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项目六 特种电机
一、教学目标
1.能说出交、直流伺服电机的作用、组成、结构特点和工作原理。
2.能说出步进电机的结构特点和工作原理，了解步进电机的选型原则。
3.通过实验，掌握交、直流伺服电机、步进电机以及控制器的接线方法。
4.通过实验，测绘出交、直流伺服电机的机械特性和调节特性。
二、课时分配
本章共2个任务，本章安排8课时。
三、教学重点
特种电机是相对于传统有刷直流电动机和交流异步电动机的模糊概念。传统上，除有刷直流电动机、交流异步电动机外，所有电动机都叫作特种电机，而非运用于特种场合的电动机才是特种电机。
四、教学难点
1.通过实验，掌握交、直流伺服电机、步进电机以及控制器的接线方法。
2.通过实验，测绘出交、直流伺服电机的机械特性和调节特性。
五、教学内容
任务一 认识伺服电机
伺服电机的概述
对伺服电机的性能有如下要求：
（1）无“自转”现象，即当信号电压为零时，电机应当停转。
（2）在控制电压改变时，电机能在较宽的转速范围内稳定运行。
（3）具有线性的机械特性和调节特性。
（4）具有尽量小的转动惯量，使系统的响应速度更快。
二、直流伺服电机
1.直流伺服电机的结构
2.工作原理
3.控制方式
直流伺服电机的控制方式和普通直流电机的控制相似，可以分为电枢控制和励磁控制两种。
（1）电枢控制：
（2）励磁控制：
三、交流伺服电机
1.交流伺服电机的结构
2.工作原理
3.控制方式
交流伺服电机的控制方式有以下三种：
（1）幅值控制方式：
（2）相位控制方式：
（3）幅值—相位控制方式：
4.交流伺服电机的“自转”现象
伺服电机测试平台基本操作实验。
一、实验目的
（1）掌握伺服电机测试平台的基本操作。
（2）掌握通过多功能电机测试平台软件对伺服电机进行监控的方法。
（3）了解伺服电机测试平台各部件的功能。
二、实验设备
伺服电机测试平台一套。
三、实验原理
1.伺服电机测试平台系统结构
其各部件主要功能如下：
（1）伺服电机测试平台控制软件，是系统的控制部分，主要有以下几个作用：
①通过运动控制卡给伺服驱动器发送运动脉冲，控制伺服电机运行。
②通过串口与伺服驱动器进行通信采集驱动器的数据，对系统的运行状态进行监控。
③将采集到的数据以图形的方式显示，以方便观察理解系统指令执行情况。
④通过磁粉制动器给伺服电机增加负载。
（2）伺服驱动器，也叫伺服放大器。作为该平台的运动执行部分，主要有以下几个作用：
①接收运动控制卡指令，驱动伺服电机运行。
②实时检测运行过程中的各项数据，如位置、转速、力矩、输出转矩等。
③响应系统的通信指令将采信到的数据返回给多功能电机测试平台软件。
（3）伺服电机：平台的测试及控制对象。
（4）磁粉制动器：作为伺服电机的负载，通过模拟量控制其输出负载转矩的大小。
（5）磁粉控制器：接收0～10V模拟量信号，输出相应励磁电流来控制磁粉制动器输出不同的负载转矩。
（6）励磁电流表：显示磁粉控制器输出的励磁电流，与加载的负载转矩大小成正比。
2.伺服电机测试平台监控面板
其功能分别如下：
（1）电源开关：测试平台的总电源开关，上拨为开，下拨为关，带短路保护功能。
（2）电源指示灯：显示电路接通状态，当电源开关闭合时，电源指示灯亮。
（3）报警指示灯：用于测试平台异常报警。
（4）励磁电流表：显示磁粉控制器的励磁电流，表征加载负载转矩的大小。
3.多功能电机测试平台软件界面——伺服测试界面
四、实验步骤
（1）将伺服电机测试平台电源插头连接220V交流电源，打开电源开关。
（2）电源指示灯亮，启动多功能电机测试平台软件配套的计算机。
（3）计算机开机完成后，启动多功能电机测试平台软件显示界面如图6-13所示。
（4）按下多功能电机测试平台软件上的“启动”按钮，伺服电机正向转动。按下“实时显示”按钮，在多功能电机测试平台软件中显示当前的运动曲线，如图6-14所示。
（5）伺服电机正转时，观察运动的速度、位置、力矩等曲线，可读取伺服电机运转时的各项参数值。
（6）在伺服电机转动的过程中，可以看到运动曲线栏中转速值在设定的时间内达到设定的速度后维持不变，同时输出转矩和输出电流也会达到一个稳定值后维持不变。
