《电气控制技术项目化教程（智媒体版）》课件 项目8 控制电机的控制线路

项目八：控制电机的控制线路《电气控制技术项目化教程》目录步进电机的控制电路伺服进电机的控制电路128.1步进电动机的控制电路一、步进电动机的作用

在自动控制系统中用于检测、放大、执行和计算的这类旋转电动机称为控制电机。普通电动机侧重于起动和运行时的性能指标，而控制电机主要承担信号的传递和转换，对控制电机的要求主要体现在可靠运行、快速响应和高精确度等方面。控制电机的种类较多，本项目将主要介绍步进电动机和伺服电动机这两种常用的控制电机。步进电动机的外观伺服电动机的外观一、步进电动机的作用

步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移（或线位移）的一种控制电机。步进电机与普通电机不同，普通电动机是连续旋转的，步进电机则是一步一步转动的，每输入一个电脉冲信号，电机就转过一个角度或者移动一段直线距离。步进电动机的运行特点二、步进电动机的分类

步进电动机种类繁多，按其运动形式可以分为旋转式步进电动机和直线步进电动机两类；按其工作原理可以分为反应式、永磁式和混合式三类。三、步进电动机的结构

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或配合以直线运动执行机构或齿轮箱装置，更可以实现更加复杂、精密的线性运动控制要求。如图所示，是步进电动机的结构图，步进电机一般由前后端盖、轴承、中心轴、转子铁芯、定子铁芯、定子组件、波纹垫圈、螺钉等部分构成。步进电机的结构四、三相反应式步进电动机的原理

反应式步进电动机也称为磁阻式步进电动机。

反应式步进电动机与传统电动机工作原理不同，传统的交直流电动机依靠定子、转子绕组电流所产生的磁场间的相互作用形成转矩与转速，而反应式步进电动机遵循磁通总是沿磁阻最小的路径闭合的原理，凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所产生的反应转矩(或磁阻转矩)，该转矩为磁阻性质的转矩，在该转矩的作用下推动电动机旋转。四、三相反应式步进电动机的原理三相反应式歩进电动机的定子上有6个极，分别是A、A’、B、B’、C、C’，每个极上都装有绕组，称为控制绕组，每两个相对的极组成一相。转子由4个均匀分布的齿组成，齿上没有绕组。三相反应式步进电动机结构图五、步进电动机的运行方式

步逬电动机运行方式，是指其控制绕组的通电方式。常用的运行方式有单拍运行方式、双拍运行方式、单双拍运行方式。

步进电动机的控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍，而每一拍步进电动机转子转过的机械角度称为步距角。选用不同的运行方式，可使歩进电动机具有不同的工作性能，即使同一台步进电动机，如果运行方式不同，则其步距角也不相同。五、步进电动机的运行方式

1.三相单拍运行方式“三相”即三相步进电机，具有三相控制绕组；“单”是指每次只有一相控制绕组通电，其余两相断电；“三拍”是指经过三次切换控制绕组的通电状态为一个循环，第四次换接重复第一次的情况。通电顺序为A-B-C-A,称为“三相单三拍”运行方式。，此时，三相反应式步进电机的步距角是30°。

2.三相双拍运行方式“双三拍”或单、双六拍的控制方式。“双”是指每次有两相控制绕组通电。通电顺序为AB-BC-CA-AB，称为“三相双三拍”运行方式。此时，三相反应式步进电机的步距角也是30°。

五、步进电动机的运行方式3.单双拍运行方式这种方式，单相控制绕组和两相控制绕组交叉通电。例如，A-AB-B-BC-C-CA-A的通电方式为“单双六拍”方式。这种方式，有时是单个控制绕组通电，有时又为两个控制绕组通电，且定子三相控制绕组需经过6次切换通电状态才能完成一个循环。三相单双拍运行时，三相反应式步进电机的步距角是15°。六、步进电动机的主要性能指标

