電機(jī)與電氣控制技術(shù) 課件 （馮凱） 項(xiàng)目6 控制電動(dòng)機(jī)

項(xiàng)目六控制電動(dòng)機(jī)目錄任務(wù)一

認(rèn)識(shí)測(cè)速發(fā)電機(jī)任務(wù)二

認(rèn)識(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)任務(wù)三

認(rèn)識(shí)伺服電動(dòng)機(jī)任務(wù)一認(rèn)識(shí)測(cè)速發(fā)電機(jī)任務(wù)描述

測(cè)速發(fā)電機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為檢測(cè)元件，可以將電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。輸出電壓信號(hào)與機(jī)械轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，輸出電壓的極性反映電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。測(cè)速發(fā)電機(jī)有直流、交流兩種形式。自動(dòng)控制系統(tǒng)要求測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓必須精確、迅速地與轉(zhuǎn)速成正比，在很多情況下，測(cè)速發(fā)電機(jī)代替測(cè)速計(jì)直接測(cè)量轉(zhuǎn)速。

本任務(wù)主要是學(xué)習(xí)幾種常用伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理、工作特性、控制方式和應(yīng)用。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)

直流測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種測(cè)速元件，它把轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)輸出。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制、測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等裝置中。在恒速控制系統(tǒng)中，測(cè)量旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)速，向控制電路提供與轉(zhuǎn)速成正比的信號(hào)電壓作為反饋信號(hào)，以調(diào)節(jié)速度。

直流測(cè)速發(fā)電機(jī)可分為電磁式和永磁式兩種。電磁式發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組接成他勵(lì)，由獨(dú)立的直流電源供電。電磁式勵(lì)磁繞組的電阻受發(fā)電機(jī)工作溫度的影響要發(fā)生變化，會(huì)引起測(cè)量誤差。

永磁式發(fā)電機(jī)采用矯頑力高的磁鋼制成磁極。永磁式發(fā)電機(jī)不需另加勵(lì)磁電源，也不因勵(lì)磁繞組溫度變化而影響輸出電壓，故應(yīng)用較廣，但永磁材料價(jià)格昂貴，在受到機(jī)械振動(dòng)影響時(shí)可能會(huì)引起退磁。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理

圖6-1直流測(cè)速發(fā)電機(jī)外形及原理圖直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與普通小型直流發(fā)電機(jī)相同，工作原理也與一般直流發(fā)電機(jī)相同。圖6-1所示為直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的外形及原理圖。勵(lì)磁繞組中流過直流電流時(shí)，產(chǎn)生沿空間分布的恒定磁場(chǎng)，電樞由被測(cè)機(jī)械拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)，以恒定速度切割磁場(chǎng)，在電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從電刷兩端引出的直流電動(dòng)勢(shì)為：

（6-1）式中：

—直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，對(duì)于已制成的電動(dòng)機(jī)，當(dāng)保持磁通不變時(shí)，

為常數(shù)，即電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性

圖6-2直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的理想輸出特性曲線輸出特性指輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。即

，是測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要特性之一。測(cè)速發(fā)電機(jī)空載時(shí)，電樞電流

，輸出電壓

，

測(cè)速發(fā)電機(jī)電樞兩端接入負(fù)載電阻

，

中流過電樞電流，并在電樞回路產(chǎn)生電阻壓降，使輸出電壓減小，即：

（6-2）

（6-3）

式中，

—為電樞回路總電阻，包括電樞繞組內(nèi)阻

和電刷接觸電阻。將式6-1、式6-2代人式6-3并化簡整理，得出測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性為：

（6-4）理想情況下，

、

、Φ均為常數(shù)，輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比變化。取不同的值，可得一組直線輸出特性，如圖6-2所示。當(dāng)

