項(xiàng)目5特殊電動(dòng)機(jī)控制線路的安裝與調(diào)試

1、項(xiàng)目五 特殊電動(dòng)機(jī)控制線路的安裝與調(diào)試項(xiàng)目概述 特種電機(jī)通常指的是結(jié)構(gòu)、性能、用途或原理等與常規(guī)電機(jī)不同，且體積 和輸出功率較小的微型電機(jī)或特種精密電機(jī)，一般其外徑不大于 130mm 。特種電機(jī)可以分為驅(qū)動(dòng)用特種電機(jī)和控制用特種電機(jī)兩大類， 前者主要用來(lái)驅(qū)動(dòng)各種機(jī) 構(gòu)、儀表以及家用電器等； 后者是在自動(dòng)控制系統(tǒng)中傳遞、 變換和執(zhí)行控制信號(hào)的小功率電 機(jī)的總稱， 用作執(zhí)行元件或信號(hào)元件。 控制用的特種電機(jī)分為測(cè)量元件和執(zhí)行元件。 測(cè)量元 件包括旋轉(zhuǎn)變壓器，交、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)等；執(zhí)行元件主要有交、直流伺服電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電 動(dòng)機(jī)等。5.1 伺服電動(dòng)機(jī)控制線路的安裝與調(diào)試 伺服電動(dòng)機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作

2、執(zhí)行元件， 用于將輸入的控制電壓轉(zhuǎn)換成電機(jī)轉(zhuǎn)軸的 角位移或角速度輸出，伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向隨著控制電壓的大小和極性的改變而改變。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的性能有如下要求：1調(diào)速范圍寬。2機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性為線性。3無(wú) “自轉(zhuǎn) ”現(xiàn)象。4快速響應(yīng)。伺服電動(dòng)機(jī)有直流和交流兩大類。 直流伺服電動(dòng)機(jī)輸出功率較大， 交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸 出功率較小。5.1.1 直流伺服電動(dòng)機(jī)1結(jié)構(gòu) 直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和原理與普通直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理沒(méi)有根本區(qū)別。 按照勵(lì)磁方式的不同， 直流伺服電動(dòng)機(jī)分為永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)和電磁式直流伺服電 動(dòng)機(jī)。 永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)的磁極由永久磁鐵制成， 不需要?jiǎng)?lì)磁繞組和勵(lì)

3、磁電源。 電磁式 直流伺服電動(dòng)機(jī)一般采用他勵(lì)結(jié)構(gòu)，磁極由勵(lì)磁繞組構(gòu)成，通過(guò)單獨(dú)的勵(lì)磁電源供電。按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同， 直流伺服電動(dòng)機(jī)分為空心杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)和無(wú)槽電樞直 流伺服電動(dòng)機(jī)。 空心杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)由于其力能指標(biāo)較低， 現(xiàn)在已很少采用。 無(wú)槽 電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是直徑較小的細(xì)長(zhǎng)型圓柱鐵芯， 通過(guò)耐熱樹(shù)脂將電樞繞組固定在 鐵芯上，具有散熱好、力能指標(biāo)高、快速性好的特點(diǎn)。2控制方式直流電動(dòng)機(jī)的控制方式有兩種： 一種稱為電樞控制， 在電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組上加上恒壓勵(lì) 磁，將控制電壓作用于電樞繞組來(lái)進(jìn)行控制； 一種稱為磁場(chǎng)控制， 在電動(dòng)機(jī)的電樞繞組上施 加恒壓，將控制電壓作用于勵(lì)磁

4、繞組來(lái)進(jìn)行控制。由于電樞控制的特性好， 電樞控制中回路電感小， 響應(yīng)快， 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中多采用電 樞控制。（ 1）電樞控制方式下的工作原理與特性在電樞控制方式下，作用于電樞的控制電壓為Uc，勵(lì)磁電壓Uf保持不變，如圖5.1所 示。i4圖5.1電樞控制的直流伺服電動(dòng)機(jī)原理圖直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式為：Ra 2T noTUcnCeCeCT(5-1)Ct為轉(zhuǎn)矩常數(shù)；Ra為電樞回路電阻。式中，Ce為電勢(shì)常數(shù)；由于直流伺服電動(dòng)機(jī)的磁路一般不飽和，我們可以不考慮電樞反應(yīng)，認(rèn)為主磁通 小不變。伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，指控制電壓一定時(shí)轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩變化的關(guān)系。當(dāng)作用于電樞回路的控制電壓Uc不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩T增大

