控制电机与应用

控制电机的原理

旋转变压器

旋转变压器一般有两极绕组和四极绕组结构形式。两极绕组旋转编码器的定子和转子各有一对磁极，四极绕组则各有两对磁极，主要用于高精度的检测系统。初次之外，还有多极式旋转变压器，用于高精度绝对式检测系统。

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。旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似，区别在于普通变压器的原边、副边绕组是相对固定的，所以输出电压和输入电压之比是常数，而旋转变压器的原边、副边绕组则随转子的角位移发生相对位置的改变，因而其输出电压的大小随转子角位移而发生变化，输出绕组的电影幅值与转子转角成线性关系。

旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测装置，适用于所有实用旋转编码器的场合，特别是高温、严寒、潮湿、高速、高震动等信号编码器无法正常工作的场合。

自整角机

自整角机主要包括力矩式自整角机、控制式自整角机、数字式自整角机。自整角机是利用自整步特性将角变为交流电机或由转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。两台或多台电机通过电路的联系，使机械上互不相连的两根或多根转轴自动地保持相同的转角变化，或同步旋转。电机的这种性能称为自整步特性。在伺服系统中，产生信号一方所用的自整角机称为发送机，接收信号一方所用的自整角机称为接收机。自整角机广泛应用于冶金、航海等位置和方位同步指示系统和火炮、雷达等伺服系统中。

测速发电机

测速发电机主要包括直流测速发电机、交流测速发电机、特种测速发电机。测速发电机的工作原理是将转速变为电压信号，它运行可靠，但体积大，精度低，且由于测量值是模拟量，必须经过A/D转换后读入计算机。脉冲发生器的工作原理是按发电机的转速高低，每转发出相应数目的脉冲信号。按要求选择或设计脉冲发生器，能够实现高性能检测。

伺服电动机

伺服电动机分交、直流两类。交流伺服电动机的工作原理与交流感应电动机相同。在定子上有两个相空间位移90度电角度的励磁绕组和控制绕组接一恒定交流电压，通过交流电压或相位的变化，从而达到控制电动机运行的目的。

伺服电动机的特点及应用范围

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，应用于各种包装机、焊接机、贴片机。

微特同步电机

微特同步电机包括永磁同步电动机、磁阻同步电动机、磁滞同步电动机、低速同步电动机。

微特同步电机的特点：转速不随负载和电压而变化，只与频率有关；运行稳定性好，具有较强的过载能力；运行效率高，在低速时，同步电动机这一点尤为突出；能以超前功率因数运行，有利于改善电网功率因数。缺点啥不恒连续启动。

微特同步电机的应用范围：微特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伤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美的几时或是记录装置中得到了广发的应用。

无刷直流电动机

无刷直流电动机按照工作特性可以分为两大类：1.具有直流电机特性的无刷直流电机。

2.具有交流电机特性的无刷直流电机。

无刷直流电动机的工作原理及应用范围：与普通结果的永磁直流电动机不同，在无刷直流电动机中，电枢绕组放置在定子上，永磁体则放置在转子上。定子各相电枢绕组相对于转子永磁体的位置，有转子位置传感器通过电子方式或电磁方式感知，并利用其输出信号，通过电子开关吸纳路，按照一定的逻辑程序去驱动与电视绕组相连接的电力电子开关器件，把电流导通到相应的电枢绕组。随着转子的连续旋转，位置传感器不断地发送转子位置信号，使电枢绕组不断地依次通电，不断改变通电状态，从而使得转子各磁极下电枢导体中流过电流的方向始终不变。这就是无刷直流电动机电子转向的实质。应用于绕线机、跑步机、医用离心机、纺织机械等。

步进电动机

步进电动机的工作原理及应用范围：步进电机是一种将电脉冲转换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，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的特点，广泛应用于各种开环控制。

直线电机是一种将电能直接转化成直线运动机械能，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。在初级绕组中通多相交流电，便产生一个平移交变磁场称为行波磁场。在行波磁场与次级永磁体的作用下产生驱动力，从而实现运动部件的直线运动。主要应用在激光切割、SMT贴片机、切割机床、物流设备、立体仓库、油田抽油机、PCB钻孔机，太阳能晶片印刷和切割、半导体生产制造设备等。

