伺服动力元件及系统.pdf

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1、1 伺服动力元件及系统伺服动力元件及系统 机械动力学院 机电控制与物流装备研究所 王旭永 Tel: 34206053, 机械动力楼807室 机械动力学院 机电控制与物流装备研究所 王旭永 Tel: 34206053, 机械动力楼807室 课程参考书 ?梅晓榕等，自动控制元件及线路，科学出版 社，2005 （较早版本也可参考，下同） ?王春行，液压液压控制系统，机械工业出版 社，2004 ?骆涵秀，机电控制，浙江大学出版社，1994 ?陈隆昌等，控制电机，西安电子科技大学， 2003 ?何存兴等，液压传动与气压传动，华中科技 大学出版社，2004 若干先修课程基础 ?电工学电工学：磁场原理、

2、普通电机原理等 ?电子电路电子电路：典型功放电路、顺序动作的 数字电路实现等 ?液压与气压传动液压与气压传动：流体传动的概念等 ?控制理论基础控制理论基础：数学模型、动态性能分 析等 第一章：绪论 本章内容： 一、本课程概述 二、动力驱动单元在机械系统中的地位 三、开环和闭环 四、机电控制系统的组成和性能 五、伺服驱动元件的分类 六、关于本课程的学习 1.1 本课程概述 课程地位： 机械专业机电控制机电控制方向的专业必修课（36学时） 机械 执行 单元 机械 执行 单元 伺服 驱动 元件 伺服 驱动 元件 伺服伺服 驱动 元件 驱动 元件 控制 策略 控制 策略 检测单元 检测单元 指令 单元

3、 指令 单元 控制理论基础 本课程 机械设计 传感器技术 控制计算机 系统总 成：控 制系统 理论、 课程设 计 本课程的知识结构 电动 液动 气动 课程定位： 机械系统中的典型伺服驱动 课程定位： 机械系统中的典型伺服驱动 伺服 伺服（Servo)的理解 伺服，伺候服务，叫 干什么就干什么，不 多干也不少干，干的 越快越好就伺服水平 越高。 在控制系统中，输出 执行输入信号越快越 真实，其伺服控制系 统的水平也越高。 指令和控制结果的近 似达到了一定高的程 度 伺服（Servo)的理解 伺服，伺候服务，叫 干什么就干什么，不 多干也不少干，干的 越快越好就伺服水平 越高。 在控制系统中，输出

4、 执行输入信号越快越 真实，其伺服控制系 统的水平也越高。 指令和控制结果的近 似达到了一定高的程 度 2 本课程内容的组成 元件：元件： ?伺服电机（直流、交流、步进） ?液压伺服驱动元件（阀控缸、马达，伺服阀） ?气压伺服驱动元件 ?伺服驱动元件的功率放大器 系统：系统： ?由伺服驱动元件等组成的伺服系统（位置、速度、 力等） 工程案例：工程案例： ?机电一体化系统、实验 1.2 动力驱动单元在机械系统 中的地位 ?机械系统离不开动力驱动 ?动力驱动构成了机械产品的核心单元 ?动力驱动单元的品质往往决定了整个机械 产品（或系统）的质量等级：普通级、伺 服级（注意：精密级不一定就是伺服级）

5、例如1：汽车动力：如混合动力车（发动机 电动马达） 例如2：贴片机动力：多自由度伺服驱动 1.3 开环和闭环 ?本课程讨论的动力驱动通常用在闭环系 统中（典型应用场合）。 ?闭环和开环的概念：是否存在反馈。 ?善于确定工程系统采用开环控制还是闭 环控制是机电一体化设计人员的最基本 素质之一。 开环与闭环的核心区别？ 机电系统 ?是否存在传感器 ?在线连续检测 ?在线连续反馈 ?使输入量与输出量不断进行比较并对控 制信号作即时调节 闭环实现的最终效果 ?按一定精度、一定响应速度来复现或跟 踪输入指令的机械参数（位置、速度、 力等）控制 ?达到的精度和响应速度根据不同的实现 方式和方法会有所不同

6、?作为例外，特定条件下的开环控制有时 也一定程度上具有闭环的效果，但可靠 性未必保证 系统实例认识 ?五工位模拟加工系统 ?二级倒立摆系统 ?大型平板运输车的调平驱动 ?基于开关元件的流量控制 3 零件吸 附和抓 举 零件提 升和到 位 零件加 工和换 位 零件 物流 移位 零件 分类 入库 五工位模拟 加工系统 五工位模拟 加工系统 考虑：系统中的相 关驱动是开环驱动 还是闭环驱动？ 考虑：系统中的相 关驱动是开环驱动 还是闭环驱动？ 五工位模拟加工系统的讨论 动力驱动的性质： ?驱动是否存在检测？ ?开关驱动或连续调节驱动？ ?属于什么系统？ ?为什么？ 二级倒立摆系统二级倒立摆系统 考虑

