数据结构电子教案控制电机.ppt

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1、 控制电动机主要应用于自动控制系统中，用来实现信控制电动机主要应用于自动控制系统中，用来实现信号的检测、转换和传递，作为测量、执行和校正等元件使号的检测、转换和传递，作为测量、执行和校正等元件使用。功率一般从数毫瓦到数百瓦。用。功率一般从数毫瓦到数百瓦。 普通动力电动机的主要任务是实现能量转换，主要要普通动力电动机的主要任务是实现能量转换，主要要求是提高电机的能量转换效率等经济指标，以及起动、调求是提高电机的能量转换效率等经济指标，以及起动、调速等性能。控制电动机的主要任务是完成控制信号的检测、速等性能。控制电动机的主要任务是完成控制信号的检测、变换和传递，因此，对控制电动机的主要要求是快速响

2、应、变换和传递，因此，对控制电动机的主要要求是快速响应、高精度、高灵敏度及高可靠性。高精度、高灵敏度及高可靠性。 控制电动机种类繁多，本章主要介绍常用的控制电控制电动机种类繁多，本章主要介绍常用的控制电动机的基本工作原理。动机的基本工作原理。 4.1 伺服电动机伺服电动机 伺服电动机又称执行电动机，它能把接受的电压信号转换为电动机转轴上伺服电动机又称执行电动机，它能把接受的电压信号转换为电动机转轴上的机械角位移或角速度的变化，具有服从控制信号的要求而动作的功能：在信的机械角位移或角速度的变化，具有服从控制信号的要求而动作的功能：在信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号消

3、失，转号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号消失，转子能即时停转。由于这种子能即时停转。由于这种“伺服伺服”的性能因此命名。的性能因此命名。 自动控制系统对伺服电动机的基本要求是：自动控制系统对伺服电动机的基本要求是： (1) 宽广的调速范围，机械特性和调节特性均为线性。宽广的调速范围，机械特性和调节特性均为线性。 (2) 快速响应性能好，即机电时间常数要小，在控制信号变化时，能迅速快速响应性能好，即机电时间常数要小，在控制信号变化时，能迅速地从一种状态过渡到另一种状态。地从一种状态过渡到另一种状态。 (3) 灵敏度要高，即在很小的控制电压信号作用下，伺服电动机就能起动灵

4、敏度要高，即在很小的控制电压信号作用下，伺服电动机就能起动运转。运转。 (4) 无自转现象。所谓自转现象就是转动中的伺服电动机在控制电压为零无自转现象。所谓自转现象就是转动中的伺服电动机在控制电压为零时继续转动的现象；无自转现象就是控制电压降到零时，伺服电动机立即自行时继续转动的现象；无自转现象就是控制电压降到零时，伺服电动机立即自行停转。停转。 按伺服电动机的控制电压来分，伺服电动机可分为直流伺服电动机和交流按伺服电动机的控制电压来分，伺服电动机可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机的输出功率可达数百瓦，主要用于功率较伺服电动机两大类。直流伺服电动机的输出功率可达数百瓦，

5、主要用于功率较大的控制系统。交流伺服电动机的输出功率较小，一般为几十瓦，主要用于功大的控制系统。交流伺服电动机的输出功率较小，一般为几十瓦，主要用于功率较小的控制系统。率较小的控制系统。 一、直流伺服电动机一、直流伺服电动机 4.1. 1 直流伺服电动机直流伺服电动机 1. 基本结构与工作原理 一般的直流伺服电动机的结构与普通小型直流电动机相同，按照励磁方一般的直流伺服电动机的结构与普通小型直流电动机相同，按照励磁方式的不同，可分为电磁式和永磁式。电磁式直流伺服电动机的磁场由励磁电式的不同，可分为电磁式和永磁式。电磁式直流伺服电动机的磁场由励磁电流通过励磁绕组产生，一般多用他励式励磁。永磁式直

6、流伺服电动机的磁场流通过励磁绕组产生，一般多用他励式励磁。永磁式直流伺服电动机的磁场由永磁铁产生，无需励磁绕组和励磁电流。由永磁铁产生，无需励磁绕组和励磁电流。 直流伺服电动机的控制方式有两种：电枢控制和磁场控制。所谓电枢控直流伺服电动机的控制方式有两种：电枢控制和磁场控制。所谓电枢控制，即磁场绕组加恒定励磁电压，电枢绕组加控制电压，当负载转矩恒定时，制，即磁场绕组加恒定励磁电压，电枢绕组加控制电压，当负载转矩恒定时，电枢的控制电压升高，电动机的转速就升高；反之，减小电枢控制电压，电电枢的控制电压升高，电动机的转速就升高；反之，减小电枢控制电压，电动机的转速就降低；改变控制电压的极性，电动机就

