交流伺服电机的工作原理2讲课文档

交流伺服电机的工作原理第1页，共66页。执行元件的种类第2页，共66页。伺服电动机控制方式的基本形式第3页，共66页。

异步电动机、直流电动机等都是作为动力使用的，其主要任务是能量的转换。各种控制电机有各自的控制任务：如:伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱动控制对象；测速发电机将转速转换为电压，并传递到输入端作为反馈信号。步进电动机将脉冲信号转换为角位移或线位移。本章介绍的各种控制电机的主要任务是转换和传递控制信号，能量的转换是次要的。

控制电机的种类很多，本章只讨论常用的几种:伺服电机、测速电机、步进电机。

对控制电机的主要要求：动作灵敏、准确、重量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。第4页，共66页。伺服电动机可分为两类：伺服电动机又称执行电动机。其功能是将输入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角速度，驱动控制对象。交流伺服电动机直流伺服电动机9.1

伺服电动机伺服电动机可控性好，反应迅速。是自动控制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。第5页，共66页。9.1.1交流伺服电动机交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差90的两个绕组：励磁绕组和控制绕组，其结构如图所示。励磁绕组控制绕组杯形转子内定子交流伺服电动机结构图第6页，共66页。放大器检测元件控制信号+–+–控制绕组励磁绕组+++–––1励磁绕组串联电容C,是为了产生两相旋转磁场。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

,从而产生所需的旋转磁场。交流伺服电动机的接线图和相量图(a）接线图

1(b)相量图第7页，共66页。控制电压与电源电压频率相同，相位相同或反相。放大器检测元件控制信号+–+–控制绕组交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机有相似之处。励磁绕组固定接在电源上，当控制电压为零时，电机无起动转矩，转子不转。

若有控制电压加在控制绕组上，且励磁电流和控制绕组电流不同相时，因此便产生两相旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。第8页，共66页。

交流伺服电动机的特点：不仅要求它在静止状态下，能服从控制信号的命令而转动，而且要求在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。但如果交流伺服电动机的参数选择和一般单相异步电动机相似，电动机一经转动，即使控制等于零，电动机仍继续转动，电动机失去控制，这种现象称为“自转”。如何克服“自转”现象呢？第9页，共66页。正反向旋转磁场的合成转矩特性(正向)(反向)正转转反当单相励磁时，在电动机运行范围0<S1<1时，转矩为正值，产生电动转矩，使转子继续转动。反转时也同样为电动转矩。第10页，共66页。现增大转子电阻，使Sm>1当单相励磁时，在电动机运行范围0<S1<1时，转矩为负值，产生制动转矩，使转子停转。反转时也同样为制动转矩。第11页，共66页。加在控制绕组上的控制电压反相时(保持励磁电压不变)，由于旋转磁场的旋转方向发生变化，使电动机转子反转。

加在控制绕组上的控制电压大小变化时，其产生的旋转磁场的椭圆度不同，从而产生的电磁转矩也不同，从而改变电动机的转速。不同控制电压下的机械特性曲线n=f(T),

U1=常数TU20.8U20.6

U20.4U2on交流伺服电动机的机械特性如图所示。第12页，共66页。在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时，电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。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，如用在各种自动控制、自动记录等系统中。应用:第13页，共66页。9.1.2直流伺服电动机直流伺服电动机的结构与直流电动机基本相同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。直流伺服电动机的工作原理也与直流电动机相同。供电方式：他励供电。励磁绕组和电枢分别由两个独立的电源供电。U1为励磁电压，U2为电枢电压MU1I1I2U2放大器U++––直流伺服电动机的接线图第14页，共66页。由机械特性可知：(1)一定负载转矩下，当磁通

不变时，U2

n

。(2)U2=0时，电机立即停转。电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机反转。直流伺服电机的机械特性与他励直流电机相同一样，也可用下式表示机械特性曲线如图所示。直流伺服电动机的n=f(T)曲线(U1=常数)U20.8U20.6U20.4U2nTO第15页，共66页。直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。通常应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控制等。直流伺服电机输出功率一般为1-600W。应用：第16页，共66页。9.2测速发电机

测速发电机是一种转速测量传感器。在许多自动控制系统中，它被用来测量旋转装置的转速，向控制电路提供与转速大小成正比的信号电压。测速发电机分为交流和直流两种类型。9.2.1交流测速发电机交流测速发电机又分为同步式和异步式两种，这里只分析异步式交流测速发电机的工作原理。第17页，共66页。••••

1转子定子励磁绕组输出绕组异步式交流测速发电机的结构与杯形转子交流伺服电机相似，它的定子上有两个绕组，一个是励磁绕组，一个是输出绕组。输出绕组+–励磁绕组+–9.2.1交流测速发电机第18页，共66页。工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电源U1，由U14.44f1N1

