步進電機的選擇與使用

1、控制電機的選擇與使用控制電機的選擇與使用 用于自動控制系統(tǒng)的具有特殊性能的小用于自動控制系統(tǒng)的具有特殊性能的小功率電機，主要功率電機，主要在控制系統(tǒng)中用作信號的檢在控制系統(tǒng)中用作信號的檢測（測量）、傳遞、執(zhí)行、放大或轉(zhuǎn)換等測（測量）、傳遞、執(zhí)行、放大或轉(zhuǎn)換等。 執(zhí)行元件：交、直流伺服電動機、步進電動機執(zhí)行元件：交、直流伺服電動機、步進電動機（將電信號轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度）（將電信號轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度） 測量元件：交、直流測速發(fā)動機、自整角機和測量元件：交、直流測速發(fā)動機、自整角機和旋轉(zhuǎn)變壓器（機械信號轉(zhuǎn)變成電信號）旋轉(zhuǎn)變壓器（機械信號轉(zhuǎn)變成電信號） 數(shù)控加工中心數(shù)控加工中心特殊電

2、機的應用圖片特殊電機的應用圖片激光打印機激光打印機 （1 1）無）無“自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象：即要求控制電機在有控制現(xiàn)象：即要求控制電機在有控制信號時迅速轉(zhuǎn)動信號時迅速轉(zhuǎn)動, , 而當控制信號消失時必須立即停止而當控制信號消失時必須立即停止轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動?？刂菩盘栂Ш罂刂菩盘栂Ш? , 電機仍然轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象稱為自電機仍然轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象稱為自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn), ,自動控制系統(tǒng)不允許有自動控制系統(tǒng)不允許有“自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。現(xiàn)象。 （2 2）空載始動電壓低）空載始動電壓低: : 電機空載時電機空載時, , 轉(zhuǎn)子從靜止轉(zhuǎn)子從靜止到連續(xù)轉(zhuǎn)動的最小控制電壓稱為始動電壓。到連續(xù)轉(zhuǎn)動的最小控制電壓稱為始動電壓。始動電壓始動電壓越小越小

3、, , 電機的靈敏度越高電機的靈敏度越高。 （3 3）機械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好）機械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好: : 線性的線性的機械特性和調(diào)節(jié)特性有利于提高系統(tǒng)的控制精度機械特性和調(diào)節(jié)特性有利于提高系統(tǒng)的控制精度, , 能能在寬廣的范圍內(nèi)平滑穩(wěn)定地調(diào)速在寬廣的范圍內(nèi)平滑穩(wěn)定地調(diào)速。 （4 4）快速響應性好）快速響應性好: : 即要求即要求電機的機電時間常電機的機電時間常數(shù)要小數(shù)要小, , 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩要大堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩要大, ,轉(zhuǎn)動慣量要小轉(zhuǎn)動慣量要小, , 轉(zhuǎn)速能隨控制轉(zhuǎn)速能隨控制電壓的變化而迅速變化。電壓的變化而迅速變化。特點：有控制電壓時立即旋轉(zhuǎn)，無控制電壓時立即停轉(zhuǎn)特點：有控制電壓時立即旋轉(zhuǎn)

4、，無控制電壓時立即停轉(zhuǎn) 作用：將輸入的電壓信號（即控制電壓）轉(zhuǎn)換成軸上的角位移作用：將輸入的電壓信號（即控制電壓）轉(zhuǎn)換成軸上的角位移 或角速度輸出?；蚪撬俣容敵?。分類：同步、異步分類：同步、異步7.1.2交流伺服異步電動機結(jié)構(gòu)交流伺服異步電動機結(jié)構(gòu)實質(zhì)：兩相異步電動機（與單相異步電動機相似）實質(zhì)：兩相異步電動機（與單相異步電動機相似） 組成：定子：勵磁繞組組成：定子：勵磁繞組F F、控制繞組、控制繞組C C 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 鼠籠式鼠籠式 空心杯形轉(zhuǎn)子空心杯形轉(zhuǎn)子 伺服電動機剖面 松下伺服電動機及驅(qū)動 1 1） 高電阻率導條的籠型轉(zhuǎn)子高電阻率導條的籠型轉(zhuǎn)子 高電阻率導條的籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與普通籠型異步高電