7、反转；控制电压为零，动机的转速就降低；改变控制电压的极性，电动机就反转；控制电压为零，电动机就停转。电枢控制方式的直流伺服电动机如电动机就停转。电枢控制方式的直流伺服电动机如 图图10.1所示。所示。 电动机也可采用磁场控制，即磁场绕组加控制电压，而电枢绕组加恒定电动机也可采用磁场控制，即磁场绕组加控制电压，而电枢绕组加恒定电压控制方式，改变励磁电压的大小和方向，就能改变电动机的转速与转向。电压控制方式，改变励磁电压的大小和方向，就能改变电动机的转速与转向。可见，电磁式直流伺服电动机有电枢控制和磁场控制两种控制转速的方式，可见，电磁式直流伺服电动机有电枢控制和磁场控制两种控制转速的方式，而对永

8、磁式直流伺服电动机来讲，则只有电枢控制一种方式。而对永磁式直流伺服电动机来讲，则只有电枢控制一种方式。 图10.1 电枢控制方式的直流 伺服电动机 电动机也可采用磁场控制，即磁场绕电动机也可采用磁场控制，即磁场绕组加控制电压，而电枢绕组加恒定电压控组加控制电压，而电枢绕组加恒定电压控制方式，改变励磁电压的大小和方向，就制方式，改变励磁电压的大小和方向，就能改变电动机的转速与转向。可见，电磁能改变电动机的转速与转向。可见，电磁式直流伺服电动机有电枢控制和磁场控制式直流伺服电动机有电枢控制和磁场控制两种控制转速的方式，而对永磁式直流伺两种控制转速的方式，而对永磁式直流伺服电动机来讲，则只有电枢控制

9、一种方式。服电动机来讲，则只有电枢控制一种方式。 电枢控制的主要优点为，没有控制信电枢控制的主要优点为，没有控制信号时，电枢电流等于零，电枢中没有损耗，号时，电枢电流等于零，电枢中没有损耗，只有不大的励磁损耗。磁场控制的性能较只有不大的励磁损耗。磁场控制的性能较差，其优点是控制功率小，仅用于小功率差，其优点是控制功率小，仅用于小功率电动机中。自动控制系统中多采用电枢控电动机中。自动控制系统中多采用电枢控制方式，因此本节只分析电枢控制方式的制方式，因此本节只分析电枢控制方式的直流伺服电动机。直流伺服电动机。 为了提高快速响应能力，必须减少转为了提高快速响应能力，必须减少转动惯量，所以直流伺服电动

10、机的电枢通常动惯量，所以直流伺服电动机的电枢通常做成盘形或空心杯形，使其具有转子轻、做成盘形或空心杯形，使其具有转子轻、转动惯量小的特点。转动惯量小的特点。 电枢控制方式的直流伺服电动机的工作原理与普通的直流电动机电枢控制方式的直流伺服电动机的工作原理与普通的直流电动机相似。当励磁绕组接在电压恒定的励磁电源上时，就会有励磁电流相似。当励磁绕组接在电压恒定的励磁电源上时，就会有励磁电流If流过，并在气隙中产生主磁通流过，并在气隙中产生主磁通；当有控制电压；当有控制电压Uc作用在电枢绕组上作用在电枢绕组上时，就有电枢电流时，就有电枢电流Ic流过，电枢电流流过，电枢电流Ic与磁通与磁通相互作用，产生

11、电磁转相互作用，产生电磁转矩矩T带动负载运行。当控制信号消失时，带动负载运行。当控制信号消失时，Uc= 0，Ic = 0，T = 0，电动，电动机自行停转，不会出现自转现象。机自行停转，不会出现自转现象。 2. 控制特性 1) 机械特性机械特性 机械特性是指励磁电压机械特性是指励磁电压Uf恒定，电枢的控制电压恒定，电枢的控制电压UK为一个定值为一个定值时，电动机的转速和电磁转矩时，电动机的转速和电磁转矩T之间的关系，即之间的关系，即Uf为常数时的为常数时的nf(T)，如图如图10.2(a)所示。所示。 已知直流电动机的机械特性是已知直流电动机的机械特性是 式中式中 U、R、Ce、CT分别表示电

12、枢电压、电枢回路的电阻、电分别表示电枢电压、电枢回路的电阻、电动势常数和转矩常数。动势常数和转矩常数。 在电枢控制方式的直流伺服电动机中，控制电压在电枢控制方式的直流伺服电动机中，控制电压Uc加在电枢绕组加在电枢绕组上，即上，即U=Uc，代入式，代入式(10.1)，得到直流伺服电动机的机械特性表达式，得到直流伺服电动机的机械特性表达式为为 2eeTURnTC C C (4.1) c02eeTURnTnTC C C (4.2) 式中，式中， 理想空载转速；理想空载转速； c0eUnC2eTRC C 斜率。斜率。 对上式应考虑两种特殊情况：当转矩为零时，电动机的转速仅与电枢电对上式应考虑两种特殊情

13、况：当转矩为零时，电动机的转速仅与电枢电压有关，此时的转速为直流伺服电动机的理想空载转速，理想空载转速与电压有关，此时的转速为直流伺服电动机的理想空载转速，理想空载转速与电枢电压成正比，即枢电压成正比，即 当转速为零时，电动机的转矩仅与电枢电压有关，此时的转矩称为堵转当转速为零时，电动机的转矩仅与电枢电压有关，此时的转矩称为堵转转矩。堵转转矩与电枢电压成正比，即转矩。堵转转矩与电枢电压成正比，即 0eUnnC (4.3) TC TUR(4.4) 当控制电压当控制电压Uc一定时，随着转矩一定时，随着转矩T的增加，转速的增加，转速n成正比的下降，机械成正比的下降，机械特性为向下倾斜的直线，所以直流

