常用电机与控制—步进电机, 伺服电机.doc

随着生产过程机械化、电气化和自动化的不断发展，出现了各种类型的特种电动机。这些电动机的工作原理，一般与普通的异步电动机和直流电动机的基本原理近似，但是它们在性能、结构、生产工艺上各有其特殊性，多用于自动控制过程中。一般来说，这些电动机的功率不大，小的只有几分之一瓦，大的也不过几十瓦或几百瓦，属于微型电动机的范围。步进电动机一般电动机都是连续旋转，而步进电动却是一步一步转动的，故叫步进电动机。每输入一个冲信号，该电动机就转过一定的角度（有的步进电动机可以直接输出线位移，称为直线电动机）。因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移（或直线位移）的执行元件。步进电动机的转子为多极分布，定子上嵌有多相星形连接的控制绕组，由专门电源输入电脉冲信号，每输入一个脉冲信号，步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号，输出的角位移是断续的，所以又称为脉冲电动机。随着数字控制系统的发展，步进电动机的应用将逐渐扩大。步进电动机的种类很多，按结构可分为反应式和激励式两种；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。(原文件名:图1反应式步进电动机的结构示意图MCU060019_01.gif)引用图片图1是反应式步进电动机结构示意图，它的定子具有均匀分布的六个磁极，磁极上绕有绕组。两个相对的磁极组成一组，联法如图所示。下面介绍反应式步进电动机单三拍、六拍及双三拍通电方式的基本原理。一、单三拍通电方式的基本原理设A相首先通电（B、C两相不通电），产生A-A轴线方向的磁通，并通过转子形成闭合回路。这时A、A极就成为电磁铁的N、S极。在磁场的作用下，转子总是力图转到磁阻最小的位置，也就是要转到转子的齿对齐A、A极的位置（图2a）；接着B相通电（A、C两相不通电），转了便顺时针方向转过30，它的齿和C、C极对齐（图2c）。不难理解，当脉冲信号一个一个发来时，如果按ACBA的顺序通电，则电机转子便逆时针方向转动。这种通电方式称为单三拍方式。(原文件名:图2单三拍通电方式时转子的位置MCU060019_02.gif)引用图片二、六拍通电方式的基本原理设A相首先通电，转子齿与定子A、A对齐（图3a）。然后在A相继续通电的情况下接通B相。这时定子B、B极对转子齿2、4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是A、A极继续拉住齿1、3，因此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图3b所示，即转子从图(a)位置顺时针转过了15。接着A相断电，B相继续通电。这时转子齿2、4和定子B、B极对齐（图c），转子从图(b)的位置又转过了15。其位置如图3d所示。这样，如果按AA、BBB、CCC、AA的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角15。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。如果按AA、CCC、BBB、AA的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。这种通电方式称为六拍方式。(原文件名:图3六拍通电时转子位置MCU060019_03.gif)引用图片a.A相通电b.A、B相通电c.B相通电d.B、C相通电三、双三拍通电方式的基本原理如果每次都是两相通电，即按A、BB、CC、AA、B的顺序通电，则称为双三拍方式，从图3b，和图3d可见，步距角也是30。因此，采用单三拍和双三拍方式时转子走三步前进了一个齿距角，每走一步前进了三分之一齿距角；采用六拍方式时，转子走六步前进了一个齿距角，每走一步前进了六分之一齿距角。因此步距角可用下式计算：360/Zrm式中Zr是转子齿数；m是运行拍数。一般步进电动机最常见的步距角是3或15。由上式可知，转子上不只4个齿（齿距角90），而有40个齿（齿距角为9）。为了使转子齿与定子齿对齐，两者的齿宽和齿距必须相等。因此，定子上除了6个极以外，在每个极面上还有5个和转子齿一样的小齿。步进电动机的结构图如图4所示。(原文件名:图4三相反应式步进电动机的结构图MCU060019_04.gif)引用图片由上面介绍可知，步进电动机具有结构简单、维护方便、精确度高、起动灵敏、停车准确等性能。此外，步进电动机的转速决定于电脉冲频率，并与频率同步。四、步进电动机的驱动电源步进电动机需配置一个专用的电源供电，电源的作用是让电动机的控制绕组按照特定的顺序通电，即受输入的电脉冲控制而动作，这个专用电源称为驱动电源。步进电动机及其驱动电源是一个互相联系的整体，步进电动机的运行性能是由电动机和驱动电源两者配合所形成的综合效果。1、对驱动电源的基本要求（1）驱动电源的相数、通电方式和电压、电流都工满足步进电动机的需要；（2）要满足步进电动机的起动频率和运行频率的要求；（3）能最大限度地抑制步进电动机的振荡；（4）工作可靠，抗干扰能力强；（5）成本低、效率高、安装和维护方便。2、驱动电源的组成步进电动机的驱动电源基本上由脉冲发生器、脉冲分配器和脉冲放大器（也称功率放大器）三部分组成，如图5所示。(原文件名:图5步进电动机驱动电源的方框图MCU060019_05.gif)引用图片（1）脉冲发生器脉冲发生器是一个脉冲频率由几赫到几十千赫可连续变化的脉冲信号发生器。脉冲发生器可以采用多种线路，最常见的有多谐振荡器和单结晶体管构成的张弛振荡器两种，它们都是通过调节电阻R和电容C的大小来改变电容器充放电的时间常数，以达到改变脉冲信号频率的目的。图6是两种实用的多谐振荡电路，它们分别由反相器和非门构成，振荡频率由RC决定，改变R值即可改变脉冲频率。