第五章 控制電動機

第五章控制電動機

5.1步進電動機5.2直流伺服電動機

5.3交流伺服電動機

5.4力矩電動機

5.5直線電動機1、步進電動機定義：將電脈沖信號轉換為相應角位移或直線位移的機電執(zhí)行元件。輸入一個電脈沖信號，轉子轉動一個固定的角度，脈沖一個接一個輸入，轉子就一步一步轉動。角位移量：與輸入電脈沖的個數(shù)成正比。旋轉速度：與輸入電脈沖的頻率成正比。旋轉方向：由定子繞組的通電方式?jīng)Q定。2、步進電動機結構定子：由硅鋼片疊成的定子鐵芯和裝在其上的多個繞組組成，定子繞組的個數(shù)稱為相數(shù)。轉子：由硅鋼片疊成或用軟磁性材料做成凸級結構，凸級個數(shù)稱為齒數(shù)。反應式步進電動機：轉子沒有勵磁繞組。永磁式步進電動機：用永久磁鐵做轉子。3、步進電動機的工作原理

給某相繞組通電前，轉子在轉子齒偏離定子齒一個角度的位置。

繞組通電后，由于勵磁磁通總是沿磁阻最小路徑通過，因此對轉子產(chǎn)生電磁吸力，迫使轉子齒轉動，當轉子轉到與定子齒對齊位置時，因轉子只受徑向力而無切向力，故轉矩為零，轉子被鎖定在這個位置上。

錯齒是促使步進電機旋轉的根本原因。A相通電，B、C相不通電，轉子齒1、3的軸線向定子A極軸線對齊，轉子只受徑向力，無切向力，轉矩為0，被鎖定在這個位置。B相通電時，定子B極軸線使最靠近的轉子齒2、4的軸線向其對齊，轉子在空間順時針旋轉了30度。C相通電時，定子C極軸線使最靠近的轉子齒1、3的軸線向其對齊，轉子在空間順時針旋轉了30度。通電順序為A—B--Ｃ--Ａ，轉子齒與齒的角度稱齒距角，4個齒，一個齒距角為90度轉子每步轉過的角度稱為步距角，一個步距角為30度結論：通電順序改為A－Ｃ－Ｂ－Ａ，時，轉子按逆時針方向一步一步轉動。

改變通電順序即改變轉子旋轉方向。

a.單相輪流通電方式(三相單三拍)：指對每相繞組單獨輪流通電。正轉：A－B－Ｃ－Ａ反轉：A－Ｃ－Ｂ－Ａ

b.單雙相輪流通電方式(三相單雙六拍)：正轉：A-AB-B-BC-C-CA-A反轉：A-CA-C-BC-B-AB-Ac.雙相輪流通電方式(三相雙三拍)：正轉：AB-BC-CA-AB反轉：AC-CA-BC-AC單：每次只有一相繞組通電。雙：每次有兩相繞組通電。一拍：繞組每改變一次通電狀態(tài)。相：定子繞組的個數(shù)。4.步進電動機的通電方式CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412A相通電，轉子1、3齒與A、A'對齊。

A、B相同時通電，A、A'磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉子轉過15，到達左圖所示位置。按三相單雙六拍AABBBCC

CA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制特性。CA'BB'C'A3412

B相通電，轉子2、4齒與B、B′對齊,又轉過15。3412CA'BB'C'AB、C相同時通電，C'、C

磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉子再轉過15。AABBBCC

CA，每個循環(huán)周期分為六拍。每拍轉子轉過15（步距角），一個通電循環(huán)周期(6拍)轉子轉過90(齒距角)。AB通電CA'BB'C'A3412BC通電3412CA'BB'C'ACA通電CA'BB'C'A3412與單三拍方式相似，雙三拍驅動時每個通電循環(huán)周期也分為三拍。每拍轉子轉過30(步距角)，一個通電循環(huán)周期(3拍)轉子轉過90(齒距角)。稱三相雙三拍方式若按ABBCCA的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時通電。實用步進電機的步距角多為3和1.5

。為了獲得小步距角，電機的定子、轉子都做成多齒的。由一個通電狀態(tài)改變到下一個通電狀態(tài)時，轉子所轉過的角度稱為步距角。步距角計算公式：Z—轉子齒數(shù)K

—通電系數(shù)，當拍數(shù)等于相數(shù)時取1，否則取2m—定子相數(shù)繞組按一定順序不斷地輪流通電時，步進電動機就持續(xù)不斷地旋轉。如果電脈沖的頻率為f(HZ)，步距角用弧度表示，則步進電動機的轉速為：5、步距角細分繞組電流不是方波，而是階梯波，電流分成多少個臺階，一個步距角細分成若干個步，得到“微步距”。

