电机说明文档(1)

目录电机说明文档 (2)1.直流伺服电机 (2)1.1直流伺服电机的结构与原理 (2)1.2实验室的直流伺服电机 (2)1.3直流伺服驱动器 (3)2.交流伺服电机 (5)2.1交流伺服电机原理 (6)2.2实验室交流伺服电机的使用 (6)2.3交流伺服驱动器的使用 (6)3.步进电机 (9)3.1工作原理 (9)3.2实验室步进电机 (9)3.3 步进电机驱动器 (10)4.直流无刷电机 (11)4.1直流无刷电机原理 (11)4.2 实验室直流无刷电机 (11)4.3 直流无刷驱动器 (12)电机说明文档《现代机电控制》实验在电机部分，选取了目前最为常用的电机：直流伺服电机，交流伺服电机，步进电机和直流无刷电机。

下面就每种电机原理、结构、物理连接、工作方式进行说明，旨在知道学生快速掌握电机的基本知识。

1.直流伺服电机1.1直流伺服电机的结构与原理直流伺服电机特指直流有刷电机，由磁极（定子），电枢（转子），电刷和换向器等三大部分组成，如图1.1所示：图1.1 直流伺服电机结构原理基本原理是线圈通电在磁场中产生安培力，带动线圈切割磁力线，当加在线圈的电压，反电动势和电阻分压达到平衡时，线圈转速保持不变。

对于他励直流伺服电机，通电时，有以下方程：电磁转矩：感应电动势与转速：电枢回路电压方程：（式1.1）：电磁转矩：常数，与电机结构有关：线圈中电流：感应电动势：常数，与电机结构有关：转速：磁通量通过式1.1，建立直流电机转速关系为：(式1.2) 1.2实验室的直流伺服电机实验室使用到的直流伺服电机为maxon DC 直流伺服电机，如图1.2所示。

图1.2 Maxon DC motor该电机有两根电源线（红接24V,黑接地），编码器为常用的10pin编码器，如图1.3所示。

图1.3 编码器引脚说明（从左到右，编号为1~10）1：NC 2:Vcc 3:GND 4:NC 5:channel6:channel A 7:channel 8:channel B 9:channel I 10:channel I在使用时，我们只需要将2,3,6,8接到驱动器的V,GND,A,B端口即可使用1.3直流伺服驱动器实验室使用的直流伺服驱动器为铭朗直流伺服驱动器MLDS3610B系列，如图1.4所示。

1.3.1接线说明MOT+,MOT-分别连接电机的正负极，将电机编码器的A,B,Vcc,GND分别接到驱动器的A+,B+,=5V,GND上。

在控制上，若采用CAN总线控制，将控制器的CAN_H,CAN_L连到驱动器对应的CAN总线上；若采用RS232通信，将控制器的TX,RX接到驱动器对应的串口上即可。

1.3.2驱动器通信协议在与驱动器通信时，设置波特率为9600bps，CAN通信频率500bps。

常用的控制模式有位置控制模式和速度控制模式。

如果控制器为电脑或单片机，建议采用数字控制指令，通过RS232或CAN下发数字指令。

若控制器为PLC，建议通过差分模拟信号控制速度，CLK脉冲信号控制位置，下面分别介绍速度模式和位置模式控制指令。

1）位置控制模式数字指令控制：(1)位置控制模式首先要设置位置零点，一般以当前位置作为位置零点。

发送”PO0”设置当前位置为位置零点。

(2)设置最大运行速度，通过下发指令”SSP+速度参数”设置最大运行速度。

(3)设置最大加速度，通过下发指令”A+加速度参数”设置最大加速度。

(4)以绝对位置参量设置目标位置，通过下发指令”M+参数”设置绝对位置。

如：M2000，从当前位置运动到绝对位置2000；M-2000，运动到绝对位置-2000。

(5)以相对位置参量设置目标位置, 通过下发指令”MR ＋参数”，从当前位置相对运动。

如： MR2000，从当前位置正向运动 2000 个单位； MR-2000，从当前位置负向运动 2000个单位。

CLK脉冲模式控制速度：脉冲输入频率范围： 0-200KHz(1)相关指令：∙ 设置最大速度： SSP ＋参数∙ 设置最大跟踪误差： SER ＋参数∙ 设置最大加速度： A ＋参数∙ 设置步宽： STW ＋参数∙ 读取步宽值： GSTW(2)工作原理脉冲输入端每接收一个脉冲，电机运转一个步宽；位置与及转速的计算公式如下：位置（圈数）＝脉冲个数 X 步宽（STW）÷ 编码器分辨率（4 倍线数）转速（ RPM）＝脉冲频率 x 步宽（STW）x 60 ÷ 编码器分辨率（4 倍线数）(3)通过 DIR 信号控制方向（注：如果采用串口通信，驱动器串口采用232电平，而单片机串口采用TTL 电平，所以在单片机串口和驱动器串口之间要连接一个TTL-RS232电平转换芯片）2）速度模式指令数字指令控制：通过下发指令”V+速度”控制电机以指定速度旋转。

差分模拟信号速度控制指令：(1)AIN+， AIN-输入电压范围： -10V~+10V；输入电压 VIN = (AIN+) –(AIN-)；(2)相关指令： SSP（最大速度）， SMAV（死区电压）， SL， SR∙ 最大速度： SSP ＋参数例如， SSP5000。

