特種電機的結(jié)構(gòu)、控制原理及應(yīng)用

1、 課 程 設(shè) 計 報 告課題名稱特種電機的結(jié)構(gòu)、控制原理及應(yīng)用 目 錄摘 要IIIABSTRACTIV第1章 緒論11.1 課題背景11.2 課題意義及主要工作1第2章 步進電動機22.1步進電動機的分類、結(jié)構(gòu)及特點22.1.1步進電動機的分類22.1.2步進電動機的結(jié)構(gòu)及特點22.2步進電動機的工作原理、主要參數(shù)及特性42.2.1步進電動機的工作原理42.2.2主要參數(shù)及特性52.3步進電動機的應(yīng)用6第3章 三相交流伺服電動機73.1交流伺服電動機結(jié)構(gòu)73.2交流伺服電動機工作原理73.2.1交流伺服電動機工作原理73.2.2交流伺服電動機有以下三種轉(zhuǎn)速控制方式83.3三相交流伺服電動機的應(yīng)

2、用8第4章總結(jié)9參考文獻10謝 辭11摘 要隨著自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是高性能永磁材料的問世，電動機制造技術(shù)水平得到了極大的提高，也為特種電動機的制造、控制和應(yīng)用提出了更高的要求，提供了更廣闊的發(fā)展空間。本旨在通過對特種電動機的構(gòu)造、調(diào)速控制原理及應(yīng)用的介紹，達到快速學習特種電動機控制技術(shù)及應(yīng)用的目的。本次課題設(shè)計著重介紹步進電動機、伺服電動機的的結(jié)構(gòu)、控制原理及應(yīng)用。關(guān)鍵詞：特種電機、步進電動機、伺服電動機ABSTRACTAlong with the automation technology, computer technology, the developmen

3、t of power electronic technology, especially the high performance permanent magnetic materials available, motor manufacturing technology level has been greatly improved, but also for the special motor manufacturing, control and application put forward higher request, provided more vast development s

4、pace.This aims to construct special motor, speed control principle and application, achieve rapid learning special motor control technology and application for the purpose of. This design introduced the stepper motor, servo motor structure, control principle and application.Keywords: special motor,

5、stepper motor, servo motor10第1章 緒論1.1 課題背景當今世界，各種先進的科學技術(shù)飛速發(fā)展，給人們的生活帶來了深遠的影響，它極大的改善我們的生活方式。在以特種電機為代表的電力拖動系統(tǒng)的發(fā)展更是日新月異，從各個方面影響和改變著我們的生活，而其中的步進電動機、伺服電動機技術(shù)的發(fā)展更為迅速，已經(jīng)滲透到了我們生活的各個方面，其發(fā)展給我們的生活和生產(chǎn)帶來了極大的方便，以致人們已經(jīng)離不開電動機。步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的電磁機械裝置，由于所用電源是脈沖電源，所以也稱為脈沖馬達。步進電動機是一種特殊的電動機，一般電動機通電后連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而步進電動機則跟隨輸人脈

6、沖按節(jié)拍一步一步地轉(zhuǎn)動。每施加一個電脈沖信號，步進電動機就旋轉(zhuǎn)一個固定的角度，稱為一步，每一步所轉(zhuǎn)過的角度叫做步距角。步進電動機的角位移量和輸人脈沖的個數(shù)成正比，在時間上與輸人脈沖同步，因此，只需控制輸人脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞組通電相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向。無脈沖輸入時，在繞組電源激勵下，氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置而處于定位狀態(tài)。三相交流伺服電動機劃分為永磁同步伺服電動機和交流異步伺服電動機。永磁同步伺服電動機和交流異步伺服電動機相比較，有以下特點：(1)永磁同步伺服電動機的造價要比交流異步伺服電機昂貴。（2）永磁同步電動機轉(zhuǎn)子使用永磁材料，所以容量通常限制在5.5KW以

