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異步電機(jī)/同步電機(jī)/步進(jìn)電機(jī)/伺服電機(jī)基礎(chǔ)

ainet.cn   2009年03月19日

  異步電機(jī)(感應(yīng)電機(jī))的工作原理是通過定子的旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流,從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)子中并不直接產(chǎn)生磁場。因此,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定是小于同步速的(沒有這個差值,即轉(zhuǎn)差率,就沒有轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流),也因此叫做異步電機(jī)?!?/FONT>


  而同步電機(jī)轉(zhuǎn)子本身產(chǎn)生固定方向的磁場(用永磁鐵或直流電流產(chǎn)生),定子旋轉(zhuǎn)磁場“拖著”轉(zhuǎn)子磁場(轉(zhuǎn)子)轉(zhuǎn)動因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定等于同步速,也因此叫做同步電機(jī)。


  作為電動機(jī)時,大部分是用異步機(jī);發(fā)電機(jī)都是同步機(jī)(這是在一般情況下)。同步電動機(jī)在穩(wěn)態(tài)和電網(wǎng)頻率f1為常數(shù)的條件下,其平均轉(zhuǎn)速n恒為同步轉(zhuǎn)速而與負(fù)載大小無關(guān)?!?/P>

 
  同步電機(jī)按運行方式、頻率和結(jié)構(gòu)型式分類如下:按運行方式和功率轉(zhuǎn)換方向分為發(fā)電機(jī)、電動機(jī)和補償機(jī)三類;按結(jié)構(gòu)分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式兩種;旋轉(zhuǎn)磁極式中,按磁極的形狀、又可分為凸極式和隱極式兩種。


  同步電機(jī)的主要運行方式有三種,即作為發(fā)電機(jī)、電動機(jī)和補償機(jī)運行。 作為發(fā)電機(jī)運行是同步電機(jī)最主要的運行方式,作為電動機(jī)運行是同步電機(jī)的另一種重要的運行方式。同步電動機(jī)的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié),在不要求調(diào)速的場合,應(yīng)用大型同步電動機(jī)可以提高運行效率。近年來,
小型同步電動機(jī)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中開始得到較多地應(yīng)用。 同步電機(jī)還可以接于電網(wǎng)作為同步補償機(jī)。這時電機(jī)不帶任何機(jī)械負(fù)載,靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感性或者容性無功功率,以達(dá)到改善電網(wǎng)功率因數(shù)或者調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓的目的。

 
  伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵,驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場,轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動,同時電機(jī)自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器,驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較,調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度?!?/FONT>

   
  交流伺服電機(jī)有交流永磁同步電機(jī)、永磁無刷直流電機(jī)、交流異步電機(jī)等。前兩者的轉(zhuǎn)子由永磁體構(gòu)成,所不同之處是它們的供電方式,前者為正弦波,所者為方波。而交流異步電機(jī)和普通的異步電機(jī)沒有什么區(qū)別。


  步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號,它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”),它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī),利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點,廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。

  
  現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(VR)、永磁式步進(jìn)電機(jī)(PM)、混合式步進(jìn)電機(jī)(HB)和單相式步進(jìn)電機(jī)等?!?/P>

 
  永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相,轉(zhuǎn)矩和體積較小,步進(jìn)角一般為7.5度或15度;  


  反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相,可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出,步進(jìn)角一般為1.5度,但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)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。 

 
  混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相:兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。


  步進(jìn)電機(jī)有兩種基本的形式:可變磁阻型和混和型步進(jìn)電機(jī)的一些基本參數(shù): 

   
  電機(jī)固有步距角:它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖信號,電機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度。電機(jī)出廠時給出了一個步距角的值,如86BYG250A型電機(jī)給出的值為0.9°/1.8°(表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°),這個步距角可以稱之為‘電機(jī)固有步距角’,它不一定是電機(jī)實際工作時的真正步距角,真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)?!?/P>

   
  步進(jìn)電機(jī)的相數(shù):是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù),目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同,其步距角也不同,一般二相電機(jī)的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72° 。在沒有細(xì)分驅(qū)動器時,用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動器,則‘相數(shù)’將變得沒有意義,用戶只需在驅(qū)動器上改變細(xì)分?jǐn)?shù),就可以改變步距角。


  保持轉(zhuǎn)矩(HOLDING TORQUE):是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動時,定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一,通常步進(jìn)電機(jī)在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減,輸出功率也隨速度的增大而變化,所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如,當(dāng)人們說2N.m的步進(jìn)電機(jī),在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)。

    
  DETENT TORQUE:是指步進(jìn)電機(jī)沒有通電的情況下,定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENT TORQUE 在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式,容易使大家產(chǎn)生誤解;由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料,所
以它沒有DETENT TORQUE?!?/FONT>

   
  步進(jìn)電機(jī)的一些特點:  

  
  1.一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%,且不累積。

    
  2.步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。


  步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(jī)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(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)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(dá)攝氏200度以上,所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常?!?/P>

   
  3.步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。


  當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時,電機(jī)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(jī)隨頻率(或速度)的增大而相電流減小,從而導(dǎo)致力矩下降?!?/P>

   
  4.步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù):空載啟動頻率,即步進(jìn)電機(jī)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(jī)不能正常啟動,可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下,啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)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(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速)。


  步進(jìn)電動機(jī)以其顯著的特點,在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高,步進(jìn)電機(jī)將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。


 
 以下專門介紹步進(jìn)電機(jī)


  1.什么是步進(jìn)電機(jī)?


  步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點講:當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號,它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(及步進(jìn)角)。您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;


  同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。

  2.步進(jìn)電機(jī)分哪幾種?


