張飛斌步進(jìn)電機(jī)伺服電機(jī)工作原理.ppt

,海南風(fēng)光,第15講,第10章控制電機(jī),第10章 控制電機(jī),10.1 概述 10.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 10.2.1 結(jié)構(gòu) 10.2.2 工作方式 10.2.3 小步距角的步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 10.3 伺服電動(dòng)機(jī) 10.3.1 交流伺服電動(dòng)機(jī) 10.3.2 直流伺服電動(dòng)機(jī),前面介紹的異步電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)等都是作為動(dòng)力使用的，其主要任務(wù)是能量轉(zhuǎn)換，例如將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。本章介紹控制電機(jī)。,10.1 概述,控制電機(jī)的種類很多，本章主要介紹步進(jìn)機(jī)、伺服機(jī)。,對(duì)控制電機(jī)的主要要求：動(dòng)作靈敏、準(zhǔn)確、 重量輕、體積小、運(yùn)行可靠、耗電少等。,10.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī),機(jī)理：步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理，將脈沖信號(hào) 轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機(jī)。每來(lái)一個(gè) 電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，帶動(dòng)機(jī)械移 動(dòng)一小段距離。,特點(diǎn)：(1)來(lái)一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。 (2)控制脈沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 (3)改變脈沖順序，改變方向。,種類： 有勵(lì)磁式和反應(yīng)式兩種。兩種的區(qū)別在于勵(lì)磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有勵(lì)磁線圈，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒(méi)有勵(lì)磁線圈。,應(yīng)用： 步進(jìn)機(jī)的應(yīng)用非常廣泛。如：在數(shù)控機(jī)床、自動(dòng) 繪圖儀等設(shè)備中都得到應(yīng)用。,下面以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。,10.2.1 結(jié)構(gòu),步進(jìn)機(jī)主要由兩部分構(gòu)成：定子和轉(zhuǎn)子。它們均由磁性材料構(gòu)成，其上分別有六個(gè)、四個(gè)磁極 。,定子,轉(zhuǎn)子,定子繞組,定子的六個(gè)磁極上有控制繞組，兩個(gè)相對(duì)的磁極組成一相。,注意：這里的相和三相交流電中的“相”的概念不同。步進(jìn)機(jī)通的是直流電脈沖，這主要是指線圖的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。,IA,IB,IC,10.2.2 工作方式,步進(jìn)電機(jī)的工作方式可分為：三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。,一、三相單三拍,（1）三相繞組聯(lián)接方式：Y 型,（3）工作過(guò)程,A 相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和 AA 對(duì)齊。,同理，B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相軸線對(duì)齊，相對(duì)A相通電位置轉(zhuǎn)30；C相通電再轉(zhuǎn)30。,這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個(gè)循環(huán)周期共包括三個(gè)脈沖，所以稱三相單三拍。,三相單三拍的特點(diǎn)：,（1）每來(lái)一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò) 30。此角稱為步距角，用S表示。,（2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序，改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。,二、三相單雙六拍,三相繞組的通電順序?yàn)椋?AABBBCCCAA 共六拍。,工作過(guò)程：,A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒和A相對(duì)齊。,所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對(duì)AA 通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了15。,（1）BB 磁場(chǎng)對(duì) 2、4 齒有磁拉力，該拉力使 轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。,A、B相同時(shí)通電,（2）AA 磁場(chǎng)繼續(xù)對(duì)1、3齒有拉力。,總之，每個(gè)循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱為三相六拍，步距角為15。,B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相對(duì)齊，又轉(zhuǎn)了15。,三、三相雙三拍,三相繞組的通電順序?yàn)椋?AB BC CA AB 共三拍。,工作方式為三相雙三拍時(shí)，每通入一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)30，即 S = 30。