步进电机伺服电机工作原理

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。
7.2.3 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。
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。
二、三相单双六拍
三相绕组的通电顺序为： A AB B BC C CA A 共六拍。
工作过程：
A
B'
C'
1
4
2
C
3
B
A'
A相通电，转子1、3齿和A相对齐。
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°。
§7.1 概述
前面介绍的异步电动机、直流电动机等都是作为动力使用的，其主要任务是能量转换，例如将电能 转换为机械能。本章介绍控制电机。
控制电机的主要功能是转换和传递信号。 如：伺服机将电压信号转换为转矩和转速；
步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移。
对控制电机的主要要求：动作灵敏、准确、 重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等。U检放 I2 Nhomakorabea测
元
大
件
器
U 2
控制电压 与电源电压 两
UU 者频率相同，相位相同或2反相。
控制绕组的接线
工作时两个绕组中产生的电流 的作用下，转子转动起来。
和
I I 的相位差近90°，因此便产生旋转磁场。在旋转磁场
1
2
交流伺服电动机的特点： （1）U2= 0 时，转子停止。 这时，虽然U2 =0V，U1仍存在，似乎成单相运行状态，但和单相异步机不同。若单相 电机启动运行后，出现单相后仍转。伺服电机不同，单相电压时设备不能转。
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 = 齿
A 相和 C 相差240，含240/ 9 = 个齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对齐时， 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
励磁绕组中串联电容C的目的是为了产生两相旋转磁场。
适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近90 ，因此便产生旋转磁场，在旋转磁 场的作用下，转子便转动起来。
例：选择电容，可使交流伺服电机电路中的电压电流的相量关系如图所示。
U
I1 U C
U 1
励磁绕组的接线
U1 1
I1 U U C
控制信号
7.3.2 直流伺服电动机 结构：与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做得细长一些。
工作原理：与直流电动机相同。 供电方式：他励。励磁绕组和电枢由两个独立电源供电：
Ia
If
放
大 器
U2
U1
U
M
U1为励磁电压，U2为电枢电压。
直流伺服电机的机械特性公式与他励直流电机
n
一样：
n
U2
K E
Ra
KE KT 2
种类： 有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子
上没有励磁线圈。
应用： 步进机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动
绘图仪等设备中都得到应用。
下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。
7.2.1 结构 步进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 。
A 相通电使转子1、3齿和 AA' 对齐。
A
B'
C'
C
B
A'
A
B'
C'
C
B
A'
同理，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 ；C相通电再转30 。
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。
三相单三拍的特点： （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。
原因：交流伺服电机 R2设计得较大。所以在U2=0时，交流伺服电机的T=f(s)曲线如下页 图：
T 正转 T'
反转
0
1
2
T
1
T"
s' 2 0 s"
交流伺服电动机的T=f(s)曲线（U2=0时）
当U2=0V时，脉动磁场分成的正反向旋转磁场产生的转距T 、T 的合成转矩 T 与单相异步机不同。合 成转矩的方向与旋转方向相反，所以电机在U2=0V时，能立即停止，体现了控制信号的作用(有控制电压时转 动，无控制电压时不转)，以免失控。
（2）交流伺服电机 R2设计得较大，使Sm>1，Tst大，启动迅速，稳定运行范围大。
（3）控制电压 U2 大小变化时，转子转速相应变化，转速与电压 U2 成正比。U2 的极性改变时，转 子的转向改变。
n
n
T T
交流伺服电动机的机械特性曲线( U1=const )
应用
交流伺服电机的输出功率一般为0.1-70 W，电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广泛， 如用在自动控制、温度自动记录等系统中。
13 1 2/3个齿（6）。 3 26 2 3
（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 。
异步机的转动方向仍由相序决定。
步进机通过一个电脉冲,转子转过的角度,称为 步距角。
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：
A相B相C相
通电顺序也可以为： A 相 C 相 B 相
（3）工作过程
A
B'
C'
1
4
2
C
3
B
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。
伺服电动机分类： 交流伺服电动机和直流伺服电动机。
7.3.1 交流伺服电动机 原理与两相交流异步电机相同，定子上装有两个绕组 — 励磁绕组和控制绕组。
励磁绕组
控制绕组
励磁绕组和控制绕组在空间相隔90 。
转子
接线：
U
I1 U C U 1
U
控制信号
检
放
测
元
大
件
器
I2 U 2
励磁绕组的接线
控制绕组的接线
步距角
S
360 Zrm
如：Zr=40 , m=3 时
m:一个周期的运行拍数 Zr：转子齿数
S
360 40 3
3
转速
n 60 f s
360
f：电脉冲的频率
§7.3 伺服电动机 伺服电动机的作用 伺服电动机的作用是驱动控制对象。被控对象的转距和转速受信号电压控制，信号电压的大小和 极性改变时，电动机的转动速度和方向也跟着变化。
B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15 。
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 。
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'
AB通电
A
B'
C'
C
B
A'
BC通电
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30 ，即 S = 30 。
控制电机的种类很多，本章主要介绍步进机、伺服机。
§7.2 步进电动机
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)来一个脉冲，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，改变方向。
定子绕组 转子
定子
转子
A IA
定子
IC C
IB
B
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，这主要是指线图 的联接和组数的区别。
7.2.2 工作方式 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。
T
T
机械特性曲线
由机械特性可知： (1)U1（即磁通 ）不变时，一定的负载下，U2 ,n 。 (2)U2=0时，电机立即停转。
反转：电枢电压的极性改变，电机反转。
应用：
直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。经常用在功率稍大的系统中，它的输出功率一般为1600W。它的用途很多，如随动系统中的位置控制等。