步进电机伺服电机结构PPT学习教案

1、会计学1步进电机伺服电机结构步进电机伺服电机结构PPT课件课件10.2 步进电动机机理机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号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，带动机械移电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移 动一小段距离。动一小段距离。特点特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。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。控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变方向。改变脉冲顺序，改变方向。第1页/共31页种类种类： 有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励

2、磁式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。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。和工作原理。第2页/共31页10.2.1 结构结构 步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均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 。定子转子定子绕组第3页/共31

3、页 定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。极组成一相。 注意：注意：这里的相和三相交流电中的这里的相和三相交流电中的“相相”的概念的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图不同。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。的联接和组数的区别。ABC定子转子IAIBIC第4页/共31页10.2.2 工作方式工作方式 步进电机的工作方式可分为：步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。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 2）三相绕组中的通电顺序为

4、：）三相绕组中的通电顺序为：A 相相 B 相相 C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为： A 相相 C 相相 B 相相 第5页/共31页（3）工作过程）工作过程化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁化，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。路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A 相通电，相通电，A 方向的磁方向的磁通经转子形成闭合回通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，则在磁场的作用下，转子被磁转子被磁A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐。CABBCA3412第6页/

5、共31页CABBCA3412同理，同理，B相通电，转子相通电，转子2、4齿和齿和B相轴线对齐，相轴线对齐，相对相对A相通电位置转相通电位置转30 ；C相通电再转相通电再转30 。1C342CABBA第7页/共31页 这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，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，所以称三相而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。单三拍。三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过）每来一个电脉冲，转子转过 30 。此角称为。此角称为步距角，用步距角，用 S表示。表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，）转子的

6、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。改变通电顺序即可改变转向。第8页/共31页二、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。CABBCA3412第9页/共31页所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了通电，转子转了15。（1）BB 磁场对磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向转动。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。CABBCA3412第10页/共31页总之，每个循环周期，有六

7、种通电状态，所以称总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为为三相六拍，步距角为15 。CABBCA3412B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。第11页/共31页三、三相双三拍三相绕组的通电顺序为： AB BC CA AB 共三拍。AB通电通电CABBCA3412CABBCA3412BC通电通电第12页/共31页以上三种工作方式，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工作方式为三相双三拍时，每通入一个电拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转脉冲，转子也是转30 ，即，即 S = 30 。CA通电通电CABBCA3412第13页/共3

8、1页10.2.3 小步距角的步进电动机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。第14页/共31页转子的齿距转子的齿距等于等于360 / 40=9 ，齿宽、齿槽各，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。第15页/共31页工作原理：假设是单三拍通电工作方式。（1）A 相通电时，定子相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对相的五个小齿和转子对齐。此时，齐。此时，B 相和相和 A 相空间差相空间差12

9、0120 ，含，含 120120 /9/9 = = 齿齿 A 相和相和 C 相差相差240240 ，含，含240240 / / 9 9 = = 个个齿。所以，齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿相的转子、定子的五个小齿对齐时，对齐时，B 相、相、C 相不能对齐，相不能对齐，B相的转相的转子、定子相差子、定子相差 1/3 1/3 个齿（个齿（3 3 ），），C相的转相的转子、定子相差子、定子相差2/32/3个齿（个齿（6 6 ）。）。31133226第16页/共31页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

10、断电、相断电、B 相通电后，转子只需转过相通电后，转子只需转过1/3个个 齿（齿（3 ），使），使 B 相转子、定子对齐。相转子、定子对齐。第17页/共31页f：电脉冲的频率 转速36060sfn 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mZrS360如：如：Zr=40 , m=3 时时3340360S步距角第18页/共31页10.3 伺服电动机 交流伺服电动机和直流伺服电动机。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

