自动控制元件课件.docx

绪论熟悉控制元件在自动控制系统中的作用，熟练掌握自动控制元件的分类，熟练掌握直流伺服电动机的静态和动态基本关系式。一、自动控制元件定义组成自动控制系统的基本单元。二、自动控制元件的分类：（一）按作用分为功率元件和信号元件1、功率元件：进行电-机能量转换的元件，如各种电机；2、信号元件：进行机-电能量转换的元件，如测速发电机，自整角机。（二）按功能分1、测量元件：把被测量转换为另外一种易于显示和传输记录的物理量；2、变换元件：根据执行元件的需要，将误差信号由交流变为直流，或者直流变为交流；3、放大元件：将微弱的误差信号放大；4、执行元件：把放大信号转变为机械位移，以带动被控对象运动；5、校正元件：用于改善系统的品质。（三）按电流分直流元件，交流元件，脉冲元件。三、自动控制元件字自控系统中的运用举例：火炮随动系统，导弹控制系统，数控机床四、自控系统对控制元件的要求高可靠性：控制元件的高可靠性对保证自动控制系统的正常工作极为重要。高精度：精度是指实际特性与理想特性的差异，差异越小，则元件的精度越高。快速响应：执行电机的快速性，直接影响整个系统的快速性。五、预备知识基本物理量：磁感应强度B，磁通量，磁场强度H，磁导率磁性材料的主要特性：高导磁性，磁饱和性，磁滞特性。磁路及其基本定律：磁通连续定律，磁场的安培环路定律，电磁感应定律第一章 直流伺服电动机熟练掌握直流伺服电动机的静态和动态特性，熟练掌握阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程。掌握直流伺服电动机的选择与使用，熟悉直流力矩电动机。一、直流电动机的优点：调速范围广，易于平滑调节；过载、启动、制动转矩大；易于控制，控制装置的可靠性高；调速时的能量损耗较小。二、直流伺服电动机在控制系统中的作用：执行元件三、直流电机的原理如图所示，电刷A、B分别与两个半圆环接触，这时A、B两电刷之间输出的是直流电。我们再来看看这时线圈在磁极之间运动的情况。从图1（a）可以看出，当线圈的ab边在N极范围内按逆时针方向运动时，应用发电机右手定则，这时所产生的电动势是从b指向a。这时线圈的cd边则是在S极范围内按逆时针方向运动，依据发电机右手定则可以判断，cd边中的感应电动势方向是从d指向c。从整个线圈来看，感应电动势的方向是d-c-b-a。因此，和线圈a端连接的铜片1和电刷A是处于正电位；而和线圈的d端连接的铜片2和电刷B是处于负电位。如果接通外电路，那么电流就从电刷A经负载流入电刷B，与线圈一起构成闭合的电流通路。当线圈的ab边转到S极范围内时，cd边就转到N极范围内（图1，b），用右手定则判断可以知道，这时线圈cd边中产生的电动势方向是从c到d，而ab边转到了S极范围内，其中电动势的方向则是有a到b。由于电刷在空间是不动的，因此和线圈d端连接的铜片2和电刷A接触，它的电位仍然是正。而与线圈a端连接的铜片1则和电刷B接触，它的电位仍然是负。接通外电路时，电流仍然是从电刷A经负载流入电刷B，与线圈一起构成闭合的电流通路。不过，要注意到这时线圈内的电流已经反向了。四、直流电机的分类：电磁式和永磁式（一）励磁方式：他励直流电机和自励直流电机（又分为并励，串励和复励）直流电机的励磁方式五、直流电动机的铭牌数据额定功率Pe、额定电压Ue、额定电流Ie、额定转速Ne、额定转矩额定转矩、转速和功率之间的关系：六、直流电机的磁场和转速电枢绕组的电枢电势：电动机电枢线圈通电后在磁场中受力而旋转。当电枢在磁场中转动时线圈中也要产生感应电动势，称为电枢电势。由右手定则，电枢电势的方向与电流、或外加电压的方向总是相反，故又称反电动势。其大小表示为：（单位：V）。其中：是由电机结构确定的一个常数，称为电势常数；为每极磁通，单位为Wb；为电枢转速，单位为r/min。电枢电势的方向由磁通方向和电枢的旋转方向决定，改变其中任何一个的方向，其方向都会随之改变。电枢绕组的电磁转矩：电枢绕组的电磁转矩是由电枢电流和主磁场共同作用产生的（左手定则），它是驱动转矩，使电枢转动。其大小表示为（单位：Nm）。 电磁转矩的方向由磁通方向和电枢电流方向决定，改变其中任意一个的方向，电磁转矩的方向都会随之改变。七、直流电机的基本关系（一）电势平衡关系静态： 发电机： 电动机：动态： 发电机： 电动机：（二）转矩平衡关系静态： 发电机： 电动机：动态： 发电机： 电动机：八、直流伺服电动机的特性（一）静态时的机械特性保持不变时， （二）不同硬度时的机械特性为硬度。（三）不同控制电压时的机械特性（Td为堵转转矩）（四）直流伺服电机控制特性曲线簇九、直流伺服电动机的工作状态电源电压、电流、电磁转矩、能量关系、转速。