14、伺服电动机机械特性的线性度很好。当特性为向下倾斜的直线，所以直流伺服电动机机械特性的线性度很好。当Uc不同时，其斜率不同时，其斜率不变，机械特性为一组平行线，随着不变，机械特性为一组平行线，随着Uc的降低，机械的降低，机械特性平行地向下移动。特性平行地向下移动。 (a) 机械特性 (b) 调节特性 图10.2 直流伺服电动机的运行特性 2) 调节特性调节特性 调节特性是指电磁转矩恒定时，电动机的转速随控制电压的调节特性是指电磁转矩恒定时，电动机的转速随控制电压的变化关系，即变化关系，即T为常数时的为常数时的n = f(UK)。调节特性也称为控制特性。调节特性也称为控制特性。如图如图10.2(b

15、)所示。所示。 在式在式(10.2)中，令中，令Uc为常数，为常数，T为变量，为变量，n = f(T)是机械特性；是机械特性；若令若令T为常数，为常数，Uc为变量，为变量，n = f(Uc)是调节特性，如图是调节特性，如图10.2(b)所示，所示，也是直线，所以调节特性的线性度也很好。也是直线，所以调节特性的线性度也很好。 当转速为零时，对应不同的电磁转矩可得到不同的起动电压当转速为零时，对应不同的电磁转矩可得到不同的起动电压Uc0。当电枢电压小于起动电压时，伺服电动机将不能起动。在式。当电枢电压小于起动电压时，伺服电动机将不能起动。在式(10.2)中令中令n = 0能方便地计算出起动电压能方

16、便地计算出起动电压Uc0为为 C0TRTUC (4.5) 一般把调节特性图上横坐标从零到起动电压这一范围称为失灵一般把调节特性图上横坐标从零到起动电压这一范围称为失灵区。在失灵区以内，即使电枢有外加电压，电动机也转不起来。显区。在失灵区以内，即使电枢有外加电压，电动机也转不起来。显而易见，失灵区的大小与负载转矩成正比，负载转矩越大，失灵区而易见，失灵区的大小与负载转矩成正比，负载转矩越大，失灵区也越大。也越大。 直流伺服电动机的优点是起动转矩大、机械特性和调节特性的直流伺服电动机的优点是起动转矩大、机械特性和调节特性的线性度好、调速范围大。其缺点是电刷和换向器之间的火花会产生线性度好、调速范围

17、大。其缺点是电刷和换向器之间的火花会产生无线电干扰信号，维修比较困难。无线电干扰信号，维修比较困难。 二、交流伺服电动机二、交流伺服电动机 1. 基本结构和工作原理 交流伺服电动机一般是两相交流异步电动机，由定子和转子交流伺服电动机一般是两相交流异步电动机，由定子和转子两部分组成。交流伺服电动机的转子有笼型和杯型两种。无论哪两部分组成。交流伺服电动机的转子有笼型和杯型两种。无论哪一种转子，它的转子电阻都做得比较大，其目的是使转子在转动一种转子，它的转子电阻都做得比较大，其目的是使转子在转动时产生制动转矩，使它在控制绕组不加电压时，能及时制动，防时产生制动转矩，使它在控制绕组不加电压时，能及时制

18、动，防止自转。交流伺服电动机的定子上嵌放着在空间相距止自转。交流伺服电动机的定子上嵌放着在空间相距90电角度的电角度的两相分布绕组，两个定子绕组结构完全相同，使用时一个绕组作两相分布绕组，两个定子绕组结构完全相同，使用时一个绕组作励磁用，另一个绕组作控制用。励磁用，另一个绕组作控制用。 为励磁电压，为励磁电压， 为控制电压，为控制电压， 与与 同频率。其结构示意图如图同频率。其结构示意图如图4.2所示。所示。 fUcUfUcU 交流伺服电动机交流伺服电动机 当励磁绕组和控制绕组均加互差当励磁绕组和控制绕组均加互差90电角电角度的交流电压时，在空间形成圆形旋转磁场度的交流电压时，在空间形成圆形旋

19、转磁场 (控制电压和励磁电压的幅值相等控制电压和励磁电压的幅值相等) 或椭圆形旋或椭圆形旋转磁场转磁场(控制电压和励磁电压幅值不等控制电压和励磁电压幅值不等)，转子，转子在旋转磁场作用下旋转。当控制电压和励磁电在旋转磁场作用下旋转。当控制电压和励磁电压的幅值相等时，控制二者的相位差也能产生压的幅值相等时，控制二者的相位差也能产生旋转磁场。旋转磁场。 普通的两相异步电动机存在着自转现象，普通的两相异步电动机存在着自转现象，这可以通过图这可以通过图10.4所示的机械特性来说明。所示的机械特性来说明。 对异步电动机而言，临界转差率对异步电动机而言，临界转差率sm与转子与转子电阻成正比，即电阻成正比，

