常用電機與控制—步進電機,伺服電機

1、常用電機與控制一步進電機，伺服電機隨著生產(chǎn)過程機械化、電氣化和自動化的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了各種類型的特種電動機。這些電動機的工作原理，一般與普通的異步電動機和直流電動機的基本原理近似，但是它們在性能、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝上各有其特殊性，多用于自動控制過程中。一般來說，這些電動機的功率不大，小的只有幾分之一瓦，大的也不過幾十瓦或幾百瓦，屬于微型電動機的范圍。步進電動機一般電動機都是連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而步進電動卻是一步一步轉(zhuǎn)動的，故叫步進電動機。每輸入一個沖信號，該電動機就轉(zhuǎn)過一定的角度（有的步進電動機可以直接輸出線位移，稱為直線電動機）。因此步進電動機是一種把脈沖變?yōu)榻嵌任灰疲ɑ蛑本€位移）的執(zhí)行元件。步進電動機的

2、轉(zhuǎn)子為多極分布，定子上嵌有多相星形連接的控制繞組，由專門電源輸入電脈沖信號，每輸入一個脈沖信號，步進電動機的轉(zhuǎn)子就前進一步。由于輸入的是脈沖信號，輸出的角位移是斷續(xù)的，所以又稱為脈沖電動機。隨著數(shù)字控制系統(tǒng)的發(fā)展，步進電動機的應(yīng)用將逐漸擴大。步進電動機的種類很多，按結(jié)構(gòu)可分為反應(yīng)式和激勵式兩種；按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。（原文件名：圖1反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)示意圖MCU060019_01.gif）引用圖片圖1是反應(yīng)式步進電動機結(jié)構(gòu)示意圖，它的定子具有均勻分布的六個磁極，磁極上繞有繞組。兩個相對的磁極組成一組，聯(lián)法如圖所示。下面介紹反應(yīng)式步進電動機單三拍、六拍及雙三拍通電方式的基本原

3、理。一、單三拍通電方式的基本原理設(shè)A相首先通電（B、C兩相不通電），產(chǎn)生A-A'軸線方向的磁通，并通過轉(zhuǎn)子形成閉合回路。這時AA極就成為電磁鐵的N、S極。在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子總是力圖轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置，也就是要轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子的齒對齊A、A極的位置（圖2a）;接著B相通電（A、C兩相不通電），轉(zhuǎn)了便順時針方向轉(zhuǎn)過30?,它的齒和GC'極對齊（圖2c）。不難理解，當脈沖信號一個一個發(fā)來時，如果按A?C?B?A?,順序通電，則電機轉(zhuǎn)子便逆時針方向轉(zhuǎn)動。這種通電方式稱為單三拍方式。uja*11411口招詼也tocfuiafu（原文件名：圖2單三拍通電方式時轉(zhuǎn)子的位置MCU060019_02.

4、gif）引用圖片二、六拍通電方式的基本原理設(shè)A相首先通電，轉(zhuǎn)子齒與定子A、AXt齊（圖3a）o然后在A相繼續(xù)通電的情況下接通B相。這時定子B、B'極對"$子齒2、4產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動，但是A、A極繼續(xù)拉住齒1、3,因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩個磁拉力平衡為止。這時轉(zhuǎn)子的位置如圖3b所示，即*$子從圖（a）位置順時針轉(zhuǎn)過了15?。接著A相斷電，B相繼續(xù)通電。這時轉(zhuǎn)子齒2、4和定子B、B'極對齊（圖c）,轉(zhuǎn)子從圖（b）的位置又轉(zhuǎn)過了15?。其位置如圖3d所示。這樣，如果按A?AB?B?BC?C?CA?A,的順序輪流通電，則轉(zhuǎn)子便順時針方向一步一步地轉(zhuǎn)動，步距角15?。電

