第五章 控制电动机

第五章控制电动机

5.1步进电动机5.2直流伺服电动机

5.3交流伺服电动机

5.4力矩电动机

5.5直线电动机1、步进电动机定义：将电脉冲信号转换为相应角位移或直线位移的机电执行元件。输入一个电脉冲信号，转子转动一个固定的角度，脉冲一个接一个输入，转子就一步一步转动。角位移量：与输入电脉冲的个数成正比。旋转速度：与输入电脉冲的频率成正比。旋转方向：由定子绕组的通电方式决定。2、步进电动机结构定子：由硅钢片叠成的定子铁芯和装在其上的多个绕组组成，定子绕组的个数称为相数。转子：由硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸级结构，凸级个数称为齿数。反应式步进电动机：转子没有励磁绕组。永磁式步进电动机：用永久磁铁做转子。3、步进电动机的工作原理

给某相绕组通电前，转子在转子齿偏离定子齿一个角度的位置。

绕组通电后，由于励磁磁通总是沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动，当转子转到与定子齿对齐位置时，因转子只受径向力而无切向力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。

错齿是促使步进电机旋转的根本原因。A相通电，B、C相不通电，转子齿1、3的轴线向定子A极轴线对齐，转子只受径向力，无切向力，转矩为0，被锁定在这个位置。B相通电时，定子B极轴线使最靠近的转子齿2、4的轴线向其对齐，转子在空间顺时针旋转了30度。C相通电时，定子C极轴线使最靠近的转子齿1、3的轴线向其对齐，转子在空间顺时针旋转了30度。通电顺序为A—B--Ｃ--Ａ，转子齿与齿的角度称齿距角，4个齿，一个齿距角为90度转子每步转过的角度称为步距角，一个步距角为30度结论：通电顺序改为A－Ｃ－Ｂ－Ａ，时，转子按逆时针方向一步一步转动。

改变通电顺序即改变转子旋转方向。

a.单相轮流通电方式(三相单三拍)：指对每相绕组单独轮流通电。正转：A－B－Ｃ－Ａ反转：A－Ｃ－Ｂ－Ａ

b.单双相轮流通电方式(三相单双六拍)：正转：A-AB-B-BC-C-CA-A反转：A-CA-C-BC-B-AB-Ac.双相轮流通电方式(三相双三拍)：正转：AB-BC-CA-AB反转：AC-CA-BC-AC单：每次只有一相绕组通电。双：每次有两相绕组通电。一拍：绕组每改变一次通电状态。相：定子绕组的个数。4.步进电动机的通电方式CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412A相通电，转子1、3齿与A、A'对齐。

A、B相同时通电，A、A'磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子转过15，到达左图所示位置。按三相单双六拍AABBBCC

CA的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。CA'BB'C'A3412

B相通电，转子2、4齿与B、B´对齐,又转过15。3412CA'BB'C'AB、C相同时通电，C'、C

磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子再转过15。AABBBCC

CA，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角），一个通电循环周期(6拍)转子转过90(齿距角)。AB通电CA'BB'C'A3412BC通电3412CA'BB'C'ACA通电CA'BB'C'A3412与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍。每拍转子转过30(步距角)，一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)。称三相双三拍方式若按ABBCCA的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。实用步进电机的步距角多为3和1.5

。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的。由一个通电状态改变到下一个通电状态时，转子所转过的角度称为步距角。步距角计算公式：Z—转子齿数K

—通电系数，当拍数等于相数时取1，否则取2m—定子相数绕组按一定顺序不断地轮流通电时，步进电动机就持续不断地旋转。如果电脉冲的频率为f(HZ)，步距角用弧度表示，则步进电动机的转速为：5、步距角细分绕组电流不是方波，而是阶梯波，电流分成多少个台阶，一个步距角细分成若干个步，得到“微步距”。

当步进电动机A相通电时，转子停在位置A，当由A相通电转为AB两相通电时，转子转过30度，停在A与B之间的位置I。若由A相通电转为AB两相通电，B相绕组中的电流不是由零一次上升到额定值，而是先达到额定值的1/2。由于转矩T与流过绕组的电流成线性关系，转子将不是顺时针转过30度，而是转过15度停在位置II。当由AB两相通电变为只有B相通电时，A相电流也不是突然一次下降为零，而是先降到额定值的1/2，转子将不是停在位置B而是停在位置III，将精度提高了一倍。分级越多，精度越高。