5、時(shí)轉(zhuǎn)速n降低，轉(zhuǎn)矩的增加與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降成正比， 轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n之間成線性關(guān)系，不同控制電壓作用下的機(jī)械特性如圖3 2a所示。b)圖5.2 直流伺服電動(dòng)機(jī)的特性a）機(jī)械特性；b）調(diào)節(jié)特性伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性是指在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速隨控制電壓變化的關(guān)系。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩 T不變時(shí)，控制電壓的增加與轉(zhuǎn)速的增加成正比，轉(zhuǎn)速n與控制電壓Uc也成線性關(guān)系。不同轉(zhuǎn)矩時(shí)的調(diào)節(jié)特性如圖3 2b所示。由圖可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速 n= 0時(shí)，不同轉(zhuǎn)矩T所需要的控制電壓 Uc也是不同的，只有當(dāng)電樞電壓大于這個(gè)電壓值，電動(dòng)機(jī)才會(huì) 轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)特性與橫軸的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓值稱始動(dòng)電壓。負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL不同時(shí)，始動(dòng)電壓也不同

6、，TL越大，始動(dòng)電壓越高，死區(qū)越大。負(fù)載越大，死區(qū)越大，伺服電機(jī)不靈敏，所 以不可帶太大負(fù)載。直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，調(diào)整范圍大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，效率高。缺點(diǎn)是電樞電流較大；電刷和換向器維護(hù)工作量大；接觸電阻不穩(wěn)定；電刷與換向器之間的火花有可能對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。5.1.2交流伺服電動(dòng)機(jī)1.結(jié)構(gòu)交流伺服電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上類似于單相異步電動(dòng)機(jī)，它的定子鐵心中安放著空間相差90o 電角度的兩相繞組， 一相稱為勵(lì)磁繞組， 一相稱為控制繞組。 電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，勵(lì)磁繞組接單 相交流電壓，控制繞組接控制信號(hào)電壓，要求兩相電壓要同頻率。交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)形式。一種是籠型轉(zhuǎn)子，與普通三

7、相異步電動(dòng)機(jī)籠型轉(zhuǎn)子相似，只不過(guò)在外形上更細(xì)長(zhǎng)，從而減小了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，降低了電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)?；\型轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)體積較大，氣隙小，所需的勵(lì)磁電流小，功率因數(shù)較高，電 動(dòng)機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度大，但快速響應(yīng)性能稍差，低速運(yùn)行也不夠平穩(wěn)。另一種是非磁性空心杯形轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)子做成了杯形結(jié)構(gòu)，為了減小氣隙，在杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)還有一個(gè)內(nèi)定子，內(nèi)定子上不設(shè)繞組，只起導(dǎo)磁作用，轉(zhuǎn)子用鋁或鋁合金制成， 杯壁厚0.2 0.8mm，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小且具有較大的電阻，空心杯轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5.3所示。杯型轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)具有響應(yīng)快、運(yùn)行平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣隙大，空載電 流大，功率因數(shù)較低?？?孤蒔;r札

8、矗樸址專能si稈定于N也子圖5.3空心杯轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖2.工作原理交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理示意圖如圖3-4所示。圖5.4交流伺服電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖交流伺服電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組和控制繞組在空間位置上相差90。電角度，工作時(shí)，勵(lì)磁繞組通入恒定交流電壓， 控制繞組由伺服放大器供電通入控制電壓，兩個(gè)電壓的頻率相同， 并且在相位上也相差90。電角度。這樣，兩個(gè)繞組共同作用在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)， 在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下會(huì)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流，轉(zhuǎn)子電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。由所學(xué)知識(shí)可知，在單相異步電動(dòng)機(jī)中，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)以后，斷開(kāi)起動(dòng)繞組，電動(dòng)機(jī)仍然能夠轉(zhuǎn)動(dòng)

