《电工电子技术》-第十四章

14.1控制电机概述

随着自动控制系统和计算装置的不断发展，在普通旋转电机的基础上产生出多种具有特殊性能的小功率电机，它们在自动控制系统和计算机装置中作为执行元件、检测元件和解算元件，这类电机系统称为控制电机。14.1.1控制电机的发展概况及其要求

1.控制电机的发展概况控制电机属于电机制造工业中一个新机种，它的历史虽短但发展迅速。控制电机的品种繁多，用途各异，据不完全统计，按制电机种类已达3000种以上，是普通电机所不可比拟的。在国外，从20世纪30年代开始，控制电机随着工业自动化、科学技术和军事装备的发展而迅速发展，其使用领域也日益扩大。下一页返回14.1控制电机概述到了20世纪40年代以后，已逐步形成自整角机、旋转变压器、交直流伺服电动机、交直流测速发电机等一些基本系列。20世纪60年代以后，由于电子技术、航天等科学技术的发展和自动控制系统的不断完善，对控制电机的精度和可靠性提出了更高的要求，控制电机的品种也日益增多，在原有的基础上又生产出多极自整角机、多极旋转变压器、感应同步器、无接触自整角机、无接触旋转变压器、永磁式直流力矩电动机、无刷直流伺服电动机、空心杯转子永磁式直流伺服电动机、印制绕组直流伺服电动机等新机种。上一页下一页返回14.1控制电机概述目前在自动化系统中，常用数字计算机进行控制，而在它的输出设备中又要将数字信号转换成角位移或线位移，即实现数模转换。步进电动机的工作特性完全适合这种要求，因此得到较快发展。在数字计算机输入设备中，为了进行模数转换，出现了多相自整角机和多相旋转变压器。由于新原理、新技术、新材料的发展，使电机在很多方面突破了传统的观念，人们研制出了一些新原理、新结构的电机，如霍尔效应的自整角机及旋转变压器、霍尔无刷直流测速发电机、压电直线步进电动机，利用“介质极化”研制出驻极体电机，利用“磁性体的自旋再排列”研制出光电机，此外，还有电介质电动机、静电电动机、集成电路电动机等。上一页下一页返回14.1控制电机概述控制电机的进一步发展已经不限于一般的电磁理论，而将与其他学科相互结合，相互促进，成为一门多种学科相互渗透的边缘学科。研究特种电机的原理、结构与应用，在21世纪自动化技术、计算机技术的开发和应用中将具有光辉的前景。

2.对控制电机的要求控制电机是在普通旋转电机的基础上发展起来的，其基本原理与普通旋转电机并无本质区别。不过，普通电机的主要任务是完成能量的转换，对它们的要求主要着重于提高效率等经济指标以及起动和调速等性能。而控制电机的主要任务是完成控制信号的传递和转换，因此，现代控制系统对它的基本要求是高精确度、高灵敏度和高可靠性。上一页下一页返回14.1控制电机概述高精确度是指控制电机的实际特性与理想特性的差异应越小越好。对功率元件来说，是指其特性的线性度和不灵敏区;对信号元件来说，则主要指静态误差、动态误差以及环境温度、电源频率和电源电压的变化所引起的漂移。这些特性都直接影响整个系统的精确度。高灵敏度是指控制电机的输出量应能迅速跟上输入信号的变化，即对输入信号能做出快速响应。目前，自动控制系统中的控制指令是经常变化的，有时极为迅速，因而控制电机，特别是功率元件能否对输入信号做出快速响应，会严重影响整个系统的工作。表征快速响应的主要指标有灵敏度和机电时间常数等。

