步进电机伺服电机工作原理

1、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

2、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

3、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

4、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： AB BC CA AB 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

5、 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

6、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

7、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

8、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0.1-100 W，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