7、：系统中的相 关驱动是开环驱动 还是闭环驱动？ 考虑：系统中的相 关驱动是开环驱动 还是闭环驱动？ 旋转驱动一旋转驱动一 旋转驱动二旋转驱动二 二级倒立摆系统的讨论 动力驱动的性质： ?驱动是否存在检测？ ?是否在线连续检测？ ?属于什么系统？ 案例分析 行走驱动、转向驱动、调 平驱动 这里重点关注调平驱动系 统： 要求：车在坡道上行驶时 平板支撑面能随时保持 水平。 实现原理？ 开环或闭环？ 大型重载（100吨） 平板运输车的驱动： 案例分析：基于气动开关阀的流 量控制 开关阀1和开关阀2， 同时一开一闭 流量传感器 位置传 感器 管 道 和 阀 4 开关控制的分析 ?缺点：只有开和关两种极

8、值控制的选择 （没有连续过渡中间量的选择） ?优点：阀的结构简单、控制方便 在给阀芯输入位移正弦信号时其 输出会是什么样的响应效果？ 高速开关控制的实际效果 阀 芯 位 移 量 时间 关注点： ?信号类型 ?频率 ?跟踪响应评价 ?开环或闭环？ ?如果频率减 小，效果怎样？ 增大呢？ ? 1.4、机电控制系统的组成和性能 进一步的两个实例 实例一：伺服往复运动平台 工作台 旋转 直线 转换 器 负载负载 功 放 驱动电 机 直线传感器 指令 实例二：冶金行业自动厚度 控制（AGC）系统 液压AGC系统 是提高热连轧 钢板板厚精 度、控制板 形、提高带材 合格率的重要 技术。 AGC系统的动 态

9、品质、静态 品质的好坏直 接影响系统的 稳定性，响应 的快速性和控 制精度。 实 现 原 理 带有位置等多种传感器、以液压缸 为驱动执行元件的位置伺服系统 5 机电控制的组成 ?伺服动力驱动 ?执行元件和负载 ?反馈元件 ?控制器（硬件） ?控制策略（软件） ? 机电控制系统（设备） 的常见性能指标 ?使用寿命 ?平均无故障工作时间 ?功率与效率 ?稳态精度（定位精度） ?动态性能（稳定裕量、调节时 间、闭环频宽） ?最大速度、最小平稳速度 ?超调量 考虑一下： 这些性能指 标中哪些是 与系统中的 驱动元件有 直接紧密关 联的 考虑一下： 这些性能指 标中哪些是 与系统中的 驱动元件有 直接紧

10、密关 联的？ 1.5、伺服驱动元件的分类 1.5.1 驱动源（1） 原始驱动：人力和畜 力驱动（纤夫、骡 拉磨、狗拉雪橇 等） 行走机械的动力驱 动： 汽油、柴油类发动机 驱动、氢发动机、混 合动力、变频电机、 液压驱动等 驱动源（2） 机械系统中的常见动力驱动： ?螺线管电磁铁 ?普通电机 ?伺服电机 ?液压传动 ?液压伺服驱动 ?气压驱动 驱动源（3） 其它特殊类： ?形状记忆合金 （形状位移驱动随 温度变化，但有较 明显的非线性） ?压电晶体微驱动 （高固有频率、高频 响、微小位移） 6 1.5.2 机电控制的基本类型 ?气压控制系统 ?液压控制系统 ?电气控制系统 1.5.3 驱动元件

11、的种类 ?开环驱动：普通电机、液压传动、气压 传动 ?闭环驱动：交直流伺服电机、液压伺 服、气压伺服 ?半闭半开：步进电机 1.5.4 伺服元件的分类 （1） 伺服电机： ?直流伺服电机 ?交流伺服电机 ?步进电机 伺服元件的分类（2） 流体控制元件（液压、气压）： ?伺服阀 ?比例阀（大功率、快响应场合） ?开关阀（轻捷场合） 伺服驱动元件之间的竞争 各种伺服驱动元 件的特点决定 了其在相应应 用场合的优劣 与取舍 关注： 电、液、气驱动 元件的特点 注塑机中的各种驱动 雷达驱 动系统 1.5.5 应用场合 按负载和功率大小排序： 线圈电磁铁 线圈电磁铁 步进电机 步进电机 气动 气动 交直