1.步距角步距角定义为每输入一个电脉冲信号转子转过的角度。

为通电状态系数，采用单拍或双拍通电方式时值为1，釆用单双拍通电方式时值为2；

为转子齿数；

为控制绕组的相数。

两相混合式步进电机步距角一般为1.8°、0.9°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。例如具有16档细分能力的步进驱动器，其步距角通过拨码可以选择1.8°、0.9°、0.45°、0.36°、0.225°、0.18°、0.1125°、0.09°、0.072°、0.05625°、0.045°、0.036°、0.028125°、0.018°、0.0144°、0.014°。六、步进电动机的主要性能指标

2.静态步距角误差静态步距角误差是指实际的步距角与理论的步距角之间的差值，通常用理论步距角的百分数或绝对值来衡量。静态步距角误差小，表示步进电动机精度高。3.最大静转矩（保持扭矩）最大静转矩是指步进电动机在规定的通电相数下，步距特性上的转矩最大值。通常技术数据中所规定的最大静转短是指每相绕组通额定电流时所得的值。一般来说，最大静转矩较大的电动机，可以带动较大的负载。4.启动频率和起动矩频特性启动频率是指在空载情况下，已励磁电机直接启动而不丢步的最高脉冲频率。它是步进电动机的一项重要指标。在一定负载惯量下，起动频率随负载转矩变化的特性称为起动转矩特性。六、步进电动机的主要性能指标

5.运行频率和运行矩频特性运行频率是指在空载情况下，已励磁电机运行而不丢步的最高脉冲频率。当电动机带着一定负载运行时，运行频率与负载转矩大小有关，两者的关系称为运行矩频特性。

6.额定电流（相电流）额定电流是指电动机静止时每相绕组允许的最大电流。当电动机运行时，每相绕组中是脉冲电流，电流表指示的读数是脉冲电流的平均值，而非额定值。

7.额定电压额定电压是指驱动电源提供的直流电压，一般不等于加在绕组两端的电压。七、步进电动机与驱动器的连接步进电动机需要专用驱动装置（驱动器）供电，驱动器和步进电动机是一个有机的整体，步进电动机的运行性能是电动机及其驱动器二者配合所反映的综合效果。步进电机驱动器的作用是接收来自控制器（例如PLC）输出的特定数量和频率的脉冲信号、以及旋转方向的信号，并驱动步进电动机运行。通常，每台步进电机都有与其配套的步进驱动器。如图所示，是三相步进电机Kinco3S57Q-04056与驱动器Kinco3CM880，请参考产品使用手册进行接线。三相步进电机Kinco