7、下，容量再增大就有困難。而交流異步伺服電動機就沒有容量限制這方面的問題。（3）永磁同步伺服電動機當轉(zhuǎn)矩達到一定時，會使永磁體退磁，而交流異步伺服電動機不存在這現(xiàn)象。（4）永磁同步伺服電動機的轉(zhuǎn)子上有永磁體，所以當電動機在高速運行時，永磁體有脫落的危險。（5）永磁同步伺服電動機由于轉(zhuǎn)子使用永磁體構(gòu)成，所以在運行時轉(zhuǎn)子不產(chǎn)生熱量，而三相交流異步伺服電動機的轉(zhuǎn)子則會在運行時產(chǎn)生大量的熱，所以在發(fā)熱狀況方面，永磁同步伺服機要比交流異步伺服電機優(yōu)越。1.2 課題意義及主要工作作為?？茖W校的課題設(shè)計報告，事實上無實際利用價值。但從可課題設(shè)計中學習到許多專業(yè)知識及見識一些其他學科的內(nèi)容。了解到電氣行業(yè)的發(fā)展

8、，這對于一個馬上要畢業(yè)的學生來說十分的重要。本次課題設(shè)計主要講了步進電動機、伺服電動機的結(jié)構(gòu)、控制原理及應(yīng)用。本次課題設(shè)計的主要工作主要是續(xù)寫電機的基本知識。使自己進一步了解步進電動機、伺服電動機的結(jié)構(gòu)、控制原理及應(yīng)用。第2章 步進電動機步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的電磁機械裝置，由于所用電源是脈沖電源，所以也稱為脈沖馬達。步進電動機是一種特殊的電動機，一般電動機通電后連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而步進電動機則跟隨輸人脈沖按節(jié)拍一步一步地轉(zhuǎn)動。每施加一個電脈沖信號，步進電動機就旋轉(zhuǎn)一個固定的角度，稱為一步，每一步所轉(zhuǎn)過的角度叫做步距角。步進電動機的角位移量和輸人脈沖的個數(shù)成正比，在時間上與輸人脈

9、沖同步，因此，只需控制輸人脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞組通電相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向。無脈沖輸入時，在繞組電源激勵下，氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置而處于定位狀態(tài)。2.1步進電動機的分類、結(jié)構(gòu)及特點2.1.1步進電動機的分類步進電動機的種類繁多，有旋轉(zhuǎn)運動的、直線運動的和平面運動的。按作用原理分，步進電機有反應(yīng)式(磁阻式)、感應(yīng)子式、永磁式和混合式四大類。按輸出功率和使用場合分類，分為功率步進電機和控制步進電機。按定子數(shù)目可分為單段定子式(徑向式)與多段定子式(軸向式)。按相數(shù)可分為兩相、三相、四相、五相、六相等。2.1.2步進電動機的結(jié)構(gòu)及特點各種步進電機都有定子和轉(zhuǎn)子，但因類型

10、不同，結(jié)構(gòu)也不完全一樣。反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)如圖35所示，它由定子1、定子繞組2和轉(zhuǎn)子3組成。圖35(a)所示為三相單定子徑向分相式反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)圖，定子上有6個均布的磁極，在直徑相對的兩個極上的線圈串聯(lián)，構(gòu)成了一相控制繞組；每個定子極上均布一定數(shù)目的齒，齒槽距相等，轉(zhuǎn)子上無繞組，只有均布一定數(shù)目的齒，齒槽等寬。圖35(b)所示為五相多定子軸向分相式反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)圖，它的定子軸向排列，定子和轉(zhuǎn)子鐵心都成五段，每段一相，依次錯開排列，每相是獨立的，這就是五相反應(yīng)式步進電動機。 (a)三相單定子徑向分相式 (b)五相多定子軸向分相式圖1 反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)1定子；2定子繞組；

11、3轉(zhuǎn)子感應(yīng)子式步進電機分為勵磁式和永磁式兩種。感應(yīng)子式步進電機的結(jié)構(gòu)與反應(yīng)式步進電機的結(jié)構(gòu)相似，其定子轉(zhuǎn)子鐵心的磁場和齒槽均一樣，兩者的差別是感應(yīng)子式步進電機存在軸向恒定磁場。勵磁感應(yīng)子式步進電機是靠轉(zhuǎn)子上的勵磁繞組產(chǎn)生軸向磁場；永磁感應(yīng)子式步進電機的轉(zhuǎn)子由一段環(huán)形磁鋼(在轉(zhuǎn)子中部)和二段鐵心(在環(huán)形磁鋼的兩端)，軸向充磁，建立軸向磁場。軸向磁場可以改善步進電機的動態(tài)特性，發(fā)展趨勢將取代反應(yīng)式步進電機。永磁式步進電機的轉(zhuǎn)子為永久磁鐵，定子為軟磁材料，其上有勵磁繞組。該種電機有多種結(jié)構(gòu)形式，常用形式有爪極式和隱極式。爪極式步進電機結(jié)構(gòu)一般采用二相或四相繞組；隱極式步進電機結(jié)構(gòu)與反應(yīng)式步進電機一樣