20、即 式中式中 转子电阻转子电阻R2折算到定子侧的折算折算到定子侧的折算值；值； 转子漏电抗转子漏电抗X2折算到定子侧的折算折算到定子侧的折算值。值。 图4.2 交流伺服电动机结构示意图 2m22112()RsRXX(4.6) 2R2X 2. 控制方式 交流伺服电动机的控制方式有交流伺服电动机的控制方式有3种，分别是幅值控制、相位控制和幅值种，分别是幅值控制、相位控制和幅值相位控制。相位控制。 1) 幅值控制方式幅值控制方式 始终保持控制电压始终保持控制电压 和励磁电压和励磁电压 之间的相位差为之间的相位差为90，仅仅改变控，仅仅改变控制电压制电压 的幅值来改变交流伺服电动机的转速，这种控制方式

21、称为幅值控制。的幅值来改变交流伺服电动机的转速，这种控制方式称为幅值控制。当励磁电压为额定电压，控制电压为零时，伺服电动机转速为零，电动机不当励磁电压为额定电压，控制电压为零时，伺服电动机转速为零，电动机不转；当励磁电压为额定电压，控制电压也为额定电压时，伺服电动机转速最转；当励磁电压为额定电压，控制电压也为额定电压时，伺服电动机转速最大，转矩也为最大；当励磁电压为额定电压，控制电压在额定电压与零之间大，转矩也为最大；当励磁电压为额定电压，控制电压在额定电压与零之间变化时，伺服电动机的转速在最高转速和零之间变化。幅值控制的原理图如变化时，伺服电动机的转速在最高转速和零之间变化。幅值控制的原理图

22、如图图10.6所示，励磁绕组所示，励磁绕组f接交流电源，控制绕组接交流电源，控制绕组c 通过电压移相器接至同一电源通过电压移相器接至同一电源上，使上，使 与与 始终有始终有90的相位差，且的相位差，且 的大小可调，其幅值在额定值与的大小可调，其幅值在额定值与零之间变化，励磁电压保持为额定值。改变零之间变化，励磁电压保持为额定值。改变 的幅值就改变了电动机的转速。的幅值就改变了电动机的转速。 CUCUfUCUCUfUCUCUCUCU2、控制方式、控制方式 2) 相位控制相位控制 保持控制电压和励磁电压的幅值为额定值不变，仅改变控制电压与励磁保持控制电压和励磁电压的幅值为额定值不变，仅改变控制电压

23、与励磁电压的相位差来改变交流伺服电动机转速，这种控制方式称为相位控制。其电压的相位差来改变交流伺服电动机转速，这种控制方式称为相位控制。其原理图如图原理图如图10.7所示，控制绕组通过移相器与励磁绕组一同接至同一交流电所示，控制绕组通过移相器与励磁绕组一同接至同一交流电源上，源上， 的幅值不变，但的幅值不变，但 与与 的相位差可以通过调节移相器在的相位差可以通过调节移相器在90之间变化，之间变化， 与与 的相位差发生变化时，交流伺服电动机的转速就随之的相位差发生变化时，交流伺服电动机的转速就随之图10.6 幅值控制的原理图 图10.7 相位控制的原理图 CUCUfUCUfU发生变化。设发生变化

24、。设 与与 的相位差为的相位差为，在在90范围内变化。根据范围内变化。根据的取值可得出气隙磁场的变化情况。当的取值可得出气隙磁场的变化情况。当=0时，控制电压与励磁电时，控制电压与励磁电压同相位，气隙总磁动势为脉动磁动势，伺服电动机转速为零，不转压同相位，气隙总磁动势为脉动磁动势，伺服电动机转速为零，不转动；当动；当=90时，气隙磁动势为圆形旋转磁动势，伺服电动机转速最时，气隙磁动势为圆形旋转磁动势，伺服电动机转速最大，转矩也为最大；当大，转矩也为最大；当=090变化时，气隙磁动势从脉动磁动势变化时，气隙磁动势从脉动磁动势变为椭圆形旋转磁动势最终变为圆形旋转磁动势，伺服电动机的转速变为椭圆形旋

25、转磁动势最终变为圆形旋转磁动势，伺服电动机的转速由低向高变化。由低向高变化。值越大越接近圆形旋转磁动势。值越大越接近圆形旋转磁动势。 3) 幅值幅值-相位控制相位控制 幅值幅值-相位控制是指对幅值和相位差都进行控制，通过改变控制相位控制是指对幅值和相位差都进行控制，通过改变控制电压的幅值及控制电压与励磁电压的相位差来控制伺服电动机的转速。电压的幅值及控制电压与励磁电压的相位差来控制伺服电动机的转速。励磁绕组串联电容器后接交流电源，控制绕组通过电位器接至同一电励磁绕组串联电容器后接交流电源，控制绕组通过电位器接至同一电源，原理图如图源，原理图如图10.8所示。控制电压所示。控制电压 与电源同频率

