PAGE17PAGE17PAGE16PAGE16課題認識步進電機、伺服電機課時2課時（90min）教學目標知識技能目標：（1）掌握步進電動機和伺服電動機的基本結構及工作原理（2）熟悉步進電動機的運行方式（3）掌握步進電動機的驅(qū)動及控制方式（4）熟悉伺服電動機的應用范圍及性能特點（5）能拆裝步進電動機（6）能測試交流伺服電動機思政育人目標：（1）養(yǎng)成認真負責、求真務實的工作作風（2）弘揚執(zhí)著專注、精益求精的職業(yè)精神教學重難點教學重點：步進電動機和伺服電動機的工作原理、驅(qū)動及控制方式，伺服電動機的應用范圍及性能特點教學難點：步進電動機和伺服電動機的工作原理、驅(qū)動及控制方式，伺服電動機的應用范圍及性能特點教學方法案例分析法、問答法、討論法、講授法教學用具電腦、投影儀、多媒體課件、教材、萬用表、電動機教學設計→→課前復習（3min）→→傳授新知（35min）→實操練習（35min）→課堂小結（6min）→作業(yè)布置（4min）教學過程主要教學內(nèi)容及步驟設計意圖第一節(jié)課課前任務【教師】布置課前任務，和學生負責人取得聯(lián)系，讓其提醒同學通過文旌課堂APP或其他學習軟件，完成課前任務請大家了解步進電機和伺服電機的應用，查找資料，討論本課程在專業(yè)中的作用?！緦W生】完成課前任務通過課前任務，使學生了解所學課程的重要性，增加學生的學習興趣考勤

（2min）【教師】通過文旌課堂APP讓學生簽到【學生】簽到，班干部交假條培養(yǎng)學生的組織紀律性，掌握學生的出勤情況課前復習（3min）【教師】引領學生回憶上次課教學內(nèi)容，根據(jù)學生反映，查看學生掌握情況?；仡欀绷麟姍C的工作原理、銘牌數(shù)據(jù)、運行原理及機械特性，提問學生直流電機的結構特點及工作原理。【學生】互動、積極回答通過課前復習，檢查學生對所學知識的掌握程度，調(diào)整課程進度，讓學生自行查漏補缺問題導入（5min）【教師】通過視頻或圖片講解某機床加工廠最近需要趕制一批對精度要求較高的零部件。由于時間緊、任務重，廠領導決定讓機床生產(chǎn)線全天24小時運行，以加快生產(chǎn)進度。該生產(chǎn)線采用的是步進電動機，在連續(xù)運行一周后，噪聲越來越大，控制精度也有所下降。為了確保生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量，廠領導只能暫停該生產(chǎn)線，并找來維修人員對其進行檢修。維修人員通過檢查，初步判斷噪聲是步進電動機內(nèi)部零部件損壞所致，拆卸并更換其內(nèi)部損壞的零部件即可解決問題。【教師】提出以下問題：步進電機是如何工作的？【學生】討論、舉手回答【教師】通過學生的回答引入要講的知識通過問題導入的方法，引導學生主動思考，激發(fā)學生的學習興趣傳授新知

（35min）【教師】組織學生掃碼觀看視頻“直流電動機的分類”，并隨機邀請學生回答?！緦W生】討論、舉手回答【教師】通過學生的回答引入要講的知識一、步進電動機的基本結構【教師】通過視頻講解直流電機的分類步進電動機主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子一般為凸極式結構，由硅鋼片疊壓而成，而且定子上設置的多相繞組可作為控制繞組（勵磁繞組），用來接收電脈沖信號；轉(zhuǎn)子一般也為凸極式結構，由軟鐵或永磁鐵構成，但轉(zhuǎn)子上不設置繞組。三相反應式步進電動機的基本結構如圖4-6所示。該電動機的定子上設有

