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1、第十一章 电器执行元件,电器执行元件的电信号易于传送和变换，电能易于控制，在中小功率的机械电子系统中，电源往往也比油源和气源方便，电器执行元件不需任何流体作为工作介质，免除了介质的可压缩和泄漏等弊端。由于这些原因，电器执行元件是用途最广泛的一类执行元件，特别是各种执行电动机。,对任何电动机，都可定义“功率密度”和“比功率”两项指标。功率密度定义为(11-1)对于起停较少的场合，如用于数控机械的进给、机器入驱动的电动机，往往要求低速平稳、高速振动小、转矩脉动小，并且调速全范围内稳定运行。这种场合下功率密度是主要指标。比功率定义为 式中：是角速度，Tn是额定转矩。,由动力学方程(11-3)所以(1
2、1-4)式中：J是转子和负载转动惯量的折算值。对于起停较多的场合，如用于高速打印机、绘图仪、集成电路焊接的电动机，往往不特别要求低速平稳性，比功率高是主要要求。比功率高低依次是：直流无刷电动机、步进电机、直流伺服电动机、交流伺服电动机。除上述两项指标外，对执行电动机有一些特殊的要求，如自身转动惯量小，调速范围大，过载能力强。,11.1 直流电动机,长期以来，需要调速的场合多数用直流电动机驱动，并且调速技术在工业中也得到了广泛应用。直流电动机能提供启动所需的高启动转矩，也易于实现宽范围的转速调节，并且具有调节平滑、动态响应快、效率比较高、控制方法灵活简便，比交流电动机过载能力强等特点。通过适当的
3、激磁方式，可使电磁转矩与负载转矩特征灵活地配合，容易在较宽转速范围内得到恒定转矩特性。尽管它在超高速和危险环境里的应用受到限制，但在电气传动控制领域中仍发挥着重要作用。,伺服系统中，要对位移或速度进行控制，必须控制电动机输出的力或力矩。宽调速直流伺服电动机的特点是翰出力矩大，过载能力强，动态响应性能好，低速运转平稳，易于调速。,直流执行电动机的控制方式有激磁电压控制和电枢电压控制两种。激磁控制方式需要控制功率小，电枢电流保持恒定，但电枢电路中有反电势，因而实现电枢电流恒定很困难。另外激磁绕组的电感较大，所以时间常数较大，激磁控制方式的效率也较低。电枢控制方式应用则广泛得多，要求激磁电压恒定，且
4、磁路不饱和。电枢控制方式可利用反电势作为阻尼，并把功率放大器的时间常数考虑在内。永磁式电动机则只能采用电枢控制方式，低速时输出转矩大，它不需激磁，因而温升小，效率高。随着永磁材料性能的不断提高，永磁伺服电动机日益广泛使用。电枢控制的直流电动机见图11-1。,图111 直流电动机的电枢控制,在低速大转矩场合，如防空警戒雷达的天线转速为15r/min，需用齿轮系减速，但齿轮间隙造成的滞环引起小幅振荡、降低刚度，对系统性能很不利；又如绞缆机、带状物收卷机等，需要调节转矩和张力，则要引入转矩反馈。直流力矩电动机能够在低速下输出大转矩，可以省去减速齿轮。为了克服执行电动机本身的转动惯量，对电枢做了改进，
5、出现了杯形、盘形和无槽电枢的低惯量电动机。,11.1.1 稳态特性,1机械特性 2调节特性,机械特性,直流电动机的机械特性是在一定控制电压下转矩与转速之间的关系，由式(116)和图112的曲线族表示。电枢电流I通到电枢绕组后，在磁场的作用下产生电磁转矩，KT是直流电动机力矩常数，T是电磁转矩(11-5)(11-6)稳态时，转速的变化率为零，=d/dt是定值，是转子轴的角位移。,调节特性,调节特性是指一定负载转矩下稳态转速随控制电压变化的关系，由式(11-6)稍加整理就可得到。不同负载转矩下有一族曲线，见图11-3。,图11-2 直流电动机机械特性,图11-3 直流电动机调节特性,11.1.2
6、动态特性,电枢回路动态电压方程为(11-7)式中：是电动机轴的角位移，Ea是电枢反电势，Ke是直流电动机反电势常数。动态转矩方程为(11-8)(11-9)式中：J是转子和负载折合到电动机轴上的转动惯量，k是转子和负载折合到电动机轴上的黏性摩擦系数。用于随动系统的电动机，必须以角位移为被控量。如果电动机用于调速系统，以=d/dt为被控量。,11.1.3 直流电动机调速装置,根据机械要求选定直流电动机，要考虑电动机的转矩、功率、过载时间和过载倍数、调速范围，有时还要考虑弱磁升速，据此可选择调速装置。调速的主要手段是用变流器调节电枢电压。1交流直流变流器 2直流直流变流器,交流直流变流器,工业中大量
