控制電機(jī)基礎(chǔ)第二章

控制電機(jī)基礎(chǔ)

機(jī)電液伺服系統(tǒng)及設(shè)計(jì)控制電機(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)

2.1.1直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理

2.1.2直流伺服電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特性

2.1.3直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

2.2.1動(dòng)圈式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

2.2.2動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

2.3步進(jìn)電機(jī)主要內(nèi)容控制電機(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)一、直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理

ffnSN-+AB

在兩電刷間加直流電壓。如圖所示，電流從B刷流入，由A刷流出。

N極處有效導(dǎo)體中的電流由紙里指向外，用⊙表示；

S極處有效導(dǎo)體中的電流由外指向紙里，用

表示。

控制電機(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-工作原理ffnSN-+ABB—導(dǎo)體所在處的磁密度（磁感應(yīng)強(qiáng)度），Wb/m2；l—導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度，m；i—導(dǎo)體中流過(guò)的電流，A。

用左手定則確定電磁力的方向。載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁力為控制電機(jī)基礎(chǔ)

直流電機(jī)是可逆的，它根據(jù)不同的外界條件而處于不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如輸入機(jī)械能時(shí)，迫使它旋轉(zhuǎn)，它便輸出電能，處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，此時(shí)稱為發(fā)電機(jī)。當(dāng)在電刷兩端加電壓輸入電能時(shí)，它便旋轉(zhuǎn)起來(lái)，輸出機(jī)械能，處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)。

2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-工作原理控制電機(jī)基礎(chǔ)二、直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和分類

（一）傳統(tǒng)式直流伺服電動(dòng)機(jī)永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)是在定子上裝置由永久磁鋼做成的磁極。目前我國(guó)生產(chǎn)的SY系列直流伺服電動(dòng)機(jī)屬于這種結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)式直流伺服電動(dòng)機(jī)可分為永磁式和電磁式兩種。電磁式（串激式和他激式）直流伺服電動(dòng)機(jī)的定子通常由硅鋼片沖制疊壓而成，磁極和磁軛整體相連，在磁極鐵芯上套有激磁繞組，目前我國(guó)生產(chǎn)的SZ系列直流伺服電動(dòng)機(jī)屬于這種結(jié)構(gòu)。2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)控制電機(jī)基礎(chǔ)

這兩者電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵芯均由硅鋼片沖制疊壓而成，在轉(zhuǎn)子沖片的外圓周上開(kāi)有均布的齒槽，在轉(zhuǎn)子槽中放置電樞繞組，并經(jīng)換向器、電刷引出。2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-分類控制電機(jī)基礎(chǔ)（二）低慣量式直流伺服電動(dòng)機(jī)無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)。

無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)的電樞鐵芯上并不開(kāi)槽，電樞繞組直接排列在鐵芯表面，再用環(huán)氧樹(shù)脂把它與電樞鐵芯粘成一個(gè)整體。定子磁極可以用永久磁鋼做成，也可以采用電磁式結(jié)構(gòu)。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和電樞繞組電感比無(wú)轉(zhuǎn)子鐵芯的電機(jī)要大些，因而其動(dòng)態(tài)性能稍差。目前我國(guó)生產(chǎn)的SWC系列直流伺服電動(dòng)機(jī)屬于這種結(jié)構(gòu)。2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-分類控制電機(jī)基礎(chǔ)（二）低慣量式直流伺服電動(dòng)機(jī)盤(pán)形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)；

盤(pán)形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)的定子是由永久磁鋼和前后磁軛所組成，磁鋼在圓盤(pán)的一側(cè)放置，也可以在兩側(cè)同時(shí)放置。電機(jī)的氣隙就位于圓盤(pán)的兩邊，圓盤(pán)上有電樞繞組，可分為印刷繞組和線繞式繞組兩種形式。2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-分類控制電機(jī)基礎(chǔ)（二）低慣量式直流伺服電動(dòng)機(jī)空心杯電樞永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)

空心杯電樞永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)有一個(gè)外定子和一個(gè)內(nèi)定子。通常外定子由兩個(gè)半圓形的永久磁鋼所組成；內(nèi)定子為圓柱形的軟磁材料做成，僅作為磁路的一部分，以減小磁阻。空心杯電樞上的電樞繞組可采用印刷繞組，也可以先繞成單個(gè)成型線圈，然后將它們沿圓周的軸向方向排列成空心杯形，再用環(huán)氧樹(shù)脂固化成型?？招谋姌兄苯友b在電機(jī)軸上，在內(nèi)、外定子之間的氣隙中旋轉(zhuǎn)。電樞繞組接到換向器上，由電刷引出。目前我國(guó)生產(chǎn)的SYK系列直流伺服電動(dòng)機(jī)屬于這種結(jié)構(gòu)。

2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-分類控制電機(jī)基礎(chǔ)（三）直流伺服電動(dòng)機(jī)的性能比較2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-分類結(jié)構(gòu)形式激磁方式電樞型式溝槽式/S無(wú)槽-鐵芯/C無(wú)槽-無(wú)鐵芯-銅導(dǎo)線/U無(wú)槽-空心杯式-鋁導(dǎo)線/L軸向間隙AG軟磁鐵激磁/E△△××永久磁鋼-鐵鑫氧/F△△△△永久磁鋼-鋁鐵鎳鈷/A○○○○永久磁鋼-稀土/R○○○●徑向間隙RG軟磁鐵激磁/E××××永久磁鋼-鐵鑫氧/F×△△△永久磁鋼-鋁鐵鎳鈷/A×△○○永久磁鋼-稀土/R×△○●注：×-不實(shí)用；△-性能一般；○-高性能；●-超高性能控制電機(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)三、直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方式

