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。

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。

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。

1主 要 内 容一.Stepping Motor 使用领域 二.Stepping Motor 概要 三.Stepping Motor 种类 四.ODD用Stepping Motor 五.特性曲线及用语 六.Stepping Motor驱动原理 七.Motor的基本特性21.Stepping Motor使用领域 使用领域1-1. Personal Computer & AV机器 1-1. Personal Computer & AV机器◧ Stepping MotorCDCDODD : CD-ROM / CD-RW / COMBO / DVDDVDDVDDVD-ROM / DVD-RW / DVD-Player FDD : 1 inch / Slim / USB Portable Digital Camera / Camcorder : Focus & Zoom31.Stepping Motor使用领域 使用领域1-2.手机, 家电机器 & OA机器 2.手机 手机, OA机器 1-2.手机, 家电机器 & OA机器◧ Stepping Motor for Air conditioner ◧ Damper unit & 3way Valve for refrigerator◧ Stepping Motor/ BLDC Motor for Printer / MFP / Photo Printer◧ Vibrator for Cellular Phone41.Stepping Motor使用领域 使用领域 1-3. 汽车 module 1-3. 汽车 module◧ Stepping Motor -Swing Louver, Air conditioning System◧ Step Actuator -Bend/Leveling Front Lightning (Advanced Front lightning System)◧ Step Actuator - Power train Cooling System (Adjustable Electronic Thermostat)52.Stepping Motor概要 概要MOTOR的定 的定义 2-1.STEPPING MOTOR的定义- 跟入力周波数信号比例一定角度程度回转的马达 - Stepping Motor 或 Pulse Motor.2-2.特征 2.特征优点： 优点： - 马达转动的角度与输入的脉冲数成正比例； 马达转动的角度与输入的脉冲数成正比例； - 步进马达有很好的位置精度和重复性，精度较高的马达每一步只有 步进马达有很好的位置精度和重复性，精度较高的马达每一步只有3-5%的误差，而且这种误 的误差， 的误差 差不会积累； 差不会积累； - 有很好的起动、制动、反转性能； 有很好的起动、制动、反转性能； - 因为没有电刷所以性能可靠，它的寿命只取决于轴承耐磨的寿命； 因为没有电刷所以性能可靠，它的寿命只取决于轴承耐磨的寿命； - 马达受输入脉冲的控制，是开环的，因而这种马达比较简单并且价格低廉； 马达受输入脉冲的控制，是开环的，因而这种马达比较简单并且价格低廉； - 通过外负荷和马达轴的配合，可以获得速度很低的同步运动； 通过外负荷和马达轴的配合，可以获得速度很低的同步运动； - 因为马达转速和输入脉冲的频率成正比，因而速度可以在很大范围内调整； 因为马达转速和输入脉冲的频率成正比，因而速度可以在很大范围内调整； 缺点： 缺点： - 如果控制不当会发生共鸣、共振； 如果控制不当会发生共鸣、共振； - 在特别高速的情况下不容易控制； 在特别高速的情况下不容易控制；2-3.用途 3.用途OA机器 打印机， 印机， 机器： - OA机器：打印机，复印机，FAX,FDD,ODD,AV. 用制品： - 应用制品：汽车，冰箱，空调，马桶等63.Stepping Motor种类 种类VR型 VR型(variable(variable-reluctance)PM型 PM型(Parmanent-magnet) Parmanent-Hybrid 型- VR型和PM型组合的高Torque要求 VR型和PM型 合的高Torque要求 型和PM Torque 时使用. Step角 分化所以可能微小Step Step. - Step角细分化所以可能微小Step.- 根据使用电机钢板的GEAR形相回转子和 根据使用电 板的GEAR形相回转 GEAR形相回 固定子卷线 子机力回转 固定子卷线之间的电子机力回转 因不使用永久磁铁所以没有无励磁Torque - 因不使用永久磁铁所以没有无励磁Torque- 回转子上使用永久磁铁，固定子使 回转子上使用永久磁铁， 用卷线， 用卷线，根据相互之间的电子机力 回转. 