7、应用的交流直流变流器是晶闸管相位控制变流器，由整流变压器或进线电抗器、晶闸管、控制器组成。控制器的核心是模拟电路或微处理器。晶闸管变流装置产生的高次谐波可进入工业电网造成对其他设备的干扰。,直流直流变流器,直流直流变流器有逆变整流方式和直流斩波方式，目前较先进的是晶体管脉宽调制(PWM)方式。与晶闸管变流器相比，PWM装置具有以下优点：系统主电源采用整流滤波，所以几乎不产生污染工业电源的高次谐波。晶体管开关工作频率可高达2kHz，因此系统的响应速度和稳速精度较好。电动机的电枢电流脉动小，不需滤波电抗器也能平稳工作，系统的调速范围很宽。,11.2 交流异步电动机,与直流执行电动机相比，交流执行电
8、动机的体积和重量较大，效率较低。但随着电力电子技术的发展，大功率交流电动机正迅速取代直流电动机。,11.2.1 交流异步电动机稳态特性,1转速公式当定子绕组通三相正弦交流电流时，产生一个旋转磁场。图11-4仅示出了一相磁场，实际上，三相磁场成120 空间角。旋转磁场的转速，也称为同步转速n0，单位是r/min,式中：f1定子电源频率；p磁极对数。,图11-4 交流异步电动机原理,交流电动机的转速公式是(11-11)中：转差率s有0s1，启动瞬间，s=0，因为有空气阻力形成的“风阻”，s不会等于1。通常s值在0.20.8之间(11-12),根据式(11-10)和式(11-11)可得如下几种调速方
9、法：1)改变转差率s，可在转子绕组中串接电阻来改变转差率s，这种方法调速机械特性很软，低速运行时电阻损耗很大。改变定子电压U1也可改变转差率s，这种方法损耗也很大。损耗使电动机的效率降低，特性变差。2)改变极对数p来改变转速，这种方法调速是有级的，而且调速范围窄。电动机设计制造时就已决定了p的可取值，往往是2或3。3)改变定子供电频率f1，可以无级地改变电动机的同步转速n0，这种方法称为变频调速，如果定子电压U1与定子供电频率f1协调，性能会更好。随着电力电子技术的发展，变频调速应用日益广泛。,2电磁转矩 交流异步电动机转矩公式是,转子电流，难以直接测量,每一极的磁通,由电动机结构决定的常数,
10、转子电路的功率因数,转子每相电阻,转差率,启动瞬间转子静止时的每相漏感抗,启动瞬间，s=1，cos2最小，随后s下降，cos2上升,启动瞬间转子静止时的感应电动势,定子电源电压,定子绕组系数,定子电源频率,定子每相绕组匝数,可随U1或f1变化，且U1,启动瞬间，因s=1，I2最大，称为启动电流，可达额定电流的57倍。随后s下降，I2减小。将以上关于cos2，和I2的三个公式代入电磁转矩公式(11-13)，得到(11-17)由式(11-17)可知，电磁转矩T与U1平方成正比，同时是s的函数。以s为自变量，函数T(s)在第I象限的曲线就是交流异步电动机的稳态机械特性。,3机械特性 稳态时，异步电动
11、机的机械特性指U1恒定时，转矩T与转差率s或转速n的函数关系，由式(11-17)表示，见图11-5。曲线上的重要点有：nN，TN为额定转速和额定转矩；Tst为启动转矩。,图11-5 异步电动机的机械特性,将s=1代入式(11-17)可得(11-18)K称为电动机常数。由方程dT/ds=0，解出s=R2/X20时转矩达到最大(11-19)式中：Tm最大转矩 右图显示定子电压U1 改变对Tm的影响，nm为临界转速。,图11-6 U1对异步电动机机械特性的影响,机械特性曲线上，ab段可以稳定工作，进入bc段将导致“闷车”，停转时转子中没有感应电动势，可能烧毁电动机。交流异步电动机的过载能力定义为(1