時(shí)，為空載時(shí)的輸出特性；

減小，輸出特性曲線的斜率減小，輸出電壓降低。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的型號(hào)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的型號(hào)由機(jī)座號(hào)、產(chǎn)品名稱代號(hào)、性能參數(shù)代號(hào)三部分組成。機(jī)座號(hào)用電動(dòng)機(jī)機(jī)殼外徑的尺寸數(shù)值(以毫米為單位)表示。產(chǎn)品名稱代號(hào)由2～4個(gè)漢語拼音字母表示。每個(gè)字母表示的含義為：第1個(gè)字母表示電動(dòng)機(jī)的類別，后面的字母表示該類電動(dòng)機(jī)的細(xì)分類。電磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)用CD表示，永磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)用CY表示。電磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的性能參數(shù)代號(hào)由3～4位數(shù)字組成，前兩位數(shù)字表示勵(lì)磁電壓,后面一位或兩位數(shù)字表示性能參數(shù)序號(hào)，由1~99給出。永磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的性能參數(shù)代號(hào)由1～99給出。例如：55CD363表示機(jī)座外徑為55mm、勵(lì)磁電壓為36V、性能參數(shù)序號(hào)為3的電磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的應(yīng)用

圖6-3為恒速控制系統(tǒng)原理圖。直流伺服電動(dòng)機(jī)的負(fù)載是一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之改變。為了使旋轉(zhuǎn)機(jī)械保持恒速，在電動(dòng)機(jī)軸上耦合一臺(tái)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，并將其輸出電壓

反饋到放大器輸入端。給定電壓,取自可調(diào)的電壓源。給定電壓和測(cè)速發(fā)電機(jī)反饋電壓相減后，作為放大器輸入

。圖6-3恒速控制系統(tǒng)原理圖恒速控制系統(tǒng)工作原理

當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由于某種偶然因素增加時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將減小，此時(shí)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓

也隨之減小，而使放大器輸入

增加，電動(dòng)機(jī)電壓增加，轉(zhuǎn)速增加。反之，若負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小，轉(zhuǎn)速增加，則測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出增大，放大器輸入電壓減小，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降。這樣，即使負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生擾動(dòng)，由于測(cè)速發(fā)電機(jī)的速度負(fù)反饋所起引起的調(diào)節(jié)作用，使旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速變化很小，近似于恒速，起到轉(zhuǎn)速校正的作用。交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

交流測(cè)速發(fā)電機(jī)分為同步式和異步式兩類，下面以異步測(cè)速發(fā)電機(jī)為例介紹。異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與普通異步電動(dòng)機(jī)相似。定子上安裝有兩相對(duì)稱繞組，轉(zhuǎn)子分為籠型或杯形兩種結(jié)構(gòu)。相比之下，籠型轉(zhuǎn)子的慣性大、特性較差。因此，在對(duì)精度要求較高的控制系統(tǒng)中多采用杯形轉(zhuǎn)子，其基本結(jié)構(gòu)包括內(nèi)定子、外定子和轉(zhuǎn)子薄杯，如圖6-4所示。在外定子鐵心槽中安裝有勵(lì)磁繞組，其匝數(shù)為

，在內(nèi)定子鐵心槽中安裝有輸出繞組，其匝數(shù)為

，兩個(gè)繞組在空間彼此互差90°電角度。金屬空心轉(zhuǎn)子采用電阻率較高的硅錳青銅等非磁性材料制成杯形，其杯壁很薄，僅為0.3mm左右。轉(zhuǎn)子的一端由金屬環(huán)固定在軸上，使薄杯能在內(nèi)、外定子之間的氣隙中轉(zhuǎn)動(dòng)。圖6-4空心杯形轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)1-杯形轉(zhuǎn)子；2-外定子；3-內(nèi)定子；4-勵(lì)磁繞組；5-輸出繞組；6-導(dǎo)筒；7-端環(huán)；8-軸交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理

當(dāng)異步測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子靜止（

）時(shí)，在勵(lì)磁繞組兩端接交流電源

，產(chǎn)生脈振磁通

，

作用在勵(lì)磁繞組的軸線(

軸)方向，于是在勵(lì)磁繞組中感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)

，其有效值為

，若忽略漏抗的影響，則有：

式中

為電源頻率；

為勵(lì)磁繞組有效匝數(shù)。

脈振磁通

還在短路的轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)變壓器電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生電流

和磁通

，

與

相去磁，如圖6-5（a）所示。由于

和

均與輸出繞組的繞組軸線(

軸)相垂直，因此，輸出繞組中并不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，輸出電壓

。(a)轉(zhuǎn)子靜止(b)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)

圖6-5異步測(cè)速發(fā)電機(jī)工作原理交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理

