1、电机与拖动基础复习第 八章控制电机8.1 伺服电动机 8.2 步进电动机 8.3 测速发电机 8.4 微型同步电动机 8.5 自整角机 8.6 旋转变压器 小结8.1 控制电机概述直流电源供电 ?直流电动机： ?直流电机 ? 对外提供直流电 ?直流发电机： ? ? 静止的电力设备 ，实现能量 ?变压器： ? ?交流电机?三相异步电动机 ? ? ?同步电机 ?这些电机在结构上、 这些电机在结构上、运行方式等方面均存在一定的 差别，但均基于电磁感应原理 而且电机在应用上、 电磁感应原理， 差别，但均基于电磁感应原理，而且电机在应用上、 性能指标等方面， 性能指标等方面，均着眼于 如功率、转矩、效率
2、等 ? 力能指标： ? 作为能量转换装置来使 用 动力电机。 这类电机称为动力电机 这类电机称为动力电机。伺服电动机 8.1 控制电机概述 ? ?步进电动机 ?测速发电机 ? 常用控制电机有： ? 自整角机 ? ?旋转变压器 ? ?其它一些新型电机 ? 原理上和前面介绍的动力电机没有本质的区别，均基 于电磁感应原理，但在结构上有很多的特点，性能指 标、技术指标也不相同，应用上也不再以力能指标作 为关注点，而是关注于其控制性能与控制作用，如控 控制性能与控制作用， 控制性能与控制作用 制精度、响应速度、可靠性等方面，着眼于: 制精度、响应速度、可靠性等方面，着眼于实现对控制信号的变换 和传递 ?
3、 在控制系统中作为执行元件、信号(检测)元件8.1 控制电机概述总结: 总结?直流电动机 ? ? ?交流电动机 着眼点是力能指标， ?动力电机： ?变压器 ? ? ? ? 均是作为能量转换装置来使用 ? ? ? ? ?伺服电动机 ? ? ?控制电机： ?测速发电机 着眼于实现控制信号的变换和传递， ? ?步进电动机 ? ? ? ? 在控制系统中作执行元件或信号元件 ?故要求控制电动机具有精度高，响应快， 故要求控制电动机具有精度高，响应快，可靠性高等8.2 伺服电动机 一、概述： 又称为执行电动机，在控制系统中作为 概述： 又称为执行电动机，为执行元件。 为执行元件。角位移 1、作用： 输入电
4、压信号 ? 输出 信号 ? ?角速度 改变控制电压信号大小和极性（或相位） ，即可 改变电动机的转速和转向。直流：输出功率较大，范围 1 600 W，可上千瓦 2、分类： ? ?交流：输出功率较小，范围 0.1 100 W8.2 伺服电动机 一、概述： 又称为执行电动机，在控制系统中作为 概述： 又称为执行电动机，执行元件。 执行元件。有信号转，无信号停； ?1. 可控性好： ? ?2. 快速响应，反应灵敏 ?3. 稳定性好：即转矩 T 转速 n均匀 ? ? 3、性能： ?4. 调速范围广：n 能随控制电压信号的变化 ? 在较大范围内调节 ? ?5. 控制功率小，体积小，耗电省 ? ?6. 无
5、自转现象：u = 0, n = 0 ?8.2 伺服电动机 一、概述： 又称为执行电动机，在控制系统中作为 概述： 又称为执行电动机，执行元件。 执行元件。4、应用： 广泛应用于机电一体化 的设备中， 应用于运动 控制系统中。如：各类加工机械(数控机床、)、各类机器人、自 动化生产线、医疗设备、计算机(光驱、硬盘驱动器、 软驱等、打印机)等8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：1、基本结构：类似于普通小型直流机，但一般较 、基本结构：类似于普通小型直流机， 细长，响应速度快。 （GD 细长，响应速度快。 （ 2 小） 。 （ 2、原理：类似于直流电动机。 、原理：类似于直流电
6、动机。 以电机模型来做简要分析。U f ? f I f ? ? 电磁力定理 ? ? ? ? ? ? ? ? ? Ua ? Ia ? ? ? 拖动转子 T ? ? ? n8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：3、控制方式：伺服电机是将控制信号(一般为电 控制方式：伺服电机是将控制信号( 压信号)转变成速度信号输出， 压信号)转变成速度信号输出，该控制信号可以加到 电枢端，也可以加到励磁端。电枢端，也可以加到励磁端。 施加的方式不同， 控制电压 uK 施加的方式不同，分为这种控制方式好。 ?电枢控制：uc 加在电枢绕组上。 ? ?电磁式直流伺服电动机：直流励磁 ? 励磁方式不同
