|
运动控制需要动力，没有动力就没有加速度，就无法改变速度，也就谈不上控制，运动控制的底层手段，必然的应该是力或者力矩。 任何能够提供动力，而且动力可控的驱动设备，都可以实现运动控制，但在工业领域，运动控制绝大部分都是由旋转电动机实现的。 由旋转电动机驱动的系统，不管最终的运动输出是转动还是平移运动，或者是更复杂的运动，在电动机这一端看过去，都可以等效为旋转运动，所以，我会采用角度、角位移、角速度，角加速度以及力矩这样的转动参数，来代替平移运动参数。 今天我打算讨论一下电动机本身，主要讨论两个问题，第一，电动机的力矩怎么来的，第二，电动机为什么能够一直转动。 下面我先给出一个简单的模型，并利用它来简化的描述一些关于电动机的基础概念。 想象两个环形磁体，它们的南北极都分布在环面上，两个环形磁体可以叠套在一起，中间还留下一道环形的，狭窄的缝隙。 现在想象把两个环形都固定在各自的中轴上，装上轴承，让两个中轴同轴，两个环形都可以绕轴独立旋转，彼此之间自然也可以做相对转动，就像下面的示意图那样：
在自然的状态下，内环的北磁极会对准外环的南磁极，就像上图那样，这是因为磁极之间会异性相吸同性相斥。 如果用外力让内外环的磁极错开一定的角度，然后放手，内外环会自己回到最初的对准状态，这说明内外环之间因为错开产生了力矩，这个力矩引起了转动而导致复位，但转动不会持续下去，重新对准之后就会停下来。 这不是一个能够一直运转的模型，但它可以产生力矩。 我之所以给出这个模型，是因为电动机的力矩，就是和这个模型一样，是由磁场提供的，而且也是因为内外环的磁极彼此错开造成的。 很容易想到，影响力矩大小的因素应该有三个：外环磁场强度，内环磁场强度，以及磁极错开的角度。 在错开角度不变的情况下，不管是外环磁场强度翻倍，还是内环磁场强度翻倍，都会导致力矩翻倍，因此，前两个因素是正比关系。 错开20°时，力矩肯定比错开10°大，但并不直接翻倍，角度和力矩并不是正比关系，随着角度增加，力矩还会达到一个最大值，然后慢慢减小，在错开180°时减小为零，角度如果再增加，就会出现反方向的力矩了。 这就是这个模型中力矩的情况，现在我们来考虑一下，怎样才能够让这个模型持续转动起来。 在外环的轴上装一个手柄，摇动手柄让外环转动起来，内外环的磁极就会错开，产生一个力矩，让内环的磁极追着外环磁极转动起来，整个内环也就跟着转起来了。 不过，这样就需要一个外部动力来带动外环，不符合作为原动机的要求。 如果，把外环本体固定住，但却让外环的磁极转动起来，也就是环不转而磁场转，这样不也一样能够让内外环的磁极错开，产生力矩让内环转起来吗？ 同样的，如果让内环的磁极相对于内环本体转动起来，那么内环本体也会相对外环转动起来，比如说，内环磁场相对于本体顺时针转动起来，磁极错开产生的力矩，就会让本体按逆时针转动，力图让内外环的磁极重新对准。 不管是外环还是内环，只要让磁场相对于本体转动起来，就能够使得内外环的机械本体相对转动，这时只要固定住其中一个，另一个的轴上就能够输出旋转动力了。 永久磁体的磁极相对于本体是固定的，因此磁场不可能相对于本体旋转起来，但电磁铁的磁场方向，是由励磁线圈的方向决定的，如果在圆周分布的多个线圈里，按一定规律轮流通电，就可以顺序改变磁场的方向，也就是让磁场相对于本体转起来了。 这就是电动机的最基本的原理：利用励磁线圈的顺序接通，让电磁场相对于机械本体旋转，就能够持续旋转并且输出动力。