電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)，采用電樞控制時(shí)，其激磁繞組由外加恒壓的直流電源激磁；

永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)則由永磁磁極激磁?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)四、直流伺服電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)工作特性

機(jī)械特性是指控制電壓一定時(shí)，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的變化關(guān)系；調(diào)節(jié)特性是指電機(jī)轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，轉(zhuǎn)速隨控制電壓的變化關(guān)系。基本假設(shè)：不考慮電機(jī)磁化曲線非線性的影響；忽略帶載時(shí)電樞反應(yīng)磁勢(shì)的影響。控制電機(jī)基礎(chǔ)ifUfUaia

Ra—電動(dòng)機(jī)電樞回路的總電阻；Ea—電動(dòng)機(jī)電樞回路的反電勢(shì)；ia—電動(dòng)機(jī)電樞回路的電流；

—每級(jí)總磁通；n—電樞轉(zhuǎn)速；Ke

—電勢(shì)常數(shù)，表示單位轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生的電勢(shì)。電樞回路的電壓平衡方程:2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-靜態(tài)特性控制電機(jī)基礎(chǔ)Kt

—轉(zhuǎn)矩常數(shù)，表示單位電樞電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為

:2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-靜態(tài)特性直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為控制電機(jī)基礎(chǔ)（一）機(jī)械特性

2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-靜態(tài)特性Ua=constant，nTgTkn00Ua3Ua2Ua1<<機(jī)械特性曲線與縱軸的交點(diǎn)為電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速n0機(jī)械特性曲線與橫軸的交點(diǎn)為電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)矩Tk機(jī)械特性曲線的斜率的絕對(duì)值表示了電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的剛度。

控制電機(jī)基礎(chǔ)（二）調(diào)節(jié)特性

2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-靜態(tài)特性Tg=constant，

nUan00Tg3Tg2Tg1<<Ua0調(diào)節(jié)特性曲線與橫軸的交點(diǎn)表示在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)電動(dòng)機(jī)的始動(dòng)電壓Ua0。調(diào)節(jié)特性曲線的橫坐標(biāo)從零到始動(dòng)電壓的這一范圍稱為在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)的失靈區(qū)。失靈區(qū)的大小與負(fù)載轉(zhuǎn)矩成正比?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)五、直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性

UgUaiaRaLaMTgTFTJTL電樞控制時(shí)直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，是指在電動(dòng)機(jī)的電樞上外加階躍電壓時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)過(guò)程?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)（一）直流伺服電動(dòng)機(jī)的基本方程

2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-動(dòng)態(tài)特性電樞電路的電壓方程

恒定磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)的元件感應(yīng)電壓

電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩

電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程

∵

∴

式中：J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，B為粘滯摩擦系數(shù)，Tf為其他摩擦轉(zhuǎn)矩，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)（二）直流伺服電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)

2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-動(dòng)態(tài)特性基本方程組取拉式變換

控制電機(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-動(dòng)態(tài)特性直流電動(dòng)機(jī)方框圖

UaIaTgTf+TL

UgKtKe電壓-角速度傳遞函數(shù)（1）

控制電機(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-動(dòng)態(tài)特性；；電壓-角速度傳遞函數(shù)（2）

為電氣時(shí)間常數(shù)；

為機(jī)械時(shí)間常數(shù)。

控制電機(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-動(dòng)態(tài)特性負(fù)載轉(zhuǎn)矩-角速度傳遞函數(shù)

略去電樞電感時(shí)可簡(jiǎn)化為控制電機(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)總輸入電功率

直流伺服電動(dòng)機(jī)電樞電路的電壓方程由電磁轉(zhuǎn)矩方程和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡方程得電流方程六、直流伺服電動(dòng)機(jī)的功率損耗

控制電機(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-功率損耗功率表達(dá)式第1項(xiàng)表示電樞繞組中電流產(chǎn)生的損耗；第2項(xiàng)表示電感中儲(chǔ)能的變化率，第3項(xiàng)表示動(dòng)能的變化率，即儲(chǔ)能元件輸入輸出的瞬時(shí)功率流；第4項(xiàng)表示粘滯摩擦損耗，第5項(xiàng)表示其它摩擦轉(zhuǎn)矩?fù)p耗，即電動(dòng)機(jī)的機(jī)械損耗；第6項(xiàng)表示電動(dòng)機(jī)實(shí)際的功率輸出。控制電機(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-功率損耗機(jī)械功率輸入電功率電磁功率電氣損耗功率機(jī)械損耗功率直流電動(dòng)機(jī)的功率流圖控制電機(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-功率損耗機(jī)械效率為輸出機(jī)械功率與產(chǎn)生的總機(jī)械功率的比值直流電動(dòng)機(jī)的總效率為輸出機(jī)械功率與總輸入平均功率的比值控制電機(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)七、直流伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用和選擇

（一）直流伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用類別位置控制速度控制力矩或力控制應(yīng)用舉例行式打印機(jī)矩陣式打印機(jī)電傳打印機(jī)數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)計(jì)量泵矩陣式打印機(jī)繞線機(jī)復(fù)印機(jī)恒張力滾筒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電子稱肌肉鍛煉機(jī)繞線機(jī)控制電機(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-選擇與應(yīng)用1．繞線機(jī)速度和力控制系統(tǒng)MTVRMT繞線控制排線控制

繞線機(jī)是一種連續(xù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，它包括繞線和排線的速度控制系統(tǒng)以及拉線的張力控制系統(tǒng)。

