特种电机及其控制》-第3章Stepping Motor(1)
特种电机及其控制课程设计
特种电机及其控制课程设计摘要本文介绍了特种电机及其控制课程设计的主要内容，包括研究背景、课程设计目的、课程设计内容、实验步骤、实验结果及其分析等。
通过本次课程设计，学生可以通过实验研究、探究特种电机的组成结构、工作原理、控制方式，从而加深对特种电机的理解和掌握。
研究背景随着工业自动化、信息化程度的不断提高，磁悬浮风扇、直线电机、盘式交流电机等各种特种电机应用越来越广泛，其控制原理和方法也变得越来越重要。
因此，在特种电机及其控制方面的研究也日益受到重视。
为此，本文开展了一次特种电机及其控制课程设计，旨在提高学生对特种电机的控制能力。
课程设计目的本次课程设计旨在使学生：1.掌握特种电机的组成结构、工作原理；2.熟悉特种电机的控制方式；3.理解特种电机控制电路的设计和调试方法；4.能够通过实验，了解特种电机的实际运行情况。
课程设计内容本次课程设计的主要内容包括：1.磁悬浮风扇的控制；2.直线电机的控制；3.盘式交流电机的控制。
其中，磁悬浮风扇和直线电机的控制可以选择单片机控制或者模拟控制方式；盘式交流电机的控制可以选择PWM控制方式或者矢量控制方式。
实验步骤磁悬浮风扇的控制1.搭建磁悬浮风扇实验平台，包括磁浮轴、传感器、控制单元等；2.选择单片机或者模拟电路控制方式，构建磁悬浮风扇的控制电路；3.进行磁悬浮风扇的开环、闭环控制实验，并记录实验结果。
直线电机的控制1.搭建直线电机实验平台，包括直线电机、传感器、控制单元等；2.选择单片机或者模拟电路控制方式，构建直线电机的控制电路；3.进行直线电机的速度、位置、力的控制实验，并记录实验结果。
盘式交流电机的控制1.搭建盘式交流电机实验平台，包括交流电机、电压源、传感器、控制单元等；2.选择PWM控制方式或者矢量控制方式，构建盘式交流电机的控制电路；3.进行盘式交流电机的速度、位置、力的控制实验，并记录实验结果。
实验结果及其分析通过磁悬浮风扇、直线电机、盘式交流电机的控制实验，得到了实验数据。
自动化控制中的特种电机
自动化控制中的特种电机目前以电路网络为中心的传统控制系统逐步被PLC控制系统所替代。
以PLC为核心的控制系统可以达到更精确的控制效果，能对复杂系统、非线性系统实现复杂、智能的控制算法，达到良好的效果。
通过网络也能实现远程控制。
特种电机的出现是社会对生产效率，产品质量，产品精度的要求提高的必然结果。
本文讨论的是特种电机中的步进电机与伺服电机。
标签：产生;原理;现状1970年，英国Leeds大学步进电机研究小组首创一个开关磁阻电机（Switchednbsp;Reluctancenbsp;Motor，nbsp;SRM）雏形，这是关于开关磁阻电机最早的研究。
1972年，进一步对带半导体开关的小功率电动机（10w～1kw）进行了研究。
到了1975年有了实质性的进展，并一直发展到可以为50kw的电瓶汽车提供装置。
上个世纪80年代初随着电力电子、微电脑和控制技术的迅猛发展而突飞猛进发展起来的一种新型调速驱动系统，具有结构简单、运行可靠及效率高等突出特点。
连续控制系统能反映信号的通与断，信号的大小和变化，使控制系统获得更好的静态与动态特性，完成更复杂的控制任务。
随着电力电子技术、控制理论以及微处理器技术的发展，电力电子变换器供电的连续控制系统使电力控制执行系统的性能指标出现了很大变化，不仅可以满足快速启、制动以及正、反转的要求（即四象限运行状态），而且可以确保整个电力控制执行系统工作在具有较高的调速、定位精度和较宽的调速范围内。
这些性能指标的提高，使得设备的生产率和产品质量大大提高。
不仅仅在电力系统，在复杂工件的加工，复杂轨迹的控制和实现里具有广泛应用。
在轻工业方面的用处更加广泛。
步进电动机（steppingmotor）步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
特种电机的结构、控制原理及应用.