12、1-20)在ab段，正常工作点越远离6点，过载能力越强。一般值在2.02.2之间，特殊设计的可达3.0以上。,作为执行元件的交流异步电动机，转速变化频繁且变化范围大，图11-5这种特性是不适宜的。图11-7显示了转子电阻R2对nm的影响。如果R2大到使机械特性曲线单调下降，这种交流异步电动机就适宜作执行电动机。,图11-7 R2对异步电动机机械特性的影响,4调节特性调节特性是指一定负载转矩下稳态转速随控制电压变化的关系。不同负载转矩下对应一族曲线，如图11-8。一般作动力的交流异步电动机，通常工作在额定电压和转速，并不采用通过定子电压U1调节转速的办法。,11.2.2 交流变频调速,改变定子电
13、源的频率，可以实现异步电动机的大范围连续调速。变频调速原理可以用上图表示。变频技术是先从电网输入50Hz的交流电源，经可控或不可控的整流器变成直流电压，再由逆变器变换成所需的电压和频率，驱动交流异步电动机。逆变器是实现直流交流变换的变流装置。各种交流-直流-交流变频调速方案都要用到逆变器，当前有四类逆变器：电压源逆变器、电流源逆变器、脉宽调制逆变器、磁场定位矢量控制逆变器。,可控整流调压逆变调频调速,可控整流器与逆变调频器之间由控制电路协调，如图11-10。优点是方便，缺点是电网功率因数低，且输出高次谐波成分大。,图1110 可控整流调压逆变调频,不可控整流斩波调压逆变调频调速,如图11-11
14、。其电网功率因数高，调速范围宽，但输出高次谐波成分仍很大。,图11-11 不可控整流-斩波调压-逆变调频,交流交流直接变频调速,一次完成换能，因而效率较高。但调频范围窄，适用于大容量低速传动，如轧钢机、矿井提升机、水泥回转窑、球磨机等。,脉宽调制(PWM)变频调速,调压和调频同时完成，电网功率因数高，调速范围宽，输出谐波小。随着新型电力电子器件的发展，开关频率已达几千赫兹，输出电流几百安培、电压上千伏。100W以下的变频装置，体积和重量小到可壁挂。正弦脉宽调制(SPWM)是近几年来出现的一种最优越的交流调速技术，可代替大部分整流调速系统，节能2030。,通用变频器,600kVA以下的中小容量一
15、般用途变频器已经实现了通用化。通用变频器可以用于驱动普通异步电动机，还提供多种控制和保护功能。图11-12中主电路是可控的电力电子器件，包括整流、滤波和逆变，除完成变流的功能外，还附有保护电路。控制器由微处理器和信号处理专用芯片组成。完成信号采样/保持、信号处理、故障保护，还可设定控制规律，并产生控制信号给主电路。信号输入电路从外部接受控制信号，或接受来自主电路的反馈信号；信号输出电路将主电路的状态和故障信号送往外部。作为一件产品，还有自备电源和LED显示，附加的漏电保护电路可保护人身安全。,图11-12 通用变频器框图,两相异步执行电动机的电压控制,在随动系统中多用两相异步电动机作执行元件。
16、这种电动机多采用笼式转子，结构简单，寿命长。1动态机械特性 作执行电动机的交流异步电动机，转子电阻R2很大，机械特性曲线单调下降。两相式交流异步执行电动机的原理如图11-13，机械特性见图11-14。,图11-13 两相异步执行电动机原理,图11-14 两相异步执行电动机机械特性,同一负载转矩下，控制电压U1越高，转速越快；同一转速下，控制电压越高，输出转矩越大。在控制电压U1的变化范围内，各转矩-速度曲线并不是等距的，同一条转矩-速度曲线也不是直线，但是往往仍在一定的电压和转速范围内将交流执行电动机理想化做线性元件。稳态时，用直线方程表示图11-14的转矩-转速关系(11-21)式中：Kn和
17、Kc是正的常数；=d/dt，是角速度。,转子的力矩平衡方程(11-22)式中：J是电动机本身转动惯量和负载折合到电动机轴上的转动惯量之和。k电动机本身黏性摩擦系数和负载折合到电动机轴上的黏性摩擦系数之和。由此可得以控制电压U1为激励，电动机轴的角位移为响应的微分方程(11-23),2调节特性两相异步执行电动机电压控制的调节特性曲线如图11-15。,图11-15 两相异步执行电动机调节特性,11.3 步进电机,步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移的电磁机械装置。当步进电机的控制系统每输出一个经功率驱动线路放大的电脉冲信号加于步进电机绕组时，电动机轴就转过相应角度。由于这种电动机受控于电脉