1可知：当被测转动轴带动发电机转子旋转时，转子切割

1产生转子感应电势Er和转子电流Ir，它们的大小与

1和转子转速n成正比：转子电流Ir也产生磁通

r，

r在输出绕组中感应出电压U2，U2的大小与

r成正比：第19页，共66页。综合上述分析可知：当U1恒定不变时，U2与n成正比，这样，发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制系统。由于铁心线圈电感的非线性影响，交流测速发电机的输出电压U2与n间存在着一定的非线性误差，使用时要注意加以修正。第20页，共66页。9.2.1直流测速发电机直流测速发电机分永磁式和他励式两种。两种电机的电枢相同，工作时电枢接负载电阻RL。但永磁式的定子使用永久磁铁产生磁场，因而没有励磁线圈；他励式的结构与直流伺服电机相同，工作时励磁绕组加直流电压U1励磁。他励式直流测速发电机接线图TGRLI2U2+–Ra+–EI1U1+–第21页，共66页。当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时，电枢产生电动势E，其大小为：发电机的输出电压为：上式中代入：于是第22页，共66页。可见，当励磁电压U1保持恒定时（

亦恒定），若Ra、RL不变，则输出电压U2的大小与电枢转速n成正比。这样，发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制系统。0nU2RL2<RL1RL=

RL2RL1第23页，共66页。值得注意的是，由于直流电机中存在着电枢反应现象，使得输出电压U2与转速n有一定的线性误差。RL越小、n越大，误差越大。因此，在使用中应使RL和n的大小符合直流测速发电机的技术要求。测速发电机的作用是将机械速度转变为电压信号，在自动控制系统和计算装置中作为检测元件、校正元件等。如在恒速控制系统中，测速发电机将速度转换为电压信号作为反馈信号，达到调节速度的作用。第24页，共66页。9.3步进电动机特点:

(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，可改变转动方向。

步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段距离。由于步进电动机的这一工作职能正好符合数字控制系统要求，因此它在数控机床、钟表工业及自动记录仪等方面都有很广泛的应用第25页，共66页。9.3步进电动机

区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，依靠电磁转矩工作。反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。依靠变化的的磁阻生成磁阻转矩工作。反应式步进电机的应用最广泛，它有两相、三相、多相之分。这里主要讨论三相反应式步进电动机的结构和工作原理。种类：励磁式和反应式两种。第26页，共66页。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。三相反应式步进电动机的原理结构图如下：ABCIAIBIC

定子内圆周均匀分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相。采用Y连接，转子有四个齿。定子转子第27页，共66页。1.工作原理

由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转矩，使转子转动。

现以ABCA的通电顺序，使三相绕组

轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。BCIAIBIC第28页，共66页。1.三相单三拍CA'BB'C'A3412

A相绕组通电，B、C相不通电。气隙产生以A-A为轴线的磁场，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电动机转子受到一个反应转矩，在此转矩的作用下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与A、A′极对齐。“三相”指三相步进电机；“单”指每次只能一相绕组通电；“三拍”指通电三次完成一个通电循环。第29页，共66页。CA'BB'C'A3412

同理，B相通电时，转子会转过30

角，2、4齿和B、B´

磁极轴线对齐；当C相通电时，转子再转过30

角，1、3齿和C´、C磁极轴线对齐。1C'342CA'BB'A第30页，共66页。

这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。

按ABCA……的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)磁场在空间旋转了360°而转子转过90°(一个齿距角)。2.三相六拍按AABBBCC

CA的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。第31页，共66页。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412

A相通电，转子1、3齿与A、A'对齐。

A、B相同时通电，A、A'磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子转过15

，到达左图所示位置。第32页，共66页。CA'BB'C'A3412

B相通电，转子2、4齿与B、B´对齐,又转过15

。3412CA'BB'C'AB、C相同时通电，C'、C

磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子再转过15

。第33页，共66页。三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：AABBBCC

CA，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角），一个通电循环周期(6拍)转子转过90

(齿距角)。与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。3.三相双三拍按AB

BC

CA的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。第34页，共66页。AB通电CA'BB'C'A3412BC通电3412CA'BB'C'ACA通电CA'BB'C'A3412与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍。每拍转子转过30(步距角)，一个通电循环周期(3拍)转子转过90

(齿距角)。第35页，共66页。

从以上对步进电机三种驱动方式的分析可得步距角计算公式：—步距角Zr

—转子齿数m—每个通电循环周期的拍数实用步进电机的步距角多为3

和1.5

。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的，如教材图10.4.4所示。图中转子表面有40个齿，第36页，共66页。齿距角是9；定子仍是6个磁极，但每个磁极表面加工有五个和转子一样的齿。