26、、同相位，但其与电源同频率、同相位，但其幅值可以通过电位器幅值可以通过电位器Rp来调节。当调节控制电压的幅值来改变电动机来调节。当调节控制电压的幅值来改变电动机的转速时，由于转子绕组的耦合作用，励磁绕组中的电流随之发生变的转速时，由于转子绕组的耦合作用，励磁绕组中的电流随之发生变化，励磁电压也会发生变化。这样，化，励磁电压也会发生变化。这样， 与与 的大小和相位都会发生的大小和相位都会发生变化，所以称这种控制方式为幅值变化，所以称这种控制方式为幅值-相位控制方式。相位控制方式。 CUfUCUCUfU图10.8 幅值-相位控制的原理图 幅值幅值-相位控制的机械特性和调节特相位控制的机械特性和调节

27、特性不如幅值控制和相位控制，但由于其性不如幅值控制和相位控制，但由于其电路简单，只需要电容器和电位器，不电路简单，只需要电容器和电位器，不需要复杂的移相装置，成本较低，因此需要复杂的移相装置，成本较低，因此在实际应用中用得较多。在实际应用中用得较多。 最后将直流伺服电动机和交流伺服最后将直流伺服电动机和交流伺服电动机做一下对比。直流伺服电动机的电动机做一下对比。直流伺服电动机的机械特性是线性的，特性硬，控制精度机械特性是线性的，特性硬，控制精度高，稳定性好；交流伺服电动机的机械高，稳定性好；交流伺服电动机的机械特性是非线性的，特性软，控制精度要特性是非线性的，特性软，控制精度要差一些。直流伺服

28、电动机无自转现象；差一些。直流伺服电动机无自转现象；交流伺服电动机如果交流伺服电动机如果参数选择不当，如转子电阻不是足够大或制造不良，有可能产生自转参数选择不当，如转子电阻不是足够大或制造不良，有可能产生自转现象。交流伺服电动机转子电阻大，损耗大，效率低，只能适用于小现象。交流伺服电动机转子电阻大，损耗大，效率低，只能适用于小功率控制系统；功率大的控制系统宜选用直流伺服电动机。当然直流功率控制系统；功率大的控制系统宜选用直流伺服电动机。当然直流伺服电动机有电刷和换向器，工作可靠性和稳定性要差一些，电刷和伺服电动机有电刷和换向器，工作可靠性和稳定性要差一些，电刷和换向器之间的火花会产生无线电干扰

29、。总之，应根据具体使用情况，换向器之间的火花会产生无线电干扰。总之，应根据具体使用情况，合理选用直流伺服电动机或交流伺服电动机。合理选用直流伺服电动机或交流伺服电动机。4.3 步进电动机步进电动机 步进电动机能将输入的电脉冲信号转换成输出轴的角位移步进电动机能将输入的电脉冲信号转换成输出轴的角位移或直线位移。这种电动机每输入一个脉冲信号，输出轴便转或直线位移。这种电动机每输入一个脉冲信号，输出轴便转动一定的角度或前进一步，因此被称为步进电动机或脉冲电动一定的角度或前进一步，因此被称为步进电动机或脉冲电动机。步进电动机输出轴的角位移量与输入脉冲数成正比，动机。步进电动机输出轴的角位移量与输入脉冲

30、数成正比，不受电压及环境温度的影响，也没有累积的定位误差，控制不受电压及环境温度的影响，也没有累积的定位误差，控制输入的脉冲数就能准确地控制输出的角位移量，因而用数字输入的脉冲数就能准确地控制输出的角位移量，因而用数字能够精准地定位；而步进电动机输出轴的转速与输入的脉冲能够精准地定位；而步进电动机输出轴的转速与输入的脉冲频率成正比，控制输入的脉冲频率就能准确地控制步进电动频率成正比，控制输入的脉冲频率就能准确地控制步进电动机的转速，可以在宽广的范围内精确地调速。由于步进电动机的转速，可以在宽广的范围内精确地调速。由于步进电动机的这一特点正好符合数字控制系统的要求，同时电子技术机的这一特点正好符

31、合数字控制系统的要求，同时电子技术的发展也解决了步进电动机的电源问题。因此，随着数字计的发展也解决了步进电动机的电源问题。因此，随着数字计算机的发展，步进电动机的应用也日益广泛。目前，它广泛算机的发展，步进电动机的应用也日益广泛。目前，它广泛应用于数控机床、轧钢机、军事工业、数模转换装置以及自应用于数控机床、轧钢机、军事工业、数模转换装置以及自动化仪表等方面。动化仪表等方面。 自动控制系统对步进电动机的基本要求是：自动控制系统对步进电动机的基本要求是： (1) 在一定的速度范围内步进电动机都能稳定运行，在一定的速度范围内步进电动机都能稳定运行，输出轴转过的步数必须等于输入脉冲数，既不能多走一步