當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組中除產(chǎn)生如上所述的變壓器電動(dòng)勢(shì)外，還因切割勵(lì)磁磁通而產(chǎn)生感應(yīng)速率電動(dòng)勢(shì)和短路電流。若忽略轉(zhuǎn)子漏抗的影響，與同方向,如圖6-5（b）所示。為交變電動(dòng)勢(shì)，其交變頻率與勵(lì)磁磁通的脈振頻率相同，電動(dòng)勢(shì)的大小為：(a)轉(zhuǎn)子靜止(b)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)

圖6-5異步測(cè)速發(fā)電機(jī)工作原理轉(zhuǎn)子電流的大小為：轉(zhuǎn)子電流又產(chǎn)生交變的電樞磁通其大小與轉(zhuǎn)子電流成正比，即

磁通的方向與輸出繞組的軸線(軸)相一致，因此，在輸出繞組中感應(yīng)出頻率為的變壓器電動(dòng)勢(shì)，若忽略輸出繞組的漏抗，輸出繞組的電壓為：交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理

(a)轉(zhuǎn)子靜止(b)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)

圖6-5異步測(cè)速發(fā)電機(jī)工作原理

根據(jù)以上分析，可以得出由此可見，如果保持勵(lì)磁繞組的電壓不變，異步測(cè)速發(fā)電機(jī)定子輸出繞組的電壓與轉(zhuǎn)速成正比，即輸出電壓的數(shù)值可以表示電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢。同時(shí)，輸出電壓的相位與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向有關(guān)；輸出電壓的頻率由電源頻率決定。即交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的型號(hào)交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的型號(hào)由機(jī)座號(hào)、產(chǎn)品名稱代號(hào)、性能參數(shù)代號(hào)3部分組成。機(jī)座號(hào)用電動(dòng)機(jī)機(jī)殼外徑的尺寸數(shù)值(以毫米為單位)表示?？招谋无D(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)產(chǎn)品名稱代號(hào)為CK，籠型轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)產(chǎn)品名稱代號(hào)為CL。交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的性能參數(shù)代號(hào)由2～3位數(shù)字組成，第1位數(shù)字表示勵(lì)磁電壓，后面1～2位數(shù)字表示性能參數(shù)序號(hào)，由1～99給出。例如：55CK31表示機(jī)座外徑為55mm、勵(lì)磁電壓為36V（代號(hào)3對(duì)應(yīng)勵(lì)磁電壓為36V）性能參數(shù)序號(hào)為1的空心杯形轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)。交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的應(yīng)用電磁滑差離合器的異步調(diào)速系統(tǒng)如圖6-6所示。該系統(tǒng)由異步電動(dòng)機(jī)、電磁滑差離合器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和控制電路組成。通過離合器來調(diào)節(jié)負(fù)載速度。對(duì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，電磁滑差離合器本身的調(diào)速范圍小。為了提高特性的硬度，擴(kuò)大調(diào)速范圍，需要采用速度負(fù)反饋構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)。由于負(fù)載的變化而引起的轉(zhuǎn)速變化由速度負(fù)反饋系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使轉(zhuǎn)速維持恒定。調(diào)速范圍可達(dá)D=1～10。該系統(tǒng)采用測(cè)速發(fā)電機(jī)檢測(cè)速度，來構(gòu)成速度負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。改變速度給定控制信號(hào)，就可以得到不同的閉環(huán)特性，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。圖6-6電磁滑差離合器的異步調(diào)速系統(tǒng)原理圖謝謝觀賞項(xiàng)目六控制電動(dòng)機(jī)任務(wù)二認(rèn)識(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)任務(wù)描述

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是常用工業(yè)控制電動(dòng)機(jī)的一種，可以將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移，是一種開環(huán)控制元件，通過控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電脈沖頻率和脈沖數(shù)，可以方便地控制其速度和角位移，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、繪圖機(jī)、雕刻機(jī)、機(jī)械手等定位控制系統(tǒng)中。

本任務(wù)主要學(xué)習(xí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類、結(jié)構(gòu)及工作原理、參數(shù)和控制方式，了解步進(jìn)控制系統(tǒng)的組成。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是一種專門用于速度和位置精確控制的特種電動(dòng)機(jī)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步進(jìn)行的，而不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)。工作時(shí)靠步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器控制，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（稱為步距角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。圖6-7