高可靠性是指控制电机对不同的使用环境应有广泛的适应性，在较差的环境中能非常可靠地工作。上一页下一页返回14.1控制电机概述14.1.2控制电机的种类和用途现以自动控制系统的一个重要分支—按预定要求控制物体位置的伺服系统为例来说明控制电机的种类和用途。图14-1所示为两种伺服系统的示意方框图。其中图14-1(a)所示为经济型数控机床常用的步进电动机开环伺服系统，计算机数控装置给出位移指令脉冲，驱动电路将脉冲放大，去驱动步进电动机按命令脉冲转动，并带动工作台按要求进行位移。上一页下一页返回14.1控制电机概述图14-1(b)所示为高档数控机床使用的全闭环位置伺服控制系统，该系统由数控装置给出加工所要求的位移指令值，在机床工作台上装有直线位置传感器进行实际位置检测，在伺服电动机轴上还装有速度传感器完成实际速度检测。该系统的位置比较电路要进行位置指令值和实际位置反馈值之间的偏差运算，根据偏差情况计算出所需速度，所需速度还要和实际速度检测值进行比较，用一系列综合运算结果实时地通过伺服驱动器去推动伺服电动机旋转，实现工作台的精确移动。控制电机的种类很多，若按电流分类，可分为直流和交流两种;按用途分类，直流控制电机又可分为直流伺服电动机、直流测速发电机和直流力矩电动机等;交流控制电机可分为交流伺服电动机、交流测速发电机、步进电动机、微型同步电动机等。上一页下一页返回14.1控制电机概述各种控制电机的用途和功能尽管不同，但它们基本上可分为信号元件和功率元件两大类。

1.作为信号元件用的控制电机

(1)交、直流测速发电机。测速发电机的输出电压与转速精确地保持正比关系，在系统中主要用于转速检测或速度反馈，也可以作为微分、积分的计算元件。

(2)自整角机。自整角机的基本用途是传输角度数据，一般由两个以上元件对接使用，输出电压信号时是信号元件，输出转矩时是功率元件。作为信号元件时，输出电压是两个元件转子角差的正弦函数。作为功率元件时，输出转矩也近似为两个元件转子角差的正弦函数。自整角机在随动系统中可作为自整步元件或角度的传输、变换、接收元件。上一页下一页返回14.1控制电机概述(3)旋转变压器。普通旋转变压器都做成一对磁极，其输出电压是转子转角的正弦、余弦或其他函数，主要用于坐标变换、三角运算，也可以作为角度数据传输和移相元件使用。多极旋转变压器是在普通旋转变压器的基础上发展起来的一种精度可达角秒级的元件，在高精度解算装置和多通道系统中用作解算、检测元件或实现数模传递。

2.作为功率元件用的控制电机

(1)交流和直流伺服电动机。交、直流伺服电动机在系统中作执行元件，其转速和转向取决于控制电压的大小和极性(或相位)，机械特性近于线性，即转速随转矩的增加近似线性下降，比普通电动机的控制精度高。使用时，电动机通常经齿轮减速后带动负载，所以又称为执行电动机。上一页下一页返回14.1控制电机概述(2)电机扩大机。电机扩大机可以利用较小的功率输入来控制较大的功率输出，在系统中作为功率放大元件。电机扩大机的控制绕组上所加的电压一般不高，励磁电流不大，而输出电动势较高，电流较大，这就是功率放大。电机扩大机的放大倍数可达1000~10000倍，也可作为自动调节系统中的调节元件。

(3)步进电动机。步进电动机是一种将脉冲信号转为相应的角位移或线位移的机电元件。它由专门的电源供给脉冲信号电压，当输入一个电脉冲信号时，它就前进一步，输出角位移量或线位移量与输入脉冲数成正比，而转速与脉冲频率成正比。步进电动机在经济型数控系统中作为执行元件得到广泛应用。上一页下一页返回14.1控制电机概述(4)微型同步电动机。微型同步电动机具有转速恒定，结构简单，应用方便等特点，应用在自动控制系统和其他需要恒定转速的仪器上。

(5)磁滞电动机。磁滞电动机具有恒速特性，亦可在异步状态下运行，主要用于驱动功率较小的要求转速平稳和起动频繁的同步驱动装置中。

(6)单相串励电动机。单相串励电动机是交直流两用的，多数情况下使用交流电源。由于它具有较大的起动转矩和软的机械特性，因而广泛应用在电动工具中，如手电钻就采用这种电动机。上一页下一页返回14.1控制电机概述(7)电磁调速电动机。电磁调速电动机是采用电磁转差离合器调速的异步电动机。这种电动机可以在较大的范围内进行无级平滑调速，是交流无级调速设备中最简单实用的一种，在纺织、印染、造纸等轻工业机械中得到广泛应用。本章仅讨论工业常用的执行用控制电机，即交、直流伺服电动机和步进电动机，以及测速用控制电机即交、直流测速发电机。上一页返回14.2伺服电动机