步进电动机的应用非常广泛，如各种数控机床、自动绘图仪、机器人等。应用：数控装置步进电动机电位器放大器液压缸机械手电液伺服阀步进电动机根据数控装置发出的指令带动电位器的动触电转动，使其偏离中点产生电位差，经放大后控制伺服阀的开口量，压力油经阀口进入油缸，使机械手按照存储在数控装置中的指令动作。第37页，共66页。步进电机控制系统原理主要解决如下几个问题：(1)用软件的方法实现脉冲序列；(2)步进电机的方向控制；(3)步进电机控制程序的设计。微机控制技术第38页，共66页。步进电机控制系统原理

1．脉冲序列的生成图脉冲序列微机控制技术P130第39页，共66页。步进电机控制系统原理★脉冲幅值由数字元件电平决定。TTL0～5VCMOS0～10V★接通和断开时间可用延时的办法控制。要求：确保步进到位。微机控制技术第40页，共66页。2．方向控制步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序相关。三相步进电机有三种工作方式：

★单三拍，通电顺序为A

B

C；★双三拍，通电顺序为AB

BC

CA；★三相六拍，通电顺序为

A

AB

B

BC

CCA；步进电机控制系统原理微机控制技术

改变通电顺序可以改变步进电机的转向

第41页，共66页。步进电机控制系统原理3.步进电机通电模型的建立：（1）用微型机输出接口的每一位控制一相绕组，【例如】用8255控制三相步进电机时，可用PC.O、PC.1、PC.2分别接至步进电机的A、B、C三相绕组。（2）根据所选定的步进电机及控制方式，写出相应控制方式的数学模型。上面讲的三种控制方式的数学模型分别为：微机控制技术第42页，共66页。步进电机控制系统原理

★三相单三拍步序控制位

工作状态控制模型PC.7PC.6PC.5PC.4PC.3PC.2C相PC.1B相PC.0A相100000001A01H200000010B02H300000100C04H微机控制技术第43页，共66页。★三相双三拍用P1口的P1.2、P1.1、P1.0对应C、B、A相进行控制。第44页，共66页。步进电机控制系统原理★同理，可以得出双三拍和三相六拍的控制模型：双三拍03H，06H，05H★三相六拍01H，03H，02H，06H，04H，05H以上为步进电机正转时的控制顺序及数学模型，如按逆序进行控制，步进电机将向相反方向转动。微机控制技术第45页，共66页。

步进电机与微型机的接口及程序设计

4.步进电机与微型机的接口电路（1）由于步进电机的驱动电流较大，所以微型机与步进电机的连接都需要专门的接口及驱动电路。接口电路可以是锁存器，也可以是可编程接口芯片，如8255、8155等。驱动器可用大功率复合管，也可以是专门的驱动器。光电隔离器，一是抗干扰，二是电隔离，微机控制技术第46页，共66页。

步进电机与微型机的接口及程序设计步进电机与微型机接口电路之一微机控制技术100100100第47页，共66页。

步进电机与微型机的接口及程序设计

总之，只要按一定的顺序改变P1.0～P1.2三位通电的状况，即可控制步进电机依选定的方向步进。微机控制技术第48页，共66页。

步进电机与微型机的接口及程序设计由于步进电机运行时功率较大，可在微型机与驱动器之间增加一级光电隔离器，以防强功率的干扰信号反串进主控系统。如图4-25微机控制技术第49页，共66页。

步进电机与微型机的接口及程序设计步进电机与微型机接口电路之二微机控制技术001011100第50页，共66页。

步进电机与微型机的接口及程序设计2.步进电机程序设计(1)步进电机程序设计的主要任务是：★判断旋转方向；★按顺序传送控制脉冲；★判断所要求的控制步数是否传送完毕。（2）程序框图

下面以三相双三拍为例说明这类程序的设计.微机控制技术第51页，共66页。图4.46三相双三拍步进电机控制程序流程图p134微机控制技术第52页，共66页。

步进电机与微型机的接口及程序设计

ORG 0100H ROUNT1：MOV A，#N ；步进电机步数→A JNB 00H，LOOP2 ；反向，转LOOP2 LOOP1：MOV P1，#03H ；正向，输出第一拍 ACALL DELAY ；延时 DEC A ；A＝0，转DONE JZ DONE MOV P1，06H ；输出第二拍 ACALL DELAY ；延时 DEC A ；A＝0，转DONE JZ DONE MOV P1，05H ；输出第三拍 ACALL DELAY ；延时 DEC A ；A≠0，转LOOP1 JNZ LOOP1

（3）程序根据图4-46可写出如下步进电机控制程序微机控制技术第53页，共66页。

步进电机与微型机的接口及程序设计微机控制技术AJMPDONE ；A＝0，转DONELOOP2：MOV P1，03H ；反向，输出第一拍

ACALLDELAY；延时DECA；A＝0，转DONJZ DONE MOVP1，05H ；输出第二拍 ACALLDELAY ；延时DEC A JZ DONE ； MOV P1，06H ；输出第三拍 ACALLDELAY ；延时 DEC A ；A≠0，转LOOP2 JNZ LOOP2DONE：RETDELAY：