12、流电机 交直流电机 液压 液压 按响应的快速性大小排序？ 按价格的高低排序？ 7 1.6 关于本课程的学习（1） ?从机电控制系统的角度学习，培养利用 元件来设计和构建系统的能力 ?重点不是设计伺服元件，而是要了解其 原理并应用在系统中。 ?必要时根据其原理，可对伺服元件作局 部修正 关于本课程的学习（2） 知晓伺服元件的数学描述数学描述，以便对系统进行合 理的分析设计 数学模型的作用： 动态特性、稳定性等理论分 析和系统设计综合的基础 关于本课程的学习（3） 熟悉伺服元件的应用方式或方法 、伺服 动力元件参数的合理选用，掌握设计系 统的能力 如：步进电机的应用特点 ?可作开环控制，但有闭环效

13、果 ?常作位置控制 ?中小功率场合 ?有限的分辨率 前面的实例：伺服往复 运动平台 工作台 旋转 直线 转换 器 负载负载 功 放 驱动电 机 直线传感器 指令 通过本课程的学习，应解决： ?选择什么样的驱动？ ?驱动元件的功率及其它相关参数？ ?能达到什么精度？ ?系统的固有频率？ ?可预见的系统响应性能？ ?人是伺服驱动器吗？ ?动物是伺服驱动器吗？ ?燃烧加热是伺服驱动吗？ 本章讨论题本章思考题 试从不同角度分析、比较、归纳开环和闭环 控制系统中动力驱动的各自特点。 ？驱动元件是否存在输出量反馈并 连续纠偏调节？ ？驱动参数（位置、速度、力等） 是否具有连续调节能力 ？驱动参数（位置、速

14、度、力等） 是否存在检测 闭环开环 8 思考题(1)： 形轨道上的两 车系统方案设计 两小车沿形轨道以彼此不同的恒速同向 前行，有两种工况：停止或前行。 设计一系统使两车永不碰撞. 问：实现原理？ 开环或闭环？ 1 第二章：伺服电机 1、概论 2、直流电机和直流伺服电机 3、交流伺服电机 4、步进电机 5、其它电机 2.1 概述 关于电机的几个名称： ?微特电机（ aaaa RIEU+= aa UE emP Pc J cT、cP为与最大加速 度等相关的系数 电机参数选择方法三： 额定功率大于最大功率 从功率参数的角度（按恒功率情况处理）： 其中：PM为电机功率（kW） TLP为负载峰值转矩（N

15、m） 为负载最高角速度（rad/s） 为传动效率 1020 )5 . 25 . 1 ( LPLP M T P LP （3）电机与负载的惯量匹配 带减速器情况下的电机最大等效转距： Jm、JL分别为电机本身和负载转动惯量； 为负载加速度 i为减速器减速比，为减速器效率 TL为负载转距 LLL mmL J aT Ti J a i + =+ L a 求最佳减速比 令： 可得最佳减速比： 0= di dTm 0 LLL mL J aT i J a + = 当时 此为最佳减速比。 即：折算到电机轴上的负载转动惯量等于电 机本身的转动惯量，此时为惯量匹配。 mL JJi/ 2 0 = 1=0= L T 例

16、题1 一他励直流伺服电机，当 Ua=100 V 、转速 n1=4000r/min 时，空载电流Ia1=0.05A。 如果保持Ua不变，加负载后电流Ia2=0.2A， 转速 n1=3000r/min 。 试确定其机械特性。 15 回顾 机械特性 其中：Ct=9.55Ce a ea a aa a R nCU R EU I = = nCRIU eaaa += atem ICT= 解： 由已知条件，有： ea CR400005. 0100+= ea CR30002 . 0100+= 023. 0= e C ANmCC et /22. 055. 9= 对应4000r/min和 3000r/min的转矩：

17、 由此可确定机械特性曲线上的两点： （0.011Nm，4000r/min）， (0.044Nm，3000r/min) NmICT atem 011 . 0 05. 022 . 0 11 = NmICT atem 044. 02 . 022 . 0 22 = 例题1的机械特性曲线 0.011Nm0.044Nm 4000r/min 3000r/min Tem 思考题 0emta TCIT= aa a a UE I R = 某他励直流电机空载运行时，若不慎将 励磁回路断开，电机转速将怎样反应？ 0= f I =nCE ea n 飞车 问：如果有载运行，情况又怎样？ 1 2.3、交流伺服电机 基本原理

18、 两相绕组交流伺服电机 交流伺服电机的应用 三相异步电机 交流电机分类 ?三相（工业用） ?单相（民用） ?两相（伺服） ?异步电机 ?同步电机 发展现状 交流伺服：控制技术复杂； 直流伺服：控制技术简单 由于大功率开关器件、模拟和数字专用集 成电路、微处理机技术、材料技术和控 制技术的进步，交流伺服技术越来越具 备与直流伺服技术竞争的实力，今后的 趋势是交流伺服逐渐取代直流伺服。 但目前为止，交流电机的动态性能一般还 达不到直流伺服电机的水平 2.3.1、交流电机的基本结构和 原理 本节内容： 普通三相交流电机结构原理的回顾 两相绕组交流伺服电机 交流伺服电机的应用 三相异步电机 2.3.1

