第五章控制电机

1、第五章 控制电机机电传动控制Page 2步进电动机 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件。每当一个脉冲信号施加于电机的控制绕组时，其转轴就转过一个固定的角度（步距角），顺序连续地发给脉冲，则电机轴一步接一步地运转。5.1 步进电机Page 3步进电动机特点：n 步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比，运行中无累积误差。n 步进电机能方便地实现正、反转和调速、定位控制。特别是不需位置传感器或速度传感器就可以在开环控制下精确定位或同步运行。n 步进电动机的缺点是不能达到很高的转速（一般每分钟小于10001000到20002000转）。存在低频振荡、失步和高频失步等缺陷。另外，

2、步进电机自身的噪声和振动较大。 5.1 步进电机Page 4步进电动机的分类 步进电动机的种类很多，按工作原理分，有反应式（Variable-reluctance）、永磁式（Permanent-magnet）、混合式（Hybrid）三种。按输出转矩大小分，有快速步进电机、功率步进电机。按励磁相数分有二、三、四、五、六、八相等。按定子排列还可分为多段式(轴向式)和单段式(径向式)。 5.1 步进电机Page 5定子定子转子转子反应式步进电动机5.1 步进电机Page 6两相四极定子两相四极定子转子转子反应式步进电动机5.1 步进电机Page 7叠片叠片 磁极磁极转子内磁铁转子内磁铁混合式步进电动

3、机5.1 步进电机Page 8转子转子 两相四极定子两相四极定子混合式步进电动机5.1 步进电机Page 9 转子部分由转子铁心、转轴等组成。转子铁心是由硅钢片或软磁材料叠压而成的齿形铁心。图中转子上有4 4个凸齿。 若对励磁绕组以一定方式通以直流励磁电流，则转子以相应的方式转动。其转动原理其实就是电磁铁的工作原理 。 AAK1K2K3BCBC三相反应式步进电动机工作原理5.1 步进电机Page 10 比如，给A相绕组通电时，转子位置如图，转子齿偏离定子齿一个角度。由于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动，当转子转到与定子齿对齐位置时，因转子只受径向力而无切线

4、力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。由此可见：是助使步进电机旋转的根本原因。三相反应式步进电动机工作原理5.1 步进电机Page 11基本工作原理动画演示动画演示5.1 步进电机Page 12通电方式 对于上述三相反应式步进电机，其运行方式有单三拍（全步，Full Step）、单双六拍（半步,Half Step）及双三拍等通电方式。“单”、“双”、“拍”的意思是：“单”是指每次切换前后只有一相绕组通电，“双”就是指每次有两相绕相通电；而从一种通电状态转换到另一种通电状态就叫做一“拍”。5.1 步进电机Page 13 指对三相绕组单独轮流通电，三次换相（三拍）完成一个通电循环。通电顺序为AB

5、时，转子按顺时针方向一步一步转动。通电顺序改为A，时，转子按逆时针方向一步一步转动。可见，欲改变步进电机的旋转方向，则只要改变通电顺序即可。 电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一个齿距角（此例中转子有四个齿，则齿距角为90 ） 电流每换接一次转子前进一个角度称为步距角。此例中电流换接三次走完一个齿距角，则步距角为30三相单三拍工作方式5.1 步进电机Page 14 按A-AB-B-BC-C-CA-A或A-CA-C-BC-B-AB-A相序循环通电。同样，通电顺序改变时，旋转方向改变。而电流换接次数多了一倍，步子走得更细了，步距角为15 三相单、双六拍工作方式5.1 步进电机Page 15 按A

