电机与拖动第五章

5.5 步进电机
反应式步进电动机的工作原理 1、单三拍 相首先通电(B (B， 设A相首先通电(B，C两相不 通电) 产生A A 轴线方向的磁 通电)，产生A—A’轴线方向的磁 并通过转子形成闭合回路。 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， 这时A 极就成为电磁铁的N 极就成为电磁铁的 在磁场的作用下， S极。在磁场的作用下，转子总是 力图转到磁阻最小的位置． 力图转到磁阻最小的位置．也就 是要转到转子的齿对齐A 是要转到转子的齿对齐A，A’极的 极的 位置。而后B 位置。而后B相 通电， 相通电。 通电，C相通电。 转子便顺时针方 向转过30 向转过300，再转 过300。
直流伺服电机的机械特性
第一章学过： 第一章学过：
U R n= − C eΦ C eC TΦ
2
T
n = n0 − β T
由直流伺服电机在不同控制电压下的机械特性曲线 可见：在一定负载转矩下，当磁通不变时， 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， 枢电压，电机的转速就升高；反之，降低电枢电压，转 电动机立即停转。 速就下降； 速就下降；当U2＝0时，电动机立即停转。 要电机反转，可改变电枢电压的极性。 要电机反转，可改变电枢电压的极性。 直流伺服电机的机械待性较硬。 直流伺服电机的机械待性较硬。
2、单双六拍 极对齐。 设A相首先通电，转子齿和定子A，A’极对齐。 相首先通电，转子齿和定子A 极对齐 然后在A相继续通电的情况下接通B 这时定子B 然后在A相继续通电的情况下接通B相。这时定子B， 极对转子齿2 有磁拉力，使转子顺时针方向转动， B’极对转子齿2，4有磁拉力，使转子顺时针方向转动， 极对转子齿 但是A，A’极继续拉住齿1，3。因此，转子转到两个 但是A 极继续拉住齿1 因此， 极继续拉住齿 磁拉力平衡时为止。 磁拉力平衡时为止。这时转子的位置顺时针方向转过 接着A相断电， 相继续通电。这时转子齿2 了150。接着A相断电，B相继续通电。这时转子齿2， 和定子B 极对齐转子位置又转过了15 4和定子B，B’极对齐转子位置又转过了150。而后接 极对齐转子位置又转过了 相仍然继续通电，这时转子又转过15 通C相，B相仍然继续通电，这时转子又转过150。
见书208页
控制方法
1. 幅值控制 保持控制电压与励磁 电压的相位差90 不变， 90° 电压的相位差90°不变， 仅改变控制电压的幅值。 仅改变控制电压的幅值。 通过调节控制电压的 幅值改变电机的转速。 幅值改变电机的转速。
+
信号系数
Uc Uc a= = ≤1 U f UN
—
+
.
电压移相器
Uf
— —
A相通电
A、B相通电
B相通电
B 、C相通电
3．双三拍 如果每次都是两相通电，即按A 如果每次都是两相通电，即按A，B、B，C、C，A， 的顺序通电，则称为双三拍方式。步距角也是30 的顺序通电，则称为双三拍方式。步距角也是300。 实际使用中，一般步进电动机的步距角不是30 实际使用中，一般步进电动机的步距角不是300或150， 而最常见的是3 转子上不只四个齿，而有40个齿。 40个齿 而最常见的是30或90。转子上不只四个齿，而有40个齿。 为了转子齿要和定子齿对齐，两者的齿宽和齿距必须相等。 为了转子齿要和定子齿对齐，两者的齿宽和齿距必须相等。 因此，定子上除了六个极以外， 因此，定子上除了六个极以外，在每个极面上还有五个和 转子齿一样的小齿。 转子齿一样的小齿。步进电动机的结构图如图 由上述可知， 由上述可知，采用单三拍和双三柏 方式时，转子走三步前进了一个齿距角， 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； 每走一步前进了三分之一齿距角；采用 六拍方式时， 六拍方式时，转于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。 距角，每走一步前进了六分之一齿距角。 因此步距角口可用下式计算： 因此步距角口可用下式计算： 360 o θs = Zr N θ s步距角 Z r转子齿数 N拍数
RP
.
+
Uc
2. 相位控制 保持控制电压的幅值不变， 保持控制电压的幅值不变，通过调节控制电压 与励磁电压的相位差改变电机的转速。 与励磁电压的相位差改变电机的转速。 信号系数
Ua U c sin β U N sin β a= = = = sin β Uf Uf UN
+
—
+
.
移 相 器
Uf
— —
.
