《电机与电力拖动》课件-任务6 控制电机系统

电机与电力拖动1.步进电机结构、工作原理及应用步进电机的定义步进电机结构、工作原理及应用步进电机是“脉冲控制的电机”，将电脉冲信号转换为角位移/线位移的电机，每输入一个脉冲，转子转动

一个固定“步距角”，实现“脉冲数→位移量”精准对应。​步进电机分类反应式（VR型）永磁式（PM型）混合式（HB型）混合式步进电机（HB型）：定子呈双凸极结构，绕着两相或三相绕组；转子既有永磁体，又有凸极铁芯，结合了反应式的高精度和永磁式的高转矩，步距角能做到0.9°

甚至0.45°，满足大多数中小设备的精度需求。步进电机结构、工作原理及应用关键参数步进电机结构、工作原理及应用步距角拍数步进电机结构、工作原理及应用以

两相四拍电机

为例：​输入第一个脉冲：A相绕组通电，定子A相的磁场会吸引转子凸极对齐，转子转1.8°输入第二个脉冲：A、B相同时通电，磁场叠加，转子再转1.8°输入第三个脉冲：B相通电、A相断电，转子继续转1.8°输入第四个脉冲：B、A相反向通电，转子再转1.8°核心逻辑：脉冲频率决定转速（频率↑→转速↑）脉冲数决定总转角（脉冲数

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步距角=总转角）​工作原理步进电机结构、工作原理及应用应用场景高精度领域3D打印：喷头进给（42型混合式电机，16细分，适配0.1mm层厚）​​小型机床：工作台移动（57型混合式电机，步距角1.8°，定位精度

±0.1mm）​消费电子：相机镜头对焦（微型永磁式电机，体积小、步距角15°）​注意：步进电机高速时容易“失步”步进电机结构、工作原理及应用课后总结总结结构核心：混合式步进电机为“双凸极定子+永磁凸极转子”​原理核心：脉冲控制绕组通电，转子分步转动，开环实现精准位移应用核心：中低精度、低成本、低速场景优先选用​​2.步进控制器步进控制器步进控制器的核心定位步进控制器是连接上位机（比如PLC、单片机）和步进电机的“桥梁”。接收上位机指令（脉冲、方向信号），输出可控驱动电流，实现步进电机“脉冲→转角”精准转换的控制装置（又称步进驱动器）​。同时还能通过细分、恒流等技术，让电机运行更平稳，避免振动和转矩衰减。步进控制器硬件模块电源模块：​将单相220V/直流24V电源转换为控制器内部工作电压（如DC5V、DC12V）及电机驱动电压​指令接收模块：​接收上位机的脉冲、方向信号驱动模块：​用MOS管输出PWM恒流信号，控制电机绕组的通电顺序与电流大小（决定电机转角与转矩）细分模块：​将电机单步距角细分（如16细分），减小等效步距角，提升运行平稳性​​步进控制器软件功能细分功能：减小步距角，降低噪声，3D打印机里的控制器大多会开16细分，这样打印时喷头不会晃动，零件表面更光滑。恒流控制：保证低速转矩稳定，避免“高速转矩衰减。步进控制器连接方式与应用案例实际应用中，控制器的连接和参数配置很关键。应用案例：3D打印机喷头驱动连接方式：把PLC的脉冲信号接控制器的PUL接口，方向信号接DIR接口，电机绕组接A、B相接口控制器参数配置​：细分等级16细分（等效步距角0.1125°），设定电流1.5A（匹配电机额定电流），脉冲当量1600脉冲/mm需求​：喷头移动精度

±0.1mm，进给速度50-300mm/min，电机步距角1.8°，丝杠导程8mm​注意：控制器的保护功能过流保护

过热保护步进控制器课后总结总结硬件核心：电源、指令接收、驱动、细分模块协同工作，实现电机精准驱动​技术核心：细分驱动提升平稳性，恒流控制保证转矩，是控制器的关键技术​应用核心：适配中低精度、低成本场景，如3D打印、小型机床、自动化设备​3.伺服电机结构、工作原理及应用伺服电机是一种能精准响应控制信号的电机，核心是“闭环控制”，通过编码器实时反馈自己的位置和速度，一旦和目标指令有偏差，就立刻修正。伺服电机结构、工作原理及应用伺服电机的定义伺服电机结构、工作原理及应用伺服电机分类永磁同步伺服电机（PMSM）交流异步伺服电机（ASMT）直流伺服电机（已逐步淘汰）永磁同步伺服电机（PMSM）：定子带三相绕组，绕组正弦分布，通交流电后能产生更均匀的旋转磁场；转子嵌着稀土永磁体，转矩更大、效率更高。17位的编码器每转能输出13万多个脉冲，定位精度自然能到微米级。​​以“位置控制模式”为例，四步调控逻辑：​指令输入：上位机（如PLC）发送“定位到X轴50mm”的目标指令​电机执行：控制器接收指令，驱动定子绕组通电，产生旋转磁场，带动转子转动​反馈检测：编码器实时检测转子实际位置（如“48.5mm”）将信号传回控制器​偏差修正：控制器对比“目标值（50mm）”与“实际值（48.5mm）”，输出调节信号，调整绕组电流，直至实际位置趋近目标值伺服电机结构、工作原理及应用核心逻辑：通过“指令-反馈-修正”的闭环循环，实现无偏差控制工作原理伺服电机结构、工作原理及应用应用场景高精度领域机床行业：数控车床、加工中心（位置控制，定位精度

