特种电机结构、控制原理及应用

1、 课 程 设 计 报 告课题名称特种电机的结构、控制原理及应用 目 录摘 要IIIABSTRACTIV第1章 绪论11.1 课题背景11.2 课题意义及主要工作1第2章 步进电动机22.1步进电动机的分类、结构及特点22.1.1步进电动机的分类22.1.2步进电动机的结构及特点22.2步进电动机的工作原理、主要参数及特性42.2.1步进电动机的工作原理42.2.2主要参数及特性52.3步进电动机的应用6第3章 三相交流伺服电动机73.1交流伺服电动机结构73.2交流伺服电动机工作原理73.2.1交流伺服电动机工作原理73.2.2交流伺服电动机有以下三种转速控制方式83.3三相交流伺服电动机的应

2、用8第4章总结9参考文献10谢 辞11摘 要随着自动化技术、计算机技术、电力电子技术的发展，特别是高性能永磁材料的问世，电动机制造技术水平得到了极大的提高，也为特种电动机的制造、控制和应用提出了更高的要求，提供了更广阔的发展空间。本旨在通过对特种电动机的构造、调速控制原理及应用的介绍，达到快速学习特种电动机控制技术及应用的目的。本次课题设计着重介绍步进电动机、伺服电动机的的结构、控制原理及应用。关键词：特种电机、步进电动机、伺服电动机ABSTRACTAlong with the automation technology, computer technology, the developmen

3、t of power electronic technology, especially the high performance permanent magnetic materials available, motor manufacturing technology level has been greatly improved, but also for the special motor manufacturing, control and application put forward higher request, provided more vast development s

4、pace.This aims to construct special motor, speed control principle and application, achieve rapid learning special motor control technology and application for the purpose of. This design introduced the stepper motor, servo motor structure, control principle and application.Keywords: special motor,

5、stepper motor, servo motor10第1章 绪论1.1 课题背景当今世界，各种先进的科学技术飞速发展，给人们的生活带来了深远的影响，它极大的改善我们的生活方式。在以特种电机为代表的电力拖动系统的发展更是日新月异，从各个方面影响和改变着我们的生活，而其中的步进电动机、伺服电动机技术的发展更为迅速，已经渗透到了我们生活的各个方面，其发展给我们的生活和生产带来了极大的方便，以致人们已经离不开电动机。步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁机械装置，由于所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲马达。步进电动机是一种特殊的电动机，一般电动机通电后连续旋转，而步进电动机则跟随输人脉

6、冲按节拍一步一步地转动。每施加一个电脉冲信号，步进电动机就旋转一个固定的角度，称为一步，每一步所转过的角度叫做步距角。步进电动机的角位移量和输人脉冲的个数成正比，在时间上与输人脉冲同步，因此，只需控制输人脉冲的数量、频率及电动机绕组通电相序，便可获得所需的转角、转速及旋转方向。无脉冲输入时，在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而处于定位状态。三相交流伺服电动机划分为永磁同步伺服电动机和交流异步伺服电动机。永磁同步伺服电动机和交流异步伺服电动机相比较，有以下特点：(1)永磁同步伺服电动机的造价要比交流异步伺服电机昂贵。（2）永磁同步电动机转子使用永磁材料，所以容量通常限制在5.5KW以

7、下，容量再增大就有困难。而交流异步伺服电动机就没有容量限制这方面的问题。（3）永磁同步伺服电动机当转矩达到一定时，会使永磁体退磁，而交流异步伺服电动机不存在这现象。（4）永磁同步伺服电动机的转子上有永磁体，所以当电动机在高速运行时，永磁体有脱落的危险。（5）永磁同步伺服电动机由于转子使用永磁体构成，所以在运行时转子不产生热量，而三相交流异步伺服电动机的转子则会在运行时产生大量的热，所以在发热状况方面，永磁同步伺服机要比交流异步伺服电机优越。1.2 课题意义及主要工作作为专科学校的课题设计报告，事实上无实际利用价值。但从可课题设计中学习到许多专业知识及见识一些其他学科的内容。了解到电气行业的发展

