控制电机第五章.ppt
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1、控制电机控制电机 第第 5 5 章章步步 进进 电电 动动 机机河北工程大学信电学院河北工程大学信电学院5.2 反应式步进电动机的工作原理反应式步进电动机的工作原理 5.3 反应式步进电动机的运行特性反应式步进电动机的运行特性第第5 5章章 步进电动机步进电动机5.1 概述概述 第第5 5章章 步进电动机步进电动机本章要求:本章要求:掌握步进电动机的工作原理掌握步进电动机的工作原理,熟悉步进电动机熟悉步进电动机的基本特点的基本特点掌握步进电动机的矩角特性和静态转矩掌握步进电动机的矩角特性和静态转矩掌握步进电动机的单步运行状态掌握步进电动机的单步运行状态掌握步进电动机的连续脉冲运行和运动特性掌握
2、步进电动机的连续脉冲运行和运动特性熟悉步进电动机的主要性能指标熟悉步进电动机的主要性能指标5.1 5.1 概概 述述 步进电机是一种数字电动机,步进电机是一种数字电动机,它它受脉冲信号控制,并将电脉冲信受脉冲信号控制,并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移号转换成相应的角位移或线位移的的控制电机。控制电机。它由专用电源供给电脉冲,每它由专用电源供给电脉冲,每输入一个脉冲,步进电机就移进一输入一个脉冲,步进电机就移进一步,所以称为步进电动机。其绕组步,所以称为步进电动机。其绕组上所加的电源是脉冲电压,有时也上所加的电源是脉冲电压,有时也称它为称它为脉冲电动机脉冲电动机。控制电机控制电机 步进电
3、机受脉冲信号控制,步进电机受脉冲信号控制,因此它适合作为数字控制系统的因此它适合作为数字控制系统的伺服元件。它的伺服元件。它的直线位移量直线位移量或或角角位移量位移量与与电脉冲数成正比电脉冲数成正比,所以,所以电动机的电动机的直线速度或转速也与脉直线速度或转速也与脉冲频率成正比冲频率成正比,通过改变脉冲频,通过改变脉冲频率的高低就可以在很大的范围内率的高低就可以在很大的范围内调节电动机的转速,并能快速起调节电动机的转速,并能快速起动、制动和反转。动、制动和反转。控制电机控制电机优点优点:步进电动机的步距角和转速大小不受电压波动和负载:步进电动机的步距角和转速大小不受电压波动和负载变化的影响,也
4、不受环境条件如温度、气压、冲击和振动等变化的影响,也不受环境条件如温度、气压、冲击和振动等影响,它影响,它仅与脉冲频率有关仅与脉冲频率有关。它每转一周都有固定的步数,。它每转一周都有固定的步数,在不丢步的情况下运行,其步距误差不会长期积累。在不丢步的情况下运行,其步距误差不会长期积累。缺点缺点:步进电动机的主要缺点是效率较低,并且需要配上适:步进电动机的主要缺点是效率较低,并且需要配上适当的驱动电源。一般来说,它带动负载惯量的能力不强。当的驱动电源。一般来说,它带动负载惯量的能力不强。控制电机控制电机在控制系统中,对步进电动机的基本要求是:在控制系统中,对步进电动机的基本要求是:1、在电脉冲的
5、控制下步进电动机能迅速起动、正反转、在电脉冲的控制下步进电动机能迅速起动、正反转、停转及在很宽的范围内进行转速调节。停转及在很宽的范围内进行转速调节。2、为了提高精度,一个脉冲对应的位移量要小,要准、为了提高精度,一个脉冲对应的位移量要小,要准确、均匀。这就要求步进电动机步距小、步距精度高,确、均匀。这就要求步进电动机步距小、步距精度高,不得丢步或越步。不得丢步或越步。3、动作不仅要快速,而且能连续高速运转以高劳动生、动作不仅要快速,而且能连续高速运转以高劳动生产率。产率。4、输出转矩大,可直接带动负载。、输出转矩大,可直接带动负载。控制电机控制电机 目前目前反应式步进电动机反应式步进电动机具
6、有步距角小、结构简单具有步距角小、结构简单等特点,应用比较广泛,例如,应用于各种数控机床等特点,应用比较广泛,例如,应用于各种数控机床(刀台的移动(刀台的移动),自动记录仪,钟表,绘图机构等。),自动记录仪,钟表,绘图机构等。5.2 反应式步进电动机的工作原理反应式步进电动机的工作原理 反应式步进电动机不像传统交直流电动机那反应式步进电动机不像传统交直流电动机那样依靠定、转子绕组电流所产生的磁场间的相互样依靠定、转子绕组电流所产生的磁场间的相互作用形成转矩与转速,它作用形成转矩与转速,它遵循磁通总是沿磁阻最遵循磁通总是沿磁阻最小的路径闭合的原理,产生磁拉力形成转矩小的路径闭合的原理,产生磁拉力
