控制电机 提纲--课件

1、步进电机步进电动机（Stepping Motor，或 Step Motor 、Stepper Motor）是一种可由电脉冲控制运动的特殊电动机，可以通过脉冲信号转换控制的方法将脉冲电信号变换成相应的角位移或线位移。因此步进电动机也被称为脉冲电动机（Pulse Motor）。步进电动机不能直接使用通常的直流或交流电源来驱动，而是需要使用专门的步进电动机驱动器通过一定的控制方式，可以使步进电动机运动时的角位移或线位移与脉冲数成正比，即其转速或线速度与输入控制脉冲的频率成正比。在步进电动机所能承受的负载能力范围内，这种关系不会因电源电压、负载大小以及环境条件的波动而变化，因而在系统中可以采用开环的方

2、式进行运动控制，从而使控制系统大为简化。通常步进电动机可以在较宽的范围内通过改变输入控制脉冲的频率来实现调速，并能够做到快速起动、反转和制动。另一种是由磁阻原理产生的。作用力则是由定/转子间气隙磁阻的变化产生的，当定子绕组通电时，产生一个单相磁场作用于转子，由于磁场在转子与定子之间的分布要遵循磁阻最小原则（或磁导最大原则），即磁通总要沿着磁阻最小（磁导最大）的路径闭合，因此，当转子产生的磁场的磁极轴线与定子磁极的轴线不重合时，便会有磁阻力作用在转子上并产生转矩使其趋于磁阻最小的位置，即两轴线重合位置，这类似于磁铁吸引铁质物质的现象。步进电动机的运动是受走步脉冲信号控制的，因此适合于作为数字控制

3、系统的伺服元件。它的直线位移量或角位移量与电脉冲数成正比，所以电机的线速度或转速与脉冲频率成正比。通过改变脉冲频率的高低，就可以在很大的范围内调节电机的转速，并能实现快速启动、制动和反转。步进电动机的运动是受（电脉冲）信号控制的，通过改变（脉冲频率）的高低，就可以在很大的范围内调节电机的转速，并能实现电机的（ABC）【A启动B制动 C反转】。步进电动机按产生转距的方式不同可分为反应式、激磁式及混合式三种。反应式步进电动机的定转子都是凸极结构，是利用磁阻最小原理工作。反应式步进电动机转子齿数可以很多，因此步距角可以做得很小。即使没有减速装置，也可以低速、高精度地实现位置控制。激磁式步进电动机的激

4、磁可以是永磁式或电磁激磁式，通常是永磁式激磁。激磁式步进电动机转子是由于具有磁场，驱动转矩较大，但由于制造工艺的缘故，转子磁极数目不能做的太多，因此步距角比较大。混合式步进电动机兼有反应式步进电动机和永磁式步进电动机的优点，可以做到步距角小而驱动转矩又大。错齿的存在是步进电动机能够旋转的前提条件。所以，在步进电动机的结构中必须保证有错齿的存在，也就是说，当某一相处于对齿状态时，其他相必须处于错齿状态。磁阻式转矩产生的原理：在定子绕组由通电产生的相应的电磁场的作用下，在定子小齿与转子小齿之间存在磁场，转子小齿将被强行推动到最大磁导率（或者最小磁阻）的位置，即定子小齿与转子小齿对齐的位置），这一过

5、程称为对齿，并处于平衡状态。当定子小齿与转子小齿对齐后，将不再产生使转子转动的磁力，为了持续形成转动，必须使其它没有对齐的即错齿的定子小齿与转子小齿产生磁力，并由磁阻作用形成转矩。这一过程中即是步进电动机的电流换相。错齿的存在是步进电动机能够旋转的前提条件。所以，在步进电动机的结构中必须保证有错齿的存在，也就是说，当某一相处于对齿状态时，其他相必须处于错齿状态。如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大（或磁阻最小）的位置转动，即向趋于对齿的状态转动。电动机基于这一原理实现转动。为了实现转子齿与定子齿能自动错位，使电机中一相磁极的一个定子齿和一个转子齿对齐时，其它的齿应

