自动控制系统控制电机

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控制电机的种类很多， 若按电流分类， 可分为直流和交流两种； 按用途分类， 直流控制电机又可分为直流伺服电动机、 直流测速发电机和直流力矩电动机等； 交流控制电机可分为交流伺服电动机、 交流测速发电机、 步进电动机、 微型同 步电动机等。 • 各种控制电机的用途和功能尽管不同， 但它们基本上可分为信号元件和功率元 件两大类。
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(3) 步进电动机。 步进电动机是一种将脉冲信号转为相应的角位移或 线位移的机电元件。 它由专门的电源供给脉冲信号电 压， 当输入一个电脉冲信号时， 它就前进一步， 输出 角位移量或线位移量与输入脉冲数成正比， 而转速与 脉冲频率成正比。 步进电动机在经济型数控系统中作 为执行元件得到广泛应用。 (4) 微型同步电动机。 微型同步电动机具有转速恒定， 结构简单， 应用 方便等特点， 应用在自动控制系统和其他需要恒定转 速的仪器上。
自动控制系统控制电机
控制电机概述
• • 控制电机的用途和类别 控制电机是构成开环控制、 闭环控制、 同 步联结和机电模拟解算装置等系统的基础元件， 广泛应用于各个部门， 如化工、 炼油、 钢铁、 造船、 原子能反应堆、 数控机床、 自动化仪表 和仪器、 电影、 电视、 电子计算机外设等民用 设备， 或雷达天线自动定位、 飞机自动驾驶仪、 导航仪、 激光和红外线技术、 导弹和火箭的制 导、 自动火炮射击控制、 舰艇驾驶盘和方向盘 的控制等军事设备。
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这些系统能处理包括直线位移、 角位移、 速度、 加速度、 温度、 湿度、 流量、 压力、 液面高低、 比重、 浓度、 硬度 等多种物理量。 • 现以自动控制系统的一个重要分支——按预定要求控制物体 位置的伺服系统为例来说明一下控制电机的种类和用途。 图1为 两种伺服系统的示意方框图。 其中图1（a）为经济型数控机床常 用的步进电动机开环伺服系统， 计算机数控装置给出位移指令脉 冲， 驱动电路将脉冲放大， 去驱动步进电动机按命令脉冲转动， 并带动工作台按要求进行位移。
三相绕组中的通电顺序为：
A相 B相 C相
（a）A相通电 （b）B相通电 （c）C相通电 反应式步进电动机单三拍的工作原理图
三相双三拍
三相绕组中的通电顺序为：
AB 相 BC 相 C A相
（a）A、B相通电 （b）B、C相通电 （c）C、A相通电 反应步进电动机双三拍运行的工作原理图
三相单双六拍（三相六拍）
• (7) 电磁调速电动机。 • 电磁调速电动机是采用电磁转差离合 器调速的异步电动机。 这种电动机可以 在较大的范围内进行无级平滑调速， 是 交流无级调速设备中最简单实用的一种， 在纺织、 印染、 造纸等轻工业机械中得 到广泛应用。
• 1.2 对控制电机的要求及其发展概况 • 1. 对控制电机的要求 • 控制电机是在普通旋转电机的基础上发 展起来的， 其基本原理与普通旋转电机并无 本质区别。 不过， 普通电机的主要任务是 完成能量的转换， 对它们的要求主要着重于 提高效率等经济指标以及起动和调速等性能。 而控制电机的主要任务是完成控制信号的传 递和转换， 因此， 现代控制系统对它的基 本要求是高精确度、 高灵敏度和高可靠性。
反应式步进电机 反应式步进电机又称为可变磁阻式 （Variable Reluctance）步进电机，简称 U1 为VR步进电机。
V2 1 4 3 W1
三相磁阻式步进电动 机原理图
W2 2
V1
U2
步进电机从一相通电换接到另一相通电，称为 一拍，每一拍，转子转过一个固定的角度，称 为步距角θ。 三相单三拍
(b) 全闭环位置伺服控制系统
• 1. 作为信号元件用的控制电机 • (1) 交、 直流测速发电机。 • 测速发电机的输出电压与转速精确地 保持正比关系， 在系统中主要用于转速 检测或速度反馈， 也可以作为微分、 积 分的计算元件。
• (2) 自整角机。 • 自整角机的基本用途是传输角度数据， 一般由两个以上元件对接使用， 输出电压 信号时是信号元件(控制式)， 输出转矩时是 功率元件（力矩式）。 作为信号元件时， 输出电压是两个元件转子角差的正弦函数。 作为功率元件时， 输出转矩也近似为两个 元件转子角差的正弦函数。 自整角机在随 动系统中可作为自整步元件或角度的传输、 变换、 接收元件。