课程设计报告课题名称特种电机的结构、控制原理及应用目录摘要 (II)ABSTRACT........................................................................................................................................ I II 第1章绪论 . (1)1.1 课题背景 (1)1.2 课题意义及主要工作 (1)第2章步进电动机 (2)2.1步进电动机的分类、结构及特点 (2)2.1.1步进电动机的分类 (2)2.1.2步进电动机的结构及特点 (2)2.2步进电动机的工作原理、主要参数及特性 (4)2.2.1步进电动机的工作原理 (4)2.2.2主要参数及特性 (5)2.3步进电动机的应用 (6)第3章三相交流伺服电动机 (7)3.1交流伺服电动机结构 (7)3.2交流伺服电动机工作原理 (7)3.2.1交流伺服电动机工作原理 (7)3.2.2交流伺服电动机有以下三种转速控制方式 (8)3.3三相交流伺服电动机的应用 (8)第4章总结 (9)参考文献 (10)谢辞 .................................................................................................................. 错误！未定义书签。
摘要随着自动化技术、计算机技术、电力电子技术的发展，特别是高性能永磁材料的问世，电动机制造技术水平得到了极大的提高，也为特种电动机的制造、控制和应用提出了更高的要求，提供了更广阔的发展空间。
本旨在通过对特种电动机的构造、调速控制原理及应用的介绍，达到快速学习特种电动机控制技术及应用的目的。
本次课题设计着重介绍步进电动机、伺服电动机的的结构、控制原理及应用。
关键词：特种电机、步进电动机、伺服电动机ABSTRACTAlong with the automation technology, computer technology, the development of power electronic technology, especially the high performance permanent magnetic materials available, motor manufacturing technology level has been greatly improved, but also for the special motor manufacturing, control and application put forward higher request, provided more vast development space.This aims to construct special motor, speed control principle and application, achieve rapid learning special motor control technology and application for the purpose of. This design introduced the stepper motor, servo motor structure, control principle and application.Keywords:special motor, stepper motor, servo motor第1章绪论1.1 课题背景当今世界，各种先进的科学技术飞速发展，给人们的生活带来了深远的影响，它极大的改善我们的生活方式。
控制电机 提纲--
步进电机步进电动机（Stepping Motor，或Step Motor 、Stepper Motor）是一种可由电脉冲控制运动的特殊电动机，可以通过脉冲信号转换控制的方法将脉冲电信号变换成相应的角位移或线位移。
因此步进电动机也被称为脉冲电动机（Pulse Motor）。
步进电动机不能直接使用通常的直流或交流电源来驱动，而是需要使用专门的步进电动机驱动器通过一定的控制方式，可以使步进电动机运动时的角位移或线位移与脉冲数成正比，即其转速或线速度与输入控制脉冲的频率成正比。
在步进电动机所能承受的负载能力范围内，这种关系不会因电源电压、负载大小以及环境条件的波动而变化，因而在系统中可以采用开环的方式进行运动控制，从而使控制系统大为简化。
通常步进电动机可以在较宽的范围内通过改变输入控制脉冲的频率来实现调速，并能够做到快速起动、反转和制动。
另一种是由磁阻原理产生的。
作用力则是由定/转子间气隙磁阻的变化产生的，当定子绕组通电时，产生一个单相磁场作用于转子，由于磁场在转子与定子之间的分布要遵循磁阻最小原则（或磁导最大原则），即磁通总要沿着磁阻最小（磁导最大）的路径闭合，因此，当转子产生的磁场的磁极轴线与定子磁极的轴线不重合时，便会有磁阻力作用在转子上并产生转矩使其趋于磁阻最小的位置，即两轴线重合位置，这类似于磁铁吸引铁质物质的现象。
步进电动机的运动是受走步脉冲信号控制的，因此适合于作为数字控制系统的伺服元件。
它的直线位移量或角位移量与电脉冲数成正比，所以电机的线速度或转速与脉冲频率成正比。
通过改变脉冲频率的高低，就可以在很大的范围内调节电机的转速，并能实现快速启动、制动和反转。
步进电动机的运动是受（电脉冲）信号控制的，通过改变（脉冲频率）的高低，就可以在很大的范围内调节电机的转速，并能实现电机的（ABC）【A启动B制动C反转】。
步进电动机按产生转距的方式不同可分为反应式、激磁式及混合式三种。
反应式步进电动机的定转子都是凸极结构，是利用磁阻最小原理工作。
特种电动机教学课件pptx
定子和转子均由硅钢片叠压而成 ，转子上无绕组，定子上有集中 绕组，具有结构简单、坚固耐用
等优点。
工作原理
利用磁阻最小原理产生电磁转矩， 通过控制开关器件的通断来实现电 动机的运行。
应用领域
适用于各种需要调速和高效率的场 合，如纺织机械、印刷机械等。
直流无刷电动机
结构特点
采用电子换向器代替机械 换向器，具有无级调速、 高效率、低噪声等优点。
性能测试
对驱动系统进行性能测试，如 效率、噪音、可靠性等指标
优化改进
