电子系统课程设计 第3章 执行机构-电机原理

1、电子系统综合课程设计运动类运动类张贺东张贺东 2012.03.20前前 言言 运动需要力，力来源于电运动需要力，力来源于电动机，电动机有很多种，不动机，电动机有很多种，不同的电动机驱动形式都有所同的电动机驱动形式都有所不同，但都大同小异。只要不同，但都大同小异。只要掌握基本的或是搞透彻一种掌握基本的或是搞透彻一种就可以触类旁通。就可以触类旁通。首先要搞清要控制的电动机旋转的原理、电动首先要搞清要控制的电动机旋转的原理、电动机运行控制规律、所需的控制方式等等；机运行控制规律、所需的控制方式等等；其次要搞清楚你用什么控制电路能满足要求；其次要搞清楚你用什么控制电路能满足要求；再次，就是选择好哪种硬

2、件控制电路，难点在再次，就是选择好哪种硬件控制电路，难点在哪里，解决方案是什么？哪里，解决方案是什么？最终，先攻破难关，其它问题就迎刃而解了。最终，先攻破难关，其它问题就迎刃而解了。要做到知彼知己，百战不殆。要做到知彼知己，百战不殆。1.按工作电源分类按工作电源分类直流、交流（单相、三相）直流、交流（单相、三相）2.按结构及工作原理分类：直流、异步、同步按结构及工作原理分类：直流、异步、同步直流：无刷、有刷直流：无刷、有刷 有刷：永磁、电磁有刷：永磁、电磁 电磁：串励、并励、他励、复励电磁：串励、并励、他励、复励 永磁：稀土永磁、铁氧体永磁、铝镍钴永磁永磁：稀土永磁、铁氧体永磁、铝镍钴永磁异步

3、：感应、交流换向器异步：感应、交流换向器 感应：三相异、单相异步、罩极异步感应：三相异、单相异步、罩极异步 交流换向器：单相串励、交直流两用、推斥交流换向器：单相串励、交直流两用、推斥同步：永磁、磁阻、磁滞同步：永磁、磁阻、磁滞一一 电电 动动 机机 分分 类类3按起动与运行方式分类按起动与运行方式分类电容起动式异步电动机电容起动式异步电动机电容运转式单相异步电动机电容运转式单相异步电动机4按用途分类按用途分类 （驱动、控制）（驱动、控制）驱驱 动：电动工具、家电、通用小型机械设备动：电动工具、家电、通用小型机械设备控制：步进电动机、伺服电动机控制：步进电动机、伺服电动机5.按防护型式分类按防

4、护型式分类开启式、防护式、封闭式、隔爆式、防水式、潜水式；开启式、防护式、封闭式、隔爆式、防水式、潜水式；6.按安装结构型式可分为卧式、立式、带底脚、带凸缘按安装结构型式可分为卧式、立式、带底脚、带凸缘7.按绝缘等级可分为按绝缘等级可分为E级、级、B级、级、F级、级、H级等。级等。8按转子的结构分类按转子的结构分类笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）9按运转速度分类按运转速度分类高速、低速、恒速、调速高速、低速、恒速、调速低速：齿轮减速、电磁减速、

5、力矩、爪极同步低速：齿轮减速、电磁减速、力矩、爪极同步调速：调速：有级恒速、无级恒速、有级变速、无极变速、电磁有级恒速、无级恒速、有级变速、无极变速、电磁调速、直流调速、脉冲宽度调制调速、直流调速、脉冲宽度调制 (PWM)变频调速、开关磁变频调速、开关磁阻调速阻调速10. 按起动形式分类按起动形式分类直接，自耦，星型三角型，延边三角，电阻电容直接，自耦，星型三角型，延边三角，电阻电容11. 按防护等级分，使用场所分等等。按防护等级分，使用场所分等等。二、典型电动机的工作原理二、典型电动机的工作原理(一一)、直流电机工作原理、直流电机工作原理电动机原理（左手定则）电动机原理（左手定则）电枢：电枢

6、：在电机实现机械能与电能相互转换过程中，起关键在电机实现机械能与电能相互转换过程中，起关键和和枢纽枢纽作用的部件。作用的部件。对于发电机对于发电机:是是产生电动势的部件产生电动势的部件，直流发电机中的转子，交流发电机中的定，直流发电机中的转子，交流发电机中的定子。子。对于电动机对于电动机:是是产生电磁力的部件产生电磁力的部件,如直流电动机中的转子如直流电动机中的转子电枢：一般指电机电枢：一般指电机需要外接电源需要外接电源的部分，的部分，直流直流电机电枢为电机电枢为转子转子，交流交流电机电枢为电机电枢为定子定子。磁场：分为永久磁铁型、电磁铁型磁场：分为永久磁铁型、电磁铁型单独供电单独供电用一个用

7、一个电电 源源励磁：励磁：就是向发电机转子就是向发电机转子提供转子电源的装置提供转子电源的装置 。直流电。直流电机的转动过程中，励磁就是机的转动过程中，励磁就是控制定子的电压使其产生的控制定子的电压使其产生的磁场变化，改变直流电机的转速。磁场变化，改变直流电机的转速。 转转矩矩电电磁磁功功率率转转速速（二）、步进电动机工作原理（二）、步进电动机工作原理1、步进电机结构 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件。每当一个脉冲信号施加于电机的控制绕组时，其转轴就转过一个固定的角度（步距角），顺序连续地发给脉冲，则电机轴一步接一步地运转。2、步进电机的分类、步进电机的分类1）按工作原

