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控制电机基础,第二章 控制电机基础,机电液伺服系统及设计,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机 2.1.1 直流伺服电动机的工作原理 2.1.2 直流伺服电动机的静态特性 2.1.3 直流伺服电动机的动态特性2.2电-机械转换器 2.2.1 动圈式电-机械转换器 2.2.2 动铁式电-机械转换器 2.3步进电机,主要内容,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机,一、直流伺服电动机的工作原理,在两电刷间加直流电压。如图所示，电流从B刷流入，由A刷流出。,N极处有效导体中的电流由纸里指向外，用表示；S极处有效导体中的电流由外指向纸里，用表示。,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机-工作原理,B 导体所在处的磁密度（磁感 应强度），Wb/m2；l 导体在磁场中的长度，m；i 导体中流过的电流，A。,用左手定则确定电磁力的方向。,载流导体在磁场中受到电磁力为,控制电机基础,直流电机是可逆的，它根据不同的外界条件而处于不同的运动状态。如输入机械能时，迫使它旋转，它便输出电能，处于发电机状态，此时称为发电机。当在电刷两端加电压输入电能时，它便旋转起来，输出机械能，处于电动机状态。,2.1 直流伺服电动机-工作原理,控制电机基础,二、直流伺服电动机的结构和分类,（一）传统式直流伺服电动机,永磁式直流伺服电动机是在定子上装置由永久磁钢做成的磁极。目前我国生产的SY系列直流伺服电动机属于这种结构。,传统式直流伺服电动机可分为永磁式和电磁式两种。,电磁式（串激式和他激式）直流伺服电动机的定子通常由硅钢片冲制叠压而成，磁极和磁轭整体相连，在磁极铁芯上套有激磁绕组，目前我国生产的SZ系列直流伺服电动机属于这种结构。,2.1 直流伺服电动机,控制电机基础,这两者电机的转子铁芯均由硅钢片冲制叠压而成，在转子冲片的外圆周上开有均布的齿槽，在转子槽中放置电枢绕组，并经换向器、电刷引出。,2.1 直流伺服电动机-分类,控制电机基础,（二）低惯量式直流伺服电动机,无槽电枢直流伺服电动机。,无槽电枢直流伺服电动机的电枢铁芯上并不开槽，电枢绕组直接排列在铁芯表面，再用环氧树脂把它与电枢铁芯粘成一个整体。定子磁极可以用永久磁钢做成，也可以采用电磁式结构。电动机的转动惯量和电枢绕组电感比无转子铁芯的电机要大些，因而其动态性能稍差。目前我国生产的SWC系列直流伺服电动机属于这种结构。,2.1 直流伺服电动机-分类,控制电机基础,（二）低惯量式直流伺服电动机,盘形电枢直流伺服电动机；,盘形电枢直流伺服电动机的定子是由永久磁钢和前后磁轭所组成，磁钢在圆盘的一侧放置，也可以在两侧同时放置。电机的气隙就位于圆盘的两边，圆盘上有电枢绕组，可分为印刷绕组和线绕式绕组两种形式。,2.1 直流伺服电动机-分类,控制电机基础,（二）低惯量式直流伺服电动机,空心杯电枢永磁式直流伺服电动机,空心杯电枢永磁式直流伺服电动机有一个外定子和一个内定子。通常外定子由两个半圆形的永久磁钢所组成；内定子为圆柱形的软磁材料做成，仅作为磁路的一部分，以减小磁阻。空心杯电枢上的电枢绕组可采用印刷绕组，也可以先绕成单个成型线圈，然后将它们沿圆周的轴向方向排列成空心杯形，再用环氧树脂固化成型。空心杯电枢直接装在电机轴上，在内、外定子之间的气隙中旋转。电枢绕组接到换向器上，由电刷引出。目前我国生产的SYK系列直流伺服电动机属于这种结构。,2.1 直流伺服电动机-分类,控制电机基础,（三）直流伺服电动机的性能比较,2.1 直流伺服电动机-分类,注：-不实用；-性能一般；-高性能；-超高性能,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机,三、直流伺服电动机的控制方式,电磁式直流伺服电动机，采用电枢控制时，其激磁绕组由外加恒压的直流电源激磁；永磁式直流伺服电动机则由永磁磁极激磁。,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机,四、直流伺服电动机的静态工作特性,机械特性是指控制电压一定时，转速随转矩的变化关系；,调节特性是指电机转矩一定时，转速随控制电压的变化关系。,基本假设：不考虑电机磁化曲线非线性的影响；忽略带载时电枢反应磁势的影响。,控制电机基础,Ra 电动机电枢回路的总电阻；Ea 电动机电枢回路的反电势；ia 电动机电枢回路的电流；每级总磁通；n 电枢转速；Ke 电势常数，表示单位转速所产生的电势。,电枢回路的电压平衡方程:,2.1 直流伺服电动机-静态特性,控制电机基础,Kt 转矩常数，表示单位电枢电流所产生的转矩。