所以，电动机的动力明明来自磁场作用力，却不称为磁动机却称为电动机。 内外环中，至少有一个得是电磁铁，而且其磁场必须相对于本体旋转，形成旋转磁场，另一个则可以是电磁铁，也可以是永磁体，但都可以是固定磁场，不一定需要旋转。 至于具体怎么形成旋转磁场，有不同的具体方法，因此也就产生了不同类型的电动机。 为了能够输出动力，在内外环中有一个要固定起来，称为定子，另一个可以自由转动，称为转子，一般外环是定子，内环是转子，但有时候也可以颠倒过来用。 直流电动机是利用一个称为换向器的机械式导电装置，在转子里产生旋转磁场，从而让转子向相反方向旋转，并且输出动力的。 直流电动机的定子也称为主磁极，转子也称为电枢，至于为什么这样称呼，就不用管它了。 主磁极是一个固定的电磁铁，通过对励磁电流的控制，可以保持主磁场的强度不变，通电之后，它和一个永磁体并没有本质差别。 电枢是一个固定在转轴上的环形铁芯，上面有许多轴向的槽，在里边嵌入产生电磁场的线圈。 假设有12个线圈，每个线圈有两个边，铁芯上有12个槽，槽与槽之间间隔30°，每个槽里嵌入两个线圈的边，比如1号线圈的正边嵌在1号槽里，负边就嵌在7号槽里，而7号线圈正好相反，正边在7号槽，负边在1号槽。 现在把所有线圈串联起来，也就是1号线圈的正边连接在1号端口上，它的负边和2号线圈的正边接在一起连在2号端口上，2号线圈的负边则和3号线圈的正边一起接在3号端口上，以此类推，如下图所示：
如果我们把1号端口接上直流电正极，12号端口接上负极，通电产生电流以后，电枢上会不会产生磁场？ 不会，因为我们前面讲了，1号和7号线圈正好是颠倒方向嵌入在槽里的，它们励磁出来的磁场正好抵消，同样，2和8，3和9……都是这样彼此抵消的，所以，这时电枢里没有磁场。 但如果我们把12号线圈的负端连接到1号端口，形成环形，然后分别在1号和7号端口接入正负极，那么电流就会分两路流过线圈，一路是按1、2、3、4、5、6的顺序，另一路按是12、11、10、9、8、7的顺序，而且后者是从负边流入正边流出的。 这样一来，对应线圈产生的磁场就不再抵消，而是叠加起来，电枢里就产生了磁场，如果把这个磁场的方向安排在错开定子磁场90°的位置，产生的力矩就会让转子即电枢转起来。 如果每转过30°，就改变一次连接，比如换成分别从2号和8号端口接入正负极，再转过30°，又换成3号和9号，那么电枢磁场的方向就回到了起初的位置，也就是说，电枢磁场的方向始终在初始位置附近来回摆动，但因为这时转子在转动，因此磁场的方向相对于转子本体是旋转的，不过不是匀速旋转，是一跳一跳的转动的。 怎么做到改变接入端口的呢？就在端口上打主意。 把一个铜环，切成12个扇形段，各段之间垫上绝缘片，再重新恢复成圆环形状，固定在转轴上，让它跟随转子转动，每一个扇形段称为一个换向片，同时把它当作端口，和线圈连接。 然后在对称的位置装一对碳刷，作为滑动电极，那么电极所连接的换向片就会每旋转30°换一次接法，就实现了顺序切换的目的。 实际上，因为换向片之间的绝缘部分很薄，而碳刷电极有一定的宽度，因此大多数时候，电极都同时接触到两个换向片，两片之间的线圈就被短接了，但被短接的线圈所产生的磁场，差不多正好就在和定子磁极对准的位置，本来就不产生力矩，所以没有什么影响。 增加线圈数量，各个线圈之间的角度就变小了，比如电枢槽数36的话，线圈就也有36个，换向片也是，这时转子每转动10°磁场就会回到初始位置，转子磁场就以每一次跳10°的方式跳着相对于转子旋转起来了，定子磁场和转子磁场之间错开的角度就更加稳定。 