个系列直线电动机的分类及其特点：1.无铁芯直线电动机特点:无齿槽效应，容易实现更安定的运动，实现更高的精度体积小重量轻，易实现高加速度运行。2.有铁芯直线电动机特点：推力密度高，在同等尺寸下提供更高的推力，可提供最大上万牛顿推力磁性吸引力，动子定子间会产生较大的磁性吸引力。

超声波电动机

压电表面形成上正、下负的电场时，压电体在长度方向便会伸张；反之，若在压电体上、下表面施加反向电场。则压电体在长度方向就会收缩。当对压电体施加交变电场时，在压电体中就会激发出某种模态的弹性振动。当外电场的交变频率与压电体的机械谐振频率一致时，压电体就进入机械谐振状态。成为压电振子。当振动频率在20KHZ以上时，就属于超声振动。

超声波电动机的特点：

1.一般传统电磁马达在高转速工作时具有较高的效率，但在低转速时则较低，和传统电磁电机相比，超声波电机在低转速时能够表现出较高的转换效率。

2.不需要经过齿轮的转换，便可产生高扭力，所以可以直接驱动。

3.具有振动模式可选择，故可以有各种不同之形状，在设计上极具弹性。

4.不会产生电磁干扰。

5.安静、噪音低。

6.结构简单。

步进电机是一种完成增量运动的电磁机械。它能将输入电脉冲信号转换成机械的运动量加以输出。每一个主令脉冲都可以使步进电机的转轴前进一个步距角，并依靠它特有的定位转矩将转轴准确地锁定在空间位置上。步进电机是离散型自动化执行元件，是自动控制系统中的重要执行部件，它在系统中可实现变换脉冲数为转轴的角位移，起电磁制动器、电磁差

分器、电磁减速器和角位移发生器等。步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的元件，其转轴输出的角位移量与输入的脉冲个数有关，通过控制输入脉冲个数来控制步进电机的角位移量，而通过控制脉冲频率可实现调速。

步进电机由定子和转子组成。定子的主要结构是绕组，两相电机即有两个绕组，其它以此类推。绕组按一定的通电顺序工作，这个通电顺序称为步进电机“相序”。转子的主要结构是磁性转轴，当定子中的绕组在相序信号作用下有规律的通电，断电工作时，转子周围就会有一个按规律变化的电磁场，因此一个按规律变化的电磁力就会作用在转子上，转子总是力图转动到磁阻最小的位置，正是这样，让转子按一定的步距角转动，使转子发生转动。步进电机步距角θ的计算公式:θ=360°/NZ,其中N 为步进电机中一个通电循环的拍数，Z 为转子齿数。其中常见的反应式步进电机分为转子和定子两部分。定子是由硅钢片叠成的。定子上有6 个磁极(大极)，每2 个相对的磁极(N、S 极)组成1 对，共有3 对。每对磁极都缠有同一绕组，也即形成一相，这样3 对磁极有3 个绕组，形成三相。可以得出，四相步进电机有4 对磁极、四相绕组，五相步进电机有5 对磁极、5 相绕组……依此类推。每个磁极得内表面都分布着多个小齿，它们大小相同，间距相同。电机一旦通电，在定转子间将产生磁场(磁通量中)当转子与定子错开一定角度产生力，力矩与电机有效体积正比，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，反之亦然。

步进电机驱动系统中，控制器与驱动器之间的连接分为串行和并行控制两种。串行控制时，控制器输出时钟脉冲串和方向电平，靠驱动器中的脉冲分配器转换并行驱动信号，去控制各相绕组的导通或截止。这里时钟脉冲的有无决定了步进电机的运行或停止，脉冲频率决定步进电机运行的速度，方向电平决定运转的方向。并行控制时，控制器直接输出各相绕组导通或截止的并行信号，此时，脉冲分配器设在控制器中，除了由软件来代替脉冲分配器的功能外，不论是串行控制还是并行控制，整个系统中都必须有脉冲分配器这个环节。大部分PLC 调速器采用与该PLC 能够配套的驱动器和对应的步进电机。步进电机可直接用数字信号控制，无需反馈可开环工作，无累积定位误差，控制精度高，因此被广泛用于数字控制和计算机控制等精密定位的控制系统中。可编程序控制器PLC 是一种适于工业现场控制的技术平台。PLC 综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术，使用面向过程、面向用户的简单编程语言，用户可通过软件设计，实现各种复杂的逻辑控制。