,电动机的电磁转矩为:,2.1 直流伺服电动机-静态特性,直流伺服电动机的转速公式为,控制电机基础,（一）机械特性,2.1 直流伺服电动机-静态特性,Ua=constant，,机械特性曲线与纵轴的交点为电动机的理想空载转速n0,机械特性曲线与横轴的交点为电动机的堵转矩Tk,机械特性曲线的斜率的绝对值表示了电动机机械特性的刚度。,控制电机基础,（二）调节特性,2.1 直流伺服电动机-静态特性,Tg=constant，,调节特性曲线与横轴的交点表示在一定负载转矩时电动机的始动电压Ua0。,调节特性曲线的横坐标从零到始动电压的这一范围称为在一定负载转矩时，伺服电动机的失灵区。失灵区的大小与负载转矩成正比。,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机,五、直流伺服电动机的动态特性,电枢控制时直流伺服电动机的动态特性，是指在电动机的电枢上外加阶跃电压时，电机转速的增长过程。,控制电机基础,（一）直流伺服电动机的基本方程,2.1 直流伺服电动机-动态特性,电枢电路的电压方程,恒定磁场中转动的元件感应电压,电动机产生的电磁转矩,电动机的转矩平衡方程,式中：J为转动惯量，B为粘滞摩擦系数，Tf为其他摩擦转矩，TL为负载转矩。,控制电机基础,（二）直流伺服电动机的传递函数,2.1 直流伺服电动机-动态特性,基本方程组取拉式变换,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机-动态特性,直流电动机方框图,电压-角速度传递函数（1）,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机-动态特性,；,；,电压-角速度传递函数（2）,为电气时间常数；,为机械时间常数。,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机-动态特性,负载转矩-角速度传递函数,略去电枢电感时可简化为,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机,直流电动机总输入电功率,直流伺服电动机电枢电路的电压方程,由电磁转矩方程和电动机转矩平衡方程得电流方程,六、直流伺服电动机的功率损耗,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机-功率损耗,功率表达式,第1项表示电枢绕组中电流产生的损耗；第2项表示电感中储能的变化率，第3项表示动能的变化率，即储能元件输入输出的瞬时功率流；第4项表示粘滞摩擦损耗，第5项表示其它摩擦转矩损耗，即电动机的机械损耗；第6项表示电动机实际的功率输出。,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机-功率损耗,直流电动机的功率流图,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机-功率损耗,机械效率为输出机械功率与产生的总机械功率的比值,直流电动机的总效率为输出机械功率与总输入平均功率的比值,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机,七、直流伺服电动机的应用和选择,（一）直流伺服电动机的应用,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机-选择与应用,1绕线机速度和力控制系统,绕线机是一种连续运动的机构，它包括绕线和排线的速度控制系统以及拉线的张力控制系统。,包括两个直流电动机-测速发电机组，两个驱动放大器和比较器。,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机-选择与应用,2雷达天线的位置控制系统,被跟踪目标经雷达天线系统检测并发出误差信号，该信号经过放大后就作为力矩电动机的控制信号，并使力矩电动机驱动天线跟踪目标。,系统中使用测速电机的速度反馈回路是为了提高系统的运行稳定性。,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机-选择与应用,（二）直流伺服电动机的选择,1负载分析,（1）快速回程时转矩,1-连续运行区;2-间断运行区;3-换向允许极限;4-最高转速,直流电动机的转速-转矩特性,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机-选择与应用,（2）加速、减速、起动和制动时转矩,电机直线加速响应过程,JM 电动机惯量；JL 负载惯量；N 负载减速比。,ta 加速时间；max 达到最大转速；Ma1所需加速转矩。,直流电动机由静止加速到最高转速所需的加速转矩,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机-选择与应用,（2）加速、减速、起动和制动时转矩,电机指数曲线加速响应过程,JM 电动机惯量；JL 负载惯量；N 负载减速比。