第54页，共66页。计算例题（直线运动)运动学计算动力学计算选择同步带直径Φ和步进电机细分数m计算电机力矩，选择电机型号第55页，共66页。四、计算例题（直线运动）已知：直线平台水平往复运动，最大行程L＝400mm，同步带传动；往复运动周期为T＝4s；重复定位误差

0.05mm；平台运动质量M＝10kg，无外力。求：电机型号、同步带轮直径、最大细分数。

平台结构简图运动学计算

平均速度为：设加速时间为0.1S；(步进电机一般取加速时间为：0.1~1秒)(伺服电机一般取加速时间为：0.05~0.5秒)则加减速时间共为0.2S，且加减速过程的平均速度为最大速度的一半。

第56页，共66页。故有：L＝0.2

Vmax/2＋1.8

Vmax＝0.4m得：Vmax＝0.4/（0.2/2＋1.8）＝0.211m/s所以，加速度为：加速距离：匀速距离：减速距离和加速距离相同，

动力学计算

同步带上需要拉力：

F＝Ma+f摩擦力：f＝

Mg设导轨摩擦系数

＝0.1

则摩擦力：f＝0.1

10

9.8＝9.8N惯性力:F1＝Ma＝10

2.11＝21.1N故：同步带上要有拉力F＝F1+f＝21.1＋9.8＝30.9N

第57页，共66页。选择同步带直径Φ和步进电机细分数m

设同步带直径Φ＝30mm周长为C＝3.14

Φ＝3.14

30＝94.2mm

核算定位精度：脉冲当量δ＝C/(200

m)<0.05；m>C/(200

0.05)=94.2/(200

0.05)=9.42核算最大转速：nmax＝Vmax/C＝0.211/(94.2/1000)＝2.24r/s第2级主动轮直径仍取：Φ3＝30mm；第1级主动轮直径取：Φ1＝25mm；减速比取：i＝1：3；显然，细分数太大，最大转速太低。但是，同步带直径也不可能小2倍，所以只能增加一级减速第58页，共66页。则第1级从动轮直径为取：Φ2＝75mm；电机最大转速为：驱动器细分数：故，取4细分就很合适了。实际脉冲当量：

计算电机力矩，选择电机型号

第2级主动轮上的力矩：T2＝F

Φ3/2

第1级主动轮上，即电机轴上的力矩：T1＝T2

i＝F

Φ3/2

i=0.155Nm由于没有考虑同步带的效率、导轨和滑块装配误差造成的摩擦、同步带轮的摩擦和转动惯量等因素，同时，步进电机在高速时扭矩要大幅度下降；所以，取安全系数为3比较保险。故，电机力矩To＝0.155

3＝0.465Nm第59页，共66页。步进驱动系统的常见问题

1、什么是步进电机？在何种情况下该使用步进电机？

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。

您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达调速的目的。因此在需要准确定位或调速控制时均可考虑使用步进电机。2、步进电机分哪几种？有什么区别？

步进电机分三种：永磁式（ＰＭ），反应式（ＶＲ）和混合式（ＨＢ）

永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；

反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家８０年代已被淘汰。

混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相四相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。3、什么是保持转矩(HOLDINGTORQUE）？

保持转矩（ＨＯＬＤＩＮＧＴＯＲＱＵＥ)是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。保持转矩越大则电机带负载能力越强。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。

第60页，共66页。4、步进电机的驱动方式有几种？

一般来说，步进电机有恒压，恒流驱动两种，恒压驱动已近淘汰，目前普遍使用恒流驱动。

5、步进电机精度为多少？是否累积？

一般步进电机的精度为步进角的3-5%。步进电机单步的偏差并不会影响到下一步的精度因此步进电机精度不累积。

6、步进电机的外表温度允许达到多少？

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降甚至于丢失。因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来说，磁性材料的退磁点都在摄氏１３０度以上，因此步进电机外表温度在摄氏８０－９０度完全正常。7、为什么步进电机的力矩会随转速升高而下降？

当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。8、为什么步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声?

步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。我们建议空载启动频率选定为电机运转一圈所需脉冲数的２倍。第61页，共66页。9、如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声？

步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服：

A、如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比提高步进电机运行速度。

Ｂ、采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的，最简便的方法。因为细分型驱动器电机的相电流变流较半步型平缓。

Ｃ、换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机，或两相细分型步进电机。

Ｄ、换成直流或交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高。

Ｅ、在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。10、细分驱动器的细分数是否能代表精度？

步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术（请参考有关文献），其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为