畢業(yè)設(shè)計說明書_基于直線步進電機的三自由度機械臂設(shè)計

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18710754489趙中越 鄭州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 設(shè)計（論文）題目：基于直線步進電機三自由度機械 臂設(shè)計 所 在 系 ： 機械工程系 專 業(yè) 名 稱 ： 機械制造與自動化 學(xué) 生 姓 名： 王浩 學(xué) 號： 200624130 指 導(dǎo) 教 師： 2009年 3 月 30 日 鄭州科技學(xué)院 機械工程系 畢業(yè)設(shè)計說明書 設(shè)計題目: 基于直線步進電機的三自由度機械臂設(shè)計 學(xué)生姓名： 王浩 學(xué) 號： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 2009 年 3 月 30日 摘 要 本文對步進電機的工作原理和運動控制做了闡述，對如何防止步進電機失步和過沖做出了系統(tǒng)說明，并深入研究了步進電機在升降速過程中脈沖頻率曲線的設(shè)計和他們的優(yōu)缺點；認真研究了步進電機細分控制的原理，然后給出了具體的實現(xiàn)方法。 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。 雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 關(guān)鍵詞: 步進電機 驅(qū)動器 結(jié)構(gòu)原理 驅(qū)動方式 abstract In this paper, the working principle of stepper motor and motion control to do the explanation on how to prevent out-of-step stepper motor and the overshoot to the system descriptions and in-depth study of the stepper motor speed at take-off and landing during the pulse frequency curve of the design and their advantages and disadvantages; carefully studied the breakdown of stepper motor control theory, then give a specific method of implementation. Stepper motor is the electric pulse signal into an angular displacement or linear displacement of the open-loop control components. In the non-overloaded case, motor speed, and stop depending on the location of only pulse frequency and pulse number, free from the impact of changes in load, that is, to add a pulsed electrical signal, then turn a motor step angle. The existence of this linear relationship, together with the stepper motor only cyclical error without accumulative error and so on. Made in terms of speed, position control, such as stepper motor used to control the change very easy. Although the stepper motor has been widely applied, but the stepper motor is not as common DC motor, AC motor in the conventional use. It must be from a dual Ring pulse signal, power driver circuit, such as control system components may use. So make good use of stepper motor is not an easy task, which involves mechanical, electrical, electronic and computer expertise. Keywords: stepper motor drives the structure of the principle-driven approach 目 錄 摘 要 3 abstract 4 目 錄 5 序言 7 1方案說明： 9 1.1 課題研究現(xiàn)狀及研究意義 9 1.1.1直線步進電機的研究現(xiàn)狀 9 1.1.2研究意義 10 1.2總體介紹 10 1.3 設(shè)計要求 11 1.3.1工作環(huán)境要求 11 1.3.2直線步進電機自身特點 12 1.3.3直線步進電機工作特點 13 1.3.4直線步進電機技術(shù)概述 14 2 原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計 18 2.1直線步進電機的原理 18 2.1.1感應(yīng)子式步進電機工作原理 20 2.2.2、感應(yīng)子式步進電機 22 2.2步進電機的選用 26 2.2.1 步進電機的應(yīng)用 26 2.2.2、步進電機的選擇 28 2.2.3、應(yīng)用中的注意點 30 2.3電機調(diào)速的功率控制原理 31 2.3.1、功率控制與轉(zhuǎn)矩控制 31 2.3.2、功率控制的方法與性能 34 2.3.3、功率控制的理想空載轉(zhuǎn)速，效率與機械特性 38 2.3.4、異步機調(diào)速分類與方法 39 2.3.5、結(jié)論 40 3步進電機驅(qū)動器 40 3.1細分電機驅(qū)動電路 41 3.1.1、步進電機細分原理 41 3.1.2、步進電機細分倍數(shù)與定位精度的關(guān)系 42 3.2基于AT89C2051的步進電機驅(qū)動器系統(tǒng)電路原理 44 3.3、直線步進電機在自動生化分析儀上的應(yīng)用 45 4驅(qū)動控制系統(tǒng) 47 4.1、驅(qū)動控制系統(tǒng)組成 47 4.1.1脈沖信號的產(chǎn)生及分配 48 4.1.2功率放大系統(tǒng) 48 圖36電壓與力矩的關(guān)系 4.1.3細分驅(qū)動器 49 4.2關(guān)于驅(qū)動控制系統(tǒng)的研究 50 4.2.1電機驅(qū)動程序的具體設(shè)計與實現(xiàn) 50 4.2.2電機驅(qū)動方式 53 結(jié)論： 55 致謝： 56 參考文獻 57 序言 步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。 