第四节 印刷设备中常用的特种电动机

　　随着生产过程机械化、电气化和自动化的不断发展，出现了各种类型的特种电动机。这些电动机的工作原理，一般与普通的异步电动机和直流电动机的基本原理近似，但是它们在性能、结构、生产工艺上各有其特殊性，多用于自动控制过程中。一般来说，这些电动机的功率不大，小的只有几分之一瓦，大的也不过几十瓦或几百瓦，属于微型电动机的范围。


　　由于印刷机械的自动化、规范化和数据化的迅速发展，印刷机械对特种电动机的需求越来越多。七节将介绍目前在印刷设备中应用较广的步进电动机、伺服电动机和测速发电机这三种电动机。

一、步进电动机

　　一般电动机都是连续旋转，而步进电动却是一步一步转动的，故叫步进电动机。每输入一个冲信号，该电动机就转过一定的角度（有的步进电动机可以直接输出线位移，称为直线电动机）。因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移（或直线位移）的执行元件。


　　步进电动机的转子为多极分布，定子上嵌有多相星形连接的控制绕组，由专门电源输入电脉冲信号，每输入一个脉冲信号，步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号，输出的角位移是断续的，所以又称为脉冲电动机。


　　随着数字控制系统的发展，步进电动机在印刷机械上的应用将逐渐扩大。例如德国海德堡胶印机上的CPCI控制装置中，就用了四组各36只步进电动机来代替原有的墨斗螺丝。





图2－26 反应式步进电动机的结构示意图


　　步进电动机的种类很多，按结构可分为反应式和激励式两种；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。


　　图2－26是反应式步进电动机结构示意图，它的定子具有均匀分布的六个磁极，磁极上绕有绕组。两个相对的磁极组成一组，联法如图所示。


　　下面介绍反应式步进电动机单三拍、六拍及双三拍通电方式的基本原理。


　　1．单三拍通电方式的基本原理。设A相首先通电（B、C两相不通电），产生A-A′轴线方向的磁通，并通过转子形成闭合回路。这时A、A′极就成为电磁铁的N、S极。在磁场的作用下，转子总是力图转到磁阻最小的位置，也就是要转到转子的齿对齐A、A′极的位置（图2-27a）；接着B相通电（A、C两相不通电），转了便顺时针方向转过30°，它的齿和C、C′极对齐（图2-27c）。不难理解，当脉冲信号一个一个发来时，如果按A→C→B→A→…的顺序通电，则电机转子便逆时针方向转动。这种通电方式称为单三拍方式。





图2－27 单三拍通电方式时转子的位置


　　2．六拍通电方式的基本原理。设A相首先通电，转子齿与定子A、A′对齐（图2-28a）。然后在A相继续通电的情况下接通B相。这时定子B、B′极对转子齿2、4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是A、A′极继续拉住齿1、3，因此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图2-28b所示，即转子从图(a)位置顺时针转过了15°。接着A相断电，B相继续通电。这时转子齿2、4和定子B、B′极对齐（图2-28c），转子从图(b)的位置又转过了15°。其位置如图2-28d所示。这样，如果按A→A、B→B→B、C→C→C、A→A…的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角15°。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。如果按A→A、C→C→C、B→B→B、A→A…的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。这种通电方式称为六拍方式。





图2－28 六拍通电时转子位置


a.A相通电 b.A、B相通电 c.B相通电 d.B、C相通电


　　3．双三拍通电方式的基本原理。如果每次都是两相通电，即按A、B→B、C→C、A→A、B→…的顺序通电，则称为双三拍方式，从图2-28b，和图2-28d可见，步距角也是30°。因此，采用单三拍和双三拍方式时转子走三步前进了一个齿距角，每走一步前进了三分之一齿距角；采用六拍方式时，转子走六步前进了一个齿距角，每走一步前进了六分之一齿距角。因此步距角θ可用下式计算：


　　θ＝360°/Zr·m


　　式中Zr是转子齿数；m是运行拍数。


　　一肌步进电动机最常见的步距角是3°或1．5°。由上式可知，转子上不只4个齿（齿距角90°），而有40个齿（齿距角为9°）。为了使转子齿与定子齿对齐，两者的齿宽和齿距必须相等。因此，定子上除了6个极以外，在每个极面上还有5个和转子齿一样的小齿。步进电动机的结构图如图2－29所示。


