沈職院電氣控制技術(shù)第四章課件

1、第 4 章 步進電動機及其驅(qū)動控制步進電動機及其驅(qū)動控制 直流伺服電動機及其驅(qū)動控制直流伺服電動機及其驅(qū)動控制 交流伺服電動機及其驅(qū)動控制交流伺服電動機及其驅(qū)動控制 ( (是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械位移的機電是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械位移的機電執(zhí)行元件。執(zhí)行元件。一一 步進電動機步進電動機一一 步進電動機步進電動機反應式反應式-是依靠改變電動機的定子和轉(zhuǎn)子的是依靠改變電動機的定子和轉(zhuǎn)子的軟鋼齒之間的電磁力來改變定子和轉(zhuǎn)子的相軟鋼齒之間的電磁力來改變定子和轉(zhuǎn)子的相對位置。對位置。結(jié)構(gòu)簡單、步距角小結(jié)構(gòu)簡單、步距角小永磁式永磁式-轉(zhuǎn)子鐵芯上裝有多條永久磁鐵，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子鐵芯上裝有多條永久磁鐵，轉(zhuǎn)子的

2、轉(zhuǎn)動與定位是由定、轉(zhuǎn)子之間的電磁引子的轉(zhuǎn)動與定位是由定、轉(zhuǎn)子之間的電磁引力與磁鐵磁力共同作用的。力與磁鐵磁力共同作用的。轉(zhuǎn)矩大，步距角也轉(zhuǎn)矩大，步距角也大大混合式混合式-結(jié)合了前兩者的優(yōu)點，采用永久磁結(jié)合了前兩者的優(yōu)點，采用永久磁鐵提高電動機的轉(zhuǎn)矩，采用細密的極齒來減鐵提高電動機的轉(zhuǎn)矩，采用細密的極齒來減小步距角。小步距角。如下：如下：A 定子內(nèi)圓周均勻定子內(nèi)圓周均勻分布著六個磁極，磁分布著六個磁極，磁極上有勵磁繞組，每極上有勵磁繞組，每兩個相對的繞組組成兩個相對的繞組組成一對。轉(zhuǎn)子有四個齒。一對。轉(zhuǎn)子有四個齒。當定子繞組按順序輪當定子繞組按順序輪流通電時，流通電時，A、B、C三對磁極就依次產(chǎn)

3、生三對磁極就依次產(chǎn)生磁場，對轉(zhuǎn)子上的齒磁場，對轉(zhuǎn)子上的齒產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，并吸產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，并吸引它，使它一步一步引它，使它一步一步地轉(zhuǎn)動。地轉(zhuǎn)動。二二 步進電動機的結(jié)構(gòu)與工作原理步進電動機的結(jié)構(gòu)與工作原理BCIAIBIC定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 A A相繞組通電，相繞組通電，B B、C C 相相不通電。由于在磁場作下，不通電。由于在磁場作下，轉(zhuǎn)子總是力圖旋轉(zhuǎn)到磁阻最轉(zhuǎn)子總是力圖旋轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置，故在這種情況下，小的位置，故在這種情況下，轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置：轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置：1 1、3 3齒與齒與A A、A A極對齊。極對齊。二二 步進電動機步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)與工作原理CABB

4、CA3412同理，同理，B相通電時，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過相通電時，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過30 角，角，2、4齒和齒和B、B 磁極軸線對齊；當磁極軸線對齊；當C相通電時，轉(zhuǎn)子相通電時，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過再轉(zhuǎn)過30 角，角，1、3齒和齒和C C 、C 磁極軸線對齊。磁極軸線對齊。二二 步進電動機步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)與工作原理CABBCA34121C342CABBA 三相反應式步進電動機的工作原理三相反應式步進電動機的工作原理這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個切換狀態(tài)，一個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個切換狀態(tài)，所以稱為三相單三拍工作方式。所以稱

5、為三相單三拍工作方式。二二 步進電動機步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)與工作原理“拍拍”是指從一種通電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N通是指從一種通電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N通電狀態(tài)電狀態(tài); ;“單單”是指每次只有一相繞組通是指每次只有一相繞組通電電; ;“三拍三拍”是指一個循環(huán)中，通電狀態(tài)切換是指一個循環(huán)中，通電狀態(tài)切換的次數(shù)是三次。的次數(shù)是三次。 按按AB C A 的順序給三相的順序給三相繞組輪流通電，轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動起來。繞組輪流通電，轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動起來。每一拍轉(zhuǎn)過每一拍轉(zhuǎn)過30(步距角步距角)，每個通電循環(huán)周，每個通電循環(huán)周期期(3拍拍)轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)過90(一個齒距角一個齒距角)。 對于一臺步進電動機，運行對于一