19、.1、普通 三相交流电机 结构原理 ?定子绕组 ?鼠笼式转子 简要原理：转子切 割旋转磁场，产生 感应电流和电势， 其与旋转磁场相互 作用产生力和转 矩，其方向与旋转 磁场相同。 三相电流产生的旋转磁场 tIi mA sin= )120sin(=tIi mB )120sin(+=tIi mC 三相对称 电流通入 三相对称 绕组时， 在电机内 部产生一 个圆形旋 转磁势 定子绕组通以三相电流 时，各相绕组中的电流 将产生自己的磁场，三 相电流产生的总磁场不 仅随时间变化，而且在 空间旋转。 2 交流电机工作原理实验 ?当转动手柄 使永久磁铁旋 转时，鼠笼转 子也会跟着磁 铁转动起来。 ?转子的转

20、速 比磁铁慢 ?当磁铁的旋 转方向改变 时，转子的旋 转方向也跟着 改变。 2.3.1.2、几个概念 （1） ?旋转磁场:由定子绕组中 的多相交流电流产生。 三种运动磁场： ?圆形（普通三 相电机） ?椭圆 ?脉振（单相电 机） 三相电机中任意两相的端子 与电源的联接对换，旋转磁 场的方向就会改变。 多相电流的优点之一：可 以产生等效旋转磁场。 几个概念 （2） ? 同步转速 ns（旋转磁场的转速）：与电机 极数和电源频率有关： 式中，f为电源频率；p为电机极对数（一个N 极和一个S极构成一个极对）。 min)/( 60 )/(r p f sr p f ns= 几个概念 （3） ? 转差率s：

21、 s s s n nn n n s = = 转差率越大，转子速度越低。当s = 0， 转子转速与定子磁场转速相同，不产生 转矩。通常圆形磁场作用下的n为ns的 5/6左右。 转子电磁力的产生 ?转子速度小于定子旋转磁场转速（即异 步），转子导条（鼠笼条）将切割旋转磁 场的磁力线而产生感应电流（右手定 则）； ?该电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力 （左手定则），使电机转子旋转。 2.3.1.3、三相异步电机的机械特 性 3 圆形磁场下的电磁转 矩参数表达式： 电磁转矩的影响因素： ?电源参数：1（相电压）、f1（电源频率） ?结构参数：r1、r2分别为定子和转子的等效 电阻、x1、x2分别为定

22、子和转子的等效漏 抗、m1（定子相数）、p（极对数） ?运行参数：s（或转速） + = 2 21 2 2 11 22 11 )()(2xx s r rf s r Upm Tem 在额定负载范围，s km 椭圆磁场的等效组成 椭圆形磁场可用两个转速相同、转向相反的 圆形旋转磁场来代替： ?转向与原来椭圆磁场相同（正向圆形旋转 磁场）的圆形磁场； ?转向与原来椭圆磁场相反（反向圆形旋转 磁场）的圆形磁场。 磁密的分解 横轴幅值： 纵轴幅值： 其中，为控制绕组和激磁绕组磁势之比 分解： Bc和Bf1构成圆形磁场，Bf2为脉振磁场。 时，椭圆旋转磁场变为圆形磁场。 )90sin(=tBB fmf )

23、10(sin 2 11 112 4() max m pU T f xx + 把基频以下和基频以上两种情况综 合起来，可得如图所示的异步电 动机变频调速的控制特性 带定子压降 补偿控制的 恒压频比控 制特性 交直交原理变频器 主电路框图 变压 变频 基本频率的预置 通常情况下，基本频率和电机的额定频率相 等。但在某些场合，基频也可适当调整。 进口电机的额定电 压：三相，220V 适合我国国情的变频器 通常为：三相，380V 为配用，把基频 设置为87Hz 15 课外资料查阅与学习： 了解一种型号的变频器产品的参数规 格和相关设置 交流电机控制的进一步进展 (高性能的交流调速控制) ?矢量控制 ?

24、直接转矩控制 矢量控制的基本概念 20世纪70 年代西门子工程师F.Blaschke 首先提出异 步电机矢量控制理论 矢量控制实现的基本原理：通过测量和控制异步电动 机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电 动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控 制异步电动机转矩的目的。 具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场 的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转 矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅 值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制 方式称为矢量控制方式。 直流电机和交流电机电磁转矩的比较 1、转子电流和磁通以及功率因数 都是转差率s的函数，无法进 行