电机允许速度范围： -5000~5000 RPM。

∙ 死区电压： SMAV ＋参数例如： SMAV200。

当输入信号电压范围在–200mV 到 200mV 时，电机速度为零；模拟电压控制速度的特性曲线如图1.4所示。

图1.4 差分模拟信号速度控制特性注：如果死区电压值设置过低，在该端口悬空时，驱动器可能会控制电机以一个很低的速度旋转。

电机转速和输入电压的关系：V = SSP ×VIN÷10V。

转向：SL、SR通过两条指令可以设置电机运转方向。

当设置SR 时，输入正电压时，电机正转；设置SL 时，输入正电压时，电机反转；此指令仅在模拟信号输入控制时有效，其余模式无效特别提示：此功能可以方便用户在只提供0～＋10V 的电压下，实现电机的双向运转。

（3）PWM波控制利用PWM波控制直流有刷电机的速度，单片机和驱动器需要连接以下信号线：OPT+：连接单片机3.3V电源OPT-:连接单片机GNDPWM：连接单片机的PWM输出口。

首先设置PWM波的频率在100-500Hz。

通过设置PWM比较寄存器的值，改变占空比。

当占空比为50%时，电机停止；占空比<50%时，输出反向电流；占空比>50%时，输出正向电流。

以STM32F1的TIM3为例（TIM3的APB总线时钟频率32MHz）,初始化时设置TIM3_CH2_PWM_Init(999,144-1); //频率为36MHz/(1000*144）=250Hz。

此时预装载值为1000，那么设置比较寄存器为500时，占空比50%。

TIM_SetCompare2(TIM3,500);（注：编程详细情况查看PWM的相关设置）2.交流伺服电机2.1交流伺服电机原理交流伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的A/B/C 三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。

伺服电机的精度决定于编码器的精度。

其内部线路图如图2.1所示：图2.1 交流电机内部电路图通过对AX,BY,CZ三相轮流通电，会形成正交旋转磁场，带动转子跟随转动，具体原理参考《机电传动与控制》。

交流伺服电动机运行平稳、噪音小。

但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重。

2.2实验室交流伺服电机的使用实验室购买的交流伺服电机为森创交流伺服电机60CB系列，如图2.2所示：图2.2 森创交流伺服电机该电机的主要技术参数如表2.1所示。

表2.1 森创交流伺服电机参数表在实验时，配合森创的交流伺服驱动器，将电源的U,V,W,GND连接到驱动器的对应接口，将信号线插头插入驱动器相应接头即可使用。

2.3交流伺服驱动器的使用2..3.1交流伺服驱动器连线说明实验时使用的交流伺服驱动器为森创全数字交流伺服驱动器TS系列，其实物图和接口说明见图2.3。

图2.3 森创全数字交流伺服驱动器TS系列主要用到的接口说明如下：1）主回路配线如表2.2所示。

表2.2 主配线回路2）通讯端子CN1的分布编号如图2.4。

各个引脚说明如表2.3。

图2.4 通讯端子编号表2.3 通讯端子说明3）CN2接口说明CN2接口各接口含义如图2.5所示。

图2.5 CN3接口说明4）CN3接口说明编码器CN3接口说明如图2.6所示。

图2.6 编码器引脚说明使用时，驱动器与电机的连接如图2.7所示。

图2.7 编码器与电机的额连线示意图2..3.2交流伺服驱动器控制方式说明主要用到速度控制以及位置控制，控制模式通过按钮MODE进行选择。

按下MODE，将控制项调至Fn_00,设置其为0，即为外部速度运行模式，设置其为2，即为外部位置脉冲运行模式。

下面分别介绍两种常见控制模式。

1）外部速度控制模式通过配置参数Fn_0C，可以调节速度增益，然后根据CN2-16,1的外部模拟量给定-10V~10V信号，即可确定电机运转速度的大小和方向。

2）外部位置脉冲运行模式通过设置Fn_2E选择不同的脉冲指令模式，具体的模式如表2.4所示。

表2.4 脉冲指令模式选择好指令模式之后，只需要将控制器脉冲输出端口接到CN_2的相应端口，就能利用脉冲控制电机位置。

具体的每个脉冲电机旋转多少角度，根据另一指令“1指令单位”进行设定即可。

以上两种模式为实验用到的主要控制模式，关于其他控制模式，参见《交流伺服驱动器TS系列》的驱动器文档，在此不再赘述。

3.步进电机3.1工作原理步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。

步进电动机的输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动。

正常运动情况下，它每转一周具有固定的步数；做连续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系。

目前常用的有三种步进电动机：反应式步进电动机(VR)，永磁式步进电动机(PM)，混合式步进电动机(HB)。

反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小，但动态性能差；永磁式步进电动机出力大，动态性能好，但步距角大；混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点。

步进电机工作原理图如3.1所示：图3.1 步进电机工作原理图工作时，电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角是60º，转子上均布40个小齿，每个齿的齿距为θE=360º/40=9º。

3.2实验室步进电机实验室采用的步进电机为森创两相四线步进电机，实物图如图3.2所示。

该电机有四根引出线，分别对应为：红色：A+ 蓝色：A- 绿色：B+ 黑色：B-连接时，与驱动器的A+,A-,B+,B-对应即可。