常用電機(jī)與控制—步進(jìn)電機(jī),伺服電機(jī)

1、常用電機(jī)與控制一步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)隨著生產(chǎn)過(guò)程機(jī)械化、電氣化和自動(dòng)化的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了各種類型的特種電動(dòng)機(jī)。這些電動(dòng)機(jī)的工作原理，一般與普通的異步電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的基本原理近似，但是它們?cè)谛阅?、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝上各有其特殊性，多用于自動(dòng)控制過(guò)程中。一般來(lái)說(shuō)，這些電動(dòng)機(jī)的功率不大，小的只有幾分之一瓦，大的也不過(guò)幾十瓦或幾百瓦，屬于微型電動(dòng)機(jī)的范圍。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般電動(dòng)機(jī)都是連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而步進(jìn)電動(dòng)卻是一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)的，故叫步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。每輸入一個(gè)沖信號(hào)，該電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度（有的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以直接輸出線位移，稱為直線電動(dòng)機(jī)）。因此步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種把脈沖變?yōu)榻嵌任灰疲ɑ蛑本€位移）的執(zhí)行元件。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的

2、轉(zhuǎn)子為多極分布，定子上嵌有多相星形連接的控制繞組，由專門電源輸入電脈沖信號(hào)，每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就前進(jìn)一步。由于輸入的是脈沖信號(hào)，輸出的角位移是斷續(xù)的，所以又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。隨著數(shù)字控制系統(tǒng)的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用將逐漸擴(kuò)大。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類很多，按結(jié)構(gòu)可分為反應(yīng)式和激勵(lì)式兩種；按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。（原文件名：圖1反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖MCU060019_01.gif）引用圖片圖1是反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，它的定子具有均勻分布的六個(gè)磁極，磁極上繞有繞組。兩個(gè)相對(duì)的磁極組成一組，聯(lián)法如圖所示。下面介紹反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單三拍、六拍及雙三拍通電方式的基本原

3、理。一、單三拍通電方式的基本原理設(shè)A相首先通電（B、C兩相不通電），產(chǎn)生A-A'軸線方向的磁通，并通過(guò)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。這時(shí)AA極就成為電磁鐵的N、S極。在磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子總是力圖轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置，也就是要轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子的齒對(duì)齊A、A極的位置（圖2a）;接著B相通電（A、C兩相不通電），轉(zhuǎn)了便順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)30?,它的齒和GC'極對(duì)齊（圖2c）。不難理解，當(dāng)脈沖信號(hào)一個(gè)一個(gè)發(fā)來(lái)時(shí)，如果按A?C?B?A?,順序通電，則電機(jī)轉(zhuǎn)子便逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。這種通電方式稱為單三拍方式。uja*11411口招詼也tocfuiafu（原文件名：圖2單三拍通電方式時(shí)轉(zhuǎn)子的位置MCU060019_02.

4、gif）引用圖片二、六拍通電方式的基本原理設(shè)A相首先通電，轉(zhuǎn)子齒與定子A、AXt齊（圖3a）o然后在A相繼續(xù)通電的情況下接通B相。這時(shí)定子B、B'極對(duì)"$子齒2、4產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，但是A、A極繼續(xù)拉住齒1、3,因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩個(gè)磁拉力平衡為止。這時(shí)轉(zhuǎn)子的位置如圖3b所示，即*$子從圖（a）位置順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)了15?。接著A相斷電，B相繼續(xù)通電。這時(shí)轉(zhuǎn)子齒2、4和定子B、B'極對(duì)齊（圖c）,轉(zhuǎn)子從圖（b）的位置又轉(zhuǎn)過(guò)了15?。其位置如圖3d所示。這樣，如果按A?AB?B?BC?C?CA?A,的順序輪流通電，則轉(zhuǎn)子便順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊降剞D(zhuǎn)動(dòng)，步距角15?。電

