浅谈自动控制系统中控制电机的选用

摘 要 在自动控制系统中经常使用的控制电机包括伺服电动机、测速发电机、自整角机、旋转变压器和步进电动机。其中中伺服电动机和步进电动机是应用最多最广的控制电机，本文主要介绍了各自的区别和选用原则。

关键词 控制电机;伺服电动机;步进电动机

在自动控制系统中经常使用的控制电机包括伺服电动机、测速发电机、自整角机、旋转变压器和步进电动机。

伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。它可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类。主要应用在位置和速度控制中[1]。

测速发电机是输出电动势与转速成比例的微特电机，它的绕组和磁路经精确设计，其输出电动势E和转速n呈线性关系，即E=Kn，K是常数。改变旋转方向时输出电动势的极性即相应改变。在被测机构与测速发电机同轴连接时，只要检测出输出电动势，就能获得被测机构的转速，故又称速度传感器;主要用于测转速。

自整角机是利用自整步特性将转角变为交流电压或由交流电压变为转角的感应式微型电机，在伺服系统中被用作测量角度的位移传感器。自整角机还可用以实现角度信号的远距离传输、变换、接收和指示。主要应用在军事上的导弹发射等。

旋转变压器是一种电磁式传感器，又称同步分解器。它是一种测量角度用的小型交流电动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，由定子和转子组成。其中定子绕组作为变压器的原边，接受励磁电压，励磁频率通常用400、3000及5000Hz等。转子绕组作为变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

以上几种电机中伺服电动机和步进电动机是应用最多最广的控制电机。主要应用于自动控制系统中位置和速度的精确控制，虽然两者在功能上有很多相似之處，但选用时还是有一定区别。以下主要介绍两者的区别和选用原则。

步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异[2]。

两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、 1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=0.00275°，是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。

步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。

步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。

步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠[3]。

步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。

参考文献

[1] 胡幸鸣.电机及拖动基础[M].北京：机械工业出版社，2010：174.

[2] 佚名.伺服电机的调试方法[ED/OL].http：//www.dianyao99.cpooo.com/news/701383.html，2019-5-15.

[3] 潘健，刘梦薇.步进电机控制策略研究[J].现代电子技术，2009， 32（15）：143-145.

作者简介

黄蜜（1980-），男，汉川人;学历：本科，职称：中级自动控制工程师，电气工程师，现就职单位： 东风（武汉）实业有限公司。