5、阻率導條的籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與普通籠型異步電動機的類似電動機的類似, , 但是為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量但是為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量, , 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子做得細而長。轉(zhuǎn)子籠條和端環(huán)既可采用高電阻率子做得細而長。轉(zhuǎn)子籠條和端環(huán)既可采用高電阻率的導電材料的導電材料( (如黃銅、青銅等如黃銅、青銅等) )制造制造, , 也可采用鑄鋁也可采用鑄鋁轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子。非磁性空心杯形轉(zhuǎn)子非磁性空心杯形轉(zhuǎn)子 非磁性空心杯形轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)如圖非磁性空心杯形轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)如圖7-77-7所示。定子分所示。定子分外定子鐵心和內(nèi)定子鐵心外定子鐵心和內(nèi)定子鐵心兩部分兩部分, ,由硅鋼片沖制后疊成。外由硅鋼片沖制后疊成。外定子鐵心槽中放置空間相距定子鐵心

6、槽中放置空間相距 9090電角度的兩相繞組。內(nèi)定電角度的兩相繞組。內(nèi)定子鐵心中不放繞組子鐵心中不放繞組, , 僅作為磁路的一部分僅作為磁路的一部分, ,以減小主磁通磁以減小主磁通磁路的磁阻。空心杯形轉(zhuǎn)子由非磁性鋁或鋁合金制成路的磁阻。空心杯形轉(zhuǎn)子由非磁性鋁或鋁合金制成, , 放在內(nèi)、放在內(nèi)、外定子鐵心之間外定子鐵心之間, , 并固定在轉(zhuǎn)軸上。并固定在轉(zhuǎn)軸上。 1機殼; 2外定子; 3杯形轉(zhuǎn)子;4內(nèi)定子; 5端蓋圖 7 - 7 非磁性空心杯形轉(zhuǎn)子 在單相異步電動機啟動結(jié)束后，單相電流產(chǎn)生的脈動磁場在單相異步電動機啟動結(jié)束后，單相電流產(chǎn)生的脈動磁場仍然使電機產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。仍然使電機產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。

7、如果交流伺服電機工作時將控制繞組斷電，此時伺服電機要如果交流伺服電機工作時將控制繞組斷電，此時伺服電機要求電機停止轉(zhuǎn)動，如果伺服電機不能停止轉(zhuǎn)動，就產(chǎn)生求電機停止轉(zhuǎn)動，如果伺服電機不能停止轉(zhuǎn)動，就產(chǎn)生“自自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)”，就失去控制的目的。，就失去控制的目的?！白赞D(zhuǎn)自轉(zhuǎn)”問問題題2、交流伺服電動機工作原理、交流伺服電動機工作原理 從單相電機的機械特性可知，當轉(zhuǎn)子電阻足夠大時，則從單相電機的機械特性可知，當轉(zhuǎn)子電阻足夠大時，則S Sm m1 1。此時，單相脈動磁場分解成兩個旋轉(zhuǎn)磁場，其中反。此時，單相脈動磁場分解成兩個旋轉(zhuǎn)磁場，其中反向磁場產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩比正向磁場產(chǎn)生的大，因此，電機總向磁場產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)