5、流換接六次，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進(jìn)了一個(gè)齒距角。如果按A?AC?C?CB?B?BA?A,的順序通電，則電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。這種通電方式稱為六拍方式。（原文件名：圖3六拍通電時(shí)轉(zhuǎn)子位置MCU060019_03.gif）引用圖片a.A相通電b.A、B相通電c.B相通電d.B、C相通電三、雙三拍通電方式的基本原理如果每次都是兩相通電，即按A、B?BC?CA?AB?,的順序通電，則稱為雙三拍方式，從圖3b,和圖3d可見，步距角也是30?。因此，采用單三拍和雙三拍方式時(shí)轉(zhuǎn)子走三步前進(jìn)了一個(gè)齒距角，每走一步前進(jìn)了三分之一齒距角；采用六拍方式時(shí)，轉(zhuǎn)子走六步前進(jìn)了一個(gè)齒距角，每走一步前進(jìn)了六分之一齒距角。

6、因此步距角9可用下式計(jì)算：9,360?/Zrxm式中Zr是轉(zhuǎn)子齒數(shù)；m是運(yùn)行拍數(shù)一般步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最常見的步距角是3?或1（5?。由上式可知，轉(zhuǎn)子上不只4個(gè)齒（齒距角90?）,而有40個(gè)齒（齒距角為9?）。為了使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對(duì)齊，兩者的齒寬和齒距必須相等。因此，定子上除了6個(gè)極以外，在每個(gè)極面上還有5個(gè)和轉(zhuǎn)子齒一樣的小齒。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。（原文件名：圖4三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖MCU060019_04.gif）引用圖片由上面介紹可知，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、精確度高、起動(dòng)靈敏、停車準(zhǔn)確等性能。止匕外，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于電脈沖頻率，并與頻率同步。四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)

7、電源步進(jìn)電動(dòng)機(jī)需配置一個(gè)專用的電源供電，電源的作用是讓電動(dòng)機(jī)的控制繞組按照特定的順序通電，即受輸入的電脈沖控制而動(dòng)作，這個(gè)專用電源稱為驅(qū)動(dòng)電源。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電源是一個(gè)互相聯(lián)系的整體，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能是由電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電源兩者配合所形成的綜合效果。1、對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的基本要求(1)驅(qū)動(dòng)電源的相數(shù)、通電方式和電壓、電流都工滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的需要；(2)要滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率的要求；(3)能最大限度地抑制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩；4)工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)；(5)成本低、效率高、安裝和維護(hù)方便。2、驅(qū)動(dòng)電源的組成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源基本上由脈沖發(fā)生器、脈沖分配器和脈沖放大器(也稱功率放大器)

8、三部分組成，如圖5所示(原文件名：圖5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的方框圖MCU060019_05.gif)引用圖片(1)脈沖發(fā)生器脈沖發(fā)生器是一個(gè)脈沖頻率由幾赫到幾十千赫可連續(xù)變化的脈沖信號(hào)發(fā)生器。脈沖發(fā)生器可以采用多種線路，最常見的有多諧振蕩器和單結(jié)晶體管構(gòu)成的張弛振蕩器兩種，它們都是通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R和電容C的大小來(lái)改變電容器充放電的時(shí)間常數(shù)，以達(dá)到改變脈沖信號(hào)頻率的目的。圖6是兩種實(shí)用的多諧振蕩電路，它們分別由反相器和非門構(gòu)成，振蕩頻率由RC決定，改變R值即可改變脈沖頻率。(原文件名：圖6脈沖發(fā)生器實(shí)用電器MCU060019_06.gif)不同接法可以組成三相雙三拍和三相六拍的不同工作方式，如圖引用

9、圖片引用圖片（2）脈沖分配器脈沖分配器中由門電路和雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的邏輯電路，它根據(jù)指令把脈沖信號(hào)按一定的邏輯關(guān)系加在脈沖放大器上，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按確定的運(yùn)行方式工作。下面著重介紹CH25/形脈沖分配器。CH25CM形脈沖分配器是三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的理想脈沖分配器，通過(guò)其控制端的7、圖8所示（原文件名：圖7CH250三相雙三拍接法MCU060019_07.gif）（原文件名：圖8CH250三相六拍接法MCU060019_08.gif）引用圖片J3r、J3L兩端子是三相雙三拍的控制端，J6r、J6L是三相六拍的控制端，三相雙三拍工作時(shí)，若J3r,“1"，而J3L,“0”，則電機(jī)正轉(zhuǎn)；若3，“