工作台的移动方向由步进电机绕组的通电顺 序或电流方向决定；

受到步距角的限制，并且对系统误差只能采 用软件补偿的方法解决，所以精度较低；

受到步进电机运行频率的限制，所以速度较 慢。

步进电机
用电脉冲进行控制，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。
特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。
• 2. 作为功率元件用的控制电机 • (1) 交流和直流伺服电动机。 • 交、 直流伺服电动机在系统中作执行 元件， 其转速和转向取决于控制电压的 大小和极性（或相位）， 机械特性近于 线性， 即转速随转矩的增加近似线性下 降， 比普通电动机的控制精度高。 使用 时， 电动机通常经齿轮减速后带动负载， 所以又称为执行电动机。 •
步进电机控制系统— —步进电机和步进电 机驱动器
概述
特点：

没有位置反馈和速度反馈回路；


多使用步进电机作为驱动电机；
在工作频率范围内，系统每发出一个脉冲， 步进电机就转过一定的角度（步距角）；
工作台的位移量由发送给步进电机的脉冲数 量决定；

工作台的移动速度由发送给步进电机的脉冲 频率决定；

l
360
o
i
其中l为丝杠螺距，i为减速齿轮副的传动比。 最大静态转矩Mjmax：步进电机在不改变通电 状态时（转子处在不动状态，即静态），在电 机轴上外加负载转矩，转子会转过一定的角度 （失调角），负载撤销后，转子又回到原来的 位置。步进电机所能够承受的该类负载转矩的 最大值称为最大静态转矩。 最大静态转矩反映了步进电机工作时的带载能力。
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表征快速响应的主要指标有灵敏度和 机电时间常数等。 • 高可靠性是指控制电机对不同的使用 环境应有广泛的适应性， 在较差的环境 中能非常可靠地工作。
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目前在自动化系统中， 常用数字计算 机进行控制， 而在它的输出设备中又要 将数字信号转换成角位移或线位移， 即 实现数模转换。 步进电动机的工作特性 完全适合这种要求， 因此得到较快发展。 在数字计算机输入设备中， 为了进行模 数转换， 出现了多相自整角机和多相旋 转变压器。
三相绕组中的通电顺序为：
A相 AB相 B相 BC相 C相 CA相
（a）A相通电 （b）AB相通电 （c）B相通电 反应式步进电动机单双六拍的工作原理图
性能指标
步距角θ：步进电机每接收到一个控制脉冲 转子转过的角度。

360
o
Z N
其中Z为转子齿数，为N供电方式的拍数。 步距角决定了系统的分辨率。步进电机每 转动一个步距角引起的工作台移动距离称 为脉冲当量δ。
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高精确度是指控制电机的实际特性与理想特性 的差异应 越小越好。 对功率元件来说， 是指其特 性的线性度和不灵敏区； 对信号元件来说， 则主 要指静态误差、 动态误差以及环境温度、 电源频 率和电源电压的变化所引起的漂移。 这些特性都 直接影响整个系统的精确度。 高灵敏度是指控制 电机的输出量应能迅速跟上输入信号的变化， 即 对输入信号能做出快速响应。 目前， 自动控制系 统中的控制指令是经常变化的， 有时极为迅速， 因而控制电机， 特别是功率元件能否对输入信号 做出快速响应， 会严重影响整个系统的工作。
n
60 f NZ r
脉冲频率
转子旋转一周所需的脉冲数
U1
小步距角的步进电动机
实际采用的步进电机的步距 角多为3度和1.5度，步距角 越小，机加工的精度越高。
V2
W2
W1 U2
V1
为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子 40个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁极上也有五个齿。
不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线 分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并 且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这 是步进电机旋转的物理条件。 只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的 步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以 二、三、四、五相为多。
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• (5) 磁滞电动机。 • 磁滞电动机具有恒速特性， 亦可在异步 状态下运行， 主要用于驱动功率较小的要 求转速平稳和起动频繁的同步驱动装置中。 • (6) 单相串励电动机。 • 单相串励电动机是交直流两用的， 多数 情况下使用交流电源。 由于它具有较大的 起动转矩和软的机械特性， 因而广泛应用 在电动工具中， 如手电钻就采用这种电动 机。
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(3) 旋转变压器。 旋转变压器是一种电磁式传感器，又称同步分解器。 它是一种测量角度用的小型交流电动机，用来测量旋 转物体的转轴角位移和角速度，由定子和转子组成。 其中定子绕组作为变压器的原边，接受励磁电压，励 磁频率通常用400、3000及5000HZ等。转子绕组作为 变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压。 • 普通旋转变压器都做成一对磁极， 其输出电压 是转子转角的正弦、 余弦或其他函数， 主要用于坐标 变换、 三角运算， 也可以作为角度数据传输和移相元 件使用。 多极旋转变压器是在普通旋转变压器的基础 上发展起来的一种精度可达角秒级的元件， 在高精度 解算装置和多通道系统中用作解算、 检测元件或实现 数模传递。
• (2) 电机扩大机。 • 电机扩大机可以利用较小的功率输入 来控制较大的功率输出， 在系统中作为 功率放大元件。 电机扩大机的控制绕组 上所加的电压一般不高， 励磁电流不大， 而输出电动势较高， 电流较大， 这就是 功率放大。 电机扩大机的放大倍数可达 1000～10000倍， 也可作为自动调节 （A-G-M）系统中的调节元件。
(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。