25、独立的控制。 2、磁通和转子有功电流实质上都 是定子绕组提供的，两个被控 制量处于同一控制回路中，易 引起相互影响。 3、定子电流是时间的矢量；而磁 通是旋转的空间矢量 由于电枢电流 与磁通垂直， 因而直流电机 控制可看作是 标量控制，因 而实现简单 交流电机直流电机 ate ICT= 22cos ICT te = 矢量控制的大致工作步骤 ?模仿直流电动机 的控制方法，求得 直流电动机的控制 量 ?经过相应的坐标 反变换，实现对异 步电动机的控制。 ?将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic （图a、d）通过三相二相变换，等效等效成两相静止坐标系下 的交流电流Ia1、Ib1（图

26、b、e）； ?通过按转子磁场定向旋转变换，等效等效成同步旋转坐标系下 的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相 当于与转矩成正比的电枢电流）（图c、f） 矢量控制的实现途径 采用坐标变换的方法，以产生相同的旋转磁 势和变换后功率不变为准则，建立三相交 流绕组、两相交流绕组和旋转的直流绕组 三者之间的等效关系，从而求出与交流电 机等效的直流电动机模型，即实现交流电 动机的解耦，以便按照对直流电动机的控 制方法对交流电动机进行控制。 16 矢量控制的应用 ?采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范 围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电 动机产生的转矩。 ?由于矢

27、量控制方式所依据的是准确的被控异步电 动机的参数，通用变频器在使用时有时需要输入 异步电机的参数，有的则需要使用速度传感器或 编码器。 ?目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电 动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带 有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行 正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进 行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关 参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量 控制。 直接转矩控制（DTC） 20世纪80年代中期继矢量控制技术之后发 展起来的一种高性能异步电动机变频调 速系统。1985年由德国鲁尔大学 Depenbrock教授和日本Tankahashi分别

28、 提出。 直接转矩控制的目标 通过选择适当的定子电压空间矢量，使定子磁链（通过一个线圈 的磁通和线圈匝数的乘积）的运动轨迹为为一定形状，实现磁 链模值和电磁转矩的同时闭环跟踪控制。定子磁链和电磁转矩 分别采用闭环控制。开关表根据C、CT以及估计器输出的磁链 扇区信号，选择正确的定子电压空间矢量，输出控制字SA,B,C给 逆变器。 定子磁链模值信号 电磁转矩信号 定子磁链模值估测值 电磁转矩的估测值 一种直接转矩控制方块图 矢量控制和直接转矩控制的比较 调速范围较窄（1:15100），调速精度 也较高，响应速度快，低速特性有脉动 （为主要缺点） 调速范围较宽（1:20200）， 调速精度较高，低

29、速特性连续， 响应速度较快 性 能 但其不仅计算简便，而且控制思想新颖， 控制结构简单，控制手段直接，信号处理 的物理概念明确，动静态性能均佳，有广 阔的应用前景。 受参数变化影响较大，且计算复 杂，采用旋转坐标变换，控制相 对繁琐 实 现 方 法 在定子坐标系下通过检测电动机定子电压 和电流，采用空间矢量理论计算电动机的 转矩和磁链，并根据与给定值比较所得差 值，实现转矩和磁链的直接控制。 在转子磁通坐标系中，通过分别 控制相关轴的定子电流分量，实 现转速和磁链的解耦控制。其实 质是通过坐标变换重建的电机数 学模型等效为直流电机，从而象 直流电机那样进行快速的转矩和 磁通控制。 控 制 原

30、理 直接转矩控制 （DTC）矢量控制（VC）矢量控制和直接转矩控制的若干参数 1 2.4、同步电机 应用特点： ?可用作恒速驱动电机（无闭环控制， 有闭环控制的效果）。 ?当与变频控制结合起来，可达到比异 步电机更为精确的速度控制 ?三相电源和两相电源形式：可分别作 工业用和民用 本课程讨论的为同步电动机，较典型的为 微型小功率电机 典型应用：录音放音、传真走纸、电唱机 同步电机：指正常运行 时转速保持不变、且转 速与电源频率呈严格恒 定关系的交流电机。 同步电机的最典型应 用：同步发电机（应用 极为普遍） 同步发电机原理 同步电机的定义 ?转子轴线超前定子轴线，产生的电磁转矩为制动性质： 发

31、电机。 ?转子轴线和定子轴线相重合，此时的功角为零，电磁转 矩为0，这是一种从发电机向电动机过度的临界状态。 ?转子轴线滞后于定子轴线一定角度，此时产生的电磁转 矩为驱动性质：电动机 同步电机的两种运行方式同步电机的两种运行方式 2.4.1、基本原理 结构： ?定子：与异步电机大 致相同，由带有齿和 槽的冲片叠成，槽中 嵌入三相或两相绕 组。同样也形成旋转 磁场。 ?转子形式： ?永磁式 ?磁阻式 ?磁滞式(略) p f ns 60 = f 和p 分别为电源频率 和电机极对数。 定子旋转磁场转速 （即同步转速）： 2.4.2、永磁式同步电机 原理简介 结构：转子为永久磁钢 原理：根据N极和S极