12、，有二、三、四、五相等多種繞組?；旌鲜讲竭M電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理兼有反應(yīng)式和永磁式兩種電動機的特點，由于轉(zhuǎn)子上有磁鋼，因此產(chǎn)生同樣大小的轉(zhuǎn)矩，需要的勵磁電流大大減小；同時它還具有步距角小，起動和運行頻率高，不通電時有定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點，在小型、經(jīng)濟型數(shù)控機床中被廣泛應(yīng)用。步進電動機用作執(zhí)行元件具有以下優(yōu)點：角位移輸出與輸入的脈沖數(shù)相對應(yīng)，每轉(zhuǎn)一周都有固定步數(shù)，在不丟步的情況下運行，步距誤差不會長期積累，同時在負載能力范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速僅與脈沖頻率高低有關(guān)，不受電源電壓波動或負載變化的影響，也不受環(huán)境條件如溫度、氣壓、沖擊和振動等影響，因而可組成結(jié)構(gòu)簡單而精度高的開環(huán)控制系統(tǒng)。有的步進電動機在停機后某相繞

13、組保持通電狀態(tài)，即具有自鎖能力，停止迅速，不需外加機械制動裝置。此外，步距角能在很大的范圍內(nèi)變化、例如從幾分到幾十度，適合不同傳動裝置的要求，且在小步距角的情況下，可以不經(jīng)減速器而獲得低速運行，當采用了速度和位置檢測裝置后也可用于閉環(huán)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中。2.2步進電動機的工作原理、主要參數(shù)及特性2.2.1步進電動機的工作原理下面以圖36所示的反應(yīng)式三相步進電動機為例，來說明步進電動機的工作原理。定子上有6個磁極，分成A、B、C三相，每個磁極上繞有勵磁繞組，按串聯(lián)（或并聯(lián)）方式聯(lián)接，使電流產(chǎn)生的磁場方向一致，轉(zhuǎn)子無繞組，它是由帶齒的鐵心做成的，步進電動機的工作原理與電磁鐵相似：當定子繞組按順序輪

14、流通電時，A、B、C三對磁極就依次產(chǎn)生磁場，每次對轉(zhuǎn)子的某一對齒產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使它一步步轉(zhuǎn)動。每當轉(zhuǎn)子某一對齒的中心線與定子磁極中心線對齊時，磁阻最小，轉(zhuǎn)矩為零，每次就在此時按一定方向切換定子繞組各相電流，使轉(zhuǎn)子按一定方向一步步轉(zhuǎn)動。圖2反應(yīng)式三相步進電動機的工作原理圖當A相通電時，B相和C相都不通電，由于磁通總是沿著磁阻最小的路徑通過，使轉(zhuǎn)子的1、3齒與定子A相的兩個磁極齒對齊，此時，因轉(zhuǎn)子只受到徑向力而無切向力，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被鎖定在該位置上；隨后A相斷電，B相通電，轉(zhuǎn)子受電磁力的作用，逆時針旋轉(zhuǎn)，使2、4齒與B相磁極齒對齊；若使B相斷電，C相通電，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)，使1、3齒與C轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)，使1

15、、3齒與C相磁極齒對齊；當C相斷電，A相再次通電時，2、4齒與A相磁極齒對齊，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過。依此類推，形成步進式旋轉(zhuǎn)。2.2.2主要參數(shù)及特性步進電機主要評價參數(shù)有步距角、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與輸出轉(zhuǎn)矩、起動轉(zhuǎn)矩與頻率、最高運行頻率等。(1) 步距角步進電動機的步距角是步進電動機繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度，它反映了步進電機的分辨能力，決定步進式伺服系統(tǒng)脈沖當量的重要參數(shù)。步距角一般由定子相數(shù)、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和通電方式?jīng)Q定，即式中，m為步進電機定子相數(shù)；z為步進電機轉(zhuǎn)子齒數(shù)；k為通電方式，相鄰兩次通電的相數(shù)一樣，則k1；反之單雙相輪流通電，k2。步距角一般有，等數(shù)十種，其中，用得較多。步距精度是指