（均低于堵转电流、转矩），转速低于空载转速。十、发电机的工作状态电源电压、电流、电磁转矩、能量关系、转速。转速高于理想空载转速。十一、 阶跃控制电压下直流伺服电动机的过渡过程（一）过渡过程曲线（二）动态参数机电时间常数：十二、直流伺服电动机的选择（一）型号与额定值（二）电机参数的选择功率：转矩：（三）电动机与负载的惯量匹配快速性是控制系统对电动机的基本要求。转动惯量大的电机时间常数大，速度响应慢。但小惯量电机的热容量很小，高速起动、制动或反向会使电枢电流急剧加大而使电机损坏。一般有如下关系式：十三、直流力矩电动机它是一种可直接与负载耦合的低速直流伺服电动机。（一）特点：低速、大力矩。（二）优点：耦合刚度高、响应速度快、机械特性和控制特性的线性度好，硬度大；能在堵转和低速下运行。（三）结构特点（四）运行性能分析：电枢直径对转矩的影响：正比关系。电枢直径对空载转速的影响：反比关系力矩波动：输出转矩的峰值与平均转矩之差。电磁时间常数：极对数越多，电磁时间常数越小。第一章 直流伺服电动机 拓展资源本章主要讲述直流伺服电动机的工作原理及其应用，下面我们再讲讲淡季直流电动机的相关知识，以拓宽同学们的视野。单极直流电动机它是一种电枢导电部分始终工作于单一极性磁场中的直流电机。它是一种低压大电流无换向器的直流电机。当两个环形励磁线圈通直流电时，电机气隙的整个圆周上将产生单一极性的磁场。当转轴带动圆筒形铜质电枢旋转时，枢轴向两端即感生电动势，其方向是固定不变的。此电动势由电刷从电枢两端引出。电刷的作用只是引出电流，无换向问题。由于电枢是一个铜环，无需绝缘，它发热小，耐高热；加上这种电机结构简单、维护容易和可靠性高等优点，在冶炼及电化学行业中获得广泛应用。 单极直流电机电压低，电流大。电压只有几伏或十几伏，而电流可达几百安，几千安，甚至上万安。因此电刷的接触损耗和发热相当大，磨损也快。实用上应尽可能加多并联电刷的数目,采用接触电压降小的铜-石墨电刷，或用导电和导热更好的液态金属，如水银或钠钾合金等做电刷。 要提高单极直流电机电压，就必须提高气隙磁通密度和转速。转速受旋转体机械强度的限制，气隙磁通密度则受铁磁饱和限制，都不能过高。如采用超导技术则可使单机功率比普通电机提高十几倍以上。第二章 直流测速发电机熟练掌握直流测速发电机的输出特性及其误差分析，掌握直流测速发电机在控制系统中的应用。一、直流测速发电机一种把机械转速变换成电压信号的测量元件，除了能作为测量元件，还可以当做阻尼元件，以及解算装置中的微分元件和积分元件。直流测速发电机工作原理直流发电机的工作基于电磁感应定律，如图11所示为其原理示意图。直流发电机采用固定的磁极和旋转的电枢，有与电枢同步旋转的换向片(换向器)和与换向片相接触的空间位置固定的电刷A和B，换向器与电刷构成机械整流子，转子绕组任一线圈的两边分别接到互相绝缘的两片换向片上。由图中可见，线圈abcd通过换向片和电刷与外电路接通，从而形成一个闭合回路。根据电磁感应定律，当电机转子(又称电枢)在原动机驱动下匀速旋转时，导体内将感应交流电动势为：二、直流测速发电机的静态关系式三、控制系统对直流测速发电机的主要技术要求：（一）输出电压要与转速成线性关系；（二）输出特性的灵敏度高；（三）输出电压的纹波小；（四）电机的转动惯量要小，以保证响应速度快。四、直流测速发电机分类：永磁式励磁类和电磁式励磁类五、直流测速发电机的输出特性：（一）静态特性输出特性曲线：（二）动态特性直流测速发电机的动态特性是指输入一个阶跃转速时，输出信号电压随时间的变化规律。六、直流测速发电机输出特性的误差分析（一）电枢反应考虑电枢反应影响时的输出特性（二）电刷与换向器的接触电阻和接触电压（三）温度的影响（四）延迟换向去磁（五）纹波七、直流测速发电机在控制系统中的应用（一）用作转速阻尼元件：雷达天线系统（二）用作反馈元件：恒速控制系统（三）用作微分和积分解算元件八、直流测速发电机的选择（一）技术性能指标：灵敏度、线性误差、最大线性工作转速、负载电阻、不灵敏区、输出电压的不对称度、纹波系数等（二）技术数据。第二章 直流测速发电机 拓展资源本章主要讲述直流测速发电机的工作原理及其应用，下面我们再讲讲与直流测速发电机相关的一些知识，以拓宽同学们的视野。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。测速发电机分为直流和交流两种。直流测速发电机有永磁式和电磁式两种。其结构与直流发电机相近。永磁式采用高性能永久磁钢励磁，受温度变化的影响较小,输出变化小，斜率高,线性误差小。这种电机在80年代因新型永磁材料的出现而发展较快。电磁式采用他励式，不仅复杂且因励磁受电源、环境等因素的影响，输出电压变化较大，用得不多。