18、冲信号，又称为脉冲电动机。直线步进电机可将电脉冲信号转换成相应的线位移。步进电机在轧钢机、数控机床、绘图机、自动记录仪中应用很多。,步进电机的应用与其驱动电源供电方式关系密切，驱动电源通常由大功率晶体管或晶闸管等电力电子元件组成。微型计算机进入步进电机的控制领域以来，以软件取代了复杂逻辑控制电路，使得步进电机的控制更如灵活多样，在机电系统中的定位、对中、纠偏、测距、进给等控制方面都得到了广泛的应用。,步进电机特点：,1)运行转速与控制脉冲的频率成正比，有严格的对应关系，且在负载能力范围内不受电压波动、电流波形及环境温度变化的影响。2)位移量取决于输入脉冲数，步距误差不会长期积累，在不失步的情况
19、下，每转一周积累误差等于零。3)在脉冲数字信号控制下，具有灵活的控制性能，能方便地实现启动、加速、减速、停止、反转、定位等运行方式。,步进电机种类很多，主要有反应式、永磁式、永磁感应子式、机械谐波式、电感谐波式以及混合式等。由于反应式步进电机结构简单、步距角小、工作可靠、运行频率高，应用最为广泛。下面以反应式步进电机为例，介绍其基本结构、工作原理、主要参数与性能指标。,11.3.1 反应式步进电机原理,反应式步进电机又称磁阻式步进电机，工作原理与同步电动机相同。电动机的定转子磁路均由软磁材料制成。定子上多相激磁绕组按一定顺序通电后产生转矩。绕组每接收一个脉冲，转子就转过一个角。正常运转时，在负
20、载能力范围内，步进电机的角位移量与输入脉冲的个数严格成正比，角速度与输入脉冲频率成正比。若发生差错称为失步现象。角位移与输入脉冲时间上同步。因此只要控制脉冲的频率和电动机绕组的相序就获得需要的转角、转速和转动方向。很适合于开环系统的数字控制。,如果电动机有ABC三相绕组，每次换相通电转子所转过的角度称为步进电机的步距角，以b表示。而一周内循环通断电节拍数称为循环拍数，以mp表示。转子齿数以Zc表示。步距角为(11-24)式中：mp周内循环通断电节拍数称为循环拍数；Zc转子齿数。循环拍数mp取决于步进电机的相数m及脉冲分配方式，由下式决定 mp=Km(11-25)式中：K与脉冲分配方式有关的系数
21、，例如三相三拍通电方式下K=1，三相六拍通电方式下K=2。,脉冲分配方式常有三相三拍通电方式和三相六拍通电方式两种。A-B-C-A通电方式是三相三拍通电方式之一。还可按AB-BC-CA-AB的方式通电，其结果与A-B-C-A通电方式相似，这两种三相三拍通电方式下K=1。另一种通电方式为A-AB-B-BC-C-CA-A，一个通电循环周期成了六拍，这种通电方式称为三相六拍通电方式。从式(1124)及式(1125)可看出，由于循环拍数增加了一倍，K=2，步距角b也相应减小。,如果通电次序为A-B-C-A，称为正相序，转子沿逆时针方向转动，实现了步进电机的正转；如果通电次序为A-C-B-A，称为逆相序
22、，则转子将沿顺时针方向转动，实现步进电机的反转。,11.3.2 步进电机的启动和运行,步进电机的可启动频率随负载转矩增大而下降，随转动惯量增大而下降。步进电机有以下几种运行状态：1)极低频率下运行，相当于一系列的单步运行。电动机处于欠阻尼状态，易出现转子角位移的振荡。2)低频运行，控制脉冲频率接近或等于步进电机的振荡频率时，会出现强烈振荡，甚至出现失步现象。极低频和低频两种运行状态的振荡见图11-16，可以用阻尼器或干摩擦负载克服振荡。,3)连续稳定运行，见图11-17。这种运行能达到的最高频率称为连续运行频率或跟踪频率，这一指标受定子时间常数、转子惯量、阻尼等因素限制，可达10kHz。4)高