7、，又分为 ? ? ?永磁式直流伺服电动机：永久磁铁 ? ? ? ?磁场控制：uc 加在励磁绕组上。一般不用此方式。 ? 因其调节特性在某一范围内不是单值函数，? ? 每个转速对应两个控制信号 ?8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：Ra UK ? T = n0 ? T 4、机械特性： n = 、机械特性： 2 Ce C e C T 采取电枢控制， 采取电枢控制，且忽略电枢反应u K 不变： = f (T )为一直线 n ? n ?u K 变化： 0 U ? 一族平行直线，斜率 恒定 ? TL 一定时 ? ? ? ? ? u K n 如图。 如图。8.2 伺服电动机 二、直流
8、伺服电动机： 直流伺服电动机：Ra UK ? T = n0 ? T 4、机械特性： n = 、机械特性： 2 Ce C e C T 如图。 如图。C T 堵转转矩 TK = U K : 当转速为 0时的转矩。 Ra 不同的控制电压对应不同的堵转转矩。8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：Ra UK ? T = n0 ? T 4、机械特性： n = 、机械特性： 2 Ce C e C T 如图。 如图。说明： 说明：堵转转矩反应了电机对某一控制 电压能作出反映的最大负载大小。 电压能作出反映的最大负载大小。反映 了直流伺服电机的负载能力。 了直流伺服电机的负载能力。对应某一
9、控制电压， 控制电压，若负载转矩 TL TK , 则电机堵转，达不到控制作用。 则电机堵转，达不到控制作用。8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：Ra UK ? T = n0 ? T 4、机械特性： n = 、机械特性： 2 Ce C e C T 如图。 如图。机械特性曲线比较直观地反应出了转速随负载的 机械特性曲线比较直观地反应出了转速随负载的 比较直观地反应出了 变化情况，但对于控制电压 U 变化情况，但对于控制电压 K 对转速的控制作用在单 条曲线中没有反应出来，而是运动控制中， 条曲线中没有反应出来，而是运动控制中，为了控制 伺服电机的转速，需要知道电动机在带负载以
10、后， 伺服电机的转速，需要知道电动机在带负载以后，转 速随控制电压 U 变化的情况。 为直观反映控制电压 速随控制电压 K 变化的情况。 为直观反映控制电压 UK 对转速的控制作用，引入调节特性的概念。 对转速的控制作用，引入调节特性的概念。8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：5、调节特性： 、调节特性： 一定( 一定) 、当 T 一定(即 TL 一定)，电机稳态转速 n 与控制 的关系， 电压 uK 的关系，即 因： 所以： 所以：n 和n = f (u K )uK n= ? T Ce 之间是线性关系， uK 之间是线性关系，且改变 T，曲线平移n u K 成线性关系
11、特点： 如图： 、特点： ? 如图： ?n = 0时，负载 TL不同，u K 不同8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：5、调节特性： n = u K ? T 、调节特性：Ce 如图： 如图：始动电压：调节特性与横坐 始动电压： 标的交点(n=0) (n=0)称为某一转矩 标的交点(n=0)称为某一转矩 T 时的始动电压，即对应于某 时的始动电压， 一负载转矩， 一负载转矩，电机处于待动 而未动的临界电压。 而未动的临界电压。其大小 为：Ra u K T CT8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：5、调节特性： n = u K ? T 、调节特性：Ce
12、如图： 如图：、当 某转矩对应的始动电 uK 压时，则电动机不能起动 压时，失灵区8.2 伺服电动机 二、直流伺服电动机： 直流伺服电动机：5、调节特性： n = u K ? T 、调节特性：Ce 如图： 如图：、失灵区的大小与电磁转矩 (负载转矩)的大小有关，为提 负载转矩)的大小有关， 高灵敏度， 高灵敏度，一般要求始动电压 小。8.2 伺服电动机 直流伺服电动机： 二、直流伺服电动机：CT 堵转转矩：TK = Uk Ra反映了直流伺服电机的负载能力。 反映了直流伺服电机的负载能力。Ra T 始动电压： 始动电压： u K CT反映了直流伺服电机的灵敏度。 反映了直流伺服电机的灵敏度。从对