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對磁極，磁極上繞有控制繞組，相對的兩個磁極上的控制繞組串聯(lián)，構成三相獨立的控制繞組。當電源向控制繞組輸入電脈沖信號后，控制繞組會按一定的通電順序開始工作，這個通電順序稱為三相反應式步進電動機的相序。圖4-6三相反應式步進電動機的基本結構個均勻分布的齒。當定子中的控制繞組按相序有規(guī)律地通電、斷電時，轉(zhuǎn)子周圍就會有一個按此規(guī)律變化的磁場，相應的電磁力也會作用在轉(zhuǎn)子上，使轉(zhuǎn)子發(fā)生轉(zhuǎn)動。【教師】組織學生討論以下問題，并隨機邀請學生回答?！緦W生】討論、舉手回答【教師】通過學生的回答引入步進電動機的工作原理及運行方式二、步進電動機的工作原理及運行方式1．步進電動機的工作原理向步進電動機的U相繞組通以直流電，氣隙中會產(chǎn)生沿軸線方向分布的磁場，轉(zhuǎn)子的齒1和齒3被磁化，產(chǎn)生切向磁拉力，并把它們的軸線拉至與U相繞組軸線重合的位置，如圖4-7（a）所示。此時，轉(zhuǎn)子不受任何與它的軸線方向垂直的力，故不做任何運動，這種狀態(tài)稱為轉(zhuǎn)子自鎖。如果改為向步進電動機的V相繞組通以直流電，那么轉(zhuǎn)子的齒2和齒4就會受到與它們軸線夾角為30°的磁拉力，使它們的軸線與V相繞組的軸線對齊，從而使轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動30°，如圖4-7（b）所示。同理，當向步進電動機的W相繞組通以直流電時，轉(zhuǎn)子再順時針轉(zhuǎn)動30°，如圖4-7（c）所示。如此按照U→V→W→U的順序，每換相一次，轉(zhuǎn)子就順時針轉(zhuǎn)動30°。每次換相轉(zhuǎn)子所旋轉(zhuǎn)的角度稱為步距角。（a）U相通電（b）V相通電（c）W相通電圖4-7三相反應式步進電動機的工作原理【教師】師生互動，提出以下問題，并隨機邀請學生回答?！緦W生】討論、舉手回答【教師】總結并點評學生回答2．步進電動機的運行方式按相序的不同，步進電動機的運行方式主要有單三拍運行、雙三拍運行、單雙六拍運行等?！就卣埂看颂幍摹芭摹笔侵鸽娫窗聪嘈蛲姇r步進電動機運行的“節(jié)拍”，在一個相序循環(huán)內(nèi)步進電動機運行一步稱為一拍?！皢巍笔侵钢挥幸幌嗬@組通電，“雙”是指有兩相繞組同時通電。1）單三拍運行步進電動機以單三拍方式運行時，每次只有一相繞組通電，并且按照U→V→W→U的順序不斷接通和切斷各相繞組，從而使轉(zhuǎn)子以一定的速度轉(zhuǎn)動起來。不過這種運行方式工作穩(wěn)定性較差，容易出現(xiàn)失步現(xiàn)象，一般很少采用。2）雙三拍運行步進電動機以雙三拍方式運行時，有兩相繞組同時通電，并且按照UV→VW→WU→UV的順序輪流通電。每次通電時，轉(zhuǎn)軸的方向便與通電的兩相繞組之間的軸線對齊，步距角也是30°。這種運行方式定位較準確，穩(wěn)定性較好，不易出現(xiàn)失步現(xiàn)象。3）單雙六拍運行步進電動機以單雙六拍方式運行時，單相、雙相繞組按照U→UV→V→VW→W→WU→U的順序依次通電。此時，轉(zhuǎn)子的步距角變?yōu)樵瓉淼囊话耄?5°，因此需要六拍才能完成一個相序循環(huán)。相對于前兩種運行方式，單雙六拍由于通電方式變換多樣，電源會比較復雜，但是轉(zhuǎn)子的步距角明顯變小，步進電動機的穩(wěn)定性更好，因此在實際中多采用這種運行方式?！窘處煛繋熒樱岢鲆韵聠栴}，并隨機邀請學生回答。【學生】討論、舉手回答【教師】總結并點評學生回答三、步進電動機的驅(qū)動及控制方式【教師】通過ppt講解步進電動機的驅(qū)動及控制方式1．步進電動機的驅(qū)動步進電動機不能直接接到直流或交流電源上，必須使用專用的驅(qū)動電源。步進電動機的驅(qū)動電源一般由脈沖信號發(fā)生電路、脈沖分配電路、功率放大電路等組成。脈沖信號發(fā)生電路用來產(chǎn)生基準頻率信號；脈沖分配電路將基準頻率信號轉(zhuǎn)換成步進電動機所需的各種電脈沖信號；功率放大電路對脈沖分配電路輸出的電脈沖信號進行放大，然后送入步進電動機的各相繞組，從而使步進電動機轉(zhuǎn)動。隨著單片機技術的發(fā)展，脈沖信號發(fā)生電路、脈沖分配電路的工作可由單片機來完成，而功率放大電路的選擇則會直接影響到步進電動機的使用性能。按功率放大電路的不同，步進電動機的驅(qū)動方式主要有單電壓驅(qū)動、雙電壓驅(qū)動、斬波驅(qū)動、細分驅(qū)動、集成電路驅(qū)動等?！窘處煛刻岢鲆韵聠栴}，并隨機邀請學生回答?！緦W生】討論、舉手回答【教師】總結并點評學生回答2．步進電動機的控制方式【教師】PPT講解步進電動機的控制方式。步進電動機的控制方式主要有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種。1）開環(huán)控制步進電動機的運行受輸入脈沖控制，其位移量嚴格受控于輸入脈沖的數(shù)量，即其平均轉(zhuǎn)速嚴格正比于輸入脈沖的頻率。因此，只要準確控制輸入脈沖的數(shù)量或頻率，就能對步進電動機進行精確的位置或速度控制，而不需要系統(tǒng)反饋。這種沒有系統(tǒng)反饋的控制方式稱為開環(huán)控制。步進電動機開環(huán)控制系統(tǒng)的結構如圖4-8所示。該系統(tǒng)主要由控制器、脈沖分配器、驅(qū)動電路及步進電動機等組成。開環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度主要取決于步進電動機步距角的精度和負載情況。開環(huán)控制系統(tǒng)因其結構簡單、工作可靠、成本低，而被廣泛應用于各種數(shù)字控制系統(tǒng)中。圖4-8步進電動機開環(huán)控制系統(tǒng)的結構2）閉環(huán)控制由于開環(huán)控制系統(tǒng)無法預測和監(jiān)控步進電動機的實際運行情況，因此在某些運行速度調(diào)節(jié)范圍大、負載大小變化頻繁的場合，步進電動機容易出現(xiàn)失步現(xiàn)象；而在對精度要求較高的場合，開環(huán)控制系統(tǒng)則無法滿足控制精度的要求。