电动机及其驱动电路.doc

第四章 电动机及其驱动电路

名称
特点
直流伺服电动机
可控性好、稳定性好、响应快、有电刷接触
交流伺服电动机
励磁电流小、体积较小、机械强度高、无电刷
反应式步进电动机
启动和运行频率高、断电时无定位转矩、消耗功率较大。
永磁式步进电动机
消耗功率较反应电机小、需正负脉冲供电、启动和运行频率较小、有定位转矩
混合式步进电动机
启动和运行频率较高、需正负脉冲供电、消耗功率较小、有定位转矩
直线步进电动机
提供直线运动、结构简单、惯量小
超声波电动机
低速大转矩、无电磁干扰、动作响应快、无输入自锁
电磁耦合基于两个定理：
有关电能向机械能转化的法拉第定律
有关机械能向电能转化的电磁感应定律
直流伺服电机的特性
静态特性：
机械特性 当控制电压恒定时，电机的转速与转矩变化的关系
调节特性 当电磁转矩恒定时，电机的转速与控制电压变化的关系

动态特性：
当在电枢上外加阶跃电压时，转速随时间的变化过程，即：n=f(t)或 =f(t)
直流伺服电机驱动系统设计
1、直流电机的选择
根据负载的大小，选择小惯量电机或大惯量电机（也称力矩电机）
稳态转矩和动态转矩满足要求
折算到电机轴的负载总转动惯量小于或等于电机的转动惯量
有三种调速方法：
电枢控制调速（即恒转矩调速）
磁场控制调速（即恒功率调速）
混合调速（即恒功率调速），如主轴伺服驱动，在额定转速以下为恒
转矩调速，在额定转速以上为恒功率调速
永磁同步电动机与普通小型直流电动机相同
一、交流伺服驱动系统组成
由伺服电机和伺服驱动器组成
控制方式
当负载转矩一定时，通过调节控制电压的大小或相位达到改变电机转速的
目的，有三种方式
幅值控制：调节控制电压幅值大小，改变转速
相位控制：调节控制电压的相位角，改变转速
幅值相位控制（电容控制）：调节控制电压时，相位角随之改变，达到改变转速目的
交流伺服电机的矢量控制
直流电机转矩与电枢电流成正比，转矩的控制容易，动态性好，而交流
电机的电枢电流不容易得到，转矩的动态控制较困难，进行矢量控制的
目的就是模拟直流电机的转矩控制规律
超声波电机打破了传统电机必须由电磁效应产生转矩和转速的固有概念，与电磁式电机相比，超声波电机具有以下特点：
(1) 体积小，重量轻。
(2) 低速大转矩。
(3) 响应迅速，控制特性好。
(4) 有断电自锁功能。
(5) 与外界无相互电磁干扰。
(6) 结构形式多样化。

简述用数字微分分析法(DDA)控制步进电动机运动的原理。
所谓DDA法:
(1)采用数字量(整数)表示速度、加速度及位置坐标。(1分)(2)将加速度到速度，速度到位置的积分表达式，采用求和的方法进行近似数值积分。(2分)（3）产生增量式的运动控制指令。(1分)（4）驱动步进电动机实现要求的运动。〔1分)
简要比较反应式步进电动机与永磁式步进电动机的优缺点.
反应式步进电动机，结构简单.步距角较小（0.36~7.5），启动和运行频率较高，但消耗功率较大，断电时无定位转矩。（3分）
永磁式步进电动机，断电时有定位转矩，消耗功率较小，但步距角较大（7.5~18），起动和运行频率较低，并需耍止负脉冲供电。(2分)
五相变磁阻式步进电动机，转了72个齿，最大静转矩为1Nm,
(1)若带动负载转知0.9N m，选择怎样的通电方式系数才能使其正常启动?
(2)若要求电动机转速为300r/min，计算输入脉冲的频率。

永磁式步进电动机的结构及特点是什么?
（1）永磁式步进电动机的定子极上有二相或多相控制绕组，转子为一对或多对极的星形永久磁钢、(2分〕
(2)永磁式步进电动机.由于转子为永久磁钢，所以断电有定位转矩，消耗功率小。(1分)
(3)永磁式步进电动机的缺点是，步距角较大，启动和运行领率较低，需正、负脉冲供电（1分）
步进电动机的单、双极性驱动电路，各自的特点是什么?适用范围是什么?
（1）单极性驱动电路是最基本的驱动电路形式。功率晶体管的导通与关断使各相绕组的电流导通和截止。（1分）（2）单极性驱动电路适用于反应式步进电动机。（1分）(3)双极性驱动电路采用4只品体管作为开关元件来控制相绕组电流，这不仅可控制电流通断还可以控制相电流方向。（1分）（4）双极性驱动电路适用于混合式或永磁式步进电动机。(1分)
三相变磁阻式步进电动机.转子有30个齿，试计算:
（1）单三拍运行方式的步距角
（2）双三拍运行方式的步距角
（3）单双拍运行方式的步距角
（4）若要电机转速为60r/min，则单拍运行方式时的输入脉冲频率f1为多少？而单双拍时的输人脉冲频率f2为多少？

怎样控制步进电动机输出轴的角位移、转速及转向?
步进电动机是脉冲电动机，它将数字的电脉冲输人转换为模拟的输出轴运动。每输入一个脉冲，输出轴转动一步(1分)。因此，输出的角位移正比于输人脉冲的
个数（1分），转速正比于输人脉冲的频率(1分)，转向取决于各相绕组通电的顺序(相序)(1分)。
什么叫作步距角?它与哪些因素有关?若系统的步进电动机选定以后，还想进一步减小步距角，可采用何种方法?
步进电动机每输人一个脉冲，转子转动一步，每一步转过的角度称为步距角（1）.
什么是步进电动机?其转速、转角取决于什么?
步进电动机又称脉冲电动机。它采用变磁阻原理产生电磁转矩，将数字的电脉冲输入转换为模拟的输出轴运动;（2分）
步进电动机的转速取决于输入脉冲频率。（1分）
步进电动机的转角取决于输入脉冲个数。（1分）
对步进电动机驱动电路有什么要求?
对步进电动机驱动电路有如下要求:
（1）能够提供快速上升和快速下降的电流，使电流波形尽量接近矩形(2分）
（2）具有供截止期间释放电流的回路。（1分）
（3）功耗量要低，效率要高。（1分）
某五相步进电动机转了有36个齿，采用二相三相运行方式。
试计算:(1)步距角θ为多少?
(2)若要电动机以200 r / min的速度旋转，输入脉冲频率f为多少?
(3)若要电动机旋转1周半，其输入脉冲数为多少?

题21图为步进电动机单极性驱动电路。试简述图中VT, R, VD、和Rf的作用
答: VT晶体管开关元件，控制绕组电流通断。
R:减小绕组的电气时间常数。
VD:续流，泄放绕组中储存的磁能。
Rf:加快磁能泄放。
某五相步进电动机转子有48个齿,试计算:
(1)采用单五拍运行时的步距角
(2)采用二相—三相运行时的步距角
(3)当控制脉冲频率f=1600Hz时，求采用二相—三相运行时的转速n.

生成下列等加速度分布指令信号:假设步进电动机步进角为1.8，由零初始速度加速0.1s达到100r/min，然后恒速度100r/min维持3s。最后0. 1。到停止位置，减速度与初始速度相等，时钟信号频率为1000Hz，寄存器字长为16位带符号小数，希望在产生该速度分布时只改变加速度寄存器A的内容;求A寄存器中设置的希望值及每一段由设置信号引起的加法次数。