6、B-BC-CA-AB或AC-CA-BC-AC相序循环通电。步距角与三相单三拍工作方式相同也30，运行稳定性较前者好。 综上所述，可得出：综上所述，可得出： 通电频率提高，步进电动机的转速升高。通电频率提高，步进电动机的转速升高。 每一循环中通电拍数越多，步距角减小。步每一循环中通电拍数越多，步距角减小。步进电动机的转速降低。进电动机的转速降低。 三相双三拍工作方式5.1 步进电机Page 16小步距角步进电机 小步距角步进电动机结构特点：如图所示，定子的内园和转子外园均有齿和槽。定子、转子的齿宽和齿距相等。定子极面小齿和转子上的小齿位置符合下列规律：当A相的定子齿和转子齿对齐时(如图所对应位置

7、)，B相的定子齿应相对于转子齿顺时针方向错开1/3齿距，而C相的定子齿又应相对于转子齿顺时针方向错开2/3齿距。也就是，当某一相磁极下定子与转子的齿相对时，下一相磁极下定子与转子齿的位置则刚好错开t/m、2t/m 、3t/m 依此类推（ t齿距；m相数）。 5.1 步进电机Page 17小步距角步进电机 5.1 步进电机Page 18小步距角步进电机 5.1 步进电机Page 19小步距角步进电机 5.1 步进电机Page 20n 1.矩角特性 反映步进电动机的转矩依存偏转角的变化关系， T=f(e) 。偏转角e是指步进电动机在负载的作用下，转子齿偏离平衡位置的角度。当e=/2时，转子齿与定子

8、齿错开1/4齿距，此时转矩T最大。n 意义：提高步进电机的分辨率和定位精度，运行平稳可靠，降低振动、噪音。n 方法：使绕组中的电流强度按阶梯式上升或下降。n 原理：转矩与定子绕组电流成线性关系。5.1 步进电动机5.1.3 步距角细分步距角细分5.1.4 步进电动机的主要特性步进电动机的主要特性Page 215.1 步进电动机 是指启动频率与传动系统转动惯量之间的关系。 启动频率指步进电动机由静止状态突然启动、不失步地进入正常运行状态所允许的最高启动频率。 转动惯量越小，启动频率越高。步进电动机的拍数越多，步距角越小，负载越小，启动频率就越高。 最大转矩越大，电磁力矩越大，启动频率越高。2.启

9、动惯频特性2.启动惯频特性启动惯频特性Page 225.1 步进电动机n 步进电机不失步运行时的最高脉冲频率称为连续运行频率。启动频率远低于运行频率。n 步进电动机的转矩与运行频率的关系为运行频率特性。随着运行频率增高，负载能力变差。n 绕组电感和驱动电源电压对运行频率的上限影响很大。3.运行频率特性运行频率特性n 指在负载一定时且稳定运行时，最大转矩与脉冲频率的关系。n 绕组作为感性负载会阻碍电流的变化，随着频率的升高，电流波形的前后沿占通电时间的比例越来越大，平均电流下降，输出转矩减小。甚至发生堵转。n 低电感、高电压时矩频特性将提高。3.矩频特性矩频特性Page 235.1 步进电动机有

10、两种表示方法：n 最大步距误差：指电动机旋转一周时，相邻两步之间实际步距与理想步距的最大差值。n 累积步距误差：指电动机旋转一周过程中，连续走若干步后步距误差的最大累积值。n 影响步距精度的因素有定子磁极、转子齿的分度精度、铁芯叠压及装配精度、气隙的不均匀程度、各相励磁电流的不对称度等。5. 精度精度Page 245.2 直流伺服电动机输出功率大于步进电动机(1600W)，结构特征：结构上同与他励直流电动机，只是外形细长，转动惯量小。根据定子励磁方式，有电磁式和永磁式两种。其机械特性也与他励直流电动机相同。n 有控制信号时转动，无控制信号时就停止n 改变控制电压的大小和极性，可以控制转速和转向