　　由上面介绍可知，步进电动机具有结构简单、维护方便、精确度高、起动灵敏、停车准确等性能。此外，步进电动机的转速决定于电脉冲频率，并与频率同步。





图2－29 三相反应式步进电动机的结构图


　　4．步进电动机的驱动电源。步进电动机需配置一个专用的电源供电，电源的作用是让电动机的控制绕组按照特定的顺序通电，即受输入的电脉冲控制而动作，这个专用电源称为驱动电源。步进电动机及其驱动电源是一个互相联系的整体，步进电动机的运行性能是由电动机和驱动电源两者配合所形成的综合效果。


　　（1）对驱动电源的基本要求。


　　①驱动电源的相数、通电方式和电压、电流都工满足步进电动机的需要；


　　②要满足步进电动机的起动频率和运行频率的要求；


　　③能最大限度地抑制步进电动机的振荡；


　　④工作可靠，抗干扰能力强；


　　⑤成本低、效率高、安装和维护方便。


　　（2）驱动电源的组成。步进电动机的驱动电源基本上由脉冲发生器、脉冲分配器和脉冲放大器（也称功率放大器）三部分组成，如图2－30所示。





图2－30 步进电动机驱动电源的方框图


　　①脉冲发生器。脉冲发生器是一个脉冲频率由几赫到几十千赫可连续变化的脉冲信号发生器。脉冲发生器可以采用多种线路，最常见的有多谐振荡器和单结晶体管构成的张弛振荡器两种，它们都是通过调节电阻R和电容C的大小来改变电容器充放电的时间常数，以达到改变脉冲信号频率的目的。图2－31是两种实用的多谐振荡电路，它们分别由反相器和非门构成，振荡频率由RC决定，改变R值即可改变脉冲频率。





图2－31 脉冲发生器实用电器


　　②脉冲分配器。脉冲分配器中由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路，它根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加在脉冲放大器上，使步进电动机按确定的运行方式工作。下面着重介绍CH250环形脉冲分配器。


　　CH250环形脉冲分配器是三相步进电动机的理想脉冲分配器，通过其控制端的不同接法可以组成三相双三拍和三相六拍的不同工作方式，如图2－32、图2－33所示。





图2－32 CH250三相双三拍接法





图2－33 CH250三相六拍接法


　　J_3r、J_3L两端子是三相双三拍的控制端，J_6r、J_6L是三相六拍的控制端，三相双三拍工作时，若J_3r＝“1”，而J_3L＝“0”，则电机正转；若J_3r＝“0”，J_3L＝“1”，则电机反转；三相六拍供电时，若J_6r＝“1”，J_6L＝“0”，则电机正转；若J_6r＝“0”，J_6L＝“1”，电机反转。R₂是双三拍的复位端，R₁是六拍的复位端，使用时，首先将其对应复位端接入高电平，使其进入工作状态，然后换接到工作位置。CL端是时钟脉冲输入端，E_N是时钟脉冲允许端，用以控制时钟脉冲的允许与否。当脉冲CP由CL端输入，只有EN端为高电平时，时钟脉冲的上升沿才起作用。CH250也允许以EN端作脉冲CP的输入端，此时，只有CL为低电平时，时钟脉冲的下降沿才起作用。A₀、B₀、C₀为环形分配器的三个输出端，经过脉冲放大器（功率放大器）后分别接到步进电动机的三相线上。


　　CH250环形脉冲分配器的功能关系如表2－1所列。


表2－1 CH250功能表

工作方式		CL	EN	J3r	J3L	J3r	J3L
六拍	正转 反转	0 0		0 0	0 0	1 0	0 1
双三拍	正转 反转	0 0		1 0	0 1	0 0	0 0
六拍	正转 反转		1 1	0 0	0 0	1 0	0 1
双三拍	正转 反转		1 1	1 0	0 1	0 0	0 0

　　③脉冲放大器（功率放大器）。由于脉冲分配器输出端A₀、B₀、C₀的输出电流很小，如CH250脉冲分配器的输出电流大约为200-400μA，而步进电动机的驱动电流较大，如75BF001型步进电动机每相静态电流为3A，为了满足驱动要求，脉冲分配器输出的脉冲需经脉冲放大器（即功率放大器）后才能驱动步进电机。图2－34是一个实用的脉冲放大电路，图中使用三级晶体管放大，第一级用3DG6小功率管，第二级用3DK4中功率管，第三级用3DD15大功率管，R₆为步进电动机限流电阻，随所配电机不同而异。





