淺談自動控制系統中控制電機的選用

摘 要 在自動控制系統中經常使用的控制電機包括伺服電動機、測速發電機、自整角機、旋轉變壓器和步進電動機。其中中伺服電動機和步進電動機是應用最多最廣的控制電機，本文主要介紹了各自的區別和選用原則。

關鍵詞 控制電機;伺服電動機;步進電動機

在自動控制系統中經常使用的控制電機包括伺服電動機、測速發電機、自整角機、旋轉變壓器和步進電動機。

伺服電機是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發動機，是一種補助馬達間接變速裝置。它可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統中，用作執行元件，且具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類。主要應用在位置和速度控制中[1]。

測速發電機是輸出電動勢與轉速成比例的微特電機，它的繞組和磁路經精確設計，其輸出電動勢E和轉速n呈線性關系，即E=Kn，K是常數。改變旋轉方向時輸出電動勢的極性即相應改變。在被測機構與測速發電機同軸連接時，只要檢測出輸出電動勢，就能獲得被測機構的轉速，故又稱速度傳感器;主要用于測轉速。

自整角機是利用自整步特性將轉角變為交流電壓或由交流電壓變為轉角的感應式微型電機，在伺服系統中被用作測量角度的位移傳感器。自整角機還可用以實現角度信號的遠距離傳輸、變換、接收和指示。主要應用在軍事上的導彈發射等。

旋轉變壓器是一種電磁式傳感器，又稱同步分解器。它是一種測量角度用的小型交流電動機，用來測量旋轉物體的轉軸角位移和角速度，由定子和轉子組成。其中定子繞組作為變壓器的原邊，接受勵磁電壓，勵磁頻率通常用400、3000及5000Hz等。轉子繞組作為變壓器的副邊，通過電磁耦合得到感應電壓。

步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制電機，是現代數字程序控制系統中的主要執行元件，應用極為廣泛。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。

以上幾種電機中伺服電動機和步進電動機是應用最多最廣的控制電機。主要應用于自動控制系統中位置和速度的精確控制，雖然兩者在功能上有很多相似之處，但選用時還是有一定區別。以下主要介紹兩者的區別和選用原則。

步進電機是一種離散運動的裝置，它和現代數字控制技術有著本質的聯系。在目前國內的數字控制系統中，步進電機的應用十分廣泛。隨著全數字式交流伺服系統的出現，交流伺服電機也越來越多地應用于數字控制系統中。為了適應數字控制的發展趨勢，運動控制系統中大多采用步進電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異[2]。

兩相混合式步進電機步距角一般為3.6°、 1.8°，五相混合式步進電機步距角一般為0.72°、0.36°。也有一些高性能的步進電機步距角更小。交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。對于帶標準2500線編碼器的電機而言，由于驅動器內部采用了四倍頻技術，其脈沖當量為360°/10000=0.036°。對于帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收217=131072個脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為360°/131072=0.00275°，是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655。

步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000RPM或3000RPM）以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。

步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以松下交流伺服系統為例，它具有速度過載和轉矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉矩，便出現了力矩浪費的現象。

步進電機的控制為開環控制，啟動頻率過高或負載過大易出現丟步或堵轉的現象，停止時轉速過高易出現過沖的現象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統為閉環控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環和速度環，一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象，控制性能更為可靠[3]。

步進電機從靜止加速到工作轉速（一般為每分鐘幾百轉）需要200～400毫秒。交流伺服系統的加速性能較好，從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。

綜上所述，交流伺服系統在許多性能方面都優于步進電機。但在一些要求不高的場合也經常用步進電機來做執行電動機。所以，在控制系統的設計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當的控制電機。

參考文獻

[1] 胡幸鳴.電機及拖動基礎[M].北京：機械工業出版社，2010：174.

[2] 佚名.伺服電機的調試方法[ED/OL].http：//www.dianyao99.cpooo.com/news/701383.html，2019-5-15.

[3] 潘健，劉夢薇.步進電機控制策略研究[J].現代電子技術，2009， 32（15）：143-145.

作者簡介

黃蜜（1980-），男，漢川人;學歷：本科，職稱：中級自動控制工程師，電氣工程師，現就職單位： 東風（武漢）實業有限公司。