項(xiàng)目5 特殊電動(dòng)機(jī)控制線路的安裝與調(diào)試（教材）

1、項(xiàng)目五項(xiàng)目五 特殊電動(dòng)機(jī)控制線路的安裝與調(diào)試特殊電動(dòng)機(jī)控制線路的安裝與調(diào)試項(xiàng)目概述 特種電機(jī)通常指的是結(jié)構(gòu)、性能、用途或原理等與常規(guī)電機(jī)不同，且體積和輸出功率較小的微型電機(jī)或特種精密電機(jī)，一般其外徑不大于 130mm。特種電機(jī)可以分為驅(qū)動(dòng)用特種電機(jī)和控制用特種電機(jī)兩大類，前者主要用來(lái)驅(qū)動(dòng)各種機(jī)構(gòu)、儀表以及家用電器等；后者是在自動(dòng)控制系統(tǒng)中傳遞、變換和執(zhí)行控制信號(hào)的小功率電機(jī)的總稱，用作執(zhí)行元件或信號(hào)元件?？刂朴玫奶胤N電機(jī)分為測(cè)量元件和執(zhí)行元件。測(cè)量元件包括旋轉(zhuǎn)變壓器，交、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)等；執(zhí)行元件主要有交、直流伺服電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。5.1 伺服電動(dòng)機(jī)控制線路的安裝與調(diào)試伺服電動(dòng)機(jī)在自動(dòng)控制

2、系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，用于將輸入的控制電壓轉(zhuǎn)換成電機(jī)轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出，伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向隨著控制電壓的大小和極性的改變而改變。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的性能有如下要求：1調(diào)速范圍寬。2機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性為線性。3無(wú)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。4快速響應(yīng)。伺服電動(dòng)機(jī)有直流和交流兩大類。直流伺服電動(dòng)機(jī)輸出功率較大，交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率較小。5.1.1 直流伺服電動(dòng)機(jī)1結(jié)構(gòu)直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和原理與普通直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理沒(méi)有根本區(qū)別。按照勵(lì)磁方式的不同，直流伺服電動(dòng)機(jī)分為永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)和電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)。永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)的磁極由永久磁鐵制成，不需要?jiǎng)?lì)磁繞組和勵(lì)磁電源。電磁式直

3、流伺服電動(dòng)機(jī)一般采用他勵(lì)結(jié)構(gòu)，磁極由勵(lì)磁繞組構(gòu)成，通過(guò)單獨(dú)的勵(lì)磁電源供電。按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，直流伺服電動(dòng)機(jī)分為空心杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)和無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)。空心杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)由于其力能指標(biāo)較低，現(xiàn)在已很少采用。無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是直徑較小的細(xì)長(zhǎng)型圓柱鐵芯，通過(guò)耐熱樹(shù)脂將電樞繞組固定在鐵芯上，具有散熱好、力能指標(biāo)高、快速性好的特點(diǎn)。2控制方式直流電動(dòng)機(jī)的控制方式有兩種：一種稱為電樞控制，在電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組上加上恒壓勵(lì)磁，將控制電壓作用于電樞繞組來(lái)進(jìn)行控制；一種稱為磁場(chǎng)控制，在電動(dòng)機(jī)的電樞繞組上施加恒壓，將控制電壓作用于勵(lì)磁繞組來(lái)進(jìn)行控制。由于電樞控制的特性好，電樞控制中

4、回路電感小，響應(yīng)快，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中多采用電樞控制。（1）電樞控制方式下的工作原理與特性在電樞控制方式下，作用于電樞的控制電壓為 Uc，勵(lì)磁電壓 Uf保持不變，如圖 5.1 所示。圖 5.1電樞控制的直流伺服電動(dòng)機(jī)原理圖直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式為：TnTCCRCUnTeaec02 （5-1）式中，Ce為電勢(shì)常數(shù)；CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)；Ra為電樞回路電阻。由于直流伺服電動(dòng)機(jī)的磁路一般不飽和，我們可以不考慮電樞反應(yīng)，認(rèn)為主磁通 大小不變。伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，指控制電壓一定時(shí)轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩變化的關(guān)系。當(dāng)作用于電樞回路的控制電壓 Uc不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩 T 增大時(shí)轉(zhuǎn)速 n 降低，轉(zhuǎn)矩的增加與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降成正