13、堵转转矩和始动电压的分析可知： 从对堵转转矩和始动电压的分析可知：带负载能力 是互相制约的。 ? ?灵敏度8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：1、基本结构：类似于两相交流异步电动机。如图。 、基本结构：类似于两相交流异步电动机。如图。 空心杯转子的结构及特点：空心杯转子的结构及特点： 转动惯量小 非磁性材料有助于产生涡流。8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：1、基本结构：类似于两相交流异步电动机。如图。 、基本结构：类似于两相交流异步电动机。如图。?外定子： 嵌放励磁绕组和控制绕组 ? 两相绕组 ? ?定子 ? ? ? ?内定子：不放绕组，仅做磁路的
14、一部份 ? ? ? ? ? ? ?励磁绕组 f 接单相交流电 U f 外定子? ? ? ? ? ?控制绕组 C 接控制电压 U C ? ? ? 绕组空间相位差 90 ，电压频率一致 ? ? ?气隙：大(因有两段)，需要的励磁电流大 ? ? ?转子： ?8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：1、基本结构：类似于两相交流异步电动机。如图。 、基本结构：类似于两相交流异步电动机。如图。定子： ? ?气隙： ?转子：位于内外定子之间细长 ? ? ?鼠笼式 : 采用高电阻率导体，简单，类似单相异步机 ? ? ? 空心杯式：呈现杯形，用非磁 性材料 制成， ? ? ? ? 壁厚 0.2
15、 0.6mm ? ? ? GD 2小，响应快，运行平滑，加工困难 ? ? ?解释空心杯的含义。 解释空心杯的含义。8.2 伺服电动机 三、交流伺服电动机： 交流伺服电动机：2、工作原理：类似于单相异步电动机。 、工作原理：类似于单相异步电动机。 、原理图： 原理图：8.2 伺服电动机 三、交流伺服电动机： 交流伺服电动机：2、工作原理： 、工作原理： 、原理分析： 原理分析：励磁绕组 f ? ? ? I f 脉振磁势 转子无法起动? ? ? ?施加控制信号 U K I K，和 I f 不同相? ?励磁电压 U f 椭园形旋转励磁 杯形转子感应涡流 ? 作用下 起动转矩 ? 电机起动 旋转U K
16、 大小、相位变化 旋转磁场的 ? ? ?椭圆度变化 影响电磁转矩大小 n 变化 ? ?转向变化 转子转向变化实现控制8.2 伺服电动机 三、交流伺服电动机： 交流伺服电动机：2、工作原理： 、工作原理： 、原理分析： 原理分析： 当控制电压消失时(即 Uc=0)时，电机将如何运行？ 当控制电压消失时 即 时 电机将如何运行？ 若为普通的两相电机，当控制电压消失时，电 普通的两相电机，当控制电压消失时， 普通的两相电机 机单相运行，转速将有所下降， 机单相运行，转速将有所下降，但仍将能继续旋转 前面介绍的单相电机就是这样工作的。 ，前面介绍的单相电机就是这样工作的。但对于控 制电机，是一种失控现
17、象，称为自转 自转， 制电机，是一种失控现象，称为自转，对于控制电 机是不允许的。 机是不允许的。8.2 伺服电动机 三、交流伺服电动机： 交流伺服电动机：2、工作原理： 、工作原理： 、原理分析： 原理分析： 当控制电压消失时(即 Uc=0)时，电机将如何运行？ 当控制电压消失时 即 时 电机将如何运行？信号来，U K 0，电机动作 根据控制电机的可控性要求， ? ?信号消失，U K = 0，电机停转否则认为失控。电机的失控又称为自转，将影响控制的可靠性。8.2 伺服电动机 三、交流伺服电动机： 交流伺服电动机：3、性能指标及要求： 、性能指标及要求：调速范围宽? 机械特性线性度好 ? ?转
18、子电阻大 ? 制造上保证 ? 快速响应 ? ?转运惯量小 ? 无自转 ?下面来分析讨论转子电阻大( 对电机性能的影响。 下面来分析讨论转子电阻大( r2 )对电机性能的影响。8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：3、性能指标及要求： 、性能指标及要求： 增大转子电阻大对电机性能的影响： 增大转子电阻大对电机性能的影响： 无论单、三相感应电机，其稳定运行区域为 0 sm ， 无论单、三相感应电机， 而一般的sm 很小，表明稳定运行区域窄。若： 很小，表明稳定运行区域窄。r2 ? sm ，扩大调速范围。 r2 ? 还能改善稳定运行区域的线性度 r2 ? 防止电机自转现象8.2