6、臺步進電動機，運行k k拍可使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距拍可使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距位置。通常，將步進電動機每一拍執(zhí)行一次步進，其轉(zhuǎn)子位置。通常，將步進電動機每一拍執(zhí)行一次步進，其轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度稱為所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角步距角。如果轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為。如果轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為z z，則步距角，則步距角為為 = 360= 360/zk式中式中k k步進電動機的工作拍數(shù)步進電動機的工作拍數(shù); z z步進電動機的齒數(shù)。步進電動機的齒數(shù)。 對于上圖所示的步進電動機，由于它采用了三拍方式對于上圖所示的步進電動機，由于它采用了三拍方式工作，故其步距角工作，故其步距角=360=360/34=3014 2314 2314 2314 23

7、U1U2V1V2W2W1 m 相單相單 m 拍運行（三相單三拍運行）拍運行（三相單三拍運行） 通電順序：通電順序： U 相相V 相相W 相相U 相。相。 U 相通電相通電 14 23U1U2V1V2W2W114 23 V 相通電相通電 U1U2V1V2W2W1 W 相通電相通電 14 2314 23一步一步兩步兩步三步三步 步距角：步距角： = 30 按按AAB B BC C CA的順的順序給三相繞組輪流通電。序給三相繞組輪流通電。這種方式可以這種方式可以獲得更精確的控制特性。獲得更精確的控制特性。且根據(jù)步距角公式可知：且根據(jù)步距角公式可知：三相六拍運行的步進電動機，其步距角三相六拍運行的步進

8、電動機，其步距角為為=360=360/6/64 =154 =15 A相通電，相通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子1 1、3 3齒與齒與A、A 對齊。對齊。 A、B相同時通電，相同時通電，A、A 磁極拉住磁極拉住1、3齒，齒，B、B 磁極拉住磁極拉住2、4齒，齒，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過過15 ，到達左圖到達左圖所示位置。所示位置。CABBCA3412CABBCA3412 B B 相通電，相通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子2、4齒與齒與B、B 對齊對齊, ,又轉(zhuǎn)又轉(zhuǎn)過過15 。 B、C相同時通電，相同時通電，C 、C 磁極拉住磁極拉住1、3齒，齒，B、B 磁極拉住磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)齒，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過過15 。CABBCA34123412C

9、ABBCA 三相六拍反應式步進電動機的一個通電循三相六拍反應式步進電動機的一個通電循環(huán)周期如下：環(huán)周期如下：AAB B BC C CA，每每個循環(huán)周期分為六拍。個循環(huán)周期分為六拍。 每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15 （步距角），（步距角），一一個通電循個通電循環(huán)周期環(huán)周期( (6拍拍) )轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90 ( (齒距角齒距角) )。 與單三拍相比，六拍驅(qū)動方式的步與單三拍相比，六拍驅(qū)動方式的步距距角更角更小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。 m 相相 2m 拍運行拍運行 (三相六拍運行）三相六拍運行）通電順序：通電順序：UUV VVW W WU U。14

10、 23U1U2V1V2W2W1114 23U1U2V1V2W2W1214 23U1U2V1V2W2W1314 23U1U2V1V2W2W1414 23U1U2V1V2W2W1514 23U1U2V1V2W2W1614 23步距角：步距角： = 15 按按ABAB BCBC CACA的順序給三相繞組輪流通的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時通電電。每拍有兩相繞組同時通電。 與單三拍方式相似，雙三拍驅(qū)動時每個通電與單三拍方式相似，雙三拍驅(qū)動時每個通電循循環(huán)周期也分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過環(huán)周期也分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30 ( (步距角步距角) )，一一個通電循環(huán)周期個通電循環(huán)周期( (3拍拍)

11、 )轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90 ( (齒距角齒距角) )。BC通電通電3412CABBCACA通電通電CABBCA3412AB通電通電CABBCA3412 m 相雙相雙 m 拍運行（三相雙三拍運行）拍運行（三相雙三拍運行） 通電順序：通電順序： UV 相相VW 相相WU 相。相。 14 23U1U2V1V2W2W1 UV 相通電相通電 14 2314 23U1U2V1V2W2W1 VW 相通電相通電 14 2314 23U1U2V1V2W2W1 WU 相通電相通電 14 23 步距角：步距角： = 3014 2314 23 實用步進電機的步距角多為實用步進電機的步距角多為3 和和1.5 。為了。為了