,te 加速到0.632 max所需时间；max 达到最大转速；Ma1所需加速转矩。,max,0,te,t,电机响应曲线,0.632max,直流电动机由静止加速到最高转速所需的加速转矩,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机-选择与应用,（2）加速、减速、起动和制动时转矩,电机直线减速响应过程,JM 电动机惯量；JL 负载惯量；N 负载减速比。,td 减速时间；r 转速减少值；Ma2所需减速转矩。,直流电动机减速时所需的减速转矩,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机-选择与应用,2环境条件,一般应考虑：温度、湿度、海拔高度、周围介质、冲击、振动、加速度等。,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机-选择与应用,3连接机构,（1）电动机必须带有相应的附加散热及冷却装置；（2）电动机与负载连接安装时，轴向或径向力不应超过电动机的规定值；（3）防止机械谐振；（4）寿命尽可能长；（5）效率尽可能高。,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机-选择与应用,4几种常用直流电动机性能比较与应用,（1）电磁式直流伺服电动机,性能特点：机械特性和调节特性为线性；机械特性下垂，在整个速度范围内都能稳定运行；气隙小、磁密高，单位体积输出功率大、精度高；电枢齿槽效应会引起转矩脉动，运行不平稳，惯量不够小；电枢电感大，高速换向困难；磁通不随时间变化，但受温度的影响；需要直流励磁电源。,应用范围：可用作中等功率的直流伺服系统的直行元件，但不适合用于要求快速响应的伺服系统。,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机-选择与应用,（2）永磁式直流伺服电动机,性能特点：基本与电磁式相同，只是磁性随时间而退化，硬磁材料贵，不需要直流励磁电源。,应用范围：可用于小功率的一般直流伺服系统，不适合用于要求快速响应的伺服系统。,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机-选择与应用,（3）杯形电枢直流伺服电动机,性能特点：机械特性和调节特性为线性；机械特性下垂，运行稳定；惯量极低，机电时间常数小；电枢电感小，电磁时间常数小；电枢的热容量小；无齿槽效应，转矩脉动小，运行平稳，换向良好，噪声低；气隙大、单位体积的输出功率小；耐冲击和耐热性差。,应用范围：适用于小功率（10W以下）、需要快速动作的伺服系统。,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机-选择与应用,（4）无槽电枢直流伺服电动机,性能特点：机械特性和调节特性为线性；机械特性下垂，运行稳定；电枢惯量小，机电时间常数小；电枢电感小，电磁时间常数小，换向良好；无齿槽效应，运行平稳，噪声低；瞬时起动、停止和快速响应好；耐冲击和耐热性能好；气隙大、励磁安匝大，力指标低。,应用范围：适用于快速运转、快速起动、快速停止和功率较大的伺服系统。,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机-选择与应用,（5）圆盘电枢直流伺服电动机,性能特点：电枢绕组散热条件好，电机短时过载能力强，工作可靠性高；转矩极为平稳；电刷的寿命长；印刷绕组虽轻，但圆盘的直径大，惯量比杯形电枢的大。,应用范围：适用于低速和要求起动、反转频繁的伺服系统。,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机-选择与应用,（6）无刷直流伺服电动机,性能特点：无换向火花，不产生无线电干扰，噪声低；寿命长，运行可靠，维护简便；转速不受换向条件的限制，可高速运行；调速范围宽；机械特性和调节特性的线性度较好。,应用范围：适用于低噪音、高真空、对无线电不产生干扰的伺服系统。,控制电机基础,2.1 直流伺服电动机-选择与应用,（7）直流力矩伺服电动机,性能特点：除具有永磁式直流伺服电动机的特点外，还具有反应速度快、转矩和转速波动小；能在低速甚至堵转状态下长期稳定运行；精度较高，输出功率大；运行可靠，维护方便，振动和机械噪音小等优点。,应用范围：可作为高精度位置和低速随动系统中的执行元件。,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,一、动圈式电-机械转换器,长动圈,短动圈,（一）工作原理及结构特点,控制电机基础,B 导体所在处的磁密度（磁感应强度），Wb/m2；L 导体在磁场中的长度，m；i 导体中流过的电流，A。,通电导体在磁场中受一个正比于电流、磁密度和导线长度的力 F，使动圈产生往复的直线运动。