19、伺服电动机 三、交流伺服电动机： 交流伺服电动机：4、自转现象讨论： 、自转现象讨论：信号来， U K 0 ，电机动作 正常情况： 正常情况：? U K = 0 ，电机停转 ? 信号消失，否则认为失控。电机的失控又称为自转，将影响控制的可靠性。 电机的失控又称为自转，将影响控制的可靠性。8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：4、自转现象讨论： 、自转现象讨论： 、自转现象 1：如图。自转现象 1 如图。U ?U K 到 来之前： f 产生脉振磁场，电机无法起动； ? ?U K 一到 ：和 U f 一起产生旋转磁场， ? ? ? 运行在 A点； ?U 再消失： 只有 U f
20、产生脉振磁场， K ? ? 但电机仍能运行在 B点 ? 失控 ?8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：4、自转现象讨论： 、自转现象讨论： 、自转现象 1：如图。自转现象 1 如图。 、失控现象 2：如图。 失控现象 2 如图。UK = 0 ? ? 电机能够起动起来 但外界振动，干扰使 n 0? 出现自转现象 ? 失控 ?以上两种自转现象均是在没有控制电压的情况下， 以上两种自转现象均是在没有控制电压的情况下， 电机仍有与原转速方向一致的电磁转矩 与原转速方向一致的电磁转矩； 电机仍有与原转速方向一致的电磁转矩；在交流伺服 电机中如何来防止自转呢？ 电机中如何来防止自转呢？
21、 设法产生一个与原转速方向相反的电磁转矩，设法产生一个与原转速方向相反的电磁转矩，使电 机在控制电压为 0时停止转动。 机在控制电压为 0时停止转动。8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：4、自转现象讨论： 、自转现象讨论： 、自转现象 1：如图。自转现象 1 如图。 、失控现象 2：如图。 失控现象 2 如图。 、解决措施： 解决措施：r2 ? 防止电机自转现象讨论当 r2较小时：单相绕组(u k = 0)时的特性曲线如图。 ? n 0? ? ?一象限： ? ? 拖动作用，n T 0? ? ? ? n ?三象限： 1) ? 1 ? sm ? ? F T 对应的转差率 s
22、( s = ? n1 ? n 1) m m m ? ? ? n1 ? ? 合成转矩位于二、四象限，如图： ? n 0? ?二象限： ? 反向 制动作用，n T 0? ? ? n、T总是反向 ? 不能自转 ? 即一旦控制信号消失，因 r2 T 制动，停转。8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：4、自转现象讨论： 、自转现象讨论： 、自转现象 1：如图。自转现象 1 如图。 、失控现象 2：如图。 失控现象 2 如图。 、解决措施： 解决措施：r2 ? 防止电机自转现象结论：在电机设计时应 结论：sm =r2 x1 + x 2 1，即 r2 x1 + x 28.2 伺服电动机
23、交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：5、控制方式： 、控制方式：U K 大小、相位变化 旋转磁场的椭圆度变化 影响电磁转矩大小 n 变化 ? ?转向变化 转子转向变化(1)、幅度控制： (2)、相位控制： (3)、幅相控制：8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：5、控制方式： 、控制方式： (1)、幅度控制： 接线图： . 接线图： 原理： . 原理： ? ? 保证 U K、U f 相位差为 度（通过移相电路实现） ， 90 ? 改变控制电压 U 的大小来控制电机转速C信号系数：控制信号的大小对电机的控制 控制信号的大小对电机的控制 作用可通过幅值控制信号系数来 描述。
24、描述。8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：5、控制方式： 、控制方式： (1)、幅度控制： 信号系数控制信号的大小对电机的控制作用可通过幅值 控制信号系数来描述。 控制信号系数来描述。 ? ? 一般控制绕组额定电压 U CN = U f ，那么控制信号的UC UC 信号系数 = U = U CN f? ? = 1：U CN = U f 幅值相等，相位差 90度 园形旋转磁场 电磁转矩 T最大 ? ? ? ? ：椭园度增大， 电磁转矩T越少，电机转速越慢 ? ? = 0：脉振磁场，电机停转 ? ?8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：5、控制方式： 、控