8、矩比正向磁場產(chǎn)生的大，因此，電機總的電磁轉(zhuǎn)矩就為負值（制動轉(zhuǎn)矩），電機就能快速停轉(zhuǎn)。的電磁轉(zhuǎn)矩就為負值（制動轉(zhuǎn)矩），電機就能快速停轉(zhuǎn)?！白赞D(zhuǎn)自轉(zhuǎn)”問題的克服問題的克服轉(zhuǎn)子電阻增大后的轉(zhuǎn)矩特性效果轉(zhuǎn)子電阻增大后的轉(zhuǎn)矩特性效果3、交流伺服電動機控制方式、交流伺服電動機控制方式 （3）幅相控制：同時改變控制電壓）幅相控制：同時改變控制電壓UC的大小和相位。的大小和相位。 （1 1）幅值控制）幅值控制：僅改變控制電壓：僅改變控制電壓Uc振振幅的大小，相位角保持不變。幅的大小，相位角保持不變。 =UC/UF 從從0-1變化時變化時,氣隙磁場從脈動磁氣隙磁場從脈動磁場場橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場圓形旋轉(zhuǎn)

9、磁場。圓形旋轉(zhuǎn)磁場。電機轉(zhuǎn)速越來越高。電機轉(zhuǎn)速越來越高。（2）相位控制：通過移相器改變控制電）相位控制：通過移相器改變控制電壓壓UC的相位，幅值不變。的相位，幅值不變。 UC=UF，相位差，相位差 =0時時,氣隙磁場為脈氣隙磁場為脈動磁場；動磁場； =90o時時,氣隙磁場為圓形磁場。氣隙磁場為圓形磁場。 能力要求：能力要求：1、能分析步進電機的工作原理與控制過程、能分析步進電機的工作原理與控制過程 2、能根據(jù)使用場合選擇合適的步進電機、能根據(jù)使用場合選擇合適的步進電機知識要求：知識要求：1、了解步進電機的結(jié)構(gòu)、了解步進電機的結(jié)構(gòu)2、熟悉熟悉步進電機步進電機的工作原理的工作原理任務任務3 步進電

10、機步進電機的選擇與使用的選擇與使用 給步進電動機輸入一個電脈沖信號時，它就轉(zhuǎn)過一定的角度或移動一定的給步進電動機輸入一個電脈沖信號時，它就轉(zhuǎn)過一定的角度或移動一定的距離。由于其輸出的角位移或直線位移可以不是連續(xù)的，因此稱為步進電距離。由于其輸出的角位移或直線位移可以不是連續(xù)的，因此稱為步進電動機動機( (脈沖電動機脈沖電動機) )。目前應用最多的是目前應用最多的是反應式步進電動機（磁阻式）反應式步進電動機（磁阻式）。電脈沖信號電脈沖信號角位移或直線位移角位移或直線位移優(yōu)點：優(yōu)點：角位移或線位移與脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速角位移或線位移與脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速n或線速度或線速度v與脈沖頻率成正與脈沖頻率

11、成正比。在負載能力范圍內(nèi)，這種關系不會因電壓波動、負載變化、溫度變化等原因比。在負載能力范圍內(nèi)，這種關系不會因電壓波動、負載變化、溫度變化等原因而變化，其控制性能很好。步進電動機廣泛用于數(shù)控機床、打印機等控制系統(tǒng)中。而變化，其控制性能很好。步進電動機廣泛用于數(shù)控機床、打印機等控制系統(tǒng)中。 反應式步進電機結(jié)構(gòu)：反應式步進電機結(jié)構(gòu)：定子：定子：6個磁極，分為個磁極，分為3相，每個磁極上都套有一個繞組相，每個磁極上都套有一個繞組轉(zhuǎn)子：均勻分布的轉(zhuǎn)子：均勻分布的4 4個齒，無繞組個齒，無繞組分類：單三拍、單雙六拍和雙三拍分類：單三拍、單雙六拍和雙三拍“單三拍單三拍”名詞解釋：名詞解釋：單：每次只有一相