為此，可在開環(huán)控制系統(tǒng)中增加反饋環(huán)節(jié)，構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。步進電動機閉環(huán)控制系統(tǒng)的結構如圖4-9所示。圖4-9步進電動機閉環(huán)控制系統(tǒng)的結構與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制系統(tǒng)多了一個由位置傳感器組成的反饋環(huán)節(jié)。將位置傳感器測出的負載實際位置與目標位置進行比較，再用比較信號進行控制，不僅可防止步進電動機失步，還能消除位置誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度雖與步進電動機的性能有關，但主要取決于位置傳感器的精度?！窘處煛繋熒?，提出以下問題，并隨機邀請學生回答。【學生】討論、舉手回答【教師】總結并點評學生回答四、交流伺服電動機【教師】PPT講解交流伺服電動機。交流伺服電動機可分為同步交流伺服電動機和異步交流伺服電動機兩種。1．同步交流伺服電動機同步交流伺服電動機的基本結構與一般同步電動機的相似，它主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。當同步交流伺服電動機由變頻電源供電時，可得到硬機械特性和較大的調(diào)速范圍?！窘處煛繋熒?，提出以下問題，并隨機邀請學生回答?；仡櫷诫妱訖C的結構組成【學生】討論、舉手回答【教師】總結并點評學生回答數(shù)控機床等設備的伺服系統(tǒng)多采用永磁同步交流伺服電動機，該電動機的工作原理如圖4-11所示。永磁同步交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子為永磁體，當向定子繞組中通入三相交流電流時，定子繞組會在轉(zhuǎn)子周圍產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場的磁極會緊緊吸住轉(zhuǎn)子的磁極，使其以同步轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。因此，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速只取決于電源的頻率和永磁同步交流伺服電動機的磁極對數(shù)，而與負載的大小無關。圖4-11永磁同步交流伺服電動機的工作原理當永磁同步交流伺服電動機的負載轉(zhuǎn)矩增大時，轉(zhuǎn)子的磁極軸線與旋轉(zhuǎn)磁場的磁極軸線之間的夾角會增大；反之，會減小。若負載轉(zhuǎn)矩超過一定限度，則永磁同步交流伺服電動機就會失步甚至停轉(zhuǎn)。這個限度的負載轉(zhuǎn)矩稱為最大同步轉(zhuǎn)矩。2．異步交流伺服電動機1）異步交流伺服電動機的基本結構按轉(zhuǎn)子結構的不同，異步交流伺服電動機又可分為籠式異步交流伺服電動機和杯式異步交流伺服電動機兩種。其中，籠式異步交流伺服電動機因利用率高、體積小、機械強度高、可靠性高、制造成本低而被廣泛應用?！窘處煛恐攸c講解如下問題?；\式異步交流伺服電動機主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。其定子繞組分為兩相，一相為勵磁繞組，一相為控制繞組，如圖4-12所示。籠式異步交流伺服電動機的勵磁繞組與控制繞組在空間上的電角度相差90°，其實質(zhì)上是兩相繞組的異步電動機。圖4-12籠式異步交流伺服電動機的定子繞組【拓展】控制繞組通常分成兩個獨立且相同的部分，這兩部分之間既可以串聯(lián)，又可以并聯(lián)，但需要匹配不同的控制電壓?！窘處煛拷Y合籠式異步交流伺服電動機的結構，討論籠式異步交流伺服電動機是如何轉(zhuǎn)起來的。【學生】討論、舉手回答【教師】總結并點評學生回答，講解異步交流伺服電動機的工作原理2）異步交流伺服電動機的工作原理異步交流伺服電動機的工作原理和電容分相式單相異步電動機的相似。在沒有控制電壓時，氣隙中只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場，轉(zhuǎn)子因沒有啟動轉(zhuǎn)矩而靜止不動。當有控制電壓且控制繞組電流和勵磁繞組電流相位不相同時，氣隙中會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，會使轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向轉(zhuǎn)動。對于伺服電動機，不僅要求它在控制電壓的作用下能自行啟動，還要求它在控制電壓消失后能立即停轉(zhuǎn)。這是因為伺服電動機如果在控制電壓消失后仍像一般單相異步電動機那樣繼續(xù)轉(zhuǎn)動，就會出現(xiàn)失控現(xiàn)象。這種因失控而自行轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象稱為自轉(zhuǎn)。為消除異步交流伺服電動機的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，可采取增大轉(zhuǎn)子電阻的措施。這是因為當控制電壓消失后，異步交流伺服電動機處于單相運行狀態(tài)，其曲線如圖4-13所示。其中，正序旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩特性曲線為曲線1，負序旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩特性曲線為曲線2，合成轉(zhuǎn)矩特性曲線為曲線3。合成轉(zhuǎn)矩是一個制動轉(zhuǎn)矩，其方向與異步交流伺服電動機的轉(zhuǎn)向相反，這就保證了當控制電壓消失后，異步交流伺服電動機能迅速停轉(zhuǎn)。圖4圖4-13異步交流伺服電動機單相