,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,一、动圈式电-机械转换器,控制电机基础,（1）比推力（比电势）BL和比推力不均匀度BL。比推力定义为单位电流产生的推力；它和电动机内部的电磁参数及结构有关，是影响运动速度的一个重要指标；比推力大而均匀好。,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,动圈式直流直线电动机的工作参数：,一、动圈式电-机械转换器,（2）动圈电感和电阻。动圈电感直接影响电动机的性能，电感小可以减小时间常数；动圈电阻大，可以减小电流，减低铜耗。,控制电机基础,（3）机械谐振频率。为提高谐振频率，要求运动部分重量轻，刚度高。,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,一、动圈式电-机械转换器,（4）散磁场。包括内部漏磁和外部漏磁。内部漏磁对比推力的不均匀度有影响；外部漏磁需采取精心的隔磁措施，以减小不利影响。,控制电机基础,电压方程：,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,（二）基本方程和传递函数,一、动圈式电-机械转换器,动圈的运动方程：,La 动圈的电感，H；Ra 动圈的电阻，；u 动圈中的电压，V；i 动圈中的电流，A。m 可动部分质量，kg；b 阻尼系数；k 弹簧刚度，kg/m；x 位移，m。,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,一、动圈式电-机械转换器,电压-电流传递函数:,电流-位移传递函数:,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,一、动圈式电-机械转换器,动圈式电动机的传递函数:,或,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,一、动圈式电-机械转换器,动圈式电机械转换器的电磁转折频率；,动圈式电机械转换器的无阻尼固有频率；,阻尼比；,动圈式电机械转换器的增益。,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,二、动铁式电-机械转换器,（一）工作原理及结构特点,-吸合区；-工作行程区；-空行程区,1比例电磁铁,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,二、动铁式电-机械转换器,2.力矩马达,当控制线圈通电流时，由于极化磁场与控制磁路的相互作用而使衔铁产生与控制电流的大小和方向相应的转矩。当电磁力矩大于负载及固定的弹簧等力矩时，衔铁转动，但转角是很小的，可以看成是直线运动。,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,二、动铁式电-机械转换器,（二）静、动态特性,根据电磁铁的基本方程式，衔铁受到轴向推力为,为磁路磁导相对于衔铁位移y的导数;,0 真空磁导率，A 气隙部位和磁力线垂直的断面积；y 气隙沿磁力线方向的平均长度。,H/m；,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,二、动铁式电-机械转换器,1比例电磁铁的静动态特性,（1）比例电磁铁的静态特性,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,二、动铁式电-机械转换器,磁通1 沿轴向穿过工作气隙进入盆形极靴底部端面，产生端面力 FM1；,磁通2 则穿过径向间隙盆口锥形周边通过端盖回到外壳，产生轴向附加力 FM2。,、为与电磁铁几何形状有关的常数,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,二、动铁式电-机械转换器,比例电磁铁的电磁力在其工作区域内进行线性化的表达式为,比例电磁铁的电流力增益；,比例电磁铁的位移力增益与调零弹簧刚度之和。,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,二、动铁式电-机械转换器,比例电磁铁的静态控制力特性可变换为,ia 起始电流，取决于铁磁材料的起始磁导率，一般是额定工作电流的5%；yN 衔铁的额定工作位置。,比例电磁铁的静态特性包括力-行程特性和力-电流特性,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,二、动铁式电-机械转换器,力-电流特性,力-行程特性,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,二、动铁式电-机械转换器,（2）比例电磁铁的动态特性,电压方程：,L 线圈电感；Rc，rp 线圈和放大器内阻；Ke 线圈感应反电动势系数。