12、控制繞組通電。單：每次只有一相控制繞組通電。三拍：一個工作周期定子繞組通電改變?nèi)模阂粋€工作周期定子繞組通電改變3 3次次A A（U U）相繞組通電時）相繞組通電時，B B、C C兩相不通電，氣隙中生成以兩相不通電，氣隙中生成以A-AA-A為軸線為軸線的磁場。由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，將使轉(zhuǎn)子齒的磁場。由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，將使轉(zhuǎn)子齒1 1、3 3和定子和定子A-AA-A對齊，即產(chǎn)生對齊，即產(chǎn)生A-AA-A軸線方向的磁通。如果軸線方向的磁通。如果A A相繞相繞組不斷電，組不斷電，1 1、3 3兩轉(zhuǎn)子齒就一直被磁極兩轉(zhuǎn)子齒就一直被磁極A-AA-A吸引住而不改變其位

13、吸引住而不改變其位置，即轉(zhuǎn)子具有自鎖能力。置，即轉(zhuǎn)子具有自鎖能力。B B相繞組通電時相繞組通電時，A A、C C兩相不通電，氣隙中生成以兩相不通電，氣隙中生成以B-BB-B為軸線的磁場。為軸線的磁場。由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，將使離磁極由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，將使離磁極B-BB-B最最近的轉(zhuǎn)子齒近的轉(zhuǎn)子齒2 2、4 4和定子和定子B-BB-B對齊，即產(chǎn)生對齊，即產(chǎn)生B-BB-B軸線方向的磁通。軸線方向的磁通。C C相繞組通電時相繞組通電時，A A、B B兩相不通電，氣隙中生成以兩相不通電，氣隙中生成以C-CC-C為軸線的磁場。為軸線的磁場。由于磁力線總是要通過磁阻

14、最小的路徑閉合，將使離磁極由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，將使離磁極C-CC-C最最近的轉(zhuǎn)齒近的轉(zhuǎn)齒1 1、3 3和定子和定子C-CC-C對齊，即產(chǎn)生對齊，即產(chǎn)生C-CC-C軸線方向的磁通。軸線方向的磁通。1、單三拍控制、單三拍控制 （a）A(U)相通電相通電 （b）B相通電相通電 （c）C相通電相通電ZR轉(zhuǎn)子齒數(shù)轉(zhuǎn)子齒數(shù)N 步進電機的相數(shù)步進電機的相數(shù) 由于單獨一相控制繞組通電時容易使轉(zhuǎn)子在平衡位置附近來回擺動由于單獨一相控制繞組通電時容易使轉(zhuǎn)子在平衡位置附近來回擺動振振蕩，會使運行不穩(wěn)定，因此實際上很少采用三相單三拍的運行方式。蕩，會使運行不穩(wěn)定，因此實際上很少采用三相單三拍的運行

15、方式。3034360360NZRs步距角（a）A相通電相通電 （b）B相通電相通電 （c）C相通電相通電每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度？每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度？電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向？電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向？ 每個通電狀態(tài)都有兩相控制繞組同時通電，通電狀態(tài)切換時總有一相每個通電狀態(tài)都有兩相控制繞組同時通電，通電狀態(tài)切換時總有一相繞組不斷電，不會產(chǎn)生振蕩。圖通電順序為繞組不斷電，不會產(chǎn)生振蕩。圖通電順序為ABBCCAAB。A、B兩兩相通電時，兩磁場的合成磁場軸線與未通電的相通電時，兩磁場的合成磁場軸線與未通電的C-C相繞組軸線重合，轉(zhuǎn)子相繞組軸線重合，轉(zhuǎn)子在磁阻轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)動。在磁阻轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)動。 同理，同理，C、A

16、兩相通電時，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過兩相通電時，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過30?？梢?，雙三拍運行方式和?？梢?，雙三拍運行方式和單三拍運行方式的原理相同，步距角也相同。單三拍運行方式的原理相同，步距角也相同。2、雙三拍控制、雙三拍控制3034360Z360RSN轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度Z ZR R轉(zhuǎn)子齒數(shù)轉(zhuǎn)子齒數(shù)N N 步進電機的拍數(shù)？步進電機的拍數(shù)？N=MC N=MC 3、單、單-雙六拍工作方式雙六拍工作方式A相首先通電相首先通電，轉(zhuǎn)子齒，轉(zhuǎn)子齒1、3穩(wěn)定于穩(wěn)定于AA磁極軸線，圖磁極軸線，圖(a)；在在A相繼續(xù)通電的情況下，接通相繼續(xù)通電的情況下，接通B相。相。 這時定子這時定子BB磁極對轉(zhuǎn)子齒磁極對轉(zhuǎn)子齒2、4產(chǎn)生拉

