电气控制技术 第二版 电气控制技术 第4章.ppt

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1、控制电机及其驱动控制第4章本章导言前面章节所介绍的各种电机，都是作为动力来使用的，主要任务是能量的转换。各种控制电机的主要任务是转换和传递控制信号，本章主要介绍伺服电动机的基本结构与工作原理;伺服驱动系统的组成与相关的原理;数控伺服系统的自诊断功能。通过学习提高对故障产生的原因进行综合判断的能力。4.1步进电动机及其驱动控制步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制并将电脉冲信号转换成相应的角位移的执行器，也称脉冲电动机。如数控机床CNC装置发出的指令脉冲通过步进电动机驱动器（也称步进电动机驱动电源），使步进电动机产生角位移，并通过齿轮

2、和丝杠带动工作台移动。4.1.1步进电动机1.步进电动机的基本类型根据电动机的结构与材料的不同，步进电动机分为反应式（VR）、永磁式（PM）和混合式（HB）三种基本类型。反应式步进电动机是依靠改变电动机的定子和转子的软钢齿之间的电磁力来改变定子和转子的相对位置，这种电动机结构简单、步距角小;永磁式步进电动机的转子铁芯上装有多条永久磁铁，转子的转动与定位是由定、转子之间的电磁引力与磁铁磁力共同作用的。与反应式步进电动机相比，相同体积的永磁式步进电动机的转矩大，步距角也大;混合式步进电动机结合了前两者的优点，采用永久磁铁提高电动机的转

3、矩，采用细密的极齿来减小步距角。如数控机床常采用功率型反应式或混合式步进电动机，功率型步进电动机可以直接驱动较大的负载。2.步进电动机的工作原理反应式步进电动机和混合式步进电动机的结构虽然不同，但其工作原理相同，下面以反应式步进电动机为例，来分析说明步进电动机的工作原理。图4-1所示为三相反应式步进电动机的工作原理图。反应式步进电动机是按电磁吸引的原理工作，其定子上有六个磁极，每个磁极上有A、B、C三相激磁绕组，构成三对磁极，转子无绕组，有周向均布的齿，当定子绕组按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极就依次产生磁场，对转子上的齿产生

4、电磁转矩，并吸引它，使它一步一步地转动。具体工作过程如下:当A相通电时，转子的1号、3号两齿在磁场力的作用下与AA磁极对齐。此时，转子的2号、4号齿和B相、C相绕组磁极形成错齿状。当A相断电而B相通电时，新磁场力又吸引转子2号、4号两齿与BB磁极对齐，转子顺时针转过30°。如果控制线路不断地按A→B→C→A的顺序控制步进电动机绕组的通、断电，步进电动机的转子便会不停地顺时针转动。很明显，A、B、C三相轮流通电一次，转子的齿移动了一个齿距360°/4=90°。图4-1三相反应式步进电动机的工作原理若图中的通电顺序变成A→C→B→A，

5、同理可知，步进电动机的转子将逆时针不停地转动。上述的这种通电方式称为三相单三拍。“拍”是指从一种通电状态转变为另一种通电状态;“单”是指每次只有一相绕组通电;“三拍”是指一个循环中，通电状态切换的次数是三次。三相六拍的通电方式，它是按照A→AB→B→BC→C→CA→A的顺序通电。若以三相六拍的通电方式工作时，当A相断电而A、B相同时通电，转子的齿将同时受到A相和B相绕组产生的磁场的共同吸引力，转子的齿只能停在A相和B相磁极间;当由A、B相同时断电而B相通电时，转子上的齿沿顺时针转动，并与B相磁极齿对齐，其余以此类推。这样步进电动机

6、转动一个齿距，需要六拍操作。对于一台步进电动机，运行k拍可使转子转动一个齿距位置。通常，将步进电动机每一拍执行一次步进，其转子所转过的角度称为步距角。如果转子的齿数为z，则步距角α为α=360°/zk式中k———步进电动机的工作拍数;z———步进电动机的齿数。对于上图所示的步进电动机，由于它采用了三拍方式工作，故其步距角α=360°/3×4=30°而三相六拍运行的步进电动机，其步距角则为α=360°/6×4=15°上述讨论的步进电动机，其步距角都比较大，而步进电动机的步距角越小，意味着它所能达到的位置精度越高，所以在实际应用中都采

7、用小步距角，常采用图4-2所示的实际结构。电动机定子有三对六个磁极，每对磁极上有一个励磁绕组，每个磁极上均匀地开着五个齿槽，齿距角为9°。转子上没有线圈，沿着圆周均匀分布了40个齿槽，齿距角也为9°。定子和转子均由硅钢片叠成。定子片的三相磁极不等距，错开1/3的齿距，即有3°的位移。这就使A相定子的齿槽与转子齿槽对准时，B相定子齿槽与转子齿槽相错1/3齿距;C相的定子齿槽与转子齿槽相错2/3齿距。这样才能在连续改变通电状态下，获得连续不断的步进运动。此时，如步进电动机工作在三拍状态，它的步距角为α=360°/3×40=3°如工作在

8、六拍状态，则步距角为α=360°/6×40=1.5°若步进电动机通电的脉冲频率为f，则步进电动机的转速为n=60f/zk图4-2电动机定子与转子的结构4.1.2步进电动机的驱动控制步进电动机的运行特性不仅与步进电动机本身和负载有关，还与配套使用的驱