特种电动机控制电路设计及应用.docx

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特种电动机控制电路设计及应用

毕业设计

课题名称：

特种电动机控制电路设计及应用

姓名赵婷婷学号201203320065

所在系电子电气工程学院专业年级P11电气6班

指导教师李贤温职称教授

二O一四年五月六日

目录

摘要........................................................................2

第1章绪论.................................................................3

1.1课题背景.......................................................31.2课题意义及主要工作...........................................3第2章伺服电动机.......................................................42.1直流伺服电动机........................................................42.2直流伺服电动机的运行特征..................................................4

2.3直流伺服电动机在过渡过程中的工作状态......................................5

2.4直流伺服电动机的机械特性和调节特性..................................6第3章步进电动机......................................................83.1步进电动机的结构与工作原理..........................................83.1.1步进电动机的结构.......................................................83.1.2步进电动机的工作原理.................................................93.2步进电动机的工作方式............................................93.3步进电动机的控制.....................................................103.3.1环形分配器........................................................103.3.2功率放大器.............................................................11第4章应用.................................................................11

4.1直流伺服电动机的应用....................................................114.2步进电动机的应用........................................................12第5章总结.................................................................13参考文献...................................................................14致谢.......................................................................15

摘要

随着自动化技术、计算机技术、电力电子技术的发展，特别是高性能永磁材料

的问世，电动机制造技术水平得到了极大的提高，也为特种电动机的制造、

控制和应用提出了更高的要求，提供了更广阔的发展空间。

对于一般的三相鼠笼式交流电动机及其变频调速控制方式，大家都比

较熟悉，同时也有较多的资料和书籍介绍这方面的内容。

但对于具有特殊

应用要求的特种电动机及其控制和应用，由于其应用面相对较窄使其需求

应用较少，而且其控制装置较贵，相关的书籍较少，使得这方面的理论知

识和应用经验较为缺乏。

特种电机是电机中的一类主要是指因为使用环境和制作工业的特殊而

区别通用电机的名称。

随着工业化发展以及自动化技术提高特种电机的使

用范围越来广泛种类越来越多。

是以一类新型特种电机（步进电动机、自

整角机、直线电动机、超声波电动机等等之类的）为例，综述其原理，结

构，性能，应用以及研究热点。

本次设计既有理论论述，又有实际工程应

用介绍，具有全面性、系统性、实用性、可读性的特点，避免繁琐的数学

运算和高深的理论，从实际出发，深入浅出，涉及的范围广，内容丰富，

特别是有具体的实例介绍，对于学习特种电动机应用具有重要的参考价值。

关键词：

伺服电动机、步进电动机

第一章绪论

1.1课题背景

随着科学技术的发展，促使各个行业的电气化与自动化程度的日益提高，而这其中，电动机控制扮演者重要的角色。

电动机控制电路调试与应用愈来愈重要，对电气从业人员的技术水平要求也愈来愈高，因此熟悉和掌握各种常用电动机的典型控制线路，以及电气设备的控制线路，对正确使用电气设备及进行故障处理是非常必要的。

电动机是被广泛使用的一种动力机械，它是依据电磁感应原理将电能转换为机械能的旋转动力装置。

由于我国经济发展迅速，工农业生产和日常生活中使用的电动机种类和数量日益增加，且性能各异，因此，必须熟悉各类电动机和负载机械设备的类型、结构、性能及用途等，使其能安全、高效、经济地去拖动各种负载机械设备。