用永磁材料制成的直流测速发电机还分有限转角测速发电机和直线测速发电机。它们分别用于测量旋转或直线运动速度，其性能要求与直流测速发电机相近，但结构有些差别。 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。 空心杯转子异步测速发电机：结构原理如图所示，主要由内定子、外定子及在它们之间的气隙中转动的杯形转子所组成。励磁绕组、输出绕组嵌在定子上,彼此在空间相差90电角度。杯形转子是由非磁性材料制成。当转子不转时，励磁后由杯形转子电流产生的磁场与输出绕组轴线垂直，输出绕组不感应电动势；当转子转动时，由杯形转子产生的磁场与输出绕组轴线重合，在输出绕组中感应的电动势大小正比于杯形转子的转速，而频率和励磁电压频率相同，与转速无关。反转时输出电压相位也相反。杯形转子是传递信号的关键，其质量好坏对性能起很大作用。由于它的技术性能比其他类型交流测速发电机优越，结构不很复杂，同时噪声低，无干扰且体积小，是目前应用最为广泛的一种交流测速发电机。 笼式转子异步测速发电机：与交流伺服电动机相似，因输出的线性度较差，仅用于要求不高的场合。同步测速发电机：以永久磁铁作为转子的交流发电机。由于输出电压和频率随转速同时变化，又不能判别旋转方向,使用不便，在自动控制系统中用得很少,主要供转速的直接测量用。第三章 步进电动机熟练掌握步进电动机的工作原理、通电方式，熟练掌握步进电动机的转速、脉冲频率、运行方式、步距角等参数之间的关系。熟练掌握步进电动机的静态特性（不同通电方式下的最大静转矩、矩角特性、矩角特性曲线族）；熟练掌握步进电动机的动态特性和各种运行方式时的负载能力（最大负载转矩）的分析，熟练掌握步进电动机的驱动电路和步进电动机的选择与使用。一、步进电动机一种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。步进电动机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘等装置。二、步进电动机驱动控制系统组成步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大器组成，由此驱动电源向电机绕组提供脉冲电流。步进电动机的运行性能决定于电机与驱动电源间的良好配合。步进电机原理框图三、步进电动机分类：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个角度，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，转轴又转动一个角度，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。永磁式步进电动机由四相绕组组成。A相绕组通电时，转子磁钢将转向该相绕组所确定的磁场方向；A相断电、B相绕组通电时，就产生一个新的磁场方向，这时，转子就转动一角度而位于新的磁场方向上，被激励相的顺序决定了转子运动方向。永磁式步进电动机消耗功率较小，步矩角较大。缺点是起动频率和运行频率较低。反应式步进电动机在定、转子铁心的内外表面上设有按一定规律分布的相近齿槽，利用这两种齿槽相对位置变化引起磁路磁阻的变化产生转矩。这种步进电动机步矩角可做到115，甚至更小，精度容易保证，起动和运行频率较高，但功耗较大，效率较低。永磁感应子式步进电动机又称混合式步进电动机。是永磁式步进电动机和反应式步进电动机两者的结合，并兼有两者的优点。四相反应式步进电机结构图四、步进电机的优点直接实现数字控制，控制系统简单；控制性能好；输出转矩大，可直接驱动负载；无接触式；抗干扰能力强；误差不长期积累；具有自锁能力和保持转矩五、步进电机的应用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。六、步进电机的常用术语（一）步距角只每给一个电脉冲信号电动机转子所转过的角度的理论值。（二）齿距角相邻两齿中心线间的夹角，通常定子和转子具有相同的齿距角。（三）矩角特性矩角特性是指不改变各相绕组的通电状态，即一相或几相通以直流电流时，电磁转矩与失调角的关系。（四）失调角失调角是转子偏离零位的角度。（五）零位或初始稳定平衡位置只不改变绕组通电状态，转子在理想空载状态下的平衡位置。（六）最大静转矩矩角特性上转矩最大值称为最大静转矩。（七）最大静转矩特性绕组电流改变时，最大静转矩与相应电流的关系为最大静转矩特性。（八）精度步进电机的精度有两种表示方法：最大步距误差和最大步距累计误差最大步距误差是指电动机在旋转一周内相邻两步之间最大步距和理想步距角的差值。