11、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和极性改变时，电动机的转动速度和方向也跟着变化变化。伺服电动机的作用第19页/共31页10.3.1 交流伺服电动机交流伺服电动机 原理原理与两相交流异步电机相同，定子上装有两个与两相交流异步电机相同，定子上装有两个绕组绕组 励磁绕组和控制绕组。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第20页/共31页励磁绕组中串联电容励磁绕组中串联电容C的目的是为了产生两相旋的目的是为了产生两相旋转磁场。转磁场。接线：接线：励磁绕组的接线励磁绕组的接线UCU1I1

12、U放放大大器器控制绕组的接线控制绕组的接线检检测测元元件件控制信号控制信号2U2IU第21页/共31页 适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电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流相位差接近9090 ，因此便产生旋转磁场，在旋转，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。磁场的作用下，转子便转动起来。 1UCU1I1U例：选择电容，可使交流伺服电机电路中的电压电例：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。流的相量关系如图所示。励磁绕组的接线励磁绕组的接线UCU1I1U第22页/共31页放放大大器器控制绕组的接线控制绕组的接线检检测测元元件件

13、控制信号控制信号2U2IU 工作时两个绕组中产生的电流工作时两个绕组中产生的电流 和和 的相的相位差近位差近90，因此便产生旋转磁场。在旋转磁因此便产生旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子转动起来。场的作用下，转子转动起来。1I2I控制电压控制电压 与与电源电压电源电压 两两者频率相同，相者频率相同，相位相同或反相。位相同或反相。2UU第23页/共31页（1）U2= 0 = 0 时，转子停止。时，转子停止。这时，虽然这时，虽然U2 = =0V，U1仍存在，似乎成单仍存在，似乎成单相运行状态，但和单相异步机不同。相运行状态，但和单相异步机不同。若单若单相电机启动运行后，出现单相后仍转。伺相电机启动

14、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。服电机不同，单相电压时设备不能转。交流伺服电动机的特交流伺服电动机的特点：点：原因：原因：交流伺服电机交流伺服电机 R2设计得较大。所以设计得较大。所以在在U2=0时，交流伺服电机的时，交流伺服电机的T=f(s)曲线如下曲线如下页图：页图：第24页/共31页 当当U2= =0V时，脉动磁场分成的正反向旋转磁场产时，脉动磁场分成的正反向旋转磁场产生的转距生的转距T 、T 的合成转矩的合成转矩 T 与单相异步机不同。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，

15、体现了控制信号的作用时，能立即停止，体现了控制信号的作用( (有控制电有控制电压时转动，无控制电压时不转压时转动，无控制电压时不转) )，以免失控。，以免失控。交流伺服电动机的交流伺服电动机的T=f(s)T=f(s)曲线（曲线（U U2 2=0=0时）时）sT210sTTT021反转反转正转正转第25页/共31页（3 3）控制电压）控制电压 U2 大小变化时，转子转速相应变大小变化时，转子转速相应变化，转速与电压化，转速与电压 U2 成正比。成正比。U2 的极性改的极性改变时，转子的转向改变。变时，转子的转向改变。（2）交流伺服电机交流伺服电机 R2设计得较大，使设计得较大，使Sm1，Tst大

16、，大，启动迅速，稳定运行范围大。启动迅速，稳定运行范围大。交流伺服电动机的机械特性曲线交流伺服电动机的机械特性曲线( U1=const )nTU20.8 U20.6 U20.4 U2Tn第26页/共31页 交流伺服电机的输出功率一般为交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，电，电源频率分源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广泛，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。如用在自动控制、温度自动记录等系统中。应用应用第27页/共31页10.3.2 直流伺服电动机直流伺服电动机结构：结构：与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做得细长一些。得细长一些。工作原理：与直流电动机相同。供电方式：供电方式：他励。励磁绕组和电枢由两个独立电他励。励磁绕组和电枢由两个独立电源供电：源供电：MU1IfIaU2放放大大器器UU1为励磁电压，为励磁电压，U2为电枢电压。为电枢电压。第28页/共31页由机械特性可知：由机械特性可知：(1)U1（即磁通（即磁通 ）不变时，一定的负载下，）不变时，一定的负载下，U2 ,n 。(2)U2=0时，电机立即停转。时，电机立即停转。反转：反转：