步進(jìn)電機(jī)伺服電機(jī)工作原理

1、海南風(fēng)光第第15講講第10章控制電機(jī) 第10章 控制電機(jī) 10.1 概述概述10.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 10.2.1 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 10.2.2 工作方式工作方式 10.2.3 小步距角的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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)交流伺服電動(dòng)機(jī) 10.3.2 直流伺服電動(dòng)機(jī)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)。轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。本章介紹控制電機(jī)。 10.1 概述概述如：伺服機(jī)將電壓

2、信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；如：伺服機(jī)將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速； 步進(jìn)機(jī)將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或線位移。步進(jìn)機(jī)將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或線位移。 控制電機(jī)的主要功能是轉(zhuǎn)換和傳遞信號(hào)?？刂齐姍C(jī)的主要功能是轉(zhuǎn)換和傳遞信號(hào)?？刂齐姍C(jī)的種類很多，本章主要介紹控制電機(jī)的種類很多，本章主要介紹步進(jìn)機(jī)、伺服機(jī)。步進(jìn)機(jī)、伺服機(jī)。 對(duì)控制電機(jī)的主要要求：對(duì)控制電機(jī)的主要要求：動(dòng)作靈敏、準(zhǔn)確、動(dòng)作靈敏、準(zhǔn)確、重量輕、體積小、運(yùn)行可靠、耗電少等。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)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)機(jī)理機(jī)理：步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理，將脈沖信號(hào)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)。

3、每來一個(gè)轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機(jī)。每來一個(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。動(dòng)一小段距離。特點(diǎn)特點(diǎn)：(1)來一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。來一個(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?？刂泼}沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 (3)改變脈沖順序，改變方向。改變脈沖順序，改變方向。種類種類： 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)子上沒有勵(lì)磁線圈。上沒有勵(lì)磁線圈。應(yīng)用：應(yīng)用： 步進(jìn)機(jī)的應(yīng)用非常廣泛。

4、如：在數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)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。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)為例說明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和下面以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。工作原理。10.2.1 結(jié)構(gòu)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)磁極由磁性材料構(gòu)成，其上分別有六個(gè)、四個(gè)磁極 。定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子定子繞組定子繞組 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。組成一相。 注意：注意：這里的相和三相交流電中的這里的

5、相和三相交流電中的“相相”的概念的概念不同。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。的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。ABC定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子IAIBIC10.2.2 工作方式工作方式 步進(jìn)電機(jī)的工作方式可分為：步進(jìn)電機(jī)的工作方式可分為：三相單三拍、三相單三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。雙六拍、三相雙三拍等。一、三相單三拍一、三相單三拍（1 1）三相繞組聯(lián)接方式：）三相繞組聯(lián)接方式：Y 型型（2 2）三相繞組中的通電順序?yàn)椋海┤嗬@組中的通電順序?yàn)椋篈 相相 B 相相 C 相相通電順序也可以為：通電順序也可以為： A 相相 C 相相 B 相

6、相 （3）工作過程）工作過程化，吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的位置力圖使通電相磁化，吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的位置力圖使通電相磁路的磁阻最小，使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊停止轉(zhuǎn)動(dòng)。路的磁阻最小，使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊停止轉(zhuǎn)動(dòng)。A 相通電，相通電，A 方向的磁方向的磁通經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。通經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。若轉(zhuǎn)子和磁場(chǎng)軸線方向若轉(zhuǎn)子和磁場(chǎng)軸線方向原有一定角度，則在磁原有一定角度，則在磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子被磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子被磁A A 相通電使轉(zhuǎn)子相通電使轉(zhuǎn)子1 1、3 3齒和齒和 AA 對(duì)齊。對(duì)齊。CABBCA3412CABBCA3412同理，同理，B相通電，轉(zhuǎn)子相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和齒和B相軸線對(duì)齊，相軸線對(duì)齊，相對(duì)相對(duì)A相

7、通電位置轉(zhuǎn)相通電位置轉(zhuǎn)30 ；C相通電再轉(zhuǎn)相通電再轉(zhuǎn)30 。1C342CABBA 這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，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。單三拍。三相單三拍的特點(diǎn)：三相單三拍的特點(diǎn)：（1）每來一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過）每來一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 30 。此角稱為。此角稱為步距角，用步距角，用 S表示。表示。（2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序，）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。改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。二、三相單雙六拍二、三相單雙六