9、。如果在交流伺服電動(dòng)機(jī)中，控制繞組斷開(kāi)后，電動(dòng)機(jī)仍然轉(zhuǎn)動(dòng)，那么伺服電動(dòng)機(jī)就處于 自轉(zhuǎn)”狀態(tài)，這是伺服電動(dòng)機(jī)所不能允許的。如何消除伺服電動(dòng)機(jī)的自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象呢？只需要增加伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻就可以了。當(dāng)控制繞組斷開(kāi)后，只有勵(lì)磁繞組起到勵(lì)磁作用，單相交流繞組產(chǎn)生的是一個(gè)脈振磁場(chǎng)，脈振磁場(chǎng)可以分解為兩個(gè)方向相反大小相同的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻較小(臨界轉(zhuǎn)差率Sm<1)時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖5.5a所示，曲線T+為正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下的機(jī)械特性，曲線為反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下的機(jī)械特性，曲線T為合成機(jī)械特性曲線，可以看出，電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速的方向相同，電動(dòng)機(jī)仍然能夠轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻較大(Sm>

10、1 )時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖 5.5b所示，曲線T為合成機(jī)械特性曲線，可以看出，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速 的方向相反，在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下， 電動(dòng)機(jī)能夠迅速地停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而消除了交流伺服電動(dòng)a) Sm<1時(shí)的機(jī)械特性；b) Sm> 1時(shí)機(jī)械特性3.控制方法在交流伺服電動(dòng)機(jī)中，除了要求電動(dòng)機(jī)不能自轉(zhuǎn)”外，還要求改變加在控制繞組上的電 壓的大小和相位，能夠改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的大小和方向。根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)理論，勵(lì)磁繞組和控制繞組共同作用產(chǎn)生的是一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向是由相位超前的那一相繞組轉(zhuǎn)向相位滯后的那一相繞組。改變控制繞組中控制電壓的相位，可以改變兩相繞組的超前滯后關(guān)系，從而改變旋轉(zhuǎn)磁

11、場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向，交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方向也會(huì)發(fā)生變化。改變控制電壓的大小和相位，可以改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁通，從而改變電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也會(huì)發(fā)生變化。交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法有幅值控制、相位控制和幅相控制三種：(1)幅值控制？幅值控制是通過(guò)改變控制電壓？ U c的幅值來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而?U c的相位始終保持不 變，使控制電流lc與勵(lì)磁電流1 f保持90o電角度的相位關(guān)系。女口 U c=0 ,則轉(zhuǎn)速為0,電 動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。幅值控制的接線如圖5.6所示。I圖5.6幅值控制和相位控制方式接線圖（2）相位控制?相位控制是通過(guò)改變控制電壓 Uc的相位。從而改變控制電流 I c與勵(lì)磁電流If之間的

12、? ?相位角來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，在這種情況下，控制電壓Uc的大小保持不變。當(dāng)兩相電流I c與If之間的相位角為00時(shí)，則轉(zhuǎn)速為0,電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。（3）幅相控制?幅相控制是指通過(guò)同時(shí)改變控制電壓U c的幅值及I c與1 f之間的相位角來(lái)控制電機(jī)的?轉(zhuǎn)速。具體方法是在勵(lì)磁繞組回路中?串入一個(gè)移相電容C以后，再接到穩(wěn)壓電源 U 1上，這時(shí)勵(lì)磁繞組上的電壓U f =u 1- u cf，如圖5.7所示?？刂评@組上加與U 1相同的控制電壓? ?U c，那么當(dāng)改變控制電壓 Uc的幅值來(lái)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，由于轉(zhuǎn)子繞組與勵(lì)磁繞組之間 的耦合作用，勵(lì)磁繞組的電流 1 f也隨著轉(zhuǎn)速的變化而發(fā)生變化，而使勵(lì)磁繞組兩端的