步進電機樣品 　　上個世紀就出現(xiàn)了步進電動機，它是一種可以自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵，動作原理和今天的反應(yīng)式步進電動機沒有什么區(qū)別，也是依靠氣隙磁導(dǎo)的變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。在本世紀初，由于資本主義列強爭奪殖民地，造船工業(yè)發(fā)展很快，同時也使得步進電動機的技術(shù)得到了長足的進步。到了80年代后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進電動機的控制方式更加靈活多樣。原來的步進電機控制系統(tǒng)采用分立元件或者集成電路組成的控制回路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計電路。計算機則通過軟件來控制步進電機，更好地挖掘出電動機的潛力。因此，用計算機控制步進電機已經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代趨勢。 步進電機和普通電動機不同之處是步進電機接受脈沖信號的控制。步進電機靠一種叫環(huán)形分配器的電子開關(guān)器件，通過功率放大器使勵磁繞組按照順序輪流接通直流電源。由于勵磁繞組在空間中按一定的規(guī)律排列，輪流和直流電源接通后，就會在空間形成一種階躍變化的旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子步進式的轉(zhuǎn)動，隨著脈沖頻率的增高，轉(zhuǎn)速就會增大。步進電機的旋轉(zhuǎn)同時與相數(shù)、分配數(shù)、轉(zhuǎn)子齒輪數(shù)有關(guān)。 現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應(yīng)式步進電機、永磁式步進電機、混合式步進電機和單相式步進電機等。其中反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?，F(xiàn)階段，反應(yīng)式步進電機獲得最多的應(yīng)用。 步進電機驅(qū)動器 　　步進電機和普通電機的區(qū)別主要就在于其脈沖驅(qū)動的形式，正是這個特點，步進電機可以和現(xiàn)代的數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合。不過步進電機在控制的精度、速度變化范圍、低速性能方面都不如傳統(tǒng)的閉環(huán)控制的直流伺服電動機。在精度不是需要特別高的場合就可以使用步進電機，步進電機可以發(fā)揮其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和成本低的特點。使用恰當?shù)臅r候，甚至可以和直流伺服電動機性能相媲美。 步進電機廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實踐的各個領(lǐng)域。它最大的應(yīng)用是在數(shù)控機床的制造中，因為步進電機不需要A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化成為角位移，所以被認為是理想的數(shù)控機床的執(zhí)行元件。早期的步進電機輸出轉(zhuǎn)矩比較小，無法滿足需要，在使用中和液壓扭矩放大器一同組成液壓脈沖馬達。隨著步進電動機技術(shù)的發(fā)展，步進電動機已經(jīng)能夠單獨在系統(tǒng)上進行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件。比如步進電動機用作數(shù)控銑床進給伺服機構(gòu)的驅(qū)動電動機，在這個應(yīng)用中，步進電動機可以同時完成兩個工作，其一是傳遞轉(zhuǎn)矩，其二是傳遞信息。步進電機也可以作為數(shù)控蝸桿砂輪磨邊機同步系統(tǒng)的驅(qū)動電動機。除了在數(shù)控機床上的應(yīng)用，步進電機也可以并用在其他的機械上，比如作為自動送料機中的馬達，作為通用的軟盤驅(qū)動器的馬達，也可以應(yīng)用在打印機和繪圖儀中。 步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高，步進電機將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。 1方案說明： 本章概要：本章對國內(nèi)外直線步進電機設(shè)備的研制狀況、步進電機設(shè)備的生產(chǎn)使用方法進行了簡要介紹，提出了該課題研究的意義、價值。進而介紹了該課題研究的總體內(nèi)容，對設(shè)計應(yīng)滿足的目標進行了說明。 1.1 課題研究現(xiàn)狀及研究意義 1.1.1直線步進電機的研究現(xiàn)狀 八十年代前后時期：我國步進電機產(chǎn)品八十年代以前一直以定子六極轉(zhuǎn)子四十齒的三相磁阻式步進電機為主，另外有定子十極轉(zhuǎn)子一百齒的五相磁阻式步進電機和其它的一些品種。八十年代開始發(fā)展的混合式步進電機，則是以定子八極轉(zhuǎn)子五十齒的二相(四相)混合式步進電機為主，一九八七年開始生產(chǎn)定子十極轉(zhuǎn)子五十齒的五相混合式步進電機，同時還發(fā)展了一些不同于國外的產(chǎn)品，例如定子八極轉(zhuǎn)子六十個齒的二相(四相)混合式步進電機，轉(zhuǎn)子一百齒的三相、九相混合式步進電機，轉(zhuǎn)子兩百齒的五相混合式步進電機等。從上述進程可以看出，步進電機產(chǎn)品種類繁多混雜，對產(chǎn)業(yè)的長遠發(fā)展十分不利。 微步驅(qū)動技術(shù)突破時期：步進電機屬于增量運動控制器件，微步驅(qū)動技術(shù)快速發(fā)展使其分辨率大大提高，已經(jīng)達到接近連續(xù)運動控制器件的狀態(tài)，步進電機具有了“類伺服”特性。