11、。（电枢控制方式）n 改变磁通的大小和方向也可以控制转速和转向。（磁场控制方式）n 调速范围广，转子惯性小，控制功率小，可靠性好Page 255.3 交流伺服电动机n 5.3.1 交流伺服电动机的基本结构n 结构：n 定子：放置三相对称绕组n 转子：永磁材料n 种类：n 无刷直流电流机n 永磁同步电动机Page 265.3.2 无刷直流电动机1.结构： 相当于一台反装式直流电动机，它是用电子换向器取代一般直流电动机中的机械换向器，构成没有换向器的直流电动机。这种电机结构简单，运行可靠，没有火花，电磁噪声低，广泛应用于现代生产设备、仪器仪表、计算机外围设备和高级家用电器。5.3 交流伺服电动机P

12、age 27电子换向器与绕组的连接位置检测器输出信号波形 为了检测电动机转子的位置，在电动机内装有三个位置检测器，分别与定子三相绕组的位置相对应，输出三路方波，来控制电子换向器中的晶体管的导通和截止，实现对定子绕组内部电流换向。电枢电流波形与位置检测器输出波形相同。 在转子轴上还装有测速发电机和光电脉冲编码器。5.3 交流伺服电动机Page 285.3 交流伺服电动机2.转子位置检测器转子位置检测器Page 29L1、L2、L3为耦合线圈，放置于定子绕组换流位置，金属扇形盘与转子同轴旋转。当扇形盘离开L2线圈时，L1线圈将有信号输出。5.3 交流伺服电动机3）接近开关式）接近开关式Page 3

13、03.无刷直流电动机的工作原理时间时间( (电角度电角度) )0 0120120240240电枢绕组电流方向电枢绕组电流方向ABABACACBCBCBABACACACBCB(+)(+)侧导通的晶体管侧导通的晶体管1 13 35 5(-)(-)侧导通的晶体管侧导通的晶体管6 62 24 46 6Page 3112060sinsrsrrammFFKT电磁转矩：电磁转矩：F Fa a- -定子磁势定子磁势F Fr r- -转子磁势转子磁势srsr- -定子磁势和转子磁势之间的夹角定子磁势和转子磁势之间的夹角Page 325.3.3 正弦波永磁同步电动机n 1.正弦波永磁同步电动机的基本结构 n 与无

14、刷直流电动机的结构基本相同，但磁场是按正弦波分布的，是旋转磁场。在转子轴上装有测速发电机和位置检测器。n 2.电磁转矩n通过定子绕组电流换向控制电路和位置检测器，保持sr始终为90度。n永磁同步电动机的转矩与定子绕组电流的幅值成正比。srrammFFKTsinPage 33力矩电机的特点：n 它是一种可以产生低转速，大转矩的伺服电机，分为交流和直流两种。n 1.1.转矩大转矩大的原因的原因 每根电枢绕组导体受的电磁力F=BIaL 电机体积相同时 D2L不变，当L减小时，D增大。在相同电流Ia和相同用铜量的情况下，电枢导体的绕组粗细不变，总导体数N随L的增加而减少，即NL不变。 转矩为 ：T=N

15、FD/2=BIaNLD/2N为导体数 当D较大时，T较大Page 34每根导体切割磁力线所产生的感生电势为： 60DnBlBlveaNBlDUnDnNBlEUaaa120120/00上式说明，在保持上式说明，在保持Nl不变的情况下，理想空载转速与电枢直径成反比，电不变的情况下，理想空载转速与电枢直径成反比，电枢直径越大，空载转速越低。应用于雷达、卫星天线等设备驱动。枢直径越大，空载转速越低。应用于雷达、卫星天线等设备驱动。Page 35n 直流有刷伺服电机n 直流无刷电机n 交流永磁同步伺服电机n 直驱电机(力矩电机)n 直线电机n 步进电机常见伺服电机5.2 伺服电机Page 361 直流有