5、比，轉(zhuǎn)矩 T 與轉(zhuǎn)速 n 之間成線性關(guān)系，不同控制電壓作用下的機(jī)械特性如圖 32a 所示。a) b)圖 5.2 直流伺服電動(dòng)機(jī)的特性a)機(jī)械特性；b)調(diào)節(jié)特性伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性是指在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速隨控制電壓變化的關(guān)系。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩 T 不變時(shí)，控制電壓的增加與轉(zhuǎn)速的增加成正比，轉(zhuǎn)速 n 與控制電壓 Uc也成線性關(guān)系。不同轉(zhuǎn)矩時(shí)的調(diào)節(jié)特性如圖 32b 所示。由圖可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速 n0 時(shí)，不同轉(zhuǎn)矩 T 所需要的控制電壓 Uc也是不同的，只有當(dāng)電樞電壓大于這個(gè)電壓值，電動(dòng)機(jī)才會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)特性與橫軸的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓值稱始動(dòng)電壓。負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL不同時(shí)，始動(dòng)電壓也不同，TL越大，始動(dòng)

6、電壓越高，死區(qū)越大。負(fù)載越大，死區(qū)越大，伺服電機(jī)不靈敏，所以不可帶太大負(fù)載。直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，調(diào)整范圍大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，效率高。缺點(diǎn)是電樞電流較大；電刷和換向器維護(hù)工作量大；接觸電阻不穩(wěn)定；電刷與換向器之間的火花有可能對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。5.1.2 交流伺服電動(dòng)機(jī)1. 結(jié)構(gòu)交流伺服電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上類似于單相異步電動(dòng)機(jī)，它的定子鐵心中安放著空間相差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，要求兩相電壓要同頻率。交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)形式。一種是籠型轉(zhuǎn)子，與普通三相異步電動(dòng)機(jī)籠型轉(zhuǎn)子相似

7、，只不過(guò)在外形上更細(xì)長(zhǎng)，從而減小了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，降低了電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)?；\型轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)體積較大，氣隙小，所需的勵(lì)磁電流小，功率因數(shù)較高，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度大，但快速響應(yīng)性能稍差，低速運(yùn)行也不夠平穩(wěn)。另一種是非磁性空心杯形轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)子做成了杯形結(jié)構(gòu)，為了減小氣隙，在杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)還有一個(gè)內(nèi)定子，內(nèi)定子上不設(shè)繞組，只起導(dǎo)磁作用，轉(zhuǎn)子用鋁或鋁合金制成，杯壁厚0.20.8mm，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小且具有較大的電阻，空心杯轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5.3 所示。杯型轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)具有響應(yīng)快、運(yùn)行平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣隙大，空載電流大，功率因數(shù)較低。圖 5.3 空心杯轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意

8、圖2. 工作原理交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理示意圖如圖 34 所示。圖 5.4交流伺服電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖交流伺服電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組和控制繞組在空間位置上相差 90 電角度，工作時(shí)，勵(lì)磁繞組通入恒定交流電壓，控制繞組由伺服放大器供電通入控制電壓，兩個(gè)電壓的頻率相同，并且在相位上也相差 90 電角度。這樣，兩個(gè)繞組共同作用在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下會(huì)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流，轉(zhuǎn)子電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。由所學(xué)知識(shí)可知，在單相異步電動(dòng)機(jī)中，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)以后，斷開(kāi)起動(dòng)繞組，電動(dòng)機(jī)仍然能夠轉(zhuǎn)動(dòng)。如果在交流伺服電動(dòng)機(jī)中，控制繞組斷開(kāi)后，電動(dòng)機(jī)仍然轉(zhuǎn)動(dòng)，那么