16、實測的步距角與理論的步距角之差，也稱為步距誤差。目前國產(chǎn)控制步進電機的步距精度為，精度較高的可達，功率步進電機的步距精度為。(2) 啟動頻率空載時，步進電動機由靜止狀態(tài)突然啟動，并進入不丟步的正常運行的最高頻率，稱為啟動頻率或突調(diào)頻率。加到步進電動機的指令脈沖頻率如果大于啟動頻率，就不能正常工作。步進電動機在帶負載(尤其是慣性負載)下的啟動頻率比空載要低，而且隨著負載加大，啟動頻率會進一步降低。(3) 連續(xù)運行頻率步進電動機起動以后，其運行速度能跟蹤指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運行頻率。連續(xù)運行頻率遠大于啟動頻率，且隨著電動機所帶負載的性質(zhì)、大小而異，也與驅(qū)動電源有較大

17、關(guān)系。(4) 靜態(tài)矩角特性當步進電機不改變通電狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子處在不動狀態(tài)，如果在電動機軸上加一個負載轉(zhuǎn)矩(靜態(tài)轉(zhuǎn)矩)，定子與轉(zhuǎn)子就產(chǎn)生一個角位移(失調(diào)角)，描述靜態(tài)時靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系稱為矩角特性，如圖37(a)所示。該特性上電磁轉(zhuǎn)矩的最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，當外加轉(zhuǎn)矩除去時，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩作用下仍能回到穩(wěn)定平衡點位置。(5) 矩頻特性與動態(tài)轉(zhuǎn)矩步進電動機的矩頻特性描述的是步進電動機連續(xù)穩(wěn)定運行時輸出轉(zhuǎn)矩與頻率的關(guān)系，如圖37(b)所示。該特性曲線上每一個頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩，一般情況下，隨著運行頻率的增高，輸出力矩下降，到某一頻率后，步進電動機的輸出力矩已變得很小，帶不

18、動負載或受到一個很小的干擾，步進電動機就會產(chǎn)生振蕩、失步或停轉(zhuǎn)。因此，動態(tài)轉(zhuǎn)矩的大小直接影響步進電動機的動態(tài)性能及帶負載的能力。(6) 加減速特性步進電動機的加減速特性是描述步進電動機由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定于繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時間的關(guān)系，如圖37(c)所示。當要求步進電動機起動到大于突跳頻率的工作頻率時，變化速度必須逐漸上升；同樣從最高工作頻率或高于突跳頻率的工作頻率到停止時，變化速度必須逐漸下降。逐漸上升和逐漸下降的加、減速時間不能過小，否則會產(chǎn)生失步或起步。圖3步進電動機的工作特性曲線2.3步進電動機的應(yīng)用由于步進電動機有上述特點和優(yōu)點而廣泛應(yīng)用在機械、

19、治金、電力、紡織、電信、電子、儀表、化工、輕工、辦公自動化設(shè)備、醫(yī)療、印刷以及航空航天、船舶、兵器、核工業(yè)等國防工業(yè)等領(lǐng)域。例如機械行業(yè)中, 在數(shù)控機床上的應(yīng)用, 可以算是典型的例子?？梢哉f步進電動機是經(jīng)濟型數(shù)控機床的核心。而由步進系統(tǒng)實現(xiàn)開環(huán)控制, 使得改變加工對象快捷、系統(tǒng)調(diào)試方便、工作可靠、成本較低的數(shù)控機床成為當前機床發(fā)展的主要方向之一。其它行業(yè)中應(yīng)用實例有如: 印刷機械、包裝機械、梭織機、電腦繡花機、鐘表、戶外自動廣告牌、自動移靶機、計算機外設(shè)、自動繪圖儀、吸脂機等。第3章 三相交流伺服電動機伺服電動機在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機.是一種補助馬達間接變速裝置。又稱執(zhí)行電動機，

20、在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。 交流伺服電機是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運行的應(yīng)用。 3.1交流伺服電動機結(jié)構(gòu) 三相交流伺服電動機的定子繞組和單相異步電動機相似，它的定子上裝有兩個在空間相差90°電角度的繞組，即勵磁繞組和控制繞組。運行時勵磁繞組始終加上一定的交流勵磁電壓，控制繞組上則加大

