1、学习目标学习目标机电设备电气控制技术基础机电设备电气控制技术基础西安电子科技大学出版社http:/1、了解常用控制电机的种类与目前的应用现状；2、理解步进电机的工作原理，能对常见的步进电机进行控制应用；3、理解伺服电机的工作原理，能对常见的伺服电机进行控制应用；4、了解测速发动机、直线电动机等其它控制电机的原理及应用。项目描述项目描述机电设备电气控制技术基础机电设备电气控制技术基础西安电子科技大学出版社http:/在现代电气控制应用领域，各种功能的特种控制电机的应用已经变得非常普及，熟悉并掌握常见的控制电机的原理与使用方法已经成为现代电气工程人员的必修环节，本项目主要针对目前行业内应用较为广泛
2、的几类控制电机，作了简单的原理与应用介绍。知识链接知识链接机电设备电气控制技术基础机电设备电气控制技术基础西安电子科技大学出版社http:/一、常用控制电机的认知对于常用的控制电机，迄今为止国内外都未对它作过明确的定义和分类，通常可以指在工作原理、结构、性能或设计方面比传统电机有独特之处，且已有或即将有广泛应用场合的电机。特种电机也可理解为主要指容量和尺寸都比较小的特殊用途电机。其包括的范围相当广，按用途不同大体可分为驱动用特种电机、控制用特种电机和电源用特种电机。驱动用特种电机主要作为驱动机械或装备之用，例如直线电动机、微型同步电动机、永磁电机等。控制用特种电机主要是在自动控制系统和计算装置
3、中作检测、放大、执行和校正元件使用的电机，如伺服电机步进电机、测速发电机、自整角机等。机电设备电气控制技术基础机电设备电气控制技术基础西安电子科技大学出版社http:/二、步进电动机的应用（一）概述 步进电机是用电脉冲信号控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电机。它的运动形式与普通多速旋转的电动机有定的差别，其定子绕组上虽然也布置有相差定电角度的两相或三相绕组,但通人定子绕组中的不是按一定规律连续变化的正弦交流电.而是有一定时间间隔的电脉冲信号,输人个电脉冲，它就移进步，所以称为步进电机，又因其绕组上所加的为脉冲电源，因此又称为脉冲电机。步进电机能快速起动、反转及制动，有较大的
4、调速范围，不受电压、负载及环境条件变化的影响，在数控技术、自动绘图设备、自动记录设备工业设施的自动控制、家用电器等许多领域都得到了广泛的应用。机电设备电气控制技术基础机电设备电气控制技术基础西安电子科技大学出版社http:/图2-1 数控机床控制系统示意图机电设备电气控制技术基础机电设备电气控制技术基础西安电子科技大学出版社http:/步进电机种类繁多，按运动方式可分为旋转型和直线型两种。通常使用的旋转型步进电机又可分为反应式、永磁式和永磁感应式三种。永磁式步进电机的转子用永久磁钢制造，一般为两相，它的转矩和体积都比较小。反应式步进电机一般为三相，它的转子使用高磁导率的软磁材料制成。由于反应式
5、步进电机具有惯性小、反应快和速度高等优点，故应用较多。永磁感应式步进电机综合了永磁式和反应式的优点，今后将使用得越来越多。机电设备电气控制技术基础机电设备电气控制技术基础西安电子科技大学出版社http:/二）反应式步进电机反应式步进电机利用磁阻转矩使转子转动，是我国目前生产及使用最广泛的步进电机之一。1.三相单三拍控制图2-2 三相反应式步进电机工作原理(三相单三拍运行)定子三相绕组按ABCA 的顺序轮流通电，则转子就沿顺时针方向一步一步地转动，每一步转过30电角度。机电设备电气控制技术基础机电设备电气控制技术基础西安电子科技大学出版社http:/2.三相六拍控制（a）A相通电 （b）A、B两
6、相通电 （c）B相通电通电顺序为AA、BBB、CCC、AA,即每一循环共六拍，其中三拍为单相通电，三拍为两相通电。三相六拍通电时步距角为15电角度。机电设备电气控制技术基础机电设备电气控制技术基础西安电子科技大学出版社http:/上面讨论的步进电机的步距角都比较大，往往不能满足传动设备对精度的要求。为了减小步距角，步进电机的实际结构是将定子的每一个极分成许多小齿，转子也由许多小齿组成，图2-4所示结构是最常用的一种小步距角三相反应式步进电机。其定子上有6个极，上面装有控制绕组且连成以A、B、C三相。转子上均匀分市40 个齿，定子每个极面上也各有5个齿。定子、转子的齿距都相同。通过分析可知：当采
7、用三相单三拍通电方式，即当控制绕组按ABCA 顺序循环通电时，转子就沿顺时针方向以每一拍转过3的方式转动:若采用三相六拍通电方式进行，即按AA、BBB、CCC、AA顺序循环通电，步距角也将减小一半，即每拍转子仅转过1.5。机电设备电气控制技术基础机电设备电气控制技术基础西安电子科技大学出版社http:/（a）实际结构原理 （b）定子、转子展开图 图2-4 小步距角三相反应式步进电机机电设备电气控制技术基础机电设备电气控制技术基础西安电子科技大学出版社http:/（三）永磁式步进电机永磁式步进电机的典型结构如图2-5所示，它的定子为凸极式结构，在定子上布置有两相绕组或多相绕组;转子由一对或若干对
