項(xiàng)目2控制電機(jī)的應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)機(jī)電設(shè)備電氣控制技術(shù)基礎(chǔ)西安電子科技大學(xué)出版社1、了解常用控制電機(jī)的種類與目前的應(yīng)用現(xiàn)狀；2、理解步進(jìn)電機(jī)的工作原理，能對(duì)常見的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制應(yīng)用；3、理解伺服電機(jī)的工作原理，能對(duì)常見的伺服電機(jī)進(jìn)行控制應(yīng)用；4、了解測(cè)速發(fā)動(dòng)機(jī)、直線電動(dòng)機(jī)等其它控制電機(jī)的原理及應(yīng)用。項(xiàng)目描述機(jī)電設(shè)備電氣控制技術(shù)基礎(chǔ)西安電子科技大學(xué)出版社在現(xiàn)代電氣控制應(yīng)用領(lǐng)域，各種功能的特種控制電機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)變得非常普及，熟悉并掌握常見的控制電機(jī)的原理與使用方法已經(jīng)成為現(xiàn)代電氣工程人員的必修環(huán)節(jié)，本項(xiàng)目主要針對(duì)目前行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的幾類控制電機(jī)，作了簡(jiǎn)單的原理與應(yīng)用介紹。項(xiàng)目2控制電機(jī)的應(yīng)用知識(shí)鏈接機(jī)電設(shè)備電氣控制技術(shù)基礎(chǔ)西安電子科技大學(xué)出版社一、常用控制電機(jī)的認(rèn)知對(duì)于常用的控制電機(jī)，迄今為止國(guó)內(nèi)外都未對(duì)它作過明確的定義和分類，通?？梢灾冈诠ぷ髟?、結(jié)構(gòu)、性能或設(shè)計(jì)方面比傳統(tǒng)電機(jī)有獨(dú)特之處，且已有或即將有廣泛應(yīng)用場(chǎng)合的電機(jī)。特種電機(jī)也可理解為主要指容量和尺寸都比較小的特殊用途電機(jī)。其包括的范圍相當(dāng)廣，按用途不同大體可分為驅(qū)動(dòng)用特種電機(jī)、控制用特種電機(jī)和電源用特種電機(jī)。驅(qū)動(dòng)用特種電機(jī)主要作為驅(qū)動(dòng)機(jī)械或裝備之用，例如直線電動(dòng)機(jī)、微型同步電動(dòng)機(jī)、永磁電機(jī)等。控制用特種電機(jī)主要是在自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算裝置中作檢測(cè)、放大、執(zhí)行和校正元件使用的電機(jī)，如伺服電機(jī)步進(jìn)電機(jī)、測(cè)速發(fā)電機(jī)、自整角機(jī)等。項(xiàng)目2控制電機(jī)的應(yīng)用機(jī)電設(shè)備電氣控制技術(shù)基礎(chǔ)西安電子科技大學(xué)出版社二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用（一）概述

步進(jìn)電機(jī)是用電脈沖信號(hào)控制，并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的控制電機(jī)。它的運(yùn)動(dòng)形式與普通多速旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)有定的差別，其定子繞組上雖然也布置有相差定電角度的兩相或三相繞組,但通人定子繞組中的不是按一定規(guī)律連續(xù)變化的正弦交流電.而是有一定時(shí)間間隔的電脈沖信號(hào),輸人個(gè)電脈沖，它就移進(jìn)步，所以稱為步進(jìn)電機(jī)，又因其繞組上所加的為脈沖電源，因此又稱為脈沖電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)能快速起動(dòng)、反轉(zhuǎn)及制動(dòng)，有較大的調(diào)速范圍，不受電壓、負(fù)載及環(huán)境條件變化的影響，在數(shù)控技術(shù)、自動(dòng)繪圖設(shè)備、自動(dòng)記錄設(shè)備工業(yè)設(shè)施的自動(dòng)控制、家用電器等許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。機(jī)電設(shè)備電氣控制技術(shù)基礎(chǔ)西安電子科技大學(xué)出版社圖2-1數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)示意圖機(jī)電設(shè)備電氣控制技術(shù)基礎(chǔ)西安電子科技大學(xué)出版社步進(jìn)電機(jī)種類繁多，按運(yùn)動(dòng)方式可分為旋轉(zhuǎn)型和直線型兩種。通常使用的旋轉(zhuǎn)型步進(jìn)電機(jī)又可分為反應(yīng)式、永磁式和永磁感應(yīng)式三種。永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子用永久磁鋼制造，一般為兩相，它的轉(zhuǎn)矩和體積都比較小。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，它的轉(zhuǎn)子使用高磁導(dǎo)率的軟磁材料制成。由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)具有慣性小、反應(yīng)快和速度高等優(yōu)點(diǎn)，故應(yīng)用較多。永磁感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)綜合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，今后將使用得越來越多。機(jī)電設(shè)備電氣控制技術(shù)基礎(chǔ)西安電子科技大學(xué)出版社二）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)利用磁阻轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，是我國(guó)目前生產(chǎn)及使用最廣泛的步進(jìn)電機(jī)之一。1.三相單三拍控制圖2-2三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理(三相單三拍運(yùn)行)定子三相繞組按A→B→C→A的順序輪流通電，則轉(zhuǎn)子就沿順時(shí)針方向一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)，每一步轉(zhuǎn)過30°電角度。機(jī)電設(shè)備電氣控制技術(shù)基礎(chǔ)西安電子科技大學(xué)出版社2.三相六拍控制（a）A相通電