23、于连续运行频率运行，可出现高频失步。,图11-16 步进电动机低频运行,图11-17 步进电动机高频运行,11.3.3 步进电机的主要参数与性能指标,1矩角特性 2最大静转矩3启动频率4运行频率 5矩频特性,矩角特性,矩角特性指步进电机的静转矩Tj与失调角 的关系特性曲线。静转矩是指在步进电机转子静止时，给电动机绕组通以直流电，由于失调角的存在而产生的电磁转矩。失调角是指步进电机未加直流电前，转子静止时转子中心线与偏离定子中心线的夹角，静转矩随该夹角的大小而不同。失调角为/2处静转矩最大，当电动机空载而某一相绕组通以直流电流时，转子的齿中心线与该相定子中心线对齐，失调角为0或，静转矩为零。,若
24、电动机承受一定的负载而某一相绕组通以直流电流时，会有一个静态失调角。若忽略磁路的非线性，矩角特性是正弦曲线。静转矩的最大值与绕组电流平方正比。图11-18所示为步进电机的矩角特性。矩角特性是衡量步进电机性能指标的最本质的特性曲线。一台性能优良的步进电机不仅静转矩要大，而且矩角特性波形前后沿要陡。这样的步进电机带负载能力强，运行时稳定性好。,图1118 步进电动机矩角特性,最大静转矩,每相绕组通以额定相电流时，矩角特性曲线上转矩所能达到的最大值，称为最大静转矩，用Tmin表示。它是衡量步进电机负载能力的一项重要指标。最大静转矩与步进电机的相电流有关，同一台步进电机配以不同的驱动电源，输出转矩也会
25、有很大差异。因此，步进电机制造厂家在所给的技术数据中一般没有电动机额定功率这一指标，而用最大静转矩来衡量步进电机的容量。最大静转矩数据是每相绕组通以额定相电流时所得到的。,启动频率,步进电机在静止状态下不失步启动的最高脉冲频率称为启动频率，以fq表示。它是反映步进电机启动速度响应性能的一项重要指标。启动频率有空载启动频率和负载启动频率两种指标，制造厂家一般都给出空载启动频率这一技术数据。负载启动频率主要取决于负载大小，并与转动惯量有关。,运行频率,步进电机启动以后，随着控制脉冲频率不断上升，能不失步运行的最高频率称为运行频率，以fv表示。运行频率这一指标对用户按控制对象的速度要求合理选择步进电
26、机十分有用。制造厂家一般都给出空载运行频率这一技术数据。运行频率往往比启动频率高许多倍。所以在实际应用中，通常可以采用自动升降频控制方式，充分挖掘步进电机的运行速度。,矩频特性,步进电机运转中动态转矩随控制脉冲频率而变的特性。图11-19中，频率升高时转矩下降的原因是定子电感的感抗、反电势产生的阻尼、铁心涡流损耗等作用。,图11-19 步进电动机矩频特性,11.3.4 步进电机控制系统及功率驱动电源,对步进电机的运行控制，如启动、停止、升速、降速、正转、反转、定位等，要由步进电机控制系统来实现。控制部分通常由可编程逻辑电路或处理器组成。脉冲发生器、脉冲分配器等单元也归入控制部分。脉冲发生器是受
27、控产生脉冲序列的数字逻辑电路；脉冲分配器由触发器和门电路组成，已有专用集成电路，采用微处理器可由软件实现脉冲序列。,步进电机的运行还需要靠功率驱动电源驱动，功率驱动电源可按使用的电力电子元件类型，或按驱动控制方式分类。功率驱动电源由前置放大器、功率放大器等组成。主要根据步进电机的功率大小、相数多少、频率高低等技术指标设计驱动电源。步进电机控制及功率驱动系统框图如图11-20所示。,图11-20 步进电动机控制及功率驱动系统框图,无论哪种步进电机驱动电源，都要尽可能提高步进电机的输出转矩，并希望步进电机起步响应快，运行频率高，充分发挥步进电机的工作效率。步进电机的输出转矩与在通电周期内供给电动机
28、绕组的电流矩形波有效面积成正比。所以，要提高步进电机的输出转矩，实质问题是要在通电周期内尽可能提供足够大的矩形波电流。,步进电机对供电电源来讲，是一种感性负载，因此，供电电流无论上升或下降都有一定的时间过程，步进电机绕组电流是按指数规律建立的。电路时间常数是步进电机绕组电感与绕组电阻及驱动电源主回路串联限流电阻之和的比。适当增加步进电机绕组串联的限流电阻可以减小时间常数，缩短电流上升时间，改善电流波形。这是在单电压驱动线路中经常采用的方法，一般用于直径在110mm以下或者非连续运转的小功率步进电机。,另一种方法是采用高低压驱动电源驱动线路。在开通时用高压供电，强迫电流快速上升，提高电流上升的前
