1、海南風光第第15講講第10章控制電機 第10章 控制電機 10.1 概述概述10.2 步進電動機步進電動機 10.2.1 結構結構 10.2.2 工作方式工作方式 10.2.3 小步距角的步進電動機小步距角的步進電動機10.3 伺服電動機 10.3.1 交流伺服電動機交流伺服電動機 10.3.2 直流伺服電動機直流伺服電動機 前面介紹的異步電動機、直流電動機等都是作為前面介紹的異步電動機、直流電動機等都是作為動力使用的，其主要任務是能量轉換，例如將電能動力使用的，其主要任務是能量轉換，例如將電能轉換為機械能。本章介紹控制電機。轉換為機械能。本章介紹控制電機。 10.1 概述概述如：伺服機將電壓

2、信號轉換為轉矩和轉速；如：伺服機將電壓信號轉換為轉矩和轉速； 步進機將脈沖信號轉換為角位移或線位移。步進機將脈沖信號轉換為角位移或線位移。 控制電機的主要功能是轉換和傳遞信號?？刂齐姍C的主要功能是轉換和傳遞信號?？刂齐姍C的種類很多，本章主要介紹控制電機的種類很多，本章主要介紹步進機、伺服機。步進機、伺服機。 對控制電機的主要要求：對控制電機的主要要求：動作靈敏、準確、動作靈敏、準確、重量輕、體積小、運行可靠、耗電少等。重量輕、體積小、運行可靠、耗電少等。10.2 步進電動機步進電動機機理機理：步進電機是利用電磁鐵原理，將脈沖信號步進電機是利用電磁鐵原理，將脈沖信號 轉換成線位移或角位移的電機。

3、每來一個轉換成線位移或角位移的電機。每來一個 電脈沖，電機轉動一個角度，帶動機械移電脈沖，電機轉動一個角度，帶動機械移 動一小段距離。動一小段距離。特點特點：(1)來一個脈沖，轉一個步距角。來一個脈沖，轉一個步距角。 (2)控制脈沖頻率，可控制電機轉速。控制脈沖頻率，可控制電機轉速。 (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： 有勵磁式和反應式兩種。兩種的區別在于勵磁式步有勵磁式和反應式兩種。兩種的區別在于勵磁式步進電機的轉子上有勵磁線圈，反應式步進電機的轉子進電機的轉子上有勵磁線圈，反應式步進電機的轉子上沒有勵磁線圈。上沒有勵磁線圈。應用：應用： 步進機的應用非常廣泛。

4、如：在數控機床、自動步進機的應用非常廣泛。如：在數控機床、自動 繪圖儀等設備中都得到應用。繪圖儀等設備中都得到應用。 下面以反應式步進電機為例說明步進電機的結構和下面以反應式步進電機為例說明步進電機的結構和工作原理。工作原理。10.2.1 結構結構 步進機主要由兩部分構成：定子和轉子。它們均步進機主要由兩部分構成：定子和轉子。它們均由磁性材料構成，其上分別有六個、四個磁極由磁性材料構成，其上分別有六個、四個磁極 。定子定子轉子轉子定子繞組定子繞組 定子的六個磁極上有控制繞組，兩個相對的磁極定子的六個磁極上有控制繞組，兩個相對的磁極組成一相。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。步進機通的是直流電脈沖，這主要是指線圖不同。步進機通的是直流電脈沖，這主要是指線圖的聯接和組數的區別。的聯接和組數的區別。ABC定子定子轉子轉子IAIBIC10.2.2 工作方式工作方式 步進電機的工作方式可分為：步進電機的工作方式可分為：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）三相繞組聯接方式：）三相繞組聯接方式：Y 型型（2 2）三相繞組中的通電順序為：）三相繞組中的通電順序為：A 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，吸引轉子，使轉子的位置力圖使通電相磁化，吸引轉子，使轉子的位置力圖使通電相磁路的磁阻最小，使轉、定子的齒對齊停止轉動。路的磁阻最小，使轉、定子的齒對齊停止轉動。A 相通電，相通電，A 方向的磁方向的磁通經轉子形成閉合回路。通經轉子形成閉合回路。若轉子和磁場軸線方向若轉子和磁場軸線方向原有一定角度，則在磁原有一定角度，則在磁場的作用下，轉子被磁場的作用下，轉子被磁A A 相通電使轉子相通電使轉子1 1、3 3齒和齒和 AA 對齊。對齊。CABBCA3412CABBCA3412同理，同理，B相通電，轉子相通電，轉子2、4齒和齒和B相軸線對齊，相軸線對齊，相對相對A相