微步驅(qū)動技術(shù)實際上就是電流波形控制技術(shù)，傳統(tǒng)的步進電機驅(qū)動器僅對相繞組的電流進行通斷控制，在轉(zhuǎn)子齒數(shù)一定的條件下，只有增加了相數(shù)才能增加電機的分辨率，例如五相混合式步進電動機，因為比兩相混合式步進電機相數(shù)多，分辨率更高，就形成獨立的系列產(chǎn)品。而在電流波形控制技術(shù)日趨成熟的今天，只須增加兩相步進電機電流波形的階梯數(shù)，就可以使分辨率達到與五相步進電機一樣的程度，為統(tǒng)一步進電機的相數(shù)創(chuàng)造了技術(shù)條件。 步進電機品種趨于統(tǒng)一的新時期：隨著步進馬達IC技術(shù)在大功率和高集成度方面出現(xiàn)突破，例如德國TRINAMIC運動控制系列產(chǎn)品中的馬達IC產(chǎn)品；東芝公司二零零八年開始主推的TB6560AHQ步進馬達驅(qū)動芯片產(chǎn)品；在TB6560AHQ基礎(chǔ)上開發(fā)的步進馬達IC產(chǎn)品THB6064H、THB6016H等；馬達IC技術(shù)突破將使步進電機驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用空間出現(xiàn)大幅度提升。 中國步進電機網(wǎng)將不斷推動加速使步進電機產(chǎn)品種類趨于統(tǒng)一問題的探討，促進步進新技術(shù)產(chǎn)品的應(yīng)用和推廣。 1.1.2研究意義 步進電機是一種將電能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽艿幕静考?，它在多種機電設(shè)備中得到了廣泛地應(yīng)用，如工業(yè)生產(chǎn)中的各種機床、生產(chǎn)線上的傳送帶、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的灌溉機械、粉碎機等。如今，隨著控制技術(shù)的發(fā)展與完善，對步進電機的控制方法也層出不窮，從早期純粹依賴電路設(shè)計控制，到如今的計算機、PLC等先進控制方式的涌現(xiàn)，大大提供了步進電機的控制精度和設(shè)計的簡單性、靈活性，因而也促進了步進電機在生產(chǎn)中獲得更加廣泛地應(yīng)用。 　　晶體生長控制系統(tǒng)是一種高精度的控制系統(tǒng)，其中對晶體生長過程中坩堝的升降、旋轉(zhuǎn)和耔晶桿的升降的控制尤為重要。同時，晶體生長控制系統(tǒng)具有控制速度范圍要求廣、低速段的速度要求低（一般低速與高速之比超過10000倍以上）等特點。因此，在設(shè)計這種控制系統(tǒng)時，就要充分利用硬件和軟件資源，來達到良好的控制功能。 1.2總體介紹 步進電機是由磁性轉(zhuǎn)子鐵芯通過與由定子產(chǎn)生的脈沖電磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，直線步進電機在電機內(nèi)部把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為線性運動。直線步進電機，或稱線性步進電機，首先出現(xiàn)在美國1968年的第3，402，308號專利上，是頒發(fā)給William Henschke的，從此以后，直線步進電機被廣泛應(yīng)用于包括制造、精密校準、精密流體測量、精確位置移動等諸多高精度要求領(lǐng)域。 直線步進電機的基本原理是采用一根螺桿和螺母相嚙合，采取某種方法防止螺桿螺母相對轉(zhuǎn)動，從而使螺桿軸向移動。一般而言，目前有兩種實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化的方式，第一種是在電機內(nèi)置一個帶內(nèi)螺紋的轉(zhuǎn)子，以轉(zhuǎn)子的內(nèi)螺紋和螺桿相嚙合而實現(xiàn)線性運動，第二種是以螺桿作為電機出軸，在電機外部通過一個外部驅(qū)動螺母和螺桿相嚙合從而實現(xiàn)直線運動。這樣做的結(jié)果是大大簡化了設(shè)計，使得在許多應(yīng)用領(lǐng)域中能夠在不安裝外部機械聯(lián)動裝置的情況下直接使用直線步進電機進行精密的線性運動。 圖1 一個典型的固定軸直線步進電機示意圖 由與螺桿相比，驅(qū)動螺桿的螺母顯得更為重要，直線步進電機采用的是青銅注塑內(nèi)螺紋轉(zhuǎn)子，這種綜合考慮了物理穩(wěn)定性和潤滑性能的專利產(chǎn)品，在具有低摩擦系數(shù)的同時又有相當優(yōu)異的熱膨脹性能。兩方面的優(yōu)異性能，保證了直線步進電機的高壽命。下圖是以青銅材料為參照的電機壽命曲線。 圖2 電機壽命曲線圖 1.3 設(shè)計要求 1.3.1工作環(huán)境要求 1、步進電機應(yīng)用于低速場合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（0.9度時6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。 2、步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。 3、由于歷史原因，只有標稱為12V電壓的電機使用12V外，其他電機的電壓值不是驅(qū)動電壓伏值 ，可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)動電壓（建議：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），當然12伏的電壓除12V恒壓驅(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電源， 不過要考慮溫升。 4、轉(zhuǎn)動慣量大的負載應(yīng)選擇大機座號電機。 5、電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。 6、高精度時，應(yīng)通過機械減速、提高電機速度,或采用高細分數(shù)的驅(qū)動器來解決，也可以采用5相電機，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說法是外行話。 7、電機不應(yīng)在振動區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。 8、電機在600PPS（0.9度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動。 1.3.2直線步進電機自身特點 1、可以用數(shù)字信號直接進行開環(huán)控制，整個系統(tǒng)簡單廉價。 