9、伺服電動(dòng)機(jī)就處于“自轉(zhuǎn)”狀態(tài)，這是伺服電動(dòng)機(jī)所不能允許的。 如何消除伺服電動(dòng)機(jī)的“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象呢？只需要增加伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻就可以了。當(dāng)控制繞組斷開(kāi)后，只有勵(lì)磁繞組起到勵(lì)磁作用，單相交流繞組產(chǎn)生的是一個(gè)脈振磁場(chǎng)，脈振磁場(chǎng)可以分解為兩個(gè)方向相反大小相同的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻較?。ㄅR界轉(zhuǎn)差率Sm1）時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖 5.5a 所示，曲線 T+為正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下的機(jī)械特性，曲線 T為反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下的機(jī)械特性，曲線 T 為合成機(jī)械特性曲線，可以看出，電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速的方向相同，電動(dòng)機(jī)仍然能夠轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻較大（Sm1）時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖 5.5b 所示，曲線 T 為

10、合成機(jī)械特性曲線，可以看出，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的方向相反，在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，電動(dòng)機(jī)能夠迅速地停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而消除了交流伺服電動(dòng)機(jī)的“自轉(zhuǎn)”。圖 5.5交流電動(dòng)機(jī)單相勵(lì)磁時(shí)的機(jī)械特性a) Sm1 時(shí)的機(jī)械特性；b) Sm1 時(shí)機(jī)械特性3. 控制方法在交流伺服電動(dòng)機(jī)中，除了要求電動(dòng)機(jī)不能“自轉(zhuǎn)”外，還要求改變加在控制繞組上的電壓的大小和相位，能夠改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的大小和方向。根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)理論，勵(lì)磁繞組和控制繞組共同作用產(chǎn)生的是一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向是由相位超前的那一相繞組轉(zhuǎn)向相位滯后的那一相繞組。改變控制繞組中控制電壓的相位，可以改變兩相繞組的超前滯后關(guān)系，從而改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向，交流伺

11、服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方向也會(huì)發(fā)生變化。改變控制電壓的大小和相位，可以改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁通，從而改變電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也會(huì)發(fā)生變化。交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法有幅值控制、相位控制和幅相控制三種：（1）幅值控制幅值控制是通過(guò)改變控制電壓cU的幅值來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而cU的相位始終保持不變，使控制電流cI與勵(lì)磁電流fI保持 90 電角度的相位關(guān)系。如cU=0，則轉(zhuǎn)速為 0，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。幅值控制的接線如圖 5.6 所示。圖 5.6幅值控制和相位控制方式接線圖（2）相位控制相位控制是通過(guò)改變控制電壓cU的相位。從而改變控制電流cI與勵(lì)磁電流fI之間的相位角來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，在這種情況下，控制電壓

12、cU的大小保持不變。當(dāng)兩相電流cI與fI之間的相位角為 00時(shí)，則轉(zhuǎn)速為 0，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。（3）幅相控制幅相控制是指通過(guò)同時(shí)改變控制電壓cU的幅值及cI與fI之間的相位角來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。具體方法是在勵(lì)磁繞組回路中串入一個(gè)移相電容 C 以后，再接到穩(wěn)壓電源1U上，這時(shí)勵(lì)磁繞組上的電壓fU=1UcfU，如圖 5.7 所示?？刂评@組上加與1U相同的控制電壓cU，那么當(dāng)改變控制電壓cU的幅值來(lái)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，由于轉(zhuǎn)子繞組與勵(lì)磁繞組之間的耦合作用，勵(lì)磁繞組的電流fI也隨著轉(zhuǎn)速的變化而發(fā)生變化，而使勵(lì)磁繞組兩端的電壓fU及電容 C 上的電壓cfU也隨之變化。這樣改變cU幅值的結(jié)果使cU、fU的幅值、它