针对测试结果进行优化改进， 提高驱动系统性能
06
特种电动机应用领域探讨 与展望
新能源汽车领域应用现状及前景分析
01
新能源汽车市场现状及趋势
随着环保意识的提高和政策的推动，新能源汽车市场迅速增长，对特种
电动机的需求也日益增加。
02
包括电源、控制器、功率变换器 、电动机等部分
设计要求
高效率、低噪音、高可靠性、长 寿命等
特种电动机特点
如高速、高精度、大扭矩等，对 驱动系统提出更高要求
硬件电路设计实例分析
主电路设计
控制电路设计
保护电路设计
电磁兼容性设计
电源电路、功率变换器 电路等
控制器电路、信号调理 电路等
过流保护、过温保护等
减少电磁干扰，提高系 统稳定性
分类
根据工作原理和结构特点，特种 电动机可分为永磁同步电动机、 开关磁阻电动机、直线电动机、 超声波电动机等。
发展历程及现状
发展历程
从最初的直流电动机到交流电动机， 再到特种电动机的逐步发展，经历了 漫长的历程和不断的技术创新。
现状
随着科技的不断进步和应用需求的不 断提高，特种电动机在各个领域得到 了广泛的应用，并形成了多样化的产 品系列。
2024版《特种电机》课程教学大纲[1]
![2024版《特种电机》课程教学大纲[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/8d8be26e0622192e453610661ed9ad51f01d54b4.png)
随着科技的不断发展，特种电机的应用领域越来越广泛，对相关人才的需求也越来 越大。
2024/1/30
本课程旨在培养学生掌握特种电机的基本原理、设计方法和应用技能，为相关领域 输送合格人才。
4
教学目标与要求
掌握特种电机的基本原理和分类方法。 掌握特种电机的控制技术和调试方法。
了解特种电机的设计流程和制造工艺。
实验要求
学生需独立完成实验，提交实验报告，包括实验 数据、结果分析和心得体会。
实验二
特种电机控制系统设计与实现
实验目的
熟悉特种电机控制系统的设计流程，掌握相关控 制算法的实现方法。
2024/1/30
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实验环节安排及要求
2024/1/30
实验内容
设计并实现一个简单的特种电机控制系统，包括硬件电路搭建 和软件编程。
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直流无刷电机
01
02
03
无电刷、低维护
直流无刷电机采用电子换 向器代替传统的机械电刷， 因此具有无电刷、低维护 的优点。
2024/1/30
高效节能
直流无刷电机在运行时能 够保持较高的效率和功率 密度，适用机具有较宽的 调速范围和平滑的调速特 性，能够满足各种复杂的 运动控制需求。
特种电机控制策略与方法
2024/1/30
16
控制策略概述
2024/1/30
特种电机控制策略的定义和分类
01
明确特种电机控制策略的基本概念，包括开环控制、闭环控制、
矢量控制、直接转矩控制等。
特种电机控制策略的发展历程
02
介绍特种电机控制策略的发展历程，以及未来发展趋势。
特种电机控制策略的应用领域
《电机与电气控制技术》教学课件项目03认识特种电动机
目录
项目3 认识特种电动机
任务1 认识步进电动机 任务2 认识伺服电动机
学习重点
了解步进电动机的作用和用途。 熟悉步进电动机的结构和工作原理。 了解步进电动机的驱动电路及控制方式。 了解伺服电动机的特点、用途和分类。 了解伺服电动机的基本工作原理和主要运行性能。 了解典型伺服控制系统的组成。
4
一、步进电动机的分类
5
一、步进电动机的分类
2.永磁式步进电动机 永磁式步进电动机定子、转子铁芯的其中之一以永磁材料制造 （大多数是转子），另一件用软磁材料。永磁式步进电动机的激磁绕 组通电时需要规定它的激磁极性，如果使其激磁磁场做连续回转运动， 实质上它就成了一台永磁同步电动机。 3.混合式步进电动机 顾名思义，混合式步进电动机就是反应式与永磁式步进电动机的 混合，它利用部分永磁材料的磁性来减小反应式步进电动机的激磁电 流和在断电以后获得一定数量的剩余转矩，但它的工作转矩并不完全 依靠永磁，所以步矩角可以与反应式步进电动机相近。
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二、步进电动机的主要特性
11
拓展知识
步进电机故障分析 一、步进电机常见问题 1.细分驱动器的细分数是否能代表精度 步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术，其主要目的是 减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术 的一个附带功能。比如对于步进角为1.8°的两相混合式步进电机，如 果细分驱动器的细分数设置为4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲 0.45°，电机的精度能否达到或接近0.45°，还取决于细分驱动器的细 分电流控制精度等其他因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很 大；细分数越大精度越难控制。
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拓展知识
（3）步进电机发热随速度变化的情况。 采用恒流驱动技术时，步进电机在静态和低速下，电流会维持相 对恒定，以保持恒力矩输出。速度高到一定程度，电机内部反电势升 高，电流将逐步下降，力矩也会下降。因此，因铜损带来的发热情况 就与速度相关了。静态和低速时一般发热高，高速时发热低。但是铁 损（虽然占的比例较小）变化的情况却不尽然，而电机整个的发热是 二者之和，所以上述只是一般情况。
特种电机及其控制课程设计(2024)
直线电机的控制方式类似于旋转电 机，可以通过调节电流、电压或 PWM信号等实现对电机的速度、位 置和力的精确控制。
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各自特性比较分析
01
02
03
永磁同步电机
高效率、高功率密度、宽 调速范围、高精度控制等 特性，适用于高性能伺服 系统等领域。
