机电一体化原理与应用 PPT课件

1、2021年11月23日4.1 4.1 典型载荷分析典型载荷分析载荷：载荷：执行机构设计计算的一项重要原始数据执行机构设计计算的一项重要原始数据。分类：摩擦载荷、惯性载荷以及各种环境载荷等分类：摩擦载荷、惯性载荷以及各种环境载荷等第1页/共135页2021年11月23日摩擦载荷摩擦载荷1 1、定义、定义 当两个物体间有相对运动或有相对运动的趋势时才产生摩擦载荷。它是两当两个物体间有相对运动或有相对运动的趋势时才产生摩擦载荷。它是两物体接触面上存在的一种阻止运动的力或力矩。物体接触面上存在的一种阻止运动的力或力矩。2 2、分类、分类 静摩擦和动摩擦静摩擦和动摩擦 滚动摩擦和滑动摩擦滚动摩擦和滑动摩

2、擦 干摩擦、半干摩擦、湿摩擦。干摩擦、半干摩擦、湿摩擦。第2页/共135页2021年11月23日3、摩擦力的计算、摩擦力的计算1）静摩擦力）静摩擦力按库仑摩擦定律得：按库仑摩擦定律得：fs一般在一般在0.10.3以上。以上。2）动摩擦力）动摩擦力f一般在一般在0.10.3以下。以下。NfFSSNfFf第3页/共135页2021年11月23日3）干摩擦、半干摩擦）干摩擦、半干摩擦符合库仑定律。符合库仑定律。 4）湿摩擦）湿摩擦湿摩擦与干摩擦的机理截然不同，湿摩擦与干摩擦的机理截然不同，但为了计算方便工程上仍沿用摩但为了计算方便工程上仍沿用摩擦系数的概念。一般擦系数的概念。一般f=0.0120.1

3、0。5 5）滚动摩擦）滚动摩擦NRkFr第4页/共135页2021年11月23日4 4、摩擦力矩、摩擦力矩摩擦力与其作用力臂的乘积即为摩摩擦力与其作用力臂的乘积即为摩擦力矩。擦力矩。5 5、减小摩擦载荷的措施、减小摩擦载荷的措施减小正压力、摩擦系数和作用力臂。减小正压力、摩擦系数和作用力臂。 为了减小摩擦系数，可用滚动摩擦为了减小摩擦系数，可用滚动摩擦代替滑动摩擦，用湿摩擦代替干摩代替滑动摩擦，用湿摩擦代替干摩擦。擦。第5页/共135页2021年11月23日惯性载荷惯性载荷1 1、产生条件、产生条件 惯性载荷由于一定质量的物体惯性载荷由于一定质量的物体具有加速度或角加速度才产生具有加速度或角加

4、速度才产生的。的。2 2、惯性载荷的计算、惯性载荷的计算1 1）回转运动惯性载荷的计算）回转运动惯性载荷的计算计算转动惯量、角速度、角加计算转动惯量、角速度、角加速度等参数。速度等参数。第6页/共135页2021年11月23日计算等效计算等效转动惯量：转动惯量：图中，图中，L L为低速轴，为低速轴，J JL L为转动惯为转动惯量量，h h为高速轴，传动比为：为高速轴，传动比为：lhhli令Jlh为JL折算到高速轴h上的折算转动惯量第7页/共135页2021年11月23日若令效率为若令效率为100%100%，根据能量，根据能量守恒得：守恒得：则惯性力矩则惯性力矩M M为为 M=JM=J22221

5、21hlllhhlhlliJJJJ第8页/共135页2021年11月23日2 2）移动物体惯性载荷的计算移动物体惯性载荷的计算 惯性力：惯性力：F=maF=ma第9页/共135页2021年11月23日3 3、减小惯性力或惯性力矩的措、减小惯性力或惯性力矩的措施施 减小质量或转动惯量减小质量或转动惯量 减小质量的方法：减小质量的方法：采用减轻孔，采采用减轻孔，采用空心薄壁结构，选比重小、强度高用空心薄壁结构，选比重小、强度高的材料等可减小质量。的材料等可减小质量。第10页/共135页2021年11月23日减小转动惯量的方法：减小转动惯量的方法：合理布局回转部合理布局回转部分的质量，使重心尽量靠近