5、流換接六次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進了一個齒距角。如果按A?AC?C?CB?B?BA?A,的順序通電，則電機轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)動。這種通電方式稱為六拍方式。（原文件名：圖3六拍通電時轉(zhuǎn)子位置MCU060019_03.gif）引用圖片a.A相通電b.A、B相通電c.B相通電d.B、C相通電三、雙三拍通電方式的基本原理如果每次都是兩相通電，即按A、B?BC?CA?AB?,的順序通電，則稱為雙三拍方式，從圖3b,和圖3d可見，步距角也是30?。因此，采用單三拍和雙三拍方式時轉(zhuǎn)子走三步前進了一個齒距角，每走一步前進了三分之一齒距角；采用六拍方式時，轉(zhuǎn)子走六步前進了一個齒距角，每走一步前進了六分之一齒距角。

6、因此步距角9可用下式計算：9,360?/Zrxm式中Zr是轉(zhuǎn)子齒數(shù)；m是運行拍數(shù)一般步進電動機最常見的步距角是3?或1（5?。由上式可知，轉(zhuǎn)子上不只4個齒（齒距角90?）,而有40個齒（齒距角為9?）。為了使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對齊，兩者的齒寬和齒距必須相等。因此，定子上除了6個極以外，在每個極面上還有5個和轉(zhuǎn)子齒一樣的小齒。步進電動機的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。（原文件名：圖4三相反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)圖MCU060019_04.gif）引用圖片由上面介紹可知，步進電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、精確度高、起動靈敏、停車準確等性能。止匕外，步進電動機的轉(zhuǎn)速決定于電脈沖頻率，并與頻率同步。四、步進電動機的驅(qū)動

7、電源步進電動機需配置一個專用的電源供電，電源的作用是讓電動機的控制繞組按照特定的順序通電，即受輸入的電脈沖控制而動作，這個專用電源稱為驅(qū)動電源。步進電動機及其驅(qū)動電源是一個互相聯(lián)系的整體，步進電動機的運行性能是由電動機和驅(qū)動電源兩者配合所形成的綜合效果。1、對驅(qū)動電源的基本要求(1)驅(qū)動電源的相數(shù)、通電方式和電壓、電流都工滿足步進電動機的需要；(2)要滿足步進電動機的起動頻率和運行頻率的要求；(3)能最大限度地抑制步進電動機的振蕩；4)工作可靠，抗干擾能力強；(5)成本低、效率高、安裝和維護方便。2、驅(qū)動電源的組成步進電動機的驅(qū)動電源基本上由脈沖發(fā)生器、脈沖分配器和脈沖放大器(也稱功率放大器)

8、三部分組成，如圖5所示(原文件名：圖5步進電動機驅(qū)動電源的方框圖MCU060019_05.gif)引用圖片(1)脈沖發(fā)生器脈沖發(fā)生器是一個脈沖頻率由幾赫到幾十千赫可連續(xù)變化的脈沖信號發(fā)生器。脈沖發(fā)生器可以采用多種線路，最常見的有多諧振蕩器和單結(jié)晶體管構(gòu)成的張弛振蕩器兩種，它們都是通過調(diào)節(jié)電阻R和電容C的大小來改變電容器充放電的時間常數(shù)，以達到改變脈沖信號頻率的目的。圖6是兩種實用的多諧振蕩電路，它們分別由反相器和非門構(gòu)成，振蕩頻率由RC決定，改變R值即可改變脈沖頻率。(原文件名：圖6脈沖發(fā)生器實用電器MCU060019_06.gif)不同接法可以組成三相雙三拍和三相六拍的不同工作方式，如圖引用