25、制方式： (2)、相位控制：. 接线图：通过移相器来改变相位差.原理： ? ? ? ? 保证 U K 和 U f 幅值 一致不变，通过改变 U K 和 U f 相位差大小来控制电机转速和转向。8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：5、控制方式： 、控制方式： (2)、相位控制： . 接线图： .原理：改变相位差 ，可改变控制绕组内的电流 I C 和励磁电的相位差，从而改变旋转磁场的 ?椭园度 If ? ?转向实现转向、转速的改变8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：5、控制方式： 、控制方式： (2)、相位控制： .信号系数：信号系数：sin 称为相位控
26、制的信号系数。 称为相位控制的信号系数。控制信号与励磁电压相位差 的变化对电机的 来描述。 控制作用可通过相位控制信号系数 sin 来描述。 相位控制时的机械特性和调节特性：类似幅值 相位控制时的机械特性和调节特性： 控制，呈现非线性。 控制，呈现非线性。8.2 伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：5、控制方式： 、控制方式： (3)、幅相控制幅值-相位复合控制，这种方法较前面两种方法输 幅值 相位复合控制， 相位复合控制 出功率大，且不用移相装置，成本低，多被采用。 出功率大，且不用移相装置，成本低，多被采用。 . 接线如图： 励磁回路串电容，控制回路通过电位器调电压。8.2
27、伺服电动机 交流伺服电动机： 三、交流伺服电动机：5、控制方式： 、控制方式： (3)、幅相控制 .原理： ? 改变控制电压 U K 大小， ? ? U 、U 的相位差 也随之改变，实现转速调节。K f幅相控制时的机械特性和调节特性：类似幅值控 制，但线性度稍差。 .优点：控制线路简单，无须复杂的移相设备，只需 电容分相，成本低，输出功率大的优点，实际应用较 多。8.3 步进电动机 概述： 一、概述：?将输入的脉冲电信号 角位移输出 ? ? 一个脉冲信号 ?对应 转过一个角度 ? ? ? ?功能： ? ? ?角位移 脉冲数 ? ? ?转向和脉冲的给出的方式有关 ? ? ? ?反映式步进电机 ?
28、 ? ?分类： ?永磁式步进电机 ? ?混合式步进电机 ? ? ?下面介绍反应式步进电动机8.3 步进电动机 基本结构： 二、基本结构： ：?相数 m = 2 6 ? 每个磁极上套有控制绕 组， ?定子? ?定子磁极数 2m ? ? 相对的励磁绕组为一相 ， 即 ? ? ? 每一相绕组绕在相对的 两磁 ? ? 极上。 ?转子：转子齿。齿宽与 定子磁极极靴宽度相等 ， ? ? 由硅钢 片叠成 ?8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）相数 m = 3 设 ?定子磁极 2m = 6：分别用 A、B、C、A 、B、C表示 ? ?转
29、子齿数 4：分别用 1、 、 4 表示 2 3、 ?8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）1.运行过程分析： 1.运行过程分析： 运行过程分析 . A 相通直流脉冲信号 ，B、C 相绕组不通电：A、A磁极 磁力线分布 如图示： ? ?磁轭 ?转子齿 1和 A正对 3 ?转子齿 1、 ，即? 轴线重合。 ? ?A、A ?转子齿 3和 A正对8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）1.运行过程分析： 1.运行过程分析： 运行过程分析 . A 相通直流脉冲信号
30、3 ?转子齿 1、 即? 轴线重合。 ?A、A，B、C 相绕组不通电：说明： 说明： 若二者轴线开始不重合，A、A磁力线力图通过磁阻最小的路径 ? ?转子将受到磁阻转矩（即反应转矩）的作用，使转子 转到轴线重合的位置。8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）1.运行过程分析： 1.运行过程分析： 运行过程分析 . A 相通直流脉冲信号3 ?转子齿 1、 即? 轴线重合。 ?A、A，B、C 相绕组不通电：说明： 说明： 反应转矩：又称磁阻转矩， 不同于电磁转矩； 反应转矩的作用：一方面可带动转子转动， 另一方面，又可防止转子自