6、回转轴；分的质量，使重心尽量靠近回转轴；对于减速传动链，减小折算到高速轴的对于减速传动链，减小折算到高速轴的转动惯量。转动惯量。第11页/共135页2021年11月23日环境载荷环境载荷环境载荷指除了摩擦载荷和惯环境载荷指除了摩擦载荷和惯性载荷以外的载荷性载荷以外的载荷露天作用的系统受到的风载荷，露天作用的系统受到的风载荷，高温作用下的温度载荷高温作用下的温度载荷外载荷外载荷的确定，要视具体情况的确定，要视具体情况而定，有的可以从理论上进行推而定，有的可以从理论上进行推导，有的需要借助于实验来测定。导，有的需要借助于实验来测定。第12页/共135页2021年11月23日4.2 4.2 负载的力

7、矩特性负载的力矩特性1 1、分析的目的、分析的目的为了选择电动机或其它原动机，使之满为了选择电动机或其它原动机，使之满足功率的要求。足功率的要求。2 2、确定设计载荷的方法、确定设计载荷的方法计算法、类比法和实测法。计算法、类比法和实测法。第13页/共135页2021年11月23日3 3、电动机克服负载力矩的两种典型情况、电动机克服负载力矩的两种典型情况一种为峰值力矩，它对应于电动机最严重的一种为峰值力矩，它对应于电动机最严重的工作情况；工作情况；一种为均方根力矩，它对应于电动机长期连一种为均方根力矩，它对应于电动机长期连续地变载荷工作的情况。续地变载荷工作的情况。第14页/共135页2021

8、年11月23日1 1）负载的峰值力矩特性）负载的峰值力矩特性折算到电动机轴上的负载力矩折算到电动机轴上的负载力矩为为 折算到电动机轴上的负载峰值折算到电动机轴上的负载峰值力矩是总传动比的函数。力矩是总传动比的函数。LpttlmGmtfptwpmLpiiJJJiMiMM)(2第15页/共135页2021年11月23日2 2）负载的均方根力矩特性）负载的均方根力矩特性折算到电动机轴上的均方根力矩为折算到电动机轴上的均方根力矩为M Mw w作用在负载轴上的瞬时风力矩；作用在负载轴上的瞬时风力矩；M Mf f作用在负载轴上的瞬时摩擦力作用在负载轴上的瞬时摩擦力L L负载轴的瞬时角速度；负载轴的瞬时角速

9、度；T T载荷变化的周期载荷变化的周期i it t从电动机轴到负载轴的总传动比。从电动机轴到负载轴的总传动比。TTTLttlmGmtfiwmLrdtiiJJJTdtiMTdtiMTM0002222)(1)(1)(1第16页/共135页2021年11月23日4.34.3传动链的精度分析传动链的精度分析传动精度的概念传动精度的概念传动链传动精度：传动链传动精度：传动误差和空程传动误差和空程误差误差1 1、传动误差：、传动误差：指输入轴单向转动时，指输入轴单向转动时，输出轴转角的实际值相对于理论值输出轴转角的实际值相对于理论值的变动量的变动量tioi第17页/共135页2021年11月23日第18页

10、/共135页2021年11月23日2 2、空程误差：、空程误差：输入轴正向回转变为反向回转输入轴正向回转变为反向回转时，输出轴在转角上的滞后量。时，输出轴在转角上的滞后量。第19页/共135页2021年11月23日提高传动精度的结构措施提高传动精度的结构措施提高零部件本身的精度；提高零部件本身的精度；合理设计传动链，减少零部件制造、装配误合理设计传动链，减少零部件制造、装配误差对传动精度的影响；差对传动精度的影响；采用消隙结构，以减少或消除空程误差。采用消隙结构，以减少或消除空程误差。第20页/共135页2021年11月23日第21页/共135页2021年11月23日4.4 4.4 电动机传动

11、（驱动）系统电动机传动（驱动）系统1 1、伺服电动机分类、伺服电动机分类交流电动机和直流电动机交流电动机和直流电动机2 2、比较、比较 交流电动机结构简单、价格便交流电动机结构简单、价格便宜、维护工作量小，但起、制宜、维护工作量小，但起、制动及调速性能不如直流电动机。动及调速性能不如直流电动机。第22页/共135页2021年11月23日3 3、选择电动机原则、选择电动机原则1 1）不需调速机械）不需调速机械长期工作制、短时工作制和重长期工作制、短时工作制和重复短时工作制的机械，应采用交复短时工作制的机械，应采用交流电机。流电机。第23页/共135页2021年11月23日 仅在某些操作特别频繁、