3S57Q-04056和驱动器Kinco3CM880外观与接线八、步进驱动器参数设置1.步进电动机的参数2.步进驱动器的参数设置

步进驱动器在使用前，需要查阅《Kinco步进产品选型目录》中的电动机相关参数。步进电动机Kinco

3S57Q-04056的参数如下表所示。参数名称步距角相电流（A）保持扭矩阻尼扭矩电机惯量参数值1.2°5.6A0.9Nm0.04Nm0.3kg.cm2参数名称输入电压(V)相电流（A）细分范围（p/r）输入信号控制方式参数值24-70VDC2.4-8400-25600(共15档）PLSDIRFREE1.脉冲+方向（PLS+DIR）2.双脉冲(CW/CCW)八、步进驱动器参数设置在步进驱动器的侧面设置有SW1-SW8八位拨码开关，如图所示，可以用来设定驱动器的参数，包括电机细分设置、电流半流设置和电机电流设置。SW1-SW4是电机细分数设置拨码，所有品牌的步进电动机驱动器都提供拨码开关，允许用户通过拨码开关改变电机的细分数来调整步进电机的步距角，这样做不但可以提高步进电动机的分辨率，而且可以减少或消除低频振动，使电机运行更加平稳均匀。拨码开关细分设置表例1请使用3S57Q-04056步进电动机和驱动器3CM880控制直线运动位移1200mm，直线运动组件的同步轮齿距为5mm，共12个齿，要求精度不低于0.01mm，请设置拨码开关，计算需要的步进电机脉冲数。分析：（1）细分设置根据题目要求，可将驱动器细分设置为10000步/转,电机驱动电流可以设为5.6A，不使用电流半流，可得到拨码开关细分设置表拨码开关细分设置表SW1SW2SW3SW4SW5SW6SW7SW8OFFOFFONOFFOFFONONON例1请使用3S57Q-04056步进电动机和驱动器3CM880控制直线运动位移1200mm，直线运动组件的同步轮齿距为5mm，共12个齿，要求精度不低于0.01mm，请设置拨码开关，计算需要的步进电机脉冲数。分析：（1）细分设置根据题目要求，可将驱动器细分设置为10000步/转,电机驱动电流可以设为5.6A，不使用电流半流，可得到拨码开关细分设置表SW1SW2SW3SW4SW5SW6SW7SW8OFFOFFONOFFOFFONONON拨码开关细分设置表例1请使用3S57Q-04056步进电动机和驱动器3CM880控制直线运动位移1200mm，直线运动组件的同步轮齿距为5mm，共12个齿，要求精度不低于0.01mm，请设置拨码开关，计算需要的步进电机脉冲数。分析：（2）步进电机脉冲数计算由于直线运动组件的同步轮齿距为5mm，共12个齿，驱动器细分设置为10000步/转，所以电机旋转一圈，产生的直线位移是60mm，因此步进电机每步（脉冲）位移：移动1200mm，需要输出给步进电动机的脉冲数:九、步进电动机、步进驱动器、控制器的接线三相步进电动机、步进驱动器、控制器如图所示，使用共阳极接法进行连接。在共阳极接法下，控制器PLC公共端Vcc使用的是DC24V电压，步进驱动器的PLS-、DIR-、FREE-端子分别与控制器（例如PLC）的端子（例如Q0.0、Q0.1、Q0.2）连接时，需要使用阻值为2KΩ的限流电阻R1。控制器使用这3个端子给步进电机驱动器提供脉冲信号、方向信号、脱机信号，就可以控制三相步进电机的运行。步进电机、步进驱动器、控制器的接线图

Q0.0

Q0.1

Q0.2十、步进电动机的特点1.优点步进电机控制性能好，通过改变脉冲频率的高低就可以在很大范围内调节步进电机的转速（或线速度），并能快速启动、制动和反转。若用同一频率的脉冲电源控制几台步进电机时，它们可以同步运行。步进电机每转一圈都有固定的步数，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累，转过一圈时，累积误差为零。这些特点使它完全适用于数字控制的开环系统中作为伺服元件，并使整个系统大为简化，且运行可靠。当给控制系统增加了速度和位置检测装置后，它也可以用于闭环系统中。2.缺点步进电机的主要缺点是效率较低，并且需要配上适当的驱动电源供给电脉冲信号。一般来说，它带负载惯量的能力不强，在使用时既要注意负载转矩的大小，又要注意负载转动惯量的大小，只有当两者选取在合适的范围时，步进电机才能获得满意的运行性能。8.2伺服电动机的控制电路一、伺服电动机的作用

伺服电动机也可以叫做执行电动机，是自动控制系统中的执行元件，其工作原理是将接收到的电信号转换成电动机轴上的角速度输出或者角位移输出。伺服电动机是伺服系统的一部分，通常在使用中需要与伺服机构系统的其他设备一起配合工作。伺服电动机的外观一、伺服电动机的作用

一个伺服系统的构成通常包含负载（被控对象）、执行器、控制器（运动控制器）等几部分，机械手臂、机械工作平台等负载通常作为被控对象。执行器的功能在于主要提供被控对象的动力，执行器包含了伺服电机与PWM放大器，特别设计应用于伺服系统的电机称之为伺服电机(servomotor),通常内含位置反馈装置，如光电编码器(opticalencoder)、旋转变压器(resolver)。控制器的功能在于提供整个伺服系统的闭路控制，如扭矩控制、速度控制、位置控制等。典型伺服系统组成框图二、伺服电动机的分类

伺服电动机在自动控制系统中作为执行元件，这种电动机具有一种服从控制信号的要求而动作的特性，在有控制信号时就动作，没有信号时就立即停止，伺服电动机又分为直流伺服电动机和交流伺服电动机。伺服电动机的工作状态与普通电动机有很大的区别，它的起动、制动和反转十分频繁，具有惯量小，响应速度快的优点。伺服电动机按其使用的电源性质不同，可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。