31、由转运。分析。 分析。 分析8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）1.运行过程分析： 1.运行过程分析： 运行过程分析 . A 相通直流脉冲信号3 ?转子齿 1、 即? 轴线重合。 ?A、A，B、C 相绕组不通电：说明： 说明： 图中位置转子只受到径向力作用，反 映转矩为零。8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）1.运行过程分析： 1.运行过程分析： 运行过程分析 .A、C相绕组断电，B 相加脉冲信号，如图 切换瞬间，磁力线以 B相磁极轴线对称分布，如
32、图。 因B和转子齿 4的距离要近过转子齿 1 ? ?B和转子齿 2的距离要近过转子齿 3所以磁力线力图沿 B 2 4 B通过? ? 此时BB、 轴线不重合 24 ? 产生反应转矩使转子逆时针转过 30使轴线重合 ? 磁阻最小8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）1.运行过程分析： 1.运行过程分析： 运行过程分析 .B、A相绕组断电，C 相加脉冲信号，如图 切换瞬间，磁力线以 C相磁极轴线对称分布，如图。C 磁力线路径： 3 1 C类似上述分析，可知转子又转过 30C、C 轴线重合。 使 ? 3 ?1、8.3 步进电动机
33、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）1.运行过程分析： 1.运行过程分析： 运行过程分析 . C、B 相绕组断电，A 相加脉冲信号，如图 切换瞬间，磁力线以 A相磁极轴线对称分布，如图。 磁力线路径：A 4 2 A类似上述分析，可知转子又转过 30A、A 使 ? 轴线重合。 4 ?2、8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）1.运行过程分析： 1.运行过程分析： 运行过程分析 结论： 结论： （1） 按 A B C A 顺序轮流加电脉冲 ? 信号，则转子齿按逆时针方向一步
34、步地转运。 信号，则转子齿按逆时针方向一步步地转运。 （2）若改变通电顺序，转子转向改变。 若改变通电顺序，转子转向改变。8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）2、基本概念： 、基本概念： 一拍： 一拍：控制绕组从一种通电状态切换到另一种通 电状态，称为一拍。即改变一次通电方式为一拍。 电状态，称为一拍。即改变一次通电方式为一拍。 步距角： 每一拍转过的角度。 步距角： s 每一拍转过的角度。三拍：经过三次通电状态的转换完成一次通电状态 三拍： 的循环。转过一个转子齿对应的空间角度。 的循环。转过一个转子齿对应的空间角度。
35、 三相：定子有三相绕组。 三相：定子有三相绕组。 每次只有一相绕组通电。 单：每次只有一相绕组通电。 双：每次有两相绕组通电。 每次有两相绕组通电。8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）3、控制方式： 控制方式： 三相单三拍： 三相单三拍： 每次只有一相绕组单独通电， 每次只有一相绕组单独通电，控制绕组每换接三次 通电状态构成一个通电状态的循环的控制方式。 通电状态构成一个通电状态的循环的控制方式。 上例中通电方式为 A B C A 对应的步距角 b 为 308.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）
36、三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）3、控制方式： 控制方式： 三相双三拍： 三相双三拍： 每次有两相绕组同时通电， 每次有两相绕组同时通电，控制绕组每换接三次通 电状态构成一个通过状态的循环的控制方式。 电状态构成一个通过状态的循环的控制方式。 其通电方式为 AB BC CA AB 可知其步距角 b 为 30分析 分析8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）3、控制方式： 控制方式： 三相双三拍：当 A、B 两相绕组同时加电脉冲信号时 三相双三拍：通过转子齿 1、 3 ? ?A 相绕组产生的定子磁场 ? ? ?