2、位移與輸入脈沖信號數(shù)相對應(yīng)，步距誤差不長期積累，可以組成結(jié)構(gòu)較為簡單又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可在要求更高精度的組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 3、無刷，電動機本體部件少，可靠性高。 4、易于起動，停止，正反轉(zhuǎn)及速度響應(yīng)性好。 5、停止時可有自鎖能力。 6、步距角可在大范圍內(nèi)選擇，在小步距情況下，通?？梢栽诔娃D(zhuǎn)速下高轉(zhuǎn)距穩(wěn)定運行，通?？梢圆唤?jīng)減速器直接驅(qū)動負載。 圖3電機內(nèi)部簡圖 7、速度可在相當寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，同時用一臺控制器控制幾臺步進電動機可使它們完全同步運行。 8、步進電動機帶慣性負載能力較差。 9 、由于存在失步和共振，步進電機的加減速方法根據(jù)利用狀態(tài)的不同而復(fù)雜化。 10、需要專用的伺服控制器控制，不能直接使用普通的交直流電源驅(qū)動。 圖4電路控制圖 1.3.3直線步進電機工作特點 1．一般步進電機的精度為步進角的3－5％，且不累積。 2．步進電機外表允許的最高溫度。 步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。 3．步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 4．步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。 步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。 1.3.4直線步進電機技術(shù)概述 步進電機由旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性運動可用幾種機械方法完成，包括齒條和齒輪傳動及皮帶和皮帶輪傳動以及其他機械聯(lián)接機構(gòu)。所有這些設(shè)計都需要各種機械零件。完成這個轉(zhuǎn)變的最有效方法是在電機自身內(nèi)進行。 基本的步進電機是由有磁性的轉(zhuǎn)子鐵芯通過與由定子產(chǎn)生的脈動的定子電磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。直線電機把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性運動，完成這個轉(zhuǎn)變的精密性取決于轉(zhuǎn)子的步進角度和所選方法。線性步進電機，或者稱為直線步進電機，首先出現(xiàn)在1968年的第3,402,308號專利上，是頒發(fā)給William Henschke的。從此以后，直線步進電機在許多要求極高的領(lǐng)域有了用武之地。包括制造應(yīng)用、精密調(diào)準和精密流體測量在內(nèi)的諸多高要求領(lǐng)使用螺紋的直線電機精密度，取決于它的螺距。在直線電機的轉(zhuǎn)子中心安裝一個螺母，相應(yīng)地一個螺桿與此螺母嚙合，為使螺桿軸向移動，必須用某種方法來防止螺桿與轉(zhuǎn)子組件一同轉(zhuǎn)動。由于螺桿轉(zhuǎn)動受到制約，當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，螺桿實現(xiàn)了線性運動。無論是在電機內(nèi)部用固定螺紋軸組件還是在外部的螺紋軸上使用不能旋轉(zhuǎn)但軸向可自由移動的螺母，都是實現(xiàn)轉(zhuǎn)動約束的典型方法。 為簡化設(shè)計，在電機內(nèi)部實現(xiàn)線性變換是有意義的。該方法極大地簡化了設(shè)計，使得在許多應(yīng)用領(lǐng)域中能夠在不安裝外部機械聯(lián)動裝置的情況下直接使用直線電機進行精密的線性移動。 最初的直線電機采用了一個滾珠螺母和絲桿的結(jié)合體。滾珠絲桿提供了90%以上的效率，而根據(jù)螺紋條件，梯形螺紋提供的效率僅有20%～70%。 盡管滾珠絲桿對轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)運動為線性運動是一個高效的方法，但是滾珠螺母很難校準，而且體積龐大，費用昂貴。因此，在大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中，滾珠絲桿并非是一個實際的解決方法。 大多數(shù)設(shè)備設(shè)計人員對以直線電機為基礎(chǔ)的混合式步進電機是熟悉的。該產(chǎn)品有多年的歷史了，與其它設(shè)備一樣它有其自己的長處和局限性。設(shè)計簡便、緊湊、無電刷（因此無火花）、驚人的機械優(yōu)點、設(shè)計的實用性以及可靠性是它與生俱來的優(yōu)點，然而在某些情況下，此直線電機不能用于某些設(shè)備，因為在沒有日常維護的條件下它是不能保證耐久的。 然而，有幾種方法克服了這樣的障礙，使直線電機具有高的耐久性且不用維護，由于步進電機的無電刷設(shè)計，產(chǎn)生磨損的唯一部件是轉(zhuǎn)子軸承以及由導(dǎo)向螺桿/螺母組成的螺紋接合。滾珠軸承幾年來的改進已經(jīng)提供了適合直線運動的長壽命類型。最近導(dǎo)向螺桿和螺母組合的壽命和耐用性都有了改進。 習(xí)慣上，直線電機使用由一軸承級金屬材料（如青銅）加工成的一個空心軸，該空心軸具有內(nèi)螺紋然后與螺紋導(dǎo)桿連接。該空心軸沿轉(zhuǎn)子軸線安裝。導(dǎo)桿材料通常為不銹鋼，它具有某種防腐蝕性能。大多數(shù)零件所用螺紋的型式是加工螺紋（如#10-32），此螺紋有單頭或多頭，這取決于電機所需的分辨率和速度。 圖5轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 加工螺紋一般選擇“V”形螺紋，這是由于其容易加工和軋制成形。雖然這對加工來說是一個合適的選擇，但對動力的傳輸卻不利。梯形螺紋更為合適，對此有幾個理由。 圖6螺紋結(jié)構(gòu) 梯形螺紋的設(shè)計更為有效。比較好的效果是其損耗小，包括摩擦，這就意味著磨損少和使用壽命長。查看一下螺紋的基本幾何形狀就很容易進行解釋?！癡”形螺紋的相對面之間有一個60度角，而梯形僅有29度角。 假定摩擦、扭矩和螺紋角相同，“V”形螺紋能傳送的力約為梯形螺紋的85%。用方程式1和2可以求出效率，因為使用的螺紋是V形的，取決于負載方向。60度螺紋的效率除以29度螺紋效率就能計算出比率。 效率計算沒有考慮。