12、獲得小步距角，電機的定子、轉(zhuǎn)子都做成多齒的，獲得小步距角，電機的定子、轉(zhuǎn)子都做成多齒的，如圖所示。圖中轉(zhuǎn)子表面有如圖所示。圖中轉(zhuǎn)子表面有4040個齒，個齒，齒距角為齒距角為9 9。步進電動機工作在三拍狀步進電動機工作在三拍狀態(tài)，它的步距角為態(tài)，它的步距角為 =360=360/ 3/ 340 =340 =3 如工作在六拍狀態(tài)，則步如工作在六拍狀態(tài)，則步距角為距角為 = 360= 360/6/640 =1.540 =1.5應用：應用：若步進電動機通電的脈沖頻率為若步進電動機通電的脈沖頻率為 f f，則步進，則步進電動機的電動機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速為為 n =60 f /zkn =60 f /zk若有一臺三相

13、反應式步進電機（如下圖所示），其步距角為3/1.5。試問： 電機轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為多少？ 寫出三相六拍運行方式的通電順序。 測得運行頻率為1200Hz時，通電方式三拍、六拍 時其轉(zhuǎn)速分別為多少？一臺三相六拍運行的步進電機，轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z48，測得脈沖頻率為600Hz，求： 通電順序； 步距角和轉(zhuǎn)速。 三三 步進電動機的特點步進電動機的特點 ( (功率功率放大器放大器步進步進電動機電動機環(huán)形環(huán)形分配器分配器脈沖輸入脈沖輸入負載負載驅(qū)動電源驅(qū)動電源四四 步進電動機的驅(qū)動控制步進電動機的驅(qū)動控制 環(huán)形分配器是將數(shù)控系統(tǒng)送來的一串指令環(huán)形分配器是將數(shù)控系統(tǒng)送來的一串指令脈沖按一定規(guī)律加到功率放大器上，按步進電脈

14、沖按一定規(guī)律加到功率放大器上，按步進電動機所要求的通電順序分配給步進電動機的驅(qū)動機所要求的通電順序分配給步進電動機的驅(qū)動電源的各相繞組輸入端，實現(xiàn)步進電動機的動電源的各相繞組輸入端，實現(xiàn)步進電動機的運行及換向。運行及換向。 當步進電動機在一個方向上連續(xù)運行時，當步進電動機在一個方向上連續(xù)運行時，其各相通、斷的脈沖分配是一個循環(huán)，所以稱其各相通、斷的脈沖分配是一個循環(huán)，所以稱為環(huán)形分配器。為環(huán)形分配器。 特點：輸出周期性，可逆的。特點：輸出周期性，可逆的。1 1 環(huán)形分配器環(huán)形分配器 分類：分類： 環(huán)形分配器可由硬件或軟件方法來實現(xiàn)環(huán)形分配器可由硬件或軟件方法來實現(xiàn)。 a a 硬件環(huán)形分配器：由

15、計數(shù)器等數(shù)字電路組硬件環(huán)形分配器：由計數(shù)器等數(shù)字電路組成的。有較好的響應速度，且具有直觀、維護方成的。有較好的響應速度，且具有直觀、維護方便等優(yōu)點。便等優(yōu)點。 b b 軟件環(huán)形分配器：由計算機接口電路和相應的軟軟件環(huán)形分配器：由計算機接口電路和相應的軟件組成的。受到微型計算機運算速度的限制，有時難件組成的。受到微型計算機運算速度的限制，有時難以滿足高速實時控制的要求。以滿足高速實時控制的要求。 當方向電平為低時，環(huán)分當方向電平為低時，環(huán)分器的輸出按器的輸出按A-B-CA-B-C的順序循環(huán)的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。產(chǎn)生脈沖。fABC 當方向電平為高時，環(huán)當方向電平為高時，環(huán)分器的輸出按分器的輸出按A-