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)常見外形步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按工作原理分三種：永磁式、反應(yīng)式、混合式。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和定子的某一方具有永久磁鋼，另一方由軟磁材料制成。繞組輪流通電，建立的磁場(chǎng)與永久磁鋼的恒定磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子為軟磁材料，無繞組，定轉(zhuǎn)子開小齒，定子繞組勵(lì)磁后產(chǎn)生反應(yīng)力矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，但噪聲和振動(dòng)都很大?；旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。與反應(yīng)式的區(qū)別是轉(zhuǎn)子上置有磁鋼，分為兩相和五相，兩相步進(jìn)角一般為1.8度，而五相步進(jìn)角一般為0.72度，這種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)子鐵心、永磁體、轉(zhuǎn)軸、滾珠軸承）、定子（繞組、定子鐵心）、前后端蓋等組成。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖6-8所示，定子和轉(zhuǎn)子如圖6-9所示。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的機(jī)座號(hào)主要有35、39、42、57、86、110等。圖6-8步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)（a）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子（b）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子圖6-9步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子示意圖

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理

圖6-10所示為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理。假設(shè)轉(zhuǎn)子有2個(gè)齒，而定子有4個(gè)齒。當(dāng)給A相通電時(shí)，定子上產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的S極在上方，而轉(zhuǎn)子是永久磁鐵，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的N極在上方，因?yàn)槎ㄗ覣齒和轉(zhuǎn)子的1齒對(duì)齊，所以定子S極和轉(zhuǎn)子的N極相吸引（同理定子N極和轉(zhuǎn)子的S極也相吸引），所以轉(zhuǎn)子沒有切向力，轉(zhuǎn)子靜止。接著，A相繞組斷電，定子的A相磁場(chǎng)消失，給B相繞組通電時(shí)，B相繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)，將轉(zhuǎn)子的位置吸引到B相的位置，所以轉(zhuǎn)子齒偏離定子齒一個(gè)角度，也就是帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。圖6-10步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理示意圖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)1、步距角

步距角表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電動(dòng)機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值這個(gè)步距角可以稱為“電動(dòng)機(jī)固有步距角”，它不一定是電動(dòng)機(jī)實(shí)際工作時(shí)的實(shí)際步距角，實(shí)際步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。步距角滿足如下公式：式中，Z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；m為定子繞組相數(shù)；K為通電系數(shù)，當(dāng)前后通電相數(shù)一致時(shí)，K=1，否則K=2。由此可見，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z和定子相數(shù)（或運(yùn)行拍數(shù)）越大，步距角越小，控制越精確。例1：如果二相的轉(zhuǎn)子齒數(shù)為100，求單拍運(yùn)行、雙拍運(yùn)行時(shí)的步距角各是多少？解：單拍運(yùn)行時(shí)：雙拍運(yùn)行時(shí)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)2、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度

當(dāng)定子控制繞組按照一定順序不斷地輪流通電時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就持續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于各相定子繞組通入電脈沖的頻率。其速度為：式中，Z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；m為定子繞組相數(shù)；K為通電系數(shù)，當(dāng)前后通電相數(shù)一致時(shí)K=1，否則K=2，為電脈沖的頻率，即每秒脈沖數(shù)。例2：如果五相的轉(zhuǎn)子齒數(shù)是100，如果雙拍運(yùn)行，脈沖頻率是5000HZ，則電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度是多少？

解：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)3、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)

電動(dòng)機(jī)的相數(shù)是指電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的繞組組數(shù)，常用m表示。目前常用的有二相、三相、四相、五相、六相、八相等。電動(dòng)機(jī)相數(shù)不同時(shí)，步距角也不同。一般二相電動(dòng)機(jī)的步距角為0.9°/1.8°，三相的為0.75°/1.5°，五相的為0.36°/0.72°。在沒有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。4、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的拍數(shù)拍數(shù)是指完成一個(gè)磁場(chǎng)周期變化所需要的脈沖數(shù)，用n表示，或指電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角所需脈沖數(shù)。根據(jù)步距角的計(jì)算公式，步距角與拍數(shù)的關(guān)系為：（轉(zhuǎn)子齒數(shù)運(yùn)行拍數(shù)）。

如：轉(zhuǎn)子齒數(shù)為50齒的電動(dòng)機(jī)，四拍運(yùn)行時(shí)，步距角

(俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)，步距角

（又稱為半步）。5、保持轉(zhuǎn)矩

保持轉(zhuǎn)矩是指通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是最重要的參數(shù)之一。通常步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成了衡量步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最重要的參數(shù)之一。例如，2N·m的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N·m的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作方式