回转. 因回转子上使用永久磁铁， - 因回转子上使用永久磁铁，所以无 励磁时也有Torque. 励磁时也有Torque.74.ODD用Stepping Motor 用H/H用 H/H用 Φ15 STEPPING MOTORPICKPICK-UP 移送用SLIM用 SLIM用 Φ8 STEPPING MOTOR84.ODD用Stepping Motor 用4-1. Exploded View (PM型 Claw pole STEPPING MOTOR) (PM型Stopper Wave WasherCenter Guide Rectangular Pin F.P.C. YokeMagnet Bracket Lead Screw Pivot BearingBobbinCoil Frame94.ODD用Stepping Motor 用4-2.STEP-MOTOR结构 结构（一）大致结构： 大致结构： STEP-MOTOR大体由以下三个部分构成： 1，ROTOR ASS`Y（即转子）： 是MOTOR中的转动件，MOTOR工作时因受电 磁作用而产生旋转； 2，STATOR ASS`Y（即定子） 包含若干组线圈，磁芯，及固定装置， MOTOR工作时静止不动； 3，FRAME B ASS`Y（即端盖） 一般包含SPRING，起定位及MOTOR运动时具 备一定的预压力；ROTOR ASS`YFRAME B ASS`YSTATOR ASS`Y105.特性曲线及用语 特性曲线及用语5-1.用语说明 1.用语说明PPSpulse per secondHolding Torque状态下停止 可以发生的最大Torque 下停止时 MOTOR 在励磁状态下停止时可以发生的最大TorqueDetent Torque在无励 状态下停止时可以发生的最大Torque 在无励磁状态下停止时可以发生的最大Torque 下停止PullPull-out Torque超过自起动领域慢慢增加周波数时对Motor外部负荷Torque而启动的最大Torque 自起动领域慢慢增加周波数时对Motor外部负 Torque而启动的最大Torque 动领域慢慢增加周波数时对Motor外部 的最大PullPull-in Torque自起动领域内启动Motor时发生的Torque. 自起动领域内启动Motor时发生的Torque. 动领 Motor时发生的Max.Starting pulse rate无负荷状态下入力信号上动机回转或能停止的最大周波数. 状态下入力信号 下入力信 机回转或能停止的最大周波数Max.slewing pulse rate无负荷状态下超过自起动领域增加周波数时发生脱槽之前的最大周波数. 状态下超过自起动领域增加周波数时发生 槽之前的最大周波数 下超 动领域增加周波数时发115.特性曲线及用语 特性曲线及用语 5-2.速度-Torque特性曲线 2.速度-Torque特性曲线 速度 特性曲Holding Torque Torque[gf-cm] gf-PullPull-in TorquePullPull-out Torque[slewing领域] [slewing领域] 领域[starting领域]最大应答周波数 最大应答周波数速度[PPS]最大自起动周波数 最大自起动周波数126.Stepping Motor驱动原理 驱动原理 6-1. 驱动回路构成驱动回路 信号(SIGNAL)回路 信号(SIGNAL)回路 (SIGNAL) 逻辑性(LOGIC)回路 增幅(AMP) 逻辑性(LOGIC)回路 增幅(AMP) 回路 (LOGIC) STEPPING MOTOR直流(DC)电源 直流(DC)电源 (DC)MOTOR把DC电流传给各相卷线按次序变换 电流传给各相卷线按次序变换， STEPPING MOTOR把DC电流传给各相卷线按次序变换，所以按决定的 角度回转. 角度回转. STATOR的各相卷线上为了变换为顺次电流 的各相卷线上为了变换为顺次电流， MOTOR的驱动回路 的驱动回路. STATOR的各相卷线上为了变换为顺次电流，必STEPPING MOTOR的驱动回路.136.Stepping Motor驱动原理 驱动原理 6-2. 驱动原理固定子(STATOR) 固定子(STATOR)回转轴 回转子(ROTOR) 回转子(ROTOR) (回转构成) 回转构成) 回转子 (ROTOR): 磁化的永久磁铁 - MOTOR 4相励磁COIL卷在上面 相励磁COIL卷在上面. 固定子 (STATOR): 4相励磁COIL卷在上面.147.Stepping Motor的基本特性 的基本特性根据Lead 移送, 7-1. 根据Lead Screw Pitch 移送,计算距离Lead Pitch 移送距离 = 207-2. PPS → RPM 计算RPM = PPS×1 step 360˚×60*PPS=Pulse Per Second *RPM=Revolution Per Minute15谢谢!16。