16、C-BA-C-B的順序循的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。環(huán)產(chǎn)生脈沖。 ABCf a a 硬件環(huán)形分配器硬件環(huán)形分配器（門電路及邏輯電路組成）（門電路及邏輯電路組成）控制脈沖信號控制脈沖信號上升或下降上升或下降輸出改變一次繞組通電狀態(tài)；輸出改變一次繞組通電狀態(tài)；控制方向信號控制方向信號順時針、逆時針；順時針、逆時針；控制運行方式控制運行方式整部或半步（三拍或六拍）整部或半步（三拍或六拍）2 2 功率放大器功率放大器 前置放大器：前置放大器：放大環(huán)形脈沖分配器送來的進給控制放大環(huán)形脈沖分配器送來的進給控制信號并推動大功率驅(qū)動部分信號并推動大功率驅(qū)動部分 大功率放大器：大功率放大器：進一步將前置放大器送來的電平

17、信進一步將前置放大器送來的電平信號放大，得到步進電動機各相繞組所需要的電流。號放大，得到步進電動機各相繞組所需要的電流。 步進電動機的功率放大器又稱功率驅(qū)動器，其作步進電動機的功率放大器又稱功率驅(qū)動器，其作用是將來自環(huán)形分配器的脈沖信號進行功率放大。用是將來自環(huán)形分配器的脈沖信號進行功率放大。組成：組成：分類：單電壓驅(qū)動、高低壓切換驅(qū)動、恒流斬波驅(qū)分類：單電壓驅(qū)動、高低壓切換驅(qū)動、恒流斬波驅(qū) 動、調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動等動、調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動等 1. 1.單電壓驅(qū)動電路單電壓驅(qū)動電路 L是電動機繞組是電動機繞組VT開關(guān)晶體管開關(guān)晶體管 電阻電阻R兩端并聯(lián)電容兩端并聯(lián)電容C，使電流上升更快，使電流上升更快，所以

18、，電容所以，電容C又稱為加速電容。又稱為加速電容。 二極管二極管V在晶體管在晶體管VT截止時起續(xù)流和保護截止時起續(xù)流和保護作用，串聯(lián)電阻使電流下降更快，從而使繞作用，串聯(lián)電阻使電流下降更快，從而使繞組電流波形后沿變陡。組電流波形后沿變陡。 R C RD V L +U VT 2. 2.高低壓驅(qū)動電路高低壓驅(qū)動電路 高低壓驅(qū)動線路的優(yōu)點是：功耗小，啟動力矩大，突跳頻率和高低壓驅(qū)動線路的優(yōu)點是：功耗小，啟動力矩大，突跳頻率和工作頻率高。缺點是：大功率管的數(shù)量要多用一倍，增加了驅(qū)動電工作頻率高。缺點是：大功率管的數(shù)量要多用一倍，增加了驅(qū)動電源。源。 隨時檢測繞組的電流值，當繞組電流值降到下限設定值時，

19、隨時檢測繞組的電流值，當繞組電流值降到下限設定值時，使功率管導通，使繞組電流上升，上升到上限設定值時，便關(guān)使功率管導通，使繞組電流上升，上升到上限設定值時，便關(guān)斷功率管。斷功率管。這種驅(qū)動方式，繞組的脈沖電流前、后沿陡，快速這種驅(qū)動方式，繞組的脈沖電流前、后沿陡，快速響應好，功耗小，繞組電流大小與外加電壓響應好，功耗小，繞組電流大小與外加電壓U大小無關(guān)，是一大小無關(guān)，是一種恒流驅(qū)動方案，所以對電源要求比較低。種恒流驅(qū)動方案，所以對電源要求比較低。 3. 3.恒流斬波驅(qū)動電路恒流斬波驅(qū)動電路 在伺服系統(tǒng)中常用大功率直流伺服電動機，如小慣量直流伺服電動機 和寬調(diào)速直流伺服電動機等.寬調(diào)速直流伺服電

20、動機是用提高轉(zhuǎn)矩的方法來改善其動態(tài)性 能的，因而在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中廣泛應用。 寬調(diào)速直流伺服電動機的勵磁方式分為電磁式和永磁式兩種。 永磁式直流伺服電動機也可分為小慣量與大慣量兩類。 直流電動機的缺點是需要電刷，因此限制了電動機轉(zhuǎn)速的提高，且維護工作量大。永磁式寬調(diào)速直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)示意圖永磁式寬調(diào)速直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)示意圖一、工作原理NSUNSUNSNSUU電刷電刷換向片換向片二、直流電機的基本結(jié)構(gòu) 直流電機的定子直流電機的定子 (a) 主磁極主磁極 (b) 機座機座 直流電機的轉(zhuǎn)子直流電機的轉(zhuǎn)子 (a) 轉(zhuǎn)子主體轉(zhuǎn)子主體 (b) 電樞鋼片電樞鋼片 直流單機的機構(gòu) v三、直流伺服電動機的