(原文件名:图6脉冲发生器实用电器MCU060019_06.gif)引用图片（2）脉冲分配器脉冲分配器中由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路，它根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加在脉冲放大器上，使步进电动机按确定的运行方式工作。下面着重介绍CH250环形脉冲分配器。CH250环形脉冲分配器是三相步进电动机的理想脉冲分配器，通过其控制端的不同接法可以组成三相双三拍和三相六拍的不同工作方式，如图7、图8所示。(原文件名:图7CH250三相双三拍接法MCU060019_07.gif)引用图片(原文件名:图8CH250三相六拍接法MCU060019_08.gif)引用图片J3r、J3L两端子是三相双三拍的控制端，J6r、J6L是三相六拍的控制端，三相双三拍工作时，若J3r“1”，而J3L“0”，则电机正转；若J3r“0”，J3L“1”，则电机反转；三相六拍供电时，若J6r“1”，J6L“0”，则电机正转；若J6r“0”，J6L“1”，电机反转。R2是双三拍的复位端，R1是六拍的复位端，使用时，首先将其对应复位端接入高电平，使其进入工作状态，然后换接到工作位置。CL端是时钟脉冲输入端，EN是时钟脉冲允许端，用以控制时钟脉冲的允许与否。当脉冲CP由CL端输入，只有EN端为高电平时，时钟脉冲的上升沿才起作用。CH250也允许以EN端作脉冲CP的输入端，此时，只有CL为低电平时，时钟脉冲的下降沿才起作用。A0、B0、C0为环形分配器的三个输出端，经过脉冲放大器（功率放大器）后分别接到步进电动机的三相线上。CH250环形脉冲分配器的功能关系如表1所列。(原文件名:CH250环形脉冲分配器的功能关系.jpg)引用图片（3）脉冲放大器（功率放大器）由于脉冲分配器输出端A0、B0、C0的输出电流很小，如CH250脉冲分配器的输出电流大约为200-400A，而步进电动机的驱动电流较大，如75BF001型步进电动机每相静态电流为3A，为了满足驱动要求，脉冲分配器输出的脉冲需经脉冲放大器（即功率放大器）后才能驱动步进电机。图9是一个实用的脉冲放大电路，图中使用三级晶体管放大，第一级用3DG6小功率管，第二级用3DK4中功率管，第三级用3DD15大功率管，R6为步进电动机限流电阻，随所配电机不同而异。(原文件名:图9脉冲放大器实用电路MCU060019_09.gif)引用图片(原文件名:图10高低压切换驱动电源的原理图MCU060019_10.gif)引用图片图9所示电路是单电压型驱动电源，它的特点是：线路简单，电阻R6与控制绕组串联后，可以减小回路的时间常数；但是由于R6上要消耗功率，使电源的效率降低，用这种电源供电的步进电动机的起动和运行频率都不会太高。为了提高电源效率及工作频率，可采用高、低压切换型电源，其原理如图10所示。高压供电是用来加速电流的增长速度，而低压是用来维持稳定的电流值。低压电源中串联一个数值较小的电阻，其目的是为了调节控制绕组的电流，使各相电流平衡。伺服电动机又叫执行电动机，或叫控制电动机。在自动控制系统中，伺服电动机是一个执行元件，它的作用是把信号（控制电压或相位）变换成机械位移，也就是把接收到的电信号变为电机的一定转速或角位移。其容量一般在0.1-100W,常用的是30W以下。伺服电动机有直流和交流之分。一、交流伺服电动机交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似，如图1所示。其定子上装有两个位置互差90的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子，如图2所示。空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。(原文件名:图2空心杯形转子伺服电动机结构MCU060020_02.gif)引用图片交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点：1、起动转矩大由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率S01，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。(原文件名:图3伺服电动机的转矩特性MCU060020_03.gif)引用图片2、运行范围较宽如图3所示，较差率S在0到1的范围内伺服电动机都能稳定运转。3、无自转现象正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性（T1S1、T2S2曲线）以及合成转矩特性（TS曲线）如图4所示，与普通的单相异步电动机的转矩特性（图中TS曲线）不同。这时的合成转矩T是制动转矩，从而使电动机迅速停止运转。(原文件名:图4伺服电动机单相运行时的转矩特性MCU060020_04.gif)引用图片图5是伺服电动机单相运行时的机械特性曲线。负载一定时，控制电压Uc愈高，转速也愈高，在控制电压一定时，负载增加，转速下降。(原文件名:图5伺服电动机的机械特性MCU060020_05.gif)引用图片交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。当电源频率为50Hz，电压有36V、110V、220、380V；当电源频率为400Hz，电压有20V、26V、36V、115V等多种。交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重，所以只适用于0.5-100W的小功率控制系统。二、直流伺服电动机直流伺服电动机的结构和一般直流电动机一样，只是为了减小转动惯量而做得细长一些。它的励磁绕组和电枢分别由两个独立电源供电。也有永磁式的，即磁极是永久磁铁。通常采用电枢控制，就是励磁电压f一定，建立的磁通量也是定值，而将控制电压Uc加在电枢上，其接线图如图6所示。(原文件名:图6直流伺服电动机接线图MCU060020_06.gif)引用图片直