6、错开一定的角度。则必须满足如下二个条件： 在相同的磁极下，对应的定子与转子齿应同时对齐或同时错开，使在各同名相下产生的反应转矩大小相等，方向相同，因此要求转子齿数Zr是一相磁极对数的倍数，即Zr = 2pk(2)在不同相的极下，定子与转子齿的相对应置应依次错开1m齿，从而使变换通电状态时，转子能连续步进，因而转子齿数不能是总极数的倍数，即Zr 2mpk式中 m-电机的相数p-电机的极对数（每相）k-正整数当定子前后相的磁极在相邻位置上时，如图4.4a所示，转子齿数应为Zr = 2mpk 2p当前后相的磁极在相隔一个极的位置时，如图4.4（b）所示，转子齿数应Zr=2mpkp矩角特性是控制绕组通

7、电状态不变时，电磁转矩与转子偏转角的关系，即静态转矩与失调角的关系一般来说，多相通电时的矩角特性以及最大静态转矩与单相通电时不同。多相通电时的矩角特性可近似地由每相各自通电时的矩角特性叠加起来求出。五相步进电动机两相通电时转矩最大值为 三相通电时转矩最大值为 最大静态转矩与控制绕组中电流的平方成正比，其前提条件是磁路不饱和，实际上当电流达到一定数值后，磁路开始饱和，正比关系被破坏，随I增大，最大静态转矩增大得越来越慢。不稳定平衡点 在，虽然也有，但 或 后，静态转矩与 的方向一致，驱使转子背离稳定平衡点。动稳定区 是指步进电动机从一种通电状态切换到另一种通电状态，不至引起失步的区域。 当步进电

8、动机处于矩角特性曲线“n”所对应的稳定状态时，输入一个脉冲，使其控制绕组改变通电状态，矩角特性向前跃移一个步距角，稳定平衡点也由0变为 O1。在改变通电状态时，只有当转子起始位置在此区间，才能使它向O1 点运动，达到该稳定平衡位置。因此把区域 称为动稳定区。稳定裕度为为单拍制运行时的步距角。最大负载能力（起动转矩）：步进电动机在步进运行时所能带动的最大负载，可由相邻两条矩角特性交点所对应的电磁转矩来确定。情况1：负载转矩 时，A相通电时，转子处于a点；改由B相通电时，转子稳定后位于b点，前进一步。情况2：负载转矩时，A相通电时，转子处于a”点；改由B相通电时，转子不能前进。衰减振荡 由于轴上的

9、摩擦，风阻及内部电阻尼等存在，单步运动时转子环绕平衡位置的振荡过程总是衰减的。单步运行时所产生的振荡现象对步进电动机的运行是很不利的，它影响了系统的精度，带来了振动及噪音。为了使转子振荡衰减得快，在步进电动机中往往专门设置了特殊的阻尼器。当控制脉冲频率达到一定数值之后，再增加频率，由于电感和涡流作用使动态转矩减小。可见，动态转矩是电源脉冲频率的函数，把这种函数关系称为步进电动机运行时的转矩-频率特性，简称为运行矩频特性。矩频特性表明，在一定控制脉冲频率范围内，随频率升高，电机的功率和转速都相应地提高，超出该范围则随频率升高转矩下降，步进电动机带负载的能力也逐渐下降，到某一频率以后，就带不动任何

10、负载，而且只要受到一个很小的扰动，就会振荡、失步以至停转。 低频丢步现象 是指步进电动机在低频运行时，转子运动步数少于给定脉冲数的现象。是否丢步与下一脉冲到来时转子的位置有关。低频共振现象：当控制脉冲频率等于转子振荡频率的1K倍时，如果阻尼作用不强，即使电机不发生低频失步，也会产生强烈振动，这就是步进电机低频共振现象。旋转变压器当旋转变压器的原边施加交流电压励磁时，其副边输出电压将与转子的转角保持某种严格的函数关系，从而实现角度的检测、解算或传输等功能。 当旋转变压器的原边施加交流电压励磁时，其副边输出电压将与转子的转角保持某种严格的函数关系，从而实现角度的检测、解算或传输等功能。 交轴误差：