32、，输出轴转过的步数必须等于输入脉冲数，既不能多走一步，也不能少走一步，即不能出现所渭的也不能少走一步，即不能出现所渭的“失步失步”现象。现象。 (2) 每输入一个脉冲信号，输出轴所转过的角度称每输入一个脉冲信号，输出轴所转过的角度称为步距角，该值要小而且精度要高，这样才能使工作台的为步距角，该值要小而且精度要高，这样才能使工作台的位移量小而且准确和均匀，从而可以提高加工精度。位移量小而且准确和均匀，从而可以提高加工精度。 (3) 允许的工作频率高，这样才能动作迅速，减少辅助允许的工作频率高，这样才能动作迅速，减少辅助工时，提高生产率。工时，提高生产率。4.3 步进电动机步进电动机 一、步进电动

33、机的结构和分类一、步进电动机的结构和分类 步进电动机的种类很多，按其工作方式的不同可分为功率式和步进电动机的种类很多，按其工作方式的不同可分为功率式和伺服式两种。功率式步进电动机的输出转矩较大，能直接带动较大伺服式两种。功率式步进电动机的输出转矩较大，能直接带动较大的负载。伺服式步进电动机的输出转矩较小，只能直接带动较小的的负载。伺服式步进电动机的输出转矩较小，只能直接带动较小的负载，对于大负载需通过液压放大元件来传动。按运动方式可分为负载，对于大负载需通过液压放大元件来传动。按运动方式可分为旋转运动、直线运动和平面运动等几种；按工作原理可分为反应式旋转运动、直线运动和平面运动等几种；按工作原

34、理可分为反应式(磁阻式磁阻式)、永磁式和永磁感应式等几种。在永磁式步进电动机中，它、永磁式和永磁感应式等几种。在永磁式步进电动机中，它的转子是用永久磁钢制成的，也有通过滑环由直流电源供电的励磁的转子是用永久磁钢制成的，也有通过滑环由直流电源供电的励磁绕组制成的转子，在这类步进电动机中，转子中产生励磁；在反应绕组制成的转子，在这类步进电动机中，转子中产生励磁；在反应式步进电动机中，其转子由软磁材料制成齿状，转子的齿也称为显式步进电动机中，其转子由软磁材料制成齿状，转子的齿也称为显极，在这种步进电动机的转子中没有励磁绕组。它们产生电磁转矩极，在这种步进电动机的转子中没有励磁绕组。它们产生电磁转矩的

35、原理虽然不同，但其动作过程基本上是相同的，反应式步进电动的原理虽然不同，但其动作过程基本上是相同的，反应式步进电动机有力矩惯性比高、步进频率高、频率响应快、可双向旋转、结构机有力矩惯性比高、步进频率高、频率响应快、可双向旋转、结构简单和寿命长等特点。在计算机应用系统中大量使用的是反应式步简单和寿命长等特点。在计算机应用系统中大量使用的是反应式步进电动机。本节以反应式步进电动机为例介绍步进电动机的原理及进电动机。本节以反应式步进电动机为例介绍步进电动机的原理及结构。结构。 二、反应式步进电动机的工作原理二、反应式步进电动机的工作原理 1. 结构特点 三相反应式步进电动机的结构原理图如图三相反应式

36、步进电动机的结构原理图如图4.12所示。其定子和转子所示。其定子和转子均由硅钢片或其他软磁材料做成凸极结构。定子磁极上套有集中绕组，均由硅钢片或其他软磁材料做成凸极结构。定子磁极上套有集中绕组，起控制作用，作为控制绕组。相对的两个磁极上的绕组组成一相，如起控制作用，作为控制绕组。相对的两个磁极上的绕组组成一相，如U和组成和组成U相，相，V和和V、W和和W分别组成分别组成V相及相及W相。独立绕组数称为步相。独立绕组数称为步进电动机的相数。除三相以外，步进电动机还可以做成四、五、六等相进电动机的相数。除三相以外，步进电动机还可以做成四、五、六等相数。同相的两个绕组可以串联，也可以并联，以产生两个极

37、性相反的磁数。同相的两个绕组可以串联，也可以并联，以产生两个极性相反的磁场。一般的情况是，若绕组相数为场。一般的情况是，若绕组相数为m，则定子磁极数为，则定子磁极数为2m，所以三相绕，所以三相绕组有组有6个磁极。转子上个磁极。转子上没有绕组，只有齿，其上无绕组，本身亦无磁性。图没有绕组，只有齿，其上无绕组，本身亦无磁性。图中转子齿数中转子齿数Zr=4。转子相邻两齿轴线之间的夹角定义。转子相邻两齿轴线之间的夹角定义为齿距角为齿距角 r， ，当，当 时，时， 。每输入一个脉冲时转子转过的角度称为步距角每输入一个脉冲时转子转过的角度称为步距角 s 。 rr360 /Zor4Z r90o图10.9 三

38、相反应式步进电动机原理图 2. 工作原理 设电动机空载，工作时驱动电源将脉冲信号电压按一定的顺序轮流设电动机空载，工作时驱动电源将脉冲信号电压按一定的顺序轮流加到定子三相绕组上。按其通电顺序的不同，三相反应式步进电动机有加到定子三相绕组上。按其通电顺序的不同，三相反应式步进电动机有以下以下3种运行方式；种运行方式； 1) 三相单三拍运行方式三相单三拍运行方式 “三相三相”指步进电动机定子绕组是三相绕组，指步进电动机定子绕组是三相绕组，“单单”指每次只能一指每次只能一相绕组通电，相绕组通电，“一拍一拍”指定子绕组每改变一次通电方式，指定子绕组每改变一次通电方式，“三拍三拍”指通指通电电3次完成一

