第三章 下 执行元件及控制用电机(12-2-29)

五、步进电机种类及其工作原理

思考：步进电机的定子每个磁极上制成5个 齿，转子齿数40，两种小齿齿宽和齿距相 等，问其步距角为？（以VR型步进电机为 例）。
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六、步进电机的运行特性及性能指标



(1)分辨力（步距角） 步进电动机走一步所转过的角度称为步 距角，可按下面公式计算 0 360 Zm 式中 为步距角； Z 为转子上的齿数； 为步进电动机运行的拍数。 m 同一台步进电动机，因通电方式不同， 运行时步距角也是不同的 。
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（2）SM型伺服电机控制原理：
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（3）IM型伺服电机控制原理
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矢量控制框图
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五、步进电机种类及其工作原理
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三、步进电动机及其控制





1）.定义：是一种将电脉冲信号转换成角 位移的电磁执行元件。 2）、步进电机工作时的两种状态： 转动状态：输入脉冲时，即可转动 。 定位状态：在电源的激励下，气隙磁场能 保持原有位置不变。 即：步进电机的工作过程是：定位靠电 源，转动靠脉冲。
1.性能密度大、即功率密度和比功率大； 2.快速性好，即加速转矩大，频响特性好； 3.位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳无 爬行现象、分辨率高、振动噪声小； 4.适应启、停频繁的工作要求； 5.可靠性高、寿命长。



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控制用旋转电机按其工作原理可分为旋转磁场型 和旋转电枢型。 前者有同步电机(永磁)、步进电机(永磁); 后者有直流电机(永磁)、感应电机(按矢量控制等 效模型)。 具体的可细分为:DC伺服电机(永磁)可分为:有槽 铁芯电枢型、无槽(平滑型)铁芯电枢型、电枢型 (无槽(平滑)铁芯型与无铁芯型)。 AC伺服电机分同步型(SM),感应型(IM)。 步进电机分变磁阻型(VR)、永磁型(PM),混合型 (HB)。



1、步进电机的种类 按运动形式：旋转式步进电机，直线步进电机。 从励磁相数来分：有三相、四相、五相、六相等 步进电机。 就常用的旋转式步进电机来说，按转子结构不同， 将其分为以下三种： 可变磁阻型(VB—Variable Reluctance) 永磁型( PM型—Permanent Magnet Type) 混合型(HB型—Hybrid Type )
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五、步进电机种类及其工作原理




（1）可变磁阻型（VR型） 定子绕组产生的反应电磁力吸 引用软磁钢制的齿形转子作步进 驱动，故又称作反应式步进电机。 转子结构简单、转子直径 小，有利于高速响应。 由于其铁芯无极性，常有吸引力， 故不需改变电流极性，为此，多 为单极性励磁。 该类电机在无励磁时没有保持 力。
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一、执行元件类型及特点、基本要求
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一、执行元件类型及特点、基本要求


1.惯量小、动力大
表征执行元件惯量的性能指标：对直线运动为质量m， 对回转运动为转动惯量J。


表征输出动力的性能指标为推力F、转矩T或功率P。
表征动力大小的综合性指标称为比功率。它包含了功 率、加速性能和转速三种因素：
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控制用电机有回转和直线驱动电机，通过电 压、电流、频率（包括指令脉冲）等控制， 实现定速、变速驱动或反复启动、停止的增 量驱动以及复杂的驱动，而驱动精度随驱动 对象的不同而不同。 机电一体化产品中常用的控制用电机是指能 提供正确运动或较复杂动作的伺服电机。
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对控制电机的基本要求
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五、步进电机种类及其工作原理


（2）永磁型（ PM型） PM型步进电机的转子2采用永久磁铁、 定子1采用软磁钢制成，绕组3轮流通电， 建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸 引与排斥产生转矩。 特点：1.可用作定位驱动， 2.步距角较大。
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五、步进电机种类及其工作原理

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二、机电系统常用控制电机

在自动控制系统中，伺服电动机将电压信号转 换为转矩和转速以驱动被控对象，当信号电压的 大小和极性(或相位)发生变化时，电动机的转速 和转向将快速、准确地跟着变化。目前常用的伺 服电动机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进 电机。
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二、机电系统常用控制电机
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五、步进电机种类及其工作原理

三相三拍通电： 1）三相单三拍 A→B→C→A 2）三相双三拍 AB→BC→CA→AB

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五、步进电机种类及其工作原理

三相六拍通电方式 A → AB → B → BC → C → CA → A
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五、步进电机种类及其工作原理