16、刷伺服电机n 原理同直流电动机n 过载能力强n 响应速度快（细长）n 多为永磁电机5.2 伺服电机Page 37轴向磁通直流有刷电机转子线圈转子线圈电机结构电机结构低速时仍能保持良好的特性，结构紧凑。低速时仍能保持良好的特性，结构紧凑。5.2 伺服电机Page 38有刷直流电机 无刷直流电机绕组线圈旋转绕组线圈旋转 转子磁铁旋转转子磁铁旋转磁铁磁铁2 直流无刷电机5.2 伺服电机Page 39直流无刷电机换相原理利用霍尔传感器检测转子位置,在固定位置换相需要驱动器配合电机才能工作,增加了电路成本没有电刷，维修容易霍尔传感器霍尔传感器转子转子定子定子磁铁磁铁5.2 直流伺服电机Page 40内转

17、子与外转子直流无刷电机外转子内转子5.2 伺服电机Page 41内转子直流无刷电机定子转子定子线圈定子线圈转子磁极转子磁极5.2 伺服电机Page 42用于电动自行车的无刷电机（外转子）霍尔传感器霍尔传感器转子磁极转子磁极定子线圈定子线圈5.2 伺服电机Page 43光驱主轴用无刷电机（外转子）霍尔传感器霍尔传感器转子转子定子定子磁铁磁铁5.2 伺服电机Page 44轴向磁通直流无刷电机1-stator, 1-rotor2-stator, 1 rotor1-stator, 2-rotor转子转子定子定子rotorstatorrotorstatorstatorrotor永磁体5.2 伺服电机Pa

18、ge 45轴向磁通直流无刷电机定子线圈定子线圈电机结构电机结构5.2 伺服电机Page 463 交流永磁同步伺服电机交流伺服电机可分为三类:n 两相交流伺服电机（已很少使用）n 交流异步伺服电机n 交流永磁同步伺服电机5.2 伺服电机Page 47交流永磁同步伺服电机实物5.2 伺服电机Page 48交流永磁同步伺服电机实物5.2 伺服电机Page 494 直驱电机（力矩电机） 一般的伺服电机速度很高，转矩较小， 而控制 对象有时需要速度很低，所以要采用复杂的减速装置，在选用电机时必须考虑：转矩配合、速度配合和惯量配合 5.2 伺服电机Page 50直驱电机优点n 无需连轴节、齿形带等配件n

19、设计更为简洁n 无间隙传动n 更紧凑的机械装配n 提高整体性能5.2 伺服电机Page 51直驱电机优点5.2 伺服电机Page 521、结构扁平（力矩大）2、多极磁场（转速低）DTNNllDDlNBIDlNBIDNFTlBIFaaa这样才有必须增多。基本不变，为了保持就会变小，增大了，由于下考虑问题：我们在相相同同体体积积222直流力矩电机5.2 伺服电机Page 530nDUUeDneDnvBlveaaaaa空载电枢直径一定，外加电压所以常数而在理想空载情况下，则，线速度：，导体的感应电势：精度高、响应快、线性度好精度高、响应快、线性度好直流力矩电机5.2 伺服电机Page 54交流力矩电

20、机5.2 伺服电机Page 55 直线电动机是一种能直接将电能转换为直线运动的伺服驱动元件。在交通运输、机械工业和仪器工业中，直线电动机已得到推广和应用。它为实现高精度、快响应和高稳定的机电传动和控制开辟了新的领域。 按工作原理来区分，可分为直线异步电动机、直线直流电动机和直线同步电动机三种（还有直线步进电动机）。 5 直线电机5.2 伺服电机Page 56短初级短初级短次级短次级动子动子定子定子直线电动机是由旋转电动机演变而来的，结构类似于将其旋转电动机切割并展开铺平而成直线异步电机结构5.2 伺服电机Page 57n 直线电动机初级的多相绕组通入多相电流后，也会产生一个行波气隙磁场B ，这个磁场的磁感应强度按通电的相序顺序作直线移动。 显然行波的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面的线 速度是一样的， 这个速度称之同步线速， 用 表示，且 式中， 极距(cm)； f 电源频率(Hz)。sv)cm/s(2fvs直线异步电机原理5.2 伺服电机Pag