步进电机伺服电机工作原理

海南风光第15讲第10章控制电机第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。§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。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。10.2.1结构步进机主要由两部分构成：定子和转子。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IAIBIC10.2.2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（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、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。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A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。C'CA'BB'A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。二、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：AABBBCCCAA共六拍。工作过程：A相通电，转子1、3齿和A相对齐。CA'BB'C'A3412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。CA'BB'C'A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。CA'BB'C'AB相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。三、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：ABBCCAAB共三拍。AB通电CA'BB'C'ACA'BB'C'ABC通电以上三种工作方式，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CA'BB'C'A10.2.3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。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，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。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）。31133226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。f：电脉冲的频率转速36060sfn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mZrS360如：Zr=40,m=3时3340360S步距角§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励磁绕组中串联电容C的目的是为了产生两相旋转磁场。接线：励磁绕组的接线UCU1I1U放大器控制绕组的接线检测元件控制信号2U2IU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。1UCU1I1U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UCU1I1U放大器控制绕组的接线检测元件控制信号2U2IU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。1I2I控制电压与电源电压两者频率相同，相位相同或反相。2UU（1）U2=0时，转子停止。这时，虽然U2=0V，U1仍存在，似乎成单相运行状态，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：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）s'T210sTT'T021反转正转（3）控制电压U2大小变化时，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)nTTn交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100W，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。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：TKKRKUnTEaE22机械特性曲线nT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：