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控制电机论文学生姓名： 任课教师： 学生学号： 专 业：电气工程信息技术学院2012 年 3 月控制电机综述 控制电机作为微特电机的主要分支，其结构和原理有别于普通电机，并且种类众多。本书的编写始终贯彻以控制电机基本结构、工作原理和运行特性为主线的指导思想，同时兼顾控制电机的合理选择和实际应用。在控制电机种类方面选择了比较典型的旋转变压器、自整角机、测速发电机、伺服电动机、步进电动机和各类微特同步电动机，对新结构和新原理的控制电机也作了一定的介绍。全书共分为9章，包括伺服电动机、测速发电机、自整角机、旋转变压器和步进电动机等。1、控制电机的分类控制电机根据在自动控制系统中的作用，分为以下几类：（1）执行元件（功率元件）l 直流伺服电动机l 交流伺服电动机l 步进电动机l 无刷直流电动机作用是将电信号转换成轴上的角位移或角速度以及直线位移和线速度，并带动控制对象运动。（2）测量元件（信号元件）l 自整角机 l 交、直流测速发电机 l 旋转变压器作用是测量机械转角、转角差和转速，在控制系统中作为敏感元件和校正元件。执行元件主要包括交、直流伺服电动机、步进电机等，它的任务是将输入的电信号转换成轴上的角位移或角速度的变化；测量元件主要包括交、直流测速发电机，自整角机等，它可以用来测量机械转角、转较差和转速等。2、各类控制电机的简介2.1旋转变压器旋转变压器（resolver）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，由锭子和转子组成。旋转变压器在同步随动系统及数字随动系统中可用于传递转角或电信号；在解算装置中可作为函数的解算之用，故也称为解算器。旋转变压器一般有两极绕组和四极绕组两种结构形式。两极绕组旋转变压器的锭子和转子各有一对磁极，四极绕组则各有两队磁极，主要用于高精度的检测系统。除此之外，还有多极式旋转变压器，用于高精度绝对式检测系统。 按输出电压与转子转角间的函数关系，主要分三大类旋转变压器：1、正-余弦旋转变压器，其输出电压与转子转角的函数关系成正弦或余弦函数关系。2、线性旋转变压器，其输出电压与转子转角成线性函数关系。 线性旋转变压器按转子结构又分成隐极式和凸极式两种。3、比例式旋转变压器，其输出电压与转角成比例关系。 旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测装置，适用于所有使用旋转编码器的场合，特别是高温、严寒、潮湿、高速、高震动等旋转编码器无法正常工作的场合。由于旋转变压器以上特点，可完全替代光电编码器，被广泛应用在伺服控制系统、机器人系统、机械工具、 汽车、电力、冶金、纺织、印刷、航空航天、船舶、兵器、电子、冶金、矿山、油田、水利、化工、轻工、建筑等领域的角度、位置检测系统中。也可用于坐标变换、三角运算和角度数据传输、作为两相移相器用在角度-数字转换装置中。2.2自整角机 利用自整步特性将转角变为交流电压或由转角变为转角的感应式微型电机，在伺服系统中被用作测量角度的位移传感器。自整角机还可用以实现角度信号的远距离传输、变换、接收和指示。自整角机按用途分为力矩式和控制式(变压器式)两种。 力矩式自整角机大多数采用两极凸极式结构，只在频率较高、尺寸较大时才采用隐极式结构。定、转子铁芯上分别装嵌单相激磁绕组和三相整步绕组。三相整步绕组为分布式星形接线,各相轴心线在空间相差120。转子绕组通过滑环和电刷引出接线的为接触式自整角机；通过电磁耦合方法引出接线的为无接触式自整角机，后者无接触摩擦和无线电干扰,但结构复杂,性能指标和利用率低。 控制式自整角接收机（自整角变压器）多采用隐极式结构，并在转子上装设高精度的正弦绕组。两台控制式自整角机与力矩式自整角机相似可组成角度测量系统，也可以有差动工作方式。 2.3测速发电机测速发电机是一种测量转速的微型发电机，他把输入的机械转速变换为电压信号输出，并要求输出的电压信号与转速成正比。 测速发电机分为直流测速发电机和交流测速发电机两大类 。直流测速发电机是一种测速元件，它把转速信号转换成直流电压信号输出。直流测速发电机广泛地应用于自动控制、测量技术和计算机技术等装置中。直流测速发电机可分为电磁式和永磁式两种。电磁式励磁绕组接成他励，永磁式采用矫顽力高的磁钢制成磁极。交流测速发电机有空心杯转子异步测速发电机、笼式转子异步测速发电机和同步测速发电机3种。测速发电机广泛用于各种速度或位置控制系统。