最大累计误差是指任意位置开始经过任意步之间，角位移误差的最大值。(九）响应频率在某一频率范围内步进电动机可以任意运动而不丢失一步，则这一最大频率称为响应频率。通常以启动频率来作为衡量的指标。启动频率是指在一定负载下直接启动而不失步的极限频率，也称为极限启动频率或突跳频率。（十）运行频率只拖动一定负载使频率连续上升时，步进电机不失步运行的极限频率。（十一）启动矩频特性给定的驱动条件下，负载惯量一定，启动频率与负载转矩之间的关系称为启动矩频特性，又称为牵入特性。（十二）运行频率特性负载惯量不变，运行频率和负载转矩之间的关系称为运行矩频特性，又称为牵出特性。（十三）惯频特性负载力矩一定时，频率和负载惯量之间的关系，分为启动惯频特性和运行惯频特性。（十四）单步响应单步响应是指步进电机在带电不动的情况下，该变一次脉冲电压，转子由启动到停止的运行轨迹。七、反应式步进电机的结构特点1）单段式结构：径向分相式2）多段式结构：轴向分相式八、步进电动机的动态特性（一）单脉冲作用下运行：空载状态和负载状态（二）最大负载转矩：某种通电方式下，各相距角特性曲线的交点曲线簇包罗线的最低点即为步进电动机单步运行所能带动的最大负载转矩。九、步进电动机驱动控制系统的基本组成直流电源、脉冲发生器、脉冲分配器、功率放大器十、步进电动机的驱动电路单一电压型驱动电源高低压切换型驱动电源带连续电流检测的高低压切换型驱动电源斩波恒流型驱动电源调频调压型驱动电源细分电路、平滑电路和自动升降频电路十一、步进电动机的静态特性（一）矩角特性在同步电动机的传动控制中，定子上产生的电枢磁势FS和转子磁势Fr同步旋转，产生电磁转矩T，磁势关系如图所示。气隙中的合成磁势Fo为同步电动机的步进运动与普通同步电动机的传动控制不同，不但要关心电动机的转速与转矩，更要关心它的转子位置，和转矩。对于步进同步电动机，需要特别关心的是定子磁动势FS和转子磁动势Fr的夹角,而不是普通同步电动机中人们所熟知的功角。在步进同步电动机中夹角是一个十分重要的参数，称之为矩角。根据图2所示的矢量关系，可将式（10）的转矩方程改写为与步进电动机的组合电磁铁特性十分相似，同步电动机由定子磁动势和转子磁动势相互吸引而产生转矩。矩角不但决定转矩的大小，同时影响着步进运动的精度。而且，矩角控制是一种并级结构，即在控制位置的同时，相应地调整矩角，转矩和位置，具有同样的快速响应速度，使步进传动系统达到最佳的运行状态。十二、步进电动机的动态特性单脉冲下的运行最大负载转矩：在某种通电方式下，各相矩角特性曲线的交点，曲线簇包络线的最低点Temq即是步进电动机单步运行时的最大负载转矩，称为极限启动转矩。在实际运行过程中，必须有：三相反应式步进电机三相单三拍：三相双三拍：三相单双六拍：十三、单脉冲作用下步进电动机的振荡现象十四、连续运行时步进电动机的动态特性（一）动稳定区和稳定裕度（二）步进电机的起动过程和起动频率（三）起动矩频特性在给定驱动电源条件下，负载转动惯量一定时，起动频率与负载转矩的关系称为起动矩频特性。（四）起动惯频特性在给定驱动电源条件下，负载转矩不变时，起动频率与负载转动惯量的关系称为起动惯频特性。十五、步进电动机驱动控制系统的组成驱动电源的组成步进电动机的单一型驱动电源单电压驱动，串联不同电阻时的特性十六、步进电动机的选择和使用（一）根据系统的特点、精度要求、使用的场合等确定将要选择使用的步进电动机类型；（二）根据系统容许的最小角误差确定步进电动机的精度等级；（三）根据系统负载的阻力矩；（四）根据系统负载需要的最大角速度或速度及传动比选择；（五）根据系统负载和传动装置的转动惯量来选择。第三章 步进电动机 关键词汇一、步进电动机驱动控制系统组成：步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大器组成，由此驱动电源向电机绕组提供脉冲电流。步进电动机的运行性能决定于电机与驱动电源间的良好配合。二、步进电动机分类：步进电动机分为机电式及磁电式两种基本类型。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。永磁感应子式步进电动机又称混合式步进电动机。三、步进电机的优点1）直接实现数字控制，控制系统简单；2）控制性能好；3）输出转矩大，可直接驱动负载；4）无接触式；5）抗干扰能力强；6）误差不长期积累；7）具有自锁能力和保持转矩四、步进电动机驱动控制系统的基本组成直流电源、脉冲发生器、脉冲分配器、功率放大器五、步进电动机的驱动电路1）单一电压型驱动电源2）高低压切换型驱动电源3）带连续电流检测的高低压切换型驱动电源4）斩波恒流型驱动电源5）调频调压型驱动电源6）细分电路、平滑电路和自动升降频电路六、步进电动机一种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。