,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,二、动铁式电-机械转换器,比例电磁铁的运动方程：,m 衔铁组件的质量；B 阻尼系数；Ks 衔铁组件的弹簧刚度。,电磁力的线性化方程：,Ki 电流-力增益；Ky 位移-力增益与弹簧刚度之和。,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,二、动铁式电-机械转换器,方程组拉氏变换：,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,二、动铁式电-机械转换器,方框图：,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,二、动铁式电-机械转换器,系统方框图:,比例电磁铁传递函数:,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,二、动铁式电-机械转换器,比例电磁铁的增益.,比例电磁铁可动部分的阻尼比;,比例电磁铁的电磁转折频率;,比例电磁铁可动部分的固有频率;,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,二、动铁式电-机械转换器,实践表明，采用电流负反馈，能使比例电磁铁线圈的电气时间常数明显缩小；采用衔铁位置电反馈闭环，能提高比例电磁铁的工作频宽。,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,二、动铁式电-机械转换器,I、FM 对输入信号ui的阶跃响应,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,二、动铁式电-机械转换器,2力矩马达的静动态特性,（1）力矩马达的静态特性,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,二、动铁式电-机械转换器,力矩马达产生的电磁力矩,Td 输入电流在衔铁上产生的总力矩；Kt 力矩马达的力矩常数；Km 力矩马达的磁弹簧常数。,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,二、动铁式电-机械转换器,衔铁的力矩平衡方程,Ja 衔铁等可动部分的惯量；Ba 衔铁的机械支承和负载的粘性阻尼系数；Ka 衔铁转轴的机械扭转弹簧常数；TL 作用在衔铁上负载力矩。,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,二、动铁式电-机械转换器,上两式整理，并进行拉式变换：,当Km/Ka 之值一定时，得静态方程,其中,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,二、动铁式电-机械转换器,力矩马达的静态特性曲线,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,二、动铁式电-机械转换器,（2）力矩马达的动态特性,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,二、动铁式电-机械转换器,每个线圈的电压方程为,Kb 每个线圈的反电动势常数；Lc 每个线圈的自感系数。,拉式变换,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,二、动铁式电-机械转换器,力平衡方程为,力矩马达对电压和负载力矩的动态响应,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,二、动铁式电-机械转换器,每一线圈的衔铁回路转折频率；,衔铁的固有频率；,静态增益常数；,Ku 放大器增益。,控制电机基础,2.2 电-机械转换器（直流直线电机）,二、动铁式电-机械转换器,力矩马达典型的频率特性,控制电机基础,2.3 步进电机,一、概述,步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制或执行元件。,由专用电源供给电脉冲，每输入一个脉冲，步进电机就移动一步。它的直线位移量或角位移量与电脉冲数成正比，所以步进电机的线速度或转速与脉冲频率成正比。通过改变脉冲频率的高低就可以在很多范围内调节电机的转速，并能快速起动、制动和反转。,控制电机基础,一、概述,2.3 步进电机,步进电机传动控制系统框图,控制电机基础,2.3 步进电机,1.步进电机的优缺点,可以开环方式驱动而无需反馈；无稳定问题；无累积定位误差；步距值不受各种干扰因素影响；能响应数字输入信号，适合于数字计算机控制；机械结构简单，很少或无需维护，不易受污染；可重复地堵转而不会损坏，相当坚固耐用。