運行時的曲線增大轉(zhuǎn)子電阻不僅可消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，還能擴大調(diào)速范圍、改善調(diào)節(jié)特性、提高反應速度等?！窘處煛繋熒?，提出以下問題：什么是自轉(zhuǎn)？如何消除伺服電機的自轉(zhuǎn)？【學生】討論、舉手回答【教師】總結并點評學生回答3）異步交流伺服電動機的控制方法在實際應用中，可采用下列三種方法來控制異步交流伺服電動機的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。（1）幅值控制：保持控制電壓與勵磁電壓間的相位差不變，僅改變控制電壓的幅值。（2）相位控制：保持控制電壓的幅值不變，僅改變控制電壓與勵磁電壓間的相位差。（3）幅相控制：同時改變控制電壓的幅值，以及控制電壓與勵磁電壓間的相位差。3．交流伺服電動機的應用交流伺服電動機運行平穩(wěn)、噪聲小，但其控制特性曲線是非線性的，并且因轉(zhuǎn)子電阻大而使其損耗大、效率低。與同容量直流伺服電動機相比，交流伺服電動機體積大、質(zhì)量大，因此只適用于100W以下的小功率自動控制系統(tǒng)?！就卣埂拷涣魉欧妱訖C的輸出功率一般在100W以下。當電源的頻率為50Hz時，交流伺服電動機的電壓等級有36V、100V、220V、380V等；當電源的頻率為400Hz時，交流伺服電動機的電壓等級有20V、36V、115V等?！窘處煛颗e例說明伺服電動機的應用，詳情見教材?！緦W生】聆聽、思考、討論、舉手回答【教師】總結并點評學生回答五、直流伺服電動機【教師】PPT講解直流伺服電動機。1．直流伺服電動機的基本結構直流伺服電動機的基本結構與普通他勵直流電動機的相似。不同的是，直流伺服電動機的電樞電流很小，不存在換向困難，因此無須采用換向磁極，并且其轉(zhuǎn)子細長，氣隙較小，磁路不飽和，電樞電阻較大。直流伺服電動機的外形如圖4-15所示。圖4-15直流伺服電動機的外形按勵磁方式的不同，直流伺服電動機可分為電磁式和永磁式兩類。電磁式直流伺服電動機的磁場由勵磁繞組產(chǎn)生；永磁式直流伺服電動機的磁場由永磁體產(chǎn)生，不需要勵磁繞組和勵磁電流，可減小永磁式直流伺服電動機的體積和損耗。為了適應不同系統(tǒng)的需要，直流伺服電動機還發(fā)展出了低慣量型無槽電樞直流伺服電動機、空心杯式直流伺服電動機、印制繞組直流伺服電動機和無刷直流伺服電動機等。【教師】提出以下問題：直流伺服電動機與交流伺服電動機結構上有什么區(qū)別？【學生】聆聽、思考、討論、舉手回答【教師】總結并點評學生回答2．直流伺服電動機的工作原理傳統(tǒng)直流伺服電動機的工作原理與普通直流電動機的相似，都是依靠電樞電流與氣隙磁通的作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。直流伺服電動機通常采用電樞控制方式，即在保持勵磁電壓不變的條件下，通過改變電樞電壓來控制直流伺服電動機。電樞電壓越小，轉(zhuǎn)速越低；電樞電壓為零時，直流伺服電動機停轉(zhuǎn)。由于電樞電壓為零時電樞電流也為零，直流伺服電動機不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，因此不會出現(xiàn)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象?！窘處煛繋熒樱岢鲆韵聠栴}：直流伺服電動機是否會出現(xiàn)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象？如何控制直流伺服電動機的啟停？【學生】聆聽、思考、討論、舉手回答【教師】總結并點評學生回答直流伺服電動機以電樞控制方式運行時，其優(yōu)點是線性特性好，調(diào)速范圍大，效率高，啟動轉(zhuǎn)矩大，具有較好的伺服性能；其缺點是電樞電流大，所需控制功率大，電刷和換向器的維護工作量大，接觸電阻不夠穩(wěn)定，低速運行時的穩(wěn)定性相對較差。3．直流伺服電動機的應用【教師】以直流伺服電動機在機床工作臺精確定位系統(tǒng)中的應用舉例說明直流伺服電動機的應用，詳情見教材?！緦W生】聆聽、思考、討論、舉手回答【教師】總結并點評學生回答六、交、直流伺服電動機的性能比較【教師】組織學生掃碼觀看視頻“伺服電動機和步進電動機的區(qū)別”，并邀請學生回答二者的區(qū)別。【學生】聆聽、思考、討論、舉手回答【教師】總結并點評學生回答1．機械特性直流伺服電動機的轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的增大而均勻地減小。直流伺服電動機在不同控制電壓下的機械特性曲線是平行的，即機械特性曲線是線性的，且為硬機械特性，負載轉(zhuǎn)矩的變化對轉(zhuǎn)速的影響很小。交流伺服電動機的機械特性曲線是非線性的，當采用電容移相控制時非線性尤為嚴重，而且機械特性曲線的斜率會隨控制電壓的變化而變化，這不僅會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還會給校正帶來困難。交流伺服電動機負載轉(zhuǎn)矩的變化對轉(zhuǎn)速的影響很大，阻尼系數(shù)較小，時間常數(shù)較大，系統(tǒng)品質(zhì)較差。2．自轉(zhuǎn)現(xiàn)象直流伺服電動機無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。