8、，这对于一个马上要毕业的学生来说十分的重要。本次课题设计主要讲了步进电动机、伺服电动机的结构、控制原理及应用。本次课题设计的主要工作主要是续写电机的基本知识。使自己进一步了解步进电动机、伺服电动机的结构、控制原理及应用。第2章 步进电动机步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁机械装置，由于所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲马达。步进电动机是一种特殊的电动机，一般电动机通电后连续旋转，而步进电动机则跟随输人脉冲按节拍一步一步地转动。每施加一个电脉冲信号，步进电动机就旋转一个固定的角度，称为一步，每一步所转过的角度叫做步距角。步进电动机的角位移量和输人脉冲的个数成正比，在时间上与输人脉

9、冲同步，因此，只需控制输人脉冲的数量、频率及电动机绕组通电相序，便可获得所需的转角、转速及旋转方向。无脉冲输入时，在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而处于定位状态。2.1步进电动机的分类、结构及特点2.1.1步进电动机的分类步进电动机的种类繁多，有旋转运动的、直线运动的和平面运动的。按作用原理分，步进电机有反应式(磁阻式)、感应子式、永磁式和混合式四大类。按输出功率和使用场合分类，分为功率步进电机和控制步进电机。按定子数目可分为单段定子式(径向式)与多段定子式(轴向式)。按相数可分为两相、三相、四相、五相、六相等。2.1.2步进电动机的结构及特点各种步进电机都有定子和转子，但因类型

10、不同，结构也不完全一样。反应式步进电动机的结构如图35所示，它由定子1、定子绕组2和转子3组成。图35(a)所示为三相单定子径向分相式反应式步进电动机的结构图，定子上有6个均布的磁极，在直径相对的两个极上的线圈串联，构成了一相控制绕组；每个定子极上均布一定数目的齿，齿槽距相等，转子上无绕组，只有均布一定数目的齿，齿槽等宽。图35(b)所示为五相多定子轴向分相式反应式步进电动机的结构图，它的定子轴向排列，定子和转子铁心都成五段，每段一相，依次错开排列，每相是独立的，这就是五相反应式步进电动机。 (a)三相单定子径向分相式 (b)五相多定子轴向分相式图1 反应式步进电动机的结构1定子；2定子绕组；

11、3转子感应子式步进电机分为励磁式和永磁式两种。感应子式步进电机的结构与反应式步进电机的结构相似，其定子转子铁心的磁场和齿槽均一样，两者的差别是感应子式步进电机存在轴向恒定磁场。励磁感应子式步进电机是靠转子上的励磁绕组产生轴向磁场；永磁感应子式步进电机的转子由一段环形磁钢(在转子中部)和二段铁心(在环形磁钢的两端)，轴向充磁，建立轴向磁场。轴向磁场可以改善步进电机的动态特性，发展趋势将取代反应式步进电机。永磁式步进电机的转子为永久磁铁，定子为软磁材料，其上有励磁绕组。该种电机有多种结构形式，常用形式有爪极式和隐极式。爪极式步进电机结构一般采用二相或四相绕组；隐极式步进电机结构与反应式步进电机一样

12、，有二、三、四、五相等多种绕组。混合式步进电动机的结构和工作原理兼有反应式和永磁式两种电动机的特点，由于转子上有磁钢，因此产生同样大小的转矩，需要的励磁电流大大减小；同时它还具有步距角小，起动和运行频率高，不通电时有定位转矩等优点，在小型、经济型数控机床中被广泛应用。步进电动机用作执行元件具有以下优点：角位移输出与输入的脉冲数相对应，每转一周都有固定步数，在不丢步的情况下运行，步距误差不会长期积累，同时在负载能力范围内，转速仅与脉冲频率高低有关，不受电源电压波动或负载变化的影响，也不受环境条件如温度、气压、冲击和振动等影响，因而可组成结构简单而精度高的开环控制系统。有的步进电动机在停机后某相绕

13、组保持通电状态，即具有自锁能力，停止迅速，不需外加机械制动装置。此外，步距角能在很大的范围内变化、例如从几分到几十度，适合不同传动装置的要求，且在小步距角的情况下，可以不经减速器而获得低速运行，当采用了速度和位置检测装置后也可用于闭环、半闭环伺服系统中。2.2步进电动机的工作原理、主要参数及特性2.2.1步进电动机的工作原理下面以图36所示的反应式三相步进电动机为例，来说明步进电动机的工作原理。定子上有6个磁极，分成A、B、C三相，每个磁极上绕有励磁绕组，按串联（或并联）方式联接，使电流产生的磁场方向一致，转子无绕组，它是由带齿的铁心做成的，步进电动机的工作原理与电磁铁相似：当定子绕组按顺序轮