第1节电动机的分类电动机有多种分类方法，

我国习惯按机座号（轴中心高）或功率大小来分类，通常将各类电动机划分为大、中、小、微四种，其中微型电动机按用途又分为驱动用和控制用两大类。

每一种电动机又按它们工作原理、结构特征、性能、用途等的不同，划分为单、三相异步电动机、同步电动机和直流电动机几大类。

例如中小型异步电动机率范围从0．55-1400kW（4极），其0．55—250kW为小型异步电动机，250kW及以上则为中型异步电动机。

电动机的分类如表l—1所示。

还可按其外壳防护型式、通风冷却方式、结构和

安装型式、使用环境条件，以及性能、用途、励磁方式和工作制等特征进行分类。

1.2课题主要工作

了解学习电动机课程及其自动化专业必选课。

主要讲述伺服电机、步进电机、永磁电机、开关磁阻电动机、工作原理、结构及运行。

通过本课程的学习使学生能熟练的掌握控制及特种电机的工作原理、结构、运行控制及设计。

为以后的工作打下良好基础。

针对本课程的特点主要采用理教、实验参观和上机来完成实际操作环节。

•本课程为电气工直流伺服电动机的结构及运行特性

•交流伺服电动机的工作原理及控制方式

•步进电动机的工作原理、结构及控制

•了解步进电机的环形分配器

•掌握步进电机的功率放大器

•掌握步进电机的运行状态与控制

•了解步进电机的功率变换、控制器及位置、电流检测器

第二章伺服电动机的认知

伺服电动机是一种具有服从控制信号要求进行动作动能的执行器，无信号时静止，有信号时即运行，因此有“伺服”性而得名。

伺服电动机的作用是在自动控制系统中进行将接收的控制信号转换为轴的角位移或角速度输出。

伺服电动机在控制系统中一般用作执行元件。

根据被控对象的不同，由伺服电动机组成的伺服系统一般有三种基本控制方式，即位置控制、速度控制和力矩控制，通常位置和速度控制用得较多。

2.1直流伺服电动机的结构

2.2直流伺服电动机的运行特性

在忽略电枢反应的情况下，直流伺服电动机的电压平衡方程可表示如下：

当磁通恒定时，电枢反电动势为：

式中：

ke为电动势常数

直流伺服电动机的电磁转矩为：

式中：

KT为转矩常数

转速关系式：

2.3直流伺服电动机在过渡过程中的工作状态

为了分析控制系统的动态特性，不仅需要知道电机在过渡过程中的工作状态，而且还要进一步了解电机的转速、转矩、电流、功率等物理量在过渡过程中随时间变化的规律，以及过渡过程时间和电机参数的关系。

产生过渡过程的原因，主要是电机中存在两种惯性：

机械惯性和电磁惯性。

如上一节所述当电枢电压突然改变时，由于电机和负载有转动惯量，转速不能突变，需要有一个渐变的过程，才能达到新的稳态，因此转动惯量是造成机械过渡过程的主要因素。

另外，由于电枢绕组具有电感，电枢电流也不能突变，也需要有一个过渡过程，所以电感是造成电磁过渡过程的主要因素。

电磁过渡过程和机械过渡过程是相互影响的，这两种过渡过程交织在一起形成了电机总的过渡过程。

但是一般来说，电磁过渡过程所需的时间要比机械过渡过程短得多。

因此在许多场合，只考虑机械过渡过程，而忽略电磁过渡过程，在上一节中就是这样处理的。

研究电机过渡过程的方法，是将过渡过程中的物理规律用微分方程表示出来，然后根据初始条件求解方程，找出各物理量与时间的函数关系。

下面即按照这种方法分析直流伺服电动机在电枢绕组加上阶跃电压时，转速和电流随时间增长的过程。

2.4直流伺服电动机的机械特性和调节特性

1）机械特性

机械特性是指在控制电枢电压保持不变的情况下，直流流伺服电动机的转速n随转矩变化的关系。

当电枢电压为常值时:

当转矩为零时，电机的转速仅与电枢电压有关，此时的转速为直流伺服电动机的理想空载转速，理想空载转速与电枢电压成正比，即：

当转速为零时，电机的转矩仅与电枢电压有关，此时的转矩称为堵转转矩，堵转转矩与电枢电压成正比，即：

给定不同的电枢电压得到的直流伺服电动机的机械特性

不同电枢电压下的机械特性曲线为一组平行线，其斜率为-k。

当控制电压一定时，不同的负载转矩对应不同的机械转速。

转矩T增大时，转速n降低。

2）调节特性

直流伺服电动机的调节特性是指负载转矩恒定时，电机转速与电枢电压的系。

当转矩一定时，转速与电压的关系也为一组平行线，当电动机的转矩T不变时，控制电压增加，转速成正比地增加。

其斜率为1/ke。

调节特性与横轴的交点所对应的电压值为始动电压，只有当控制电压大于始动电压，电动机才会转动。

负载转矩TL不同时，始动电压也不同，TL越大，始动电压越高，死区越大，伺服电动机越不灵敏，所以伺服电动机不可带太大的负载。

第3章步进电动机

•步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移的执行器。

•给一个脉冲信号，步进电动机就转动一个角度。

因此步进电动机也称为脉冲电动机。

步进电动机其角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比通过改变脉冲频率可以调节电动机的转速。

•如果停机后某些绕组仍保持通电状态，则还具有自锁能力。

•步进电动机的最大缺点是在重负载和高速的情况下，容易发生失步。

3.1步进电动机的结构与工作原理

3.1.1步进电动机的结构

•步进电动机在结构上分为定子和转子两部分，

•定子上有六个磁极，每个磁极上绕有励磁绕组，相对的两个磁极组成一相，分成A、B、C三相。

转子无绕组，它是由带齿的铁心做成的。

3.1.2步进电动机的工作原理

假设转子上有四个齿，相邻两齿间夹角（齿距角）为90°。

当A相通电时，转子1、3齿被磁极A产生的电磁引力吸引过去，使1、3齿与A相磁极对齐。

接着B相通电，A相断电，磁极B又把距它最近的一对齿2、4吸引过来，使转子按逆时针方向8然后c相通电，B相断电，转子又逆时针旋转30°。

依次类推，定子按A→B→C→A顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步转30°。

若改变通电顺序，按A→C→B→A使定子绕组通电，步进电动机就按顺时针方向转动，同样每步转30°。

3.2步进电机的工作方式

三相单三拍方式：

“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍”是指每三次换接为一个循环。

由于每次只有一相绕组通电，在切换瞬间将失去自锁转矩，容易失步，另外，只有一相绕组通电，易在平衡位置附近产生振荡，稳定性不佳，故实际应用中不采用单三拍工作方式。

相双三拍控制方式：

即通电顺序按AB→BC→CA→AB（逆时针方向）或AC→CB→BA→AC（顺时针方向）进行，其步距角仍为30°。

由于双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作比较稳定。

三拍控制方式：

按A→AB→B→BC→C→CA→A顺序通电，即首先A相通电，然后A相不断电，B相再通电，即A、B两相同时通电，接着断而

B相保持通电状态，然后再使B、C两相通电，依次类推，每切换一次，步进电动机逆时针转过15°。

如通电顺序改为A→AC→C→CB→B→BA→A，则步进电动机以步距角15°顺时针旋转。

三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且转换过程中始终保证有一个绕组通电，工作稳定，因此这种方式被大量采用。