39、个通电循环。也就是说，这种运行方式是按次完成一个通电循环。也就是说，这种运行方式是按UVWU或或相反的顺序通电的。相反的顺序通电的。 当步进电动机的当步进电动机的U相绕组通电，相绕组通电，V相和相和W相绕组不通电时，相绕组不通电时， 电动机内电动机内建立以建立以U-U为轴线的磁场，由于磁通要经过磁阻最小的路径形成闭合磁为轴线的磁场，由于磁通要经过磁阻最小的路径形成闭合磁路，这样反应转矩使转子齿路，这样反应转矩使转子齿1、3分别与定子磁极分别与定子磁极U、U对齐，如图对齐，如图4.13(a)所示。由于所示。由于V相与相与U相绕组轴线间的夹角为，对齿距角而言，相当于相绕组轴线间的夹角为，对齿距角而

40、言，相当于4/3个个齿距角，所以当齿距角，所以当U、U分别与转子齿分别与转子齿1、3对齐时，对齐时，V相绕组轴线领先转子相绕组轴线领先转子齿齿2和和4的轴线的轴线1/3齿距。齿距。 当当U相和相和W相断电，改为相断电，改为V相通电时，磁场轴线为相通电时，磁场轴线为VV，领先齿，领先齿2和和4的轴线的轴线1/3齿距。转子上虽然没有绕组，但是转子是由硅钢片做成的，齿距。转子上虽然没有绕组，但是转子是由硅钢片做成的，定子磁场对转子齿的吸引力会产生沿转子切线方向的磁拉力，从而产生定子磁场对转子齿的吸引力会产生沿转子切线方向的磁拉力，从而产生电磁转矩，称为反应转矩电磁转矩，称为反应转矩(或称磁阻转矩或称

41、磁阻转矩)，带动转子偏转，直至齿，带动转子偏转，直至齿2、4分分别与磁极别与磁极V、V对齐。当它们对齐时，磁场对转子只有径向方向的吸引力，而没有切对齐。当它们对齐时，磁场对转子只有径向方向的吸引力，而没有切线方向的拉力，将转子锁住。显而易见，转子转过了线方向的拉力，将转子锁住。显而易见，转子转过了1/3齿距，即转过齿距，即转过了了30，所以步距角，所以步距角 s =30，如图，如图4.13(b)所示。所示。图10.10 反应式步进电动机工作原理图 同样，当同样，当W相通电，相通电，U、V相断电时，反应转矩使转子再逆时针转过相断电时，反应转矩使转子再逆时针转过30空间角度，转子齿空间角度，转子齿

42、1、3对准磁极、对准磁极、W，如图，如图4.13(c)所示。所示。 依此类推，当依此类推，当U相绕组再一次通电，相绕组再一次通电，V、W两相断电时，转子再转过两相断电时，转子再转过30，转子齿转子齿4、2分别对准磁极分别对准磁极U、U，此时，控制绕组通电方式经过一个循环，转，此时，控制绕组通电方式经过一个循环，转子转过一个齿。若按照子转过一个齿。若按照UVWU的通电顺序往复下去，则步进电动机的的通电顺序往复下去，则步进电动机的转子将按一定速度延顺时针方向旋转，步进电动机的转速取决于三相控制绕转子将按一定速度延顺时针方向旋转，步进电动机的转速取决于三相控制绕组的通、断电源的频率。若改变通电顺序，

43、按照组的通、断电源的频率。若改变通电顺序，按照UWVU的通电顺序通的通电顺序通电时，步进电动机的转动方向将改为逆时针。电时，步进电动机的转动方向将改为逆时针。 三相单三拍运行时，只有一相绕组通电，容易使转子在平衡位置来回摆动，三相单三拍运行时，只有一相绕组通电，容易使转子在平衡位置来回摆动，产生振荡，运行不稳定。产生振荡，运行不稳定。 2) 三相双三拍运行方式三相双三拍运行方式 这种运行方式是按这种运行方式是按UVVWWUUV或相反的顺序通电的，即每次同时或相反的顺序通电的，即每次同时给两相绕组通电。其工作原理图如图给两相绕组通电。其工作原理图如图10.11所示。所示。 图10.11 三相双三

44、拍运行方式 当当U、V两相绕组同时通电时，由于两相绕组同时通电时，由于U、V两相的磁极对转于齿都有吸引力，两相的磁极对转于齿都有吸引力，故转子将转到图故转子将转到图 (a)所示位置。当所示位置。当U相绕组断电，相绕组断电，V、W两相绕组同时通电时，两相绕组同时通电时，同理转子将转到图同理转子将转到图 (b)所示位置。而当所示位置。而当V相绕组断电，相绕组断电，WU两相绕组同时通电时，两相绕组同时通电时，转子将转到图转子将转到图 (c)所示位置。可见，当三相绕组按所示位置。可见，当三相绕组按UVVWWUUV顺序通顺序通电时，转子顺时针方向旋转。改变通电顺序，使其按电时，转子顺时针方向旋转。改变通