R 式中 U —— 电枢控制电压； 一电枢回路电阻； c —每极磁通；C e 、 C t —分别为电动机的结构 常数。 直流电机的输出电磁转矩表达式为：
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二、机电系统常用控制电机
由上式知，直流伺服电机的控制方式如下：
（1）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速）

（2）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速）
(3)混合型(HB型) 它不仅具有VR型步进电机步距角小、响应 频率高的优点，而且还具有PM型步进电机 励磁功率小、效率高的优点，故称为混合 型步进电机。
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五、步进电机种类及其工作原理
混合型与永磁型多为双极性励磁。由于都采 用了永久磁铁，所以，无励磁时具有保持力。另 外，励磁时的静止转矩都比VR型步进电机的大。 HB和PM型步进电机能够用作超低速同步电机， 如：用60Hz驱动每步1. 8°的电机可作为72r/min 的同步电机使用。 步进电机与DC和AC伺服电机相比： 缺点：转矩、效率、精度、高速性能较差。 优点：低速时转矩大，速度控制比较简单，外形尺 寸小等。 所以在办公室自动化方面的打印机、绘图机、 复印机等机电一体化产品中得到广泛使用。
（3）改变电枢回路电阻调速
常用的是前面2种调速方式。
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二、机电系统常用控制电机

直流伺服电机接线原理图。
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2.直流伺服电机驱动 （1 ）可控硅直流调速原理
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（2）脉宽调制 （PWM）直流调速驱 动控制

1 1 U a Udt U U T 0 T



三相六拍通电方式： A AB B BC C CA A 逆时针 A AC C CB B BA A 顺时针 相数：N=3 齿数：z=4 通电方式系数K：相邻两次通电的相数一样时，K=1 相邻两次通电的相数不一样时，K=2 转一转需要的脉冲数为：zm=Z N K=3×4×2=24 步距角a（一个脉冲转过的角度）为： 360 360 a 15 Nzk 3 4 2 安徽工业大学
第三章 执行元件

3.1 执行元件的种类、特点及基本要求 3.2 机电系统常用控制电机
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一、执行元件类型、特点及要求 二、机电系统常用控制电机 三、步进电机及其控制
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一、执行元件类型及特点、基本要求


机电系统中离不开执行机构提供动力。
如数控机床的主轴转动、工作台的进给运动以及工业机器 人手臂升降、回转和伸缩运动等所用驱动部件又称执行元 件，是处于执行机构与电子控制装置的接点部位的能量转 换部件。它能在电子控制装置控制下，将输人的各种形式 的能量转换为机械能，例如电动机、液动机、气缸、内燃 机、电磁铁、继电器等分别把输入的电能、液压能、气压 能和化学能转换为机械能。 由于大多数执行元件已作为系列化商品生产，故在设计机 电一体化系统或产品时。可作为标准件选用、外购。
n 60 f (1 s) p n0 (1 s)

式中，f为交流电源频率(Hz)；p为磁极对数； n0 为电动机旋转磁场转速(r/min)；s为转差率 。
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二、机电系统常用控制电机

控制原理:
幅值控制原理图
不同控制电压下的 机械特性曲线
由右图可知，在一定负载转矩下，控制电压越高，转差率 越小，电动机的转速就越高，不同的控制电压对应着不同的转 速。这种维持与相位差为90º ，利用改变控制电压幅值大小来 改变转速的方法，称为幅值控制方法。
＝
称导通率或占空比 T
续流二级管
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PWM控制原理
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二、机电系统常用控制电机

2. 交流伺服电动机
交流伺服电动机的接线图
杯形转子伺服电动机的结构图
1—励磁绕组 2—控制绕组 3—内定子 4—外定子 5—转子
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二、机电系统常用控制电机

(1) 幅值控制原理: 励磁绕组WF接到电压为Uf的交流电网上，控 制绕组接到控制电压Uc上，当有控制信号输入时， 两相绕组便产生旋转磁场。该磁场与转子中的感 应电流相互作用产生转矩，使转子跟着旋转磁场 以一定的转差率转动起来，其旋转速度为
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3.便于维修、安装
执行元件最好不需要维修。最新发展起来的无刷 DC及AC伺服电机就是走向无维修的例子。

4.宜于微机控制
根据这个要求，用微机控制最方便的是电动式执 行元件。因此机电一体化系统所用执行元件的主流 是电动式，其次是液动和气动式(在驱动接口中需要 增加电一液或电一气变换环节)。内燃机运动的微机 控制较难，故通常仅用于交通运输机械。