在“V”形螺紋表面上的壓力要高的多的情況，此高壓力會進一步增加的損耗。 梯形螺紋導(dǎo)桿一般是為傳送動力而制作的，所以應(yīng)該嚴格關(guān)注表面光潔度、螺距精度和公差?！癡”形螺紋基本上用于緊固螺紋，所以其表面光潔度和直線性并不嚴格控制。 同樣，甚至更重要的是驅(qū)動螺桿的螺母，該螺母通常是嵌入電機轉(zhuǎn)子中的。通常螺母材料是軸承級的青銅在其自身進行內(nèi)加工螺紋，它綜合考慮了物理穩(wěn)定性和潤滑性。當然，說它是綜合考慮是因為它在兩方面都不是完美的。直線電機中驅(qū)動螺母的較好材料是自潤滑的熱塑性材料。這是因為用新的工程塑料能使螺桿螺母運動摩擦系數(shù)降低。圖7是不同內(nèi)螺紋轉(zhuǎn)子材料的摩擦性能的比較。 圖7 青銅與工程塑料的摩擦性能 結(jié)果很明顯，但為何不用塑料的驅(qū)動螺母？對螺紋來說塑料是好的，但對于混合式電機中的轉(zhuǎn)子軸頸來說卻不夠穩(wěn)定。由于電機的溫度在運行時可能升至167F，在這種情況下塑料的膨脹量可能達到0.004英寸，但黃銅在同樣熱條件下僅膨脹0.001。見圖8 圖8 熱膨脹比較 軸承軸頸在混合式電機設(shè)計中是嚴格要求的，為了達到最佳性能，混合式電機在設(shè)計時必須保持千分之幾英寸的轉(zhuǎn)子鐵芯外徑和定子內(nèi)徑之間的空隙。如果轉(zhuǎn)子裝配不同心則將與定子壁摩擦。通過材料的選擇，設(shè)計人員希望在螺紋壽命和軸承軸頸耐久性兩方面都具有優(yōu)勢。在金屬轉(zhuǎn)子組件內(nèi)注入模壓塑料螺紋，在兩方面都取得最佳效果。 該結(jié)構(gòu)極大地提高了運行壽命、效率及安靜性。電機壽命比在其它電機中使用的常規(guī)青銅螺母結(jié)構(gòu)提高了10～100倍，且不需要維護保養(yǎng)，免維護 終生潤滑。 一種專門配制的高性能合成油脂給予了海頓電機以不需再加潤滑油的特殊的耐久性，潤滑劑具有特殊的溫度特性，范圍從-65℃（-85F）～250℃（482F）。該潤滑劑不易燃，具有化學(xué)惰性和低氣化壓力，對靈敏儀表的污染程度也很低。 圖9軸承 圖10 試驗表明HSI混合式直線電機的超長壽命 2 原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1直線步進電機的原理 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。 雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 目前,生產(chǎn)步進電機的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設(shè)備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給用戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。簽于上述情況，我們決定以廣泛的感應(yīng)子式步進電機為例。敘述其基本工作原理。望能對廣大用戶在選型、使用、及整機改進時有所幫助。 圖11 四相步進電機步進示意圖 　　開始時，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的1、4號齒就和C、D相 繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。 　　當開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。 　　四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。 　　單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖12.a、b、c所示： a. 單四拍b. 雙四拍c.八拍 圖12.步進電機工作時序波形圖 2.1.1感應(yīng)子式步進電機工作原理 一、反應(yīng)式步進電機原理 由于反應(yīng)式步進電機工作原理比較簡單。下面先敘述三相反應(yīng)式步進電機原理。 1、結(jié)構(gòu)： 電機轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3て，C與齒3向右錯開2/3て，A與齒5相對齊，（A就是A，齒5就是齒1） 圖13定轉(zhuǎn)子展開圖 2、旋轉(zhuǎn)： 如A相通電，B，C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。如B相通電，A，C相不通電時，齒2應(yīng)與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3て，此時齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。如C相通電，A，B相不通電，齒3應(yīng)與C對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て，此時齒4與A偏移為1/3て對齊。如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機就每步（每脈沖）1/3て,向右旋轉(zhuǎn)。如按A， C，B，A……通電，電機就反轉(zhuǎn)。 由此可見：電機的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。 不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3て改變?yōu)?/6て。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3て變?yōu)?/12て，1/24て，這就是電機細分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。 不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進電機旋轉(zhuǎn)的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。 3、力矩： 電機一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量Ф）當轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度產(chǎn)生力F與（dФ/dθ）成正比 S 其磁通量Ф=Br*S Br為磁密，S為導(dǎo)磁面積 F與L*D*Br成正比L為鐵芯有效長度，D為轉(zhuǎn)子直徑 Br=NI/R NI為勵磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）R為磁阻。 