伺服电动机又称为执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件。它将输入的电压信号转换成转矩或速度输出，以驱动控制对象。输入的电压信号称为控制信号或控制电压，改变控制电压的极性和大小，便可改变伺服电动机的转向和转速。根据实际应用，自动控制系统对伺服电动机的基本要求有如下几点。

(1)可控性好。有控制电压信号时，电动机在转向和转速上应能做出正确的反应;控制电压信号消失时，电动机应能可靠停转，即无“自转”现象。

(2)响应快。电动机转速的高低和方向应能随控制电压信号改变而快速变化，即要求机电时间常数小和灵敏度高。下一页返回14.2伺服电动机(3)具有线性的机械特性和线性的调节特性，调速范围大，转速稳定。按伺服电动机使用电源性质不同，可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机。14.2.1直流伺服电动机直流伺服电动机就是一台微型他励直流电动机，其结构与工作原理与他励直流电动机相同。按励磁方式的不同可分为他励式和永磁式两种。上一页下一页返回14.2伺服电动机工程中采用直流电压信号控制伺服电动机的转速和转向，其控制方式有电枢控制和磁场控制。前者是通过改变电枢电压的大小和方向来达到改变伺服电动机的转速和转向;后者是通过改变励磁电压大小和方向来改变伺服电动机的转速和转向。后者只适用于他励式直流伺服电动机，且控制性能不如前者，因此工程中多采用电枢控制。电枢控制直流伺服电动机接线图如图14-2所示。伺服电动机励磁绕组接于恒压直流电源Uf上，直流恒定励磁电流If，产生恒定磁通，将控制电压Uc加在电枢绕组上来控制电枢电流Ic，进而控制电磁转矩T，实现对电动机转速的控制。上一页下一页返回14.2伺服电动机采用电枢控制时，直流伺服电动机机械特性与他励直流电动机改变电枢电压时人为机械特性相似，其机械特性方程为

(14.1)

当Uc为不同值时，机械特性为一族平行直线，如图14-3所示(图中的n*和T*分别是转速n和电磁转矩T的相对值)。在Uc一定情况下，T越大时转矩n越低。在负载转矩一定，磁通不变时，控制电压Uc高，转速也高，转速的增加与控制电压的增加成正比;当Uc=0时，n=0，电动机停转，要改变直流伺服电动机转向，可改变控制电压Uc的极性。所以直流伺服电动机具有可控性。上一页下一页返回14.2伺服电动机直流伺服电动机在使用时应先接通励磁电源，等待控制信号。一旦控制信号出现，电动机马上起动，快速进入运行;当信号消失，电动机马上停转。所以在工作过程中，一定要防止励磁绕组断电，以防电动机因超速而损坏。常用的有SZ系列直流伺服电动机。14.2.2交流伺服电动机

1.结构交流伺服电动机结构类似单相异步电动机，在定子铁心槽内嵌放两相绕组，一个是励磁绕组戈，由给定的交流电压Uf励磁;另一个是控制绕组Nc，输入交流控制电压Uc。两相绕组在空间相差90o电角度。常用的转子有两种结构，一种为笼型转子，但为减小转子转动惯量而做的细而长。转子导条和端环采用高阻值材料或采用铸铝转子，如图14-4(a)所示。上一页下一页返回14.2伺服电动机另一种是用铝合金或紫铜等非磁性材料制成的空心杯转子。空心杯转子交流伺服电动机还有一个内定子，内定子上不装绕组，仅作为磁路一部分，相当于笼型转子的铁心，杯形转子装在内外定子之间的转轴上，可在内定子之间的气隙中自由旋转，如图14-4(b)所示。