7、形成转矩,即,即磁阻性质的转矩。所以反应式步进电动机也称为磁阻性质的转矩。所以反应式步进电动机也称为磁阻式步进电动机磁阻式步进电动机。反应式步进电动机是利用磁阻转矩使转子反应式步进电动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转动的,是我国目前使用最广泛的步进电动机型式。型式。控制电机控制电机一、工作原理一、工作原理图所示为一台三相反应式步进电动机的工作原理图。它的定子图所示为一台三相反应式步进电动机的工作原理图。它的定子上有六个极,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。相。
8、转子是四个均匀分布的齿,上面没有绕组。三相反应式步进电动机的工作原理图三相反应式步进电动机的工作原理图控制电机控制电机 如此循环往复,并按如此循环往复,并按A-B-C-A的顺序通电,则电动的顺序通电,则电动机便按顺时针方向转动。电动机的转速取决于控制绕组机便按顺时针方向转动。电动机的转速取决于控制绕组与电源接通或开断的变化频率。若按与电源接通或开断的变化频率。若按A-C-B-A的顺序通的顺序通电,则电动机逆时针转动。电,则电动机逆时针转动。控制电机控制电机二、运行方式二、运行方式定子控制绕组每改变一次通电方式,称为定子控制绕组每改变一次通电方式,称为一拍一拍。步进电动机步进电动机的运行方式的运
9、行方式(通电方式)(通电方式)单拍运行方式单拍运行方式双拍运行方式双拍运行方式单、双拍运行方式单、双拍运行方式每一拍转过的机械角度我们称它每一拍转过的机械角度我们称它步距角步距角,通常用,通常用s表示。表示。控制电机控制电机1.单拍通电运行方式单拍通电运行方式 上述的通电方式(按上述的通电方式(按A-B-C-A 顺序通电)称为顺序通电)称为“三三相单三拍相单三拍”。“单单”是指每次只有一相控制绕组通电;是指每次只有一相控制绕组通电;“三拍三拍”是指经过三次切换控制绕组回到了原来的通电是指经过三次切换控制绕组回到了原来的通电状态,完成了一个循环。状态,完成了一个循环。在三相单三拍通电运行方式中,
10、在三相单三拍通电运行方式中,步进电动机的步距角步进电动机的步距角s=30o。控制电机控制电机2.双拍通电运行方式双拍通电运行方式 在实际使用中,单三拍通电运行方式由于在切换时在实际使用中,单三拍通电运行方式由于在切换时一相控制绕组断电后而另一相控制绕组才开始通电,这一相控制绕组断电后而另一相控制绕组才开始通电,这种情况种情况容易造成失步容易造成失步。此外,由单一控制绕组通电吸引。此外,由单一控制绕组通电吸引转子,也容易使转子在平衡位置附近转子,也容易使转子在平衡位置附近产生振荡产生振荡,故,故运行运行的稳定性较差的稳定性较差,所以,所以很少采用很少采用。通常将通常将“单三拍单三拍”通电运行方式
11、改为通电运行方式改为“双三拍双三拍”通通电运行方式,即按电运行方式,即按AB-BC-CA-AB的通电顺序,即每拍都的通电顺序,即每拍都有两个绕组同时通电。有两个绕组同时通电。当当A、B两相同时通电时,转子齿的位置同时受到两个定子极的作用,两相同时通电时,转子齿的位置同时受到两个定子极的作用,只有只有A相极和相极和B相极对转子齿所产生的磁拉力相等时转子才平衡。相极对转子齿所产生的磁拉力相等时转子才平衡。双拍运行时三相反应式步进电动机工作原理图双拍运行时三相反应式步进电动机工作原理图 从上述分析可以看出双拍运行时,同样三拍为一循环,所以,按双从上述分析可以看出双拍运行时,同样三拍为一循环,所以,按
12、双三拍通电方式运行时,它的步距角与单三拍通电方式相同,也是三拍通电方式运行时,它的步距角与单三拍通电方式相同,也是30o。控制电机控制电机3.单、双六拍通电运行方式单、双六拍通电运行方式 若控制绕组的通电顺序为:若控制绕组的通电顺序为:A-AB-B-BC-C-CA-A,或是或是A-AC-C-CB-B-BA-A。我们称步进电动机工作在。我们称步进电动机工作在三相单、双六拍通电方式三相单、双六拍通电方式。控制电机控制电机 在这种通电方式下,定子三相控制绕组需经过在这种通电方式下,定子三相控制绕组需经过六次切换通电状态才能完成一个循环,故称六次切换通电状态才能完成一个循环,故称“六拍六拍”。在通电时