13、電壓U f及電容C上的電壓U cf也隨之變化。這樣改變u c幅值的結(jié)果使Uc、U f的幅值、它們 之間的相位角以及相應(yīng)電流I c、1 f 之間相位角也都發(fā)生變化，如圖5.8所示，所以屬于幅值和相位復(fù)合控制方式。當(dāng)控制電壓U c =0時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為 0，使電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)圖5.7 幅相控制的接線圖* .1-*5圖5.8幅相控制時(shí)的相量圖在這一種控制方式中，勵(lì)磁回路中所接的電容在選擇時(shí)要盡量使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)兩相繞組 產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)大小相等、相位差為90o,以保證電動(dòng)機(jī)有良好的起動(dòng)性能。在三種控制方法中，雖然幅相控制的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性最差，但由于這種方法所采用的控制設(shè)備簡(jiǎn)單，不用移相裝置，應(yīng)用最為廣泛。

14、5.1.3進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)中伺服電機(jī)的故障檢修案例三相交流伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)用廣泛，但通過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行后，會(huì)發(fā)生各種故障，及時(shí)判斷故障原因，進(jìn)行相應(yīng)處理，是防止故障擴(kuò)大，保證設(shè)備正常運(yùn)行的一項(xiàng)重要的工作。1 通電后電動(dòng)機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)，但無(wú)異響，也無(wú)異味和冒煙。（1）故障原因電源未通（至少兩相未通）；熔絲熔斷（至少兩相熔斷）；過(guò)流繼電器調(diào)得過(guò)??；控制設(shè)備接線錯(cuò)誤。（2）故障排除檢查電源回路開(kāi)關(guān)，熔絲、接線盒處是否有斷點(diǎn)，修復(fù)；檢查熔絲 型號(hào)、熔斷原因，換新熔絲；調(diào)節(jié)繼電器整定值與電動(dòng)機(jī)配合；改正接線。2通電后電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)有嗡嗡聲（I）故障原因轉(zhuǎn)子繞組有斷路（一相斷線）或電源一相失電；繞組引出線始末端接 錯(cuò)或繞組內(nèi)

15、部接反； 電源回路接點(diǎn)松動(dòng)，接觸電阻大；電動(dòng)機(jī)負(fù)載過(guò)大或轉(zhuǎn)子卡?。浑娫措妷哼^(guò)低；小型電動(dòng)機(jī)裝配太緊或軸承內(nèi)油脂過(guò)硬；軸承卡住。（2）故障排除查明斷點(diǎn)予以修復(fù)；檢查繞組極性；判斷繞組末端是否正確；緊 固松動(dòng)的接線螺絲， 用萬(wàn)用表判斷各接頭是否假接， 予以修復(fù)； 減載或查出并消除機(jī)械故 障，檢查是否把規(guī)定的面接法誤接；是否由于電源導(dǎo)線過(guò)細(xì)使壓降過(guò)大，予以糾正，重新裝配使之靈活；更換合格油脂；修復(fù)軸承。3電動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難，額定負(fù)載時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速較多（1）故障原因：電源電壓過(guò)低；面接法電機(jī)誤接；轉(zhuǎn)子開(kāi)焊或斷裂；轉(zhuǎn)子局部 線圈錯(cuò)接、接反；修復(fù)電機(jī)繞組時(shí)增加匝數(shù)過(guò)多；電機(jī)過(guò)載。（2）故障排除：測(cè)

16、量電源電壓，設(shè)法改善；糾正接法；檢查開(kāi)焊和斷點(diǎn)并修復(fù)； 查出誤接處，予以改正；恢復(fù)正確匝數(shù)；減載。4電動(dòng)機(jī)空載電流不平衡，三相相差大（1）故障原因：繞組首尾端接錯(cuò)；電源電壓不平衡；繞組存在匝間短路、線圈反 接等故障。（2）故障排除：檢查并糾正；測(cè)量電源電壓，設(shè)法消除不平衡；消除繞組故障。5電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)響聲不正常，有異響（1）故障原因：軸承磨損或油內(nèi)有砂粒等異物；轉(zhuǎn)子鐵芯松動(dòng)；軸承缺油；電 源電壓過(guò)高或不平衡。（ 2）故障排除： 更換軸承或清洗軸承； 檢修轉(zhuǎn)子鐵芯； 加油； 檢查并調(diào)整電源 電壓。6運(yùn)行中電動(dòng)機(jī)振動(dòng)較大（1） 故障原因：由于磨損軸承間隙過(guò)大；氣隙不均勻；轉(zhuǎn)子不平衡；轉(zhuǎn)軸彎 曲；聯(lián)