,步进电机的优点：,一、概述,控制电机基础,2.3 步进电机,运动增量或角步距是固定的，在步进分辨率上缺乏灵活性；采用普通驱动器时效率低；在单步响应中有过冲量和振荡；承受大惯性负载的能力有限；开环控制时摩擦负载增加了定位误差；可供使用的电机尺寸和输出功率是有限的。,步进电机的缺点：,一、概述,控制电机基础,2步进电机的分类,2.3 步进电机,（1）按步进电机的工作原理可分为：反应式（VR），永磁式（PM）和混合式（HB）等三种类型。,反应式（VR）步进电机的转子和定子是由硅钢片及其它软磁材料制成凸极结构，定子磁极上绕有线圈，转子上无绕组。定子绕组励磁后产生反应力矩，转子的齿依次被电磁铁吸引而实现回转控制，使转子转动。,一、概述,控制电机基础,2.3 步进电机,一、概述,永磁式（PM）的结构与反应式（VR）相似，只是转子或定子的某一方装的是永磁材料，另一方是由软磁材料制成。绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩。,控制电机基础,2.3 步进电机,一、概述,混合式（HB）又称为永磁感应子式步进电机，它的结构兼有反应式和永磁式的某些特点，在转子的内部装有永久磁铁，而齿槽部分仍由软磁材料组成。,控制电机基础,2.3 步进电机,一、概述,（2）按输出转矩分为：快速型和功率型。快速型步进电机输出转矩一般为 0.074 Nm。可控制小型精密机床的工作台，如线切割机床。功率型步进电机输出转矩一般为540Nm。可直接驱动机床移动部件。,控制电机基础,2.3 步进电机,一、概述,（3）按相数分为：二、三、四、五、六、m 相等。相数越多，步距角越小，结构越复杂。,（4）按运动方式分为：旋转运动、直线运动、平面运动、滚动运动。,控制电机基础,2.3 步进电机,一、概述,（5）按结构分为：单段式、多段式、印刷绕组式。单段式也称垂轴式或径向间隙式。多段式也称顺轴式或轴向间隙式。转动惯量小，快速性和稳定性好，功率型步进电机多为轴向式。,控制电机基础,二、反应式步进电机,2.3 步进电机,反应式步进电机是利用磁阻转矩使转子转动的，是我国目前使用最广泛的步进电动机型式。,反应式步进电机的主要特点是：气隙小，定位精度高；步距角小，控制准确；励磁电流较大，要求驱动电源功率大；电机内部阻尼较长，当相数较少时，单步运行振荡时间较长；断电后无定位转矩，需使用自锁定位。,控制电机基础,2.3 步进电机,三拍运行时的三相反应式步进电动机的工作原理图,（一）工作原理,定子上有六个极，每个极上都装有控制绕组，每相对的两极组成一相。转子是四个均匀分布的齿，上面没有绕组。,二、反应式步进电机,控制电机基础,2.3 步进电机,二、反应式步进电机,当A相控制绕组通电时，因磁通要沿着磁阻最小的路径闭合，将使转子齿1、3和定子极A、A对齐。A相断电，B相控制绕组通电时，转子将在空间转过30，即步距角s=30，转子齿2、4和定子极B、B对齐。如再使B相断电，C相控制绕组通电，转子又在空间转过s=30，使转子齿1、3和定子极C、C对齐。如此循环往复。,控制电机基础,2.3 步进电机,二、反应式步进电机,电动机的转速取决于控制绕组与电源接通或断开的变化频率。,采用“单、双拍”通电方式时，步距角要比“单拍”或“双拍”通电方式时减小一半。,定子控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍。,每次只有一相控制绕组通电，称为单；每次有两相控制绕组通电，称为双。,控制电机基础,2.3 步进电机,二、反应式步进电机,“三相双三拍”的通电方式：按ABBCCAAB，或ACCBBAAC的通电顺序运行。,“三相单三拍”的通电方式：按ABCA，或ACBA的通电顺序运行。,“三相单、双六拍”的通电方式：按AABBBCCCAA，或AACCCBBBAA的通电顺序运行。,控制电机基础,2.3 步进电机,二、反应式步进电机,六拍运行时的三相反应式步进电动机的工作原理图,控制电机基础,2.3 步进电机,二、反应式步进电机,步进电机的步距角s的大小是由转子的齿数Zr、控制绕组的相数m和通电方式所决定。,C 通电状态系数，“单拍”或“双拍”通电方式时C=1；采用“单、双拍”通电方式时C=2。,控制电机基础,2.3 步进电机,二、反应式步进电机,若步进电机的脉冲频率为f，则步进电机的转速为,步进电机除了做成三相外，也可以做成二相、四相、五相、六相或更多的相数。步进电机的相数和转子齿数越多，则步距角s就越小。,控制电机基础,2.3 步进电机,二、反应式步进电机,（二）结构形式,1单段式单段式又称为径向分相式。它是目前步进电机中使用最多的一种形式。定子的磁极的极面上开有小齿；转子沿圆周也有均布的小齿，它们的齿形和齿距完全相同。这种结构形式使电机制造简便，精度易于保证；步距角又可以做得较小，容易得到较高的启动和运行频率。此外，这种电机消耗的功率较大，断电时无定位转矩。,控制电机基础,2.3 步进电机,二、反应式步进电机,2多段式多段式又称为轴向分相式。