从应用的角度来看，制约步进电机的两个问题是失步和振荡，由于步进电机在大多数情况下采用开环运行的方式，它的主要运行性能完全依赖于驱动器、负载和电机本身。在多种情况下会产生失步，比如启动或停止频率超过突跳，电机高速运行的脉冲频率超过了最大运行频率，所带负载转矩超过了启动转矩，共振等。通过改善驱动器的性能，可以减小运行中失步的可能。步进电机低频振荡是另一个需要解决的问题。步进电机在极限频率下做连续步进运行，即改变一次通电状态，转子转过一个步距角。如果阻尼较小，这种运动是一个衰减的振荡过程，转子是按自由振荡频率振荡几次才衰减到新的平衡位置而停止下来。每来一个脉冲，转子都从新的转矩曲线的跃变中获得一次能量的补充，这种能量越大，振荡越厉害。当脉冲频率等于或者接近于电机的自由振荡频率时电机会出现严重的低频振荡，甚至失步导致无法工作，一般不允许在共振频率下运行。[5.4~6]

随着新材料、新技术的发展及电子技术和计算机的应用, 步进电动机及驱动器的研制和发展进入了新阶段。过去, 人们认为伺服系统一定优于步进系统的观念也发生着很大的变化, 现代的步进系统已完全不是过去的步进系统。定位驱动装置已经过“步进—直流伺服—交流伺服”, 再度回到步进系统。步进系统的回归源自于其无需反馈就形成了开环控制系统, 使系统结构大大简化、使用维护更加方便、工作可靠, 在一般使用场合具有足够高的精度等特点。

步进电动机还有下列优点: ①步距值不受各种干扰因素的影响。如电压的大小、电流的

数值、波形及温度的变化等, 相对来说都不影响步距值。也就是说, 转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率, 而转子运动的总位移量则取决于总的脉冲信号数。②误差不积累。步进电动机每走一步所转过的角度(实际步距值) 与理论步距值之间总有一定的误差, 从某一步到任何一步, 也就是走任意步数以后, 也总有一定的误差。但因每转一圈的累积误差为零, 所以步距的误差不是积累的。③控制性能好。起动、转向及其他任何运行方式的改变, 都在少数脉冲内完成。在一定的频率范围内运行时, 任何运行方式都不会丢失一步的。

由于步进电动机有上述特点和优点而广泛应用在机械、治金、电力、纺织、电信、电子、仪表、化工、轻工、办公自动化设备、医疗、印刷以及航空航天、船舶、兵器、核工业等国防工业等领域。例如机械行业中, 在数控机床上的应用, 可以算是典型的例子。可以说步进电动机是经济型数控机床的核心。而由步进系统实现开环控制, 使得改变加工对象快捷、系统调试方便、工作可靠、成本较低的数控机床成为当前机床发展的主要方向之一。其它行业中应用实例有如: 印刷机械、包装机械、梭织机、电脑绣花机、钟表、户外自动广告牌、自动移靶机、计算机外设、自动绘图仪、吸脂机等。

步进电机伺服系统具有价格低，简单，可靠等交直流伺服系统无法比拟的优点，但由于它的运行速度低、驱动器效率低和发热量大等缺点，使它的使用范围受到限制，针对存在的问题，随着新材料、电机设计与制造技术，电力电子技术、微电子技术、控制技术等的进步，为步进电机驱动器性能的提高提供了条件，出现了许多步进电机驱动控制方式。步进电机控制系统由控制器，驱动器和步进电机组成。它们之间是相互配套的，目前的驱动器一般都为集成产品，而不是由分离产品构成，主要应用于各种工业场合，而对于小型水电站及对步进电机要求较低的场合，良好的步进电机驱动电路，应该是能够使步进电机在较大的转速范围内都有很强的负载能力。且要运转平稳，降低噪音，还要在一定程度上提高步进精度。