8、拍三相繞組的通電順序?yàn)椋喝嗬@組的通電順序?yàn)椋?AABBBCCCAA 共六拍。共六拍。工作過程：工作過程：A相通電，相通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子1 1、3 3齒和齒和A相對(duì)齊。相對(duì)齊。CABBCA3412所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對(duì)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)了通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了15。（1）BB 磁場(chǎng)對(duì)磁場(chǎng)對(duì) 2、4 齒有磁拉力，該拉力使齒有磁拉力，該拉力使 轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。A、B相同時(shí)通電相同時(shí)通電（2）AA 磁場(chǎng)繼續(xù)對(duì)磁場(chǎng)繼續(xù)對(duì)1、3齒有拉力。齒有拉力。CABBCA3412總之，每個(gè)循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱總之，每個(gè)循環(huán)周期，有六種通電

9、狀態(tài)，所以稱為三相六拍，步距角為為三相六拍，步距角為15 。CABBCA3412B相通電，相通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子2、4齒和齒和B相對(duì)齊，又轉(zhuǎn)了相對(duì)齊，又轉(zhuǎn)了15 。三、三相雙三拍三、三相雙三拍三相繞組的通電順序?yàn)椋喝嗬@組的通電順序?yàn)椋?AB BC CA AB 共三拍。共三拍。AB通電通電CABBCA3412CABBCA3412BC通電通電以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六拍較三相單三拍穩(wěn)定，因此較常采用。拍較三相單三拍穩(wěn)定，因此較常采用。工作方式為三相雙三工作方式為三相雙三拍時(shí)，每通入一個(gè)電拍時(shí)，每通入一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)30 ，即，

10、即 S = 30 。CA通電通電CABBCA341210.2.3 小步距角的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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)的步距角多為實(shí)際采用的步進(jìn)電機(jī)的步距角多為3度和度和1.5度，步距角越小，機(jī)加工的精度越高。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，為產(chǎn)生小步距角，定、轉(zhuǎn)子都做成多齒的，圖中轉(zhuǎn)子圖中轉(zhuǎn)子40個(gè)齒，定子仍是個(gè)齒，定子仍是 6個(gè)磁極，但每個(gè)磁個(gè)磁極，但每個(gè)磁極上也有五個(gè)齒。極上也有五個(gè)齒。轉(zhuǎn)子的齒距轉(zhuǎn)子的齒距等于等于360 / 40=9 ，齒寬、齒槽各，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，為使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊，定子

11、磁極上的小齒，齒寬和齒槽和轉(zhuǎn)子相同。齒寬和齒槽和轉(zhuǎn)子相同。工作原理：工作原理：假設(shè)是單三拍通電工作方式。假設(shè)是單三拍通電工作方式。（1）A 相通電時(shí)，定子相通電時(shí)，定子A 相的五個(gè)小齒和轉(zhuǎn)子對(duì)相的五個(gè)小齒和轉(zhuǎn)子對(duì)齊。此時(shí)，齊。此時(shí)，B 相和相和 A 相空間差相空間差120120 ，含，含 120120 /9/9 = = 齒齒 A 相和相和 C 相差相差240240 ，含，含240240 / / 9 9 = = 個(gè)個(gè)齒。所以，齒。所以，A 相的轉(zhuǎn)子、定子的五個(gè)小齒對(duì)相的轉(zhuǎn)子、定子的五個(gè)小齒對(duì)齊時(shí)，齊時(shí)，B 相、相、C 相不能對(duì)齊，相不能對(duì)齊，B相的轉(zhuǎn)子、相的轉(zhuǎn)子、定子相差定子相差 1/3 1/3

12、 個(gè)齒（個(gè)齒（3 3 ），），C相的轉(zhuǎn)子、定相的轉(zhuǎn)子、定子相差子相差2/32/3個(gè)齒（個(gè)齒（6 6 ）。）。31133226若工作方式改為三相六拍，則每通一個(gè)電脈沖，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)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。異步機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向仍由相序決定。同理，同理，C 相通電再轉(zhuǎn)相通電再轉(zhuǎn)3 （2）A 相斷電、相斷電、B 相通電后，轉(zhuǎn)子只需轉(zhuǎn)過相通電后，轉(zhuǎn)子只需轉(zhuǎn)過1/3個(gè)個(gè) 齒（齒（3 ），使），使 B 相轉(zhuǎn)子、定子對(duì)齊。相轉(zhuǎn)子、定子對(duì)齊。f：電脈沖的頻率電脈沖的頻率 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速36060sfn 步進(jìn)機(jī)通過一個(gè)電脈沖步進(jìn)機(jī)通過一個(gè)電脈沖,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度

13、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度,稱為稱為步距角。步距角。m:一個(gè)周期的運(yùn)行拍數(shù)一個(gè)周期的運(yùn)行拍數(shù)Zr：轉(zhuǎn)子齒數(shù)：轉(zhuǎn)子齒數(shù)mZrS360如：如：Zr=40 , m=3 時(shí)時(shí)3340360S步距角步距角10.3 伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī) 交流伺服電動(dòng)機(jī)和直流伺服電動(dòng)機(jī)。交流伺服電動(dòng)機(jī)和直流伺服電動(dòng)機(jī)。伺服電動(dòng)機(jī)分類伺服電動(dòng)機(jī)分類： 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變化。伺服電動(dòng)機(jī)的作用伺服電動(dòng)機(jī)的作用