步进电动机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘等装置。第三章 步进电动机 FAQ一、两相步进电机的工作原理是怎样的？工业上电机用三相制，普通的小玩具马达两相也可以。拿玩具电机来说。上下是两个磁铁。中间是线圈。通了直流电以后，就成了电磁铁。被上下的磁铁吸引后就产生了偏转。但是因为中间连接电磁铁的两根线不是直接连接的。是采用在转轴的位置用一个滑动的接触片。这样如果电磁铁转过了头，原先连接电磁铁的两根线刚好就相反了。所以电磁铁的n极s极就和以前相反了。但是电机上下的磁铁是不变的。所以又可以继续吸引中间的电磁铁。当电磁铁继续转。由于惯性又转过头了。所以电极又相反了。重复上述过程就转了。但是他有缺陷。因为在刚好要变换电极的时候是需要靠惯性的。所以他不利于自己启动。功率也达不到很高。所以就产生了三相的电机。每隔120度放一个磁铁。分布在电机一圈。这样的电机改善了很多。另外注意，不一定磁铁非要放外边。可以放内侧。而外侧是电磁铁。常见的发电厂大致都是这个结构的电机。电机不一定当作机械动力使用。也可以当小型发电机来用。比如用一个柴油的机器产生一个持续的扭力矩，连接到电机上。就可以发电了。下面是交流的：如果中间放一个磁铁。外面放电磁铁来吸引中间的磁铁呢。还是从两相开始。假如上边一个电磁铁产生磁力把磁铁n极吸到了上边，然后刚好电磁铁的正负极颠倒了，那么就产生斥力把n极推到下边去。同样道理下边的也是对中间的磁铁产生吸力和斥力。但是大家一想就知道了。两相的交流也存在 一个惯性的问题。就是刚好磁铁和电磁铁直上直下的时候。 所以三相的，明显比两相的有优势。而且中间的磁铁也不一定非得是一个直上直下的n极和s极的磁铁。可以把三个磁铁s极放中间，n极冲外面。这样外面的三个电磁铁就轮番的吸引中间的n极磁铁。如果轴承的滑动摩擦力够小的话。只要电磁铁变化。就可以不断的吸引中间的三个n极磁铁产生偏转旋转。电磁铁变化磁极速度快，中间的轴承旋转就快。电磁铁变化速度就是频率了。发电厂的频率是一定的。所以你可以用变频的机器把电频率变成你需要的。就可以控制电机的速度了。另外电机也不一定是三相的，还可以是四象的。五相的，六的七的。但是由于大家做试验做过。太多相的，电磁互相干扰大，另外大家也知道，每个电磁铁都通电，是很浪费电的。因为电磁铁是用电线缠绕成的线圈。但是电线都有电阻。如果做一个六项的电机，耗电量是3相的电机两倍。工业上的电刚好是三相制，380v。所以连接一个三相电机是很适合的。为什么工业上是三相的电，其实就因为要带动三相电机，才在发电厂的时候把发电装置稍作改动，就可以输出三相电了。实现机械能和交流电能相互转换的机械。由于交流电力系统的巨大发展，交流电机已成为最常用的电机。交流电机与直流电机相比，由于没有换向器（见直流电机的换向），因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。交流电机功率的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。20世纪80年代初，最大的汽轮发电机已达150万千瓦。交流电机按其功能通常分为交流发电机、交流电动机和同步调相机几大类。由于电机工作状态的可逆性(见电机),同一台电机既可作发电机又可作电动机。把电机分为发电机与电动机并不很确切，只是有些电机主要作发电机运行，有些电机主要作电动机运行。交流电机按品种分有同步电机、异步电机两大类。同步电机转子的转速ns与旋转磁场的转速相同，称为同步转速。ns与所接交流电的频率 (f)、电机的磁极对数(P)之间有严格的关系nsf/P。在中国，电源频率为50赫，所以二极电机的同步转速为3000转/分，四极电机的同步转速为1500转/分，余类推。异步电机转子的转速总是低于或高于其旋转磁场的转速，异步之名由此而来。异步电机转子转速与旋转磁场转速之差（称为转差）通常在10以内。由此可知，交流电机（不管是同步还是异步）的转速都受电源频率的制约。因此,交流电机的调速比较困难,最好的办法是改变电源的频率，而以往要改变电源频率是比较复杂的。所以70年代以前，在要求调速的场合，多用直流电机。随着电力电子技术的发展，交流电动机的变频调速技术已开始得到实用。交流电机一般采用三相制，因为三相交流电机与单相电机相比，无论在性能指标，原材料利用和价格等方面均有明显的优越性。同样功率的三相电机比单相电机体积小，重量轻，价格低。