13、們之間的相位角以及相應(yīng)電流cI、fI之間相位角也都發(fā)生變化，如圖 5.8 所示，所以屬于幅值和相位復(fù)合控制方式。當(dāng)控制電壓cU0 時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為 0，使電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn) 圖 5.7幅相控制的接線圖 圖 5.8幅相控制時(shí)的相量圖在這一種控制方式中，勵(lì)磁回路中所接的電容在選擇時(shí)要盡量使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)兩相繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)大小相等、相位差為 90，以保證電動(dòng)機(jī)有良好的起動(dòng)性能。在三種控制方法中，雖然幅相控制的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性最差，但由于這種方法所采用的控制設(shè)備簡(jiǎn)單，不用移相裝置，應(yīng)用最為廣泛。5.1.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)中伺服電機(jī)的故障檢修案例三相交流伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)用廣泛，但通過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行后，會(huì)發(fā)生各種故障，

14、及時(shí)判斷故障原因，進(jìn)行相應(yīng)處理，是防止故障擴(kuò)大，保證設(shè)備正常運(yùn)行的一項(xiàng)重要的工作。 1通電后電動(dòng)機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)，但無(wú)異響，也無(wú)異味和冒煙。 （1）故障原因電源未通（至少兩相未通） ；熔絲熔斷（至少兩相熔斷） ；過(guò)流繼電器調(diào)得過(guò)??；控制設(shè)備接線錯(cuò)誤。 （2）故障排除檢查電源回路開(kāi)關(guān)，熔絲、接線盒處是否有斷點(diǎn)，修復(fù)；檢查熔絲型號(hào)、熔斷原因，換新熔絲；調(diào)節(jié)繼電器整定值與電動(dòng)機(jī)配合；改正接線。 2通電后電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)有嗡嗡聲 （l）故障原因轉(zhuǎn)子繞組有斷路（一相斷線）或電源一相失電；繞組引出線始末端接錯(cuò)或繞組內(nèi)部接反；電源回路接點(diǎn)松動(dòng)，接觸電阻大；電動(dòng)機(jī)負(fù)載過(guò)大或轉(zhuǎn)子卡?。浑娫措妷哼^(guò)低；小型電動(dòng)機(jī)裝配太緊或軸承

15、內(nèi)油脂過(guò)硬；軸承卡住。 （2）故障排除查明斷點(diǎn)予以修復(fù)；檢查繞組極性；判斷繞組末端是否正確；緊固松動(dòng)的接線螺絲，用萬(wàn)用表判斷各接頭是否假接，予以修復(fù)；減載或查出并消除機(jī)械故障，檢查是否把規(guī)定的面接法誤接；是否由于電源導(dǎo)線過(guò)細(xì)使壓降過(guò)大，予以糾正，重新裝配使之靈活；更換合格油脂；修復(fù)軸承。 3電動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難，額定負(fù)載時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速較多 (1) 故障原因：電源電壓過(guò)低；面接法電機(jī)誤接；轉(zhuǎn)子開(kāi)焊或斷裂；轉(zhuǎn)子局部線圈錯(cuò)接、接反；修復(fù)電機(jī)繞組時(shí)增加匝數(shù)過(guò)多；電機(jī)過(guò)載。 (2) 故障排除：測(cè)量電源電壓，設(shè)法改善；糾正接法；檢查開(kāi)焊和斷點(diǎn)并修復(fù)；查出誤接處，予以改正；恢復(fù)正確匝數(shù)；減載。 4電動(dòng)

16、機(jī)空載電流不平衡，三相相差大 （1）故障原因：繞組首尾端接錯(cuò)；電源電壓不平衡；繞組存在匝間短路、線圈反接等故障。 （2）故障排除：檢查并糾正；測(cè)量電源電壓，設(shè)法消除不平衡；消除繞組故障。 5電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)響聲不正常，有異響 （1）故障原因：軸承磨損或油內(nèi)有砂粒等異物；轉(zhuǎn)子鐵芯松動(dòng)；軸承缺油；電源電壓過(guò)高或不平衡。 （2）故障排除：更換軸承或清洗軸承；檢修轉(zhuǎn)子鐵芯；加油；檢查并調(diào)整電源電壓。 6運(yùn)行中電動(dòng)機(jī)振動(dòng)較大 （1） 故障原因：由于磨損軸承間隙過(guò)大；氣隙不均勻；轉(zhuǎn)子不平衡；轉(zhuǎn)軸彎曲；聯(lián)軸器（皮帶輪）同軸度過(guò)低。 （2）故障排除：檢修軸承，必要時(shí)更換；調(diào)整氣隙，使之均勻；校正轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡；校直轉(zhuǎn)