37、? ? 反应转矩 T1 ? 、 4 ?B 相绕组产生的定子磁场 ?通过转子齿 2? 反应转矩 T ? 2 ?二者大小相等，方向相 反 ? 平衡。 ?8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）3、控制方式： 控制方式： 三相双三拍：当 A、B 两相绕组同时加电脉冲信号时 三相双三拍：8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）3、控制方式： 控制方式： 三相单双六拍： 三相单双六拍：控制绕组每换接六次通电状态构成一个通过状态的循 控制绕组每换接六次通电状态构成一个
38、通过状态的循 六次 环的控制方式。 其通电方式为： 环的控制方式。 其通电方式为：A AB B BC C CA A由图可见， 由图可见，其两拍转过的角度刚好和三相单三拍运行 方式一拍转过的角度一致。 方式一拍转过的角度一致。 可知其步距角 b 为 15 8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）3、控制方式： 控制方式： 三相单双六拍： 三相单双六拍：A AB B 8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）3、控制方式： 控制方式： 三相单双六拍： 三相单双六
39、拍：若改变通电顺序， 若改变通电顺序，转向改变A AC C CB B BA A8.3 步进电动机 工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）3、控制方式： 控制方式： 4、总结： 总结： .采用双相通电方式运行，其稳定性要比单相方式好 采用双相通电方式运行， .采用单、双拍通电方式，其步距角是单拍方式或双 采用单、双拍通电方式， 拍方式的一半； 拍方式的一半； .一个通电状态的循环，转子转过的角度为转子齿对 一个通电状态的循环， 应的空间角度，为提高控制精度，需要增加转子齿数。 应的空间角度，为提高控制精度，需要增加转子齿数。小步距角反应式步进电
40、动机。8.3 步进电动机 小步距角反应式步进电动机分析： 四、小步距角反应式步进电动机分析：定子磁极数为 6，每个极靴上各有 5个小齿 ? 以 ?相数 m为3 ?转子齿数为 40 ?的反应式步进电动机为例。8.3 步进电动机 小步距角反应式步进电动机分析： 四、小步距角反应式步进电动机分析：定、转子的齿宽、齿距相等， 转子的齿宽、齿距相等， 齿距是指：相邻两齿的中心线的距离， 齿距是指：相邻两齿的中心线的距离， 是指 用对应的空间角度 表示，本例中为 1 表示，1 = 36040= 9相应的展开图如下： 相应的展开图如下：8.3 步进电动机 小步距角反应式步进电动机分析： 四、小步距角反应式步
41、进电动机分析：为定子磁极，每个磁极上有 5个小齿， 图中 A、B、C 为定子磁极，每个磁极上有 5个小齿， 下面为转子齿。 表示一个齿距。 下面为转子齿。t 表示一个齿距。8.3 步进电动机 小步距角反应式步进电动机分析： 四、小步距角反应式步进电动机分析：1、动作过程分析： 、动作过程分析： 相加脉冲信号： .A相加脉冲信号： 相加脉冲信号定子齿 A 相下 正对齐，磁阻最小， ? ?转子齿 反应转矩 T = 0, 此时 B相下齿中心线错开1 2 t齿距，C 相下错开 t 齿距。 3 38.3 步进电动机 小步距角反应式步进电动机分析： 四、小步距角反应式步进电动机分析：1、动作过程分析： 、
42、动作过程分析： 相加脉冲信号： .B相加脉冲信号： 相加脉冲信号 反应转矩使 B相磁极下 反应转矩使 相磁极下 定、转子齿正对齐， 转子齿正对齐，1 即相当于转子转过 t 3此时 A、 下各错开 此时 、C 下各错开 1 t31 ，此时转子转过 t9 3相当于“一拍”对应转 子转过 38.3 步进电动机 小步距角反应式步进电动机分析： 四、小步距角反应式步进电动机分析：2、步距角： b 、步距角： 根据每个通电循环(N 拍 根据每个通电循环(N 拍) (N 转子转过一个齿距( 转子转过一个齿距(对 应的机械角度为 = 360 Zr )的原则，可知 的原则，360 =3 ?三相单三拍： b =