17、軸器（皮帶輪）同軸度過(guò)低。（2）故障排除：檢修軸承，必要時(shí)更換；調(diào)整氣隙，使之均勻；校正轉(zhuǎn)子動(dòng)平 衡；校直轉(zhuǎn)軸；重新校正，使之符合規(guī)定。7軸承過(guò)熱（1）故障原因：滑脂過(guò)多或過(guò)少；油質(zhì)不好含有雜質(zhì)；軸承與軸頸或端蓋配合 不當(dāng)（過(guò)松或過(guò)緊）：軸承內(nèi)孔偏心，與軸相擦；電動(dòng)機(jī)端蓋或軸承蓋未裝平；電動(dòng) 機(jī)與負(fù)載間聯(lián)軸器未校正，或皮帶過(guò)緊；軸承間隙過(guò)大或過(guò)?。浑妱?dòng)機(jī)軸彎曲。（2） 故障排除：按規(guī)定加潤(rùn)滑脂（容積的1/3-2/3）；更換清潔的潤(rùn)滑滑脂；過(guò) 松可用粘結(jié)劑修復(fù)，過(guò)緊應(yīng)車，磨軸頸或端蓋內(nèi)孔，使之適合；修理軸承蓋，消除擦點(diǎn)； 重新裝配；重新校正，調(diào)整皮帶張力；更換新軸承；校正電機(jī)軸或更換轉(zhuǎn)子。8電動(dòng)

18、機(jī)過(guò)熱甚至冒煙（1）故障原因：電源電壓過(guò)高；電源電壓過(guò)低，電動(dòng)機(jī)又帶額定負(fù)載運(yùn)行，電流過(guò)大使繞組發(fā)熱；修理拆除繞組時(shí)，采用熱拆法不當(dāng)，燒傷鐵芯；電動(dòng)機(jī)過(guò)載或頻繁起動(dòng)；電動(dòng)機(jī)缺相，兩相運(yùn)行；重繞后定于繞組浸漆不充分；環(huán)境溫度高電動(dòng)機(jī)表面污 垢多，或通風(fēng)道堵塞；（2）故障排除：降低電源電壓（如調(diào)整供電變壓器分接頭）：提高電源電壓或換粗供電導(dǎo)線；檢修鐵芯，排除故障；減載；按規(guī)定次數(shù)控制起動(dòng)；恢復(fù)三相運(yùn)行；采 用二次浸漆及真空浸漆工藝；清洗電動(dòng)機(jī)，改善環(huán)境溫度，采用降溫措施；5.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制線路的安裝與調(diào)試步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的電動(dòng)機(jī)，每當(dāng)一個(gè)電脈沖加到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制繞組

19、上時(shí)，它的軸就轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，角位移量與電脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈 沖頻率成正比，又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)常用作執(zhí)行元件。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按照勵(lì)磁方式分為磁阻式（又稱為反應(yīng)式）、永磁式和混磁式三種；按相數(shù)分為單相、兩相、三相和多相等形式。下面以三相磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例，介紹步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。5.2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)三相磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)模型的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5.9所示。它的定、轉(zhuǎn)子鐵心都由硅鋼片疊壓而成。定子上有六個(gè)磁極，每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的磁極上有同一相控制繞組，同一相控制繞組可以并聯(lián)或串聯(lián)；轉(zhuǎn)子鐵心上沒(méi)有繞組，只有四個(gè)齒，齒寬等于極靴寬。圖5.9三相磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)模型的結(jié)構(gòu)示