17、軸；重新校正，使之符合規(guī)定。 7軸承過(guò)熱 （1）故障原因：滑脂過(guò)多或過(guò)少；油質(zhì)不好含有雜質(zhì)；軸承與軸頸或端蓋配合不當(dāng)（過(guò)松或過(guò)緊） ；軸承內(nèi)孔偏心，與軸相擦；電動(dòng)機(jī)端蓋或軸承蓋未裝平；電動(dòng)機(jī)與負(fù)載間聯(lián)軸器未校正，或皮帶過(guò)緊；軸承間隙過(guò)大或過(guò)??；電動(dòng)機(jī)軸彎曲。 （2）故障排除：按規(guī)定加潤(rùn)滑脂（容積的 1/3-2/3） ；更換清潔的潤(rùn)滑滑脂；過(guò)松可用粘結(jié)劑修復(fù)，過(guò)緊應(yīng)車，磨軸頸或端蓋內(nèi)孔，使之適合；修理軸承蓋，消除擦點(diǎn)；重新裝配；重新校正，調(diào)整皮帶張力；更換新軸承；校正電機(jī)軸或更換轉(zhuǎn)子。 8電動(dòng)機(jī)過(guò)熱甚至冒煙 （1）故障原因：電源電壓過(guò)高；電源電壓過(guò)低，電動(dòng)機(jī)又帶額定負(fù)載運(yùn)行，電流過(guò)大使繞組發(fā)熱；

18、修理拆除繞組時(shí)，采用熱拆法不當(dāng)，燒傷鐵芯；電動(dòng)機(jī)過(guò)載或頻繁起動(dòng)；電動(dòng)機(jī)缺相，兩相運(yùn)行；重繞后定于繞組浸漆不充分；環(huán)境溫度高電動(dòng)機(jī)表面污垢多，或通風(fēng)道堵塞； （2）故障排除：降低電源電壓（如調(diào)整供電變壓器分接頭） ；提高電源電壓或換粗供電導(dǎo)線；檢修鐵芯，排除故障；減載；按規(guī)定次數(shù)控制起動(dòng)；恢復(fù)三相運(yùn)行；采用二次浸漆及真空浸漆工藝；清洗電動(dòng)機(jī)，改善環(huán)境溫度，采用降溫措施；5.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制線路的安裝與調(diào)試步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的電動(dòng)機(jī)，每當(dāng)一個(gè)電脈沖加到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制繞組上時(shí)，它的軸就轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，角位移量與電脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。在數(shù)

19、字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)常用作執(zhí)行元件。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按照勵(lì)磁方式分為磁阻式（又稱為反應(yīng)式） 、永磁式和混磁式三種；按相數(shù)分為單相、兩相、三相和多相等形式。下面以三相磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例，介紹步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。5.2.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)三相磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)模型的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 5.9 所示。它的定、轉(zhuǎn)子鐵心都由硅鋼片疊壓而成。定子上有六個(gè)磁極，每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的磁極上有同一相控制繞組，同一相控制繞組可以并聯(lián)或串聯(lián)；轉(zhuǎn)子鐵心上沒(méi)有繞組，只有四個(gè)齒，齒寬等于極靴寬。圖 5.9 三相磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)模型的結(jié)構(gòu)示意圖5.2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理三相磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理圖如圖 5.10 所示。當(dāng)