三相电动机有自起动能力。单相电机没有起动转矩，为解决起动问题，需采取一些特殊的措施(见单相异步电动机)。单相电机的转矩是脉动的，噪声也比较大，但所需的电源比较简单，特别是在家庭中使用十分方便。因此小型家用电机和仪用电机多采用单相电机直流电动机是一种把机械转速变换成电压信号的测量元件。二、能简述一下步进电动机的驱动方法吗？步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，如图1所示，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口，这里予以简单介绍。图1 步进电动机驱动控制器1、单电压功率驱动接口实用电路如图2所示。在电机绕组回路中串有电阻Rs，使电机回路时间常数减小，高频时电机能产生较大的电磁转矩，还能缓解电机的低频共振现象，但它引起附加的损耗。一般情况下，简单单电压驱动线路中，Rs是不可缺少的。Rs对步进电动机单步响应的改善如图2(b)。图2 单电压功率驱动接口及单步响应曲线图3 双电压功率驱动接口2、双电压功率驱动接口双电压驱动的功率接口如图3所示。双电压驱动的基本思路是在较低（低频段）用较低的电压UL驱动，而在高速（高频段）时用较高的电压UH驱动。这种功率接口需要两个控制信号，Uh为高压有效控制信号，U为脉冲调宽驱动控制信号。图中，功率管TH和二极管DL构成电源转换电路。当Uh低电平，TH关断，DL正偏置，低电压UL对绕组供电。反之Uh高电平，TH导通，DL反偏，高电压UH对绕组供电。这种电路可使电机在高频段也有较大出力，而静止锁定时功耗减小。3、高低压功率驱动接口图4 高低压功率驱动接口高低压功率驱动接口如图4所示。高低压驱动的设计思想是，不论电机工作频率如何，均利用高电压UH供电来提高导通相绕组的电流前沿，而在前沿过后，用低电压UL来维持绕组的电流。这一作用同样改善了驱动器的高频性能，而且不必再串联电阻Rs，消除了附加损耗。高低压驱动功率接口也有两个输入控制信号Uh和Ul，它们应保持同步，且前沿在同一时刻跳变，如图4所示。图中，高压管VTH的导通时间tl不能太大，也不能太小，太大时，电机电流过载；太小时，动态性能改善不明显。一般可取13ms。（当这个数值与电机的电气时间常数相当时比较合适）。4、斩波恒流功率驱动接口恒流驱动的设计思想是，设法使导通相绕组的电流不论在锁定、低频、高频工作时均保持固定数值。使电机具有恒转矩输出特性。这是目前使用较多、效果较好的一种功率接口。图5是斩波恒流功率接口原理图。图中R是一个用于电流采样的小阻值电阻，称为采样电阻。当电流不大时，VT1和VT2同时受控于走步脉冲，当电流超过恒流给定的数值，VT2被封锁，电源U被切除。由于电机绕组具有较大电感，此时靠二极管VD续流，维持绕组电流，电机靠消耗电感中的磁场能量产生出力。此时电流将按指数曲线衰减，同样电流采样值将减小。当电流小于恒流给定的数值，VT2导通，电源再次接通。如此反复，电机绕组电流就稳定在由给定电平所决定的数值上，形成小小的锯齿波，如图5所示。图5 斩波恒流功率驱动接口斩波恒流功率驱动接口也有两个输入控制信号，其中u1是数字脉冲，u2是模拟信号。这种功率接口的特点是：高频响应大大提高，接近恒转矩输出特性，共振现象消除，但线路较复杂。目前已有相应的集成功率模块可供采用。5、升频升压功率驱动接口为了进一步提高驱动系统的高频响应，可采用升频升压功率驱动接口。这种接口对绕组提供的电压与电机的运行频率成线性关系。它的主回路实际上是一个开关稳压电源，利用频率-电压变换器，将驱动脉冲的频率转换成直流电平，并用此电平去控制开关稳压电源的输入，这就构成了具有频率反馈的功率驱动接口。6、集成功率驱动接口目前已有多种用于小功率步进电动机的集成功率驱动接口电路可供选用。L298芯片是一种H桥式驱动器，它设计成接受标准TTL逻辑电平信号，可用来驱动电感性负载。H桥可承受46V电压，相电流高达2.5A。L298(或XQ298，SGS298)的逻辑电路使用5V电源，功放级使用546V电压，下桥发射极均单独引出，以便接入电流取样电阻。L298(等)采用15脚双列直插小瓦数式封装，工业品等级。它的内部结构如图6所示。H桥驱动的主要特点是能够对电机绕组进行正、反两个方向通电。L298特别适用于对二相或四相步进电动机的驱动。图6 L298原理框图步进电动机概念及其工作原理 步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置，是一种特殊的电动机。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入肘步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。 