12、交仅在某些操作特别频繁、交流电动机在发热和起、制动特流电动机在发热和起、制动特性不能满足要求时，才考虑直性不能满足要求时，才考虑直流电动机。流电动机。只需几级固定速度的机械，可只需几级固定速度的机械，可采用多极交流电动机。采用多极交流电动机。第24页/共135页2021年11月23日2 2、需要调速的机械、需要调速的机械1 1）转速与功率之积。）转速与功率之积。转速与功率之积受换向器能力限转速与功率之积受换向器能力限制目前一般认为直流电动机该值制目前一般认为直流电动机该值最大为最大为10106 6kW.r/minkW.r/min，当接近或，当接近或超过该值宜采用交流电动机。超过该值宜采用交流电

13、动机。第25页/共135页2021年11月23日2 2）飞轮力矩。）飞轮力矩。第26页/共135页2021年11月23日3 3）在环境恶劣场合，宜采用无）在环境恶劣场合，宜采用无换向器、无火花、易密闭的交流换向器、无火花、易密闭的交流电动机电动机第27页/共135页2021年11月23日4)4)交、直流电动机调速性能差不多交、直流电动机调速性能差不多, ,但交但交流电动机的飞轮力矩小，响应速度要快流电动机的飞轮力矩小，响应速度要快一些。一些。第28页/共135页2021年11月23日直流电动机一、特点具有良好的调速特性较大的起动转矩相对功率大快速响应结构复杂成本较高第29页/共135页2021

14、年11月23日二、分类二、分类 按激磁方式可分为电磁式和永磁式两种。按激磁方式可分为电磁式和永磁式两种。 电磁式的磁场由激磁绕组产生；永磁式的电磁式的磁场由激磁绕组产生；永磁式的磁场由永久磁体产生。磁场由永久磁体产生。第30页/共135页2021年11月23日 第31页/共135页2021年11月23日三、直流伺服电动机的转矩特性三、直流伺服电动机的转矩特性电压方程：电压方程：转矩方程：转矩方程：acacRIEUmEmeEaKCEeEECKcMceMmIKICMeMMCK第32页/共135页2021年11月23日amEcaaccRKUREUImaEMcaMmRKKURKM将Ic代入转矩方程得：

15、第33页/共135页2021年11月23日maEMeaMmRKKURKM e cUU令第34页/共135页2021年11月23日第35页/共135页2021年11月23日1 1）当）当m m0 0时，时，即电动机为堵转状态或起动状态，即电动机为堵转状态或起动状态，称称M Ms s为堵转转矩（起动转矩）为堵转转矩（起动转矩）saeMmMRUKMmaEMeaMmRKKURKM第36页/共135页2021年11月23日2 2）M Mm m0 0时，时，即电动机为空载状态即电动机为空载状态称称0 0为空载转速为空载转速0EemKUmaEMeaMmRKKURKM第37页/共135页2021年11月23日

16、tLsmLmtmsmaEMifMMifMMRKKf令第38页/共135页2021年11月23日第39页/共135页2021年11月23日调节特性：调节特性：mUeMm1Mm2Mm3=0调节特性也为一组平行直线转矩一定，速度和电压成正比；转矩越大，启动电压越大;Mm1 Mm2Mm3第40页/共135页2021年11月23日 四、总结四、总结1 1、直流伺服电动机的转矩特性是一组斜率相、直流伺服电动机的转矩特性是一组斜率相同的直线。每条转矩特性和一种电枢电压相对应，同的直线。每条转矩特性和一种电枢电压相对应，与与轴的交点是该电枢电压下的理想空载角速度，轴的交点是该电枢电压下的理想空载角速度，与与M