45、电顺序，使其按UWWVVUUW顺序通电时，即可改变转于旋转的方向。通电一顺序通电时，即可改变转于旋转的方向。通电一个循环，磁场在空间旋转了个循环，磁场在空间旋转了360，而转子也只转了一个齿距角，所以，而转子也只转了一个齿距角，所以步距角仍然是步距角仍然是30。 3) 三相单、双六拍运行方式三相单、双六拍运行方式 这种运行方式是按这种运行方式是按UUVVVWWWUU或相反的顺序或相反的顺序通电的，即需要六拍才完成一个循环。当通电的，即需要六拍才完成一个循环。当U相绕组单独通电时，转子相绕组单独通电时，转子将转到图将转到图10.10(a)所示位置，当所示位置，当U和和V相绕组同时通电时，转子将转

46、到相绕组同时通电时，转子将转到图图10.11(a)所示位置，以后情况依此类推。所以采用这种运行方式时，所示位置，以后情况依此类推。所以采用这种运行方式时，经过六拍即完成一个循环，磁场在空间旋转了经过六拍即完成一个循环，磁场在空间旋转了360，转子仍只转了，转子仍只转了1个齿距角，但步距角却因拍数增加个齿距角，但步距角却因拍数增加1倍而减小到齿距角的倍而减小到齿距角的1/6，即等于，即等于15。 可以看出，如果拍数为可以看出，如果拍数为N，则控制绕组的通电状态需要切换，则控制绕组的通电状态需要切换N次才次才能完成一个通电循环，当定子相数为能完成一个通电循环，当定子相数为m时，若单拍运行，则拍数时

47、，若单拍运行，则拍数N=m；若单双拍运行，则若单双拍运行，则N=2m。每经过一个通电循环，转子就转过。每经过一个通电循环，转子就转过1个齿。个齿。当转子齿数为当转子齿数为Zr时，步进电动机的步距角时，步进电动机的步距角 s为为Sr360Z N(4.3) 上述的反应式步进电动机，转子只有上述的反应式步进电动机，转子只有4个齿，步距角为个齿，步距角为30，太，太大，不能满足要求。要想减小步距角，由式大，不能满足要求。要想减小步距角，由式(10.7)可知，一是增加相可知，一是增加相数，即增加拍数；二是增加转子的齿数。由于相数越多，驱动电源数，即增加拍数；二是增加转子的齿数。由于相数越多，驱动电源就越

48、复杂，所以常用的相数就越复杂，所以常用的相数m为为2、3、4、5、6，不能再增加，以免，不能再增加，以免驱动电路过于复杂。因此为了得到较小的步距角，较好的解决方法驱动电路过于复杂。因此为了得到较小的步距角，较好的解决方法是增加转子的齿数。是增加转子的齿数。 既然转子每经过一个步距角相当于转了既然转子每经过一个步距角相当于转了l(ZsN)圈，若脉冲频圈，若脉冲频率为率为f则转子每秒钟就转了则转子每秒钟就转了f /(ZsN)，故步进电动机每分钟转速为，故步进电动机每分钟转速为 步进电动机的典型结构如图步进电动机的典型结构如图10.12所示，转子的齿数增加了很多所示，转子的齿数增加了很多(图中为图中

49、为40个齿个齿)，定子每个极上也相应地开了几个齿，定子每个极上也相应地开了几个齿(图中为图中为5个齿个齿)。当当U相绕组通电时，相绕组通电时，U相磁极下的定、转子齿应全部对齐，而相磁极下的定、转子齿应全部对齐，而V、W相下的定、转子齿应依次错开相下的定、转子齿应依次错开1/m个齿距角个齿距角(m为相数为相数)，这样在，这样在U相相断电而别的相通电时，转子才能继续转动。断电而别的相通电时，转子才能继续转动。 60rfnZ N(4.4) 图10.12 典型的三相反应式步进电动机 反应式步进电动机在脉冲信号停止反应式步进电动机在脉冲信号停止输入时，转子不再受到定子磁场的作输入时，转子不再受到定子磁场

50、的作用力，转子将因惯性而可能继续转过用力，转子将因惯性而可能继续转过某一角度，因此必须解决停车时的转某一角度，因此必须解决停车时的转子定位问题。反应式步进电动机一般子定位问题。反应式步进电动机一般是在最后一个脉冲停止时，在该绕组是在最后一个脉冲停止时，在该绕组中继续通以直流电，即采用带电定位中继续通以直流电，即采用带电定位的方法。永磁式步进电动机因转子本的方法。永磁式步进电动机因转子本身有磁性，可以实现自动定位，不需身有磁性，可以实现自动定位，不需采用带电定位的方法。采用带电定位的方法。三、反应式步进电动机的特性三、反应式步进电动机的特性 4.2 测速发电机测速发电机 测速发电机能把机械转速转