力矩=力*半徑 力矩與電機有效體積*安匝數(shù)*磁密 成正比（只考慮線性狀態(tài)）因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。 2.2.2、感應(yīng)子式步進電機 1、特點： 感應(yīng)子式步進電機與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進電機相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。 感應(yīng)子式步進電機某種程度上可以看作是低速同步電機。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行。（必須采用雙極電壓驅(qū)動），而反應(yīng)式電機則不能如此。例如：四相，八相運行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運行方式.不難發(fā)現(xiàn)其條件為C=,D=. 一個二相電機的內(nèi)部繞組與四相電機完全一致，小功率電機一般直接接為二相，而功率大一點的電機，為了方便使用，靈活改變電機的動態(tài)特點，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時，既可以作四相電機使用，可以作二相電機繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。 2、分類 感應(yīng)子式步進電機以相數(shù)可分為：二相電機、三相電機、四相電機、五相電機等。以機座號（電機外徑）可分為：42BYG(BYG為感應(yīng)子式步進電機代號）、57BYG、86BYG、110BYG、（國際標準），而像70BYG、90BYG、130BYG等均為國內(nèi)標準。 3、步進電機的靜態(tài)指標術(shù)語 相數(shù)：產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。 拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。 定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的） 靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。 4、步進電機動態(tài)指標及術(shù)語： （1）、步距角精度： 步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運行時應(yīng)在15%以內(nèi)。 （2）、失步： 電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。 （3）、失調(diào)角： 轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅(qū)動是不能解決的。 （4）、最大空載起動頻率： 電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 （5）、最大空載的運行頻率： 電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 （6）、運行矩頻特性： 電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。如下圖所示： 圖14電機輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線 其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。 電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。 圖15電機動態(tài)力矩與頻率關(guān)系曲線 其中，曲線3電流最大、或電壓最高;曲線1電流最小、或電壓最低，曲線與負載的交點為負載的最大速度點。 要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動電壓，使采用小電感大電流的電機。 （7）、電機的共振點： 步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進電機的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為 0.9度），電機驅(qū)動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。 （8）、電機正反轉(zhuǎn)控制： 當電機繞組通電時序為AB-BC-CD-DA或()時為正轉(zhuǎn)，通電時序為DA-CA-BC-AB或()時為反轉(zhuǎn)。 2.2步進電機的選用 2.2.1 步進電機的應(yīng)用 步進電機是機電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進電機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。廣泛應(yīng)用于機電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機床、包裝機械、計算機外圍設(shè)備、復(fù)印機、傳真機等。 選擇步進電機時，首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。而在選用功率步進電機時，首先要計算機械系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩，電機的矩頻特性能滿足機械負載并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩Mjmax大的電機，負載力矩大。 選擇步進電機時，應(yīng)使步距角和機械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機床所需的脈沖當量。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過步進電機的細分驅(qū)動來完成。但細分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機的固有特性所決定。 選擇功率步進電機時，應(yīng)當估算機械負載的負載慣量和機床要求的啟動頻率，使之與步進電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機床快速移動的需要。 