20、意圖5.2.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理三相磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理圖如圖5.10所示。當(dāng)U相控制繞組通電，V、W兩相控制繞組不通電時(shí)，由于磁力線總是通過(guò)磁阻最小的路徑閉合，轉(zhuǎn)子將受到磁阻轉(zhuǎn)矩的作用，使轉(zhuǎn)子齒1和3與定子U相磁級(jí)軸線對(duì)齊，如圖5.10a所示。此時(shí)磁力線所通過(guò)的磁路 磁阻最小，磁導(dǎo)最大，轉(zhuǎn)子只受徑向力而無(wú)切向力作用，轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)V相控制繞組通電，U、W兩相控制繞組不通電時(shí)，與V相磁極最近的轉(zhuǎn)子齒 2和4會(huì)旋轉(zhuǎn)到與V相磁極相對(duì)，轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)30o,如圖5.10b所示。當(dāng) W相控制繞組通電，U、V兩相控制繞組不通電，與W相磁極最近的轉(zhuǎn)子齒 1和3會(huì)旋轉(zhuǎn)到與 W相磁極相對(duì)，轉(zhuǎn)子再次順時(shí)

21、針轉(zhuǎn) 過(guò)30o,如圖5.10c所示。這樣按U V W U的順序輪流給各相控制繞組通電，轉(zhuǎn)子就會(huì) 在磁阻轉(zhuǎn)矩的作用下按順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊降霓D(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于繞組變換通電狀態(tài)的頻率，即輸入脈沖的頻率，旋轉(zhuǎn)方向取決于控制繞組輪流通電的順序，若通電順序?yàn)閁 W V U，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反向旋轉(zhuǎn)?？刂评@組從一種通電狀態(tài)變換到另一種通電狀態(tài)叫做一拍”，每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角&。圖5.10 三相磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)模型單三拍控制時(shí)的工作原理上面的通電方式的特點(diǎn)是，每次只有一相控制繞組通電，切換三次為一個(gè)循環(huán)，稱為三 相單三拍控制方式。三相單三拍控制方式由于每次只有一相通電，轉(zhuǎn)子在平衡位置附

22、近來(lái)回?cái)[動(dòng)，運(yùn)行不穩(wěn)定，很少采用。三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)除了單三相控制方式外，還有三相雙三拍控 制方式和三相單、雙六拍控制方式。三相雙三拍控制的通電順序?yàn)閁V VW WU UV，每次有兩相繞組同時(shí)通電，每一循環(huán)也需要切換三次，步距角與三相單三拍控制方式相同，也為30o三相單、雙六拍控制方式的通電順序?yàn)閁 UV V VW W WU U，首先U相通電，然后U、V兩相同時(shí)通電，再斷開(kāi) U相使V相單獨(dú)通電，再使 V、W兩相同時(shí)通電， 等等，依此順序不斷輪流通電， 完成一次循環(huán)需要六拍。 三相六拍控制方式的步距角只有三相單三拍和雙三拍的一半，為15o三相雙三拍控制方式和三相六拍控制方式在切換過(guò)程中始終保證有一相

23、持續(xù)通電，力圖在切換瞬間，轉(zhuǎn)子失使轉(zhuǎn)子保持原有位置，工作比較平穩(wěn)。單三拍通電方式?jīng)]有這種作用,，在平衡位置也容易產(chǎn)生振蕩。N，則步距角為去自鎖能力，容易失步（即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)與拍數(shù)不相等） 設(shè)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為Zr，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距需要的拍數(shù)為360ZrN(5-2)每輸入一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)ZrN轉(zhuǎn)，若脈沖電源的頻率為 f,則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為60fnNZr（5-3）可見(jiàn)，磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)， 與電壓和負(fù)載等因素?zé)o關(guān)。在轉(zhuǎn)子齒數(shù)一定時(shí)，轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率成正比，與拍數(shù)成反比。三相磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)模型的步距角太大，難于滿足生產(chǎn)中小位移量的要求，為了減小步距角，實(shí)際中將轉(zhuǎn)子和定