包括兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)-測(cè)速發(fā)電機(jī)組，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器和比較器?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-選擇與應(yīng)用2．雷達(dá)天線的位置控制系統(tǒng)雷達(dá)接收機(jī)MT放大器測(cè)速電機(jī)雷達(dá)天線力矩電動(dòng)機(jī)

被跟蹤目標(biāo)經(jīng)雷達(dá)天線系統(tǒng)檢測(cè)并發(fā)出誤差信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后就作為力矩電動(dòng)機(jī)的控制信號(hào)，并使力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)天線跟蹤目標(biāo)。

系統(tǒng)中使用測(cè)速電機(jī)的速度反饋回路是為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-選擇與應(yīng)用（二）直流伺服電動(dòng)機(jī)的選擇1．負(fù)載分析（1）快速回程時(shí)轉(zhuǎn)矩1-連續(xù)運(yùn)行區(qū);2-間斷運(yùn)行區(qū);3-換向允許極限;4-最高轉(zhuǎn)速12001600T/kgm1000150050004008001324n/rpm直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性控制電機(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-選擇與應(yīng)用（2）加速、減速、起動(dòng)和制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩電機(jī)直線加速響應(yīng)過(guò)程

max0tat電機(jī)響應(yīng)曲線指令信號(hào)

JM——電動(dòng)機(jī)慣量；JL

——負(fù)載慣量；N——負(fù)載減速比。ta

——加速時(shí)間；

max

——達(dá)到最大轉(zhuǎn)速；Ma1——所需加速轉(zhuǎn)矩。①直流電動(dòng)機(jī)由靜止加速到最高轉(zhuǎn)速所需的加速轉(zhuǎn)矩控制電機(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-選擇與應(yīng)用（2）加速、減速、起動(dòng)和制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩電機(jī)指數(shù)曲線加速響應(yīng)過(guò)程JM——電動(dòng)機(jī)慣量；JL

——負(fù)載慣量；N——負(fù)載減速比。te

——加速到0.632

max所需時(shí)間；

max

——達(dá)到最大轉(zhuǎn)速；Ma1——所需加速轉(zhuǎn)矩。

max0tet電機(jī)響應(yīng)曲線

0.632

max①直流電動(dòng)機(jī)由靜止加速到最高轉(zhuǎn)速所需的加速轉(zhuǎn)矩控制電機(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-選擇與應(yīng)用（2）加速、減速、起動(dòng)和制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩電機(jī)直線減速響應(yīng)過(guò)程JM——電動(dòng)機(jī)慣量；JL

——負(fù)載慣量；N——負(fù)載減速比。td

——減速時(shí)間；

r

——轉(zhuǎn)速減少值；Ma2——所需減速轉(zhuǎn)矩。②直流電動(dòng)機(jī)減速時(shí)所需的減速轉(zhuǎn)矩

max0tdt

r控制電機(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-選擇與應(yīng)用2．環(huán)境條件

一般應(yīng)考慮：溫度、濕度、海拔高度、周圍介質(zhì)、沖擊、振動(dòng)、加速度等?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-選擇與應(yīng)用3．連接機(jī)構(gòu)

（1）電動(dòng)機(jī)必須帶有相應(yīng)的附加散熱及冷卻裝置；（2）電動(dòng)機(jī)與負(fù)載連接安裝時(shí)，軸向或徑向力不應(yīng)超過(guò)電動(dòng)機(jī)的規(guī)定值；（3）防止機(jī)械諧振；（4）壽命盡可能長(zhǎng)；（5）效率盡可能高?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-選擇與應(yīng)用4．幾種常用直流電動(dòng)機(jī)性能比較與應(yīng)用

（1）電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)性能特點(diǎn)：①機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性為線性；②機(jī)械特性下垂，在整個(gè)速度范圍內(nèi)都能穩(wěn)定運(yùn)行；③氣隙小、磁密高，單位體積輸出功率大、精度高；④電樞齒槽效應(yīng)會(huì)引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，運(yùn)行不平穩(wěn)，慣量不夠小；⑤電樞電感大，高速換向困難；⑥磁通不隨時(shí)間變化，但受溫度的影響；⑦需要直流勵(lì)磁電源。應(yīng)用范圍：可用作中等功率的直流伺服系統(tǒng)的直行元件，但不適合用于要求快速響應(yīng)的伺服系統(tǒng)?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-選擇與應(yīng)用（2）永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)

性能特點(diǎn)：基本與電磁式相同，只是磁性隨時(shí)間而退化，硬磁材料貴，不需要直流勵(lì)磁電源。

應(yīng)用范圍：可用于小功率的一般直流伺服系統(tǒng)，不適合用于要求快速響應(yīng)的伺服系統(tǒng)。

控制電機(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-選擇與應(yīng)用（3）杯形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)

性能特點(diǎn)：①機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性為線性；②機(jī)械特性下垂，運(yùn)行穩(wěn)定；③慣量極低，機(jī)電時(shí)間常數(shù)小；④電樞電感小，電磁時(shí)間常數(shù)小；⑤電樞的熱容量??；⑥無(wú)齒槽效應(yīng)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，運(yùn)行平穩(wěn)，換向良好，噪聲低；⑦氣隙大、單位體積的輸出功率??；⑧耐沖擊和耐熱性差。

應(yīng)用范圍：適用于小功率（10W以下）、需要快速動(dòng)作的伺服系統(tǒng)。

控制電機(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-選擇與應(yīng)用（4）無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)