5.1 伺服电机
在自动控制系统中，伺服电机用来驱动控制对象， 在自动控制系统中，伺服电机用来驱动控制对象， 它的转矩和转速受信号电压控制。 它的转矩和转速受信号电压控制。当信号电压的大小 和极性(或相位)发生变化时， 和极性(或相位)发生变化时，电机的转速和转动方向 将非常灵敏和准确地跟着变化。 将非常灵敏和准确地跟着变化。 自动控制系统对伺服电机的要求: 自动控制系统对伺服电机的要求: 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。 快速响应性能好。 2、快速响应性能好。 3、灵敏度要高 。 无自转现象。 4、无自转现象。 伺服电机有交流和直流两种
一、直流伺服电机
直流伺服电机的结构和一般直流电机一样， 直流伺服电机的结构和一般直流电机一样，只是为 了减小转动惯量而做得细长一些。 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。通常采用电枢控制， 分别由两个独立电源供电。通常采用电枢控制，就是励 磁电压U 一定，建立的磁通Φ是定值，而将控制电压U 磁电压U1一定，建立的磁通Φ是定值，而将控制电压U2 加在电枢上。 加在电枢上。 为了提高快速响应性能必须减小转动惯量，转子可 为了提高快速响应性能必须减小转动惯量， 快速响应性能必须减小转动惯量 为盘形，可为空心杯形。 为盘形，可为空心杯形。
由上面介绍可以看出，步进电动机具有结构简单、 由上面介绍可以看出，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。 维护方便、精确度高、起动灵敏、停车准确等性能。 步进电动机的转速决定于电脉冲频率， 步进电动机的转速决定于电脉冲频率，并与频率同步
60ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱf n= Zr N
例
P232
步进电动机是一种利用电磁铁的作用原理将电脉 冲信号转换为线位移或角位移的电机，每发一个脉冲， 冲信号转换为线位移或角位移的电机，每发一个脉冲， 步进电动机便转过一定角度， 步进电动机便转过一定角度，由步进电动机通过传动 装置就移动一个很小距离(或转动一个很小角度) 装置就移动一个很小距离(或转动一个很小角度)。脉冲 一个接着一个，步进电动机便一步一步地转动。 一个接着一个，步进电动机便一步一步地转动。 反应式步进电动机是最常用的步进电动机， 反应式步进电动机是最常用的步进电动机，其它 步进电动机有永磁式 永磁感应式。 永磁式， 步进电动机有永磁式，永磁感应式。 反应式步进电动机的结构 电动机定子具有均匀分布的 六个磁极，磁极上绕有绕组。 六个磁极，磁极上绕有绕组。两 个相对的磁极组成一相， 个相对的磁极组成一相，绕组的 联法如图所示。 联法如图所示。 假定转子具有均匀分布的四个齿。 假定转子具有均匀分布的四个齿。
RT = C TΦ
U21
U22
U2
当n=0时，在一定负载转矩下，电 n=0时 在一定负载转矩下， 机要在大于等于特定电压下才能起动， 机要在大于等于特定电压下才能起动， 优点与不足 见书207页 此特定电压称始动电压 始动电压。 此特定电压称始动电压。
二、交流伺服电机
交流伺服电机就是 两相异步电动机。 两相异步电动机。它的 定子上装有两个绕组， 定子上装有两个绕组， 一个是励磁绕组， 一个是励磁绕组，另一 个是控制绕组。 个是控制绕组。它们在 空间相隔90 90° 空间相隔90°。 交流伺服电动机的转子分两种： 交流伺服电动机的转子分两种：笼型转子和杯形转子 笼型转子做得细 长些以减小转动惯量。 长些以减小转动惯量。 为了提高快速响 为了提高快速响 必须减小 应性能必须减小转动 应性能必须减小转动 惯量，增大转子电阻 转子电阻。 惯量，增大转子电阻。 增大转子电阻可防止自转，还能扩大调速范围， 增大转子电阻可防止自转，还能扩大调速范围，提高机械 转子电阻可防止自转 特性的线性度。 =(1.5---4)(X +X’ 特性的线性度。 一般 R’2=(1.5--4)(X1+X 2)
直流伺服电机的调节特性 调节特性是指转矩恒定时， 调节特性是指转矩恒定时，电机的转速随控制电压 变化的规律， 常数 常数， （ ）。调节特性也称控制 变化的规律，T=常数，n=f（U2）。调节特性也称控制 特性。 特性。 n
U R n= − C eΦ C eC TΦ
2
T
T=0 T1 T2
0
U 20
第五章 特种电机
控制电机的类型很多，常用的几种： 控制电机的类型很多，常用的几种：伺服 电机、测速发电机、自整角机和步进电机等。 电机、测速发电机、自整角机和步进电机等。
前面我们所讲的电动机，都是作为动力来使用的， 前面我们所讲的电动机，都是作为动力来使用的， 其主要任务是能量的转换。 其主要任务是能量的转换。而本章所讲的各种控制电 机的主要任务是转换和传递控制信号， 机的主要任务是转换和传递控制信号，能量的转换是 次要的。 次要的。 伺服电机将电压信号转换为转矩和转速以驱动控 制对象，测速发电机将转速转换为电压， 制对象，测速发电机将转速转换为电压，井传递到输 入端作为反馈信号； 入端作为反馈信号；自整角机将转角差转换为电压信 并经电子放大器放大后去控制伺服电机； 号，并经电子放大器放大后去控制伺服电机；步进电 机将脉冲信号转换为角位移或线位移。 机将脉冲信号转换为角位移或线位移。对控制电机要 求具有动作灵敏、准确度高、重量轻、体积小、 求具有动作灵敏、准确度高、重量轻、体积小、耗电 少及运行可靠等特点。 少及运行可靠等特点。