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,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。,IA,IB,IC,10.2.2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,（3）工作过程,A相通电使转子1、3齿和AA对齐。,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。,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。,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。,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。,B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：ABBCCAAB共三拍。,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。,10.2.3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。,步进机通过一个电脉冲,转子转过的角度,称为步距角。,10.3伺服电动机,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。,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,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。,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。,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。,（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设计得较大，使Sm1，Tst大，启动迅速，稳定运行范围大。,交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100W，电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广泛，如用在自动控制、温度自动记录等系统中。,应用,10.3.2直流伺服电动机,结构：与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做得细长一些。,工作原理：与直流电动机相同。,供电方式：他励。励磁绕组和电枢由两个独立电源供电：,由机械特性可知：(1)U1（即磁通）不变时，一定的负载下，U2,n