±0.001mm，适配零件精密加工）​机器人领域：六轴工业机器人（位置+速度控制，关节重复定位精度

±0.005mm，适配装配、焊接）​3C制造：手机屏幕激光切割（位置控制，精度

±0.0005mm，保证切割边缘平整）​伺服电机结构、工作原理及应用课后总结总结伺服电机的结构：“定子绕组+永磁转子+编码器”原理：“闭环控制修正偏差”核心优势：高精度、高响应4.伺服控制器伺服控制器是连接上位机（如PLC）和电机的“桥梁”，既要把上位机的指令翻译成电机能懂的“语言”（驱动电流），又要通过编码器反馈实时“检查”电机的运行状态，一旦有偏差就立刻修正。伺服控制器伺服控制器的核心定位伺服控制器硬件模块电源模块：​将三相380V/单相220V交流电整流为直流母线电压（如DC540V）指令接收模块：​接收PLC的脉冲或模拟量指令驱动模块：​用IGBT功率模块输出PWM调制电流，直接控制电机转动反馈处理模块：​解析编码器信号，提取转子位置、转速信息（反馈给CPU计算偏差）​伺服控制器软件功能三种核心控制模式位置模式：适合需要精准定位的场景，靠脉冲指令控制精度PID算法：“思维核心”，比例调节快速缩小偏差，积分调节消除静态误差，微分调节避免超调，三者配合让电机运行又准又稳。速度模式：适合需要恒速运行的设备，靠模拟量指令保持转速稳定转矩模式：适合需要控制张力的场景，靠模拟量指令稳定输出转矩伺服控制器连接方式与应用案例实际应用中，控制器的连接和参数配置很关键。应用案例：数控车床刀架定位连接方式：把PLC的脉冲输出接控制器的脉冲接口，编码器线接反馈接口控制器参数配置​：P001=1（位置模式），P003=1000（最大转速），P010=2000（脉冲当量，2000脉冲/mm）​需求​：刀架移动精度

±0.001mm，转速1000r/min，响应时间＜0.2s​伺服控制器课后总结总结伺服控制器靠硬件模块实现信号转换与驱动，靠软件功能实现精准调节，是伺服系统的核心。5.伺服电机与步进电机的区别伺服电机与步进电机的区别核心区别基础定位：步进电机：中低精度、低成本、开环驱动的“经济型精准电机”（适配中小功率场景）​伺服电机：高精度、高响应、闭环控制的“高端精密电机”（适配大功率、高要求场景）核心差异：电机类型步进电机伺服电机控制方式开关控制闭环控制核心组件无反馈组件高精度编码器精度等级单步精度（±5%）重复定位精度（±0.0005mm）成本水平低（约为伺服的1/3-1/2）高伺服电机与步进电机的区别控制方式不同步进电机（开环控制）：​控制逻辑：上位机发送脉冲指令→控制器驱动电机转动→无反馈信号→无法修正偏差​关键问题：若负载超过转矩，会出现“失步”（转子转角小于指令步距），且无补偿机制​开环控制伺服电机（闭环控制）：​控制逻辑：上位机发送目标指令→电机执行→编码器检测实际状态→反馈给控制器→对比偏差→修正驱动信号​关键优势：实时修正偏差，无失步问题（负载超限时，控制器会调整电流提升转矩）​闭环控制伺服电机与步进电机的区别结构不同步进电机结构（简化）：核心组件：定子绕组、转子（永磁体/凸极铁芯）、控制器（无反馈元件）​关键特点：结构简单，无易损反馈部件，故障率低​​伺服电机结构（复杂）：核心组件：定子绕组、永磁转子、伺服控制器、高精度编码器（17位及以上）​关键特点：编码器是核心（占成本20%-30%），决定精度与响应速度​伺服电机与步进电机的区别性能区别精度对比：步进电机：单步精度

±5%，无累积误差（每步偏差独立），但失步后整体偏差不可控​伺服电机：重复定位精度

±0.0005mm，通过闭环修正，无失步，长期运行精度稳定​转速与转矩对比：性能指标步进电机伺服电机最高转速＜3000r/min（高速容易失步）＞6000r/min（高速稳定）转矩特性低速转矩大，衰减快全转速段转矩稳定响应时间＞0.1s＜0.05s步进电机：​购置成本：低（57型约200-500元）​维护成本：低（无反馈部件，仅需维护轴承）​伺服电机：​购置成本：高（2kW约2000-5000元）​维护成本：中（编码器需定期检查，避免污染）​伺服电机与步进电机的区别成本与维护不同“精度够、成本省”​看精度需求：±0.01mm以上选步进，±0.001mm以下选伺服​看负载与转速：低速轻载选步进，高速重载选伺服​看成本预算：成本敏感选步进，精度优先选伺服​某工厂要做点胶机，点胶