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1、第10章 控制电机 10.1 概述10.2 步进电动机 10.2.1 结构 10.2.2 工作方式 10.2.3 小步距角的步进电动机10.3 伺服电动机 10.3.1 交流伺服电动机 10.3.2 直流伺服电动机第1页/共33页 前面介绍的异步电动机、直流电动机等都是作为动力使用的，其主要任务是能量转换，例如将电能转换为机械能。本章介绍控制电机。10.1 概述如：伺服机将电压信号转换为转矩和转速；步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移。控制电机的主要功能是转换和传递信号。控制电机的种类很多，本章主要介绍步进机、伺服机。对控制电机的主要要求：动作灵敏、准确、重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等。第
2、2页/共33页10.2 步进电动机机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号 转换成线位移或角位移的电机。每来一个 电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移 动一小段距离。特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)改变脉冲顺序，改变方向。第3页/共33页种类：有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。应用：步进机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动 绘图仪等设备中都得到应用。下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。第4页/共33页10.2.1 结构 步进机主要由两部分构成：定子和转子
3、。它们均由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极。定子转子定子绕组第5页/共33页 定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。注意：这里的相和三相交流电中的“相”的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。ABC定子转子IAIBIC第6页/共33页10.2.2 工作方式 步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。一、三相单三拍（1）三相绕组联接方式：Y 型（2）三相绕组中的通电顺序为：A 相 B 相 C 相通电顺序也可以为：A 相 C 相 B 相 第7页/共33页（3）工作过程化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转
4、、定子的齿对齐停止转动。A 相通电，A 方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐。CABBCA3412第8页/共33页CABBCA3412同理，B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30；C相通电再转30。1C342CABBA第9页/共33页 这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过 30。此角称为步距角，用S表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。
5、第10页/共33页二、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：AABBBCCCAA 共六拍。工作过程：A相通电，转子1、3齿和A相对齐。CABBCA3412第11页/共33页所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了15。（1）BB 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向转动。A、B相同时通电（2）AA 磁场继续对1、3齿有拉力。CABBCA3412第12页/共33页总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为15。CABBCA3412B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。第13页/共33页三、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：AB BC CA
6、AB 共三拍。AB通电CABBCA3412CABBCA3412BC通电第14页/共33页以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30，即 S=30。CA通电CABBCA3412第15页/共33页10.2.3 小步距角的步进电动机 实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5度，步距角越小，机加工的精度越高。为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子40个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁极上也有五个齿。第16页/共33页转子的齿距等于360/40=9 ，齿宽、齿槽各4.5。为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小
7、齿，齿宽和齿槽和转子相同。第17页/共33页工作原理：假设是单三拍通电工作方式。（1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含 120/9=齿 A 相和 C 相差240，含240/9=个齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、定子相差 1/3 个齿（3），C相的转子、定子相差2/3个齿（6）。第18页/共33页若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转 1.5。异步机的转动方向仍由相序决定。同理，C 相通电再转3 （2）A 相断电、B 相通电后，转子只需转过1/3个 齿（3），使 B 相转子、定子对齐
8、。第19页/共33页f：电脉冲的频率 转速 步进机通过一个电脉冲,转子转过的角度,称为步距角。m:一个周期的运行拍数Zr：转子齿数如：Zr=40,m=3 时步距角第20页/共33页10.3 伺服电动机 交流伺服电动机和直流伺服电动机。伺服电动机分类：伺服电动机的作用是驱动控制对象。被控对象的转距和转速受信号电压控制，信号电压的大小和极性改变时，电动机的转动速度和方向也跟着变化。伺服电动机的作用第21页/共33页10.3.1 交流伺服电动机 原理与两相交流异步电机相同，定子上装有两个绕组 励磁绕组和控制绕组。励磁绕组和控制绕组在空间相隔90。控制绕组励磁绕组转子第22页/共33页励磁绕组中串联电
9、容C的目的是为了产生两相旋转磁场。接线：励磁绕组的接线放大器控制绕组的接线检测元件控制信号第23页/共33页 适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近90，因此便产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。1例：选择电容，可使交流伺服电机电路中的电压电流的相量关系如图所示。励磁绕组的接线第24页/共33页放大器控制绕组的接线检测元件控制信号 工作时两个绕组中产生的电流 和 的相位差近90，因此便产生旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子转动起来。控制电压 与电源电压 两者频率相同，相位相同或反相。第25页/共33页（1）U2=0 时，转子停止。这时，虽然U2=0V，U1仍存在，似
10、乎成单相运行状态，但和单相异步机不同。若单相电机启动运行后，出现单相后仍转。伺服电机不同，单相电压时设备不能转。交流伺服电动机的特点：原因：交流伺服电机 R2设计得较大。所以在U2=0时，交流伺服电机的T=f(s)曲线如下页图：第26页/共33页 当U2=0V时，脉动磁场分成的正反向旋转磁场产生的转距T、T 的合成转矩 T 与单相异步机不同。合成转矩的方向与旋转方向相反，所以电机在U2=0V时，能立即停止，体现了控制信号的作用(有控制电压时转动，无控制电压时不转)，以免失控。交流伺服电动机的T=f(s)曲线（U2=0时）sT210sTTT021反转正转第27页/共33页（3）控制电压 U2 大
11、小变化时，转子转速相应变化，转速与电压 U2 成正比。U2 的极性改变时，转子的转向改变。（2）交流伺服电机 R2设计得较大，使Sm1，Tst大，启动迅速，稳定运行范围大。交流伺服电动机的机械特性曲线(U1=const)nTU20.8 U20.6 U20.4 U2Tn第28页/共33页 交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广泛，如用在自动控制、温度自动记录等系统中。应用第29页/共33页10.3.2 直流伺服电动机结构：与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做得细长一些。工作原理：与直流电动机相同。供电方式：他励。励磁绕组和电枢由两个独立电源供电：MU1IfIaU2放大器UU1为励磁电压，U2为电枢电压。第30页/共33页由机械特性可知：(1)U1（即磁通）不变时，一定的负载下，U2,n。(2)U2=0时，电机立即停转。反转：电枢电压的极性改变，电机反转。直流伺服电机的机械特性公式与他励直流电机一样：机械特性曲线U20.8U20.6U20.4U2nT第31页/共33页 直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。经常用在功率稍大的系统中，它的输出功率一般为1-600W。它的用途很多，如随动系统中的位置控制等。应用：第32页/共33页感谢您的观看。第33页/共33页