按其磁路的特点不同，又可分为轴向磁路多段式和径向磁路多段式两种。,控制电机基础,2.3 步进电机,三、永磁式步进电机,电机转子或定子在结构上采用永久磁钢的步进电动机，称为永磁式步进电动机。,优点：绕组不通电时具有一定的定位转矩；静转矩尺寸比高；采用永磁转子，所需的运行功耗小；机械结构简单；采用永磁转子，阻尼特性好；能双向工作；由于许多部件是冲压件，所以价格低廉。缺点：转矩与转子惯量比低；永磁体的磁化强度可能有变化；反电势高，而最高转速低；由于本身结构所限，不适于小步距角用途；起动频率低。,控制电机基础,2.3 步进电机,三、永磁式步进电机,（一）工作原理,永磁式步进电机的典型结构如图所示，转子为一对极或几对极的星形磁钢，定子上绕有二相或多相绕组，定子每相极对数与转子磁极轴线位置对齐。当定子绕组按AB（-A）（-B）单四拍方式或ABB（-A）（-B）（-A）（-B）A双四拍方式通电时，转子便连续旋转，步距角45。若定子绕组按AABBB（-A）八拍方式通电，则转子旋转步距角为22.5。这类电机要求电源能输出正负脉冲，电源较复杂。,控制电机基础,2.3 步进电机,三、永磁式步进电机,控制电机基础,2.3 步进电机,三、永磁式步进电机,（二）结构形式永磁式步进电机可根据不同用途发展出各种不同的结构形式。包括转子多段式步进电机，定子多段式步进电机，数码显示用步进电机，定子带磁钢的步进电机等。,控制电机基础,2.3 步进电机,四、混合式步进电机,混合式步进电机是在永磁和变磁阻原理共同作用下运转的，也称为永磁感应子式步进电机。,混合式步进电机用得最多的步距角是1.8，或每转200步。当混合式步进电机通以两相正弦交流电后，就可作为同步电机使用。此时电动机的转速可由下式求得：,控制电机基础,2.3 步进电机,四、混合式步进电机,S 同步转速，r/min；f 电源频率，Hz；Nr 转子齿数。,控制电机基础,2.3 步进电机,五、直线式步进电机,（一）工作原理直线步进电机的工作原理如图所示。定子用铁磁材料制成“定尺”，其上开有间距为t的矩形齿槽，槽中填满非磁材料（如环氧树脂），使整个定子表面非常光滑。动子上装有两块永久磁钢A和B，每一磁极端部装有用铁磁材料制成的形极片，每块极片有两个齿（如a和c），齿距为1.5t，这样，当齿a与定子的齿对齐时，齿c便对准槽。同一磁钢的两个极片间隔的距离刚好使齿a和c能同时对准定子的齿，即它们的间隔是kt，k代表任一整数：1、2、2、4。,控制电机基础,2.3 步进电机,五、直线式步进电机,磁钢B与A相同，但极性相反，它们之间的距离应等于,当其中一个磁钢的齿完全与定子的齿和槽对齐时，另一磁钢的齿应处于定子的齿和槽的中间。,控制电机基础,2.3 步进电机,五、直线式步进电机,在磁钢A的两个形极片上装有A相控制绕组，磁钢B上装有B相控制绕组。如果某一瞬间，A相控制绕组中通入直流电流iA，并假定箭头指向左边的电流方向为正方向，如图（a）所示。这时A相绕组所产生的磁通在齿a、a中与永久磁钢的磁通相迭加，而在齿c、c中却抵消，这时齿c、c全部去磁，不起任何作用。在这过程中B相绕组不通电流，即iB=0，磁钢B的磁通量在齿d、d、b和b中大致相等，沿着动子移动方向各齿产生的作用力互相平衡。,控制电机基础,2.3 步进电机,五、直线式步进电机,概括起来，这时只有a、a在起作用，它使动子处在图（a）所示的位置上。为了使动子向右移动，就是说从图（a）移到图（b）的位置，就要切断A相绕组的电源，使iA=0，同时给B相绕组通入正向电流iB，这时在齿b和b中B相绕组产生的磁通与永久磁钢的磁通相迭加，而在齿d、d中抵消。因而动子便向右移动半个齿宽，既t/4，使b、b 移到与定子的齿相对齐的位置。,控制电机基础,2.3 步进电机,五、直线式步进电机,如果切断电流iB，并给A相绕组通上反向电流，这时A相绕组及磁钢A产生的磁通与永久磁钢的磁通在齿c、c中相迭加，而在齿a、a中相抵消，动子便向右又移动t/4，使c和c与定子的齿相对齐，如图（c）所示。同理，如果切断电流iA，并给B相绕组通上反向电流，动子又向右移动t/4，使d和d与定子的齿相对齐，如图（d）所示。,控制电机基础,2.3 步进电机,五、直线式步进电机,经过图（a）、（b）、（c）、（d）所示的四个阶段后，动子便向右移动一个齿距t。如果还要继续移动，只需重复前面次序通电。相反，如果想使动子向左移动，只要把四个阶段顺序到过来，即按图（d）、（c）、（b）、（a）的次序通电。,控制电机基础,2.3 步进电机,六、步进电机的性能指标,（1）步距角s每输入一个电脉冲信号转子转过的角度称为步距角。步距角的大小会直接影响步进电机的起动和运行频率，步距角小的往往起动、运行频率较高。,控制电机基础,2.3 步进电机,六、步进电机的性能指标,最大步距误差：是指步进电机旋转一转内相邻两步之间最大步距和理想步距角的差值，用理想步距的百分数表示。最大步距累积误差：是指任意位置开始，经过任意步之后，角位移误差的最大值。