13、,有时是单个控制绕组通电,有时又。在通电时,有时是单个控制绕组通电,有时又为两个控制绕组同时通电,因此称为为两个控制绕组同时通电,因此称为“单、双六拍单、双六拍”。控制电机控制电机 在单三拍通电方式中,步进电动机每一拍在单三拍通电方式中,步进电动机每一拍转子转过的步距角转子转过的步距角s为为30o。采用单双六拍通电。采用单双六拍通电方式后,步进电动机由方式后,步进电动机由A相控制绕组单独通电相控制绕组单独通电到到B相控制绕组单独通电,中间还要经过相控制绕组单独通电,中间还要经过A、B两相同时通电这个状态,也就是说要经过二拍,两相同时通电这个状态,也就是说要经过二拍,转子才转过转子才转过30o,
14、所以,在这种通电方式下,三,所以,在这种通电方式下,三相步进电动机的步距角相步进电动机的步距角s=30o/2=15o。从上述分析可知,即使同一台步进电动机,从上述分析可知,即使同一台步进电动机,若通电运行方式不同,其步距角也不相同。若通电运行方式不同,其步距角也不相同。控制电机控制电机三、小步距角步进电动机三、小步距角步进电动机 上述反应式步进电动机结构虽然简单,但是上述反应式步进电动机结构虽然简单,但是步距步距角较大角较大,往往满足不了系统的精度要求,例如使用在,往往满足不了系统的精度要求,例如使用在数控机床中就会影响到加工工件的精度。所以在实际数控机床中就会影响到加工工件的精度。所以在实际
15、中常采用一种中常采用一种小步距角的三相反应式步进电动机小步距角的三相反应式步进电动机。定子有六个极,上面装定子有六个极,上面装有控制绕组,这些绕组有控制绕组,这些绕组组成组成A、B、C三相。转三相。转子上均匀分布子上均匀分布40个齿,个齿,定子每个极上有定子每个极上有5个齿,个齿,定转子的齿宽和齿距都定转子的齿宽和齿距都相同。因转子上共有相同。因转子上共有40个齿,每个齿的齿距为个齿,每个齿的齿距为360o/40=9o,而每个定子磁而每个定子磁极的极距为极的极距为360o/6=60o,所所以每一个极距所占的齿以每一个极距所占的齿距数不是整数(距数不是整数(60o/9o)。)。当当A极面下的定、
16、转子齿极面下的定、转子齿对齐时,对齐时,B极极C极面下的极面下的齿就分别和转子齿相错齿就分别和转子齿相错三分之一的转子齿距,三分之一的转子齿距,即即3o。控制电机控制电机 步进电动机的步距角步进电动机的步距角s的大小是由的大小是由转子转子的齿数的齿数Zr、控制绕组的相数控制绕组的相数m和通电方式所和通电方式所决定。它们之间关系为:决定。它们之间关系为:C-通电状态系数,单拍或双拍通电运行方式时,通电状态系数,单拍或双拍通电运行方式时,C=1 单、双拍通电运行方式时,单、双拍通电运行方式时,C=2。控制电机控制电机 若步进电动机通电的脉冲频率为若步进电动机通电的脉冲频率为f,由于转,由于转子经过
17、子经过ZrC个脉冲旋转一周,则步进电动机的个脉冲旋转一周,则步进电动机的转速为转速为步进电动机步进电动机直线式步进电动机直线式步进电动机旋转式步进电动机旋转式步进电动机(运动形式)(运动形式)四、步进电动机的结构和分类四、步进电动机的结构和分类控制电机控制电机步进电动机步进电动机永磁感应式(混合式)步进电动机永磁感应式(混合式)步进电动机反应式步进电动机反应式步进电动机(工作原理)(工作原理)永磁式步进电动机永磁式步进电动机控制电机控制电机反应式步反应式步进电动机进电动机多段式步进电动机多段式步进电动机单段式步进电动机单段式步进电动机1.单段式单段式 单段式又称为单段式又称为径向分相式径向分相
18、式,其相数沿径向分布。它是目前其相数沿径向分布。它是目前步进电动机中使用得最多的一步进电动机中使用得最多的一种结构形式,转子上没有绕组,种结构形式,转子上没有绕组,沿圆周有均匀布置的小齿,其沿圆周有均匀布置的小齿,其齿距与定子的齿距必须相等。齿距与定子的齿距必须相等。定子的磁极数通常为相数的二定子的磁极数通常为相数的二倍,即倍,即2p=2m。每个磁极上都。每个磁极上都装有控制绕组,并接成装有控制绕组,并接成m相。相。这种结构形式使电动机制造简便,精度易于保证,这种结构形式使电动机制造简便,精度易于保证,步距角又可以做得较小,容易得到较高的起动频率和运步距角又可以做得较小,容易得到较高的起动频率