步进电动机按其输出转矩的大小来分，可以分为快速步进电动机和功率步进电动机。快速步进电动机连续工作频率高而输出转矩较小，一般在Ncm级，可以作为控制小型精密机床的工作台(例线切割机床)也可以和液压转矩放大器组成电液脉冲马达去驱动数控机床的工作台，而功率步进电动机的输出转矩就比较大是Nm级的，可以直接去驱动机床的移动部件。 步进电动机按其励磁相数，可以分为三相、四相、五相、六相甚至八相。一般来说随着相数的增加，在相同频率的情况下，每相导通电流的时间增加，各相平均电流会高些，从而使电动机的转速转矩特性会好些，步距角亦小。但是随着相数的增加，电动机的尺寸就增加，结构亦复杂，目前多用36相的步进电动机。 由于步进电动机的转速随着输入脉冲频率变化而变化，调速范围很广，灵敏度高，输出转角能够控制，而且输出精度较高，又能实现同步控制，所以广泛地使用在开环系统中，也还可用在一般通用机床上，提高进给机构的自动化水平。 步进电动机按其工作原理来分，主要有磁电式和反应式两大类，这里只介绍常用的反应式步进电动机的工作原理，现用下图的步进电动机的简化图来加以说明。 在电动机定子上有A、B、C三对磁极，磁极上绕有线圈，分别称之为A相、B相和C相，而转子则是一个带齿的铁心，这种步进电动机称之为三相步进电动机。如果在线圈中通以直流电，就会产生磁场，当A、B、C三个磁极的线圈依次轮流通电，则A、B、C三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。 首先有一相线圈(设为A相)通电，则转子1、3两齿被磁极A吸住，转子就停留在图55a的位置上。然后，A相断电，6相通电，则磁极A的磁场消失磁极B产生了磁场，磁极召的磁场把离它最近的2、4两齿吸引过去，停止在图b的位置上，这时转子逆时针转了30。再接下去B相断电，C相通电。根据同样道理，转子又逆时针转了30，停止在图c的位置上。若再A相通电，C相断开，那么转子再逆转30，使磁极A的磁场把2、4两个齿吸住。定子各相轮流通电一次转子转过一个齿。这样按ABCABCA次序轮流通电，步进电动机就一步一步地按逆时针方向旋转。通电线圈每转换一次，步进电动机旋转30，我们把步进电动机每步转过的角度称之为步距角。如果把步进电动机通电线圈转换的次序倒过来换成ACBACB的顺序，则步进电动机将按顺时针方向旋转，所以要改变步进电动机的旋转方向可以在任何一相通电时进行。步进电动机步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机。 步进电动机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电动机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。任何一种产品成熟的过程，基本上都是规格品种逐步统一和简化的过程。现在，步进电动机的发展已归结为单段式结构的磁阻式、混合式和爪极结构的永磁式三类。爪极电机价格便宜，性能指标不高，混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机，由于混合式步进电动机具有控制功率小，运行平稳性较好而逐步处于主导地位。最典型的产品是二相8极50齿的电动机，步距角1.80.9（全步半步）； 还有五相10极50齿和一些转子100齿的二相和五相步进电动机，五相电动机主要用于运行性能较高的场合。到目前，工业发达国家的磁阻式步进电动机已极少见。 步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYO DENKI和MINEBEA及NPM公司等，特别是日本东方公司，无论是电动机性能和外观质量，还是生产手段，都堪称是世界上最好的。现在日本步进电动机年产量（含国外独资公司）近2亿台。德国也是世界上步进电动机生产大国。德国B.L.公司1994年五相混合式步进电动机专利期满后，推出了新的三相混合式步进电动机系列，为定子6极转子50齿结构，配套电流型驱动器，每转步数为200、400、1000、2000、4000、10000和20000，它具有通常的二相和五相步进电动机的分辨率，还可以在此基础上再10细分，分辨率提高10倍，这是一种很好的方案，充分运用了电流型驱动技术的功能，让三相电动机同时具有二相和五相电动机的性能。与此同时，日本伺服公司也推出了他们的三相混合式步进电动机。该公司阪正文博士研制了三种不同的永磁式三相步进电动机，即HB型（混合式）、RM性（定子和混合式相似，转子则同永磁式环形磁铁相似）和爪极PM型。