转子2齿1）矩角特性初始平衡位置：某相绕组通电后，转子上没有负载转矩，转子齿与定子齿对齐的位置。转子偏转角θ：转子齿偏离初始平衡位置的角度。定子每相绕组通电循环一周转过360度电角度，转子转过一个齿距角。转子转过角度θ，定子将转过电角度Zθ,Z为齿数，电角度θe=Zθ。矩角特性曲线T=f(θe)可近似地用一条正弦曲线表示，θe=±π

/2

在定子齿与转子齿顺时针或反时针错开1/4个齿距时，转矩T沿对应方向达到最大值，称为最大静转矩，负载转矩必须小于最大静转矩，否则，根本带不动负载。为了能稳定运行，负载转矩一般只能是最大静转矩的30%~50%左右。这一特性反映了步进电动机带负载的能力。6、步进电动机的主要特性CA'BB'C'A34123)．运行频率特性

步进电动机启动后，脉冲频率连续上升时，能不失步运行的最高脉冲重复频率称为连续运行频率。在实际应用中，启动频率比运行频率低得多。所以步进电动机在低频下启动，然后逐渐升至运行频率。停转时，先将脉冲信号的频率降到启动频率以下，再停止输入脉冲，步进电动机不失步的淮确停止。2）启动惯频特性空载时步进电动机由静止突然启动，保证不失步地进入正常运行状态所允许的最高脉冲频率称为启动频率。启动频率与机械系统的转动惯量有关。转子的转动惯量越小，在相同电磁力矩作用下加速度越大，极限启动频率越高。4）矩频特性

步进电动机在负载转动惯量一定且稳态运行时的最大输出转矩与脉冲重复频率的关系。最大输出转矩随脉冲重复频率的升高而下降。

频率升高，电流波形的前后沿占通电时间的比例越来越大。频率越高，平均电流越小，输出转矩也越小。频率高到一定程度的时候，步进电动机的输出转矩不足以克服自身摩擦转矩和负载转矩，其转子就会在原位置振荡而不作旋转运动，即步进电动机的失步。绕组低电感、电源高电压将获得下降缓慢的矩频特性。5）精度：

即步距误差最大值，步距累积误差最大值。最大步距误差是指电动机旋转一转相邻两步之间实际最大步距和理想步距的差值。连续走若干步后步距误差会形成累积值，但转子转过一周后，会回到上一周的稳定位置，所以步距的误差不会无限累积，只会在旋转一周的范围内存在一个最大累积误差。最大累积误差是指在一周范围内从任意位置开始经过任意步之后，角位移误差的最大值。直流伺服电动机，通常用于功率稍大的系统中，其输出功率一般为1W~600W。7、直流伺服电动机直流伺服电动机的结构和工作原理与直流他励电动机基本相同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些，以实现快速响应。直流伺服电动机的电路原理图供电方式：他励供电。励磁绕组和电枢分别由两个独立的电源供电。Uf为励磁电压，Uc为电枢电压MUfIfIcUc放大器U++––直流伺服电动机的接线图直流伺服电机的机械特性与他励直流电机相同一样，也可用下式表示改变控制电压Uc或改变磁通Φ都可以控制直流伺服电动机的转速和转向，即：电枢控制；磁场控制。由机械特性可知：(1)一定负载转矩下，当磁通Φ不变时，Ucn。(2)Uc=0时，电机立即停转。电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机反转。直流伺服电动机的机械特性曲线n=f(T)曲线(Uf=常数)Uc0.8Uc0.6Uc0.4UcnTO电枢控制具有响应迅速、机械特性硬、调速特性线性度好的优点，在实际生产中大都采用电枢控制方式。永磁式伺服电动机，只能采取电枢控制。直流伺服电动机缺点是有换向器，因而结构复杂，产生无线电干扰。8、交流伺服电动机交流伺服电动机的转子为永磁转子，定子上面放置了三相绕组。由电子换向器轮流供电，以产生旋转磁场。交流伺服电动机按气隙磁场分为两种：无刷直流电动机：气隙磁场按方波分布。永磁同步电动机：气隙磁场按正弦波分布。一、无刷直流电动机的结构