2.工作原理交流伺服电动机的工作原理与具有起动绕组的单相异步电动机相似。在励磁绕组Nf中串人电容C进行移相，使励磁电流If与控制绕组Nc中的电流人在相位上近似相差90o电角度，如图14-5所示。它们产生的磁通与在相位上也近似相差90o电角度，于是在空间产生一个两相旋转磁场。上一页下一页返回14.2伺服电动机在旋转磁场作用下，在笼型转子的导条中或杯形转子的杯形筒壁中产生感应电动势与感应电流，该转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁转矩，从而使转子转动起来。但一旦控制电压取消，仅有励磁电压作用时，若伺服电动机仍然按原来的方向旋转，即呈现“自转”现象。“自转”是不符合交流伺服电动机可控性要求的。为了防止“自转”现象的发生，必须增大转子的电阻。

由单相异步电动机的工作原理可知，在单个绕组通人交流电流产生的单相脉动磁场可分为两个大小相等、方向相反的旋转磁场，正向旋转磁场对转子产生拖动转矩T+，反向旋转磁场对转子产生制动转矩T_。图14-6所示画出了转子电阻值不同且控制电压Uc=0时的正向转矩、反向转矩以及合成转矩T的机械特性曲线。上一页下一页返回14.2伺服电动机其中图14-6(a)所示为电动机转子电阻值大小与一般单相异步电动机相同曲线时的T=f(s)曲线，出现最大转矩时的转差率sm=0.2。此时控制电压消失，电动机仍沿着转子原转动的方向继续转动。图14-6(b)所示是把交流伺服电动机的转子电阻增大到R2的T=f(s)曲线，此时sm=0.5。若负载转矩小于最大电磁转矩，即TL<Tm，在控制电压消失后时，电动机仍沿转子转动方向转动。上一页下一页返回14.2伺服电动机图14-6(c)所示是电动机转子电阻增大到R2"，使2">R2'>R2，此时sm=1，其合成转矩T在电动机工作状态时成为负值，即当控制电压消失后，处于单相运行状态的电动机由于电磁转矩为制动性质，使电动机迅速停下来。由此可知，交流伺服电动机在制造时，适当加大转子电阻，使T=f(s)曲线中sm>=1，便可克服交流伺服电动机的“自传”现象。增大转子电阻不仅可克服“自传”现象，还可改善交流伺服电动机的其他性能。上一页下一页返回14.2伺服电动机

图14-7所示为交流伺服电动机的机械特性曲线。图中曲线1为一般异步电动机的机械特性，其临界转差率sm=0.1~0.2，其稳定运行区在0~0.1，所以电动机的调速范围很小。如果增大转子电阻，使其sm>=1，这样电动机的机械特性曲线成为图中曲线入3所示，即机械特性更近于线性关系，电动机的转子转速由零到同步转速的全部范围均能稳定运行，从而扩大了调速范围和机械特性线性化。上一页下一页返回14.2伺服电动机

3.控制方式交流伺服电动机运行时，控制绕组上所加的控制电压Uc是变化的，改变其大小或者改变Uc与励磁电压Uf之间的相位角，都能使电动机气隙中的旋转磁场发生变化，从而影响电磁转矩。当负载转矩一定时，可以通过调节控制电压的大小或相位来改变电动机转速或转向。其控制方式有幅值控制、相位控制和幅值一相位控制三种。

(1)幅值控制。这种控制方式通过调节控制电压的大小来改变电动机的转速，而控制电压Uk与励磁电压Uf之间的相位角保持90o电角度，通常Uk滞后于Uf。当控制电压Uk=0时，电动机停转，即n=0。上一页下一页返回14.2伺服电动机

(2)相位控制。这种控制方式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角)来改变电动机的转速，而控制电压的幅值保持不变，当=0时，电动机停转。这种控制方式较少采用。

