机电传动与控制 课件 第3章 机电传动控制系统中的控制电动机

第3章

机电传动控制系统中的控制电动机ControlMotorsinElectromechanicalDriveandControlSystems3.1伺服电动机3.2步进电动机章节内容3.1伺服电动机0.介绍

伺服电动机又称为执行电动机，是控制电动机中的一种。伺服电动机在控制系统中主要作为执行元件，将输入的受控电压信号转换成电动机轴上的角位移或角速度等机械信号输出。按控制电压来分，伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机的输出功率一般为1～600

W，有时也可达数千瓦，多用于功率较大的控制系统中。而交流伺服电动机的输出功率较小，一般在100

W以下，常用于功率较小的控制系统中。3.1伺服电动机了解伺服电动机种类、结构、控制特性。学习目的2.直流伺服电动机种类和结构直流伺服电动机励磁方式控制方式电枢形式电磁式永磁式磁场控制电枢控制电枢式无槽电枢式绕线盘式为了避免电刷和换向器的接触，还有无刷直流伺服电动机。空心杯电枢式3.1伺服电动机普通型直流伺服电动机图3.1.1普通型直流伺服电动机的结构3.1伺服电动机无槽电枢式直流伺服电动机图3.1.2无槽电枢式直流伺服电动机的结构3.1伺服电动机空心杯电枢式直流伺服电动机图3.1.3空心杯电枢式直流伺服电动机的结构3.1伺服电动机盘型电枢式直流伺服电动机图3.1.4盘型电枢式直流伺服电动机的结构3.1伺服电动机无刷直流伺服电动机图3.1.5无刷直流伺服电动机的结构3.1伺服电动机直流伺服电动机的机械特性公式与他励直流电动机的相同，即n—电动机转速；T—电动机转矩；—电枢电压；R—电枢回路电阻；

Φ—每极磁通；—电动机结构常数。（3.1）3.直流伺服电动机的控制特性3.1伺服电动机图3.1.6不同电枢电压下直流伺服电动机的机械特性曲线

不同电枢电压下的直流伺服电动机的机械特性曲线是一组平行线。3.1伺服电动机图3.1.7晶闸管直流调速驱动系统CF为晶闸管触发电路KZ为晶闸管整流电路L为整流线圈3.1伺服电动机图3.1.8PWM直流调速驱动系统PWM直流调速驱动系统是在电枢回路中串入功率晶体管或晶闸管来实现调速功能的。3.1伺服电动机（1）稳定性好。直流伺服电动机具有较硬的机械特

性，因此能够在较大的速度范围内稳定运行。

（2）可控性好。直流伺服电动机具有线性的调节特性，通过控制电枢电压的大小和极性，可以控制直流伺服电动机的转速和转动方向；当电枢电压为零时，由于转子惯量很小，因此直流伺服电动机能立即停止工作。

（3）响应迅速。直流伺服电动机具有较大的启动转矩和较小的转动惯量，能够在控制信号输入、增加、减小或消失的瞬间，迅速实现启动、增速、减速或停止。4.直流伺服电动机的优点3.1伺服电动机交流伺服电动机及其控制交流伺服电动机同步型（SM）感应型（IM）同步型伺服电动机又称无刷直流伺服电动机感应型伺服电动机是指笼型感应电动机1.交流伺服电动机的种类3.1伺服电动机交流伺服电动机通常为两相交流电动机，由定子和转子两部分组成。定子的两相绕组在空间相差90°，其结构完全相同，但作用不同：一个绕组用作励磁，称为励磁绕组（WF）；而另一个绕组用作控制，称为控制绕组（WC）。

两相交流伺服电动机的转子一般有笼型和杯形两种结构形式。笼型转子与三相鼠笼式异步电动机的转子结构相似，通常采用高电阻率材料（如黄铜、青铜或镍铝等）制成。杯形转子则通常用铝合金或铜合金制成空心薄壁圆筒，放置在内定子和外定子之间，实质上杯形转子只是笼型转子的一种特殊形式。2.交流伺服电动机的结构3.1伺服电动机图3.1.9两相交流伺服电动机的工作原理图图3.1.10交流伺服电动机的机械特性曲线3.交流伺服电动机的工作原理3.1伺服电动机控制方法幅值控制相位控制幅相控制图3.1.11幅值控制接线图

4.交流伺服电动机的控制3.1伺服电动机图3.1.12不同控制电压下交流伺服电动机的机械特性曲线图3.1.13

相位控制接线图图3.1.14幅相控制接线图

4.交流伺服电动机的控制3.2步进电动机0.介绍

步进电动机是将电脉冲控制信号转换成机械角位移或直线位移的一种控制电动机。在驱动电源的作用下，步进电动机每接收一个电脉冲，转子就转过一个相应的角度（步距角）。电动机转子角位移的大小和转速的高低分别与输入的控制电脉冲的数量和频率成正比。而电动机的转向与绕组通电的相序有关，因此通过控制输入电脉冲的数目、频率及电动机绕组通电的相序，就可获得所需要的转角、转速及转向。所以步进电动机的开环数字控制可以通过微型计算机轻松实现。3.2步进电动机了解步进电动机种类、结构、控制特性。学习目的2.步进电动机种类步进服电动机反应式（VR）永磁式（PM）混合式（HB）