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于各相定子繞組通電與斷電的頻率，旋轉(zhuǎn)方向取決于定子繞組輪流通電的順序。對(duì)于定子有6個(gè)極的三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，工作方式有：單三拍、雙三拍和六拍。1.單三拍工作方式三相是指定子繞組有3組，“單”是指每次切換前后，只有一相繞組通電，“三拍”是指通電三次完成一個(gè)通電循環(huán)。工作原理如圖6-11所示。圖6-11三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單三拍運(yùn)行工作原理（1）單三拍工作方式工作原理A相單獨(dú)通電時(shí)，磁力線沿定子磁極A、轉(zhuǎn)子齒1、齒3形成閉合回路。此時(shí)，齒1、齒3的中心線與磁極A的中心線重合，如圖6-11（a）所示。B相單獨(dú)通電時(shí)，磁力線沿定子磁極B、轉(zhuǎn)子齒2、齒4形成閉合回路，使齒2.齒4與磁極B對(duì)準(zhǔn)，齒1的中心線順時(shí)針轉(zhuǎn)過30°機(jī)械角度，如圖6-11（b）所示。C相單獨(dú)通電時(shí)，磁力線沿定子磁極C、轉(zhuǎn)子齒1、齒3形成閉合回路，使齒1、齒3與磁極C對(duì)準(zhǔn)，齒1的中心線又順時(shí)針轉(zhuǎn)過30°機(jī)械角度，如圖6-11（c）所示。依此類推，控制繞組的電流按A-B-C-A的順序切換，轉(zhuǎn)子將順時(shí)針一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)，步距角=30°；若控制繞組的電流按A-C-B-A的順序切換，轉(zhuǎn)子則逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。圖6-11三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單三拍運(yùn)行工作原理2.雙三拍工作方式“雙”是指每次有兩相繞組通電，三拍為一個(gè)循環(huán)。工作原理如圖6-12所示。A相、B相同時(shí)通電，磁力線分成兩路，一路沿磁極A、齒1、齒4、磁極B形成閉合回路；另一路沿磁極B、齒2、齒3、磁極A形成閉合回路。B相磁場(chǎng)對(duì)2、4齒有磁拉力，該拉力使轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)；A相磁場(chǎng)也對(duì)1、3齒有拉力，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。以磁極A為參考，齒1的中心線順時(shí)針轉(zhuǎn)過15°機(jī)械角度，如圖6-12（a）所示。B相、C相同時(shí)通電，磁力線一路沿磁極B、齒4、齒3、磁極C形成閉合回路；另一路沿磁極C、齒1、齒2、磁極B形成閉合回路。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到BC兩極之間的對(duì)稱位置，如圖6-12（b）所示。以磁極A為參考，齒1的中心線在原來的基礎(chǔ)上順時(shí)針轉(zhuǎn)過30°機(jī)械角度。同理，C相、A相同時(shí)通電，轉(zhuǎn)子又順時(shí)針轉(zhuǎn)過30°機(jī)械角度，如圖6-12（c）所示。根據(jù)上面的分析，雙三拍運(yùn)行時(shí)，步距角與單三拍運(yùn)行時(shí)相同，也是30°（AB相通電前為CA相通電，齒1的中心線在齒A偏左15°位置，即CA相通電到AB相通電這一拍，電動(dòng)機(jī)也是轉(zhuǎn)過30°機(jī)械角度）。依此類推，控制繞組的電流按AB→BC→CA→AB的順序切換，轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；控制繞組的電流按AC→CB→BA→AC的順序切換，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。圖6-12三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)雙三拍運(yùn)行工作原理3.六拍運(yùn)行方式六拍運(yùn)行方式是將通電方式改為單相通電、兩相通電交替進(jìn)行，每六拍為一個(gè)循環(huán)?？刂评@組的通電順序按照A→AB→B→BC→C→CA→A進(jìn)行，工作過程如下：第一拍：A相單獨(dú)通電，磁場(chǎng)的分布及轉(zhuǎn)子的位置如圖6-11（a）所示，轉(zhuǎn)子齒1的中心線恰好與定子磁極A的中心線重合，偏移角度為0°。第二拍：A相、B相同時(shí)通電，磁場(chǎng)的分布及轉(zhuǎn)子的位置如圖6-12（a）所示，轉(zhuǎn)子齒1的中心線順時(shí)針旋轉(zhuǎn)15°。由此可見，三相六拍運(yùn)行時(shí)，每拍的步距角為15°。改變控制繞組的通電順序?yàn)锳→AC→C→CB→B→BA→A，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。圖6-12三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)雙三拍運(yùn)行工作原理圖6-11三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單三拍運(yùn)行工作原理步進(jìn)控制系統(tǒng)的組成