（7）在伺服测试界面下，在改变负载信号中可以改变负载转矩，如需改变转矩，则在主界面按下设定负载信号后按下“设定”按钮，可以对负载转矩进行调节，可以通过励磁电流表看到转矩的变化，同时在软件界面上看到随着负载转矩的变化对应的伺服电机运行速度有一个小的波动之后会维持原来的数据值，而输出电流和输出转矩则会相应的变化，以驱动伺服系统调节目标“转速”维持恒定。如图6-15所示。
（8）伺服电机运行时，按软件界面上的“停止”按钮，伺服电机减速停止，软件界面上显示伺服电机在给定的时间内速度减小到零，如图6-16所示。
（9）在软件界面上可以看到。“加速—恒速—减速”形成了伺服电机的梯形运行过程。
（10）伺服电机处于停止状态后，按下软件界面主界面的“反向”按钮，再按启动按钮，伺服电机反向旋转。
（11）伺服电机反转过程中，观察并读取电机运转时的转速、输出电流、输出转矩等参数。
（12）反转时伺服电机的“转速曲线”仍然是一个“加速—恒速—减速”的梯形曲线。通过改变加减速时间可以改变梯形曲线的斜坡倾斜度。
五、注意事项
（1）在老师的指导下进行实验。
（2）系统通电后，身体的任何部位不要进入系统运动可达范围之内。
（3）实验中，请严格按照本实验指导书进行操作，以防发生意外。
（4）实验完成后关闭计算机，关闭电源。
（5）实验中注意用电安全，如遇紧急情况立即拨动电源开关，切断电源。
一、交流伺服电机的发展历史
二、交流伺服电机与单相异步电机的比较
交流伺服电机的工作原理与分相式单相异步电机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电机与单机异步电机相比，有三个显著特点：
1.起动转矩大
2.无自转现象
三、交流伺服电机的优点
（1）精度：实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题。
（2）转速：高速性能好，一般额定转速能达到2000～3000转／分钟。
（3）适应性：抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用。
（4）稳定：低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合。
（5）及时性：电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内。
（6）舒适性：发热和噪音明显降低。
任务二 认识步进电机
一、步进电机概述
二、反应式步进电机
1.反应式步进电机的结构
2.反应式步进电机的工作原理
（1）三相单三拍通电方式：
（2）三相双三拍通电方式：
（3）三相单双六拍通电方式：
3.小步距角的三相反应式步进电机
三、永磁式步进电机
四、混合式步进电机
五、步进电机的选型
1.步距角的选择
2.静力矩的选择
3.电流的选择
步进电机测试平台基本操作。
一、实验目的
（1）掌握步进电机测试平台的面板操作。
（2）掌握通过触摸屏对步进电机进行监控的方法。
（3）了解步进电机测试平台各部件的功能。
二、实验设备
步进电机测试平台一套。
三、实验原理
1.步进电机测试平台系统结构
其各部件主要功能如下：
（1）触摸屏：作为平台的上位机，给PLC发送指令，控制步进电机运行，并对PLC采集的数据以及系统的运行状态进行监控。
（2）PLC：作为该平台的监控核心，主要有以下几个作用：
（3）步进驱动器：接收PLC发出的脉冲和方向信号，从而控制步进电机旋转运行。
（4）步进电机：为该平台的测试及控制对象。
（5）磁粉制动器：作为步进电机的负载，通过模拟量控制其输出负载转矩的大小。
（6）磁粉控制器：接收0～10V模拟量信号，输出相应励磁电流来控制磁粉制动器输出不同的负载转矩。
（7）励磁电流表：显示磁粉控制器输出的励磁电流，与加载的负载转矩大小成正比。
（8）交流电流表：串接在电机的A相，用来检测相电流的大小。
（9）交流电压表：并接在电机的A、B相之间，用来检测相电压的大小。
（10）旋转编码器：安装在步进电机尾部，和电机同轴旋转，通过PLC高速计数器端口对其输出脉冲进行检测。该数据可用于计算电机的转速、位置等参数。