转子为永磁转子，电枢绕组放置在定子上，为多相绕组，接成星形。各相绕组与电子换向器电路中的晶体管开关连接。换向器是几个接触片围成圆型，换向器同时只接通两相绕组的触头。转子轴上装有位置检测装置，位置检测装置的输出信号，控制电子换向器中的晶体管的导通与截止。位置检测装置输出信号的波形为三路方波。二、无刷直流电动机的工作原理三、光电式位置检测装置带有小孔的光屏蔽罩和转轴连接在一起，并随转子绕固定光源旋转，光电池受到光束的照射，发出信号，从而检测出定子绕组需要进行换流的确切位置，使电子换向器中相应的晶体管导通，控制定子绕组依次换流。上例中，转子每转60度，就有一只晶体管换流。光屏蔽罩力矩电动机就是一种能和负载直接连接产生较大转矩，能带动负载在堵转或大大低于空载转速下运转的电动机。省去了减速器。异步型交流力矩电动机的工作原理与交流伺服电动机相同，但为了产生低转速大转矩，电动机做成径向尺寸大，轴向尺寸小的多磁极扁平形。直流力矩电动机具有良好的低速平稳性和线性的机械特性及调节特性，在生产中应用最广泛。9、力矩电动机直流力矩电动机的工作原理与直流伺服电动机相。直流伺服电动机为了减小转动惯量，大部分做成细长圆柱形，而直流力矩电动机为了能在相同体积和电枢电压的前提下，产生比较大的转矩及较低的转速，一般都做成扁平状。1、直流力矩电动机结构1、转矩大2、直流力矩电动特机性从直流电动机基本工作原理可知，直流电动机每个磁极下磁感应强度平均值B、电枢绕组导体上的电流Ia和导体的有效长度l，得到每根导体所受的电磁力F=BIal，可得电磁转矩为在相同的电枢体积πD2l、电流Ia、相同用铜量，绕组导线粗细不变的条件下，电枢铁芯直径D增大，电枢铁芯厚度l减小，电枢绕组总的导体数N随l减小而增加，使Nl不变。扁平形状的直流力矩电动机转矩T与直径D近似成正比例关系。2、转速低在理想空载条件下，外加电压与导体在磁场中运动切割磁力线所产生的感应电势平衡：

仍在相同的电枢体积和相同用铜量的条件下，Nl不变，扁平形状的直流力矩电动机理想空载转速n0与直径D近似成反比例关系。调速范围可达0.00017r/min~25r/min在电枢体积、电流以及用铜量相同的情况下，增大电动机直径，减小轴向长度，有利于增加电动机的转矩和降低空载转速，所以力矩电动机都做成扁平圆盘状结构。结论三、应用由于在设计、制造上保证了电动机能在低速或堵转下运行，在堵转情况下能产生足够大的力矩而不损坏电动机，加上它有精度高、反应速度快、线性度好等优点，因此，它常用在低速、需要转矩调节和需要一定张力的随动系统中作为执行元件。

直线电动机是一种能直接将电能转换为直线运动的伺服驱动元件。在交通运输、机械工业和仪器工业中，直线电动机已得到推广和应用。它为实现高精度、快响应和高稳定的机电传动和控制开辟了新的领域。直线电动机与旋转电动机在原理上基本相同，原则上，对于每一种旋转电动机都有其相应的直线电动机，按工作原理来可分为直线直流电动机、直线异步电动机、直线同步电动机

10、直线电动机直线异步电动机与鼠笼式异步电动机工作原理完全相同，两者只是在结构上有所差别。直线异步电动机相当于把旋转异步电动机沿径向剖开，并将定、转子圆周展开成平面。一、直线异步电动机的结构直线异步电动机的定子又叫初级，而它的转子叫次级。在实际应用中初级和次级不能做成完全相等长度，而应该做成初、次级长短不等的结构，如：平板型直线电动机由于短初级结构比较简单，一般常采用短初级。二、直线异步电动机的工作原理直线电动机是由旋转电动机演变而来的，当初级的多相绕组通入多相电流后，会产生一个气隙磁场，这个磁场的磁感应强度B按通电的相序顺序作直线移动，该