步进电机伺服电机工作原理

海南风光第 15讲第 10章控制电机 第 10章 控制电机 10.1 概述10.2 步进电动机10.2.1 结构10.2.2 工作方式10.2.3 小步距角的步进电动机10.3 伺服电动机10.3.1 交流伺服电动机10.3.2 直流伺服电动机前面介绍的异步电动机、直流电动机等都是作为动力使用的，其主要任务是能量转换，例如将电能转换为机械能。本章介绍控制电机。 10.1 概述如：伺服机将电压信号转换为转矩和转速；步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移。控制电机的主要功能是转换和传递信号。控制电机的种类很多，本章主要介绍 步进机、伺服机。对控制电机的主要要求： 动作灵敏、准确、重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等。10.2 步进电动机机理 ： 步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号 转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。特点 ： (1)来一个脉冲，转一个步距角。(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)改变脉冲顺序，改变方向。种类 ：有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。应用：步进机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动绘图仪等设备中都得到应用。下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。10.2.1 结构步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极 。定子转子定子绕组定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。注意： 这里的相和三相交流电中的 “ 相 ” 的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。ABC定子转子IAIBIC10.2.2 工作方式步进电机的工作方式可分为： 三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。一、三相单三拍（ 1）三相绕组联接方式： Y 型（ 2）三相绕组中的通电顺序为：A 相 B 相 C 相通电顺序也可以为：A 相 C 相 B 相（ 3）工作过程化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A 相通电， A 方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁A 相通电使转子 1、 3齿和 AA 对齐。CABB CA3412CABB CA34 12同理， B相通电，转子 2、 4齿和 B相轴线对齐，相对 A相通电位置转 30； C相通电再转 30。1 C342CABBA这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。三相单三拍的特点：（ 1）每来一个电脉冲，转子转过 30。此角称为步距角，用 S表示。（ 2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。二、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：AABBBCCCAA 共六拍。工作过程：A相通电， 转子 1、 3齿和 A相对齐。CABB CA3412所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对 AA 通电，转子转了 15。（ 1） BB 磁场对 2、 4 齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动。A、 B相同时通电（ 2） AA 磁场继续对 1、 3齿有拉力。CABB CA34 12总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为 15。CABB CA34 12B相通电， 转子 2、 4齿和 B相对齐，又转了 15。三、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：AB BC CA AB 共三拍。AB通电CABB CA34 12CABB CA34 12BC通电以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30，即 S = 30。CA通电CABB CA34 1210.2.3 小步距角的步进电动机 实际采用的步进电机的步距角多为 3度和 1.5度，步距角越小，机加工的精度越高。为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子 40个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁极上也有五个齿。转子的齿距 等于 360/ 40=9 ，齿宽、齿槽各 4.5 。为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。工作原理： 假设是单三拍通电工作方式。（ 1） A 相通电时，定子 A 相的五个小齿和转子对齐。此时， B 相和 A 相空间差 120，含120/9 = 齿A 相和 C 相差 240，含 240/ 9 = 个齿。所以， A 相的转子、定子的五个小齿对齐时， B 相、 C 相不能对齐， B相的转子、定子相差 1/3 个齿（ 3）， C相的转子、定子相差 2/3个齿（ 6）。若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转 1.5 。异步机的转动方向仍由相序决定。同理， C 相通电再转 3 （ 2） A 相断电、 B 相通电后，转子只需转过 1/3个 齿 （ 3），使 B 相转子、定子对齐。f： 电脉冲的频率转速步进机通过一个电脉冲 ,转子转过的角度 ,称为步距角。m:一个周期的运行拍数Zr： 转子齿数如： Zr=40 , m=3 时步距角10.3 伺服电动机交流伺服电动机和直流伺服电动机。伺服电动机分类 ：伺服电动机的作用是驱动控制对象。被控对象的转距和转速受信号电压控制，信号电压的大小和极性改变时，电动机的转动速度和方向也跟着变化 。伺服电动机的作用10.3.1 交流伺服电动机原理 与两相交流异步电机相同，定子上装有两个绕组 励磁绕组和控制绕组。励磁绕组和控制绕组在空间相隔 90。控制绕组励磁绕组转子励磁绕组中串联电容 C的目的是为了产生两相旋转磁场。接线：励磁绕组的接线放大器控制绕组的接线检测元件控制信号适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近 90，因此便产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。1例：选择电容，可使交流伺服电机电路中的电压电流的相量关系如图所示。励磁绕组的接线放大器控制绕组的接线检测元件控制信号工作时两个绕组中产生的电流 和 的相位差近 90， 因此便产生旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子转动起来。控制电压 与电源电压 两者频率相同，相位相同或反相。（ 1） U2= 0 时，转子停止。这时，虽然 U2 =0V， U1仍存在，似乎成单相运行状态，但和单相异步机不同。 若单相电机启动运行后，出现单相后仍转。伺服电机不同，单相电压时设备不能转。交流伺服电动机的特点：原因： 交流伺服电机 R2设计得较大。所以在 U2=0时，交流伺服电机的 T=f(s)曲线如下页图：当 U2=0V时，脉动磁场分成的正反向旋转磁场产生的转距 T、 T 的合成转矩 T 与单相异步机不同。合成转矩的方向与旋转方向相反，所以电机在 U2=0V时，能立即停止，体现了控制信号的作用 (有控制电压时转动，无控制电压时不转 )，以免失控。交流伺服电动机的T=f(s)曲线（ U2=0时）sT210s“T“TT 021反转正转（ 3）控制电压 U2 大小变化时，转子转速相应变化，转速与电压 U2 成正比。 U2 的极性改变时，转子的转向改变。（ 2） 交流伺服电机 R2设计