聊城大学机械与汽车工程学院机电传动第5章

第5章控制电动机5.1步进电动机5.2直流伺服电动机5.3交流伺服电动机5.4力矩电动机5.5直线电动机5.1步进电动机步进电动机是将电脉冲控制信号转换成相应角位移或直线位移的机电执行元件。每输入一个电脉冲，转子就转动一个固定的角度。脉冲一个接一个地输入，转子就一步一步地转动，故称为步进电机。角位移量与输入电脉冲的个数成正比，旋转速度与输入电脉冲的频率成正比。只要控制输入电脉冲的个数、频率和定子绕组的通电方式，就可控制步进电机的角位移量、旋转速度和旋转方向。特点：快速启停、精度高、能够直接接受数字信号、不需要位移传感器就可达到较精确的定位。5.1.1步进电动机的结构与工作原理1.步进电动机的结构2.步进电动机的工作原理1)基本工作原理——就是电磁铁工作原理。CA'BB'C'A3412A相绕组通电，B、C相不通电。由于在磁场作用下，转子总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种情况下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与A、A′极对齐。CA'BB'C'A同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4齿和B、B´磁极轴线对齐；当C相通电时，转子再转过30角，1、3齿和C´、C磁极轴线对齐。C'CA'BB'A按ABCA……的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)转过90°(一个齿距角)。若改变通电顺序，即A－C－B－A，则电机反向转动。上述通电方式称为三相单三拍，这里“拍”指定子控制绕组每改变一次通电方式，为一拍；“单”指每次只有一相控制绕组通电；“三拍”指经过三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。5.1.2通电方式a)取决于控制绕组通电频率，也取决于绕组通电方式。b)通电方式——单三拍、六拍及双三拍等。“单”——每次只有一相绕组通电；“双”——每次有两相绕组通电；“拍”——通电次数（即从一种通电状态转到另一种通电状态）。三相双三拍通电方式按ABBCCA的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。AB通电CA'BB'C'ABC通电CA'BB'C'ACA通电CA'BB'C'A与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍。每拍转子转过30(步距角)，一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)。三相六拍通电方式按AABBBCCCA的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'AA相通电，转子1、3齿与A、A'对齐。A、B相同时通电，A、A'磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子转过15，到达左图所示位置。CA'BB'C'AB相通电，转子2、4齿与B、B´对齐,又转过15。CA'BB'C'AB、C相同时通电，C'、C磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子再转过15。一个通电循环周期如下：AABBBCCCA，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角），一个通电循环周期(6拍)转子转过90(齿距角)。与三相单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。1．反应式步进电动机（可变磁阻式）KmZffKmzfn602260260电动机在脉冲频率一定时，相数和转子的齿数越多，则步距角β就越小，转速也越低。Kmz齿距拍数齿距步进电机的步距角β的大小是由转子的齿数、控制绕组的相数和通电方式所决定K—通电系数，当相数等于拍数时，K＝l，否则，K=2；M—定子相数；Z—转子齿数。若步进电机通电的脉冲频率为f，则步进电机的转速为5.1.4步进电动机的主要特性（1)矩角特性矩角特性是控制绕组通电状态不变时，电磁转矩T与转子偏转角θ变化的关系。步进电动机的矩角特性最大静转矩是指在规定的通电相数下矩角特性上的转矩最大值。通常在技术数据中所规定的最大静转矩是指一相绕组通上额定电流时的最大转矩值。（2）启动惯频特性在负载转矩TL=0的条件下，步进电动机由静止状态突然启动，不失步地进入正常运行状态所允许的最高启动频率，称为启动频率或突跳频率。与机械系统的转动惯量有关。（3）运行频率特性步进电动机启动后，控制脉冲频率连续上升而不失步的最高脉冲重复频率称为连续运行频率。4.矩频特性步进电动机在负载转动惯量一定且稳态运行时的最大输出转矩与脉冲重复频率的关系，称为矩频特性。矩频特性表明，在一定控制脉冲频率范围内，随频率升高，电机的功率和转速都相应地提高，超出该范围则随频率升高转矩下降，步进电动机带负载的能力也逐渐下降，到某一频率以后，就带不动任何负载，而且只要受到一个很小的扰动，就会振荡、失步以至停转。两种表示方法：步距误差最大值、步距累计误差最大值。大多数用积累误差来衡量。5.精度5.2直流伺服电动机基本结构和工作原理与普通直流他励电动机相同，不同点只是他做得比较细长一些，以满足快速响应的要求。直流伺服电动机的实物图机械特性当控制电压Ua＝0时，电动机立即停止，因此，无自转现象。5.1.3交流伺服电动机特点：结构简单、成本低廉、无电刷磨损、维修方便。分类：无刷直流电动机、正弦波永磁同步电动机交流伺服电机实物图5.4力矩电动机分类：直流（永磁式）；交流（异步／同步）。特点——转速低、转矩大，能够长期处在堵转状态或低速下运行，反应速度快、转矩和转速波动小，机械特性和调节特性线性度好。5.4.1直流力矩电动机的结构特点相同体积和电枢电压时，结构尺寸上直径大，导体有效长度短（电枢铁心厚度薄）。具有良好的低速平稳性和线性的机械特性及调节特性；精度高、反应速度快、线性度好。常用为执行元件。例如—数控机床、雷达天线、人造卫星天线的驱动，X-Y记录仪等。与测速发电机等组成高精度的宽调速伺服系统，调速范围可达0.00017[4天一转]～25rpm。直流力矩电动机的特点和应用力矩电动机的实物图5.5直线电动机分类：异步；直流；同步。原则上每种旋转电机都有其相对应的直线电机。特点：简化了传动机构。提高了精度；减少了振动和噪音；提高了系统稳定性；转动惯量小使响应快。散热良好，额定值高，电流密度可取很大，对启动的限制小。装配灵活性大。定子和动子可分别与其他机体合成一体。功率因数和效率低；电源功率大；低速性能差。直线异步电动机的结构定子——初级、动子——次级原理：行波磁场(旋转磁场)→切割次级条导条→感应电动势和电流→电磁力→次级运动速度特点：改变相序可以改变方向；启动、调速与制动与旋转电机相似。应用：吊车传动、传动带、导轨、数控绘图机。直线异步电动机的实物图作业：5.4、5.5、5.6