，即首先A相通電，然后A相不斷電，B相再通電，即A、B兩相同時通電，接著A相斷電而B相保持通電狀態(tài)，然后再使B、C兩相通電，依次類推，每切換一次，步進電動機逆時針轉(zhuǎn)過15°。如通電順序改為A→AC→C→CB→B→BA→A，則步進電動機以步距角15°順時針旋轉(zhuǎn)。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，且轉(zhuǎn)換過程中始終保證有一個繞組通電，工作穩(wěn)定，因此這種方式被大量采用。3.步進電動機的主要性能指標(biāo)

（1）步距角和步距誤差步距角是指每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的一個空間角度。式中，α是步進電動機的步距角；m是電機相數(shù)；Z是轉(zhuǎn)子齒數(shù)；K是系數(shù)，相鄰兩次通電相數(shù)相同（單拍或雙拍工作方式）K=1；相鄰兩次通電相數(shù)不同（單雙拍混合），K=2。同一相數(shù)的步進電動機可有兩種步距角，通常為1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。步距誤差是指步進電動機運行時，轉(zhuǎn)子每一步實際轉(zhuǎn)過的角度與理論步距角之差值。連續(xù)走若干步時，上述步距誤差的累積值稱為步距的累積誤差。步進電動機的步距累積誤差將以一轉(zhuǎn)為周期重復(fù)出現(xiàn)。（2）靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與矩角特性當(dāng)步進電動機上某相定子繞組通電之后，轉(zhuǎn)子齒將力求與定子齒對齊，使磁路中的磁阻最小，轉(zhuǎn)子處在平衡位置不動（θ=0）。如果在電機軸上外加一個負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，轉(zhuǎn)子會偏離平衡位置向負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過一個角度θ，此角度θ稱為失調(diào)角。有失調(diào)角之后，步進電動機就產(chǎn)生一個靜態(tài)轉(zhuǎn)矩（也稱為電磁轉(zhuǎn)矩），這時靜態(tài)轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角θ的關(guān)系叫矩角特性，近似為正弦曲線。該矩角特性上的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。（3）

最大啟動轉(zhuǎn)矩

圖4-11為三相單三拍矩角特性曲線，圖中的A、B分別是相鄰A相和B相的靜態(tài)矩角特性曲線，它們的交點所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩是步進電動機的最大啟動轉(zhuǎn)矩。

如果外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于啟動轉(zhuǎn)矩，電機就不能啟動，因而啟動轉(zhuǎn)矩是電機能帶動負(fù)載轉(zhuǎn)動的極限轉(zhuǎn)矩。

（4）啟動頻率空載時，步進電動機由靜止?fàn)顟B(tài)突然啟動，并進入不失步的正常運行的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率，加給步進電動機的指令脈沖頻率如大于啟動頻率，就不能正常工作。步進電動機在帶負(fù)載（尤其是慣性負(fù)載）下的啟動頻率比空載要低。而且，隨著負(fù)載加大（在允許范圍內(nèi)），啟動頻率會進一步降低。（5）連續(xù)運行頻率步進電動機啟動后，其運行速度能根據(jù)指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運行頻率。其值遠大于啟動頻率，它也隨著電機所帶負(fù)載的性質(zhì)和大小而異，與驅(qū)動電源也有關(guān)系。（6）矩頻特性與動態(tài)轉(zhuǎn)矩矩頻特性是描述步進電動機連續(xù)穩(wěn)定運行時輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運行頻率之間的關(guān)系。當(dāng)步進電動機正常運行時，若輸入脈沖頻率逐漸增加，則電動機所能帶動負(fù)載轉(zhuǎn)矩將逐漸下降。在使用時，一定要考慮動態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運行頻率的上升而下降的特點。4.2.2步進電動機的控制

步進電動機的控制需要有專用的驅(qū)動電源，否則不能正常工作。步進電動機的