(3)幅值一相位控制(电容移相控制)。这种控制方式将励磁绕组串联电容C以后接到稳压电源上，其接线图如图14-8所示，这时励磁绕组上仍外施励磁电压，控制绕组仍外施控制电压Uk，而Uk的相位始终与U1的相位同相。上一页下一页返回14.2伺服电动机当调节控制电压Uk的幅值来改变电动机的转速时，由于转子绕组与励磁绕组的祸合作用(相当于变压器的二次绕组与一次绕组)，使励磁绕组的电流If也发生变化，致使励磁绕组的电压Uf及电容C上的电压Uca也随之改变，即电压Uk与Uf的大小及它们之间的相位角刀也都随之改变，所以这是一种幅值和相位的复合控制方式。幅值一相位控制电压相量图如图14-9所示。若控制电压Uk=0，电动机就停转。这种控制方式是利用串联电容器来分相的，它不需要复杂的移相装置，所以设备简单，成本较低，成为最常用的一种控制方式。上一页下一页返回14.2伺服电动机

4.伺服电动机的应用伺服电动机在自动控制系统中，作为执行元件，当输入控制电压后，伺服电动机能按照控制信号的要求驱动工作机械。伺服电动机应用十分广泛，在工业机器人、机床、各种测量仪器、办公设备以及计算机关联设备等场合获得广泛应用。下面介绍交流伺服电动机在测量仪表电子电位差计中的应用。

图14-10所示为电子电位差计原理图。该系统主要由热电偶、电桥电路、变流器、电子放大器与交流伺服电动机等组成。在测温之前，将开关SA扳向a位，将电动势为E0的标准电池接人;然后调节R3，使I0(R1+R2)=E0,△U=0，此时的电流I0为标准值。在测温时，要保持I0为恒定的标准值。上一页下一页返回14.2伺服电动机在测温度时，将开关SA扳向b位，将热电偶接入。热电偶将被测温度转换成热电动势Et，而电桥电路中电阻R2上的电压I0R2是用以平衡Et的，当两者不相等时将产生不平衡电压△U。而△U经过变流器变换为交流电压，再经过电子放大器放大，用以驱动伺服电动机SM。电动机经减速后带动测温仪指针偏转，同时驱动滑线电阻器的滑动端移动。当滑线电阻器R2达到一定值时，电桥达到平衡，伺服电动机停转，指针停留在一个转角处。由于测温仪的指针被伺服电动机所驱动，而偏转角与被测温度t之间存在着对应的关系，因此，可从测温仪刻度盘上直接读得被测温度t的值。

当被测温度上升或下降时，ΔU的极性不同，亦即控制电压的相位不同，从而使得伺服电动机正向或反向运转，电桥电路重新达到平衡，测得相应的温度。上一页返回14.3测速发动机

测速发动机是一种测速装置，它将输入的机械转速转换为电压信号输出。自动控制系统对测速发电机的要求是:测速发电机的输出电压与转速保持严格的线性关系，且不随外界条件(如温度等)的改变而发生变化;电机的转动惯量要小，以保证反应迅速;电机的灵敏度要高，即测速发电机的输出电压对转速的变化反应灵敏，也就是要求测速发电机的输出特性斜率要大。按照测速发动机输出信号的不同，可分为直流和交流两大类。下一页返回14.3测速发动机14.3.1直流测速发动机直流测速发动机是一种微型直流发动机，其定子和转子结构与直流发动机基本相同，按励磁方式可分为他励式和永磁式两种，其中以永磁式直流测速发动机应用最为广泛。直流测速发动机工作原理图如图14-11所示。在恒定磁场。中，当发动机以转速n旋转时，发动机空载电动势

(14.2)上一页下一页返回14.3测速发动机可见空载运行时，直流测速发动机空载电动势与转速成正比，电动势的极性与转动方向有关。空载时直流测速发动机输出电压U0=E0，因此空载输出电压与转速也成正比。当负载电阻为RL时，其输出电压U为U=E0-IRa而I=U/RL则

(14.3)