性能特點(diǎn)：①機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性為線性；②機(jī)械特性下垂，運(yùn)行穩(wěn)定；③電樞慣量小，機(jī)電時(shí)間常數(shù)小；④電樞電感小，電磁時(shí)間常數(shù)小，換向良好；⑤無(wú)齒槽效應(yīng)，運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲低；⑥瞬時(shí)起動(dòng)、停止和快速響應(yīng)好；⑦耐沖擊和耐熱性能好；⑧氣隙大、勵(lì)磁安匝大，力指標(biāo)低。

應(yīng)用范圍：適用于快速運(yùn)轉(zhuǎn)、快速起動(dòng)、快速停止和功率較大的伺服系統(tǒng)。

控制電機(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-選擇與應(yīng)用（5）圓盤(pán)電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)

性能特點(diǎn)：①電樞繞組散熱條件好，電機(jī)短時(shí)過(guò)載能力強(qiáng)，工作可靠性高；②轉(zhuǎn)矩極為平穩(wěn)；③電刷的壽命長(zhǎng)；④印刷繞組雖輕，但圓盤(pán)的直徑大，慣量比杯形電樞的大。應(yīng)用范圍：適用于低速和要求起動(dòng)、反轉(zhuǎn)頻繁的伺服系統(tǒng)?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-選擇與應(yīng)用（6）無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī)

性能特點(diǎn)：①無(wú)換向火花，不產(chǎn)生無(wú)線電干擾，噪聲低；壽命長(zhǎng)，運(yùn)行可靠，維護(hù)簡(jiǎn)便；②轉(zhuǎn)速不受換向條件的限制，可高速運(yùn)行；③調(diào)速范圍寬；④機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度較好。

應(yīng)用范圍：適用于低噪音、高真空、對(duì)無(wú)線電不產(chǎn)生干擾的伺服系統(tǒng)。

控制電機(jī)基礎(chǔ)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)-選擇與應(yīng)用（7）直流力矩伺服電動(dòng)機(jī)

性能特點(diǎn)：①除具有永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)外，還具有反應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動(dòng)小；②能在低速甚至堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；③精度較高，輸出功率大；④運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，振動(dòng)和機(jī)械噪音小等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用范圍：可作為高精度位置和低速隨動(dòng)系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。

控制電機(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）一、動(dòng)圈式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

NS動(dòng)圈前端板磁鋼后端板鐵芯xN動(dòng)圈前端板磁鋼后端板鐵芯x長(zhǎng)動(dòng)圈短動(dòng)圈（一）工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

控制電機(jī)基礎(chǔ)B—導(dǎo)體所在處的磁密度（磁感應(yīng)強(qiáng)度），Wb/m2；L—導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度，m；i—導(dǎo)體中流過(guò)的電流，A。

通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受一個(gè)正比于電流、磁密度和導(dǎo)線長(zhǎng)度的力F，使動(dòng)圈產(chǎn)生往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)。

2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）一、動(dòng)圈式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

控制電機(jī)基礎(chǔ)（1）比推力（比電勢(shì)）BL和比推力不均勻度

BL。比推力定義為單位電流產(chǎn)生的推力；它和電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的電磁參數(shù)及結(jié)構(gòu)有關(guān)，是影響運(yùn)動(dòng)速度的一個(gè)重要指標(biāo)；比推力大而均勻好。

2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）動(dòng)圈式直流直線電動(dòng)機(jī)的工作參數(shù)：一、動(dòng)圈式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

（2）動(dòng)圈電感和電阻。動(dòng)圈電感直接影響電動(dòng)機(jī)的性能，電感小可以減小時(shí)間常數(shù)；動(dòng)圈電阻大，可以減小電流，減低銅耗?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)（3）機(jī)械諧振頻率。為提高諧振頻率，要求運(yùn)動(dòng)部分重量輕，剛度高。

2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）一、動(dòng)圈式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

（4）散磁場(chǎng)。包括內(nèi)部漏磁和外部漏磁。內(nèi)部漏磁對(duì)比推力的不均勻度有影響；外部漏磁需采取精心的隔磁措施，以減小不利影響?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)電壓方程：2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）（二）基本方程和傳遞函數(shù)一、動(dòng)圈式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

動(dòng)圈的運(yùn)動(dòng)方程：La—?jiǎng)尤Φ碾姼?，H；Ra—?jiǎng)尤Φ碾娮瑁?/p>

；u—?jiǎng)尤χ械碾妷?，V；i—?jiǎng)尤χ械碾娏?，A。m—可動(dòng)部分質(zhì)量，kg；b—阻尼系數(shù)；k—彈簧剛度，kg/m；x—位移，m?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）一、動(dòng)圈式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

電壓-電流傳遞函數(shù):電流-位移傳遞函數(shù):控制電機(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）一、動(dòng)圈式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

動(dòng)圈式電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù):或控制電機(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）一、動(dòng)圈式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

動(dòng)圈式電—機(jī)械轉(zhuǎn)換器的電磁轉(zhuǎn)折頻率；動(dòng)圈式電—機(jī)械轉(zhuǎn)換器的無(wú)阻尼固有頻率；阻尼比；動(dòng)圈式電—機(jī)械轉(zhuǎn)換器的增益?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）二、動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

（一）工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

Ⅰ-吸合區(qū)；Ⅱ-工作行程區(qū)；Ⅲ-空行程區(qū)0Ⅱδ/m普通電磁鐵比例電磁鐵FM/NⅢⅠ0’銜鐵非工作氣隙ⅠⅡⅢ推桿工作氣隙線圈左導(dǎo)套右導(dǎo)套軸承環(huán)隔磁環(huán)極靴限位片調(diào)零機(jī)構(gòu)殼體Φ1Φ21．比例電磁鐵控制電機(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）二、動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