交流伺服電動機如果設計參數(shù)選擇不當，或者制造工藝不良，那么在單相狀態(tài)下將會出現(xiàn)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。3．體積、重量和效率交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子電阻相當大，會造成交流伺服電動機在運行時損耗大、效率低。而且交流伺服電動機通常運行在橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場下，反向磁場所產(chǎn)生的制動轉(zhuǎn)矩會使交流伺服電動機輸出的有效轉(zhuǎn)矩減小，因此當輸出功率相同時，交流伺服電動機比直流伺服電動機體積大、質(zhì)量大、效率低。故交流伺服電動機只適用于小功率伺服系統(tǒng)，功率較大的伺服系統(tǒng)普遍采用直流伺服電動機。4．結構直流伺服電動機結構復雜，不便于制造；運行時電刷和換向器滑動接觸，接觸電阻不穩(wěn)定，會影響直流伺服電動機運行的穩(wěn)定性，還容易產(chǎn)生電火花，給運行和維護帶來不便。交流伺服電動機結構簡單，維護方便，運行可靠，適用于不易檢修的場合。5．控制裝置直流伺服電動機的控制繞組通常由直流放大器供電，直流放大器比交流放大器結構復雜，且有零點漂移現(xiàn)象，會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。【教師】師生互動：提出以下問題：交、直流伺服電動機有哪些優(yōu)缺點？如何選用？【學生】聆聽、思考、討論、舉手回答【教師】總結并點評學生回答通過教師的講解和課堂互動，使學生了解步進電機的基礎知識帶領學生學習步進電機的基本結構，為理解電動機的工作原理打好基礎通過討論總結，加深學生對步進電機的理解通過ppt講解，了解步進電動機的控制方式實操練習（35min）實操題目：拆裝步進電機、測試伺服電機一、拆裝步進電機1.知識準備【教師】要求學生查閱資料，重點回答以下問題：步進電機拆裝順序？需要哪些工具器材？【學生】查閱資料、記錄、回答步進電動機又稱脈沖電動機，是指定子繞組按一定程序供電時，轉(zhuǎn)子以離散的角度增量旋轉(zhuǎn)的電動機。每當步進電動機接收到一個電脈沖信號時，其轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)動一個步距角，步距角越小，步進電動機運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性就越好。步進電動機的種類繁多，不同種類的步進電動機，其結構雖有所不同，但基本都由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、轉(zhuǎn)軸、減速齒輪和蓋板等組成。2.任務實施【教師】講解和演示基本操作步驟（1）檢查待拆裝的步進電動機的外觀，觀察并記錄步進電動機的型號及相關參數(shù)。（2）拆卸步進電動機的端蓋。拆掉端蓋后，可看到步進電動機的轉(zhuǎn)軸和減速齒輪。（3）取下步進電動機的轉(zhuǎn)軸和減速齒輪。（4）取下步進電動機的轉(zhuǎn)子和蓋板。（5）從步進電動機的機殼中取下定子。（6）按照拆卸的逆順序裝配步進電動機。（詳情見教材）二、測試伺服電機1.知識準備【教師】要求學生查閱資料，重點回答以下問題：伺服電機有哪些性能？適用于哪些場合？【學生】查閱資料、記錄、回答伺服電動機是指在伺服系統(tǒng)中用于控制機械元件運轉(zhuǎn)的電動機，其特點是有控制電壓時，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動；無控制電壓時，轉(zhuǎn)子立即停轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向是由控制電壓的大小和方向決定的。伺服電動機可分為交流伺服電動機和直流伺服電動機兩大類。其中，交流伺服電動機是一種用交流電信號控制的伺服電動機。交流伺服電動機通常用在對位置、速度等控制精度要求較高的場合，如機床、印刷設備、包裝設備、紡織設備、激光加工設備、機器人、制藥設備、金融機具、自動化生產(chǎn)線等。2.任務實施【教師】講解和演示基本操作步驟（1）按圖4-10所示連接電路。其中，為勵磁繞組的電阻，為控制繞組的電阻。圖4-10測試交流伺服電動機電路（2）閉合和，啟動交流伺服電動機，使交流伺服電動機空載運行。（3）快速將控制繞組兩端開路，或者將調(diào)壓變壓器的輸出電壓快速調(diào)至零，觀察交流伺服電動機有無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并比較上述兩種方法下交流伺服電動機停轉(zhuǎn)所用的時間。（4）將的輸入端V相和N相對調(diào)后重新連接，使控制電壓的相位改變180°，重新啟動交流伺服電動機，觀察其轉(zhuǎn)向變化情況。（5）恢復如圖4-10所示電路連接，調(diào)節(jié)和，令、，使交流伺服電動機在額定狀態(tài)下空載運行，然后測量交流伺服電動機的空載轉(zhuǎn)速并將其填入表4-3中。（6）調(diào)節(jié)電動測功機，逐步增大交流伺服電動機的負載，直至交流伺服電動機堵轉(zhuǎn)，在此過程中均勻地選取5～7組n-T數(shù)據(jù)，并將其填入表4-3中。（7）調(diào)節(jié)，使，重復步驟（6），并將其填入表中。（詳情見教材）【學生】聆聽、理解、模仿操作【教師】巡堂輔導，及時解決學生遇到的問題課堂小結