在自动控制系统中作为检测速度的元件，以调节电动机转速或通过反馈来提高系统稳定性和精度；在解算装置中可作为微分、积分元件，也可作为加速或延迟信号用或用来测量各种运动机械在摆动或转动以及直线运动时的速度。2.4伺服电动机伺服电动机是用作自动控制装置中执行元件的微特电机。又称执行电动机。其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度。伺服电动机分交、直流两类。交流伺服电动机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格等特点。直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。 直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。通常应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控制等。交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广泛，如用在各种自动控制、自动记录等系统中。2.5微型同步电机微型同步电机的额定功率从零点几瓦到数百瓦，由于同步电动机的转速在一定的输出功率范围内是不随负载变化的这种恒速特性使得微型同步电机在诸如电报传真机、磁带录音机和各种精密的计时或是记录装置中得到了广泛的应用。微型同步电机按定子绕组所接电源相数不同，可分为三相和单相同步电机两大类。三相微型同步电机的定子结构与普通三相同步电机相同。在定子铁芯槽内嵌放有彼此相差120电度角的三相绕组。工作时，由三相电源供电。单相微型同步电机的定子结构与单相异步电机相同，又分为两相起动式和罩极式两种。工作时有单相电源供电。2.6无刷直流电动机一种用电子换向的小功率直流电动机。又称无换向器电动机、无整流子直流电动机。它是用半导体逆变器取代一般直流电动机中的机械换向器，构成没有换向器的直流电动机。这种电机结构简单，运行可靠，没有火花，电磁噪声低，广泛应用于现代生产设备、仪器仪表、计算机外围设备和高级家用电器。无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。同步电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。而转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。2.7步进电动机步进电动机把电脉冲信号变换成角位移以控制转子转动的微特电机。在自动控制装置中作为执行元件。每输入一个脉冲信号，步进电动机前进一步，故又称脉冲电动机。步进电动机分为机电式及磁电式两种基本类型。机电式步进电动机由铁心、线圈、齿轮机构等组成。螺线管线圈通电时将产生磁力，推动其铁心心子运动，通过齿轮机构使输出轴转动一角度，通过抗旋转齿轮使输出转轴保持在新的工作位置；线圈再通电，转轴又转动一角度，依次进行步进运动。磁电式步进电动机主要有永磁式、反应式和永磁感应子式3种形式。 步进电机主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。步进电动机已广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、自动记录仪、钟表等之中，另外在工业自动化生产线、印刷设备等中亦有应用。2.8直线电动机直线电动机也称线性电机，线性马达，直线马达，推杆马达。最常用的直线电机类型是平板式和U 型槽式，和管式。 线圈的典型组成是三相，有霍尔元件实现无刷换相。直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。直线电机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。步进电机的应用 步进电机在各个领域的应用都非常的广泛，步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要a/d转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进电机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也可以并用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。 下面以三相反应式步进电机为例，浅谈步进电机的控制系统及在包装行业的应用：1、关于步进电动机基本工作原理 步进电机其典型结构如图3所示。