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开关磁阻电机
简单结构、低成本、高效 率、宽调速范围等特性， 适用于家用电器、工业驱 动等领域。
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THANK YOU
2024/1/28
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直线电机
高精度定位、高速度、高 加速度等特性，适用于高 精度数控机床、激光切割 机等领域。
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03
控制策略与方法探讨
2024/1/28
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矢量控制策略
2024/1/28
矢量控制基本原理
01
通过坐标变换将交流电机等效为直流电机，实现解耦控制，提
高动态性能。
矢量控制实现方法
02
采用SVPWM、SPWM等调制技术，结合PI调节器、电流环、
特种电机是指具有特殊结构、特 殊工作原理和特殊应用领域的电 机，不同于常规电机。
特种电机分类
根据电机的结构、工作原理和应 用领域，特种电机可分为永磁电 机、开关磁阻电机、超声波电机 、直线电机等。
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控制技术发展现状
2024/1/28
控制技术概述
控制技术是研究如何对动态系统进行控制和优化的技术， 是实现自动化、智能化和高效化的关键。
电机驱动与控制系统的集 成化
未来特种电机驱动与控制系统 将更加注重集成化设计，实现 更小的体积、更高的效率和更 好的可靠性。
人工智能在特种电机控制 中的应用
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（1）每来一个电脉冲，转子转过 30。此角称为
步距角，用S表示。
（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序， 改变通电顺序即可改变转向。
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12
二、三相单双六拍
三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。
工作过程：
A B' 1 C'
42
C 3B
A'
A相通电，转子1、3齿和A相对齐。
第3章 步进电动机及其 控制
Stepping Motors
2021/3/2
1
3.1 步进电动机的结构与工作原理
机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号
转换成线位移或角位移的电机。每来一个 电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移 动一小段距离。
特点：(1)给一个脉冲，转一个步距角。
(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变转动方向。
步进电机轮流通电方式——分配方式 每一次循环所包含的通电状态数——拍数 状态数=相数——单拍制分配方式
(如：三相单三拍、四相双四拍) 状态数=相数的两倍——双拍制分配方式
(如：三相六拍、四相八拍)
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f
相
f N
通电脉冲频率 拍数
22
2) 步距角 步进机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为步距角。
A 相通电使转子1、3齿和 AA' 对齐。
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10
A
B'
C'
C
B
A'
B相通电，转子2、4齿 和B相轴线对齐，相对A 相通电位置转30；
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A
B'
C'
C
B
A'
C相通电再转30
11
这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电， 而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相 单三拍。
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A、B相同时通电
A
B'
C'
C
B
A'
（1）BB' 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向转动。
（2）AA' 磁场继续对1、3齿有拉力。
所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA'
通电，转子转了15°。
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B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。
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2
步进电动机的种类：
通常按励磁方式分为三大类：
1）反应式：转子为软磁材料，无绕组，定、转子开小 齿、步距小。应用最广。 2）永磁式：转子为永磁材料，转子的极数=每相定子 极数，不开小齿，步距角较大，力矩较大 3）感应子式(混合式)： 转子为永磁式、两段，开小齿 ，混合反应式与永磁式优点：转矩大、动态性能好、 步距角小。但结构复杂，成本较高。
3) 不开小齿， 大步矩、大 力矩
7
混合式步进电机(Hybrid)结构
特点：转子永磁、两极，定转子均开小齿，混合二 者优点。
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8
3.1.2 工作方式