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)由控制器、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)成，如圖6-13所示?？刂破鳎ㄍǔＪ荘LC）發(fā)出脈沖信號(hào)和方向信號(hào)，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收這些信號(hào)，先進(jìn)行環(huán)形分配和細(xì)分，然后進(jìn)行功率放大，變成安培級(jí)的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，按控制要求對(duì)機(jī)械裝置準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)位置控制或速度控制。圖6-13步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向與其內(nèi)部繞組的通電順序有關(guān)，改變輸入脈沖的相序就可以改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)速則與輸入脈沖信號(hào)的頻率成正比，轉(zhuǎn)動(dòng)角度或位移與輸入的脈沖數(shù)成正比。改變脈沖信號(hào)的頻率就可以改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并能快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，因此，可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。謝謝觀賞項(xiàng)目六控制電動(dòng)機(jī)任務(wù)二認(rèn)識(shí)伺服電動(dòng)機(jī)任務(wù)描述伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，是一種具有服從控制信號(hào)要求進(jìn)行工作的執(zhí)行器，無信號(hào)時(shí)靜止，有信號(hào)立即運(yùn)行，因而得名“伺服”，用SM來表示。伺服電動(dòng)機(jī)是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，它將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出，改變輸入信號(hào)的大小和極性可以改變伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，故輸入的電壓信號(hào)又稱為控制信號(hào)或控制電壓。伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是：有輸入信號(hào)時(shí)轉(zhuǎn)子立即旋轉(zhuǎn)，無輸入信號(hào)時(shí)轉(zhuǎn)子立即停轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由控制電壓的方向和大小決定。根據(jù)使用電源的不同，伺服電動(dòng)機(jī)分為直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類。本任務(wù)主要學(xué)習(xí)伺服電動(dòng)機(jī)的分類、結(jié)構(gòu)、工作原理和控制方式，了解伺服控制系統(tǒng)的組成。直流伺服電動(dòng)機(jī)

一般的直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與普通小型直流電動(dòng)機(jī)相同。按照勵(lì)磁方式不同，可分為電磁式和永磁式。電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)由勵(lì)磁電流通過勵(lì)磁繞組產(chǎn)生。永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)由永磁鐵產(chǎn)生，無需勵(lì)磁繞組和勵(lì)磁電流。直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方式有兩種：電樞控制和磁場(chǎng)控制。電樞控制，即磁場(chǎng)繞組加恒定勵(lì)磁電壓，電樞繞組加控制電壓，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，電樞的控制電壓升高，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就升高；反之，減小電樞控制電壓，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就降低；改變控制電壓的極性，電動(dòng)機(jī)就改變轉(zhuǎn)向。磁場(chǎng)控制，即磁場(chǎng)繞組加控制電壓，改變勵(lì)磁電壓的大小和方向，就能改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理（a）外形（b）工作原理示意圖圖6-14直流伺服電動(dòng)機(jī)外形及工作原理示意圖勵(lì)磁繞組接他勵(lì)電源

，流過勵(lì)磁電流

，產(chǎn)生恒定的主磁通

。電樞兩端輸入電壓

，流過電樞電流

。電樞電流與主磁通相互作用產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩

。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡時(shí)，電動(dòng)機(jī)勻速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)在轉(zhuǎn)子電樞中產(chǎn)生感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)

。若電樞輸入電壓為零，則

。交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、能夠克服直流伺服電動(dòng)機(jī)存在的電刷、換向器等機(jī)械部件帶來的各種缺陷，具有過載能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低等優(yōu)點(diǎn)，使之成為定位控制中的主流產(chǎn)品。交流伺服電動(dòng)機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子及編碼器三個(gè)主要部分以及端蓋和風(fēng)扇等組成，如圖6-15所示。圖6-15