当A 相控制绕组接通脉冲电流时，在磁拉力作用下使A 相的定、转子对齐，相邻的B 相和D 相的定、转子小齿错开。若换成B 相通电，则磁拉力使B 相定、转子小齿对齐（转过），而与B 相相邻的C 相和A相的定、转子小齿又错开，即步进电机转过一个步距角。若按A BCA规律循环顺序通电，则步进电机按一定方向转动。若改变通电顺序为：ACBA ，则电机反向转动。这种控制方式称为三相单三拍。若按ABBCCAAB 或AABBBCCCAA 顺序通电则称为三相双拍或三相单、双六拍。无论采用哪种控制方式，在一个通电循环内，步进电机的转角恒为一个齿距角。所以，可以通过改变步进电机通电循环次序来改变转动方向，可以通过改变通电频率来改变其角频率。运用单片机的输出功能，通过编程实现输出3 个信号分别给步进电机的三相A、B、C ，并通过输出时信号的循环次序，来设定步进电机的转动方向及输出信号的频率以便设定步进电机的转动频率。步进电机的输出力矩与电机的有效体积、线圈匝数、磁通量、电流成正比，因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之越小。 图3 步进电机结构2、步进电动机装置的选用步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。1、步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。2、静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）3、电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）4、力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下： P= M =2n/60 P=2nM/60其中P为功率单位为瓦，为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿米P=2fM/400(半步工作）其中f为每秒脉冲数（简称PPS)3、硬件部分设计本系统是基于提高智能化及灵活性而设计的，对于步进电机的转动频率、转动方向、转动步数、转动位置和停止等通过键盘输入相应指令，由单片机输出步进电机控制信号来实现控制。用数码管显示输入的参数，并在工作时显示剩下的转矩数。运用8279 可编程键盘/ 显示器接口芯片作为键盘及显示器接口。运用2 块7407 芯片作为4 位数码管的驱动。其硬件电路如图4 所示。本系统采用AT89C52 单片机产生控制信号。单片机内部的RAM 和ROM 即可满足该项目的要求，在以后的实际运用中，如需扩展较多的外部RAM 和ROM 时，可加上数据缓冲器。步进电机控制信号通过AT89C52 单片机的Pl 口的Pl. 0、Pl. l、Pl. 2、Pl. 3 四个口输出的具有时序的方波，经74HC04 芯片（为方便输出，起非门的作用）作为步进电机的控制信号。为了增加步进电机工作的灵活性，在启动步进电机工作之后，当有键按下时，设置产生外部中断，达到灵活控制步进电机的目的。图4 硬件电路图4、软件程序设计在单片机控制步进电机系统中，相应的控制信号由单片机来产生，根据需要通过键盘输入步进电机的转动方向、转动速率及转矩数，在工作时用数码管来显示剩下的转矩数。所以，软件部分由4 大模块组成：系统监控、键盘扫描及处理、显示程序、控制信号产生程序。在监控模块中，应完成系统的启动，进行键盘扫描，得到相应键值，完成对步进电机转动方向、转动速率及转动的转矩数的设置，并启动步进电机按照要求进行工作。为增加控制的灵活性，键盘输入数据及启动命令采用中断的方式来实现。所以监控程序只完成对系统的初始化设置，通过键盘中断，实现键盘扫描及处理程序的跳转。键盘扫描及处理、显示模块完成对键盘有无键按下进行确认，当有键按下时，确定按键值，并根据所得键值进行处理（ 包括所按键是不是输入键还是执行键。如是输入键，启动数据输入程序；如是执行键就启动产生步进电机控制信号程序）。显示模块主要是完成在进行数据输入时，显示输入的数据值（ 转矩数、转动方向、转动速率及运行方式）。控制信号产生模块根据从键盘上输入的数据（ 包括转矩数转动方向、转动速率及运行方式），产生步进电机控制信号，通过单片机AT89C52 的Pl 口输出。5、步进电机在横封中的使用在陆续式包装机中，横封是一个很紧要的执行机构，也是包装机中比拟复杂的机构之一。特殊关于有色档的包装膜，其封口和