直流伺服电动机实际上就是一台他励直流电动机，其结构与普通小型直流电动机相同，这里主要介绍交流伺服电动机。三、伺服电动机的结构

两相异步伺服电机的基本结构和工作原理与普通感应电机相似。如图所示，从结构上看，电机由定子和转子两大部分构成，定子铁芯中嵌放两相交流绕组，它们在空间相差90°电角度。其中一组绕组为励磁绕组，另一相则为控制绕组。笼型转子交流异步伺服电机结构示意图1一定子绕组；2一定子铁芯；3一笼形转子四、交流伺服电动机的原理

交流伺服电动机又分为两相伺服电动机和永磁同步伺服电动机两种。1.两相伺服电动机的工作原理交流伺服电动机是两相异步电动机，如图所示，其定子槽内嵌有两套在空间相差90电角度的定子绕组，一套是励磁绕组

，另一套是控制绕组

。两相伺服电动机的工作原理四、交流伺服电动机的原理两相伺服电动机的工作原理

两相伺服电动机的工作原理与具有辅助绕组的单相异步电动机相似，当励磁绕组接入单相交流电源，控制电压时，气隙内磁场仅有励磁电流产生的脉振磁场，电动机无起动转矩，转子不转；

当给控制绕组施加电压时，则控制绕组内有控制电流通过，由于由于控制绕组

和励磁绕组

在空间上相差90度电角度，根据旋转磁场理论，则在气隙内建立了一个旋转磁场，电动机就能起动；四、交流伺服电动机的原理两相伺服电动机的控制方式有三种：幅值控制、相位控制、幅-相控制。（1）幅值控制这种控制方式下，控制电压

和励磁电压

相位相差始终保持90°，通过调节控制电压的幅值来改变电动机的转速，当控制电压时，电动机停转。（2）相位控制这种控制方式下，控制电压的幅值保持不变，通过调节控制电压的相位(即调节控制电压与励磁电压之间的相位差)来改变电动机的转速，当该相位差为零时，电动机停转。这种控制方式很少釆用。四、交流伺服电动机的原理两相伺服电动机的控制方式有三种：幅值控制、相位控制、幅-相控制。（3）幅-相控制(或称电容控制)幅-相控制原理四、交流伺服电动机的原理

交流伺服电动机又分为两相伺服电动机和永磁同步伺服电动机两种。2.永磁交流伺服系统工作原理现代高性能的伺服系统，大多数采用永磁交流伺服系统。永磁交流伺服系统由永磁同步交流伺服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分组成。（1）永磁同步交流伺服电动机永磁同步交流伺服电动机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。（2）交流永磁同步伺服驱动器交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等等。四、交流伺服电动机的原理

交流伺服电动机又分为两相伺服电动机和永磁同步伺服电动机两种。2.永磁交流伺服系统工作原理（3）伺服驱动器的控制方式伺服驱动器常见有七种控制运行方式，即位置控制、速度控制、转矩控制、位置/速度控制、位置/转矩、速度/转矩、全闭环控制。位置控制是输入脉冲串来使电机定位运行，电机转速与脉冲串频率相关，电机转动的角度与脉冲个数相关；速度控制有两种，一是通过输入直流-10V至—+10V指令电压调速，二是选用驱动器内设置的内部速度来调速；转矩控制是通过输入直流-10V至—+10V指令电压调节电机的输出转矩。在位置控制模式下需要设置驱动器反馈脉冲电子齿轮倍频参数，并计算相关参数和输入伺服驱动器的脉冲个数，才能准确控制伺服电动机的运动位置。五、伺服电动机的主要性能指标1.空载始动电压在额定励磁电压和空载情况下，使转子在任意位置开始连续转动所需的最小控制电压定义为空载始动电压