三相步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、 三相单双六拍、三相双三拍等。
一、三相单三拍
（1）三相绕组联接方式：Y 型 （2）三相绕组中的通电顺序为：
S
360 ZrN
N:一个周期的运行拍数 Zr：转子齿数
如：Zr=40 ,
N=3
时
S
360 40 3
3
1 单拍制
拍数：N=km
m:相数
k= 2 双拍制
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3) 转速
每输入一个脉冲，电机转过
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（2）A 相断电、B 相通电后，转子只需转过1/3个 齿（3），使 B 相转子、定子对齐。 同理，C 相通电再转3 ……
若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲， 转子只转 1.5 。
步进电机的转动方向仍由相序决定。
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3.1.4 步进电机的特点
1）步进电机工作时，每相绕组由专门的驱动电源通 过“环形分配器”按一定规律轮流通电。
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转子的齿距等于360/ 40=9 ，齿宽、齿槽各4.5 。
为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿， 齿宽和齿槽和转子相同。
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工作原理：假设是单三拍通电工作方式。
（1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含 120/9 = 13 1 齿 3 A 相和 C 相差240，含240/ 9 = 26 2 个 齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿3 对 齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、 定子相差 1/3 个齿（3），C相的转子、定 子相差2/3个齿（6）。
A
B'
C'
C
B
A'
总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称 为三相六拍，步距角为15。
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15
三、三相双三拍
三相绕组的通电顺序为： AB BC CA AB 共三拍。
A
B'
C'
C
B
A'
A
B'
C'
C
B
A'
AB通电
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BC通电
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A
B'
C'
C
B
A'
CA通电
工作方式为三相双三 拍时，每通入一个电 脉冲，转子也是转
5
转子
IA A
定子
IC
IB B
C
定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组 成一相。
注意：这里的相和三相交流电中的“相”的概念不
同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线路的
联接和组数的区别。
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永磁式步进电机结构
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特点
1) 转子磁极为 永磁材料
2) 定子每极相 数等于转子 极数
以反应式为例说明步进电机的结构和原理
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3
3.1.1 步进电动机结构
特点
1) 定转子开小 齿
2) 定转子均为 软磁材料
3) 小步距
反应式步进电机
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步进电机主要由两部分构成：定子和转子。它们均 由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极 。
定子绕组 转子
定子
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A相B相
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（3）工作过程
A
B' 1 C'
42
C 3B
A'
A 相通电，A 方向的磁 通经转子形成闭合回路。 若转子和磁场轴线方向 原有一定角度，则在磁 场的作用下，转子被磁
化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁
路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。
30，即 S = 30。
以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六 拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。
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3.1.3 小步距角的步进电动机
实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5 度，步距角越小，机加工的精度越高。
为产生小步距角，定、转子都做成多齿的， 图中转子40个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁 极上也有五个齿。