理解了直流电动机为什么能够连续运转的原因，再来看看它的力矩是怎么控制的。在影响力矩的三个因素里，定子磁场固定而且通过控制保持恒定，磁极交错角度小范围摆动，可以近似看做不变，那么，转子磁场的强度，就是唯一影响力矩的因素了，而且是正比性质的。 电磁铁的磁动势等于电流乘以线圈匝数，线圈匝数不会变，那么磁动势就由电流唯一决定，如果铁芯没有进入饱和，磁场强度就近似的正比于磁动势，因此，控制电枢电流，就控制了力矩。 可以通过改变供电电压来控制电枢电流，但不能直接用欧姆定律去理解这时的电压电流关系。 在电动机没有开始运转前，电枢电压和电流之间的关系，就是欧姆定律，直接代入电枢电阻就算出来了，但电动机转起来以后，线圈导体会切割磁力线，产生感应电动势，它和电枢电压是顶牛的，比如供电电压是100V，当时转速下产生的感应电动势是20V，那么能够在电枢电阻中产生电流的电压就只有80V了，比开始转动之前，电流和力矩都会降低百分之二十。 这就是直流电动机需要控制力矩时，要用一个内环来控制电枢电流，而不是直接控制供电电压就行了的原因，要维持同样的力矩，随着转速增加，供电电压也需要增加。 换向器是一个很巧妙的构造，但毕竟是滑动电接触，所以也是直流电动机里最容易出麻烦的部件，碳刷会磨损，要定期更换，磨损下来的碳粉掉入绝缘缝隙，会降低绝缘，引起环火，要定期清理，所以直流电动机需要定期维护，而且不能用在有可燃爆炸气体的场所。 因为材料技术的进步，现在可以生产出磁场强度媲美于电磁铁的永磁体，所以，直流电动机的定子主磁极，可以换成永磁体了。 既然这样，为什么不把主磁极放到转子上，把电枢放到定子上？这样转子就不需要接入电路了，不再需要滑动电接触，至于换向，可以用电子开关组成的电子换向器完成。 因为机械换向器是自然的按照转子转过的角度来换向的，那么电子换向器就也需要根据转子角度来换向，因此这种电动机需要有检测转子当前角度的传感器信号，来作为换向依据。 这种永磁体主磁极放在转子上，电枢线圈放在定子上的电动机，称为直流无刷电动机，它的转子磁极是固定的，定子磁场则是一跳一跳的旋转着的，但因为造成的力矩波动并不大，所以运行仍然很平稳。 相比直流电，三相交流电更容易产生旋转磁场，毕竟三相交流电本身就是在磁场旋转的情况下产生的，每过三分之一周期，最大值就会从一相转移到另一相去，而且是逐渐转移。 只要把三相线圈在环形空间里均匀分布排列，这种相位转移就会变成空间角度的变化。 具体的论证就不在这里讲了，直接给结论：三相交流电通入三相绕组以后，磁场强度会始终稳定在单相最大磁场的1.5倍，同时均匀的不断改变方向，也就是说，会产生一个强度恒定，匀速转动的旋转磁场。 这个旋转磁场的转速由交流电的频率决定，每经过一个周期，磁场方向就会回到原来的位置，频率越高，周期时间越短，旋转磁场就转动得更快。 把这个旋转磁场放在定子上，转子里安排主磁极，不管是电磁铁还是永磁体都行，那么转子就会跟着旋转磁场转起来，而且转速和旋转磁场一致，这种电动机称为交流同步电动机，同步的意思，就是电动机转速和旋转磁场转速保持一致，如果采用的是永磁体做磁极，就称为永磁同步电动机。 因为同步，所以只要控制了交流电供电频率，就直接控制了同步电动机的转速，貌似用来做速度控制非常方便，但实际上这是一个麻烦。 