8、呈星形的永久磁钢组成，且转子的磁极数必须与定子每相绕组产生的磁极数相等。永磁式步进电机的工作原理与反应式步进电机相仿，也可按定子绕组通电顺序的不同而输出不同的步距角。图2-5 永磁式步进电机的结构机电设备电气控制技术基础机电设备电气控制技术基础西安电子科技大学出版社http:/（四）混合式步进电机混合式步进电机结合了反应式和永磁式步进电机的特点。其定子结构与单段反应式步进电机相同，转子则由环形磁铁和两段铁芯组成。每段铁芯沿外圆周方向开有小齿，两段铁芯上的小齿彼此错开1/2齿距。混合式步进电机的步距角较小，起动和运行频率较高，消耗的功率也较小，且断电时具有自锁能力，因而兼有反应式和永磁式步进电机
9、的优点。缺点是：需正、负脉冲供电，制造复杂。机电设备电气控制技术基础机电设备电气控制技术基础西安电子科技大学出版社http:/三、伺服电动机的应用（一）概述上节介绍的用于机电一体化系统或自动控制系统中作为执行元件的步进电机主要使用于开环系统中。在结构较复杂，动作精度要求高的数控设备或自动控制系统中，用步进电机控制的开环系统往往不能满足需要，这时需采用由伺服电机控制的闭环控制系统。在闭环控制系统中，执行元件由伺服电机担任，并增加了速度检测元件来测量伺服电机的速度，位置检测元件来测量工作台的位置，并通过速度或位置反馈信号（负反馈）来调节伺服电机的速度和工作台的位置，以满足整个系统的精度要求，如图2
10、-6所示。机电设备电气控制技术基础机电设备电气控制技术基础西安电子科技大学出版社http:/伺服电机又称为执行电机（其外形如图2-7所示）。伺服电机按使用电源的不同可分为交流伺服电机和直流伺服电机两大类。图2-7 何服电机的外形机电设备电气控制技术基础机电设备电气控制技术基础西安电子科技大学出版社http:/伺服电机种类繁多,用途也日益扩大。自动控制系统对它的基本要求可归结如下:1)较宽的调速范围，即伺服电机的转速能随着控制电压的改变在较宽的范围内连续调节。(2)线性的机械特性和调节特性，即伺服电机的转速随转矩的变化或转速随控制电压的变化呈线性关系。(3)快速响应性，即何服电机的转速能随控制电
11、压变化而迅速变化。(4)无自转现象，即控制电压消失，伺服电机立即停转。机电设备电气控制技术基础机电设备电气控制技术基础西安电子科技大学出版社http:/（二）交流伺服电机交流何服电机又称两相伺服电机，它的结构与电容运行单相异步电动机相似，也有在空间互差90电角度的两相绕组，一组为励磁绕组f，它与电容器C串联后接至交流励磁电源uf；另一组为控制绕组c，外加的控制电压作为信号输人该绕组，如图2-8所示。图2-8 交流伺服电机机电设备电气控制技术基础机电设备电气控制技术基础西安电子科技大学出版社http:/当负载转矩一定时、可以通过调节加在控制绕组c上的信号电压大小及相位来达到改变交流伺服电机转速的
12、目的。因此，交流何服电机的控制方式有以下三种：1幅值控制2相位控制3幅值-相位控制交流伺服电机运行平稳，噪声小，反应迅速、灵敏。但由于其机械特性是非线性的，且由于转子电阻大使损耗，,效率低，故一般只用于0.5100 W小功率控制系统中。机电设备电气控制技术基础机电设备电气控制技术基础西安电子科技大学出版社http:/（三）直流伺服电机直流伺服电机是功率容量和体积都很小的微型他励直流电动机，其结构与工作原理都与他励直流电动机相同。所不同的是伺服电机的电枢电流很小，换向并不困难，因此不装换向磁极。为了减少转子的转动惯量，使其容易起动和停止，常采用空心杯形转子形式或把转子做得比较细,转子与定子间的空
13、气隙也较小。直流伺服电机根据磁极的种类分为两种。一种是永磁式，如图2-10所示。它的磁极是永久磁铁（磁钢），省去了励磁绕组。另一种是电磁式。图2-10 永磁式直流何服电机 机电设备电气控制技术基础机电设备电气控制技术基础西安电子科技大学出版社http:/四、测速发电机简介 测速发电机是一种能将旋转机械的转速变换成电压信号输出的小型发电机，在自动控制系统和计算装置中常作为测速元件、校正元件和解算元件使用。测速发电机的主要特点是其输出电压与转速成正比。测速发电机主要有以下几类:1)直流测速发电机。根据其励磁方式的不同可分为永磁式直流测速发电机和电磁式直流 测速发电机两大类。2)交流测速发电机。根据工作原理的不同可分为同步测速发电机和异步测速发电机两大类。3)霍尔效应测速发电机。机电设备电气控制技术基础机电设备电气控制技术基础西安电子科技大学出版社http:/五、直线电动机直线电动机即是将电能变成直线运动的机械能输出装置。它也可分为直线直流电动机、直线异步电动机、直线同步电动机和其他直线电动机（如直线步进电动机等），其中应用最广泛的是直线异步电动机，因为它的次级（相应于旋转异步电动机的转子）可以由整块金属材料组成，因而适宜做得较长，且成本较低。图2-14所示为利用直线异步电动机拖动的ZYDM系列直线电动门外形图。图2-14 ZYDM 系列直线电动门