7、通電位置轉相通電位置轉30 ；C相通電再轉相通電再轉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，一個循環周期共包括三個脈沖，所以稱三相而且，一個循環周期共包括三個脈沖，所以稱三相單三拍。單三拍。三相單三拍的特點：三相單三拍的特點：（1）每來一個電脈沖，轉子轉過）每來一個電脈沖，轉子轉過 30 。此角稱為。此角稱為步距角，用步距角，用 S表示。表示。（2）轉子的旋轉方向取決于三相線圈通電的順序，）轉子的旋轉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向。改變通電順序即可改變轉向。二、三相單雙六拍二、三相單雙六

8、拍三相繞組的通電順序為：三相繞組的通電順序為： AABBBCCCAA 共六拍。共六拍。工作過程：工作過程：A相通電，相通電，轉子轉子1 1、3 3齒和齒和A相對齊。相對齊。CABBCA3412所以轉子轉到兩磁拉力平衡的位置上。相對所以轉子轉到兩磁拉力平衡的位置上。相對AA 通電，轉子轉了通電，轉子轉了15。（1）BB 磁場對磁場對 2、4 齒有磁拉力，該拉力使齒有磁拉力，該拉力使 轉子順時針方向轉動。轉子順時針方向轉動。A、B相同時通電相同時通電（2）AA 磁場繼續對磁場繼續對1、3齒有拉力。齒有拉力。CABBCA3412總之，每個循環周期，有六種通電狀態，所以稱總之，每個循環周期，有六種通電

9、狀態，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，轉子轉子2、4齒和齒和B相對齊，又轉了相對齊，又轉了15 。三、三相雙三拍三、三相雙三拍三相繞組的通電順序為：三相繞組的通電順序為： 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定，因此較常采用。拍較三相單三拍穩定，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，每通入一個電拍時，每通入一個電脈沖，轉子也是轉脈沖，轉子也是轉30 ，即，

10、即 S = 30 。CA通電通電CABBCA341210.2.3 小步距角的步進電動機小步距角的步進電動機 實際采用的步進電機的步距角多為實際采用的步進電機的步距角多為3度和度和1.5度，步距角越小，機加工的精度越高。度，步距角越小，機加工的精度越高。為產生小步距角，定、轉子都做成多齒的，為產生小步距角，定、轉子都做成多齒的，圖中轉子圖中轉子40個齒，定子仍是個齒，定子仍是 6個磁極，但每個磁個磁極，但每個磁極上也有五個齒。極上也有五個齒。轉子的齒距轉子的齒距等于等于360 / 40=9 ，齒寬、齒槽各，齒寬、齒槽各4.5 。 為使轉、定子的齒對齊，定子磁極上的小齒，為使轉、定子的齒對齊，定子

11、磁極上的小齒，齒寬和齒槽和轉子相同。齒寬和齒槽和轉子相同。工作原理：工作原理：假設是單三拍通電工作方式。假設是單三拍通電工作方式。（1）A 相通電時，定子相通電時，定子A 相的五個小齒和轉子對相的五個小齒和轉子對齊。此時，齊。此時，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 = = 個個齒。所以，齒。所以，A 相的轉子、定子的五個小齒對相的轉子、定子的五個小齒對齊時，齊時，B 相、相、C 相不能對齊，相不能對齊，B相的轉子、相的轉子、定子相差定子相差 1/3 1/3

12、 個齒（個齒（3 3 ），），C相的轉子、定相的轉子、定子相差子相差2/32/3個齒（個齒（6 6 ）。）。31133226若工作方式改為三相六拍，則每通一個電脈沖，若工作方式改為三相六拍，則每通一個電脈沖，轉子只轉轉子只轉 1.5 。異步機的轉動方向仍由相序決定。異步機的轉動方向仍由相序決定。同理，同理，C 相通電再轉相通電再轉3 （2）A 相斷電、相斷電、B 相通電后，轉子只需轉過相通電后，轉子只需轉過1/3個個 齒（齒（3 ），使），使 B 相轉子、定子對齊。相轉子、定子對齊。f：電脈沖的頻率電脈沖的頻率 轉速轉速36060sfn 步進機通過一個電脈沖步進機通過一個電脈沖,轉子轉過的角度