9、圖片引用圖片（2）脈沖分配器脈沖分配器中由門電路和雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的邏輯電路，它根據(jù)指令把脈沖信號按一定的邏輯關(guān)系加在脈沖放大器上，使步進電動機按確定的運行方式工作。下面著重介紹CH25/形脈沖分配器。CH25CM形脈沖分配器是三相步進電動機的理想脈沖分配器，通過其控制端的7、圖8所示（原文件名：圖7CH250三相雙三拍接法MCU060019_07.gif）（原文件名：圖8CH250三相六拍接法MCU060019_08.gif）引用圖片J3r、J3L兩端子是三相雙三拍的控制端，J6r、J6L是三相六拍的控制端，三相雙三拍工作時，若J3r,“1"，而J3L,“0”，則電機正轉(zhuǎn)；若3，“

10、0”，J3LJT,則電機反轉(zhuǎn)；三相六拍供電時，若J6r,“1”，J6L,“0”，則電機正轉(zhuǎn)；若J6r,“0”，J6L,“1"，電機反轉(zhuǎn)。R2是雙三拍的復位端，R1是六拍的復位端，使用時，首先將其對應(yīng)復位端接入高電平，使其進入工作狀態(tài)，然后換接到工作位置。CL端是時鐘脈沖輸入端，EN是時鐘脈沖允許端，用以控制時鐘脈沖的允許與否。當脈沖CP由CL端輸入，只有EN端為高電平時，時鐘脈沖的上升沿才起作用。CH25地允許以EN®作月沖CP的輸入端，此時，只有CL為低電平時，時鐘脈沖的下降沿才起作用。A0、BRC0為環(huán)形分配器的三個輸出端，經(jīng)過脈沖放大器（功率放大器）后分別接到步進電動

11、機的三相線上。CH25CM形脈沖分配器的功能關(guān)系如表1所列工CLJlrZ5LI六柏正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)00r."L0aa0i00i雙三拍正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)»0工-1LIcaiaa00六拍反轉(zhuǎn)11c00j001正反轉(zhuǎn)*111qa100（原文件名：CH250環(huán)形脈沖分配器的功能關(guān)系.jpg）引用圖片（3）脈沖放大器（功率放大器）由于脈沖分配器輸出端A0B0、C0的輸出電流很小，如CH250永沖分配器的輸出電流大約為200-400NA,而步進電動機的驅(qū)動電流較大，如75BF001型步進電動機每相靜態(tài)電流為3A,為了滿足驅(qū)動要求，脈沖分配器輸出的脈沖需經(jīng)脈沖放大器（即功率放大器）后才能驅(qū)動步進電機。圖9

12、是一個實用的脈沖放大電路，圖中使用三級晶體管放大，第一級用3DG&、功率管，第二級用3DK4中功率管，第三0（原文件名：圖9脈沖放大器實用電路 MCU060019_09.gif）（原文件名：圖10高低壓切換驅(qū)動電源的原理圖MCU060019_10.gif）引用圖片圖9所示電路是單電壓型驅(qū)動電源，它的特點是：線路簡單，電阻R6與控制繞組串聯(lián)后，可以減小回路的時間常數(shù)；但是由于R6上要消耗功率，使電源的效率降低，用這種電源供電的步進電動機的起動和運行頻率都不會太高。為了提高電源效率及工作頻率，可采用高、低壓切換型電源，其原理如圖10所示。高壓供電是用來加速電流的增長速度，而低壓是用來維持穩(wěn)

13、定的電流值。低壓電源中串聯(lián)一個數(shù)值較小的電阻，其目的是為了調(diào)節(jié)控制繞組的電流，使各相電流平衡。伺服電動機又叫執(zhí)行電動機，或叫控制電動機。在自動控制系統(tǒng)中，伺服電動機是一個執(zhí)行元件，它的作用是把信號（控制電壓或相位）變換成機械位移，也就是把接收到的電信號變?yōu)殡姍C的一定轉(zhuǎn)速或角位移。其容量一般在0.1-100W,常用的是30W以下。伺服電動機有直流和交流之分。一、交流伺服電動機交流伺服電動機定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電動機相似，如圖1所示。其定子上裝有兩個位置互差90?的繞組，一個是勵磁繞組Rf，它始終接在交流電壓Uf上；另一個是控制繞組L,聯(lián)接控制信號電壓Uco所以交流伺服電動機又稱兩