14、流通电时，A、B、C三对磁极就依次产生磁场，每次对转子的某一对齿产生电磁转矩，使它一步步转动。每当转子某一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零，每次就在此时按一定方向切换定子绕组各相电流，使转子按一定方向一步步转动。图2反应式三相步进电动机的工作原理图当A相通电时，B相和C相都不通电，由于磁通总是沿着磁阻最小的路径通过，使转子的1、3齿与定子A相的两个磁极齿对齐，此时，因转子只受到径向力而无切向力，故转矩为零，转子被锁定在该位置上；随后A相断电，B相通电，转子受电磁力的作用，逆时针旋转，使2、4齿与B相磁极齿对齐；若使B相断电，C相通电，转子再转，使1、3齿与C转子再转，使1

15、、3齿与C相磁极齿对齐；当C相断电，A相再次通电时，2、4齿与A相磁极齿对齐，转子又转过。依此类推，形成步进式旋转。2.2.2主要参数及特性步进电机主要评价参数有步距角、最大静态转矩与输出转矩、起动转矩与频率、最高运行频率等。(1) 步距角步进电动机的步距角是步进电动机绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度，它反映了步进电机的分辨能力，决定步进式伺服系统脉冲当量的重要参数。步距角一般由定子相数、转子齿数和通电方式决定，即式中，m为步进电机定子相数；z为步进电机转子齿数；k为通电方式，相邻两次通电的相数一样，则k1；反之单双相轮流通电，k2。步距角一般有，等数十种，其中，用得较多。步距精度是指

16、实测的步距角与理论的步距角之差，也称为步距误差。目前国产控制步进电机的步距精度为，精度较高的可达，功率步进电机的步距精度为。(2) 启动频率空载时，步进电动机由静止状态突然启动，并进入不丢步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突调频率。加到步进电动机的指令脉冲频率如果大于启动频率，就不能正常工作。步进电动机在带负载(尤其是惯性负载)下的启动频率比空载要低，而且随着负载加大，启动频率会进一步降低。(3) 连续运行频率步进电动机起动以后，其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。连续运行频率远大于启动频率，且随着电动机所带负载的性质、大小而异，也与驱动电源有较大

17、关系。(4) 静态矩角特性当步进电机不改变通电状态时，转子处在不动状态，如果在电动机轴上加一个负载转矩(静态转矩)，定子与转子就产生一个角位移(失调角)，描述静态时静态转矩与失调角的关系称为矩角特性，如图37(a)所示。该特性上电磁转矩的最大值称为最大静转矩。在静态稳定区内，当外加转矩除去时，转子在电磁转矩作用下仍能回到稳定平衡点位置。(5) 矩频特性与动态转矩步进电动机的矩频特性描述的是步进电动机连续稳定运行时输出转矩与频率的关系，如图37(b)所示。该特性曲线上每一个频率对应的转矩称为动态转矩，一般情况下，随着运行频率的增高，输出力矩下降，到某一频率后，步进电动机的输出力矩已变得很小，带不

18、动负载或受到一个很小的干扰，步进电动机就会产生振荡、失步或停转。因此，动态转矩的大小直接影响步进电动机的动态性能及带负载的能力。(6) 加减速特性步进电动机的加减速特性是描述步进电动机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定于绕组通电状态的变化频率与时间的关系，如图37(c)所示。当要求步进电动机起动到大于突跳频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；同样从最高工作频率或高于突跳频率的工作频率到停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和逐渐下降的加、减速时间不能过小，否则会产生失步或起步。图3步进电动机的工作特性曲线2.3步进电动机的应用由于步进电动机有上述特点和优点而广泛应用在机械、