當步進電動機A相通電時，轉子停在位置A，當由A相通電轉為AB兩相通電時，轉子轉過30度，停在A與B之間的位置I。若由A相通電轉為AB兩相通電，B相繞組中的電流不是由零一次上升到額定值，而是先達到額定值的1/2。由于轉矩T與流過繞組的電流成線性關系，轉子將不是順時針轉過30度，而是轉過15度停在位置II。當由AB兩相通電變?yōu)橹挥蠦相通電時，A相電流也不是突然一次下降為零，而是先降到額定值的1/2，轉子將不是停在位置B而是停在位置III，將精度提高了一倍。分級越多，精度越高。

轉子2齒1）矩角特性初始平衡位置：某相繞組通電后，轉子上沒有負載轉矩，轉子齒與定子齒對齊的位置。轉子偏轉角θ：轉子齒偏離初始平衡位置的角度。定子每相繞組通電循環(huán)一周轉過360度電角度，轉子轉過一個齒距角。轉子轉過角度θ，定子將轉過電角度Zθ,Z為齒數(shù)，電角度θe=Zθ。矩角特性曲線T=f(θe)可近似地用一條正弦曲線表示，θe=±π

/2

在定子齒與轉子齒順時針或反時針錯開1/4個齒距時，轉矩T沿對應方向達到最大值，稱為最大靜轉矩，負載轉矩必須小于最大靜轉矩，否則，根本帶不動負載。為了能穩(wěn)定運行，負載轉矩一般只能是最大靜轉矩的30%~50%左右。這一特性反映了步進電動機帶負載的能力。6、步進電動機的主要特性CA'BB'C'A34123)．運行頻率特性

步進電動機啟動后，脈沖頻率連續(xù)上升時，能不失步運行的最高脈沖重復頻率稱為連續(xù)運行頻率。在實際應用中，啟動頻率比運行頻率低得多。所以步進電動機在低頻下啟動，然后逐漸升至運行頻率。停轉時，先將脈沖信號的頻率降到啟動頻率以下，再停止輸入脈沖，步進電動機不失步的淮確停止。2）啟動慣頻特性空載時步進電動機由靜止突然啟動，保證不失步地進入正常運行狀態(tài)所允許的最高脈沖頻率稱為啟動頻率。啟動頻率與機械系統(tǒng)的轉動慣量有關。轉子的轉動慣量越小，在相同電磁力矩作用下加速度越大，極限啟動頻率越高。4）矩頻特性

步進電動機在負載轉動慣量一定且穩(wěn)態(tài)運行時的最大輸出轉矩與脈沖重復頻率的關系。最大輸出轉矩隨脈沖重復頻率的升高而下降。

頻率升高，電流波形的前后沿占通電時間的比例越來越大。頻率越高，平均電流越小，輸出轉矩也越小。頻率高到一定程度的時候，步進電動機的輸出轉矩不足以克服自身摩擦轉矩和負載轉矩，其轉子就會在原位置振蕩而不作旋轉運動，即步進電動機的失步。繞組低電感、電源高電壓將獲得下降緩慢的矩頻特性。5）精度：

即步距誤差最大值，步距累積誤差最大值。最大步距誤差是指電動機旋轉一轉相鄰兩步之間實際最大步距和理想步距的差值。連續(xù)走若干步后步距誤差會形成累積值，但轉子轉過一周后，會回到上一周的穩(wěn)定位置，所以步距的誤差不會無限累積，只會在旋轉一周的范圍內(nèi)存在一個最大累積誤差。最大累積誤差是指在一周范圍內(nèi)從任意位置開始經(jīng)過任意步之后，角位移誤差的最大值。直流伺服電動機，通常用于功率稍大的系統(tǒng)中，其輸出功率一般為1W~600W。7、直流伺服電動機直流伺服電動機的結構和工作原理與直流他勵電動機基本相同。只是為減小轉動慣量，電機做得細長一些，以實現(xiàn)快速響應。直流伺服電動機的電路原理圖供電方式：他勵供電。勵磁繞組和電樞分別由兩個獨立的電源供電。Uf為勵磁電壓，Uc為電樞電壓MUfIfIcUc放大器U++––直流伺服電動機的接線圖直流伺服電機的機械特性與他勵直流電機相同一樣，也可用下式表示改變控制電壓Uc或改變磁通Φ都可以控制直流伺服電動機的轉速和轉向，即：電樞控制；磁場控制。由機械特性可知：(1)一定負載轉矩下，當磁通Φ不變時，Ucn。(2)Uc=0時，電機立即停轉。電動機反轉：改變電樞電壓的極性，電動機反轉。直流伺服電動機的機械特性曲線n=f(T)曲線(Uf=常數(shù))Uc0.8Uc0.6Uc0.4UcnTO電樞控制具有響應迅速、機械特性硬、調(diào)速特性線性度好的優(yōu)點，在實際生產(chǎn)中大都采用電樞控制方式。永磁式伺服電動機，只能采取電樞控制。直流伺服電動機缺點是有換向器，因而結構復雜，產(chǎn)生無線電干擾。8、交流伺服電動機交流伺服電動機的轉子為永磁轉子，定子上面放置了三相繞組。由電子換向器輪流供電，以產(chǎn)生旋轉磁場。交流伺服電動機按氣隙磁場分為兩種：無刷直流電動機：氣隙磁場按方波分布。永磁同步電動機：氣隙磁場按正弦波分布。一、無刷直流電動機的結構