目前又出现了新型的步进电动机，如直线步进电动机和平面步进电动机。3.2步进电动机1．反应式步进电动机图3.2.1三相单三拍反应式步进电动机的工作原理图

反应式步进电动机的定子和转子均由软磁材料制成，又称为可变磁阻式步进电动机。定子上有6个磁极，每个磁极有控制绕组，每两个相对的磁极构成一组。转自上均匀分布有4个齿，转子的齿上没有绕组。3.2步进电动机图3.2.2三相六拍反应式步进电动机的工作原理图同一台三相步进电动机，其通电方式全不同，则步距角也不同单三拍和双三拍的步距角为30°，而六拍的步距角为15°。3.2步进电动机

步进电动机的步距角

与转子齿数、步进电动机的相数和通电状态系数有关，可由下式计算（3.2）—步距角；m—步进电动机的相数，对于三相步进电动机，m=3；K—通电状态系数，单三拍或双三拍时，K=l；六拍时，K=2；

Z—步进电动机转子的齿数。3.2步进电动机（3.3）步进电动机的转速可通过下式计算n—步进电动机的转速；

f—步进电动机的脉冲频率，即每秒的拍数（或步数）。3.2步进电动机2．永磁式步进电动机图3.2.3永磁式步进电动机的工作原理图

永磁式步进电动机的转子一般使用永磁材料制成。

转子由一对或几对磁极的星形磁钢组成。3.2步进电动机3．混合式步进电动机图3.2.4混合式步进电动机的剖面图

混合式步进电动机，也可称为永磁感应式步进电动机具有反应式和永磁式步进电动机的优点，这类电动机要求电源提供正负脉冲。3.2步进电动机1．易于实现数字控制（1）步进电动机的输出角位移与输入脉冲数成正比，θ—电动机转子转过的角度；N—控制脉冲数；

—步距角。（2）步进电动机的转速与输入脉冲频率成正比，（3）步进电动机的转动方向可以通过改变钉子绕组的通电顺序来改变θ=N3.步进电动机的特点3.2步进电动机2．具有自锁能力3．抗干扰能力强4．步距角误差不会长期累积5．多用于构成开环控制系统3.2步进电动机1．步距角2．矩角特性和最大静转矩图3.2.5步进电动机的矩角特性曲线4.步进电动机的运行特性和性能指标3.2步进电动机3．启动转矩Tq4．惯性特性和启动频率图3.2.6步进电动机的惯频特性3.2步进电动机5．最高连续运行频率6．矩频特性和动态转矩图3.2.7步进电动机的矩频特性3.2步进电动机1．环形分配器

（1）硬件环形分配器可以分为集成电路型、专用芯片型和可编程逻辑器件型图3.2.8三相六拍环形分配器5.步进电动机的驱动与控制3.2步进电动机图3.2.9CH250三相六拍接线图图3.2.10PMM8713双四拍接线图3.2步进电动机表3.2.1CH250的主要段子功能说明端子功能说明UD、Us电源端

A、B、C三相励磁信号输出端

R、R*确定初始励磁相R=0、R*=1时，A、B、C的初始励磁相为1、1、0；R=1、R*=0时，A、B、C的初始励磁相为1、0、0；R=0、R*=0时，环形分配器工作CL、EN进给脉冲输入端若EN=1则进给脉冲接CL端，脉冲上升沿使环形分配器工作；若CL=0，则进给脉冲接EN端，脉冲下降沿使环形分配器工作，否则环形分配器状态锁定J3R、J3L三相双三拍正、反转控制端

J6R、J6L三相六拍正、反转控制端

3.2步进电动机表3.2.2PMM8713的主要段子功能说明端子功能说明VDD、VSS电源

CK时钟脉冲双四拍工作方式时，电动机的转速由CK的脉冲输入频率决定U/D正、反转切换若U/D=1，电动机正转；若U/D=0，电动机反转。电动机正、反转也可采用脉冲控制方法，即通过CU、CD端子控制CU、CD电动机正、反转脉冲输入CU端输入的脉冲使电动机正转，CD端输入的脉冲使电动机反转。此时，CK和U/D端同时接地φc切换电动机相数分配器用于三相电动机时，φc=0；用于四相电动机时，φc=1φ1～φ4脉冲输出

EA～EB励磁方式选择1～2相励磁时，EA=EB=1；2相励磁时，EA=EB=0；1相励磁时，EA和EB一端为1，另一端为0R复位端R=0时，φ1～φ4均为1，此时步进电动机锁住不动3.2步进电动机表3.2.3三相六拍环形脉冲分配状态表（2）软件环形分配器转向CBA代码通电相转向正转00101HA反转01103HAB01002HB11006HBC10004HC10105HCA00101HA3.2步进电动机2.功率放大电路图3.2.11单电压功率放大电路3.2步进电动机图3.2.12高低压功率放大电路3.2步进电动机图3.2.13斩波恒流功率放大电路3.2步进电动机图3.2.14调频调压功率放大电路3.2步进电动机3.步进电动机细分驱动细分驱动的特点是：①在不改变电动机结构参数的情况下，减小步距角，实现精确定位；②由于步进电动机在细分状态下步距角变小，转子达到新的稳定位置时所具有的动能也变小，从而显著降低振动；

③由于采用细分驱动后，电动机绕组中的电流不是由零跳升到额定值，而是经过若干小步的变化后才达到额定值，同样也不是由额定值陡降至零，而是经过若干