8、理分：反应式、永磁式、混合式（）按工作原理分：反应式、永磁式、混合式（Hybrid）三种。）三种。(1)、反应式步进电动机：转子铁芯用硅钢片或是软磁性材料做成，、反应式步进电动机：转子铁芯用硅钢片或是软磁性材料做成，没有励磁绕组；没有励磁绕组；(2)、永磁式步进电动机：转子铁芯是用永久性磁铁做的，没有励、永磁式步进电动机：转子铁芯是用永久性磁铁做的，没有励磁绕组。磁绕组。(3)、混合式步进电机：混合式步进电机综合了反应式、永磁式步、混合式步进电机：混合式步进电机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大步距角小，出力大，动态性能好，是，动态性能好，是

9、目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。动机。2）按输出转矩大小分：）按输出转矩大小分：快速步进电机（输出扭矩快速步进电机（输出扭矩0.074N.m）,可控制小型精密机床的工作可控制小型精密机床的工作台；台；功率步进电机（输出扭矩功率步进电机（输出扭矩540N.m），可直接驱动机床移动部件。），可直接驱动机床移动部件。3）按励磁相数分有二、三、四、五、六、八相等。）按励磁相数分有二、三、四、五、六、八相等。3、步进电机的工作原理、步进电机的工作原理 当给当给A相通电时，由于定相通电时，由于定子子A齿和转子的齿和转子的

10、1齿对齐，没齿对齐，没有切向力，转子静止。接着有切向力，转子静止。接着给给B相绕组通电时，转子位置相绕组通电时，转子位置如图（如图（a），转子齿偏离定子），转子齿偏离定子齿一个角度（齿一个角度（30）。由于）。由于励磁磁通力图沿磁阻最小路励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过径通过，因此对转子产生电，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动，磁吸力，迫使转子齿转动，当转子转到与定子齿对齐位当转子转到与定子齿对齐位置时置时(图图b)，因转子只受径向，因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，力而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。转子被锁定在这个位置上。 由此可见：由此可见：错齿是助使步错齿是助使

11、步进电机旋转的根本原因。进电机旋转的根本原因。4、步进电动机的通电方式（以三相步进电机为例）、步进电动机的通电方式（以三相步进电机为例）1）单相通电方式：）单相通电方式：“单单”指每次切换前后只有一相绕组通电。指每次切换前后只有一相绕组通电。正转：正转：AB时，转子按顺时针方向一步一步转动。时，转子按顺时针方向一步一步转动。反转：反转：A时，转子按逆时针方向一步一步转动。时，转子按逆时针方向一步一步转动。3）单、双拍工作方式：单双两种通电方式的组合应用）单、双拍工作方式：单双两种通电方式的组合应用正转：正转：A-AB-B-BC-C-CA-A反转：反转：A-AC-C-CB-B-BA-A 对于上述

12、三相反应式步进电机，其运行方式有单三拍、对于上述三相反应式步进电机，其运行方式有单三拍、单双拍及双三拍等通电方式。单双拍及双三拍等通电方式。 “单单”、“双双”、“拍拍”的意思是：的意思是：“单单”是指每次是指每次切换前后只有一相绕组通电，切换前后只有一相绕组通电，“双双”就是指每次有两就是指每次有两相绕相通电；而从一种通电状态转换到另一种通电状相绕相通电；而从一种通电状态转换到另一种通电状态就叫做一态就叫做一“拍拍”。 “相相”指步进电机定子绕组的对数指步进电机定子绕组的对数 电机绕组的通断电状态每改电机绕组的通断电状态每改变一次，其转子转过的角度称变一次，其转子转过的角度称为步距角。图示步

13、进电机的步为步距角。图示步进电机的步距角等于距角等于60。 如果控制线路不停地按如果控制线路不停地按ABCA的顺序控制步的顺序控制步进电机绕组的通断电，步进电进电机绕组的通断电，步进电机的转子便不停地顺时针转动。机的转子便不停地顺时针转动。 若通电顺序改为若通电顺序改为ACBA，同理，步，同理，步进电机的转子将逆时针不停地进电机的转子将逆时针不停地转动。转动。此图为CABC图中的步进电机，定子仍是图中的步进电机，定子仍是A ，B ，C三相，每三相，每相两极，但转子不是两个磁极而是四个。当相两极，但转子不是两个磁极而是四个。当A相相通电时，是通电时，是1和和3极与极与A相的两极对齐，很明显，相的

14、两极对齐，很明显，当当A相断电、相断电、B相通电时，相通电时，2和和4极将与极将与B相两极对相两极对齐。这样，在三相三拍的通电方式中，步距角等齐。这样，在三相三拍的通电方式中，步距角等于于30。还有一种三相六拍的通电方式，它的通电顺序是：还有一种三相六拍的通电方式，它的通电顺序是：顺时针为顺时针为A AB B BC C CA A ；逆时针为；逆时针为A AC C CB B BAA。若以三相六拍通电方式工作，当若以三相六拍通电方式工作，当A相通电转为相通电转为A和和B同时通电时，转子的磁极将同时受到同时通电时，转子的磁极将同时受到A相绕相绕组产生的磁场和组产生的磁场和B相绕组产生的磁场的共同吸引，相绕组产生的磁场的共同吸引，转子的磁极只好停在转子的磁极只好停在A和和B两相磁极之间，这时两相磁极之间，这时它的步距角等于它的步距角等于15。当由。当由A和和B两相同时通电两相同时通电转为转为B相通电时，转子磁极再沿顺时针旋转相通电时，转子磁极再沿顺时针旋转15，与与B相磁极对齐。相磁极对齐。其余依此类推。采用三相六拍通电方式，可使步其余依此类推。采用三相六拍通电方式，可使步距角缩小一半。距角缩小一半。 由此可见，步进电动机的转子齿数由此可见，步进电