選擇步進電機需要進行以下計算： （1）計算齒輪的減速比 根據(jù)所要求脈沖當量，齒輪減速比i計算如下: i=(φ.S)/(360.Δ)(1-1)式中φ---步進電機的步距角（/脈沖） S---絲桿螺距（mm) Δ---(mm/脈沖） （2）計算工作臺，絲桿以及齒輪折算至電機軸上的慣量Jt。 Jt=J1+（1/i)[(J2+Js）+W/g（S/2π)]（1-2） 式中Jt---折算至電機軸上的慣量(Kg.cm.s) J1、J2---齒輪慣量(Kg.cm.s) Js----絲桿慣量(Kg.cm.s)W---工作臺重量（N） S---絲桿螺距（cm） （3）計算電機輸出的總力矩M M=Ma+Mf+Mt（1-3） Ma=（Jm+Jt).n/T1.0210（1-4） 式中Ma---電機啟動加速力矩（N.m) Jm、Jt---電機自身慣量與負載慣量(Kg.cm.s) n---電機所需達到的轉(zhuǎn)速（r/min） T---電機升速時間（s） Mf=(u.W.s)/(2πηi)10（1-5） Mf---導(dǎo)軌摩擦折算至電機的轉(zhuǎn)矩（N.m) u---摩擦系數(shù) η---傳遞效率 Mt=(Pt.s)/(2πηi)10（1-6） Mt---切削力折算至電機力矩（N.m) Pt---最大切削力（N） （4）負載起動頻率估算。數(shù)控系統(tǒng)控制電機的啟動頻率與負載轉(zhuǎn)矩和慣量有很大關(guān)系，其估算公式為 fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/Ml）(1+Jt/Jm)]1/2（1-7） 式中fq---帶載起動頻率（Hz） fq0---空載起動頻率 Ml---起動頻率下由矩頻特性決定的電機輸出力矩（N.m) 若負載參數(shù)無法精確確定,則可按fq=1/2fq0進行估算. （5）運行的最高頻率與升速時間的計算。由于電機的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率時，由矩頻特性的輸出力矩應(yīng)能驅(qū)動負載，并留有足夠的余量。 （6）負載力矩和最大靜力矩Mmax。負載力矩可按式（1-5）和式（1-6）計算，電機在最大進給速度時，由矩頻特性決定的電機輸出力矩要大于Mf與Mt之和，并留有余量。一般來說，Mf與Mt之和應(yīng)小于（0.2～0.4)Mmax. 2.2.2、步進電機的選擇 步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。 1、步距角的選擇 電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度 （三相電機）等。 2、靜力矩的選擇 步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸） 3、電流的選擇 靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓） 圖16電機的選用步驟 4、力矩與功率換算 步進電機一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下： P= ΩM Ω=2πn/60 P=2πnM/60 其P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩單位為牛頓米 P=2πfM/400(半步工作） 其中f為每秒脈沖數(shù)（簡稱PPS) 2.2.3、應(yīng)用中的注意點 1、步進電機應(yīng)用于低速場合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（0.9度時6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。 2、步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。 3、由于歷史原因，只有標稱為12V電壓的電機使用12V外，其他電機的電壓值不是驅(qū)動電壓伏值，可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)動電壓（建議：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），當然12伏的電壓除12V恒壓驅(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電源， 不過要考慮溫升。 4、轉(zhuǎn)動慣量大的負載應(yīng)選擇大機座號電機。 5、電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。 6、高精度時，應(yīng)通過機械減速、提高電機速度,或采用高細分數(shù)的驅(qū)動器來解決，也可以采用5相電機，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說法是外行話。 7、電機不應(yīng)在振動區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。 8、電機在600PPS（0.9度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動。 9、應(yīng)遵循先選電機后選驅(qū)動的原 2.3電機調(diào)速的功率控制原理 電機調(diào)速實質(zhì)探討，是關(guān)系到近代交流調(diào)速發(fā)展重要理論問題。隨著近代變頻調(diào)速矢量控制及直接轉(zhuǎn)矩控制等調(diào)速控制理論提出和實踐，很多有關(guān)文獻和論著都把調(diào)速轉(zhuǎn)矩控制確認為調(diào)速普遍規(guī)律，并提出調(diào)速實質(zhì)和關(guān)鍵電磁轉(zhuǎn)矩控制。然而，這種觀點尚缺乏理論和實踐證明，值商榷。 本根據(jù)電機功率轉(zhuǎn)換普遍原理，提出并證明恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速實質(zhì)電機軸功率控制，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是功率控制響應(yīng)，其關(guān)鍵為如何電功率控制軸功率。 轉(zhuǎn)矩控制僅適于恒功率調(diào)速，它電機調(diào)速局部，而調(diào)速普遍規(guī)律。變頻調(diào)速所依據(jù)是轉(zhuǎn)矩控制，實際執(zhí)行卻是功率控制，因此才沒有影響到應(yīng)用的正確性。 