10、0”，J3LJT,則電機(jī)反轉(zhuǎn)；三相六拍供電時(shí)，若J6r,“1”，J6L,“0”，則電機(jī)正轉(zhuǎn)；若J6r,“0”，J6L,“1"，電機(jī)反轉(zhuǎn)。R2是雙三拍的復(fù)位端，R1是六拍的復(fù)位端，使用時(shí)，首先將其對(duì)應(yīng)復(fù)位端接入高電平，使其進(jìn)入工作狀態(tài)，然后換接到工作位置。CL端是時(shí)鐘脈沖輸入端，EN是時(shí)鐘脈沖允許端，用以控制時(shí)鐘脈沖的允許與否。當(dāng)脈沖CP由CL端輸入，只有EN端為高電平時(shí)，時(shí)鐘脈沖的上升沿才起作用。CH25地允許以EN®作月沖CP的輸入端，此時(shí)，只有CL為低電平時(shí)，時(shí)鐘脈沖的下降沿才起作用。A0、BRC0為環(huán)形分配器的三個(gè)輸出端，經(jīng)過(guò)脈沖放大器（功率放大器）后分別接到步進(jìn)電動(dòng)

11、機(jī)的三相線上。CH25CM形脈沖分配器的功能關(guān)系如表1所列工CLJlrZ5LI六柏正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)00r."L0aa0i00i雙三拍正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)»0工-1LIcaiaa00六拍反轉(zhuǎn)11c00j001正反轉(zhuǎn)*111qa100（原文件名：CH250環(huán)形脈沖分配器的功能關(guān)系.jpg）引用圖片（3）脈沖放大器（功率放大器）由于脈沖分配器輸出端A0B0、C0的輸出電流很小，如CH250永沖分配器的輸出電流大約為200-400NA,而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流較大，如75BF001型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每相靜態(tài)電流為3A,為了滿足驅(qū)動(dòng)要求，脈沖分配器輸出的脈沖需經(jīng)脈沖放大器（即功率放大器）后才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。圖9

12、是一個(gè)實(shí)用的脈沖放大電路，圖中使用三級(jí)晶體管放大，第一級(jí)用3DG&、功率管，第二級(jí)用3DK4中功率管，第三0（原文件名：圖9脈沖放大器實(shí)用電路 MCU060019_09.gif）（原文件名：圖10高低壓切換驅(qū)動(dòng)電源的原理圖MCU060019_10.gif）引用圖片圖9所示電路是單電壓型驅(qū)動(dòng)電源，它的特點(diǎn)是：線路簡(jiǎn)單，電阻R6與控制繞組串聯(lián)后，可以減小回路的時(shí)間常數(shù)；但是由于R6上要消耗功率，使電源的效率降低，用這種電源供電的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和運(yùn)行頻率都不會(huì)太高。為了提高電源效率及工作頻率，可采用高、低壓切換型電源，其原理如圖10所示。高壓供電是用來(lái)加速電流的增長(zhǎng)速度，而低壓是用來(lái)維持穩(wěn)

13、定的電流值。低壓電源中串聯(lián)一個(gè)數(shù)值較小的電阻，其目的是為了調(diào)節(jié)控制繞組的電流，使各相電流平衡。伺服電動(dòng)機(jī)又叫執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，或叫控制電動(dòng)機(jī)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，伺服電動(dòng)機(jī)是一個(gè)執(zhí)行元件，它的作用是把信號(hào)（控制電壓或相位）變換成機(jī)械位移，也就是把接收到的電信號(hào)變?yōu)殡姍C(jī)的一定轉(zhuǎn)速或角位移。其容量一般在0.1-100W,常用的是30W以下。伺服電動(dòng)機(jī)有直流和交流之分。一、交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電動(dòng)機(jī)相似，如圖1所示。其定子上裝有兩個(gè)位置互差90?的繞組，一個(gè)是勵(lì)磁繞組Rf，它始終接在交流電壓Uf上；另一個(gè)是控制繞組L,聯(lián)接控制信號(hào)電壓Uco所以交流伺服電動(dòng)機(jī)又稱兩