（6min）【教師】簡要總結本節(jié)課的要點本節(jié)課學習了步進電動機和伺服電動機的基本結構及工作原理、運行方式、驅(qū)動及控制方式，伺服電動機的應用范圍及性能特點并拆裝步進電動機、測試交流伺服電動機。希望大家在課下多加練習，鞏固所學知識?！緦W生】總結回顧知識點總結知識點，鞏固學生對步進、伺服電機相關知識的印象作業(yè)布置

（2min）【教師】布置課后作業(yè)請根據(jù)課堂知識，完成項目測評中的填空題1-5、選擇題1-3和綜合分析題1-2。并撰寫實驗報告。預習任務二，觀看任務二的微課并記錄問題。【學生】完成課后任務通過課后作業(yè)復習鞏固學到的知識教學反思本次課，通過對步進電機和伺服電機的結構及其工作原理的理解，將理論與實操結合，進一步提升了學生的學習興趣，增強了學生對知識的掌握程度。此外，通過對學生的實操練習鍛煉了學生的動手操作能力、動腦分析問題的能力。本次教學取得了良好的教學效果。

課題認識其他特種電機課時2課時（90min）教學目標知識技能目標：（1）掌握直線電動機和永磁無刷電動機的基本結構、工作原理、特點及應用范圍（2）掌握測速發(fā)電機的基本結構、輸出特性、特點及應用范圍（3）能測定直流測速發(fā)電機的輸出特性思政育人目標：（1）弘揚執(zhí)著專注、精益求精的職業(yè)精神（2）踐行服務集體、團結協(xié)作的團隊精神教學重難點教學重點：直線電動機和永磁無刷電動機以及測速發(fā)電機的基本結構、工作原理、特點及應用范圍教學難點：直線電動機和永磁無刷電動機以及測速發(fā)電機的基本結構、工作原理、特點及應用范圍教學方法案例分析法、問答法、討論法、講授法教學用具電腦、投影儀、多媒體課件、教材、三相異步電動機教學設計→→課前復習（3min）→→傳授新知（35min）→實操練習（35min）→疑難解答（5min）→課堂小結（3min）→作業(yè)布置（2min）教學過程主要教學內(nèi)容及步驟設計意圖課前任務【教師】布置課前任務，提醒同學通過文旌課堂APP或其他學習軟件，完成課前任務請大家復習步進電機和伺服電機的工作原理，查找資料，預習本課學習內(nèi)容，記錄預習中存在的疑難問題，學生負責人匯總后反饋教師?！緦W生】完成課前任務通過課前任務，使學生自行查漏補缺，增加學生對疑難問題的好奇心考勤

（2min）【教師】通過文旌課堂APP讓學生簽到【學生】簽到，班干部交假條培養(yǎng)學生的組織紀律性，掌握學生的出勤情況課前復習（3min）【教師】引領學生回憶上次課教學內(nèi)容，根據(jù)學生反映，查看學生掌握情況?；仡櫜竭M電機和伺服電機的結構、工作原理及控制方式，提問學生步進電機與伺服電機的優(yōu)缺點及其應用場所?！緦W生】互動、積極回答通過課前復習，檢查學生對所學知識的掌握程度，調(diào)整課程進度，讓學生自行查漏補缺問題導入（5min）【教師】通過圖片講解某風景區(qū)有一條

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人吊廂循環(huán)脫掛式索道，該索道采用地下驅(qū)動方式，其驅(qū)動輪測速采用的是直流測速發(fā)電機。某日，維修人員在對設備進行例行檢查時，發(fā)現(xiàn)直流測速發(fā)電機的換向器磨損嚴重，于是便將之前進廠維修過的直流測速發(fā)電機更換上。更換后，維修人員發(fā)現(xiàn)該索道運行時的實際速度遠小于給定速度。為了保證索道的安全運行，維修人員對維修過的直流測速發(fā)電機進行了細致的檢測，判斷該直流測速發(fā)電機在運輸或拆裝過程中可能因磕碰導致勵磁線圈出現(xiàn)故障，從而使磁場減弱、磁通量減少，對應的轉(zhuǎn)速和輸出電壓也隨之下降。隨后，維修人員將新的直流測速發(fā)電機更換上，該索道便正常運行了。【教師】提出以下問題：直流測速發(fā)電機的哪些運行特性？如何故障維修？【學生】討論、舉手回答【教師】通過學生的回答引入要講的知識通過問題導入的方法，引導學生主動思考，激發(fā)學生的積極性，主動討論傳授新知

（35min）一、直線電動機【教師】PPT講解直線電動機直線電動機是一種可以將電能直接轉(zhuǎn)換成機械能的電力傳動裝置，它省去了中間的傳動機構，使直線電動機的反應速度和控制精度都得到了明顯提高。按工作原理的不同，直線電動機可分為直線異步電動機、直線同步電動機和直線直流電動機三種；按結構形式的不同，直線電動機可分為扁平式、圓筒式、圓盤式和圓弧式等類型?！窘處煛刻岢鲆韵聠栴}：普通異步電動機有哪些結構組成？【學生】討論、舉手回答【教師】通過學生的回答引入要講的知識1．直線電動機的基本結構直線異步電動機是從普通異步電動機演變而來的，它相當于把普通旋轉(zhuǎn)電機沿徑向剖開，將定子、轉(zhuǎn)子展開成平面，如圖4-19（a）、圖4-19（b）所示。由定子演變而來的一側(cè)稱為初級，由轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)稱為次級。與普通旋轉(zhuǎn)電機不同，直線電動機的運動方式不限于初級固定而次級運動，有時也可以是次級固定而初級運動。初級固定而次級運動的運動方式稱為動次級，反之稱為動初級。有時初級和次級長度不等，有短次級和短初級之分，如圖4-19（c）、圖4-19（d）所示。直線異步電動機一般采用短初級形式。（a）沿徑向剖開（b）將定子、轉(zhuǎn)子展開成平面（c）短次級（d）短初級圖4-19直線異步電動機的基本結構【教師】師生互動，提出以下問題：直線電動機如何轉(zhuǎn)起來？【學生】討論、舉手回答【教師】通過學生的回答引入直線電動機的工作原理2．直線電動機的工作原理以直線異步電動機為例，其工作原理與普通異步電動機的相似。如圖4-20所示為直線異步電動機的工作原理。圖4-20直線異步電動機的工作原理當接通交流電源時，氣隙中會產(chǎn)生磁感應強度為B的磁場，該磁場被稱為行波磁場。當電源電壓的大小隨時間變化時，行波磁場的磁感應強度也隨之變化。行波磁場的移動方向為水平移動，移動速度和旋轉(zhuǎn)磁場在定子內(nèi)圓表面的線速度是一樣的，該速度被稱為同步速度。次級導條在行波磁場的切割下，會產(chǎn)生感應電壓和感應電流，從而產(chǎn)生水平方向的推力。如果初級固定不動，那么磁推力將帶動次級以速度做直線運動?！窘處煛繋熒?，提出以下問題：直線電動機如何換向？【學生】討論、舉手回答【教師】總結點評學生的回答，并講解直線異步電動機的換向和調(diào)速都與交流伺服電動機的相似。通過改變通電的相序，可改變直線異步電動機的方向，從而使其做往復運動；通過改變電源電壓的幅值或相位，可達到調(diào)速的目的。3．直線電動機的特點及應用與普通旋轉(zhuǎn)電機相比，直線電動機具有以下優(yōu)點。（1）無須采用傳動機構，系統(tǒng)較為簡單，控制精度較高，成本較低。（2）驅(qū)動時，不受中間傳動機構的影響，響應速度快。（3）磁推力直接驅(qū)動電力傳動裝置運動，噪聲較小或無噪聲。（4）散熱面積大，散熱性好。（5）機械磨損小。（6）可靠性高。（7）裝配靈活。與此同時，直線電動機也存在以下缺點。（1）效率和功率因數(shù)較低。（2）受電源電壓影響較大。直線電動機被廣泛應用于吊車、金屬傳送帶、高速電力列車中。除此之外，直線電動機也被廣泛應用于航空航天儀器、自動化儀器、醫(yī)療器械等精密儀器設備中，以及電動門、電動桌等各種民用裝置中。二、測速發(fā)電機【教師】PPT講解測速發(fā)電機在自動控制系統(tǒng)中，為了便于控制，有時需要把機械旋轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)換成電信號。測速發(fā)電機就是能夠完成這一任務的一種電磁裝置，它不僅可用于測量轉(zhuǎn)速，還可用于校正元件。按輸出電壓的不同，測速發(fā)電機可分為直流測速發(fā)電機和交流測速發(fā)電機兩種。1．直流測速發(fā)電機直流測速發(fā)電機是一種能夠?qū)⑥D(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成直流電壓信號的測速元件。按勵磁方式的不同，直流測速發(fā)電機可分為他勵式和永磁式兩類。1）直流測速發(fā)電機的基本結構直流測速發(fā)電機主要由主磁極、電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、電刷裝置等組成，如圖4-21所示。他勵式直流測速發(fā)電機的勵磁繞組需要一個恒定電源供電，因此比較少用。永磁式直流測速發(fā)電機的定子磁極為永磁體，無須電源提供勵磁電流，因此應用較多。圖4-21直流測速發(fā)電機的基本結構2）直流測速發(fā)電機的輸出特性直流測速發(fā)電機實際上是一臺微型的直流發(fā)電機，其工作原理與一般直流發(fā)電機的相似，如圖4-22所示。圖4-22直流測速發(fā)電機的工作原理在恒定的磁場中，當電樞以轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)動時，電樞上的導體切割磁通，在電刷中產(chǎn)生感應電壓，其大小為