2.3.1、功率控制與轉(zhuǎn)矩控制 根據(jù)機電能量轉(zhuǎn)換原理，凡電動機都可劃分為主磁極和電樞兩個功能部分。主磁極作用是建立主磁場，電樞則是與磁場相互作用將電磁功率轉(zhuǎn)換為軸功率。 直流電動機主磁極和電樞結(jié)構(gòu)鮮明，功能獨立，無疑符合以上定義。而交流（異步）電動機通常以定子、轉(zhuǎn)子劃分構(gòu)成，需加說明。 所述電樞定義，異步機軸功率產(chǎn)生于轉(zhuǎn)子，，異步機真正電樞是轉(zhuǎn)子。問題定子，定子勵磁產(chǎn)生主磁場，故定子是主磁極。另，定子又電磁感應(yīng)為電樞（轉(zhuǎn)子）輸送電磁功率，卻不產(chǎn)生軸功率，定子又具有電樞部分特征，這里我們把它稱為偽電樞。定子這種復(fù)合功能，是異步機區(qū)別于直流機主要特征。 從電樞輸出角度觀察，電動機軸功率與電磁轉(zhuǎn)矩機械轉(zhuǎn)速關(guān)系為： ＰM＝ＭΩ(１) 或Ω＝ＰM／Ｍ（２） 公式（２）給出了電機轉(zhuǎn)速與軸功率和電磁轉(zhuǎn)矩間量值關(guān)系以外，同時表明，電機轉(zhuǎn)速最終只能軸功率或電磁轉(zhuǎn)矩兩種控制獲調(diào)節(jié)，前者簡稱功率控制，后者簡稱轉(zhuǎn)矩控制。 １.功率控制 　功率控制是以軸功率ＰM為調(diào)速主控量，作用對象必然是電樞或偽電樞。電磁轉(zhuǎn)矩調(diào)速穩(wěn)態(tài)時，取決于負載轉(zhuǎn)矩大小。 即Ｍ＝Ｍfz(３) 當負載轉(zhuǎn)矩一經(jīng)為客觀工況所確定之后，電磁轉(zhuǎn)矩就唯一被決定了，電磁轉(zhuǎn)矩與調(diào)速控制無關(guān)，不能隨意改變其量值。 電磁轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)速作用表現(xiàn)調(diào)速過渡過程，轉(zhuǎn)矩變化是轉(zhuǎn)速響應(yīng)滯后結(jié)果，此時，功率控制造成電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。 設(shè)電機調(diào)速前穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為Ω1，軸功率為ＰM1，調(diào)速后穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為Ω2，相應(yīng)軸功率變?yōu)椋蠱2。電磁轉(zhuǎn)矩： Ｍ＝ＰM／Ω(４） 　　故調(diào)速時，電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)椋? Ｍ＝ＰM2／Ω 　　受慣性作用，ｔ＝0調(diào)速瞬時Ω＝Ω1，故 Ｍ＝ＰM2／Ω1 t=0 此時電磁轉(zhuǎn)矩將與原來電磁轉(zhuǎn)矩Ｍ1＝ＰM1／Ω1不等，轉(zhuǎn)矩平衡被破壞并產(chǎn)生動態(tài)轉(zhuǎn)矩，電機轉(zhuǎn)速動態(tài)轉(zhuǎn)矩作用下開始由Ω1向Ω2過渡，其變化規(guī)律為： Ω1＝（Ω1－Ω2）ｅ－ｔ/T＋Ω2（５） 電磁轉(zhuǎn)矩則為：Ｍ＝ＰM2／（Ω1－Ω2）ｅ－ｔ/T＋Ω2 時間增大，動態(tài)轉(zhuǎn)矩減小，直至電磁轉(zhuǎn)矩與新負載轉(zhuǎn)矩平衡，即： Ｍ＝ＰM2／Ω2＝Ｍfz， 　轉(zhuǎn)速穩(wěn)定Ω2不變，電機調(diào)速結(jié)束。上述調(diào)速過程可以由圖17的框圖說明 　 　圖17功率控制調(diào)速流程 　功率控制作用是電樞，主磁場或主磁通量保持不變，根據(jù)電機理論，電機的額定電磁轉(zhuǎn)矩正比于主磁通量，受限于電樞最大載流量。因此功率控制調(diào)速時，電機的額定電磁轉(zhuǎn)矩輸出能力不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 ２.轉(zhuǎn)矩控制 　公式（２），電機轉(zhuǎn)速在軸輸出功率不變前提下，與電磁轉(zhuǎn)矩成反比。由于受電磁轉(zhuǎn)矩以額定轉(zhuǎn)矩為上限約束，轉(zhuǎn)矩控制實際上只能在額定轉(zhuǎn)矩以下實現(xiàn)，因此屬于恒功率調(diào)速。 電磁轉(zhuǎn)矩獨立控制方法主要依據(jù)轉(zhuǎn)矩公式： 　?。停剑肕ΦmＩS（直流機）(６) 　　或Ｍ＝ＣMΦmＩ2COSφ2（交流機）(７) 受控的物理量為主磁通Φm，由于主磁通量Φm產(chǎn)生于主磁極，因此轉(zhuǎn)矩控制實際上是磁場控制，作用對象為主磁極。轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速同樣要保證穩(wěn)態(tài)時的轉(zhuǎn)矩平衡，即： 　?。停剑蚮z 由于調(diào)速穩(wěn)態(tài)時，電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生了變化，因此要求負載轉(zhuǎn)矩適應(yīng)于電磁轉(zhuǎn)矩變化，即要求負載跟蹤電機。 　轉(zhuǎn)矩控制實際是弱磁調(diào)速，主要用于額定轉(zhuǎn)速以上的調(diào)速。鑒于本文重點討論的是功率控制，故不贅述。 2.3.2、功率控制的方法與性能 　電機調(diào)速的軸功率控制只能通過電功率間接控制來實現(xiàn)。以異步機為例，圖18是其等效三端口網(wǎng)絡(luò)。 圖18.異步機等效網(wǎng)絡(luò) 其中電樞（轉(zhuǎn)子）除產(chǎn)生軸功率輸出外，還產(chǎn)生以感應(yīng)電壓ｕ2和電流ｉ2為參量的電功率響應(yīng)。由于該功率與轉(zhuǎn)差率成正比，故稱轉(zhuǎn)差功率，其端口簡稱Ｐs口。 如果電機轉(zhuǎn)子為籠型，其繞組呈短路狀，Ｐs口為封閉不可控。反之為繞線型，Ｐs口則是開啟可控，轉(zhuǎn)子可以Ｐs口輸出或輸入電功率。由此可見，異步機的功率控制調(diào)速有兩種方式，一種是通過偽電樞間接對電樞實現(xiàn)軸功率控制；另一種是通過Ｐs口直接控制電樞軸功率。前者主要適用于籠型異步機，后者則適用于繞線型異步機。 　?。?定子偽電樞功率控制。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 圖19.異步機定子功率控制調(diào)速 作為偽電樞，定子向電樞（轉(zhuǎn)子）傳輸電磁功率： Ｐem＝Ｐ1－△Ｐ1（８） 電樞軸功率則為： ＰM＝Ｐem－△Ｐ2(９) 故ＰM＝Ｐ1－（△Ｐ1＋△Ｐ2）(10) 　可見，控制偽電樞輸入功率Ｐ1或增大其損耗△Ｐ1就可以控制電樞軸功率，后