17、產(chǎn)生拉力，使轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動，但此時力，使轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動，但此時AA極繼續(xù)拉住齒極繼續(xù)拉住齒1、3, 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩個磁拉力轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩個磁拉力平衡為止，轉(zhuǎn)子位置如圖平衡為止，轉(zhuǎn)子位置如圖(b)；轉(zhuǎn)子從；轉(zhuǎn)子從A位置順時針轉(zhuǎn)過位置順時針轉(zhuǎn)過15。 A相斷電，相斷電，B相繼續(xù)通電相繼續(xù)通電，這時轉(zhuǎn)子齒，這時轉(zhuǎn)子齒2、4又和又和BB磁極對齊而平衡，轉(zhuǎn)子又磁極對齊而平衡，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)過15角，如圖角，如圖(c)所示。所示。在在B相通電情況下，相通電情況下，C相又通電相又通電，則，則BB和和CC共同作用使轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過共同作用使轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過15，如，如圖圖(d)。依此規(guī)律，按。依此規(guī)律，按AABBBCCCAA的順序

18、通電，轉(zhuǎn)子便順時的順序通電，轉(zhuǎn)子便順時針一步步轉(zhuǎn)動。電流換接六次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，步距角針一步步轉(zhuǎn)動。電流換接六次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，步距角S=15。如按。如按AACCCBBBAA的順序通電，則電機逆時針方向轉(zhuǎn)動。的順序通電，則電機逆時針方向轉(zhuǎn)動。MCZRs360步距角Z ZR R- -轉(zhuǎn)子齒數(shù)轉(zhuǎn)子齒數(shù)N N - -步進電機的拍數(shù)步進電機的拍數(shù)C C - -? 步進電動機的模型圖，步進電動機的模型圖，其步距角太大。實際應其步距角太大。實際應用中，為了保證加工精用中，為了保證加工精度，一般步進電動機的度，一般步進電動機的定、轉(zhuǎn)子齒數(shù)較多（如定、轉(zhuǎn)子齒數(shù)較多（如40個）。最小步距角可個）。最小步距角可小

19、至小至0.5。NRsZ360NZffNZfnRRs602602602步進電動機的轉(zhuǎn)速步進電動機的轉(zhuǎn)速nNRSZ2f脈沖頻率脈沖頻率 在右圖中，三相反應式步進電動機定子上有六個極，上面裝有控制繞組聯(lián)成U、V、W三相。轉(zhuǎn)子圓周上均勻分布若干個小齒，定子每個磁極靴上也有若干個小齒。以轉(zhuǎn)子齒數(shù)zr=40，相數(shù)m=3，一相繞組通電時，在氣隙圓周上形成的磁極數(shù)2p=2，三相單三拍運行為例：每一齒距的空間角每一極距的空間角每一極距所占的齒數(shù)小步距角的三相反應式步進電動機當U-U極下的定、轉(zhuǎn)子齒對齊時，V-V極的定子齒和轉(zhuǎn)子齒必然錯開1/3齒距，即為3，如圖所示的展開圖。由于每一極距所占的齒數(shù)不是整數(shù)，由上圖可以看出由上圖可以看出，若斷開U相控制繞組而接通V相控制繞組，這時步進電動機中產(chǎn)生沿V-V極軸線方向的磁場，因磁通力圖走磁阻最小路徑閉合，就使轉(zhuǎn)子受到同步轉(zhuǎn)矩的作用而轉(zhuǎn)動，