13、轉子轉過的角度,稱為稱為步距角。步距角。m:一個周期的運行拍數一個周期的運行拍數Zr：轉子齒數：轉子齒數mZrS360如：如：Zr=40 , m=3 時時3340360S步距角步距角10.3 伺服電動機伺服電動機 交流伺服電動機和直流伺服電動機。交流伺服電動機和直流伺服電動機。伺服電動機分類伺服電動機分類： 伺服電動機的作用是驅動控制對象。被控對象伺服電動機的作用是驅動控制對象。被控對象的轉距和轉速受信號電壓控制，信號電壓的大小的轉距和轉速受信號電壓控制，信號電壓的大小和極性改變時，電動機的轉動速度和方向也跟著和極性改變時，電動機的轉動速度和方向也跟著變化變化。伺服電動機的作用伺服電動機的作用

14、10.3.1 交流伺服電動機交流伺服電動機 原理原理與兩相交流異步電機相同，定子上裝有兩個與兩相交流異步電機相同，定子上裝有兩個繞組繞組 勵磁繞組和控制繞組。勵磁繞組和控制繞組。勵磁繞組和控制繞組在空間相隔勵磁繞組和控制繞組在空間相隔90 ?？刂评@組控制繞組勵磁繞組勵磁繞組轉子轉子勵磁繞組中串聯電容勵磁繞組中串聯電容C的目的是為了產生兩相旋的目的是為了產生兩相旋轉磁場。轉磁場。接線：接線：勵磁繞組的接線勵磁繞組的接線UCU1I1U放放大大器器控制繞組的接線控制繞組的接線檢檢測測元元件件控制信號控制信號2U2IU 適當選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電流適當選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電

15、流相位差接近相位差接近9090 ，因此便產生旋轉磁場，在旋轉磁，因此便產生旋轉磁場，在旋轉磁場的作用下，轉子便轉動起來。場的作用下，轉子便轉動起來。 1UCU1I1U例：選擇電容，可使交流伺服電機電路中的電壓電例：選擇電容，可使交流伺服電機電路中的電壓電流的相量關系如圖所示。流的相量關系如圖所示。勵磁繞組的接線勵磁繞組的接線UCU1I1U放放大大器器控制繞組的接線控制繞組的接線檢檢測測元元件件控制信號控制信號2U2IU 工作時兩個繞組中產生的電流工作時兩個繞組中產生的電流 和和 的相的相位差近位差近90，因此便產生旋轉磁場。在旋轉磁場因此便產生旋轉磁場。在旋轉磁場的作用下，轉子轉動起來。的作用

16、下，轉子轉動起來。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，轉子停止。時，轉子停止。這時，雖然這時，雖然U2 = =0V，U1仍存在，似乎成單仍存在，似乎成單相運行狀態，但和單相異步機不同。相運行狀態，但和單相異步機不同。若單若單相電機啟動運行后，出現單相后仍轉。伺相電機啟動運行后，出現單相后仍轉。伺服電機不同，單相電壓時設備不能轉。服電機不同，單相電壓時設備不能轉。交流伺服電動機的特點：交流伺服電動機的特點：原因：原因：交流伺服電機交流伺服電機 R2設計得較大。所以設計得較大。所以在在U2=

17、0時，交流伺服電機的時，交流伺服電機的T=f(s)曲線如下曲線如下頁圖：頁圖： 當當U2= =0V時，脈動磁場分成的正反向旋轉磁場產生時，脈動磁場分成的正反向旋轉磁場產生的轉距的轉距T 、T 的合成轉矩的合成轉矩 T 與單相異步機不同。合與單相異步機不同。合成轉矩的方向與旋轉方向相反，所以電機在成轉矩的方向與旋轉方向相反，所以電機在U2=0V時，時，能立即停止，體現了控制信號的作用能立即停止，體現了控制信號的作用( (有控制電壓時有控制電壓時轉動，無控制電壓時不轉轉動，無控制電壓時不轉) )，以免失控。，以免失控。交流伺服電動機的交流伺服電動機的T=f(s)T=f(s)曲線（曲線（U U2 2

18、=0=0時）時）sT210sTTT021反轉反轉正轉正轉（3 3）控制電壓）控制電壓 U2 大小變化時，轉子轉速相應變大小變化時，轉子轉速相應變化，轉速與電壓化，轉速與電壓 U2 成正比。成正比。U2 的極性改變的極性改變時，轉子的轉向改變。時，轉子的轉向改變。（2）交流伺服電機交流伺服電機 R2設計得較大，使設計得較大，使Sm1，Tst大，大，啟動迅速，穩定運行范圍大。啟動迅速，穩定運行范圍大。交流伺服電動機的機械特性曲線交流伺服電動機的機械特性曲線( U1=const )nTU20.8 U20.6 U20.4 U2Tn 交流伺服電機的輸出功率一般為交流伺服電機的輸出功率一般為0.1-100 W，電，電源頻率分源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應用很