海南风光
第 15讲
第 10章
控制电机
第 10章 控制电机
§ 10.1 概述
§ 10.2 步进电动机
10.2.1 结构
10.2.2 工作方式
10.2.3 小步距角的步进电动机
§ 10.3 伺服电动机
10.3.1 交流伺服电动机
10.3.2 直流伺服电动机
前面介绍的异步电动机, 直流电动机等都是作为
动力使用的, 其主要任务是能量转换, 例如将电能
转换为机械能 。 本章介绍控制电机 。
§ 10.1 概述
如:伺服机将电压信号转换为转矩和转速;
步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移。
控制电机的主要功能是转换和传递信号。
控制电机的种类很多,本章主要介绍 步进机、伺服机。
对控制电机的主要要求,动作灵敏、准确,
重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等。
§ 10.2 步进电动机
机理, 步进电机是利用电磁铁原理, 将脉冲信号
转换成线位移或角位移的电机 。 每来一个
电脉冲, 电机转动一个角度, 带动机械移
动一小段距离 。
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,改变方向。
种类,
有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步
进电机的转子上有励磁线圈,反应式步进电机的转子
上没有励磁线圈。
应用,
步进机的应用非常广泛。如:在数控机床、自动
绘图仪等设备中都得到应用。
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 。
10.2.1 结构
步进机主要由两部分构成:定子和转子 。 它们均
由磁性材料构成, 其上分别有六个, 四个磁极 。
定子
转子
定子绕组
定子的六个磁极上有控制绕组,两个相对的磁极
组成一相。
注意,这里的相和三相交流电中的, 相, 的概念
不同。步进机通的是直流电脉冲,这主要是指线图
的联接和组数的区别。
A
B
C
定子
转子
IA
IB IC
10.2.2 工作方式
步进电机的工作方式可分为,三相单三拍、三相单
双六拍、三相双三拍等。
一、三相单三拍
( 1)三相绕组联接方式,Y 型
( 2)三相绕组中的通电顺序为,
A 相 ? B 相 ? C 相
通电顺序也可以为,
A 相 ? C 相 ? B 相
( 3)工作过程
化,吸引转子,使转子的位置力图使通电相磁
路的磁阻最小,使转、定子的齿对齐停止转动。
A 相通电,A 方向的磁
通经转子形成闭合回路。
若转子和磁场轴线方向
原有一定角度,则在磁
场的作用下,转子被磁
A 相通电使转子 1,3齿和 AA' 对齐。
C
A'
B
B' C'
A
3
4
1
2
C
A'
B
B' C'
A
同理,B相通电,转子 2,4齿和 B相轴线对齐,
相对 A相通电位置转 30?; C相通电再转 30?。
C'
C
A'
B
B'
A
这种工作方式,因三相绕组中每次只有一相通电,
而且,一个循环周期共包括三个脉冲,所以称三相
单三拍。
三相单三拍的特点,
( 1)每来一个电脉冲,转子转过 30?。此角称为
步距角,用 ?S表示。
( 2)转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序,
改变通电顺序即可改变转向。
二、三相单双六拍
三相绕组的通电顺序为,
A?AB?B?BC?C?CA?A 共六拍。
工作过程,
A相通电,转子 1,3齿和 A相对齐。
C
A'
B
B' C'
A
3
4
1
2
所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对 AA'
通电,转子转了 15° 。
( 1) BB' 磁场对 2,4 齿有磁拉力,该拉力使
转子顺时针方向转动。
A,B相同时通电
( 2) AA' 磁场继续对 1,3齿有拉力。
C
A'
B
B' C'
A
总之, 每个循环周期, 有六种通电状态, 所以称
为三相六拍, 步距角为 15?。
C
A'
B
B' C'
A
B相通电,转子 2,4齿和 B相对齐,又转了 15?。
三、三相双三拍
三相绕组的通电顺序为,
AB ? BC ? CA ? AB 共三拍。
AB通电
C
A'
B
B' C'
A
C
A'
B
B' C'
A
BC通电
以上三种工作方式,三相双三拍和三相单双六
拍较三相单三拍稳定,因此较常采用。
工作方式为三相双三
拍时, 每通入一个电
脉冲, 转子也 是转
30?,即 ?S = 30?。
CA通电
C
A'
B
B' C'
A
10.2.3 小步距角的步进电动机
实际采用的步进电机的步距角多为 3度和 1.5
度,步距角越小,机加工的精度越高。
为产生小步距角,定、转子都做成多齿的,
图中转子 40个齿,定子仍是 6个磁极,但每个磁
极上也有五个齿。
转子的齿距 等于 360?/ 40=9 ?,齿宽、齿槽各 4.5 ?。
为使转、定子的齿对齐,定子磁极上的小齿,
齿宽和齿槽和转子相同。
工作原理,假设是单三拍通电工作方式。
( 1) A 相通电时,定子 A 相的五个小齿和转子对
齐。此时,B 相和 A 相空间差 120?,含
120?/9? = 齿
A 相和 C 相差 240?,含 240?/ 9? = 个
齿。所以,A 相的转子、定子的五个小齿对
齐时,B 相,C 相不能对齐,B相的转子、
定子相差 1/3 个齿( 3?),C相的转子、定
子相差 2/3个齿( 6?)。
3
113
3
226
若工作方式改为三相六拍,则每通一个电脉冲,
转子只转 1.5? 。
异步机的转动方向仍由相序决定。
同理,C 相通电再转 3 ? ……
( 2) A 相断电, B 相通电后, 转子只需转过 1/3个
齿 ( 3?), 使 B 相转子, 定子对齐 。
f,电脉冲的频率
转速
360
60 sfn ??
步进机通过一个电脉冲,转子转过的角度,称为
步距角。
m:一个周期的运行拍数
Zr:转子齿数 mZ
r
S
?? 360?
如,Zr=40,m=3 时 ??
?
?? 3
340
360
S?
步距角
§ 10.3 伺服电动机
交流伺服电动机和直流伺服电动机。
伺服电动机分类,
伺服电动机的作用是驱动控制对象。被控对象
的转距和转速受信号电压控制,信号电压的大小
和极性改变时,电动机的转动速度和方向也跟着
变化 。
伺服电动机的作用
10.3.1 交流伺服电动机
原理 与两相交流异步电机相同,定子上装有两个
绕组 — 励磁绕组和控制绕组。
励磁绕组和控制绕组在空间相隔 90?。
控制绕组 励磁绕组
转子
励磁绕组中串联电容 C的目的是为了产生两相旋
转磁场。
接线,
励磁绕组的接线
U?
CU?1I?
1U?