（b）A、B兩相通電

（c）B相通電通電順序?yàn)锳→A、B→B→B、C→C→C、A→A,即每一循環(huán)共六拍，其中三拍為單相通電，三拍為兩相通電。三相六拍通電時(shí)步距角為15°電角度。機(jī)電設(shè)備電氣控制技術(shù)基礎(chǔ)西安電子科技大學(xué)出版社上面討論的步進(jìn)電機(jī)的步距角都比較大，往往不能滿足傳動(dòng)設(shè)備對(duì)精度的要求。為了減小步距角，步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)是將定子的每一個(gè)極分成許多小齒，轉(zhuǎn)子也由許多小齒組成，圖2-4所示結(jié)構(gòu)是最常用的一種小步距角三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。其定子上有6個(gè)極，上面裝有控制繞組且連成以A、B、C三相。轉(zhuǎn)子上均勻分市40個(gè)齒，定子每個(gè)極面上也各有5個(gè)齒。定子、轉(zhuǎn)子的齒距都相同。通過分析可知：當(dāng)采用三相單三拍通電方式，即當(dāng)控制繞組按A→B→C→A順序循環(huán)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子就沿順時(shí)針方向以每一拍轉(zhuǎn)過3°的方式轉(zhuǎn)動(dòng):若采用三相六拍通電方式進(jìn)行，即按A→A、B→B→B、C→C→C、A→A順序循環(huán)通電，步距角也將減小一半，即每拍轉(zhuǎn)子僅轉(zhuǎn)過1.5°。機(jī)電設(shè)備電氣控制技術(shù)基礎(chǔ)西安電子科技大學(xué)出版社（a）實(shí)際結(jié)構(gòu)原理（b）定子、轉(zhuǎn)子展開圖