14、個伺服電動機。交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電動機具有較寬的調(diào)速范圍、線性的機械特性，無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應(yīng)的性能，它與普通電動機相比，應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動慣量小這兩個特點。目前應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式:一種是采用高電阻率的導電材料做成的高電阻率導條的鼠籠轉(zhuǎn)子，為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)子做得細長;另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉(zhuǎn)子，杯壁很薄，僅0.2-0.3mm，為了減小磁路的磁阻，要在空心杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)放置固定的內(nèi)定子，如圖2所示?？招谋无D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量很小，反應(yīng)迅速，而且運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此被廣泛采用。（原文件名：圖2空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機結(jié)構(gòu)MCU060020_02.

15、gif）引用圖片交流伺服電動機在沒有控制電壓時，定子內(nèi)只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場，轉(zhuǎn)子靜止不動。當有控制電壓時，定子內(nèi)便產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)，在負載恒定的情況下，電動機的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小而變化，當控制電壓的相位相反時，伺服電動機將反轉(zhuǎn)。交流伺服電動機的工作原理與分相式單相異步電動機雖然相似，但前者的轉(zhuǎn)子電阻比后者大得多，所以伺服電動機與單機異步電動機相比，有三個顯著特點：、起動轉(zhuǎn)矩大1由于轉(zhuǎn)子電阻大，具轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖3中曲線1所示，與普通異步電動機的轉(zhuǎn)矩特性曲線2相比，有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率S0,1,這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性（機械特性）更接近于線性，而且具有較大的

16、起動轉(zhuǎn)矩。因此，當定子一有控制電壓，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動，即具有起動快、靈敏度高的特點。（原文件名：圖3伺服電動機的轉(zhuǎn)矩特性MCU060020_03.gif）引用圖片2、運行范圍較寬如圖3所示，較差率S在0到1的范圍內(nèi)伺服電動機都能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。3、無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象正常運轉(zhuǎn)的伺服電動機，只要失去控制電壓，電機立即停止運轉(zhuǎn)。當伺服電動機失去控制電壓后，它處于單相運行狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子電阻大，定子中兩個相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個轉(zhuǎn)矩特性（T1,S1、T2,S2曲線）以及合成轉(zhuǎn)矩特性（t,s曲線）如圖4所示，與普通的單相異步電動機的轉(zhuǎn)矩特性（圖中r,S（原文件名：圖4伺服電動機單相運行時的轉(zhuǎn)矩特性MCU

17、060020_04.gif）引用圖片圖5是伺服電動機單相運行時的機械特性曲線。負載一定時，控制電壓Uc愈高，轉(zhuǎn)速也愈高，在控制電壓一定時，負載增加，轉(zhuǎn)速下降。II（原文件名：圖5伺服電動機的機械特性MCU060020_05.gif）引用圖片交流伺服電動機的輸出功率一般是0.1-100W。當電源頻率為50Hz,電壓有36V、110M220、380V;當電源頻率為400Hz,電壓有20V、26V、36V、115V等多種。交流伺服電動機運行平穩(wěn)、噪音小。但控制特性是非線性，并且由于轉(zhuǎn)子電阻大，損耗大，效率低，因此與同容量直流伺服電動機相比，體積大、重量重，所以只適用于0.5-100W的小功率控制系統(tǒng)。二、直流伺服電動機直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)和一般直流電動機一樣，只是為了減小轉(zhuǎn)動慣量而做得細長一些。它的勵磁繞組和電樞分別由兩個獨立電源供電。也有永磁式的，即磁極是永久磁鐵。通常采用電樞控制，就是勵磁電壓f一定，建立的磁通量也是定值，而將控制電壓Uc加在電樞上，其接線圖如圖6所示。（原文件名：圖6直流伺服電動機接線圖MCU060020_06.gif）引用圖片直