可见直流测速发动机输出电压U与转速n仍成正比。只不过对于不同的负载电阻RL,测速发动机的输出特性的斜率有所不同，它随负载电阻RL的减小而降低，如图14-12所示。空载时RL=∞，，输出特性U=f(n)为一条直线。上一页下一页返回14.3测速发动机RL愈小，电流1愈大，当转速为一定值时，输出电压U下降得也愈多，而且当RL减小时线性误差将增加，特别在高速时，输出特性为虚线所示。为此，使用时RL尽可能取大些。在直流测速发动机技术数据中给出了“最小负载电阻和最高转速”，以确保控制系统的精度。14.3.2交流测速发动机交流测速发动机有异步式和同步式两类，在自动控制系统中应用较广的为交流异步测速发动机。上一页下一页返回14.3测速发动机交流异步测速发电机结构与杯形转子伺服电动机相同。在机座号小的测速发电机中，定子槽内嵌放着空间相差90o电角度的两相绕组，其中一相绕组作为励磁绕组;另一相作为输出绕组。在机座号较大的测速发电机中，常将励磁绕组嵌放在外定子上，而把输出绕组嵌放在内定子上。下面以异步式交流测速发电机为例来分析其工作原理。如图14-13所示，在定子上有两个轴线互相垂直的绕组，一个励磁绕组N1，另一个是输出绕组N2。转子是空心杯，用电阻率较大的非磁性材料磷青铜制成。在杯子内还装有一个由硅钢片制成的铁心，称为内铁心，用以减小磁路的磁阻。上一页下一页返回14.3测速发动机

发电机的励磁绕组接到稳定的交流电源上，励磁电压U1，流过电流，在励磁绕组的轴线方向产生交变脉动磁通，由

(14.4)

可知，正比U1

当转子静止时，由于脉动磁通与输出绕组的轴线垂直，与N2没有交链，所以输出绕组无感应电动势，输出电压U2=0，如图4-13(a)所示。当转子被主机拖动，以转速n旋转时，杯形转子切割，在转子中感应出电动势Er,其方向由右手定则确定，如图4-13(b)所示。由于是随时间作正弦变化，所以Er也是正弦交流电动势，其频率也是f1，电动势有效值为上一页下一页返回14.3测速发动机 (14.5)

杯形转子可看作有无数条并联导体组成，Er便在其中产生同频率的转子电流Ir。由于杯形转子为高阻值，漏抗忽略不计，故Ir与Er同相位。由Ir产生频率为f1的脉动磁通。所以，当磁路不饱和时

(14.6)

磁通与绕组的轴线方向一致，因此在输出绕组中感应出频率也为f1的电动势，其有效值为

(14.7)输出绕组两端输出电压有上述关系可知: (14.8)上一页下一页返回14.3测速发动机

上式表明，测速发电机励磁绕组加上电压U1，以转速n转动时，产生的输出电压U2其大小与n成正比。当旋转方向改变时，输出电压U2相位也反了，于是就把转速信号转换为电压信号。若输出绕组阻抗为Z2时，则有: U2=E2-I2Z2 (14.9)当输出绕组接有负载，回路总阻抗为ZL，则有I2=U2/ZL,，代人式(14.9)中，得

U2=E2/(1+Z2/ZL)=kn (14.10)

测速发电机输出电压U2与转速的关系为输出特性U2=f(n)。图14-14(a)所示为交流测速发电机理想输出特性，斜线1为输出绕组开路时，即ZL=∞时的输出特性;斜线2为接有负载ZL时候的输出特性。上一页下一页返回14.3测速发动机

测速发电机在实际工作时，输出特性如图14-14(b)所示。因为是由励磁电流与转子电流共同产生的，而转子电动势和转子电流与转子转速n有关。因此，当转速变化时，励磁电流和磁通都将发生变化，即并非常数，这就使输出电压U2与转速n不再是线性关系了，出现误差。14.3.3测速发电机的应用如图14-15所示为直流测速发电机在恒速控制系统中的应用原理图。图中直流伺服电动机SM拖动旋转的机械负载。要求当负载转矩变动时，系统转速不变。如采用直流伺服电动机拖动机械负载，由于直流伺服电动机转速是随负载转矩的大小而变化的，不能达到负载转速恒定的要求。上一页下一页返回14.3测速发动机为此，与伺服电动机同轴连接一台直流测速发电机，并将直流测速发电机TG的输出电压送入系统的输入端，称为反馈电压Uf，且Uf与给定电压Ug反向连接，称为负反馈。