控制绕组的接线




控制信号
2U?
2I?
U?
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?,因此便产生旋转磁场,在旋转磁
场的作用下,转子便转动起来。
?1
U?
CU?
1I?1U?
例:选择电容,可使交流伺服电机电路中的电压电
流的相量关系如图所示。
励磁绕组的接线
U?
CU?
1I?
1U?



控制绕组的接线




控制信号
2U?
2I?
U?
工作时两个绕组中产生的电流 和 的相
位差近 90°, 因此便产生旋转磁场。在旋转磁场
的作用下,转子转动起来。
1I? 2I?
控制电压 与
电源电压 两
者频率相同,相
位相同或反相。
2U?
U?
( 1) U2= 0 时,转子停止。
这时,虽然 U2 =0V,U1仍存在,似乎成单
相运行状态,但和单相异步机不同。 若单
相电机启动运行后,出现单相后仍转。伺
服电机不同,单相电压时设备不能转。
交流伺服电动机的特点,
原因,交流伺服电机 R2设计得较大。所以
在 U2=0时,交流伺服电机的 T=f(s)曲线如下
页图,
当 U2=0V时,脉动磁场分成的正反向旋转磁场产生
的转距 T?,T? 的合成转矩 T 与单相异步机不同。合
成转矩的方向与旋转方向相反,所以电机在 U2=0V时,
能立即停止,体现了控制信号的作用 (有控制电压时
转动,无控制电压时不转 ),以免失控。
交流伺服电动机的
T=f(s)曲线( U2=0时)
s'
T
2
1
0
s"
T"
T'
T 0 2
1
反转 正转
( 3)控制电压 U2 大小变化时,转子转速相应变
化,转速与电压 U2 成正比。 U2 的极性改变
时,转子的转向改变。
( 2) 交流伺服电机 R2设计得较大,使 Sm>1,Tst大,
启动迅速,稳定运行范围大。
交流伺服电动机的机械特性曲线 ( U1=const )
n
T T
n
交流伺服电机的输出功率一般为 0.1-100 W,电
源频率分 50Hz,400Hz等多种。它的应用很广泛,
如用在自动控制、温度自动记录等系统中。
应用
10.3.2 直流伺服电动机
结构,与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做
得细长一些。
工作原理,与直流电动机相同。
供电方式,他励。励磁绕组和电枢由两个独立电
源供电,
M U1
If Ia
U2 放 大

U
U1为励磁电压,U2为电枢电压。
由机械特性可知,
(1)U1(即磁通 ?)不变时,一定的负载下,U2?,n?。
(2)U2=0时,电机立即停转。
反转,电枢电压的极性改变,电机反转。
直流伺服电机的机械特
性公式与他励直流电机
一样,
T
KK
R
K
Un
TE
a
E
2
2
??
??
机械特性曲线
n
T
直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。经常
用在功率稍大的系统中,它的输出功率一般为 1-
600W。它的用途很多,如随动系统中的位置控
制等。
应用,