24、子磁極都加工成多齒結(jié)構(gòu)。圖5.14是三相磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為Zr = 40個(gè)，齒沿轉(zhuǎn)子圓周均勻分布，齒和槽的寬度相等，齒間夾角為90；定子上有六個(gè)磁極，每極的極靴上均勻分布有五個(gè)齒，齒寬和槽寬相等，齒間夾角也是9（。磁極上裝有控制繞組，相對(duì)的兩個(gè)極的繞組串聯(lián)起來(lái)并且連接成三相星形。每個(gè)定子磁極的極距為60（每個(gè)極距所占的齒距數(shù)不是整數(shù)，當(dāng)U U'相繞組通電，U U'相磁極下的定、轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊時(shí)，V V'磁極和 W W磁極下的齒就無(wú)法對(duì)齊，依次錯(cuò)開(kāi)1/3齒距角（即錯(cuò)開(kāi) 30）。一般的，m相異步電動(dòng)機(jī)，依次錯(cuò)開(kāi)的距離為1/m齒距。如果采用三相單三拍通電方式進(jìn)行

25、控制，當(dāng)U相通電時(shí)，U磁極的定子齒和轉(zhuǎn)子齒完全對(duì)齊，而 V磁極和 W磁極下的定子齒和轉(zhuǎn)子齒無(wú)法對(duì)齊，依次錯(cuò)開(kāi)1/3和2/3齒距（即3o和6o）;當(dāng)U相斷電，V相圖5.14小步距角的三相磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖通電時(shí)，V磁極下的定子齒和轉(zhuǎn)子齒就會(huì)完全對(duì)齊，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)1/3齒距；同樣的，當(dāng) V相斷電，W相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)再次轉(zhuǎn)過(guò)1/3齒距。不難看出，通電方式循環(huán)改變一輪后，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距。圖5.14所示的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的齒距角為90,采用三相單三拍通電時(shí)，通電方式循環(huán)一輪需要三拍，則步距角Eb為3o,我們也可由步距角計(jì)算公式計(jì)算得出步距角為360ZrN40 3設(shè)控制脈沖的頻率為60 f 60fn=

26、一NZr 40 3f,則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2如果采用三相六拍通電時(shí)，步距角為360ZrN込1.540 6設(shè)控制脈沖的頻率為60 f 60fn= 一NZr 40 6f,則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為4轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距所需的運(yùn)行拍數(shù)取決于電機(jī)的相數(shù)和通電方式， 增加相數(shù)也可以減小 步距角。但相數(shù)增多，所需驅(qū)動(dòng)電路就越復(fù)雜。 常用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)除了三相以外， 還有四相、 五相和六相的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。5.2.3主要技術(shù)指標(biāo)和運(yùn)行特性1 步距角和靜態(tài)步距誤差步距角也稱為步距，是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)改變一次通電方式轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度。步距角與定子繞組的相數(shù)、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)和通電方式有關(guān)。目前我國(guó)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為0.36。900,常用的有 7.5C1

27、56 3（/6。1.5030、0.9。/1.8。0.75。/1.5。0.6"1.2。0.36（/0.720等幾種。2 最大靜轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜特性，是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定狀態(tài)（即步進(jìn)電動(dòng)機(jī)處于通電狀態(tài)不變, 轉(zhuǎn)子保持不動(dòng)的定位狀態(tài)）時(shí)的特性，包括靜轉(zhuǎn)矩、 矩角特性及靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。 靜轉(zhuǎn)矩是指步 進(jìn)電動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)下的電磁轉(zhuǎn)矩。 在穩(wěn)定狀態(tài)下， 如果在轉(zhuǎn)子軸上加上負(fù)載轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)過(guò)一定角度0,并能穩(wěn)定下來(lái)，這時(shí)轉(zhuǎn)子受到的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，該電磁轉(zhuǎn)矩即 為靜轉(zhuǎn)矩，而角度 0即為失調(diào)角。對(duì)應(yīng)于某個(gè)失調(diào)角時(shí)，靜轉(zhuǎn)矩最大，稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。3矩頻特性 當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制繞組的電脈沖時(shí)間間隔大于電機(jī)機(jī)電過(guò)渡過(guò)程所需的時(shí)間，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)， 這時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩和脈 沖頻率的關(guān)系稱為矩頻特性。