在转子跟随旋转磁场转动的时候，会因为磁极错开产生力矩，让转子追着旋转磁场转起来，但必须在落后不到半转的范围内追上去，否则力矩就会越过最大值开始减小，最后还会反向，这时就乱套了，转子会失去加速能力，再也跟不上了，称为失去同步，简称失步。 如果旋转磁场的转速和电动机当前转速差距比较大，要在半转以内追上旋转磁场转速，需要非常大的加速度，也就需要非常大的力矩，如果这个力矩超过可能的最大力矩，失步就是必然的。 所以，同步电动机的加速是很麻烦的事情，如果供电频率由外部控制，就必须小心翼翼的一点点增加频率，让旋转磁场慢慢加速，确保转子转速能够跟得上。 这种由外部决定供电频率的方式，称为他控式变频，对应的还有一种方式称为自控式变频，自控不是自动控制，而是自己控制的意思。 自控变频方式下，随时控制的是旋转磁场当前的方向，保证磁极之间的错开角度保持在指定大小，因此需要有传感器信号来反馈转子磁极的当前位置，然后通过控制交流电的相位来控制定子磁场方向，进而达到控制错开角度的目的。 控制了错开角度，就控制了力矩大小，这就是同步电动机控制力矩的方式。 因为要始终保持错开角度在适当范围，因此用于同步电动机的自控式变频器提供的供电频率是反过来跟着转子转速变化的，或者说，是在迁就转子的当前转速，这样一来，就不会再有失步的问题了。 因为定子线圈也在切割旋转磁场的磁力线，会产生感应电动势，因此要保证旋转磁场强度稳定，也需要改变电压来抵消感应电动势，所以变频器在改变频率的同时，也必须同时改变电压。 除开直流电机和交流同步电机，还有一种能够一直让电动机转起来的方案，就是利用感应电动势在转子线圈里激发电流产生磁场。 这种电动机的定子和同步电动机一样，会产生旋转磁场，转子上布置了短路线圈，实际只是几根端头短接的粗大导体，这些导体切割旋转磁场的磁力线，产生感应电动势，因为短路所以电阻很低的情况下，产生强大电流形成转子磁场，然后跟着电子旋转磁场转起来。 这时转子转速必然和旋转磁场转速不一样，转子导体才会切割磁力线产生感应电动势，转速差越大，电动势越强，因此转子磁场也就会更强，能够产生更大的力矩。 因为转子磁场是感应电动势产生的，所以这种电动机称为交流感应电动机，同时因为转子转速和旋转磁场转速不一样，所以它还有一个名字叫做交流异步电动机。 异步电动机自然没有失步问题，所以它不仅结构简单，而且运行起来也很皮实，甚至可以做到几十年免维护的水平，是工业中应用最广的一种电动机。 在对着定子磁场磁极部位的导体，感应电动势最强，激发的电流也最强，由此产生的转子磁场，方向上就正好和定子旋转磁场相差九十度左右，如果定子磁场稳定，则转子磁场的强度就是决定力矩的因素。 而转子磁场的强度，又由转速差决定，只需要控制变频器的频率就可以控制转速差，也就能够控制力矩，所以，异步电动机的变频器应该是他控模式，能够主动改变频率。 和同步电动机一样，要维持定子磁场强度不变，在改变频率的同时也需要改变电压，以抵消定子里的感应电动势。 直流电动机通过控制电枢电流来控制力矩，交流同步电动机通过控制磁极错开角度也称为力矩角来控制力矩，交流异步电动机通过控制转速差来控制力矩，这就是三类电动机控制力矩的基本方式。 工业中使用的绝大部分电动机，都可以归入这三个种类，比如在运动控制中常用的伺服电动机，就有这样三种类型。 好了，在电动机中产生力矩的原理，以及它们能够保持连续旋转的原理，就简略地介绍完了，有了这种初步了解，我们就可以具体地讨论运动控制问题了。 |
|
|