系统工作时，先调节给定电压Ug，使直流伺服电动机的转速恰为负载要求的转速。若负载转矩由于某种因素减小时，伺服电动机的转速上升，与其同轴的伺服电动机转速也将上升，输出电压Uf增大，Uf将反馈送入系统输入端，并与Ug比较，使差值电压Ud=Ug-Uf

，减小。上一页下一页返回14.3测速发动机经放大器放大后的输出电压随之减小，且作为伺服电动机电枢电压，从而使直流伺服电动机转速下降，使系统转速基本不变。反之当负载转矩由于某种原因有所增加时，系统的转速下降，测速发电机的输出电压Uf减小，因为差值电压Ud=Ug-Uf

，增大，经放大后加在伺服电动机上的电枢电压也增大，电动机转速上升。由此可见，该系统由于测速发电机的接人，具有自动调节作用，使系统转速近似于恒定值。上一页返回14.4步进电动机

步进电动机是利用电磁铁原理将电脉冲信号转换成相应角位移的控制电机。每输入一个脉冲，电动机就转动一个角度或前进一步，其输出角位移或线位移与输入脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。因此，步进电动机又称为脉冲电动机。在数字控制系统中步进电动机作为执行设备，获得了广泛应用。步进电动机的角位移量或线位移量与电脉冲数成正比，它的转速或线速度与电脉冲频率成正比。在负载能力范围内，这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化。通过改变脉冲频率的高低，可以在很大范围内实现步进电动机的调速，并能快速起动、制动和反转。下一页返回14.4步进电动机从零件的加工过程看，工作机械对步进电动机的基本要求是:(1)调速范围宽，应尽量提高最高转速以提高劳动生产率。

(2动态性能好，能迅速起动、正反转和停转。

(3)加工精度较高，即要求一个脉冲对应的位移量小，并要精确、均匀，这就要求步进电动机步距小，步距精度高，不丢步或越步。

(4)输出转矩大，可直接带动负载。步进电动机种类繁多，按运行方式可分为旋转型和直线型，通常使用的多为选转型。旋转型步进电动机又有反应式(磁阻式)、永磁式和感应式三种，其中反应式步进电动机是我国目前使用较广泛的一种。它具有惯性小、反应快和速度高等特点。按相数又有单相、两相、三相和多相等形式。下面以三相反应式步进电动机为例，介绍其结构和工作原理。上一页下一页返回14.4步进电动机14.4.1三相反应式步进电动机的结构

图14-16所示为三相反应式步进电动机结构示意图。其定、转自铁心均由硅钢片叠制而成，定子上均匀分布的六个磁极，磁极上绕有控制(励磁)绕组，两个相对磁极组成一相，三相绕组接成星形联结。转子铁心上没有绕组，转子具有均匀分布的四个齿，且转子齿宽等于定子极靴宽。上一页下一页返回14.4步进电动机14.4.2步进电动机的工作原理

1.单三拍控制步进电动机工作原理如图14-17所示是一个三相反应式步进电动机的工作原理图，其定子、转子铁心均由硅钢片叠压而成。定子上均匀分布六个磁极，磁极上装有线圈，相对两个极上的线圈串联起来组成三个独立的绕组，称为三相绕组。转子是四个均匀分布的齿，齿宽等于定子主磁极端面的有效宽度，转子上没有绕组，本身亦无磁性。上一页下一页返回14.4步进电动机