3.3步进电动机的控制

•步进电动机的控制需要有专用的驱动电源，否则不能正常工作。

•步进电动机的控制指令是一串脉冲方波，不能形成连续的旋转磁场，为了使步进电动机能旋转或步进，就要形成旋转磁场，这必须依靠环形分配器才能完成。

cp为控制系统输出脉冲信号，DIR为方向控制信号。

CP信号的脉冲个数控制步进电动机的转角，CP的频率控制步进电动机的速度，DIR方向信号控制步进电动机的旋转方向。

3.3.1环形分配器

•环形分配器的主要作用是使电机各相绕组按一定的顺序导通和切断，并根据输入指令使电机正转或反转。

•脉冲环形分配器主要有两种形式：

一种为软件环形分配器，由软件控制依次给绕组通断电；另一种是硬件环形分配器，早期为触发器，现在普遍采用专门的集成电路分配器。

•软件环形分配器分配灵活，但占用系统时间。

硬件环形分配器速度快，但分配不够灵活。

集成元器件的使用，使环形分配器的体积大大缩小，可靠性和抗干扰能力也大大提高。

•实际使用时，脉冲输入控制信号需通过光电耦合器隔离，再送给环形分配器。

采用了光电耦合器以后，提高了系统的抗干扰能力。

3.3.2功率放大器

•步进电动机的脉冲控制信号一般都很弱，必须经过功率放大器才能驱动步进电动机。

•功率放大器的作用是将环形分配器输出的各相电信号进行放大。

•目前应用较多的步进驱动主要有：

高低压驱动、恒流斩波驱动、调频调压驱动、细分控制驱动。

•功率放大器又称步进驱动器，其性能好坏取决于以下几个方面：

•①提供足够幅值、前后沿较好的励磁电流；

•②本身功耗小、变换频率高；

•③能长时间稳定、可靠运行；

•④成本低且易于维护。

第四章应用

4.1直流伺服电动机应用

直流伺服电动机在国防现代化和工业自动化中得到广泛应用，下面列举几个在工业自动化中的易用实例。

（1）机床用直流伺服电动机的数字控制装置。

机床用直流伺服电动机的数字控制装置选用低转速高转矩直流伺服电动机直接驱动滚珠丝杠，用解算器做反馈装置，已达到数控的目的，如图3-1-30所示。

在进给量设定数字开关上设定的进给量，还要在计数器上进行调整。

将设定进给V/F的模拟电压，变换成数字式脉冲序列作为计数器的输入及数字伺服系统指令脉冲的输入。

计数器在计数完毕时间内，切断数字伺服系统的指令脉冲，送料辊柱停止送件。

进给工件时，由安装在测量辊柱上的PGI的脉冲，作为数字伺服系统的反馈脉冲。

为了避免进给量的误差，进给辊柱停止时，要加上坚固的伺服加紧，因此要在驱动电动机非轴伸端安装PG2，用以切换反馈脉冲。

4.2步进电动机的应用

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。

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，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。

总结

通过本课题的学习我们需掌握直流电动机的工作原理；直流电动机的使用以及直流伺服电动机及其控制方法；直流伺服电动机的稳态特性；直流伺服电动机在过渡过程中的工作状态。

伺服电动机分为两大类，交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。

直流伺服是梯形波。

但直流伺服比较简单，便宜。

直流伺服电机分为有刷和无刷电机。

有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，产生电磁干扰，对环境有要求；因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场所。

近年来，中国从制造业大国正向制造业强国发展，伺服电机之中国由于国家对制造装备及其技术改造工作的重视，随着全数字式交流永磁伺服系统的性能价格的提高，交流伺服电机作为控制电机类高档精密部件，其市场需求将稳步增长。

了解步进电动机的工作原理和基本特点：

步进电动机工作时，每相绕组由专门驱动电源通过“环形分配器”按一定规律轮流通电。

例如一个按三相双三拍运行的环形分配器输入是一路，输出有A、B、C三路。

若开始是A、B这两路有电压，输入一个控制电脉冲后，就变成B、C这两路有电压，再输入一个电脉冲，则变成C、A这两路有电压，再输入一个电脉冲，又变A、B这两路有电压了。

环形分配器输出的各路脉冲电压信号，经过各自的放大器放大后送入步进电动机的各相绕组，使步进电动机一步步转动。

图11-10表示三相步进电动机控制方框图，图11-11表示三相双三拍运行时控制电脉冲及各相控制电压随时间变化的波形图。

这种电机可以像反应式步进电动机那样做成小步距角，并有较高的启动频率，同时它又具有控制功率小的优点（这点对于航空设备来说特别重要）。

参考文献

《电机与电气控制》杜贵明张森林主编华中科技大学出版社

《特种电机及其控制》孙建忠主编中国水利水电出版社

《控制电机及其应用》巫传专编电子工业出版社

《电机与电气控制》刘伦富（编者）,侯守军（编者）国防工业出版社

《电机学》汤蕴璆、罗应立、梁艳萍编著机械工业出版社

致谢

通过几个月的不懈努力，在李贤温老师的指导下，终于完成了这篇论文，感谢老师指引我们研究的方向，在我们最初的写作里参与了大量的构思、收集工作，给予了我们影视色彩的分析。

因为色彩，我们收获那么多的友谊、善意和温暖。

因为色彩，我们拥有前所未有的幸福感。