29、沿陡度，随后改用低压供电，维持步进电机所需的稳态电流。这种高低压驱动电源静态功耗小，适用于容量较大、性能要求高的步进电机。当然，线路要比单电压驱动线路复杂。由于高压电源的存在，对功率开关元件的耐压等级要求提高，成本也相应提高。因此，在步进电机容量不大或运行性能指标要求不高的情况下，可优先考虑采用单电压驱动线路。,11.3.5 步进电机的选用原则,步进电机与交流、直流电动机不同，它的性能指标与所配备的驱动电源有很大关系，所以在选用步进电机时应与选配驱动电源一起综合考虑。对步进电机的选择主要包括以下几个方面：根据负载性质与大小、运行方式以及系统控制要求，综合选择步进电机的类型、基本技术指标、外径安
30、装尺寸以及价格等。,1输出转矩的选择 选择步进电机首先是根据负载情况选定步进电机的输出转矩。步进电机的输出转矩与所配备的驱动电源、负载情况有很大关系，所以对输转矩的选择不能简单地用一个指标或公式而定。应根据步进电机技术数据中所给出的最大静转矩Tjmax、矩角特性和矩频特性等数据，结合起来综合分析，合理选择。一般情况下，步进电机制造厂家在所给的技术数据中没有输出转矩这一指标。,最大静转矩这一指标对选择步进电机的输出转矩是最基本的参数。一般可根据最大静转矩和实际所需电动机工作频率范围大致估算电动机的输出转矩。在步进电机的矩角特性曲线和矩频特性曲线上可看出，电动机在不同的运行频率下，输出转矩是不同的
31、。通常，在低频运行时，最大输出转矩可达(7080)Tjmax，随着运行频率增高，输出转矩下降到(1070)Tjmax。所以，在选择输出转矩时，根据以上技术数据及实际所需电动机工作频率范围，再留有一定的裕度，大致可选择电动机输出转矩为最大静转矩的2030。,另外，不同外形尺寸的步进电机对输出转矩的选择也有一定的影响。因为外形尺寸大的步进电机静转矩较大，在低速运行时可以产生较大的转矩，适合带动低频工作的负载。而尺寸小的步进电机，相对运行频率较高，在较高运行速度时也能产生较大的转矩。所以，要根据负载转动惯量及运行频率范围选择步进电机的外形尺寸。,2步距角的选择不同的步进电机其步距角可能相差甚远。现在
32、市场上提供给用户的步进电机品种很多，步距角大致有0.36、0.75、0.9、1.5、2.25、3.0、7.5等，不同的步进电机步距角相差可达数十倍。选择时应根据系统的控制精度要求、运行速度要求来选择合适的步距角。对于定位精度或运行频率要求不高的控制系统，可以选择步距角较大、运行频率较低的步进电机。这样，控制系统的成本也可降低。而对于定位精度较高、运行速度范围较广的控制系统，则应选择步距角较小、运行频率高的步进电机。有时所选择的步距角不一定完全符合系统控制要求，则可在电动机与负载之间加装齿轮变速系统，以获得任意的步距角。在定位精度要求特别高的情况下，还可以采用细分电路等特殊电路对步距角进一步细分
33、，以满足控制系统的精度要求。,3启动频率与运行频率的选择 机电控制系统中，对步进电机启动频率与运行频率的要求是根据负载对象的工作速度而提出的。制造厂家给出的步进电机技术数据中，只有空载情况下电动机的最高启动频率与最高运行频率。当步进电机带上负载以后，启动频率与运行频率比空载时都要下降许多。所以，在选择步进电机时，应事先估算出带上负载后的步进电机的启动频率与运行频率。带上负载后的启动频率，主要与负载的转动惯量有关。根据厂家给出的空载启动频率和对电动机的矩频特性进行分析，能大致估算出带负载后的启动频率。,式(11-26)可近似计算带负载后的启动频率。对于既带有惯性又带有摩擦的负载(11-26)式中
34、：fq步进电机带负载后的启动频率(Hz)；fkq步进电机空载启动频率(Hz)；Jfg负载惯量(kgm2)；Jzg步进电机转子惯量(kgm2)；Mmz负载摩擦转矩(Nm)；Mdz步进电机输出转矩(Nm)，可根据空载启动频率在运行矩频特性中查找。如果摩擦很小，可视负载摩擦转矩Mmz为零。,步进电机的运行频率，反映了电动机的工作速度，也就是快速性能。一台步进电机的最高运行频率往往比启动频率要高出几倍，甚至十几倍。为了充分发挥步进电机的快速性能，电动机启动后，在不失步的前提下，总是希望电动机工作在所能达到的最高运行频率。为此，通常在控制系统中采用自动升降频电路，提高步进电机的工作效率。,11.4 直线