11、正余弦旋转变压器一相励磁绕组额定励磁，另一相短接，所有的定子和转子绕组在转子转角为0、90、180、270时的零位组合的角度偏差旋转变压器中，变压比是指在规定励磁条件下，最大空载输出电压的基波分量与励磁电压的基波分量之比原边补偿的线性旋转变压器自整角机自整角机是一种将转角变换成电压信号或将电压信号变换成转角，以实现角度传输、变换和指示的元件。它可以用于测量或控制远距离设备的角度位置，也可以在随动系统中用作机械设备之间的角度联动装置，以使机械上互不相联的两根或两根以上转轴保持同步偏转或旋转。自整角机可根据在系统中的不同作用可分为控制式和力矩式两大类 。带有ZKC的控制式自整角机原理图控制式自整角

12、机的工作原理归纳如下： (1) ZKF励磁磁场是脉振磁场，ZKF定子各相绕组的感应电动势在时间上同相位，其有效值与定、转子的相对位置有关。 (2) 在ZKF定子绕组感应电动势作用下，两自整角机绕组中的相电流总是大小相等、方向相反。(3) 在自整角机控制式运行时，将ZKB起始协调位置规定为与绕组轴线垂直的位置，协调时输出电动势 。输出绕组轴线相对协调位置的转角 称为失调角。(4) 输出绕组的电压为 ，在失调角很小时， 当出现失调角时，自整角机输出电压经放大后带动伺服机转动直至失调角为零。力矩式自整角机的差动运行（带有ZCF的力矩式自整角机系统）当需要指示的角度为两个已知角的和或差时，可以在一对力

13、矩式自整角机之间加入一台力矩式差动发送机ZCF，构成差动发送机系统。也可以在一对力矩式自整角机之间加入一台力矩式差动接收机ZCJ，构成差动接收机系统。在随动系统中，通常采用差动发送机系统。ZLJ转子必然从相轴线转过达到协调位置，实现两角之差的传送。 若ZLF和ZKC的转子异向偏转时，则能实现两角之和的传送。 交流伺服控制两相交流异步伺服电动机，若在两相对称绕组中施加两相对称电压，即励磁绕组和控制绕组电压幅值相等且两者之间的相位差为90电角度，便可在气隙中得到圆形旋转磁场。否则，若施加两相不对称电压，即两相电压幅值不同，或电压间的相位差不是90电角度，得到的便是椭圆形旋转磁场。当气隙中的磁场为圆

14、形旋转磁场时，电动机运行在最佳工作状态。幅值控制保持励磁电压的幅值和相位不变，通过调节控制电压的大小来调节电动机的转速，而控制电压与励磁电压之间始终保持90电角度相位差。相位控制保持控制电压的幅值不变，通过调节控制电压的相位，即改变控制电压相对励磁电压的相位角，实现对电动机的控制。幅值-相位控制（或称电容控制）利用励磁绕组中的串联电容来分相，它不需要复杂的移相装置，所以设备简卑，成本较低，成为较常用的控制方式。双相控制励磁绕组与控制绕组间的相位差固定为90电角度，而励磁绕组电压的幅值随控制电压的改变而同样改变。两相感应伺服电动机转子电阻必须足够大 ，这是其与普通感应电动机相比的另外一个重要特点

15、。 原因：1）扩大转速范围并使机械特性尽可能接近线性； 2）实现无“自转”现象 c）增大转子电阻至sm+1 图2-3 自转现象与转子电阻的关系 增大转子电阻至sm+1 时： 如果转子电阻足够大，致使正向旋转磁场产生最大转矩对应的转差率sm+1，则可使单相运行时电机的合成电磁转矩在电动机运行范围内均为负值，即Te rr3 rr2 rr1 伺服电机的特点 宽广的调速范围。伺服电动机的转速随着控制电压的改变能在宽广的范围内连续调节。 机械特性和调节特性均为线性。伺服电动机的机械特性是指控制电压一定时，转速随转矩的变化关系；调节特性是指电动机转矩一定时，转速随控制电压的变化关系。线性的机械特性和调节特性有利于提高自动控制系统的动态精度。 无“自转”现象。伺服电动机在控制电压为零时能立自行停转。 快速响应。电动机的机电时间常数要小，相应地伺服电动机要有较大的培转转矩和较小的转动惯量。这样，电动机的转速便能随着控制电压的改变而迅速变化。 同步电动机变频调速系统的基本类型 根据变频电源频率控制方式的不同，同步