第一章 控制电动机

第一节：伺服电机

一、

概述伺服电机在自控制系统中的典型应用数控机床、加工中心伺服电动机的概念又被称为执行电动机在自动控制系统中作为执行元件，将输入的电压信号变换成转轴的角位移或角速度输出，从而控制受控对象输入的电压信号称为控制信号或控制电压，改变控制电压可以改变伺服电动机的转速及转向其最大特点是：有控制电压时转子立即旋转，无控制电压时转子立即停转。转轴转向和转速是由控制电压的方向和大小决定的。伺服电动机是自动控制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。二、直流与交流伺服电动机按控制电机使用电源的性质可分为：直流伺服电动机和交流伺服电动机交流伺服电动机通常采用笼形转子两相伺服电动机和空心杯转子两相伺服电动机，所以常被称为两相伺服电动机。其输出功率约为0.1-100W，其中最常用的约在30W以下直流伺服电动机一般用在功率稍大的系统中，其输出功率约为600W以下，有的可达数千瓦2.1空心杯直流伺服电动机有一个外定子和一个内定子。通常外定子由两个半圆形的永久磁钢（永磁材料）组成，内定子为圆柱形软磁材料制成，仅作为磁路的一部分，以减小磁路的磁阻。也有内定子由永久磁钢做成，外定子由软磁材料做成。绕组或采用印制绕组，或先绕成单个成型线圈，然后将它们沿圆周的轴向排列成空心杯形，再用环氧树脂热固化成型。电枢直接装在电机轴上，在内、外定子间的气隙中旋转。电枢绕组接到换向器上，由电刷引出。软磁材料是指剩磁和矫顽力均很小的铁磁材料,如硅钢片、纯铁等。特点是易磁化、易去磁且磁滞回线较窄。编码器编码盘

机械工程测试技术基础P105编码盘是把被测转角直接转换成相应代码的检测元件。编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。伺服电机控制精度取决于编码器精度。直射式光电转速传感器。它由开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等组成。开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接，光源发出的光，通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，将光信号转为电信号输出。开孔圆盘上有许多小孔，开孔圆盘旋转一周，光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数，因此，可通过测量光敏元件输出的脉冲频率，得知被测转速，即

n=f/N式中：n—转速

f—脉冲频率

N—圆盘开孔数。

直射式光电转速传感器机械工程测试技术基础P105我国生产的这种控制电机的型号为：SYK

产品SYK直流微型电动机特点：

内装有专有的空心杯转子和高性能的稀土磁钢。

与铁心电机比较有：小电流、小体积、高性能、高效率、低惯量。有刷直流电动机，SYK40外形尺寸:Φ40（mm）功率：0.2W额定转速10000（rpm）额定电压24（V）280元工作原理：直流电流→电刷→线圈→换向器电流方向：上半圈向里，下半圈向外他励式直流电动机工作原理励磁:生成磁场

直流电动机中一般有两套绕组:励磁绕组和电枢绕组，励磁绕组来产生磁场，电枢绕组产生力矩。换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半圈的电流向里，下半圈的电流向外，电刷压在换向片上。由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时针转动。他励式直流电动机工作原理（续）由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流相反。2.2基本工作原理依靠电枢电流与气隙磁通的作用产生电磁转矩，使伺服电动机转动。通常采用电枢控制方式，即在保持励磁电压不变的条件下，通过改变电枢电压来调节转速。电枢电压越小，则转速越低；电枢电压为零时，电动机停转。由于电枢电压为零时电枢电流也为零，电动机不产生电磁转矩，不会出现“自转”。2.3直流伺服电动机的控制方法

直流伺服电动机实际为一台他励式直流电动机，其励磁绕组由外施恒压的直流电源励磁或为永磁磁极。

对直流伺服电动机的控制主要是指对电动机转速大小、方向的控制，即对电动机工作状态的控制；通常将电枢电压作为控制信号，实现对电动机转速的控制。直流伺服电动机稳定运行时的转速为：Uc—控制电压T——电动机转矩R——电枢回路电阻——每极磁通Ke、KT——电动机结构常数由图可见，随着控制电压的增大，电机的机械特性曲线平行地向转速和转矩增加的方向移动，但它的斜率保持不变，所以电枢控制时直流伺服电动机制机械特性是一组平行的直线FIGURE1Applicationofabeverage-fillingstationcontrolledbyaservomotor.(CourtesyoilElectro-Craft,ARockwellAutomationBusiness.)