2.力矩馬達(dá)ag銜鐵線圈導(dǎo)磁體永久磁鐵SNSN

當(dāng)控制線圈通電流時(shí)，由于極化磁場(chǎng)與控制磁路的相互作用而使銜鐵產(chǎn)生與控制電流的大小和方向相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電磁力矩大于負(fù)載及固定的彈簧等力矩時(shí)，銜鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，但轉(zhuǎn)角是很小的，可以看成是直線運(yùn)動(dòng)?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）二、動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

（二）靜、動(dòng)態(tài)特性

根據(jù)電磁鐵的基本方程式，銜鐵受到軸向推力為為磁路磁導(dǎo)相對(duì)于銜鐵位移y的導(dǎo)數(shù)

;

0

—真空磁導(dǎo)率，

A—?dú)庀恫课缓痛帕€垂直的斷面積；y—?dú)庀堆卮帕€方向的平均長(zhǎng)度。H/m；控制電機(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）二、動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

1．比例電磁鐵的靜動(dòng)態(tài)特性

（1）比例電磁鐵的靜態(tài)特性0yFMδmδ0FM1FM2FMryΦ1Φ2δ0yδmLδr控制電機(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）二、動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

磁通Ф1

沿軸向穿過(guò)工作氣隙進(jìn)入盆形極靴底部端面，產(chǎn)生端面力FM1；磁通Ф2

則穿過(guò)徑向間隙盆口錐形周邊通過(guò)端蓋回到外殼，產(chǎn)生軸向附加力FM2。

、

為與電磁鐵幾何形狀有關(guān)的常數(shù)

控制電機(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）二、動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

比例電磁鐵的電磁力在其工作區(qū)域內(nèi)進(jìn)行線性化的表達(dá)式為比例電磁鐵的電流力增益；比例電磁鐵的位移力增益與調(diào)零彈簧剛度之和?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）二、動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

比例電磁鐵的靜態(tài)控制力特性可變換為ia—起始電流，取決于鐵磁材料的起始磁導(dǎo)率，一般是額定工作電流的5%；yN—銜鐵的額定工作位置。

比例電磁鐵的靜態(tài)特性包括力-行程特性和力-電流特性控制電機(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）二、動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

力-電流特性力-行程特性y/ymax0i3i2i1>>FM/FMmax0i/imaxFM/FMmax控制電機(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）二、動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

（2）比例電磁鐵的動(dòng)態(tài)特性

電壓方程：L—線圈電感；Rc，rp—線圈和放大器內(nèi)阻；Ke—線圈感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）二、動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

比例電磁鐵的運(yùn)動(dòng)方程：m—銜鐵組件的質(zhì)量；B—阻尼系數(shù)；Ks

—銜鐵組件的彈簧剛度。電磁力的線性化方程：Ki—電流-力增益；Ky—位移-力增益與彈簧剛度之和。控制電機(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）二、動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

方程組拉氏變換：控制電機(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）二、動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

方框圖：Y(s)FM(s)FM(s)Y(s)I(s)KyKiI(s)U(s)KesY(s)控制電機(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）二、動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

Y(s)FM(s)I(s)KyKiU(s)Kes系統(tǒng)方框圖:比例電磁鐵傳遞函數(shù):控制電機(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）二、動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

比例電磁鐵的增益.比例電磁鐵可動(dòng)部分的阻尼比;比例電磁鐵的電磁轉(zhuǎn)折頻率;比例電磁鐵可動(dòng)部分的固有頻率;控制電機(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）二、動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

Y(s)FM(s)I(s)KyKiU(s)Keskukfi

實(shí)踐表明，采用電流負(fù)反饋，能使比例電磁鐵線圈的電氣時(shí)間常數(shù)明顯縮??；采用銜鐵位置電反饋閉環(huán)，能提高比例電磁鐵的工作頻寬。控制電機(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）二、動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

I、FM對(duì)輸入信號(hào)ui的階躍響應(yīng)tFM有電流反饋tFM無(wú)電流反饋tI有電流反饋tI無(wú)電流反饋控制電機(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）二、動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

agu1u2rp+Rciri2Rc+--ugEb銜鐵線圈導(dǎo)磁體永久磁鐵SNSN2．力矩馬達(dá)的靜動(dòng)態(tài)特性

（1）力矩馬達(dá)的靜態(tài)特性控制電機(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）二、動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

力矩馬達(dá)產(chǎn)生的電磁力矩Td—輸入電流在銜鐵上產(chǎn)生的總力矩；Kt—力矩馬達(dá)的力矩常數(shù)；Km—力矩馬達(dá)的磁彈簧常數(shù)。控制電機(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）二、動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

銜鐵的力矩平衡方程Ja

—銜鐵等可動(dòng)部分的慣量；Ba

—銜鐵的機(jī)械支承和負(fù)載的粘性阻尼系數(shù)；Ka

—銜鐵轉(zhuǎn)軸的機(jī)械扭轉(zhuǎn)彈簧常數(shù)；TL

—作用在銜鐵上負(fù)載力矩。控制電機(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）二、動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

上兩式整理，并進(jìn)行拉式變換：當(dāng)Km/Ka之值一定時(shí)，得靜態(tài)方程其中控制電機(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）二、動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

θi0TL3TL2TL1<<力矩馬達(dá)的靜態(tài)特性曲線控制電機(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）二、動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

agu1u2rp+Rciri2Rc+--ugEb銜鐵線圈導(dǎo)磁體永久磁鐵SNSN（2）力矩馬達(dá)的動(dòng)態(tài)特性控制電機(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）二、動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