19、治金、电力、纺织、电信、电子、仪表、化工、轻工、办公自动化设备、医疗、印刷以及航空航天、船舶、兵器、核工业等国防工业等领域。例如机械行业中, 在数控机床上的应用, 可以算是典型的例子。可以说步进电动机是经济型数控机床的核心。而由步进系统实现开环控制, 使得改变加工对象快捷、系统调试方便、工作可靠、成本较低的数控机床成为当前机床发展的主要方向之一。其它行业中应用实例有如: 印刷机械、包装机械、梭织机、电脑绣花机、钟表、户外自动广告牌、自动移靶机、计算机外设、自动绘图仪、吸脂机等。第3章 三相交流伺服电动机伺服电动机在伺服系统中控制机械元件运转的发动机.是一种补助马达间接变速装置。又称执行电动机，

20、在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。 交流伺服电机是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。 3.1交流伺服电动机结构 三相交流伺服电动机的定子绕组和单相异步电动机相似，它的定子上装有两个在空间相差90°电角度的绕组，即励磁绕组和控制绕组。运行时励磁绕组始终加上一定的交流励磁电压，控制绕组上则加大

21、小或相位随信号变化的控制电压。转子的结构形式笼型转子和空心杯型转子两种。笼型转子的结构与一般笼型异步电动机的转子相同，但转子做的细长，转子导体用高电阻率的材料作成。其目的是为了减小转子的转动惯量，增加启动转矩对输入信号的快速反应和克服自转现象。空心杯形转子交流伺服电动机的定子分为外定子和内定子两部分。外定子的结构与笼型交流伺服电动机的定子相同，铁心槽内放有两相绕组。空心杯形转子由导电的非磁性材料（如铝）做成薄壁筒形，放在内、外定子之间。杯子底部固定于转轴上，杯臂薄而轻，厚度一般在0.20.8mm，因而转动惯量小，动作快且灵敏。图4  三相交流伺服电动机结构 图5 交流伺服电动机原理图

22、3.2交流伺服电动机工作原理3.2.1交流伺服电动机工作原理交流伺服电动机的工作原理和单相异步电动机相似，LL是有固定电压励磁的励磁绕组，LK是有伺服放大器供电的控制绕组，两相绕组在空间相差90°电角度。如果IL与Ik 的相位差为90°，而两相绕组的磁动势幅值又相等，这种状态称为对称状态。与单相异步电动机一样，这时在气隙中产生的合成磁场为一旋转磁场，其转速称为同步转速。旋转磁场与转子导体相对切割，在转子中产生感应电流。转子电流与旋转磁场相互作用产生转矩，使转子旋转。如果改变加在控制绕组上的电流的大小或相位差，就破坏了对称状态，使旋转磁场减弱，电动机的转速下降。电机的工作状态

23、越不对称，总电磁转矩就越小，当除去控制绕组上信号电压以后，电动机立即停止转动。这是交流伺服电动机在运行上与普通异步电动机的区别。           3.2.2交流伺服电动机有以下三种转速控制方式（1）幅值控制   控制电流与励磁电流的相位差保持90°不变，改变控制电压的大小。（2） 相位控制  控制电压与励磁电压的大小，保持额定值不变，改变控制电压的相位。（3）幅值相位控制  同时改变控制电压幅值和相位。交流伺服电动机转轴的转向随控制电压相位的

24、反相而改变。3.3三相交流伺服电动机的应用 伺服电动机的工作特性是以机械特性和调节特性为表征。在控制电压一定时，负载增加，转速下降；它的调节特性是在负载一定时，控制电压越高，转速也越高。伺服电动机有三个显著特点：（1）启动转矩大由于转子导体电阻很大，可使临界转差率，定子一加上控制电压，转子立即启动运转（2）运行范围宽在转差率从到的范围内都能稳定运转（3）无自转现象控制信号消失后，电动机旋转不停的现象称自转自转现象破坏了伺服性，显然要避免正常运转的伺服电动机只要失去控制电压后，伺服电动机就处于单相运行状态。由于转子导体电阻足够大，使得总电磁转矩始终是制动性的转矩，当电动机正转时失去（控制电压），产生的转矩为负（）。而反转时失去UK，产生的转矩为正（1S2时，不会产生自转现象，可以自行制动，迅速停止运转，这也是交流伺服电动机与异步电动机的重要区别。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，如用在各种自动控制、自