ServomotorProductflowMasterencoderBottlefillingmachineBottlesensorFillerheadsensorFillernozzleLeadscrewController2.4直流伺服电动机的应用举列丝杠喷嘴三、交流伺服电动机交流伺服电动机一般为两相交流电机，由定子和转子两部分组成。转子有笼形和杯形两种。定子为两相绕组，并在空间相差90°电角度，一个为励磁绕组，另一个为控制绕组。如右图所示：synchronousmotor同步电机interactive感应电机Windingcontrol控制绕组Windingfield励磁绕组“自转”现象及其避免方法“自转”现象：当励磁电压不为零，控制电压为零时，伺服电动机相当于一台单相异步电动机，若转子电阻较小，则电机仍然旋转。避免“自转”现象方法：增大转子电阻值。交流伺服电动机分为同步型和感应型两种。3.1两相伺服电机的控制原理

对于两相伺服电动机，若在两相对称绕组中外施两相对称电压，便可得到圆形旋转磁场。反之，两相电压因幅值不同，或相位差不是90°电角度，所得的便是椭圆形旋转磁场。两相伺服电动机运行时，因控制绕组所加的控制电压是变化的，一般说来得到的是椭圆形旋转磁场，并由此产生电磁转矩而使电机旋转。若改变控制电压的大小或改变它与励磁电压之间的相位角，都能使电机气隙中旋转磁场的椭圆度发生变化，从而影响到电磁转矩。当负载转矩一定时，可以通过调节控制电压的大小或相位来达到改变电机转速的目的。两相伺服电机的控制方式(1)——幅值控制三相电源三个线电压的位差120°,为了方便，直接取任意两相线电压使用,若加上系统中其它元件的相位移,这时加在电动机定子绕组上的两个电压接近90°的相位差。直接将电源移相或通过移相网络使励磁电压和控制电压之间有一固定的相移，这些移相方法称为电源移相。采用电源移相时，交流伺服电动机只是通过改变控制电压的值来控制转速的，而定子绕组上两电压的相位差恒定地保持为不变。这种控制方式常称为幅值控制相位控制

控制电压和励磁电压幅值均为额定值，通过改变控制电压和励磁电压相位差，实现对伺服电动机的控制。接线图如下所示:在励磁回路中加一个电容C

，使得励磁回路呈容性，使励磁电流İj和励磁电压ůj领先于电源电压ů。选择合适的电容C

，可以使励磁和控制电压的相位差成90°。采用励磁相串联电容器移相的交流伺服电动机通常简称为电容伺服电动机，这种移相方法简称为电容移相。两相伺服电机的控制方式(2)两相伺服电机的控制方式(3)幅值-相位控制(或称电容控制)

通过改变控制电压的幅值及控制电压与励磁电压的相位差控制伺服电机的转速。接线图如下所示:

在进行移相时，还可以采用电阻和电容串联的方法来实现。

系统对电容伺服电动机控制时，不但控制电压值在变化，控制电压和励磁电压之间的相位也在变化，这种控制方式称为幅相控制。同时改变幅值和相位，结构简单、易于实现，应用最多。第二节步进电机一、步进电机的概述1、定义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。特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。

(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。

(3)改变脉冲顺序，改变转动方向。

(4)角位移量或线位移量与电脉冲数成正比.2内部结构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。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。二、步进控制系统的组成1、主要由以下三部分组成1）、控制器（plcmcu定位控制模块）2）、步进驱动器3）、步进电机和工作台2、硬件接线PUL是脉冲输入,DIR是方向脉冲输入，这两个都用PLC的第一个和第二个I/O，晶体管输出，24V是外接电源，ENA是使能，用普通的PLC的I/O就可以了步进电机步进驱动器1)、步进电机、步进驱动器和plc间的硬件接线