17、 Mm m轴的交点则是该电枢电压下的启动转矩。轴的交点则是该电枢电压下的启动转矩。第41页/共135页2021年11月23日2 2、直流伺服电动机的调节特性也是一组、直流伺服电动机的调节特性也是一组斜率相同的直线。每条调节特性和一种电磁斜率相同的直线。每条调节特性和一种电磁转矩相对应，与转矩相对应，与U Uc c轴的交点是启动时的电枢轴的交点是启动时的电枢电压。电压。第42页/共135页2021年11月23日3 3、调节特性的斜率为正，说明在一定的、调节特性的斜率为正，说明在一定的负载下，电动机转速随电枢电压的增加而增负载下，电动机转速随电枢电压的增加而增加；而转矩特性的斜率为负，说明在电枢电

18、加；而转矩特性的斜率为负，说明在电枢电压不变时，电动机转速随负载转矩增加而降压不变时，电动机转速随负载转矩增加而降低。低。第43页/共135页2021年11月23日五、选择电机应考虑的几点五、选择电机应考虑的几点1 1、要满足负载所需要的瞬时转矩和转速，、要满足负载所需要的瞬时转矩和转速，即能够克服峰值负载所需要的功率；即能够克服峰值负载所需要的功率；第44页/共135页2021年11月23日2 2、当电动机的工作周期可以与其发热时、当电动机的工作周期可以与其发热时间常数相比较，必须考虑电机的热定额间常数相比较，必须考虑电机的热定额问题。通常用负载的均方根功率作为确问题。通常用负载的均方根功率

19、作为确定电动机发热功率的基础。定电动机发热功率的基础。第45页/共135页2021年11月23日1 1）若电动机在峰值力矩下，以峰值转速）若电动机在峰值力矩下，以峰值转速不断地驱动负载，则电动机功率按下式不断地驱动负载，则电动机功率按下式估算：估算：LpLpM)5 . 25 . 1 (mP第46页/共135页2021年11月23日2 2）若电机长期连续工作在变载荷之下时，）若电机长期连续工作在变载荷之下时，比较合理的是按负载均方根来估算电动比较合理的是按负载均方根来估算电动机功率：机功率：LrLrM)5 . 25 . 1 (mP第47页/共135页2021年11月23日六、驱动电路六、驱动电路

20、 直流电机为直流供电，为了调节电机的直流电机为直流供电，为了调节电机的转速和方向转速和方向，需要对，需要对直流电压的大小和直流电压的大小和方向方向进行控制。进行控制。第48页/共135页2021年11月23日目前广泛采用的直流伺服电机的目前广泛采用的直流伺服电机的晶体管晶体管驱动驱动电路有：电路有：线性直流伺服放大器线性直流伺服放大器- -小功率小功率脉宽调制放大器（脉宽调制放大器（PWMPWM）- -大功率大功率; ;低转速低转速第49页/共135页2021年11月23日1 1、线性直流伺服放大器、线性直流伺服放大器组成：组成：线性放大元件和功率输线性放大元件和功率输出级。出级。线性放大元件

21、线性放大元件: :电压放大电压放大功率输出级功率输出级: :功率驱动功率驱动两种输出形式两种输出形式: :互补式输出和线互补式输出和线性桥式输出性桥式输出第50页/共135页2021年11月23日V1和V2的作用？如何实现电机正反转？二极管的作用？第51页/共135页2021年11月23日M0Us0 UsUcV1VD1AV2VD2VD3V3VD4V4B0 Us0Us线性桥式输出第52页/共135页2021年11月23日两种输出方式的区别：两种输出方式的区别：1)1)互补式需要两个电源，且晶体管的额定电互补式需要两个电源，且晶体管的额定电压必须大于两个外加电压之和；压必须大于两个外加电压之和；2

22、)2)桥式需要单个电源，且晶体管的额定电压桥式需要单个电源，且晶体管的额定电压就等于电源电压。就等于电源电压。第53页/共135页2021年11月23日特点：特点： 功率消耗较大，适用于功率比较小、电功率消耗较大，适用于功率比较小、电枢具有较高阻抗的情况。枢具有较高阻抗的情况。第54页/共135页2021年11月23日2 2、脉宽调制放大器、脉宽调制放大器 1 1）特点：）特点：功率管工作在开关状态，管功率管工作在开关状态，管耗小耗小, ,通常用在大功率低转速的场合通常用在大功率低转速的场合. .第55页/共135页2021年11月23日2 2）基本原理）基本原理： 利用大功率晶体管的开关作用