,（2）精度,静态步距角误差：是指实际的步距角与理论的步距角之间的差值，通常用理论步距角的百分数或绝对值大小来衡量。静态步距角误差小，表示电机精度高。,控制电机基础,2.3 步进电机,六、步进电机的性能指标,（3）转矩T保持转矩（定位转矩）：是指步进电机绕组不通电时电磁转矩的最大值，或转角不超过一定值时的转矩值。静转矩：是指步进电机不改变控制绕组通电状态，即转子不转情况下的电磁转矩。最大静转矩Tjmax：是指步进电机在规定的通电相数下矩角特性的转矩最大值。一般说来，最大静转矩较大的电机可以带动较大的负载转矩。,负载转矩TL：负载转矩和最大静转矩的比值通常取为0.30.5左右,动转矩：是指步进电机转子转动情况下的最大输出转矩值。它与运行频率有关。,控制电机基础,2.3 步进电机,六、步进电机的性能指标,（4）响应频率响应频率：是指在某一频率范围，步进电机可以任意运行而不丢失一步的最大频率。通常用起动频率来作为衡量指标。,控制电机基础,2.3 步进电机,六、步进电机的性能指标,（5）起动频率fq和起动矩频特性起动频率（突跳频率）：是指步进电机能够不失步起动的最高脉冲频率。产品目录上一般都有空载起动频率的数据，但在实际使用时，步进电机大都要在带负载的情况下起动，这时负载起动频率是一个重要指标。起动矩频特性：是指步进电机在一定的负载惯量下，起动频率随负载转矩变化的特性称为起动矩频特性，通常以表格或曲线形式给出。,控制电机基础,2.3 步进电机,六、步进电机的性能指标,（6）运行频率fq和运行矩频特性运行频率：步进电机起动后，当控制脉冲频率连续上升时能不失步的最高频率称为运行频率。通常给出的也是空载下的运行频率。运行矩频特性：当电机带着一定负载运行时，运行频率与负载转矩大小有关，两者的关系称为运行矩频特性。,控制电机基础,2.3 步进电机,六、步进电机的性能指标,必须注意：步进电机的起动频率、运行频率及其矩频特性都与电源型式有密切关系，使用者必须了解技术数据给出的性能指标是在怎样型式的电源下测定的。一般来说，高低压切换型电源其性能指标较高，如使用时改为单一电压型电源，则性能指标要相应降低。,控制电机基础,2.3 步进电机,六、步进电机的性能指标,（7）额定电流电机不动时每一相绕组容许通过的电流定为额定电流。当电机运转时，每相绕组通过的是脉冲电流，电流表指示的读数为脉冲电流平均值。绕组电流太大，电机温升会超过容许值。,（8）额定电压步进电机额定电压指的是驱动电源应供给的电压，一般不等于加在绕组两端的电压。,控制电机基础,2.3 步进电机,七、步进电机产品的选择,（1）永磁式步进电机特点：功率损耗比反应式小；在断电情况下有定位转矩；步距角大；需要供给正负脉冲；起动和运行频率较低。应用范围：主要用于新型自动化仪表，既可作驱动元件，又可作执行元件。,1.形式选择,控制电机基础,2.3 步进电机,七、步进电机的产品选择,（2）反应式步进电机特点：步距角小；起动和运行频率高；在一相绕组长期通电状态下具有自锁能力；断电无定位转矩；消耗的功率较大。应用范围：广泛应用于开环控制系统。如计数器指示装置；闸门控制；数控机床等。,控制电机基础,2.3 步进电机,（3）混合式步进电机特点：步距角小；起动和运行频率较高；功率消耗小；有定位转矩；需要供给正负脉冲。应用范围：用于计算机外部设备及与反应式步进电机相同的领域。,七、步进电机的产品选择,控制电机基础,2.3 步进电机,七、步进电机的产品选择,2.相数的选择选择相数应兼顾电机和电源两方面的经济和技术指标。一般的讲，随着相数的增加，电机步距角变小，起动频率和运行频率相应提高，稳定性好，但驱动电源复杂，元器件数增多，成本高。在性能要求不高的地方应首先考虑采用相数少的电机和线路简单的驱动电源，常用的相数是三、四、五、六相。,控制电机基础,2.3 步进电机,七、步进电机的产品选择,3.步距角的选择步距角德大小与相数、转子齿数（反应式和混合式）或极对数（永磁式）有关。在选择步距角时，必须考虑脉冲当量和机械传动系统的传动比。,控制电机基础,2.3 步进电机,七、步进电机的产品选择,（4）最大静转矩的选择根据负载的阻转矩、传动效率和传动比，计算出折算到电机轴上的负载转矩TL。电机最大静转矩约为TL/（0.30.5）。,可根据负载和传动装置的转动惯量，计算出折算到步进电机轴上的等效转动惯量。综合以上结果，权衡步距角、最大静转矩、起动频率和运行频率以及传动比，最后选择步进电机的具体规格和驱动电源。,控制电机基础,2.3 步进电机,八、步进电机的环形分配器,环形分配器是根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加到放大器上，使各绕组按一定的顺序和时间导通和关断，并根据指令使电机正转或反转，实现确定的运行方式。软件环分是由计算机数字控制系统采用软件完成脉冲分配。,控制电机基础,2.3 步进电机,步进电机驱动系统框图,八、步进电机的环形分配器,