21、小或相位隨信號變化的控制電壓。轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式籠型轉(zhuǎn)子和空心杯型轉(zhuǎn)子兩種?；\型轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與一般籠型異步電動機的轉(zhuǎn)子相同，但轉(zhuǎn)子做的細長，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體用高電阻率的材料作成。其目的是為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，增加啟動轉(zhuǎn)矩對輸入信號的快速反應(yīng)和克服自轉(zhuǎn)現(xiàn)象?？招谋无D(zhuǎn)子交流伺服電動機的定子分為外定子和內(nèi)定子兩部分。外定子的結(jié)構(gòu)與籠型交流伺服電動機的定子相同，鐵心槽內(nèi)放有兩相繞組?？招谋无D(zhuǎn)子由導(dǎo)電的非磁性材料（如鋁）做成薄壁筒形，放在內(nèi)、外定子之間。杯子底部固定于轉(zhuǎn)軸上，杯臂薄而輕，厚度一般在0.20.8mm，因而轉(zhuǎn)動慣量小，動作快且靈敏。圖4  三相交流伺服電動機結(jié)構(gòu) 圖5 交流伺服電動機原理圖

22、3.2交流伺服電動機工作原理3.2.1交流伺服電動機工作原理交流伺服電動機的工作原理和單相異步電動機相似，LL是有固定電壓勵磁的勵磁繞組，LK是有伺服放大器供電的控制繞組，兩相繞組在空間相差90°電角度。如果IL與Ik 的相位差為90°，而兩相繞組的磁動勢幅值又相等，這種狀態(tài)稱為對稱狀態(tài)。與單相異步電動機一樣，這時在氣隙中產(chǎn)生的合成磁場為一旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體相對切割，在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流。轉(zhuǎn)子電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。如果改變加在控制繞組上的電流的大小或相位差，就破壞了對稱狀態(tài)，使旋轉(zhuǎn)磁場減弱，電動機的轉(zhuǎn)速下降。電機的工作狀態(tài)

23、越不對稱，總電磁轉(zhuǎn)矩就越小，當除去控制繞組上信號電壓以后，電動機立即停止轉(zhuǎn)動。這是交流伺服電動機在運行上與普通異步電動機的區(qū)別。           3.2.2交流伺服電動機有以下三種轉(zhuǎn)速控制方式（1）幅值控制   控制電流與勵磁電流的相位差保持90°不變，改變控制電壓的大小。（2） 相位控制  控制電壓與勵磁電壓的大小，保持額定值不變，改變控制電壓的相位。（3）幅值相位控制  同時改變控制電壓幅值和相位。交流伺服電動機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向隨控制電壓相位的

24、反相而改變。3.3三相交流伺服電動機的應(yīng)用 伺服電動機的工作特性是以機械特性和調(diào)節(jié)特性為表征。在控制電壓一定時，負載增加，轉(zhuǎn)速下降；它的調(diào)節(jié)特性是在負載一定時，控制電壓越高，轉(zhuǎn)速也越高。伺服電動機有三個顯著特點：（1）啟動轉(zhuǎn)矩大由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體電阻很大，可使臨界轉(zhuǎn)差率，定子一加上控制電壓，轉(zhuǎn)子立即啟動運轉(zhuǎn)（2）運行范圍寬在轉(zhuǎn)差率從到的范圍內(nèi)都能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)（3）無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象控制信號消失后，電動機旋轉(zhuǎn)不停的現(xiàn)象稱自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象破壞了伺服性，顯然要避免正常運轉(zhuǎn)的伺服電動機只要失去控制電壓后，伺服電動機就處于單相運行狀態(tài)。由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體電阻足夠大，使得總電磁轉(zhuǎn)矩始終是制動性的轉(zhuǎn)矩，當電動機正轉(zhuǎn)時失去（控制電壓），產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為負（）。而反轉(zhuǎn)時失去UK，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正（1S2時，不會產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，可以自行制動，迅速停止運轉(zhuǎn)，這也是交流伺服電動機與異步電動機的重要區(qū)別。交流伺服電機的輸出功率一般為0.1-100 W，電源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應(yīng)用很廣泛，如用在各種自動控制、自