43、ZrN ? ?三相单双六拍： = 1.5 b ?（Zr：转子齿，N：一个循环拍数）8.3 步进电动机 小步距角反应式步进电动机分析： 四、小步距角反应式步进电动机分析：2、控制方式： 、控制方式：角度控制：当脉冲 f 低时，每输入一个脉冲， ? ? 定子绕组改变一次通电状态， ? 转子转过一个 b 角； ? ?速度控制：当脉冲 f 高时，形成连续运动， ? ? 60 f （r / min） ，每输入一个脉 ? n = ZrN ? 1 ? ? 冲转子转过 ZrN 转； ?8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：静态运行 ? 步进电动机的运行可分为 ?步进运行 三种运行状态 ?连续运行 ?不
44、同的运行状态具有不同的运行特性。8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：1.静态运行状态： 1.静态运行状态： 静态运行状态 .概念：不改变步进电机通电状态，转子固定于某 该运行状态的特性通过矩角特性来反映。 矩角特性来反映。 矩角特性来反映 .矩角特性： 即 转子静态转矩 失调角 静态转矩与失调角 静态转矩 失调角之间的关系， 一位置时的运行状态。T = f ()8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：1.静态运行状态： 1.静态运行状态： 静态运行状态 .矩角特性：转子静态转矩 失调角 静态转矩与失调角 静态转矩 失调角之间的关系， 即T = f ()静态转矩： 转子静态时受到
45、的转矩，即反应转矩。 ? ?失调角： 转子偏离初始平衡位置（0）时的电角度，即定子齿 ? 与转子齿中心线之间的夹角，用电角度来表示。 ? ? ?电角度： 因控制绕组通电状态变化一个循环，转子正好转过一个 ? 齿，即一个转子齿对应电角度为 360，故将来定、转子 ? ? 齿错开平衡位置的大小可用电角度的大小来描述 ?8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：1.静态运行状态： 1.静态运行状态： 静态运行状态 .矩角特性：T = f ( )静态转矩： ? ?失调角： ?电角度： ?8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：1.静态运行状态： 1.静态运行状态： 静态运行状态 .矩角特性曲
46、线： T = f ( )分析（向右） ?T 的正方向：顺时针方向 正方向规定： ? （向右）? 的正方向：顺时针方向0： T0，即空载。 ? ?090： 当转子加一顺时针方向（向右）的负载转矩时， ? 转子偏离平衡位置 角， 产生切线磁拉力 ? ? ? ? T 方向向右，T0， 和 反向，且 T ? T ?90： 最大 ? ? ? ?90180： 因磁阻 ? 磁力线 ? 磁拉力 ? ? T ? ? ?180： 转子齿处于两定子齿中间，受左右两个定子齿 ? ? 的磁拉力相等，T0 ?180： 转子齿受左边定子齿的磁拉力作用，T0，此 ? ? 时转齿相对于另一齿 ? 1800的位置 ?实践表明静转
47、矩与失 调角的关系为： T = ?C sin ，近似为一正弦曲线。如图。 其中：C 为常数，与控制绕组、控制电流、磁阻等有关8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：1.静态运行状态： 1.静态运行状态： 静态运行状态.特点：T 0，即 T总是和 反向，使转子趋向平衡位置 ? ?T 0， 0，即 T总是和 反向，使转子趋向平衡位置 ? ?T 0， 0.结论： 结论 为静稳定运行区， = 0 为稳定点。 ? ?Tmax 为最大静转矩 ? 反应了步进电机承受负载的能力。8.3 步进电动机 运行特性： 五、运行特性：1.静态运行状态： 1.静态运行状态： 静态运行状态 2.步进运行状态： 2.步进运行状态： 步进运行状态 概念： . 概念： 当脉冲频率较低时，加一个脉冲，转子走完一步， 当脉冲频率较低时，加一个脉冲，转子走完一步， 达到新的平衡位置以后，再加第二个脉冲， 达到新的平衡位置以后，再加第二个脉冲，走第二 步，电机呈现出一转一停的状态，这种运行状态 ，电机呈现出一转一停的状态， 称为步进运行状态. 称为步进运行状态.。 该运行状态的特性通过动稳定区概念来反映。 该运行状态的特性通过动稳定区概念来反映。 动稳定区概念来反