,10.2.3 小步距角的步進(jìn)電動(dòng)機(jī),實(shí)際采用的步進(jìn)電機(jī)的步距角多為3度和1.5度，步距角越小，機(jī)加工的精度越高。,為產(chǎn)生小步距角，定、轉(zhuǎn)子都做成多齒的，圖中轉(zhuǎn)子40個(gè)齒，定子仍是 6個(gè)磁極，但每個(gè)磁極上也有五個(gè)齒。,轉(zhuǎn)子的齒距等于360/ 40=9 ，齒寬、齒槽各4.5 。,為使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊，定子磁極上的小齒，齒寬和齒槽和轉(zhuǎn)子相同。,工作原理：假設(shè)是單三拍通電工作方式。,（1）A 相通電時(shí)，定子A 相的五個(gè)小齒和轉(zhuǎn)子對(duì)齊。此時(shí)，B 相和 A 相空間差120，含 120/9 = 齒 A 相和 C 相差240，含240/ 9 = 個(gè)齒。所以，A 相的轉(zhuǎn)子、定子的五個(gè)小齒對(duì)齊時(shí)，B 相、C 相不能對(duì)齊，B相的轉(zhuǎn)子、定子相差 1/3 個(gè)齒（3），C相的轉(zhuǎn)子、定子相差2/3個(gè)齒（6）。,若工作方式改為三相六拍，則每通一個(gè)電脈沖， 轉(zhuǎn)子只轉(zhuǎn) 1.5 。,異步機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向仍由相序決定。,同理，C 相通電再轉(zhuǎn)3 ,（2）A 相斷電、B 相通電后，轉(zhuǎn)子只需轉(zhuǎn)過(guò)1/3個(gè) 齒（3），使 B 相轉(zhuǎn)子、定子對(duì)齊。,步進(jìn)機(jī)通過(guò)一個(gè)電脈沖,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度,稱為 步距角。,10.3 伺服電動(dòng)機(jī),伺服電動(dòng)機(jī)的作用是驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。被控對(duì)象的轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速受信號(hào)電壓控制，信號(hào)電壓的大小和極性改變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方向也跟著變化。,伺服電動(dòng)機(jī)的作用,10.3.1 交流伺服電動(dòng)機(jī),原理與兩相交流異步電機(jī)相同，定子上裝有兩個(gè)繞組 勵(lì)磁繞組和控制繞組。,勵(lì)磁繞組和控制繞組在空間相隔90。,勵(lì)磁繞組中串聯(lián)電容C的目的是為了產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。,接線：,勵(lì)磁繞組的接線,適當(dāng)選擇電容的大小，可使通入兩個(gè)繞組的電流相位差接近90，因此便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。,例：選擇電容，可使交流伺服電機(jī)電路中的電壓電流的相量關(guān)系如圖所示。,工作時(shí)兩個(gè)繞組中產(chǎn)生的電流 和 的相位差近90，因此便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。,控制電壓 與電源電壓 兩者頻率相同，相位相同或反相。,（1）U2= 0 時(shí)，轉(zhuǎn)子停止。,這時(shí)，雖然U2 =0V，U1仍存在，似乎成單相運(yùn)行狀態(tài)，但和單相異步機(jī)不同。若單相電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行后，出現(xiàn)單相后仍轉(zhuǎn)。伺服電機(jī)不同，單相電壓時(shí)設(shè)備不能轉(zhuǎn)。,交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：,原因：交流伺服電機(jī) R2設(shè)計(jì)得較大。所以在U2=0時(shí)，交流伺服電機(jī)的T=f(s)曲線如下頁(yè)圖：,當(dāng)U2=0V時(shí)，脈動(dòng)磁場(chǎng)分成的正反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)距T、T 的合成轉(zhuǎn)矩 T 與單相異步機(jī)不同。合成轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，所以電機(jī)在U2=0V時(shí)，能立即停止，體現(xiàn)了控制信號(hào)的作用(有控制電壓時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)控制電壓時(shí)不轉(zhuǎn))，以免失控。,（3）控制電壓 U2 大小變化時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相應(yīng)變化，轉(zhuǎn)速與電壓 U2 成正比。U2 的極性改變時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向改變。,（2）交流伺服電機(jī) R2設(shè)計(jì)得較大，使Sm1，Tst大，啟動(dòng)迅速，穩(wěn)定運(yùn)行范圍大。,交流伺服電機(jī)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，如用在自動(dòng)控制、溫度自動(dòng)記錄等系統(tǒng)中。,應(yīng)用,10.3.2 直流伺服電動(dòng)機(jī),結(jié)構(gòu)：與直流電動(dòng)機(jī)基本相同。為減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量做得細(xì)長(zhǎng)一些。,工作原理：與直流電動(dòng)機(jī)相同。,供電方式：他勵(lì)。勵(lì)磁繞組和電樞由兩個(gè)獨(dú)立電源供電：,由機(jī)械特性可知： (1)U1（即磁通）不變時(shí)，一定的負(fù)載下