35、电动机,很多机电系统中需要实现直线运动，但大多数动力装置是旋转运动的。以往多用蜗轮蜗杆、齿轮尺条或丝杠螺母等运动转换机构得到直线运动，用偏心轮和曲轴连杆、滑块等零件，有时还需要飞轮，而电液装置采用活塞和缸结构实现直线运动。如果采用直线电动机，不需要从转动到平动的运动转换，可以简化机构，提高效率，使直线运动更容易控制，得到很高的线速度或很大的直线推力。,直线电动机的应用很广泛。譬如，用于制造设备，可制成电磁冲压机、电磁锤、x-y工作台、机床间传送线、自动浇铸机的电磁泵、电磁搅拌、型材轧制牵引机、电磁梭、绕线机；用于矿业设备矿井提升机、矿用推车、磁铁矿的选矿、磁分离装置；用于物流设备可制成物料输送
36、线、分检机、流水线、立体仓库、行车；还可用于其他机电产品，如绘图机、笔式记录仪、磁盘驱动器、扫描仪、打印机、照相机快门、自动安全门窗。,11.4.1 直线电动机基本原理,直线电动机的基本原理可以从旋转电动机直接演变而来。见图11-21设想把旋转电动机自转子轴至定子外圆周沿径向A-A剖开，转子和定子都展成直条状，就成了直线电动机。原来的定子仍是定子(也称初级)，原来的转子改称动子(也称次级)。选用直线电动机时，定子或动子至少应 有一个的长度等于 工作行程。,图1121 直线电机基本原理,虽然直流电动机、同步电动机和异步电动机原理上都可以做成直线电动机，但由于异步电动机不需要向转子通电流，所以大多
37、数直线电动机是异步电动机，动子可免去通电导线。又由于定子上有绕组，制造成本比较高，所以多数异步直线电动机是定子短而动子长。在仪器仪表和信息设备中行程很短的场合，也采用直流机或同步机。,与旋转异步电动机类似，定子绕组通电后，在气隙中产生一个平动磁场，磁场的移动方向由绕组的相序决定，磁场移动的线速度也称为同步速度v1，v1与电源频率f和极距t有如下关系(11-27)(11-28),动子运动速度。与同步速度w1的相对差异s称为滑差率。滑差率的概念相当于旋转异步电动机的转差率。异步直线电动机运行时，移动磁场以滑差率；切割动子导体，在动子导体中产生电流，从而得到推力，单边型电动机每一对磁极产生的推力为(
38、11-29)磁极间距离；l平面型电动机定子的宽度；B气隙磁密，定子电压恒定时是不变的；2动子导体表面线电流密度的幅值，与滑差率有关；2 动子电流2的相角，也与滑差率有关。由上式可见，推力F与滑差率s有关，这与旋转异步电动机物理本质上相同。p对磁极产生的推力是上式p倍。,11.4.2 直线电动机的分类,直线电动机按机械特性可分为以下三类。1)推力型电动机 2)冲量型电动机 3)功率型电动机,推力型电动机,推力型电动机：也称力电动机。低速、短时、短行程运行，输出推力大。可用于阀门、闸门、门窗、拉伸机、压力机、机床的进给、机械手等。这类做往复运动的直线电动机要求启动推力很大。,冲量型电动机,冲量型电
39、动机：也称能电动机。可由静止状态突然启动，使负载在短距离、极短时间内得到巨大的动能，加速到极高的线速度。可用于导弹、鱼雷发射、电磁炮、飞机起飞之类的弹射装置，碰撞、冲击试验机、冲压机、电磁锤。这类电动机的瞬时功率很大。,功率型电动机,功率型电动机：也称功电动机。长距离或长时连续运行，要求功率因数高，主要用于以一定的速度拖动负载，如磁悬浮列车、高速物料输送线、梭织机。,直线电动机的结构有平面型和管型两类，平面型又分为单边和双边型两种，管型有圆管型和方型两种。见图11-22、11-23和11-24。管型直线电动机的定子结构简单，绕组铜损耗小。平面型直线电动机的动于散热条件好，而骨型直线电动机的动子