（4-1）式中： ——直流測速發(fā)電機空載運行時的每極磁通，單位為Wb； ——電壓常數(shù)；

n ——直流測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。當直流測速發(fā)電機空載運行時，其電樞電流為零，輸出電壓就是空載電壓，即，輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。當直流測速發(fā)電機帶負載運行時，其電樞電流不為零，直流測速發(fā)電機的輸出電壓為

（4-2）式中：——電樞電阻，包括電樞繞組電阻和電刷接觸電阻，單位為Ω。負載電流為（4-3）式中：——負載電阻，單位為Ω。將式（4-3）代入式（4-2）中，可得則直流測速發(fā)電機的輸出電壓為

（4-4）將式（4-1）代入式（4-4）中，可得

（4-5）式中，C為直流測速發(fā)電機輸出特性曲線的斜率，。當、、及均為常數(shù)時，為固定值?！窘處煛繋熒?，提出以下問題：直流測速發(fā)電機是如何工作的？有什么輸出特性？應用在哪些場合？【學生】討論、舉手回答【教師】總結點評學生的回答，并講解3）直流測速發(fā)電機的特點及應用直流測速發(fā)電機的靈敏度比交流測速發(fā)電機的高約20倍，且沒有相位誤差，可以明顯地將轉(zhuǎn)向反映出來；輸出特性不隨負載的變化而變化，但由于換向器和電刷的存在，因此會產(chǎn)生換向電火花和電磁干擾，使直流測速發(fā)電機的可靠性變差。近年來，無刷直流測速發(fā)電機的發(fā)展改善了直流測速發(fā)電機的性能，提高了它的可靠性。直流測速發(fā)電機廣泛應用于自動控制系統(tǒng)、測量技術裝置及計算機裝置中。如圖4-23所示為恒速自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理框圖。圖4-23恒速自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理框圖當旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，直流伺服電動機的負載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速也將發(fā)生變化。為了使旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)速恒定，可在直流伺服電動機的輸出軸上，同軸連接一臺直流測速發(fā)電機，將直流測速發(fā)電機的輸出電壓與給定電壓的差值加在放大器的輸入端，經(jīng)放大器放大后再供給直流伺服電動機。例如，當負載轉(zhuǎn)矩減小時，直流伺服電動機的轉(zhuǎn)速增大，此時直流測速發(fā)電機的輸出電壓增大，給定電壓與的差值減小，經(jīng)放大器放大后加到直流伺服電動機上的電壓減小，直流伺服電動機開始減速，直至其穩(wěn)定在給定的轉(zhuǎn)速上。【教師】PPT講解交流測速發(fā)電機2．交流測速發(fā)電機交流測速發(fā)電機可分為同步交流測速發(fā)電機和異步交流測速發(fā)電機兩種。同步交流測速發(fā)電機是將由永磁鐵制成的磁極作為轉(zhuǎn)子的交流發(fā)電機。它的輸出電壓和頻率會隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，因此它的輸出特性曲線不是線性的。同步交流測速發(fā)電機不能對轉(zhuǎn)向做出準確的判別，因此在自動控制系統(tǒng)中很少使用，通常只用于指針式轉(zhuǎn)速計。異步交流測速發(fā)電機又可分為杯式異步交流測速發(fā)電機和籠式異步交流測速發(fā)電機兩種。其中，杯式異步交流測速發(fā)電機因其控制精度較高、結構相對簡單、噪聲低而被廣泛應用；籠式異步交流測速發(fā)電機的輸出線性度較差，僅用于對控制精度要求不高的場合。【教師】師生互動，提出以下問題：交流測速發(fā)電機與直流測速發(fā)電機有什么不同？交流測速發(fā)電機有哪些結構組成？【學生】討論、舉手回答【教師】總結點評學生的回答，并講解1）交流測速發(fā)電機的基本結構杯式異步交流測速發(fā)電機主要由內(nèi)定子、外定子及夾在它們之間的杯式轉(zhuǎn)子等組成，如圖4-24所示。圖4-24杯式異步交流測速發(fā)電機的基本結構杯式異步交流測速發(fā)電機的杯式轉(zhuǎn)子通常采用薄壁非磁性杯狀結構，由高電阻率的非磁性材料制成。內(nèi)、外定子兩相繞組的空間電角度相差90°，一個為勵磁繞組，一個為輸出繞組。杯式轉(zhuǎn)子的內(nèi)、外兩側(cè)由內(nèi)、外定子構成磁路。對于機座外殼直徑較小的杯式異步交流測速發(fā)電機，兩相繞組均放在內(nèi)定子上；對于機座外殼直徑大于或等于36