19、和运行频率。其缺点是在电动机的直径较小而相数又较多时,行频率。其缺点是在电动机的直径较小而相数又较多时,沿径向分相较为困难,消耗的功率较大,断电时无定位沿径向分相较为困难,消耗的功率较大,断电时无定位转矩。转矩。2.多段式多段式 多段式又称为轴向分相式。按其磁路的特点多段式又称为轴向分相式。按其磁路的特点不同,又可分为不同,又可分为轴向磁路多段式和径向磁路多段式轴向磁路多段式和径向磁路多段式。(1)径向磁路多段式)径向磁路多段式 定、定、转子铁心沿电动机轴向按相转子铁心沿电动机轴向按相数分段,每段定子铁心的磁数分段,每段定子铁心的磁极上只放置一相控制绕组。极上只放置一相控制绕组。这种结构的步距
20、角同样这种结构的步距角同样可以做到较小,但铁心段的可以做到较小,但铁心段的错位工艺比较复杂。(定子错位工艺比较复杂。(定子铁心或转子铁心每相两段错铁心或转子铁心每相两段错开开1/m齿距),精度不易保齿距),精度不易保证。证。控制电机控制电机(2)轴向磁路多段式)轴向磁路多段式 定、转子铁心沿电动机轴向按相数定、转子铁心沿电动机轴向按相数分段,每一组定子铁心中间放置一相环形控制绕组。分段,每一组定子铁心中间放置一相环形控制绕组。这种结构,环形控制绕组绕制较方便,转子的惯量较低,这种结构,环形控制绕组绕制较方便,转子的惯量较低,步距角也可以做得较小,因此起动和运行频率较高。但在制步距角也可以做得较
21、小,因此起动和运行频率较高。但在制造时,铁心段的错位工艺较复杂,精度不易保证。造时,铁心段的错位工艺较复杂,精度不易保证。控制电机控制电机永磁式步进电动机永磁式步进电动机 它的定子是凸极式,装设两相或多相绕组。转它的定子是凸极式,装设两相或多相绕组。转子是一对极或多对极的星形永久磁钢。转子的极数子是一对极或多对极的星形永久磁钢。转子的极数应与定子每相的极数相同。应与定子每相的极数相同。特点:电机的步距角较大,起动和运行频率较低,特点:电机的步距角较大,起动和运行频率较低,并且还需要用正、负电脉冲供电。消耗功率低,并且还需要用正、负电脉冲供电。消耗功率低,又具有定位转矩。又具有定位转矩。控制电机
22、控制电机感应子式永磁步进电动机感应子式永磁步进电动机它的定子结构与单段反应式步进电动机相同,转子由它的定子结构与单段反应式步进电动机相同,转子由环形磁钢和两端铁心组成。环形磁钢和两端铁心组成。优点:可以做成较小的步距角,有较高的起动和运行频优点:可以做成较小的步距角,有较高的起动和运行频率,消耗功率小,具有定位转矩。兼有反应式和永磁式率,消耗功率小,具有定位转矩。兼有反应式和永磁式步进电动机两者的优点。步进电动机两者的优点。缺点:需要有正负脉冲供电,制造工艺较为复杂。缺点:需要有正负脉冲供电,制造工艺较为复杂。5.3 反应式步进电动机的运行特性反应式步进电动机的运行特性 运行特性运行特性动态运
23、行特性动态运行特性静态运行特性静态运行特性控制电机控制电机 步进电动机的步进电动机的静态特性静态特性是指通电状态不变,电动机是指通电状态不变,电动机处于稳定状态下,电动机的距角特性、最大静转矩及距处于稳定状态下,电动机的距角特性、最大静转矩及距角特性族。角特性族。步进电动机的步进电动机的动态特性动态特性包括动稳定区、起动转矩、包括动稳定区、起动转矩、起动频率、及频率特性。起动频率、及频率特性。控制电机控制电机(一)矩角特性(一)矩角特性(1)初始稳定平衡位置)初始稳定平衡位置 是指步进电动机在空载情况下,控制绕组中通以是指步进电动机在空载情况下,控制绕组中通以直流时转子的最后稳定平衡位置,或称
24、零位。从理论直流时转子的最后稳定平衡位置,或称零位。从理论上讲,此时电机的静转矩(电磁转矩)为零。上讲,此时电机的静转矩(电磁转矩)为零。(2)失调角)失调角 指步进电动机转子偏转初始稳定平衡位置的电角指步进电动机转子偏转初始稳定平衡位置的电角度,用度,用e表示。在反应式步进电动机中,转子一个齿表示。在反应式步进电动机中,转子一个齿距对应的电角度为距对应的电角度为2。一、静态运行特性一、静态运行特性控制电机控制电机 定子齿轴线与转子齿轴定子齿轴线与转子齿轴线之间的夹角,称为失调角线之间的夹角,称为失调角 e。通常用电角度表示。通常用电角度表示。tee e=0 时的位置称稳时的位置称稳定平衡位置
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