圖2-4小步距角三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)機(jī)電設(shè)備電氣控制技術(shù)基礎(chǔ)西安電子科技大學(xué)出版社（三）永磁式步進(jìn)電機(jī)永磁式步進(jìn)電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)如圖2-5所示，它的定子為凸極式結(jié)構(gòu)，在定子上布置有兩相繞組或多相繞組;轉(zhuǎn)子由一對(duì)或若干對(duì)呈星形的永久磁鋼組成，且轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)必須與定子每相繞組產(chǎn)生的磁極數(shù)相等。永磁式步進(jìn)電機(jī)的工作原理與反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相仿，也可按定子繞組通電順序的不同而輸出不同的步距角。圖2-5永磁式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)機(jī)電設(shè)備電氣控制技術(shù)基礎(chǔ)西安電子科技大學(xué)出版社（四）混合式步進(jìn)電機(jī)混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)合了反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)。其定子結(jié)構(gòu)與單段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相同，轉(zhuǎn)子則由環(huán)形磁鐵和兩段鐵芯組成。每段鐵芯沿外圓周方向開有小齒，兩段鐵芯上的小齒彼此錯(cuò)開1/2齒距。混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角較小，起動(dòng)和運(yùn)行頻率較高，消耗的功率也較小，且斷電時(shí)具有自鎖能力，因而兼有反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是：需正、負(fù)脈沖供電，制造復(fù)雜。機(jī)電設(shè)備電氣控制技術(shù)基礎(chǔ)西安電子科技大學(xué)出版社三、伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用（一）概述上節(jié)介紹的用于機(jī)電一體化系統(tǒng)或自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件的步進(jìn)電機(jī)主要使用于開環(huán)系統(tǒng)中。在結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，動(dòng)作精度要求高的數(shù)控設(shè)備或自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用步進(jìn)電機(jī)控制的開環(huán)系統(tǒng)往往不能滿足需要，這時(shí)需采用由伺服電機(jī)控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，執(zhí)行元件由伺服電機(jī)擔(dān)任，并增加了速度檢測(cè)元件來測(cè)量伺服電機(jī)的速度，位置檢測(cè)元件來測(cè)量工作臺(tái)的位置，并通過速度或位置反饋信號(hào)（負(fù)反饋）來調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的速度和工作臺(tái)的位置，以滿足整個(gè)系統(tǒng)的精度要求，如圖2-6所示。機(jī)電設(shè)備電氣控制技術(shù)基礎(chǔ)西安電子科技大學(xué)出版社伺服電機(jī)又稱為執(zhí)行電機(jī)（其外形如圖2-7所示）。伺服電機(jī)按使用電源的不同可分為交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)兩大類。圖2-7何服電機(jī)的外形機(jī)電設(shè)備電氣控制技術(shù)基礎(chǔ)西安電子科技大學(xué)出版社伺服電機(jī)種類繁多,用途也日益擴(kuò)大。自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)它的基本要求可歸結(jié)如下:較寬的調(diào)速范圍，即伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速能隨著控制電壓的改變?cè)谳^寬的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。(2)線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性，即伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的變化或轉(zhuǎn)速隨控制電壓的變化呈線性關(guān)系。(3)快速響應(yīng)性，即何服電機(jī)的轉(zhuǎn)速能隨控制電壓變化而迅速變化。(4)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，即控制電壓消失，伺服電機(jī)立即停轉(zhuǎn)。機(jī)電設(shè)備電氣控制技術(shù)基礎(chǔ)西安電子科技大學(xué)出版社（二）交流伺服電機(jī)交流何服電機(jī)又稱兩相伺服電機(jī)，它的結(jié)構(gòu)與電容運(yùn)行單相異步電動(dòng)機(jī)相似，也有在空間互差90°電角度的兩相繞組，一組為勵(lì)磁繞組f，它與電容器C串聯(lián)后接至交流勵(lì)磁電源uf；另一組為控制繞組c，外加的控制電壓作為信號(hào)輸人該繞組，如圖2-8所示。圖2-8交流伺服電機(jī)機(jī)電設(shè)備電氣控制技術(shù)基礎(chǔ)西安電子科技大學(xué)出版社當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時(shí)、可以通過調(diào)節(jié)加在控制繞組c上的信號(hào)電壓大小及相位來達(dá)到改變交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。因此，交流何服電機(jī)的控制方式有以下三種：1．幅值控制2．相位控制3．幅值-相位控制交流伺服電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲小，反應(yīng)迅速、靈敏。但由于其機(jī)械特性是非線性的，且由于轉(zhuǎn)子電阻大使損耗，,效率低，故一般只用于0.5～100W小功率控制系統(tǒng)中。機(jī)電設(shè)備電氣控制技術(shù)基礎(chǔ)西安電子科技大學(xué)出版社（三）直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)是功率容量和體積都很小的微型他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)與工作原理都與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)相同。所不同的是伺服電機(jī)的電樞電流很小，換向并不困難，因此不裝換向磁極。為了減少轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使其容易起動(dòng)和停止，常采用空心杯形轉(zhuǎn)子形式或把轉(zhuǎn)子做得比較細(xì),轉(zhuǎn)子與定子間的空氣隙也較小。直流伺服電機(jī)根據(jù)磁極的種類分為兩種。一種是永磁式，如圖2-10所示。它的磁極是永久磁鐵（磁鋼），省去了勵(lì)磁繞組。另一種是電磁式。圖2-10永磁式直流何服電機(jī)機(jī)電設(shè)備電氣控制技術(shù)基礎(chǔ)西安電子科技大學(xué)出版社四、測(cè)速發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)介

測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種能將旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速變換成電壓信號(hào)輸出的小型發(fā)電機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算裝置中常作為測(cè)速元件、校正元件和解算元件使用。測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要特點(diǎn)是其輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。測(cè)速發(fā)電機(jī)主要有以下幾類:1)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)。根據(jù)其勵(lì)磁方式的不同可分為永磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)和電磁式直流

測(cè)速發(fā)電機(jī)兩大類。2)交流測(cè)速發(fā)電機(jī)。根據(jù)工作原理的不同可分為同步測(cè)速發(fā)電機(jī)和異步測(cè)速發(fā)電機(jī)兩大類。3)霍爾效應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)。機(jī)電設(shè)備電氣控制技術(shù)基礎(chǔ)西安