20、 U 相控制繞組通電，V、W 兩相控制繞組不通電時(shí)，由于磁力線總是通過(guò)磁阻最小的路徑閉合，轉(zhuǎn)子將受到磁阻轉(zhuǎn)矩的作用，使轉(zhuǎn)子齒 1 和 3 與定子 U 相磁級(jí)軸線對(duì)齊，如圖 5.10a 所示。此時(shí)磁力線所通過(guò)的磁路磁阻最小，磁導(dǎo)最大，轉(zhuǎn)子只受徑向力而無(wú)切向力作用，轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng) V 相控制繞組通電，U、W 兩相控制繞組不通電時(shí)，與 V 相磁極最近的轉(zhuǎn)子齒 2 和 4 會(huì)旋轉(zhuǎn)到與 V相磁極相對(duì)，轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò) 30，如圖 5.10b 所示。當(dāng) W 相控制繞組通電，U、V 兩相控制繞組不通電，與 W 相磁極最近的轉(zhuǎn)子齒 1 和 3 會(huì)旋轉(zhuǎn)到與 W 相磁極相對(duì)，轉(zhuǎn)子再次順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò) 30，如圖 5.1

21、0c 所示。這樣按 UVWU 的順序輪流給各相控制繞組通電，轉(zhuǎn)子就會(huì)在磁阻轉(zhuǎn)矩的作用下按順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊降霓D(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于繞組變換通電狀態(tài)的頻率，即輸入脈沖的頻率，旋轉(zhuǎn)方向取決于控制繞組輪流通電的順序，若通電順序?yàn)?UWVU，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反向旋轉(zhuǎn)?？刂评@組從一種通電狀態(tài)變換到另一種通電狀態(tài)叫做“一拍”，每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角 b。圖 5.10 三相磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)模型單三拍控制時(shí)的工作原理上面的通電方式的特點(diǎn)是，每次只有一相控制繞組通電，切換三次為一個(gè)循環(huán)，稱為三相單三拍控制方式。三相單三拍控制方式由于每次只有一相通電，轉(zhuǎn)子在平衡位置附近來(lái)回?cái)[動(dòng)，運(yùn)行不穩(wěn)定，很少采用。三

22、相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)除了單三相控制方式外，還有三相雙三拍控制方式和三相單、雙六拍控制方式。三相雙三拍控制的通電順序?yàn)?UVVWWUUV，每次有兩相繞組同時(shí)通電，每一循環(huán)也需要切換三次，步距角與三相單三拍控制方式相同，也為 30。三相單、雙六拍控制方式的通電順序?yàn)?UUVVVWWWUU，首先 U 相通電，然后 U、V 兩相同時(shí)通電，再斷開(kāi) U 相使 V 相單獨(dú)通電，再使 V、W 兩相同時(shí)通電，等等，依此順序不斷輪流通電，完成一次循環(huán)需要六拍。三相六拍控制方式的步距角只有三相單三拍和雙三拍的一半，為 15。三相雙三拍控制方式和三相六拍控制方式在切換過(guò)程中始終保證有一相持續(xù)通電，力圖使轉(zhuǎn)子保持原有位置，工作

23、比較平穩(wěn)。單三拍通電方式?jīng)]有這種作用，在切換瞬間，轉(zhuǎn)子失去自鎖能力，容易失步（即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)與拍數(shù)不相等） ，在平衡位置也容易產(chǎn)生振蕩。設(shè)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為 Zr，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距需要的拍數(shù)為 N，則步距角為 NZrb360 （5-2）每輸入一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)NZr1轉(zhuǎn)，若脈沖電源的頻率為 f，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 rNZfn60 （5-3）可見(jiàn)，磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)，與電壓和負(fù)載等因素?zé)o關(guān)。在轉(zhuǎn)子齒數(shù)一定時(shí)，轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率成正比，與拍數(shù)成反比。三相磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)模型的步距角太大，難于滿足生產(chǎn)中小位移量的要求，為了減小步距角，實(shí)際中將轉(zhuǎn)子和定子磁極都加工成多齒結(jié)構(gòu)。