《控制及特种电机》教案教案2009 - 2010 学年第 2 学期课程名称：控制及特种电机课程编号： 074100026 学院、专业、年级：电气071，电气072任课教师：余发军教师所在单位：信息工程系中原工学院信息商务学院课程简介课程编号 074100026 适用专业：电气工程及其自动化专业总学时数：60学时学分数： 4学分理论教学时数：52 实验教学时数：8本课程为电气工程及其自动化专业必选课。

主要讲述伺服电机、步进电机、自整角机、旋转变压器、永磁电机、开关磁阻电动机、低速同步电动机、直线电动机、实心转子与复合转子感应电动机的工作原理、结构及运行。

通过本课程的学习使学生能熟练的掌握控制及特种电机的工作原理、结构、运行控制及设计。

为以后的工作打下良好基础。

针对本课程的特点主要采用理教、实验参观和上机来完成教学环节。

教学大纲课程名称：控制及特种电机课程编号：074100026 适用专业：电气工程及其自动化专业总学时数： 60学时学分数： 4学分理论教学时数：52 实验教学时数： 8课程的性质、目的与任务本课程为电气工程及其自动化专业必选课。

主要讲述伺服电机、步进电机、自整角机、旋转变压器、永磁电机、开关磁阻电动机、低速同步电动机、直线电动机、实心转子与复合转子感应电动机的工作原理、结构及运行。

一、课程教学的基本要求通过本课程的学习使学生能熟练的掌握控制及特种电机的工作原理、结构、运行控制及设计。

为以后的工作打下良好基础。

针对本课程的特点主要采用理教、实验参观和上机来完成教学环节。

二、基本内容绪论：主要讲述特种及控制电机概念、历史、发展及应用领域。

第一章伺服电动机概述；直流伺服电机；无刷直流电动机；直流力矩电机；两相伺服电机；伺服电动机的应用举例第二章开关磁阻电动机及其控制。

主要讲述开关磁阻电机结构、原理、设计及应用。

1、开关磁阻电动机及其控制开关磁阻电动机传动系统的组成；开关磁阻电动机的工作原理。

特种电机电子教案一、教案概述本教案旨在为学生提供特种电机的基本概念、工作原理、应用领域以及发展前景的全面了解。

通过本教案的学习，学生将能够掌握特种电机的基本知识，并能够将其应用于实际问题中。

二、教学目标1.了解特种电机的定义、分类及特点。

2.掌握各种特种电机的工作原理及应用领域。

3.了解特种电机的发展趋势和前景。

4.培养学生的创新意识和团队合作能力。

三、教学内容1.特种电机的定义与分类（1）按结构分类：包括无刷直流电机、步进电机、直线电机等。

（2）按原理分类：包括同步电机、异步电机、直流电机等。

（3）按应用领域分类：包括汽车电机、电机、风力发电机等。

2.特种电机的工作原理及应用领域（1）无刷直流电机：无刷直流电机具有结构简单、运行可靠、效率高等优点，广泛应用于家用电器、汽车、工业自动化等领域。

（2）步进电机：步进电机具有精确的位置控制和较高的转矩，常用于数控机床、3D打印机、等领域。

（3）直线电机：直线电机具有高速、高加速度、高精度等特点，广泛应用于磁悬浮列车、高速电梯等领域。

3.特种电机的发展趋势和前景随着科技的不断发展，特种电机在新能源、电动汽车、等领域的应用越来越广泛。

未来，特种电机将朝着高性能、高效率、小型化、轻量化等方向发展。

四、教学方法1.讲授法：通过讲解特种电机的定义、分类、工作原理及应用领域，使学生掌握基本知识。

2.案例分析法：通过分析实际案例，使学生了解特种电机在实际应用中的重要性。

3.讨论法：组织学生进行小组讨论，培养学生的创新意识和团队合作能力。

五、教学评价1.课堂表现：观察学生在课堂上的参与程度、提问和回答问题的情况。

2.作业完成情况：检查学生完成的作业质量，评估学生对知识的掌握程度。

3.小组讨论：评估学生在小组讨论中的表现，包括观点的提出、讨论的深度和广度等。

六、教学资源1.教材：特种电机相关教材或参考书籍。

2.课件：制作PPT课件，用于课堂讲解和展示。

3.网络资源：利用互联网资源，提供相关案例、视频等辅助教学。

绪论1．微特电机的分类。

2．微特电机新的发展趋势。

第二章 伺服电动机与伺服系统1． 从结构上，直流伺服电动机的分类。

分为两大类，传统型直流伺服电动机，低惯量型直流伺服电动机。

传统型直流伺服电动机其结构与普通直流电动机基本相同，只是功率和容量小得多，它可以再分为电磁式和永磁式两种；低惯量型直流伺服电动机可分为空心杯电枢直流伺服电动机，盘式电枢直流伺服电动机，无槽电枢直流伺服电动机2．直流伺服电机的静态特性1．机械特性：给出机械特性n=f(T e)的方程，绘制机械特性的曲线。

机械特性：控制电压恒定时，电机转速随电磁转矩的变化关系n=f (Te)2．调节特性：给出调节特性n=f(U a)的方程，绘制调节特性的曲线，结合调节特性曲线，掌握失灵区的概念。

调节特性负载转矩恒定时，转速随控制电压变化n=f (Ua)3．直流伺服电机的动态特性1．机电时间常数的计算公式，影响因素及相应的减小机电时间常数的方法。

机电时间常数与转动惯量成正比；与电枢电阻Ra的大小成正比，为减小时间常数，应尽可能减小电枢电阻，当伺服电动机用于自动控制系统，并由放大器供给控制电压时，应计入放大器的内阻Ri，Ra+Ri；直流伺服电动机的机电时间常数一般<30ms，低惯量直流伺服电机的时间常数<10ms。

4．交流异步伺服电动机1．不同转子电阻对机械特性的影响，分析为什么异步伺服电动机的转子电阻较普通异步电动机大。

增大转子电阻的三个好处：1. 可以增大调速范围由电机学原理知，异步电机的稳定运行区仅在： 0<s<sm，而正常电机的sm=0.1~0.2, 所以调速范围甚小。

增大转子电阻，使sm增大，从而增大调速范围。

2.使机械特性更加线性如右图中，曲线3的线性度比曲线2要好。

sm1=0.2, sm2=1.1, sm3=1.8能消除自转现象T=T1+T2，在正向旋转时， 0<s<1， T>0。

所以，只要负载转矩不太大，转子仍能继续旋转，不会因控制信号的消失而停转，这种“自转”现象使伺服电动机失去控制，在自动控制系统中是不允许的。