每個(gè)線圈的電壓方程為Kb—每個(gè)線圈的反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；Lc—每個(gè)線圈的自感系數(shù)。拉式變換控制電機(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）二、動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

力平衡方程為力矩馬達(dá)對(duì)電壓和負(fù)載力矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制電機(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）二、動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

每一線圈的銜鐵回路轉(zhuǎn)折頻率；銜鐵的固有頻率；靜態(tài)增益常數(shù)；Ku—放大器增益?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（直流直線電機(jī)）二、動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

力矩馬達(dá)典型的頻率特性θ10o100相角100010幅值比K0-90o-180oω控制電機(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)一、概述

步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的控制或執(zhí)行元件。

由專用電源供給電脈沖，每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就移動(dòng)一步。它的直線位移量或角位移量與電脈沖數(shù)成正比，所以步進(jìn)電機(jī)的線速度或轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。通過(guò)改變脈沖頻率的高低就可以在很多范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并能快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。控制電機(jī)基礎(chǔ)一、概述

2.3步進(jìn)電機(jī)控制器環(huán)形分配器功率放大器步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輔助電路驅(qū)動(dòng)電源步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)框圖控制電機(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)1.步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

可以開(kāi)環(huán)方式驅(qū)動(dòng)而無(wú)需反饋；無(wú)穩(wěn)定問(wèn)題；無(wú)累積定位誤差；步距值不受各種干擾因素影響；能響應(yīng)數(shù)字輸入信號(hào)，適合于數(shù)字計(jì)算機(jī)控制；機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，很少或無(wú)需維護(hù)，不易受污染；可重復(fù)地堵轉(zhuǎn)而不會(huì)損壞，相當(dāng)堅(jiān)固耐用。步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：一、概述

控制電機(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)增量或角步距是固定的，在步進(jìn)分辨率上缺乏靈活性；采用普通驅(qū)動(dòng)器時(shí)效率低；在單步響應(yīng)中有過(guò)沖量和振蕩；承受大慣性負(fù)載的能力有限；開(kāi)環(huán)控制時(shí)摩擦負(fù)載增加了定位誤差；可供使用的電機(jī)尺寸和輸出功率是有限的。步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)：一、概述

控制電機(jī)基礎(chǔ)2．步進(jìn)電機(jī)的分類

2.3步進(jìn)電機(jī)（1）按步進(jìn)電機(jī)的工作原理可分為：反應(yīng)式（VR），永磁式（PM）和混合式（HB）等三種類型。反應(yīng)式（VR）步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子是由硅鋼片及其它軟磁材料制成凸極結(jié)構(gòu)，定子磁極上繞有線圈，轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組。定子繞組勵(lì)磁后產(chǎn)生反應(yīng)力矩，轉(zhuǎn)子的齒依次被電磁鐵吸引而實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)控制，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。一、概述

控制電機(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)一、概述

永磁式（PM）的結(jié)構(gòu)與反應(yīng)式（VR）相似，只是轉(zhuǎn)子或定子的某一方裝的是永磁材料，另一方是由軟磁材料制成。繞組輪流通電，建立的磁場(chǎng)與永久磁鋼的恒定磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)一、概述

混合式（HB）又稱為永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)，它的結(jié)構(gòu)兼有反應(yīng)式和永磁式的某些特點(diǎn)，在轉(zhuǎn)子的內(nèi)部裝有永久磁鐵，而齒槽部分仍由軟磁材料組成?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)一、概述

（2）按輸出轉(zhuǎn)矩分為：快速型和功率型。快速型步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩一般為0.07~4Nm。可控制小型精密機(jī)床的工作臺(tái)，如線切割機(jī)床。功率型步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩一般為5~40Nm。可直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床移動(dòng)部件?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)一、概述

（3）按相數(shù)分為：二、三、四、五、六、……、m相等。相數(shù)越多，步距角越小，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。（4）按運(yùn)動(dòng)方式分為：旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)、平面運(yùn)動(dòng)、滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)一、概述

（5）按結(jié)構(gòu)分為：?jiǎn)味问?、多段式、印刷繞組式。單段式也稱垂軸式或徑向間隙式。多段式也稱順軸式或軸向間隙式。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，快速性和穩(wěn)定性好，功率型步進(jìn)電機(jī)多為軸向式?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)二、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)2.3步進(jìn)電機(jī)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)是利用磁阻轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的，是我國(guó)目前使用最廣泛的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型式。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的主要特點(diǎn)是：氣隙小，定位精度高；步距角小，控制準(zhǔn)確；勵(lì)磁電流較大，要求驅(qū)動(dòng)電源功率大；電機(jī)內(nèi)部阻尼較長(zhǎng)，當(dāng)相數(shù)較少時(shí)，單步運(yùn)行振蕩時(shí)間較長(zhǎng)；斷電后無(wú)定位轉(zhuǎn)矩，需使用自鎖定位?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)三拍運(yùn)行時(shí)的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理圖1AA’BB’CC’2341AA’BB’CC’2341AA’BB’CC’234（一）工作原理

定子上有六個(gè)極，每個(gè)極上都裝有控制繞組，每相對(duì)的兩極組成一相。轉(zhuǎn)子是四個(gè)均勻分布的齒，上面沒(méi)有繞組。二、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)

控制電機(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)二、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)

當(dāng)A相控制繞組通電時(shí)，因磁通要沿著磁阻最小的路徑閉合，將使轉(zhuǎn)子齒1、3和定子極A、A’對(duì)齊。

A相斷電，B相控制繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子將在空間轉(zhuǎn)過(guò)30°，即步距角θs=30°，轉(zhuǎn)子齒2、4和定子極B、B’對(duì)齊。如再使B相斷電，C相控制繞組通電，轉(zhuǎn)子又在空間轉(zhuǎn)過(guò)θs=30°，使轉(zhuǎn)子齒1、3和定子極C、C’對(duì)齊。如此循環(huán)往復(fù)。控制電機(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)二、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)