图2－34 脉冲放大器实用电路





图2－35 高低压切换驱动电源的原理图


　　图2－34所示电路是单电压型驱动电源，它的特点是：线路简单，电阻R₆与控制绕组串联后，可以减小回路的时间常数；但是由于R₆上要消耗功率，使电源的效率降低，用这种电源供电的步进电动机的起动和运行频率都不会太高。为了提高电源效率及工作频率，可采用高、低压切换型电源，其原理如图2－35所示。高压供电是用来加速电流的增长速度，而低压是用来维持稳定的电流值。低压电源中串联一个数值较小的电阻，其目的是为了调节控制绕组的电流，使各相电流平衡。

二、伺服电动机

　　伺服电动机又叫执行电动机，或叫控制电动机。在自动控制系统中，伺服电动机是一个执行元件，它的作用是把信号（控制电压或相位）变换成机械位移，也就是把接收到的电信号变为电机的一定转速或角位移。其容量一般在0.1-100W,常用的是30W以下。伺服电动机有直流和交流之分，目前在印刷机中交直流伺服电动机都有应用，以直流伺服电动用的最多。


　　1．交流伺服电动机。交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似，如图2－36所示。其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组R_f，它始终接在交流电压U_f上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压U_c。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。


　　交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子，如图2－37所示。空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。





图2－36 交流伺服电动机原理图





图2－37 空心杯形转子伺服电动机结构


　　交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。


　　交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点：


　　①起动转矩大。由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图2－38中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率S₀＞1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。





图2－38 伺服电动机的转矩特性


　　②运行范围较宽。如图2－38所示，较差率S在0到1的范围内伺服电动机都能稳定运转。


　　③无自转现象。正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性（T₁－S₁、T₂－S₂曲线）以及合成转矩特性（T－S曲线）如图2－39所示，与普通的单相异步电动机的转矩特性（图中T′－S曲线）不同。这时的合成转矩T是制动转矩，从而使电动机迅速停止运转。


　　图2－40是伺服电动机单相运行时的机械特性曲线。负载一定时，控制电压U_c愈高，转速也愈高，在控制电压一定时，负载增加，转速下降。





图2－39 伺服电动机单相运行时的转矩特性





图2－40 伺服电动机的机械特性


　　交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。当电源频率为50Hz，电压有36V、110V、220、380V；当电源频率为400Hz，电压有20V、26V、36V、115V等多种。


　　交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重，所以只适用于0.5-100W的小功率控制系统。


　　2．直流伺服电动机。直流伺服电动机的结构和一般直流电动机一样，只是为了减小转动惯量而做得细长一些。它的励磁绕组和电枢分别由两个独立电源供电。也有永磁式的，即磁极是永久磁铁。通常采用电枢控制，就是励磁电压_f一定，建立的磁通量Φ也是定值，而将控制电压U_c加在电枢上，其接线图如图2－41所示。


　　直流伺服电动机的机构特性[n=f(T)]和前述的他励电动机一样，也用下式表示：


　　n=U_c/K_E·Φ-R_a/K_E·K_T·Φ·T


　　图2－42是直流伺服电动机在不同控制电压下（U_c为额定控制电压）的机械特性曲线。由图可见：在一定负载转矩下，当磁通不变时，如果升高电枢电压，电机的转速就升高；反之，降低电枢电压，转速就下降；当U_c＝0时，电动机立即停转。要电动机反转，可改变电枢电压的极性。





图2－41 直流伺服电动机接线图





图2－42 直流伺服电动机的n=f(T)曲线


　　直流伺服电动机和交流伺服电动机相比，它具有机械特性较硬、输出功率较大、不自转，起动转矩大等优点，在印刷机械中应用较多，例如在JJ201中就采用了型号为110SZ－03和110SZ－54的直流伺服电动机各4台。

三、测速发电机

　　在自动控制系统中，测速发电机一般用来测量和调节转速，或将它的输出电压反馈到电子放大器的输入端以稳定转速。


　　测速发电机按电流种类可分为直流和交流两种。目前在JJ201和J2203、J2206等印刷机中均使用了测速发电机。下面分别介绍交流测速发电机和直流测速发电机的工作原理。


　　1．交流测速发电机。交流测速发电机分同步式和异步式两种，现以异步式发电机为例，介绍其工作原理。它的定子上装有两个绕组，一个作励磁用，称为励磁绕组1，另一个输出电压，称为输出绕组2；两个绕组的轴线互相垂直，在空间上相隔90°，其原理如图2－43所示。它的转子一般为杯形转子，通常是由铝合金制成的空心薄壁圆筒。此外，为了减少磁器的磁阻，在空心杯形转子内放置有固定的内定子。在分析时，杯形转子可视作由无数并联的导体条组成，和鼠笼转子一样。