2.步进电机测试平台监控面板
（1）开关：测试平台的总电源开关，上拨为开，下拨为关，带短路保护功能。
（2）停止按钮：在电机运行时，按下停止按钮可使电机减速停止。
（3）电源指示灯：显示电路接通状态，当电源开关闭合时，电源指示灯亮。
（4）报警指示灯：用于测试平台异常报警。
（5）正转按钮：控制电机连续正转，不能用于定位控制正转。
（6）反转按钮：控制电机连续反转，不能用于定位控制反转。
（7）励磁电流表：显示磁粉控制器的励磁电流，表征加载负载转矩的大小。
3.触摸屏监控界面
四、实验步骤
（1）将步进电机测试平台电源插头连接220V交流电源，打开电源开关。
（2）电源指示灯亮，触摸屏开机启动。
（3）触摸屏开机完成后，显示界面如图7-25所示。
（4）按下操作面板上的“正转”按钮或触摸屏上的“正转”按钮，电机正向转动，面板上正转指示灯亮，触摸屏上正转指示灯亮，如图6-26及图6-27所示。
（5）电机正转时，观察交流电流表和交流电压表的指针指示值。可读取电机运转时的电流值和电压值。
（6）在电机转动的同时，可以看到数据监测栏中“转速”为400转／min基本不变，“加载转矩”不变，“脉冲计数”在时刻变化着。
（7）在首页点击“转速曲线”按钮，打开“转速曲线”窗口，可以看到转速的变化规律如图6-28所示。从图中可以看出，电机启动的过程存在一个加速过程，是速度从0加速
（8）在“转速曲线”窗口按下“返回主页”，在主界面可以对加载转矩进行监测，如需改变加载转矩，则在主界面按下“加载调节”按钮，切换至“加载实验”窗口，对加载转矩进行调节，如图6-29所示。
在“加载实验”窗口点击“返回主页”按钮，“脉冲计数”用于检测电机旋转的脉冲数。按下“脉冲计数”后的清零按钮，可对脉冲计数进行清零，如图6-31所示。
（10）电机运行时，按下操作面板的“停止”按钮，或按下触摸屏上的“停止”按钮，电机减速停止，触摸屏监控主界面“正转指示灯”灭，“停止状态指示灯”亮，如图6-30所示。
（11）在触摸屏上按下“转速曲线”，切换至“转速曲线”窗口，从启动到停止的转速曲线如图6-31所示。可以看到，在停止的过程中电机存在一个减速过程。“加速—恒速—减速”形成了电机的梯形运行过程。
（12）电机处于停止状态后，按下操作面板上的“反转”按钮或触摸屏监控主界面的“反转”按钮，电机反向旋转。面板反转指示灯亮，触摸屏上反转指示灯亮，如图6-32及图6-33所示。
（13）电机反转时，观察交流电流表和交流电压表的指针指示值。可读取电机运转时的电流值和电压值。
（14）反转时电机的“转速曲线”仍然遵守“加速—恒速—减速”的梯形曲线规则。通过改变加减速率可以改变梯形曲线的斜坡倾斜度，即改变电机的加减速时间。
五、注意事项
（1）在老师的指导下进行实验。
（2）系统通电后，身体的任何部位不要进入系统运动可达范围之内。
（3）实验中，请严格按照本实验指导书进行操作，以防发生意外。
（4）实验完成后按下“停止”按钮，使电机停止运行，关闭电源。
（5）实验中注意用电安全，如遇紧急情况立即拨动电源开关，切断电源。
一、步进电机的主要特点
（1）一般步进电机的精度为步进角的3％～5％，且不累积。
（2）步进电机外表允许的最高温度。
（3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。
（4）步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。
二、步进电机的主要特性
（1）步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。
（2）步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。
（3）改变脉冲的顺序，可以方便的改变步进电机转动的方向。因此，打印机、绘图仪、机器人等设备都以步进电机为动力核心。
六、课后习题
完成项目的项目检测。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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