電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于控制繞組與電源接通或斷開(kāi)的變化頻率。采用“單、雙拍”通電方式時(shí)，步距角要比“單拍”或“雙拍”通電方式時(shí)減小一半。定子控制繞組每改變一次通電方式，稱為一拍。每次只有一相控制繞組通電，稱為單；每次有兩相控制繞組通電，稱為雙。控制電機(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)二、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)

“三相雙三拍”的通電方式：按AB—BC—CA—AB，或AC—CB—BA—AC的通電順序運(yùn)行?！叭鄦稳摹钡耐姺绞剑喊碅—B—C—A，或A—C—B—A的通電順序運(yùn)行?！叭鄦巍㈦p六拍”的通電方式：按A—AB—B—BC—C—CA—A，或A—AC—C—CB—B—BA—A的通電順序運(yùn)行。控制電機(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)二、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)

六拍運(yùn)行時(shí)的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理圖1AA’BB’CC’2341AA’BB’CC’2341AA’BB’CC’234控制電機(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)二、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)的步距角θs的大小是由轉(zhuǎn)子的齒數(shù)Zr、控制繞組的相數(shù)m和通電方式所決定。C—通電狀態(tài)系數(shù)，“單拍”或“雙拍”通電方式時(shí)C=1；采用“單、雙拍”通電方式時(shí)C=2?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)二、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)

若步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率為f，則步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為步進(jìn)電機(jī)除了做成三相外，也可以做成二相、四相、五相、六相或更多的相數(shù)。步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù)越多，則步距角θs就越小?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)二、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)

（二）結(jié)構(gòu)形式

1．單段式單段式又稱為徑向分相式。它是目前步進(jìn)電機(jī)中使用最多的一種形式。定子的磁極的極面上開(kāi)有小齒；轉(zhuǎn)子沿圓周也有均布的小齒，它們的齒形和齒距完全相同。這種結(jié)構(gòu)形式使電機(jī)制造簡(jiǎn)便，精度易于保證；步距角又可以做得較小，容易得到較高的啟動(dòng)和運(yùn)行頻率。此外，這種電機(jī)消耗的功率較大，斷電時(shí)無(wú)定位轉(zhuǎn)矩?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)二、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)

2．多段式多段式又稱為軸向分相式。按其磁路的特點(diǎn)不同，又可分為軸向磁路多段式和徑向磁路多段式兩種。控制電機(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)三、永磁式步進(jìn)電機(jī)

電機(jī)轉(zhuǎn)子或定子在結(jié)構(gòu)上采用永久磁鋼的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，稱為永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

優(yōu)點(diǎn)：繞組不通電時(shí)具有一定的定位轉(zhuǎn)矩；靜轉(zhuǎn)矩尺寸比高；采用永磁轉(zhuǎn)子，所需的運(yùn)行功耗??；機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；采用永磁轉(zhuǎn)子，阻尼特性好；能雙向工作；由于許多部件是沖壓件，所以價(jià)格低廉。缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子慣量比低；永磁體的磁化強(qiáng)度可能有變化；反電勢(shì)高，而最高轉(zhuǎn)速低；由于本身結(jié)構(gòu)所限，不適于小步距角用途；起動(dòng)頻率低?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)三、永磁式步進(jìn)電機(jī)

（一）工作原理

永磁式步進(jìn)電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)如圖所示，轉(zhuǎn)子為一對(duì)極或幾對(duì)極的星形磁鋼，定子上繞有二相或多相繞組，定子每相極對(duì)數(shù)與轉(zhuǎn)子磁極軸線位置對(duì)齊。當(dāng)定子繞組按A—B—（-A）—（-B）單四拍方式或AB—B（-A）—（-B）（-A）—（-B）A雙四拍方式通電時(shí)，轉(zhuǎn)子便連續(xù)旋轉(zhuǎn)，步距角45°。若定子繞組按A—AB—B—B（-A）………八拍方式通電，則轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)步距角為22.5°。這類電機(jī)要求電源能輸出正負(fù)脈沖，電源較復(fù)雜?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)三、永磁式步進(jìn)電機(jī)

控制電機(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)三、永磁式步進(jìn)電機(jī)

（二）結(jié)構(gòu)形式永磁式步進(jìn)電機(jī)可根據(jù)不同用途發(fā)展出各種不同的結(jié)構(gòu)形式。包括轉(zhuǎn)子多段式步進(jìn)電機(jī)，定子多段式步進(jìn)電機(jī)，數(shù)碼顯示用步進(jìn)電機(jī)，定子帶磁鋼的步進(jìn)電機(jī)等?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)四、混合式步進(jìn)電機(jī)混合式步進(jìn)電機(jī)是在永磁和變磁阻原理共同作用下運(yùn)轉(zhuǎn)的，也稱為永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)用得最多的步距角是1.8°，或每轉(zhuǎn)200步。當(dāng)混合式步進(jìn)電機(jī)通以兩相正弦交流電后，就可作為同步電機(jī)使用。此時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可由下式求得：控制電機(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)四、混合式步進(jìn)電機(jī)