14、10.3.1 交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī) 原理原理與兩相交流異步電機(jī)相同，定子上裝有兩個(gè)與兩相交流異步電機(jī)相同，定子上裝有兩個(gè)繞組繞組 勵(lì)磁繞組和控制繞組。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勵(lì)磁繞組和控制繞組在空間相隔90 。控制繞組控制繞組勵(lì)磁繞組勵(lì)磁繞組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中串聯(lián)電容勵(lì)磁繞組中串聯(lián)電容C的目的是為了產(chǎn)生兩相旋的目的是為了產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。接線：接線：勵(lì)磁繞組的接線勵(lì)磁繞組的接線UCU1I1U放放大大器器控制繞組的接線控制繞組的接線檢檢測(cè)測(cè)元元件件控制信號(hào)控制信號(hào)2U2IU 適當(dāng)選擇電容的大小，可使通入兩個(gè)繞組的電流適當(dāng)選擇電容的大小，可使通入兩個(gè)繞組的電

15、流相位差接近相位差接近9090 ，因此便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在旋轉(zhuǎn)磁，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。場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)動(dòng)起來。 1UCU1I1U例：選擇電容，可使交流伺服電機(jī)電路中的電壓電例：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。流的相量關(guān)系如圖所示。勵(lì)磁繞組的接線勵(lì)磁繞組的接線UCU1I1U放放大大器器控制繞組的接線控制繞組的接線檢檢測(cè)測(cè)元元件件控制信號(hào)控制信號(hào)2U2IU 工作時(shí)兩個(gè)繞組中產(chǎn)生的電流工作時(shí)兩個(gè)繞組中產(chǎn)生的電流 和和 的相的相位差近位差近90，因此便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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。的作用

16、下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來。1I2I控制電壓控制電壓 與與電源電壓電源電壓 兩兩者頻率相同，相者頻率相同，相位相同或反相。位相同或反相。2UU（1）U2= 0 = 0 時(shí)，轉(zhuǎn)子停止。時(shí)，轉(zhuǎn)子停止。這時(shí)，雖然這時(shí)，雖然U2 = =0V，U1仍存在，似乎成單仍存在，似乎成單相運(yùn)行狀態(tài)，但和單相異步機(jī)不同。相運(yùn)行狀態(tài)，但和單相異步機(jī)不同。若單若單相電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行后，出現(xiàn)單相后仍轉(zhuǎn)。伺相電機(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)。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)：交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：原因：原因：交流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī) R2設(shè)計(jì)得較大。所以設(shè)計(jì)得較大。所以在在U2=

17、0時(shí)，交流伺服電機(jī)的時(shí)，交流伺服電機(jī)的T=f(s)曲線如下曲線如下頁圖：頁圖： 當(dāng)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)距的轉(zhuǎn)距T 、T 的合成轉(zhuǎn)矩的合成轉(zhuǎn)矩 T 與單相異步機(jī)不同。合與單相異步機(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)，時(shí)，能立即停止，體現(xiàn)了控制信號(hào)的作用能立即停止，體現(xiàn)了控制信號(hào)的作用( (有控制電壓時(shí)有控制電壓時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，無控制電壓時(shí)不轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，無控制電壓時(shí)不轉(zhuǎn)) )，以免失控。，以免失控。交流伺服電動(dòng)機(jī)的交流伺服電動(dòng)機(jī)的T=f(s)T=f(s)曲線（曲線（U U2 2

18、=0=0時(shí)）時(shí)）sT210sTTT021反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)（3 3）控制電壓）控制電壓 U2 大小變化時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相應(yīng)變大小變化時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相應(yīng)變化，轉(zhuǎn)速與電壓化，轉(zhuǎn)速與電壓 U2 成正比。成正比。U2 的極性改變的極性改變時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向改變。時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向改變。（2）交流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī) R2設(shè)計(jì)得較大，使設(shè)計(jì)得較大，使Sm1，Tst大，大，啟動(dòng)迅速，穩(wěn)定運(yùn)行范圍大。啟動(dòng)迅速，穩(wěn)定運(yùn)行范圍大。交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線( U1=const )nTU20.8 U20.6 U20.4 U2Tn 交流伺服電機(jī)的輸出功率一般為交流伺服電機(jī)的輸出功率一般為0.1-100 W，電，電源頻率分源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應(yīng)用很