交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)（1）定子由鐵芯和線圈構(gòu)成，如圖6-16（a）所示。定子鐵心通常用硅鋼片疊壓而成。交流伺服電動(dòng)機(jī)的定子鐵芯中安放著空間相差90°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，要求兩相電壓同頻率。（2）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子是一個(gè)永磁體，在定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下，轉(zhuǎn)子和磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，如圖6-16（b）所示。因此我們常把伺服電動(dòng)機(jī)稱為同步電機(jī)。（a）交流伺服電動(dòng)機(jī)定子

（b）交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子圖6-16

交流伺服電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子（3）編碼器編碼器的作用是作為伺服系統(tǒng)的速度反饋和位置反饋元件。套在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，編碼器的碼盤也跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)將輸出脈沖反饋到伺服驅(qū)動(dòng)器。伺服電動(dòng)機(jī)的編碼器是光電編碼器。伺服電動(dòng)機(jī)的精度取決于編碼器的分辨率的精度，即每轉(zhuǎn)一圈可以發(fā)多少個(gè)脈沖。常見的編碼器外觀如圖6-17所示。交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖6-17

常見編碼器外觀光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，由光柵盤和光電檢測(cè)裝置組成。如圖6-18所示。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長方形孔，由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，使光線產(chǎn)生明暗相間的變化，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。光柵盤如圖6-19所示，外圍的一圈條紋是A相脈沖，中間的條紋是B相脈沖，最里面的那條條紋是Z相脈沖。A相、B相兩組條紋相對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)彼此相差90度相位，可以識(shí)別電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，Z相條紋只有一條，電機(jī)每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生一個(gè)脈沖，稱為零標(biāo)志信號(hào)。圖6-18

光電編碼器結(jié)構(gòu)圖6-19

光柵盤交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理工作原理如圖6-20所示。定子上的兩相對(duì)稱繞組在空間彼此互差90°電角度，一相為勵(lì)磁繞組

，兩端的電壓

；另一相為控制繞組

，兩端的電壓

，

與

頻率相同，但相位不同?？刂评@組經(jīng)電位器接恒定的交流電源

，控制電壓

與

可以是同相位或反相位，調(diào)節(jié)電位器可以改變控制電壓的大小。勵(lì)磁繞組與電容器串聯(lián)后接交流電源

，電容起分相的作用，適當(dāng)選擇電容C

的數(shù)值，可以使勵(lì)磁電流

超前于電源電壓

。根據(jù)電路原理，電容兩端的電壓

；勵(lì)磁繞組兩端的電壓

；以

為參考，作相量圖如圖6-20（c）所示?？梢?，勵(lì)磁電壓

與控制電壓

之間的相位差角為

。只要

，就能產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。如果

調(diào)節(jié)至90°，可以獲得較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。(a)外形

(b)原理圖（c）向量圖

圖6-20

交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方式

交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方式有三種，分別是幅值控制、相位控制和幅值-相位控制。（1）幅值控制幅值控制方式是指始終保持控制電壓

和勵(lì)磁電壓

之間的相位差為90°，僅改變控制電壓

的幅值來改變交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)控制電壓=0時(shí)，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)；當(dāng)控制電壓

的值在零和額定電壓值之間變化時(shí)，交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在零和最高轉(zhuǎn)速之間變化。交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方式

（2）相位控制

保持控制電壓和勵(lì)磁電壓的幅值為額定值不變，僅改變控制電壓與勵(lì)磁電壓的相位差來改變交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，這種控制方式稱為相位控制?？刂评@組通過移相器與勵(lì)磁繞組一同接至同一交流電源上，

的幅值不變，通過移相器使

與

的相位差在0°～90°之間變化，設(shè)

與

的相位差為

，

當(dāng)=0時(shí)，控制電壓與勵(lì)磁電壓同相位，氣隙總磁動(dòng)勢(shì)為脈動(dòng)磁動(dòng)勢(shì)，交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為零，不轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)

=90°時(shí)，氣隙磁動(dòng)勢(shì)為圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速最大，轉(zhuǎn)矩也為最大；當(dāng)

在0°～90°范圍內(nèi)變化時(shí)，氣隙磁動(dòng)勢(shì)從脈動(dòng)磁動(dòng)勢(shì)變?yōu)闄E圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)最終變?yōu)閳A形旋轉(zhuǎn)磁