14、個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)。交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電動(dòng)機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍、線性的機(jī)械特性，無(wú)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應(yīng)的性能，它與普通電動(dòng)機(jī)相比，應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小這兩個(gè)特點(diǎn)。目前應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式:一種是采用高電阻率的導(dǎo)電材料做成的高電阻率導(dǎo)條的鼠籠轉(zhuǎn)子，為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)子做得細(xì)長(zhǎng);另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉(zhuǎn)子，杯壁很薄，僅0.2-0.3mm，為了減小磁路的磁阻，要在空心杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)放置固定的內(nèi)定子，如圖2所示?？招谋无D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，反應(yīng)迅速，而且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此被廣泛采用。（原文件名：圖2空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)MCU060020_02.

15、gif）引用圖片交流伺服電動(dòng)機(jī)在沒(méi)有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)只有勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)。當(dāng)有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)便產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)，在負(fù)載恒定的情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小而變化，當(dāng)控制電壓的相位相反時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)將反轉(zhuǎn)。交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與分相式單相異步電動(dòng)機(jī)雖然相似，但前者的轉(zhuǎn)子電阻比后者大得多，所以伺服電動(dòng)機(jī)與單機(jī)異步電動(dòng)機(jī)相比，有三個(gè)顯著特點(diǎn)：、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大1由于轉(zhuǎn)子電阻大，具轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖3中曲線1所示，與普通異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線2相比，有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率S0,1,這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性（機(jī)械特性）更接近于線性，而且具有較大的

16、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此，當(dāng)定子一有控制電壓，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有起動(dòng)快、靈敏度高的特點(diǎn)。（原文件名：圖3伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性MCU060020_03.gif）引用圖片2、運(yùn)行范圍較寬如圖3所示，較差率S在0到1的范圍內(nèi)伺服電動(dòng)機(jī)都能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。3、無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象正常運(yùn)轉(zhuǎn)的伺服電動(dòng)機(jī)，只要失去控制電壓，電機(jī)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)失去控制電壓后，它處于單相運(yùn)行狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子電阻大，定子中兩個(gè)相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個(gè)轉(zhuǎn)矩特性（T1,S1、T2,S2曲線）以及合成轉(zhuǎn)矩特性（t,s曲線）如圖4所示，與普通的單相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性（圖中r,S（原文件名：圖4伺服電動(dòng)機(jī)單相運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩特性MCU

17、060020_04.gif）引用圖片圖5是伺服電動(dòng)機(jī)單相運(yùn)行時(shí)的機(jī)械特性曲線。負(fù)載一定時(shí)，控制電壓Uc愈高，轉(zhuǎn)速也愈高，在控制電壓一定時(shí)，負(fù)載增加，轉(zhuǎn)速下降。II（原文件名：圖5伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性MCU060020_05.gif）引用圖片交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率一般是0.1-100W。當(dāng)電源頻率為50Hz,電壓有36V、110M220、380V;當(dāng)電源頻率為400Hz,電壓有20V、26V、36V、115V等多種。交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小。但控制特性是非線性，并且由于轉(zhuǎn)子電阻大，損耗大，效率低，因此與同容量直流伺服電動(dòng)機(jī)相比，體積大、重量重，所以只適用于0.5-100W的小功率控制系統(tǒng)。二、直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和一般直流電動(dòng)機(jī)一樣，只是為了減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量而做得細(xì)長(zhǎng)一些。它的勵(lì)磁繞組和電樞分別由兩個(gè)獨(dú)立電源供電。也有永磁式的，即磁極是永久磁鐵。通常采用電樞控制，就是勵(lì)磁電壓f一定，建立的磁通量也是定值，而將控制電壓Uc加在電樞上，其接線圖如圖6所示。（原文件名：圖6直流伺服電動(dòng)機(jī)接線圖MCU060020_06.gif）引用圖片直