三、步进电机工作原理

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，点击的转速、停止的位置只取决于控制脉冲信号的频率和脉冲数.脉冲数越多，电机转动的角度越大；

脉冲的频率越高，电机转速越快，但不能超过最高频率，否则点击的力矩迅速减小，电机不转（堵转）。分类方式具体类型按力矩产生的原理反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行激磁式：定、转子均有激磁绕组（或转子用永久磁钢），由电磁力矩实现步进运行。按输出力矩大小伺服式：输出力矩在百分之几至十分之几（N.m），只能驱动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工作台等较大的负载。功率式：输出力矩在5~50（N.m）以上，可以直接驱动机床工作台等较大的负载。按定子数1）单定子式2）双定子式3）三定子式4)多定子式按各种绕组分布径向分布式：电机各相按圆周依次排列轴向分布式：电机各相按轴向依次排列步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。当某相定子励磁后，它吸引转子，转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐，转子转动一个角度，换一相得电时，转子又转动一个角度。如此每相不停地轮流通电，转子不停地转动。上述控制方式三相单三拍，得电顺序是A

B

C

A,电机逆时针转动上述控制方式三相单三拍，得电顺序是A

C

B

A,电机顺时针转动所以电机运行的方向和通电的相序有关，改变通电的相序，电机的运行方向也就改变。1:上述介绍的是三相单三拍的工作过程，除此之外还有三相双三拍，三相六拍等工作方式。双相双三拍得电方式同事两相绕组通电：如AB

BC

CA

AB

…

三相六拍的控制方式是：A

AB

B

BC

C

CA

A

……2:电机的转速和相序切换的频率有关，切换得越快，电机转动的越快。电机转动的方向和相序有关。3:电机每拍转动的角度，称步距角，步距角和电机的结构有关。其中m=定子绕组的相数，z=转子齿数，k为通电方式，当是m相m拍时，k=1；当是m相2m拍时，k=2.如上例中，m=3，z=4，k=1.

=360°/(3x4x1)=30°四、步进驱动器原理

从步进电机的转出原理可以得出，要使步进电机正常运行，必须按规律控制步进电机的每一相绕组得电。步进驱动器接受外部的信号是方向信号DIR、脉冲信号CP。另外步进电机在停止时，通常有一相得电，电机的转子被锁住，所以当需要转子松开时，可以使用脱机信号FREE.

环型分配器的功能：环型分配器的功能是把外部cp段送进的脉冲进行分配，给功率放大器，功率放大器相应相得晶体管导通，步进电机的线圈得电。步进电机、步进驱动器和plc间的连接

五、步进驱动器有关细分的设置什么叫细分？为了提高步进电动机的精度，现在的步进驱动器都有细分的功能，所谓细分，就是通过驱动器中电路的方法把步距角减小。比如把步进驱动器设置成5细分，假设原来步距角1.8°，那么设成5细分后，步距角就是0.36°。也就是说原来一步可以走完的，设置成细分后需要走5步。步进驱动脉冲的频率和输出转矩的关系当输出频率超过步进电机的最高频率的时候，输出转矩会急速下降。步进驱动器细分的设置方法DIP开关功能与细分设置表解：⑴脉冲分配方式有两种：⑵根据，其中K=2,m=3,Z=40.

θb=360°/(40×2×3)=1.5°⑶根据n=,其中ƒ=600HZn=1.5*600*60/360=150r/min

例1-1.一台三相反应式步进电动机，采用三相六拍分配方式，转子有40个齿，脉冲频率为600Hz，求：⑴写出一个循环的通电顺序；⑵求步进电动机步距角；⑶求步进电动机转速。A—AB—B—BC—C—CA或A—AC—C—CB—B—BA六、应用案例分析例二：控制步进电机转动规定的角度利用plc作为上位机，控制步进电动机按一定的角度旋转。现有步进电机，步距角是1.