23、，利用大功率晶体管的开关作用，将直流电源电压转换成一定频将直流电源电压转换成一定频率的方波电压，加在直流电动率的方波电压，加在直流电动机的电枢上，通过对方波脉冲机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均宽度的控制，改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。电压，从而调节电机的转速。第56页/共135页2021年11月23日 Pwm包括两步：a) 直流电压转换为方波脉冲；b) 功率放大第57页/共135页2021年11月23日第58页/共135页2021年11月23日M0Us0 UsUcV1VD1AV2VD2VD3V3VD4V4B0 Us0Us线性桥式输出第59页/共135页2021年1

24、1月23日OUb4Ub1V1V4VD2VD3V1V4VD2VD3tUb3Ub2V2V3V2V3UABOtOidO114223114223114id1id2tt UsU1 Us223电压、电流波形的电路原理图第60页/共135页2021年11月23日（1 1）当）当U UABAB0 0时，时，U Us s的正、负脉宽的正、负脉宽相等，直流分量为零，相等，直流分量为零，V V1 1和和V V4 4的导通的导通时间与时间与V V2 2和和V V3 3的导通时间相等，流过的导通时间相等，流过电枢绕组中的平均电流等于零，电电枢绕组中的平均电流等于零，电动机不转。但在交流分量作用下，动机不转。但在交流分量

25、作用下，电动机在停止位置处微振，这种微电动机在停止位置处微振，这种微振有动力润滑作用，可消除电动机振有动力润滑作用，可消除电动机启动时的静摩擦，减小启动电压。启动时的静摩擦，减小启动电压。第61页/共135页2021年11月23日（2 2）当）当U UABAB00时，时，U Us s的正脉宽大于负脉宽，直流分的正脉宽大于负脉宽，直流分量量U U1 1大于零，大于零，V V1 1和和V V4 4的导通时间长于的导通时间长于V V2 2和和V V3 3的导通的导通时间，流过绕组中的电流平均值大于零，电动机时间，流过绕组中的电流平均值大于零，电动机正转，且随着正转，且随着U U1 1增加，转速增加。

26、增加，转速增加。第62页/共135页2021年11月23日（3 3）当）当U UABAB00时，时，UsUs的直流分量的直流分量U1U1小于零，电枢绕组中的电流平均值小于零，电枢绕组中的电流平均值也小于零，电动机反转，且反转转也小于零，电动机反转，且反转转速随着速随着U1U1减小而增加。减小而增加。 （4 4）当）当V1V1和和V4V4或或V2V2和和V3V3始终导始终导通时，电动机在最高转速下正转或通时，电动机在最高转速下正转或反转。反转。第63页/共135页2021年11月23日锯齿波发生器比较放大器延时作用延时作用反相第64页/共135页2021年11月23日交流电动机交流电动机一、特点

27、一、特点1 1）结构简单、体积小、重量轻；）结构简单、体积小、重量轻；2 2）转子惯量小，启动快，动态性能好；）转子惯量小，启动快，动态性能好；第65页/共135页2021年11月23日3 3）调速范围宽，可达）调速范围宽，可达1 1：10105 5；4 4）输出功率和转矩较小；机械特性和调）输出功率和转矩较小；机械特性和调节特性的线性度不及直流伺服电动机好，节特性的线性度不及直流伺服电动机好，其效率也较直流伺服电动机低。其效率也较直流伺服电动机低。第66页/共135页2021年11月23日二、分类二、分类 普通交流伺服电动机常用的普通交流伺服电动机常用的转子绕组转子绕组有有鼠笼鼠笼转子和转子

28、和空心杯空心杯转子两种。转子两种。第67页/共135页2021年11月23日1 1、鼠笼转子交流伺服电机的特、鼠笼转子交流伺服电机的特点点优点：优点： 单位输入功率具有的起动转矩较大单位输入功率具有的起动转矩较大; ; 激磁电流较小激磁电流较小; ; 在相同性能指标时，体积和重量要比空心杯转子交流伺服电动机来得小在相同性能指标时，体积和重量要比空心杯转子交流伺服电动机来得小; ; 转子机械强度高，能在较恶劣的条件下可靠地工作。转子机械强度高，能在较恶劣的条件下可靠地工作。第68页/共135页2021年11月23日缺点：缺点：转子转动惯量较大，转子转动惯量较大，低速运行时也不够平稳低速运行时也不