，通常以额定控制电压的百分比来表示。

越小，表示伺服电机的灵敏度越高。一般要求不大于额定控制电压的3%〜4%，用于精密仪器仪表中的两相交流异步伺服电机，有时要求不大于额定控制电压的1%。2.机械特性非线性度在额定励磁电压下，将任意控制电压时的实际机械特性与线性机械特性在转矩时的转速偏差与空载转速之比的百分数，定义为机械特性非线性度。3.调节特性非线性度调节特性的非线性度越小，特性曲线越接近直线，系统的动态误差就越小，工作就越准确。六、伺服电动机与驱动器的接线如图所示是MHMD022P1U交流伺服电动机，该电机为大惯量、额定功率200W、电压规格为200V、增量式编码器，脉冲数为2500p/r，分辨率10000，输出信号线数为5根线。图示是MADDT1207003伺服驱动器，最大瞬时输出电流为10A，电压规格为单相200V，额定电流为7.5A。伺服电动机的外观

伺服驱动器的外观七、伺服驱动器参数设置MADDT1207003伺服驱动器的参数共有128个，Pr00-Pr7F，参数可以通过与PC连接后在专门的调试软件上进行设置，也可以在如图所示驱动器参数设置面板上进行设置。伺服驱动器参数设置面板伺服驱动器在位置控制模式下，由控制器的一个输出端子（例如PLC的Q0.0）输出脉冲，脉冲的数量将决定伺服电动机的旋转位移，脉冲的频率决定了伺服电机的旋转速度。由控制器的另一个输出端子（例如PLC的Q0.1）决定伺服电动机的旋转方向（例如Q0.1=1为正转，Q0.1=0为反转）。七、伺服驱动器参数设置MADDT1207003伺服驱动器的参数共有128个，Pr00-Pr7F，参数可以通过与PC连接后在专门的调试软件上进行设置，也可以在如图所示驱动器参数设置面板上进行设置。伺服驱动器参数设置面板表8-7

伺服参数设置表序号参数设置数值功能和含义参数编号参数名称1Pr01LED初始状态1LED屏幕显示电机转速2Pr02控制模式0选择控制模式为位置控制3Pr04行程限位禁止输入无效设置2选择设置两个行程限位信号（CCWL，X5接口第8引脚；CCWL，X5接口第9引脚）的输入是否有效。4Pr20惯量比自动估算设置设定Pr21=1时，实时自动增益调整，此参数由伺服控制器自动估算设置。（数值范围0-10000）5Pr21实时自动增益设置1设定实时自动调整为常规模式，运行时负载惯量的变化情况很小。6Pr22实时自动增益的机械刚性选择1此参数值设得越大，响应越快。（数值范围0-15）7Pr41指令脉冲旋转方向设置1选择指令脉冲类型为：指令脉冲+指令方向。

8Pr42指令脉冲输入方式3七、伺服驱动器参数设置MADDT1207003伺服驱动器的参数共有128个，Pr00-Pr7F，参数可以通过与PC连接后在专门的调试软件上进行设置，也可以在如图所示驱动器参数设置面板上进行设置。伺服驱动器参数设置面板

伺服参数设置表9Pr48指令脉冲分倍频第1分子需经计算得出如果Pr48或Pr49设为0，那么自动设为编码器的分辨率。10Pr49指令脉冲分倍频第2分子0

11Pr4A指令脉冲分倍频比率公式分子倍率0设置为012Pr4B指令脉冲分倍频比率公式分母需经计算得出Pr4B需要根据等式计算得出七、伺服驱动器参数设置根据伺服驱动器《使用说明书（第四版）AC伺服电机驱动器MINASA4系列》的参数设置说明，如果编码器分辨率记作F（单位：脉冲pulse），而电机每转一圈所需脉冲数是f（单位：脉冲pulse），那么指令脉冲分倍频的分子Pr48或Pr49、分子倍率Pr4A和分母Pr4B必须满足等式：

（8-2）在式（8-2）中，编码器分辨率是编码器反馈脉冲和电子齿轮倍频值的乘积。根据编码器分辨率可以计算出和的值。

（8-3）

（8-4）分辨率，式（8-3）是指电机转一圈对应的脉冲数；分倍频比率，式（8-4）是指分辨率与伺服电机旋转一圈所需指令脉冲的比值；指令脉冲是指从控制器（例如PLC）输出的脉冲。八、交流伺服电动机、伺服驱动器、控制器的接线

选用位置控制模式，接线方式，如图所示。AC220V电源连接到L1、L3主电源端子；U