32、互相吸引的机理，定子 旋转磁极将转子永久磁极吸住，并带动转 子一起旋转。 一对极和两对极定子结构 2 驱动扭矩 其中：失调角 分析： ?为90时，T为 最大（最大同步转 矩） ?通常，负载大， 也大。 sinKT = 特点 起动较困难 起动时，定、转子之间存在相对 运动，定子旋转磁场转速相对 转子快，一会超前，一会滞 后，转子所受到的平均转矩为 零（转矩方向时正时反） 原因： ?转子本身存 在惯性（因而 起动时转子无 法跟踪定子旋 转磁场）。 ?定、转子磁 场之间转速相 差过大。 解决对策 加起动绕组（异步原理），带动转子转速至接 近ns，然后再由定子旋转磁场对转子的磁力 将转子拉入同步转速。

33、 原理结构 图: 同步电机工作示意图 机械特性 Ttin：名义牵入 转矩（s0.05 时的异步转 矩） TTmax：最大同 步转矩（失调 转矩） 2.4.3、磁阻式（反应式）同步 电机 定子：与永磁式电机相同； 转子：由软磁钢片加非磁性 金属片制成，无永磁体。 转子特点：在不同的方向具 有不同的磁阻： ?在转子的不同方向，转子 材料的尺寸和空气隙的大 小不同。 ?直轴方向的磁阻最小，交 轴方向的磁阻最大 原理结构： 3 原理 磁通类似弹簧或橡皮筋，有这样的性质：尽量把自己 收缩到最短，使磁通所经过的路径的磁阻为最小。 磁力线的收缩和定子磁场的旋转，使转子受到电磁转 矩的作用 电磁转矩的基波分量

34、与角度的 关系 式中，Rmq、Rmd分别为交轴和直轴的磁阻；K 为相关系数 分析： ?当为0 （直轴）和为90时，电磁转 矩为0； ?当45 ，电磁转矩为最大。（注意与 永磁式同步电机的区别） 2sin)( mdmq RRKT= 2.4.4、电磁减速式同步电机 （低速同步电机） 严格地说，同步电机指正常运转时转速保 持不变、且转速与电源频率成严格的恒 定关系的交流电机。 基于这一角度，电磁减速式电机属于同步 电机范畴。 实现原理：360内转子和定子的磁槽齿数 不相等（错齿原理） 错齿原理应用实例：内啮合 摆线齿轮泵 转轴外齿轮（主 动）和内齿轮 （从动）的齿数 差一个齿，形成 吸油区和压油区

35、外齿和内齿每转一 周，差距为一齿 减速同步电机结构 与原理 结构特点：定、转 子铁心上均有开 口型齿槽，每个 极矩（N、S极） 下，转子齿数比 定子齿数多1个 即： 定子槽中放有两相 或三相绕组，转 子无绕组。 1 22 = p Z p Z sr 原理 依据磁阻式同步电机：磁力线总是力图使自 己经过的磁路的磁阻为最小，故旋转磁场 由A轴线移至B轴线时，转子的错位齿将被 吸引到与定子齿对齐的位置。 原理与步进电机类似，但本电机通常输入交 流信号，而不是脉冲信号 4 定子旋转磁场与转子的速比 设定子一周为Zs个齿，转子一周为Z r个齿 （ZrZs），定子旋转磁场一周转过Zs 个齿，则转子转过ZrZ

36、s个齿。两者的速 比为 sr r cm ZZ Z i =考虑： 转子齿数和定子齿数的关系应 有怎样的关系？ 如果转子齿数少于定子齿数 呢？ 算例：转子转速 当同步转速为，则电机转子转速 为 例：f =50 Hz 、Zr=25时，n=240r/min p f ns 60 = rrr sr cm s Z f Z p p f Z ZZ p f i n n 12026060 = = 考虑： 电磁减速同步电机实现低 速驱动 同步电机齿轮减速机构 实现低速驱动 比较？ 2.5、步进电机 2.5.1、概述 步进电机（又称脉冲电机），将电脉冲信 号转换为相应的角位移或直线位移。属 同步电机。 步进的含义 步进

37、的由来：一个脉冲 一个单位角度 改变脉冲的频率，即改变了电机的转速 步距角：每输入一个电脉冲，步进电机 转子所转过的相应角位移。 5 特点 以数控机床为例，数控机床对步进电机的要 求： 能迅速起动、宽范围内调速；步距小、不丢 步；输出转矩可直接带动负载 步进电机优点 ?脉冲量控制，易实现数字控制 ?控制性能好：开环控制，有闭环 效果；起动快速 ?无电刷和换向器 ?抗干扰性能好（在负载能力范围 内，不受电压大小、负载大小、 温度变化等影响） ?无积累误差（一转内可能会有误 差，但每转一转的积累误差为 零。） ?具有自锁能力（磁阻式，保持最 后一拍的控制绕组继续通入恒定 的电流） ?步 距 固 定