当A相绕组通电且B相、C相绕组都不通电时，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，因而转子齿1和齿3的轴线与定子A极轴线对齐(负载转矩为零时)，如图14-17(a)所示。当A相断电且B相通电时，转子便逆时针方向转过30o，使转子齿2和齿4的轴线与定子B极轴线对齐，如图14-17(b)所示。当B相断电且C相通电时，转子再转过30o,使转子齿1和齿3的轴线与定子C极轴线对齐，如图14-17(c)所示。如此循环往复，按A-B-C-A的顺序不断接通和断开控制绕组，气隙中将产生脉冲式的旋转磁场，转子就一步一步地按逆时针方向转动。上一页下一页返回14.4步进电动机步进电动机的转速取决于定子绕组与电源接通、断开的频率，即输入的电脉冲频率，步进电动机的转向则取决于定子绕组轮流通电的顺序。若步进电动机的通电顺序改为A-C-B-A，则电动机为顺时针方向旋转。定子绕组与电源的接通或断开一般由数字逻辑电路或计算机软件来控制。上述通电过程中，定子绕组每改变一次通电方式，步进电动机就走一步，称其为一拍。上述通电方式也称为三相单三拍。其中，“单”是指每次只有一相定子绕组通电，“三拍”是指每经过三次切换，定子绕组通电状态为一个循环，再下一拍通电时就重复第一拍通电方式。步进电动机每拍转子所转过的角位移称为步距角，可见，三相单三拍通电方式时，步距角是30o

。上一页下一页返回14.4步进电动机2.六拍方式控制步进电动机工作原理三相步进电动机除了单三拍通电方式外，还可工作在三相单、双六拍通电方式。三相单、双六拍时电动机运行情况如图14-18所示。这种方式的通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A，或为A-AC-C-CB-B-BA-A。按前一种顺序通电，即先接通A相定子绕组，接着使A和B两相定子绕组同时通电;然后断开A相，使B相绕组单独通电;再同时接通B和C两相定子绕组;接着C相单独通电，然后C和A两相定子绕组同时通电，并依次循环进行。这种工作方式下，定子三相绕组需经过六次换接才能完成一个循环，故称为“六拍”。“单、双六拍”是单相绕组与两相绕组交替接通的通电方式。上一页下一页返回14.4步进电动机拍数不同使这种通电方式的步距角也与单三拍的不同。当A相定子绕组通电时，和单三拍运行的情况相同，转子齿1和齿3的轴线与定子A极轴线对齐，如图14-18(a)所示。当A和B两相定子绕组同时通电时，转子的位置应兼顾到A和B两对极所形成的两路磁通，在气隙中所遇到的磁阻同样程度地达到最小。这时相邻两个A和B磁极与转子齿相作用的磁拉力大小相等且方向相反，使转子处于平衡状态。

这样，当A相通电转到A和B两相同时通电时，转子只能逆时针转过15o，如图14-18(b)所示。当断开A相定子绕组而使B相定子绕组单独通电时，转子将继续沿逆时针方向转过一个角度，直至使转子齿2和齿4的轴线与定子B极轴线对齐为止，如图14-18(c)所示，这时转子又转过15o

。上一页下一页返回14.4步进电动机若继续按BC-C-CA-A的顺序通电，那么步进电动机就按逆时针方向连续转动。如果通电顺序改为A-AC-C-CB-B-BA-A时，电动机将按顺时针方向转动。在单三拍运行方式时，每经过一拍，转子转过的步距角为30o。采用单、双六拍通电方式后，当由A相定子绕组单独通电转到B相定子绕组单独通电时，中间还要经过A和B两相绕组同时通电这一状态，也就是说要经过二拍，转子才转过30o

。所以，在单、双六拍运行方式时，三相步进电动机的步距角为15o

，是单三拍运行时的一半。上一页下一页返回14.4步进电动机3.双三拍方式控制步进电动机工作原理在实际工作中还经常采用三相双三拍的运行方式，也就是按AB-BC-CAAB的通电方式或AC-CB-BA-AC的通电方式供电。这种通电方式与单三拍运行时一样，每一循环也是换接三次，总共有三种通电状态，但不同的是，每次换接时都同时有两相定子绕组接通。三相双三拍的运行方式比三相单三拍的好，因为单三拍在切换时出现的一相定子绕组断电而另一相定子绕组开始通电的状态容易造成失步，而且由于单一定子绕组通电吸引转子，也易使转子在平衡位置附近产生振荡。上一页下一页返回14.4步进电动机而双三拍运行时，每个通电状态均为两相定子绕组同时通电，通电方式改变时保证其中一相电流不变(另两相切换)，使运行可靠、稳定。双三拍运行时，每一通电状态的转子位置和磁通路径与三相六拍相应的两相绕组同时接通时相同，如图14-18(b)所示。可