S—同步轉(zhuǎn)速，r/min；

f—電源頻率，Hz；

Nr—轉(zhuǎn)子齒數(shù)?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)五、直線式步進(jìn)電機(jī)（一）工作原理直線步進(jìn)電機(jī)的工作原理如圖所示。定子用鐵磁材料制成“定尺”，其上開(kāi)有間距為t的矩形齒槽，槽中填滿非磁材料（如環(huán)氧樹(shù)脂），使整個(gè)定子表面非常光滑。動(dòng)子上裝有兩塊永久磁鋼A和B，每一磁極端部裝有用鐵磁材料制成的

形極片，每塊極片有兩個(gè)齒（如a和c），齒距為1.5t，這樣，當(dāng)齒a與定子的齒對(duì)齊時(shí)，齒c便對(duì)準(zhǔn)槽。同一磁鋼的兩個(gè)極片間隔的距離剛好使齒a和c’能同時(shí)對(duì)準(zhǔn)定子的齒，即它們的間隔是kt，k代表任一整數(shù)：1、2、2、4……?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)五、直線式步進(jìn)電機(jī)

磁鋼B與A相同，但極性相反，它們之間的距離應(yīng)等于當(dāng)其中一個(gè)磁鋼的齒完全與定子的齒和槽對(duì)齊時(shí)，另一磁鋼的齒應(yīng)處于定子的齒和槽的中間。

控制電機(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)五、直線式步進(jìn)電機(jī)

在磁鋼A的兩個(gè)

形極片上裝有A相控制繞組，磁鋼B上裝有B相控制繞組。如果某一瞬間，A相控制繞組中通入直流電流iA，并假定箭頭指向左邊的電流方向?yàn)檎较?，如圖（a）所示。這時(shí)A相繞組所產(chǎn)生的磁通在齒a、a’中與永久磁鋼的磁通相迭加，而在齒c、c’中卻抵消，這時(shí)齒c、c’全部去磁，不起任何作用。在這過(guò)程中B相繞組不通電流，即iB=0，磁鋼B的磁通量在齒d、d’、b和b’中大致相等，沿著動(dòng)子移動(dòng)方向各齒產(chǎn)生的作用力互相平衡。控制電機(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)五、直線式步進(jìn)電機(jī)

概括起來(lái)，這時(shí)只有a、a’在起作用，它使動(dòng)子處在圖（a）所示的位置上。為了使動(dòng)子向右移動(dòng)，就是說(shuō)從圖（a）移到圖（b）的位置，就要切斷A相繞組的電源，使iA=0，同時(shí)給B相繞組通入正向電流iB，這時(shí)在齒b和b’中B相繞組產(chǎn)生的磁通與永久磁鋼的磁通相迭加，而在齒d、d’中抵消。因而動(dòng)子便向右移動(dòng)半個(gè)齒寬，既t/4，使b、b’移到與定子的齒相對(duì)齊的位置。控制電機(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)五、直線式步進(jìn)電機(jī)

如果切斷電流iB，并給A相繞組通上反向電流，這時(shí)A相繞組及磁鋼A產(chǎn)生的磁通與永久磁鋼的磁通在齒c、c’中相迭加，而在齒a、a’中相抵消，動(dòng)子便向右又移動(dòng)t/4，使c和c’與定子的齒相對(duì)齊，如圖（c）所示。同理，如果切斷電流iA，并給B相繞組通上反向電流，動(dòng)子又向右移動(dòng)t/4，使d和d’與定子的齒相對(duì)齊，如圖（d）所示?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)五、直線式步進(jìn)電機(jī)

經(jīng)過(guò)圖（a）、（b）、（c）、（d）所示的四個(gè)階段后，動(dòng)子便向右移動(dòng)一個(gè)齒距t。如果還要繼續(xù)移動(dòng)，只需重復(fù)前面次序通電。相反，如果想使動(dòng)子向左移動(dòng)，只要把四個(gè)階段順序到過(guò)來(lái)，即按圖（d）、（c）、（b）、（a）的次序通電。控制電機(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)六、步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)（1）步距角θs每輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角。步距角的大小會(huì)直接影響步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)和運(yùn)行頻率，步距角小的往往起動(dòng)、運(yùn)行頻率較高?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)六、步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)最大步距誤差：是指步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)內(nèi)相鄰兩步之間最大步距和理想步距角的差值，用理想步距的百分?jǐn)?shù)表示。最大步距累積誤差：是指任意位置開(kāi)始，經(jīng)過(guò)任意步之后，角位移誤差的最大值。（2）精度

靜態(tài)步距角誤差：是指實(shí)際的步距角與理論的步距角之間的差值，通常用理論步距角的百分?jǐn)?shù)或絕對(duì)值大小來(lái)衡量。靜態(tài)步距角誤差小，表示電機(jī)精度高?？刂齐姍C(jī)基礎(chǔ)2.3步進(jìn)電機(jī)六、步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)（3）轉(zhuǎn)矩T保持轉(zhuǎn)矩（定位轉(zhuǎn)矩）：是指步進(jìn)電機(jī)繞組不通電時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的最大值，或轉(zhuǎn)角不超過(guò)一定值時(shí)的轉(zhuǎn)矩值。靜轉(zhuǎn)矩：是指步進(jìn)電機(jī)不改變控制繞組通電狀態(tài)，即轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)情況下的電磁轉(zhuǎn)矩。最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax：是指步進(jìn)電機(jī)在規(guī)定的通電相數(shù)下矩角特性的轉(zhuǎn)矩最大值。一般說(shuō)來(lái)，最大靜轉(zhuǎn)矩較大的電機(jī)可以帶動(dòng)較大的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL

：負(fù)載轉(zhuǎn)矩和最大靜轉(zhuǎn)矩的比值通常取為0.3~0.5左右動(dòng)轉(zhuǎn)矩：是指步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)情況下的最大輸