步进电机伺服电机工作原理

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1、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

2、 ： 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

3、 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

4、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

5、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 BC 定 子转 子 IA IBIC 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

6、 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 BB CA34 1 2 C A BB CA34 12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。1 C3

7、4 2C A BB 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 ： AABBBCCCAA 共 六

8、拍 。工 作 过 程 ：A相 通 电 ， 转 子 1、 3齿 和 A相 对 齐 。C A BB CA34 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 BB CA34 12 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

9、 BB CA34 12B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 BB CA34 12 C A BB CA34 12BC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 BB CA34 12 1

10、0.2.3 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

11、 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） 。3113 3226 若 工 作 方 式 改 为 三 相 六

12、 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 36060 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mZrS 360如 ： Zr=40 , m=3 时 3340360S步

13、 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

14、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 CU1I 1U 放大器控 制 绕 组 的 接 线检测元件控 制 信 号 2U2IU 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 CU1 I1U例 ： 选 择 电 容 ， 可 使 交 流 伺 服 电

15、 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 CU1I 1U 放大器控 制 绕 组 的 接 线检测元件控 制 信 号 2U2IU 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 。2UU （ 1） U2= 0 时 ， 转 子 停 止 。这 时 ， 虽 然 U2 =0V， U1仍 存 在 ， 似 乎 成

16、 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

17、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 ） sT 210 sTTT 02 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

18、 Sm1， 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 ( U 1=const )n T U20.8 U20.6 U20.4 U2 Tn 交 流 伺 服 电 机 的 输 出 功 率 一 般 为 0.1-100 W， 电源 频 率 分 50H z、 400H z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

19、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 U 1IfIaU2放大器UU1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 ： TKK RKUn TE aE 22 机 械 特 性 曲 线U20.8U20.6U20.4U2n 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 ：