29、够平稳第69页/共135页2021年11月23日第70页/共135页2021年11月23日第71页/共135页2021年11月23日2 2、空心杯转子交流伺服电机的特、空心杯转子交流伺服电机的特点点优点：优点：转子转动惯量小转子转动惯量小; ;转矩波动小转矩波动小; ;运转平稳，噪音小运转平稳，噪音小缺点：缺点：激磁电流较大激磁电流较大; ;体积和重量也较大体积和重量也较大; ;转子机械强度较差。转子机械强度较差。第72页/共135页2021年11月23日空心杯转子结构图1-空心杯转子；2-外定子；3-内定子；4-机壳；5-端盖 第73页/共135页2021年11月23日三、交流伺服电动机的转

30、矩三、交流伺服电动机的转矩- -转速特转速特性性普通异步电机伺服电动机第74页/共135页2021年11月23日交流伺服电机的输出转矩为交流伺服电机的输出转矩为ssaMaMmasamfMMfafa2) 1(20sMf第75页/共135页2021年11月23日 交流伺服电机的转矩-转速特性00105. 0nmssmMaMaM022) 1(第76页/共135页2021年11月23日第77页/共135页2021年11月23日四、交流伺服电机的调速四、交流伺服电机的调速1 1、转速公式的推导、转速公式的推导以三相异步电动机为例。以三相异步电动机为例。当三相交流电动机的三相对称绕组当三相交流电动机的三相

31、对称绕组A A、B B、C C中通以三相正弦平衡交流电时，中通以三相正弦平衡交流电时，在电机的气隙中产生旋转磁场，旋在电机的气隙中产生旋转磁场，旋转同步转速为转同步转速为pfn600第78页/共135页2021年11月23日)1 (60)1 (0spfsnn电磁感应作用,转子转速为:%100)(00nnns转差率为:旋转磁场的同步转速和电动机转速之差与同步转速的比值第79页/共135页2021年11月23日1）电动机起动瞬间:1 ,0sn（转差率最大）转差率最小），(00snn10ss范围：2）转子最大转速：3）%100)(00nnns第80页/共135页2021年11月23日2 2、交流电机

32、调速的方式、交流电机调速的方式改变极对数改变极对数p p；调节转差率调节转差率s s；改变供电电源频率改变供电电源频率f f；第81页/共135页2021年11月23日步进电机步进电机一、定义一、定义步进电机：将步进电机：将电脉冲信号电脉冲信号转换成转换成机械机械角位移角位移或或线位移线位移的执行元件。的执行元件。每外加一个脉冲信号，就运动一每外加一个脉冲信号，就运动一步。步。第82页/共135页2021年11月23日第83页/共135页2021年11月23日二、特点二、特点1 1、直接实现数字控制，且控制性能、直接实现数字控制，且控制性能好；好；2 2、通过采用开环方式对位置或速度、通过采用

33、开环方式对位置或速度进行控制；进行控制；3 3、位置误差不会积累；、位置误差不会积累；4 4、具有自锁能力保持转矩、具有自锁能力保持转矩第84页/共135页2021年11月23日三、分类三、分类根据根据结构和工作原理结构和工作原理的不同，步进电机的不同，步进电机可分为：可分为：永磁式、变磁阻式和混合式永磁式、变磁阻式和混合式三三种。种。1 1、永磁式、永磁式结构：结构：转子由一对或多对极的星形永久转子由一对或多对极的星形永久磁铁组成，定子极上相应有两相或多相磁铁组成，定子极上相应有两相或多相控制绕组。控制绕组。第85页/共135页2021年11月23日定子控制绕组永磁转子定子磁极NNSSAB第

34、86页/共135页2021年11月23日特点：特点：控制功率小，效率高；造价便宜；控制功率小，效率高；造价便宜；步距角步距角一般为一般为7.57.51818；断电后有定位断电后有定位转矩；转矩；第87页/共135页2021年11月23日2 2、变磁阻式（反应式）、变磁阻式（反应式）结构：结构：转子和定子均由铁心组成。转子和定子均由铁心组成。定子有若干对磁极，磁极上有控定子有若干对磁极，磁极上有控制绕组，每个磁极上均匀分布若制绕组，每个磁极上均匀分布若干矩形小齿。干矩形小齿。转子的圆柱上均布小齿转子的圆柱上均布小齿。第88页/共135页2021年11月23日ABABCC第89页/共135页202