38、 ， 分辨率有限 ?功率不大 ?不能达到很 高的转速 （一般小于 3000r/min ） 缺点 分类 ?磁阻式 ?永磁式 ?永磁感应式 典型应用 数控机床、打印机、绘图 机等的相关驱动 数字流量 阀=步进 电机+流 量阀 2.5.2、磁阻式（反应式）步进电 机 结构 ?单段式：径向分相式，较典型。 ?多段式：轴向分相式，每一组定子铁心中放置一相环形 的控制绕组，定子或转子铁心每两相邻段错开1/m齿距。 三段式 6 单段式图例：三相 磁阻式电机 三相反应式步进电机的结构示意图三相反应式步进电机的结构示意图 A A A A 1 24 3 1 24 3 与磁阻式同步电机相仿。不同处： ?同步电机由多

39、相正弦电流通入多相 绕组，产生旋转磁场 ?步进电机由通电相控制绕组使该磁 极建立磁场，并按一定顺序给各相通 电，形成步进式旋转磁场。 磁通的性质： 尽量把自己收 缩到最短，使 磁通所经过路 径的磁阻为最 小。 步距角细化 的结构 定子：软磁矽钢片叠 成的定子铁心、绕 组 （ 每 相 两 个 磁 极）、定子磁极的 内圆弧上开有均布 的小齿，齿宽和齿 隙 之 比 一 般 为 0.320.38。 转子：软磁材料的铁 心，无绕组。转子 外圆周上也开有均 布的小齿。 以三相磁阻式电机为例 A相通电 转子齿13轴线对齐 B相通电 转子齿24 轴线与之对齐（转子逆时针转过30） C相通电 转子齿13轴线与之

40、对齐（转子逆时针转过30） A- B-C-A 若电机通电顺序改变（A-C-B-A），转子旋向改变。 “相”和“拍”的概念 “相”：绕组 “拍”：定子控制绕组每改变一次通电方式，为 一拍。 相和拍的关系：拍数等于相数；或拍数等于 相数的二倍。 例： 三相单三拍：“单”，指每次只有一相控制绕组 通电；“三拍”，指经过三次切换控制绕组的 通电状态为一个循环。 三相六拍：A AB B BC C CA A 三相双三拍（双：每次通电时有两相通电） 通电顺序：通电顺序：AB BC CA AB 反转：反转：反转：反转：通电顺序：通电顺序： AB CA BC AB A A B CC 1 2 3 4 B A B

41、B CC 3 4 1 2 A 0 30 A B B CC 3 4 1 2 A 30 两相同时通电工作方式 特点：换接通电状 态时，总有一相绕 组始终通电 效果：运行可靠， 减小失步、振荡、 运行不稳 7 几种“角”的概念 ?齿距角：转子相邻两齿中心线的夹角 ?步距角：每一脉冲下转子转过的相应角度 ?极距角：每个N极或S极下的角度 注意：上述角之间的大小关系？ 齿距角 式中，Zr为转子齿数。为实现自动错位， 该齿数有下式要求： 或： 式中，K为正整数，m为相数，mp。 r t Z = 360 22=pKZr m K p Zr1 2 = 步距角 设N为拍数，则有 控制脉冲频率f = 每相脉冲电压频

42、率f相N 步距角： 其中，t为齿距角 r t b ZNN = 3601 极距角 360 /(2 ) p m= 分析 每个极距角下的转子齿数不为整数。 若为整数，会怎样？ 无错位，即使有定子步进磁场，转子也 将不会旋转 算例 设转子齿数为50，四相8极，极距角为 360/8=45，该角度范围内的转子齿 数为非整数。意味着什么？ A相磁极与转子齿轴线对齐，则B相将无法 与转子齿轴线对齐，错开1/4齿距角，即 A-B-C-D-A 每换接一次通电，转子顺 时针转1/4齿距角: 3601 1.8 504 =步距角 转子的转速 NZ f n r 60 = 8 问题： ?同一个步进电机，可能有两种步距角 吗

43、？ ?为提高旋转角度的分辨率，可采取什么 措施？ ?为提高旋转速度，可采取什么措施？ 2.5.3、磁阻式步进电机的特性 一、静特性 （1） 失调角：电机转子偏离稳定平衡位置的角 度。 静转矩：步进电机转子静止且控制绕组通以 直流电时，由于失调角存在而引起的转 矩。 静特性 （2） 矩角特性：静转矩与失 调角的关系为矩角特 性。 式中，Zs定子每磁极下 的小齿数；为失调 角；l为铁心长度；N 为每极控制绕组的匝 数。 留意：负号的含义？ ers NIlZZTsin)( 1 2 = e 失调角 当e=0时， 转子齿轴线和定子齿 轴线重合， 定、 转子齿之间的吸 力在圆周方向为0， 故电机转矩为0