轉子為永磁轉子，電樞繞組放置在定子上，為多相繞組，接成星形。各相繞組與電子換向器電路中的晶體管開關連接。換向器是幾個接觸片圍成圓型，換向器同時只接通兩相繞組的觸頭。轉子軸上裝有位置檢測裝置，位置檢測裝置的輸出信號，控制電子換向器中的晶體管的導通與截止。位置檢測裝置輸出信號的波形為三路方波。二、無刷直流電動機的工作原理三、光電式位置檢測裝置帶有小孔的光屏蔽罩和轉軸連接在一起，并隨轉子繞固定光源旋轉，光電池受到光束的照射，發(fā)出信號，從而檢測出定子繞組需要進行換流的確切位置，使電子換向器中相應的晶體管導通，控制定子繞組依次換流。上例中，轉子每轉60度，就有一只晶體管換流。光屏蔽罩力矩電動機就是一種能和負載直接連接產(chǎn)生較大轉矩，能帶動負載在堵轉或大大低于空載轉速下運轉的電動機。省去了減速器。異步型交流力矩電動機的工作原理與交流伺服電動機相同，但為了產(chǎn)生低轉速大轉矩，電動機做成徑向尺寸大，軸向尺寸小的多磁極扁平形。直流力矩電動機具有良好的低速平穩(wěn)性和線性的機械特性及調(diào)節(jié)特性，在生產(chǎn)中應用最廣泛。9、力矩電動機直流力矩電動機的工作原理與直流伺服電動機相。直流伺服電動機為了減小轉動慣量，大部分做成細長圓柱形，而直流力矩電動機為了能在相同體積和電樞電壓的前提下，產(chǎn)生比較大的轉矩及較低的轉速，一般都做成扁平狀。1、直流力矩電動機結構1、轉矩大2、直流力矩電動特機性從直流電動機基本工作原理可知，直流電動機每個磁極下磁感應強度平均值B、電樞繞組導體上的電流Ia和導體的有效長度l，得到每根導體所受的電磁力F=BIal，可得電磁轉矩為在相同的電樞體積πD2l、電流Ia、相同用銅量，繞組導線粗細不變的條件下，電樞鐵芯直徑D增大，電樞鐵芯厚度l減小，電樞繞組總的導體數(shù)N隨l減小而增加，使Nl不變。扁平形狀的直流力矩電動機轉矩T與直徑D近似成正比例關系。2、轉速低在理想空載條件下，外加電壓與導體在磁場中運動切割磁力線所產(chǎn)生的感應電勢平衡：

仍在相同的電樞體積和相同用銅量的條件下，Nl不變，扁平形狀的直流力矩電動機理想空載轉速n0與直徑D近似成反比例關系。調(diào)速范圍可達0.00017r/min~25r/min在電樞體積、電流以及用銅量相同的情況下，增大電動機直徑，減小軸向長度，有利于增加電動機的轉矩和降低空載轉速，所以力矩電動機都做成扁平圓盤狀結構。結論三、應用由于在設計、制造上保證了電動機能在低速或堵轉下運行，在堵轉情況下能產(chǎn)生足夠大的力矩而不損壞電動機，加上它有精度高、反應速度快、線性度好等優(yōu)點，因此，它常用在低速、需要轉矩調(diào)節(jié)和需要一定張力的隨動系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。

直線電動機是一種能直接將電能轉換為直線運動的伺服驅動元件。在交通運輸、機械工業(yè)和儀器工業(yè)中，直線電動機已得到推廣和應用。它為實現(xiàn)高精度、快響應和高穩(wěn)定的機電傳動和控制開辟了新的領域。直線電動機與旋轉電動機在原理上基本相同，原則上，對于每一種旋轉電動機都有其相應的直線電動機，按工作原理來可分為直線直流電動機、直線異步電動機、直線同步電動機

10、直線電動機直線異步電動機與鼠籠式異步電動機工作原理完全相同，兩者只是在結構上有所差別。直線異步電動機相當于把旋轉異步電動機沿徑向剖開，并將定、轉子圓周展開成平面。一、直線異步電動機的結構直線異步電動機的定子又叫初級，而它的轉子叫次級。在實際應用中初級和次級不能做成完全相等長度，而應該做成初、次級長短不等的結構，如：平板型直線電動機由于短初級結構比較簡單，一般常采用短初級。二、直線異步電動機的工作原理直線電動機是由旋轉電動機演變而來的，當初級的多相繞組通入多相電流后，會產(chǎn)生一個氣隙磁場，這個磁場的磁感應強度B按通電的相序順序作直線移動，該