21、速度控制三、直流伺服電動機的速度控制v例如：他勵直流伺服電動機電樞回路的電動勢平衡方程為：例如：他勵直流伺服電動機電樞回路的電動勢平衡方程為：v感應電動勢為：感應電動勢為：v 由以上兩個方程可得由以上兩個方程可得電動機轉(zhuǎn)速為：電動機轉(zhuǎn)速為：v式中 n 電動機轉(zhuǎn)速，r/min; Ua 電動機電樞回路外加電壓，V; Ra 電樞回路電阻，; Ia 電樞回路電流，A; Ce 反電動勢系數(shù); 氣隙磁通量，Wb; v Ke 反電動勢常數(shù)，Vs/rad。 aaaaRIEUnCEeaaeeeaeaaaIKRKUCRIUneeCK根據(jù)直流電動機的機械特性可以知道，電動機的調(diào)速方法根據(jù)直流電動機的機械特性可以知道

22、，電動機的調(diào)速方法有三種有三種: （1）改變電動機控制電壓，即改變電樞電壓。）改變電動機控制電壓，即改變電樞電壓。此方法可此方法可得到調(diào)速范圍較寬的恒轉(zhuǎn)矩特得到調(diào)速范圍較寬的恒轉(zhuǎn)矩特 性，適用于主軸驅(qū)動的低性，適用于主軸驅(qū)動的低速段和進給驅(qū)動。速段和進給驅(qū)動。 （2）改變磁通，即改變勵磁回路電流。）改變磁通，即改變勵磁回路電流。此方法可得到恒此方法可得到恒功率特性，它不適用進給驅(qū)動，且永磁式直流伺服電動機功率特性，它不適用進給驅(qū)動，且永磁式直流伺服電動機的的是不可變的。是不可變的。 （3）改變電動機電樞的串聯(lián)電阻阻值。）改變電動機電樞的串聯(lián)電阻阻值。此方法得到的機此方法得到的機械特性較軟，且不

23、能實現(xiàn)無級調(diào)速，也不適用于數(shù)控機床。械特性較軟，且不能實現(xiàn)無級調(diào)速，也不適用于數(shù)控機床。 因此，對于直流進給伺服電動機，只能采用改變電樞電壓因此，對于直流進給伺服電動機，只能采用改變電樞電壓的方式來調(diào)速。在這種調(diào)速方式下，電動機的最高工作轉(zhuǎn)的方式來調(diào)速。在這種調(diào)速方式下，電動機的最高工作轉(zhuǎn)速不能超過其額定轉(zhuǎn)速。速不能超過其額定轉(zhuǎn)速。 4.2.2 4.2.2 直流進給伺服驅(qū)動控制基礎直流進給伺服驅(qū)動控制基礎 在直流電動機伺服系統(tǒng)中，常用的有晶閘管（semiconductor controlled rectifier）調(diào)速系統(tǒng)和晶體管脈寬調(diào)制（pulse width modulation，PWM）

24、系統(tǒng)兩類。目前使用最廣泛的方法是晶體管脈寬調(diào)制器直流電動機調(diào)速（PWM-M，簡稱PWM變換器。它具有響應快、效率高、調(diào)整范圍寬、噪聲污染低、結(jié)構(gòu)簡單可靠等優(yōu)點。 4.3 4.3 交流伺服電動機及其驅(qū)動控制交流伺服電動機及其驅(qū)動控制v交流伺服電動機分為交流伺服電動機分為異步型異步型和和同步型同步型兩種。兩種。異步型交流伺服電動機有異步型交流伺服電動機有三相三相和和單相單相之分，之分，也有也有籠式籠式和和線繞線繞式之分，通常多用籠式三相式之分，通常多用籠式三相感應電動機。同步型交流伺服電動機雖較感感應電動機。同步型交流伺服電動機雖較感應電動機復雜，但比直流伺服電動機簡單。應電動機復雜，但比直流伺服電動機簡單。按不同的轉(zhuǎn)按不同的轉(zhuǎn) 子結(jié)構(gòu)，同步型交流伺服電動子結(jié)構(gòu)，同步型交流伺服電動機可分為電磁式及非電磁