图2－43 交流测速发电机原理图（静止时）





图2－44 交流测速发电机原理图


　　在测速发电机静止时，将励磁绕组接到交流电源上，励磁电压为U₁，其值一定。这时在励磁线组的轴线方向产生一个交变脉动磁通，其幅值设为Φ₁。由于磁通与输出绕组的轴线垂直，故输出绕组中并无感应电动势，输出电压为零。


　　当测速发电机由被测转动轴驱动而旋时，则有电压U₂输出。且输出电压U₂和励磁电压U₁的频率相同，U₂的大小和发电机的转速n成正比。通常测速发电机和伺服电动机同轴相连，通过发电机的输出电压就可测量或调节电动机的转速。


　　测速发电机的主要特性是输出电压是其转速的线性函数，其原理如下所述：


　　当发电机旋转时，在励磁绕组轴线方向的脉动磁场Φ₁如图2－43所示，由U₁＝4．44f₁N₁Φ₁可知，Φ₁正比于U₁。


　　杯形转子在旋转时切割磁力线，而在转子中感应出电动势E_r和相应的转子电流I_r，如图2－44所示。E_r和I_r与磁通Φ₁及转速n成正比，即


　　I_r∝E_r∝Φ₁·n


　　同样转子电流I_r产生磁通Φ_r，两者也成正比，即


　　Φ_r∝E_r


　　磁通Φ_r与输出绕组的轴线一致，因此在其中感应出电动势，两端就有一个输出电压U₂、U₂正比于Φ_r，根据上述关系即得出


　　U₂∝Φ₁·n∝U₁·n


　　上式表明，当励磁绕组加上电源电压U₁，测速发电机以转速n转动时，它的输出绕组就产生输出电压U₂，U₂的大小与转速n成正比。当转动方向改变时，U₂的相位也改变180°。如果转子不动，输出电压为零，这样就把转速信号转换成电压信号。


　　实际上交流测速发电机没有像上面所讲的那样理想，而存在着一定的线性误差，主要由于Φ₁并非常数。因为励磁绕组与转子杯间的关系相当于变压器原、副绕组间的关系，所以Φ₁是由励磁电流和转子电流共同产生的。而转子电动势和转子电流与转速有关，因此当转速变化时，励磁电流I₁（还有励磁绕组的阻抗压降）和磁通Φ₁都将发生变化。这样，就破坏了输出电压U₂与转速n之间的线性关系。


　　2．直流测速发电机。这里主要介绍他励式直流测速发电机。其结构和直流伺服电动机一样，它的接线图如图2－45所示。





图2－45 他励测速发电机接线图


　　直流测速发电机的主要特性也是输出电压正比转速。直流测速发电机的基本公式之一是


　　E＝T_E·Φ·n


　　上式表明直流测速发电机的电动势E是正比于磁通Φ与转速n的乘积的。在他励测速发电机中，如果保持励磁电压U₁为定值，而磁通Φ也是常数；因此，E正比于n。


　　直流测速发电机的输出电压（即电枢电压）为


　　U₂＝E－I₂·R_a=K_E·Φ·n-I₂·R_a


　　而I₂=U₂/R₂，于是U₂＝K_E·Φ／1＋R_a／R_L·n


　　上式表明直流测速发电机有负载时，如果Φ、R_a及R_L保持为常数，则输出电压U₂与转速n下，输出电压U₂下降得也就愈多。不仅如此，当R_L减小时，线性误差增加，特别是在高速时。图2－46所示是直流测速发电机的输出特性曲线U₂＝f(n)。





图2－46 直流测速发电机的输出特性


　　线性误差主要由电枢反应引起。所谓电枢反应就是电枢电流I₂产生的磁场对磁极磁场的影响，使电机内的合成磁通小于磁极磁通。电流I₂愈大，磁通Φ就愈小，线性误差就愈大。所以在直流测速发电机的技术数据中外有“最小负载电阻和最高转速”一项，即在使用时所接的负载电阻不得小于这个数值，转速不得高于这个数值，否则线性误差增加。

[时间：2001-11-20  作者：杨皋 张长峰  来源：《印刷设备电路与控制》·第二章 印刷设备中常用电机与控制]