35、1年11月23日 特点：特点：结构简单，但转子阻尼差，噪音结构简单，但转子阻尼差，噪音大，步距角一般为大，步距角一般为1.51.51515之间。之间。第90页/共135页2021年11月23日3 3、混合式、混合式结构：结构：定子结构与反应式相似，定子结构与反应式相似，磁极上有控制绕组。转子由环磁极上有控制绕组。转子由环形永久磁铁构成。形永久磁铁构成。第91页/共135页2021年11月23日NNSSBABA定子绕组转子定子永磁体第92页/共135页2021年11月23日AANNSSBB第93页/共135页2021年11月23日 特点：特点：步距角一般为步距角一般为0.90.93.63.6之间

36、；之间；效率高；断电后有定位转矩；转子直径效率高；断电后有定位转矩；转子直径大，不利于高速响应大，不利于高速响应 第94页/共135页2021年11月23日四. 工作原理 1) 基本工作原理就是电磁铁工作原理。ABC第95页/共135页2021年11月23日a) A相通电，B、C相不通电，转子齿1、3与A相定子齿对齐，转子齿2、4与B、C相在不同方向上错开30b) A相断电，B相通电，转子齿2、4与B相定子齿对齐，顺时针旋转30。c) B相断电，C相通电，同理转子顺时针旋转30。d) 通电顺序为ABCA时，转子顺时针旋转。如改为ACBA时，转子反向（逆时针）转动。e) 电流换接三次，磁场转一周

37、，转子前进一个齿距角（90 ）。3第96页/共135页2021年11月23日l 按 A B C A 方 式 通 电 ， 称 为 三 相 单 三 拍 运 行（ ）。l按AABBBCCCAA方式通电，称为三相六拍运行（ ）。注：步距角 太大。 2) 通电方式 以三相电机为例的通电方式单三拍、三相六拍及双三拍等。 “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）。3015第97页/共135页2021年11月23日ABC三相六拍工作方式：第98页/共135页2021年11月23日第99页/共135页2021年11月23日 ABC三相双三拍工

38、作方式第100页/共135页2021年11月23日第101页/共135页2021年11月23日五、步进电机的运行性能五、步进电机的运行性能1 1、步距角和静态步距误差、步距角和静态步距误差1 1）步距角）步距角定义：定义：每输入一个脉冲信号，转子每输入一个脉冲信号，转子转过的角度。转过的角度。第102页/共135页2021年11月23日公式：公式：m m：控制绕组的相数；：控制绕组的相数；z zr r：转子齿数；：转子齿数；C C：通电方式系数，单三拍或双三拍：通电方式系数，单三拍或双三拍时时C=1C=1，单、双六拍，单、双六拍C=2C=2。步距角越小，分辨力越高，但当脉步距角越小，分辨力越高

39、，但当脉冲频率不变时，转子速度下降。冲频率不变时，转子速度下降。Cmzr360第103页/共135页2021年11月23日 2 2）静态步距误差：由于定子、转子的齿距）静态步距误差：由于定子、转子的齿距分度不均匀，定转子间气隙不均匀或铁心分分度不均匀，定转子间气隙不均匀或铁心分段时的错位误差，使段时的错位误差，使实际步距角和理论步距实际步距角和理论步距角之间存在偏差角之间存在偏差，称为静态步距角误差，称为静态步距角误差第104页/共135页2021年11月23日2 2、静特性、静特性静特性指标：静特性指标：稳定状态时的特性，稳定状态时的特性，包括矩角特性、静转矩及静态稳定区包括矩角特性、静转矩