mm

的杯式異步交流測速發(fā)電機，常將勵磁繞組放在外定子上，輸出繞組放在內(nèi)定子上，并且在內(nèi)定子上還裝配有一個可轉(zhuǎn)動的調(diào)節(jié)裝置，通過調(diào)節(jié)內(nèi)、外定子間的相對位置來減小或消除剩余電壓?！窘處煛恳曨l講解交流測速發(fā)電機的工作原理2）交流測速發(fā)電機的工作原理如圖4-25所示為杯式異步交流測速發(fā)電機的工作原理，其中勵磁繞組應接到幅值和頻率均不發(fā)生變化的電壓上。圖4-25杯式異步交流測速發(fā)電機的工作原理當杯式轉(zhuǎn)子靜止（）時，勵磁繞組產(chǎn)生磁通為的脈動磁場（縱軸方向），該磁場穿過杯式轉(zhuǎn)子繞組，在杯式轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生相應的感應電流。由于杯式轉(zhuǎn)子繞組的電阻遠大于電抗，感應電流所產(chǎn)生磁場的方向與縱軸方向基本一致，仍與輸出繞組正交，因此在輸出繞組中不會產(chǎn)生感應電壓，輸出電壓為零。當杯式轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)動時，杯式轉(zhuǎn)子會切割磁通為的脈動磁場，并在杯式轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生相應的感應電流。由于杯式轉(zhuǎn)子繞組的電阻遠大于電抗，感應電流所產(chǎn)生磁場的方向與輸出繞組的軸線方向基本一致，因此在輸出繞組中有感應電壓產(chǎn)生，并且輸出電壓的大小與杯式轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n成正比。當杯式轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時，輸出電壓的大小仍然與杯式轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n成正比，但相位與杯式轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時輸出電壓的相位相反?！窘處煛繋熒?，提出以下問題：交流測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)速與哪些因素有關？有哪些特點？【學生】討論、舉手回答【教師】總結點評學生的回答，并講解3）交流測速發(fā)電機的特點及應用杯式異步交流測速發(fā)電機的技術性能比其他類型的交流測速發(fā)電機的優(yōu)越。杯式異步交流測速發(fā)電機結構相對簡單且噪聲低，無干擾，體積較小，但受電源頻率和電機本身溫度的影響較大，穩(wěn)定性較差。杯式異步交流測速發(fā)電機常用于反饋穩(wěn)速系統(tǒng)中，作為阻尼元件；還用于計算機、解算裝置中，作為微分元件、積分元件等。三、永磁無刷電動機【教師】PPT講解永磁無刷電動機1．永磁無刷電動機的基本結構永磁無刷電動機是指依賴轉(zhuǎn)子位置信息，通過電子電路進行換相或電流控制的永磁電動機。它主要由定子、轉(zhuǎn)子、傳感器定子、傳感器轉(zhuǎn)子等組成，如圖4-26所示。圖4-26永磁無刷電動機的基本結構永磁無刷電動機的驅(qū)動電流有正弦波和方波兩種形式，其中驅(qū)動電流為正弦波的電動機通常被稱為永磁交流伺服電動機，驅(qū)動電流為方波的電動機通常被稱為永磁無刷直流電動機。按電動機有無傳感器，永磁無刷電動機可分為有傳感器電動機和無傳感器電動機兩種。【教師】組織學生分組討論，提出以下問題：結合永磁無刷電動機的結構，永磁無刷電動機是如何轉(zhuǎn)動起來的？有哪些特點？【學生】討論、舉手回答【教師】總結點評學生的回答，并講解2．永磁無刷電動機的工作原理永磁無刷電動機的轉(zhuǎn)子由多級永磁體構成，可通過外部電源供給電脈沖信號來控制永磁無刷電動機的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩。永磁無刷電動機通常需要根據(jù)其轉(zhuǎn)子位置信息來確定電源的開關時間和磁極的正反轉(zhuǎn)，通過不斷改變磁場和電力狀況，從而推動永磁無刷電動機正常轉(zhuǎn)動。3．永磁無刷電動機的特點及應用永磁無刷電動機不僅具有與直流電動機相似的調(diào)速性能，還具有結構簡單、節(jié)能、運行效率高、使用壽命長、質(zhì)量小、噪聲小等特點。在家用電器領域，永磁無