24、圖 5.14 是三相磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為 Zr40 個(gè)，齒沿轉(zhuǎn)子圓周均勻分布，齒和槽的寬度相等，齒間夾角為 9；定子上有六個(gè)磁極，每極的極靴上均勻分布有五個(gè)齒，齒寬和槽寬相等，齒間夾角也是 9。磁極上裝有控制繞組,相對(duì)的兩個(gè)極的繞組abc串聯(lián)起來(lái)并且連接成三相星形。每個(gè)定子磁極的極距為 60，每個(gè)極距所占的齒距數(shù)不是整數(shù)，當(dāng) UU相繞組通電，UU相磁極下的定、轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊時(shí)，VV磁極和 WW磁極下的齒就無(wú)法對(duì)齊，依次錯(cuò)開(kāi) 1/3 齒距角（即錯(cuò)開(kāi) 3） 。一般的，m 相異步電動(dòng)機(jī)，依次錯(cuò)開(kāi)的距離為 1/m 齒距。如果采用三相單三拍通電方式進(jìn)行控制，當(dāng) U 相通電時(shí)，U 磁極的定子齒

25、和轉(zhuǎn)子齒完全對(duì)齊，而 V 磁極和 W 磁極下的定子齒和轉(zhuǎn)子齒無(wú)法對(duì)齊，依次錯(cuò)開(kāi) 1/3 和 2/3 齒距（即3 和 6） ；當(dāng) U 相斷電，V 相圖 5.14小步距角的三相磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖通電時(shí)，V 磁極下的定子齒和轉(zhuǎn)子齒就會(huì)完全對(duì)齊，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò) 1/3 齒距；同樣的，當(dāng) V 相斷電，W 相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)再次轉(zhuǎn)過(guò) 1/3 齒距。不難看出，通電方式循環(huán)改變一輪后，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距。圖 5.14 所示的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的齒距角為 9，采用三相單三拍通電時(shí)，通電方式循環(huán)一輪需要三拍，則步距角 b為 3，我們也可由步距角計(jì)算公式計(jì)算得出步距角為3340360360NZrb設(shè)控制脈沖的頻率為 f，則

26、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為23406060ffNZfnr如果采用三相六拍通電時(shí)，步距角為5 . 1640360360NZrb設(shè)控制脈沖的頻率為 f，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為46406060ffNZfnr轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距所需的運(yùn)行拍數(shù)取決于電機(jī)的相數(shù)和通電方式，增加相數(shù)也可以減小步距角。但相數(shù)增多，所需驅(qū)動(dòng)電路就越復(fù)雜。常用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)除了三相以外，還有四相、五相和六相的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。5.2.3 主要技術(shù)指標(biāo)和運(yùn)行特性1步距角和靜態(tài)步距誤差步距角也稱為步距，是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)改變一次通電方式轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度。步距角與定子繞組的相數(shù)、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)和通電方式有關(guān)。目前我國(guó)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為0.3690，常用的有 7.5/15、3/6、

27、1.5/3、0.9/1.8、0.75/1.5、0.6/1.2、0.36/0.72等幾種。2最大靜轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜特性，是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定狀態(tài)（即步進(jìn)電動(dòng)機(jī)處于通電狀態(tài)不變，轉(zhuǎn)子保持不動(dòng)的定位狀態(tài)）時(shí)的特性，包括靜轉(zhuǎn)矩、矩角特性及靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。靜轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)下的電磁轉(zhuǎn)矩。在穩(wěn)定狀態(tài)下，如果在轉(zhuǎn)子軸上加上負(fù)載轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一定角度 ，并能穩(wěn)定下來(lái)，這時(shí)轉(zhuǎn)子受到的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，該電磁轉(zhuǎn)矩即為靜轉(zhuǎn)矩，而角度 即為失調(diào)角。對(duì)應(yīng)于某個(gè)失調(diào)角時(shí)，靜轉(zhuǎn)矩最大，稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。3矩頻特性當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制繞組的電脈沖時(shí)間間隔大于電機(jī)機(jī)電過(guò)渡過(guò)程所需的時(shí)間，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，這時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。步