  步進(jìn)電機(jī)分三種:永磁式(PM) ,反應(yīng)式(VR)和混合式(HB)


  永磁式步進(jìn)一般為兩相,轉(zhuǎn)矩和體積較小,步進(jìn)角一般為7.5度或15度;


  反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相,可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出,步進(jìn)角一般為1.5度,但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國家80年代已被淘汰;


  混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相:兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。

    
  3.什么是保持轉(zhuǎn)矩(HOLDING TORQUE)?


  保持轉(zhuǎn)矩(HOLDING TORQUE)是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動時,定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一,通常步進(jìn)電機(jī)在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減,輸出功率也隨速度的增大而變化,所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如,當(dāng)人們說2N.m的步進(jìn)電機(jī),在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)。

    
  4.什么是DETENT TORQUE?


  DETENT TORQUE 是指步進(jìn)電機(jī)沒有通電的情況下,定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。


  DETENT TORQUE 在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式,容易使大家產(chǎn)生誤解;由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料,所以它沒有DETENT TORQUE。

    
  5.步進(jìn)電機(jī)精度為多少?是否累積?


  一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%,且不累積。

    
  6.步進(jìn)電機(jī)的外表溫度允許達(dá)到多少?


  步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(jī)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(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)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(dá)攝氏200度以上,所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常?! ?/P>

  
  7.為什么步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降?


  當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時,電機(jī)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(jī)隨頻率(或速度)的增大而相電流減小,從而導(dǎo)致力矩下降?!?/P>

   
  8.為什么步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù):空載啟動頻率,即步進(jìn)電機(jī)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(jī)不能正常啟動,可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下,啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)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(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速)。

    
  9.如何克服兩相混合式步進(jìn)電機(jī)在低速運轉(zhuǎn)時的振動和噪聲?


  步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動時振動和噪聲大是其固有的缺點,一般可采用以下方案來克服:


  A.如步進(jìn)電機(jī)正好工作在共振區(qū),可通過改變減速比等機(jī)械傳動避開共振區(qū);
  B.采用帶有細(xì)分功能的驅(qū)動器,這是最常用的、最簡便的方法;
  C.換成步距角更小的步進(jìn)電機(jī),如三相或五相步進(jìn)電機(jī);
  D.換成交流伺服電機(jī),幾乎可以完全克服震動和噪聲,但成本較高;
  E.在電機(jī)軸上加磁性阻尼器,市場上已有這種產(chǎn)品,但機(jī)械結(jié)構(gòu)改變較大。

    
  10.細(xì)分驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)是否能代表精度?


  步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)實質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)(請參考有關(guān)文獻(xiàn)),其主要目的是減弱或消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振動,提高電機(jī)的運轉(zhuǎn)精度只是細(xì)分技術(shù)的一個附帶功能。比如對于步進(jìn)角為1.8°的兩相混合式步進(jìn)電機(jī),如果細(xì)分驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為4,那么電機(jī)的運轉(zhuǎn)分辨率為每個脈沖0.45°,電機(jī)的精度能否達(dá)到或接近0.45°,還取決于細(xì)分驅(qū)動器的細(xì)分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細(xì)分驅(qū)動器精度可能差別很大;細(xì)分?jǐn)?shù)越大精度越難控制?!?/P>

   
  11.四相混合式步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動器的串聯(lián)接法和并聯(lián)接法有什么區(qū)別?


  四相混合式步進(jìn)電機(jī)一般由兩相驅(qū)動器來驅(qū)動,因此,連接時可以采用串聯(lián)接法或并聯(lián)接法將四相電機(jī)接成兩相使用。串聯(lián)接法一般在電機(jī)轉(zhuǎn)速較的場合使用,此時需要的驅(qū)動器輸出電流為電機(jī)相電流的0.7倍,因而電機(jī)發(fā)熱小;并聯(lián)接法一
般在電機(jī)轉(zhuǎn)速較高的場合使用(又稱高速接法),所需要的驅(qū)動器輸出電流為電機(jī)相電流的1.4倍,因而電機(jī)發(fā)熱較大?! ?/FONT>

  
  12.如何確定步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的直流供電電源?


  A.電壓的確定


  混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍(比如IM483的供電電壓為12~48VDC),電源電壓通常根據(jù)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來選擇。如果電機(jī)工作轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)要求較快,那么電壓取值也高,但注意電源電壓的紋波不能超過驅(qū)動器的最大輸入電壓,否則可能損壞驅(qū)動器。


  B.電流的確定


  供電電源電流一般根據(jù)驅(qū)動器的輸出相電流I來確定。如果采用線性電源,電源電流一般可取I的1.1~1.3倍;如果采用開關(guān)電源,電源電流一般可取I的1.5~2.0倍。 

   
  13.混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的脫機(jī)信號FREE一般在什么情況下使用?


  當(dāng)脫機(jī)信號FREE為低電平時,驅(qū)動器輸出到電機(jī)的電流被切斷,電機(jī)轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)(脫機(jī)狀態(tài))。在有些自動化設(shè)備中,如果在驅(qū)動器不斷電的情況下要求直接轉(zhuǎn)動電機(jī)軸(手動方式),就可以將FREE信號置低,使電機(jī)脫機(jī),進(jìn)行手動操作或調(diào)節(jié)。手動完成后,再將FREE信號置高,以繼續(xù)自動控制。

    
  14.如果用簡單的方法調(diào)整兩相步進(jìn)電機(jī)通電后的轉(zhuǎn)動方向?


  只需將電機(jī)與驅(qū)動器接線的A+和A-(或者B+和B-)對調(diào)即可。 

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