40、及静态稳定区等。等。第105页/共135页2021年11月23日 静止状态：静止状态：当步进电动机得到连当步进电动机得到连续控制脉冲时，各相绕组按预定通续控制脉冲时，各相绕组按预定通电方式轮流通电，转子便一步步转电方式轮流通电，转子便一步步转动。动。 当控制脉冲停止时，某些相绕组当控制脉冲停止时，某些相绕组仍通入恒定不变的电流，这时转子仍通入恒定不变的电流，这时转子将固定于最后一步的位置上保持不将固定于最后一步的位置上保持不动。动。 矩角特性：矩角特性：静止状态下，转子的静止状态下，转子的转矩与转角之间的关系，即静态转转矩与转角之间的关系，即静态转矩与失调角之间的关系矩与失调角之间的关系第10

41、6页/共135页2021年11月23日静转矩：静转矩：静止状态下的转矩静止状态下的转矩不改变不改变通电状态，只有某相绕组在额定电压通电状态，只有某相绕组在额定电压作用下转子所受到的电磁转矩。作用下转子所受到的电磁转矩。 。转角：转角：转子偏离零位后的角度，通常转子偏离零位后的角度，通常称失调角。称失调角。零位：零位：通电相定子齿与转子齿对齐的通电相定子齿与转子齿对齐的位置。位置。第107页/共135页2021年11月23日步进电机的静态稳定区：步进电机的静态稳定区：去掉负载后转子能回到零位的区去掉负载后转子能回到零位的区域域)21(个齿距即第108页/共135页2021年11月23日 当转子处

42、于静止状态时，若转子上没当转子处于静止状态时，若转子上没有任何强制作用，则稳定平衡点是座标有任何强制作用，则稳定平衡点是座标原点。如果在外力矩作用下使转子离开原点。如果在外力矩作用下使转子离开平衡点，那么只要失调角在平衡点，那么只要失调角在-+-+或或-时，时，转子就趋向前一齿后一齿的平衡点运动，转子就趋向前一齿后一齿的平衡点运动，而离开了正确的平衡点，所以而离开了正确的平衡点，所以- -+区域称作静稳定区。区域称作静稳定区。第109页/共135页2021年11月23日第110页/共135页2021年11月23日3 3、动特性、动特性步进运行状态时的动特性步进运行状态时的动特性若控制绕组通电脉

43、冲的时间间隔大若控制绕组通电脉冲的时间间隔大于步进电机机电过渡过程时间，这于步进电机机电过渡过程时间，这时电动机为步进运行状态，时电动机为步进运行状态，即电脉冲由即电脉冲由A A相切换到相切换到B B相，转子转相，转子转过一个步距角，但整个过程将是一过一个步距角，但整个过程将是一个振荡的过程。个振荡的过程。第111页/共135页2021年11月23日第112页/共135页2021年11月23日连续运行时的动特性连续运行时的动特性动态转矩：动态转矩：步进电机在连续运行状步进电机在连续运行状态下工作时，电动机所产生的转矩态下工作时，电动机所产生的转矩。动特性：动特性：矩频特性、动稳定区、工矩频特性

44、、动稳定区、工作频率。作频率。矩频特性矩频特性表示步进电机的最大动态转矩和脉表示步进电机的最大动态转矩和脉冲频率的关系。冲频率的关系。第113页/共135页2021年11月23日 转矩和频率近似反比对应于某一频率，当负载转矩小于它在该频率的最大动态转矩时电机才能正常运转第114页/共135页2021年11月23日动稳定区动稳定区步进电机从一种通电状态切换到另步进电机从一种通电状态切换到另一种通电状态时，不至引起失步的区一种通电状态时，不至引起失步的区域。域。第115页/共135页2021年11月23日第116页/共135页2021年11月23日工作频率工作频率定义：指步进电机按照指令的要求，进

45、定义：指步进电机按照指令的要求，进行不失步工作时的最大脉冲频率。行不失步工作时的最大脉冲频率。失步包括丢步和越步。失步包括丢步和越步。分类：步进电机的工作频率分为：起动分类：步进电机的工作频率分为：起动频率、制动频率及连续工作频率。频率、制动频率及连续工作频率。第117页/共135页2021年11月23日六、步进电机的驱动电路六、步进电机的驱动电路组成：组成：变频信号源、脉冲分配器、变频信号源、脉冲分配器、功率放大器。功率放大器。第118页/共135页2021年11月23日第119页/共135页2021年11月23日1 1、变频信号源：、变频信号源：能发出几能发出几HZHZ到到202030KHz30KHz的连续可变信号发生器。的连续可变信