将三相步进电动机同二相步进电动机进行比较后显示：在获得小步距角方面，三相电动机比二相电动机要好。三相电动机的两相励磁最大保持力矩为3T1（T1为单相励磁转矩），而二相电动机为 2T1，所以三相电动机的合成力矩大。三相电动机的转矩波动比二相电动机要小。三相电动机连续2步用于半步的转矩差比二相电动机的要小。三相电动机绕组可以星形连接，三个终端驱动，励磁电路晶体管6个； 而二相电动机是8个。连续运转时，由于三相步进电动机结构原因，磁通和电流的三次谐波被消除了，所以三相电动机的振动力矩比二相电动机的要小。结论是显而易见的。另外的结论是HB型电动机更适合于低速大转矩用途；RM型适用于平稳运行以及转速大于1000r/min的用途；而PM型成本低，在低转速时的振动和高转速时的大转矩方面，三相PM型电动机比两相电动机的性能要好。因此，当前最有发展前景的当属混合式步进电动机，而混合式电动机又向以下四个方向发展：发展趋势之一，是继续沿着小型化的方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小，在57、42机座号的电动机应用了多年后，现在其机座号向39、35、30、25方向向下延伸。瑞士ESCAP公司最近还研制出外径仅10mm的步进电动机。发展趋势之二，是改圆形电动机为方形电动机。由于电动机采用方型结构，使得转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体积比将大为提高。同样机座号的电动机，方形的力矩比圆形的将提高3040。发展趋势之三，对电动机进行综合设计。即把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性能。发展趋势之四，向五相和三相电动机方向发展。目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机复杂，因此三相电动机系统的性能价格比要比五相电动机更好一些。我国的情况有所不同，直到20世纪80年代，一直是磁阻式步进电动机占统治地位，混合式步进电动机是80年代后期才开始发展，至今仍然是二种结构类型同时并存。尽管新的混合式步进电动机完全可能替代磁阻式电动机，但磁阻式电动机的整机获得了长期应用，对于它的技术也较为熟悉，特别是典型的混合式步进电动机的步距角（0.9/1.8）与典型的磁阻式电动机的步距角（0.75/1.5）不一样，用户改变这种产品结构不是很容易的，这就使得两种机型并存的局面难以在较短时间内改变。这种现状对步进电动机的发展是不利的。步进电机的基本原理步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度，这种步进电机的应用最为广泛。步进电机的一些基本参数：电机固有步距角： 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9/1.8（表示半步工作时为0.9、整步工作时为1.8），这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。步进电机的相数： 是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9/1.8、三相的为0.75/1.5、五相的为0.36/0.72 。在没有细分驱动器时，用户主要*选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。保持转矩（HOLDING TORQUE）：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。DETENT TORQUE：是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。步进电机的一些特点：1一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。2步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。3步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。第三章 步进电动机 拓展资源本章我们学习了步进电动机的相关知识，在拓展资源部分，我们来看看它是怎么使用的，以加深我们对它的认识。一、前言步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必