44、Tsmax 2 2 T 0 e 步进电动机的矩角特性步进电动机的矩角特性 最大静转矩 初始平衡位置 最大静转矩 初始平衡位置 顺时针方向错 开 顺时针方向错 开1/2齿距齿距 顺时针方向错 开 顺时针方向错 开1/4齿距齿距 逆时针方 向错开 逆时针方 向错开 1/2齿距齿距 逆时针方向错 开 逆时针方向错 开1/4齿距齿距 二、动特性 1、传递函数 式中， Tm为最大静转矩，Zr为转子齿数，B为阻尼系 数 1 2 1 )( )( 2 2 + = s ss s n n i J ZT rm n= JZT B rm 2 = 步进特征的运行 9 共振问题 当输入信号中的谐波分量等于或接近固有 频率时

45、，可能引起较强烈的振荡，即步 进电机的低频共振。 解决方法： ?使输入信号频率远低于固有频率 ?增大阻尼比 2、起动特性 起动频率：步进电机能无失步起动和停转的 最高频率 运行频率：步进电机在负载条件下能无失步 运行的最高控制频率（通常远高于起动频 率） 起动矩频特性 步进电机在负载转动惯量及其它条件不变 的情况下，起动频率与负载转矩的关 系。 起动惯频特性：步进电机在负载转矩及其 它条件不变的情况下，起动频率与负载 转动惯量的关系。 运行矩频特性：运行频率f与最大输出转矩Tdm 的关系。 频率增高以后，步 进电机负载能力下 降的原因 定子绕组存在电感，频率高 时其阻止电流变化的特性 趋于明显

46、。 到某一频率以后， 步进电机 已带不动任何负载， 只要 受到很小的扰动， 就会振 荡、 失步以至停转。 2.5.4、其它步进电机 永磁式步进电机 10 结构形式 定子：两相或多相 绕组 转子：一对或多对 极的星型永磁体 （转子永磁体极 数与定子每相控 制绕组的极数对 应相等。 工作状态 电源须提供正负脉冲或在同一相的极上绕二 套绕向相反的绕组。 步距角为 其中，m为相数；p为转子极对数。 例：对于上图步进电机，其m=2，p=2，则 mp b 2 360 = = 45 b 特点 ?步距角较大（如45，不适于小步距用 途）； ?运行功耗小（转子为永磁）； ?绕组断电时具有一定的定位转矩 永磁感应

47、式步进电机 在永磁和变磁阻原理共同作用下运转，不展 开讨论。 2.5.5、步进电机的驱动电路 步进电机与驱动电源是一个不可 分开的有机整体，步进电机系统 的性能除了与电机本身的性能有 关外，在很大程度上取决于所使 用的驱动电源的类型与优劣。 驱动电路功能方块图 11 步进电机驱动电路的功能 毫安 安 f A B C 脉 冲 分 配 器 脉 冲 分 配 器 功放电路功放电路 三 相 步 进 电 机 三 相 步 进 电 机 负载负载 功率电源功率电源 分配器 电源 分配器 电源 功放电路功放电路 功放电路功放电路 功率放大器功率放大器 步进脉冲 方向电平 步进脉冲 方向电平 f A B C A B

48、 C f 方向电平方向电平0 方向电平方向电平1 脉冲分配的作用：接收时钟脉冲信号和方向电 平，将单路脉冲转换为多相循环变化的脉冲。 功率放大的作 用：对各相脉 冲信号进行功 率放大，使之 有足够能力驱 动步进电机。 步进电机的每 一相绕组都要 用一个单独的 功放电路为其 供电。 步进电机对驱动电路的要求（1） （1）在通电周期内能提供足够大的矩形波或接近矩形波 的电流。 步进电机对电源而言是一感性负载。负载存在电感时， 有反电势产生，电流不可能突然建立或消失。当通电 时，电流按指数规律上升，即 其中，电路时间常数 衰减时，也如此逐渐过渡。 注意：R增大，减小。 )1 ( t e rR U i + = rR L + = 步进电机对驱动电路的要求（2） （2）驱动电路效率高、功耗小。 所串联的电阻能使时间常数减小，但增加热损耗， 因此，应考虑驱动电路既能保证步进电机有良好 的性能，又要损耗小。 （3）驱动电路运行可靠、稳定，便于维修。 功率电机的电感尤其大，处于开关瞬变的状态，在 断电瞬间，电机绕组两端会产生很高的反向感应 电势（有时高达数百伏），若元件不可靠，容易 击穿。 提高驱动电路性能的