40、损耗产生的热不易散去，在低速动作时可能过热。,图11-22 双边型异步直线电机,图11-23 单边型异步直线电机,图1124 圆管型直线电机,11.4.3 直线电动机的特点,优点：1)可直接产生直线运动，不需要运动转换，使机构简化，便于控制，系统可靠性提高。2)瞬时线速度很高时，零部件不受离心力作用。3)定子和动子之间的电磁推力可消除运行中的机械接触，因而机械功率损耗和磨损可减到很小。4)无机械接触，噪声较小。5)平面型直线电动机容易散热，容量大的直线电动机常不需要附加冷装置。6)定子或动子适当密封后可运行在高温、水下或有腐蚀性的环境中。,缺点：1)有所谓边端效应，因为磁路开断，铜损和漏抗压降
41、大。定子两端的磁路与中部的磁路不同，两端的磁场畸变，含有较复杂的谐波或脉动磁场分量，甚至负序的磁场分量，平面型直线电动机尤为严重。直线电动机的定子绕组，只有嵌在定子槽内的部分是产生电磁力的有效部分，两边和两端的部分不仅不能有效产生电磁力，还造成了铜损耗和漏抗压降。2)气隙大，功率因数比同样容量的旋转电动机低。旋转电动机的转子依赖轴承支承，可使气隙很小，而直线电动机在很长的行程上要保证定子和动子不发生摩擦，气隙势必要大。大的气隙还要求大的激磁电流，电动机的效率降低。3)启动推力受电源电压的影响，特别是感应式直线电动机。4)管型直线电动机不易散热。,11.5 电力电子器件,机电系统中，各种电器执行
42、元件都需要一定的功率器件来驱动或供电，这些器件统称为电力电子器件。变流器是实现电能的交直、直直、交交、交直交变换的装置，它们在用来驱动电器执行元件。各种变流器的核心是电力电子器件。在交流传动、直流转动、电源无功补偿、交流输电、直流输电、高频电源、开关电源、UPS等领域，电力电子器件得到广泛使用。,电力电子器件主要在高电压、大电流下实现开关功能，可以按不同的方式分类。按开关方式，可分为以下三类。(1)不可控型(2)可控导通型(3)可控导通关断型,不可控型,不可控型器件本身没有通断控制功能，只是简单地正向导通、反向截止，状态只能靠电流换向来改变，如整流二极管。,可控导通型,可控导通型能通过控制信号
43、使器件在希望的时刻从关断状态变成导通状态，但相反的转换，即从导通状态到关断状态的转换，只能等待电流换向。这一类器件如晶闸管。,可控导通关断型,可控导通关断型也称自关断型、可关断型。通过控制信号既能使器件在任一时刻导通，又能使器件在任何另一时刻关断，这无疑更加灵活。这一类器件有巨型晶体管(gianttransistor，GTR)、门极可关断晶闸管(gateturn-offthyristor，GTOT)、场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(isolationgatebi-transistor，IGBT)等。电力晶体管和绝缘栅场效应管可耐高电压和大电流，开关速度高。,电力电子器件按控制
44、信号类型可分为电流控制型和电压控制型两类。巨型晶体管、普通晶闸管和门极可关断晶闸管是电流控制的，近年来与MOS器件复合，发展出场效应晶体管、静电感应晶体管(staticinductivetransistor，SIT)和绝缘栅双极型晶体管等电压控制型器件。电力电子器件的控制方式有模拟控制和数字控制两类。数字控制可基于PLC、微处理器或其他可编程序器件。,电力电子器件都以PN结为基本结构，但是按器件结构可有分立器件、模块、组件三种。模块是由两个或两个以上管芯组合而成的不可拆的器件组合件，管芯是几百至上千个相同参数的“胞”(器件单元)并联在一块硅片上构成，每个“胞”可通过23A电流。组件由分立器件按功能组合而成，已考虑了元件的匹配和吸收关断高频噪声的RC吸收回路，使用和更换很方便。常见的有各种可控或不可控的整流桥。安装方式有螺栓、平板、平底和镶嵌四类。各主要厂商的产品可互相对照。,几种主要的电力电子器件适用的容量频率范围如图11-25。,图1125 各种电力电子器件的适用范围,习 题,1直流电动机的电磁转矩由哪些因素决定?2直流电动机有哪几种调速方式?3交流异步电动机的电磁转矩由哪些因素决定?4为什么异步电动机的转速随转矩增大而下降才能稳定运行?5交流异步电动机有哪几种调速方式?6步进电机有哪些特点?7步进电机有哪些主要指标?8直线电机有哪些特点?,
