专题七 认识伺服电动机和步进电动机（教案）-山东省职教高考《电机与拖动》（高教版） 专题复习讲练测

专题七 认识伺服电动机和步进电动机（教案）-《电机与拖动》高教版-专题复习讲练测 [考纲要求] 1. 伺服电动机的外形：了解伺服电动机的基本构造和外形特征。能够并描述伺服电动机的主要部件。交流伺服电动机与直流伺服电动机的外形 2.区分交流伺服电动机和直流伺服电动机的外形差异。理解交流伺服电动机和直流伺服电动机的基本工作原理。 3.步进电动机的外形：认识步进电动机的外形特点。能够区分步进电动机与其他类型电动机的外观差异。 4.反应式步进电动机的结构：详细了解反应式步进电动机的内部结构。理解反应式步进电动机结构中各部件的功能和作用。 5.反应式步进电动机的工作过程：掌握反应式步进电动机的工作原理。能够描述反应式步进电动机的工作流程和步骤。 6.步进电动机的应用：了解步进电动机在工业生产中的应用领域。分析步进电动机在特定应用中的优势和局限性。 [课时安排]2课时 [知识梳理] 一、伺服电动机的外形 根据功能及结构的不同,伺服电动机的外形有很大的差别,如图 2-5-2 所示。 二、交流伺服电动机 1.结构 ：交流伺服电动机的定子结构与电容运行单相异步电动机相似,它的定子上装有两个互差90°电角度的绕组,一个称为励磁绕组,运行时该绕组始终加上一定的交流励磁电压;另一个称为控制绕组,该绕组则加大小或相位随信号变化的控制电压。交流伺服电动机按转子结构形式有笼型转子和空心杯转子两种形式。笼型转子的结构与-般笼型异步电动机的转子相同,但转子做得细而长,转子导体用高电阻率的材料制成,目的是为了减小转子的转动惯量,增加起动转矩对输人信号的快速反应和克服自转现象。 2.交流伺服电动机实质上就是一种微型交流异步电动机,其电路原理如图 2-5-4所示。在外定子铁心上装有在空间上相差 90°电角度的励磁绕组F和控制绕组C,当两绕组中通人相差 90°电角度的电流时,气隙中合成的磁场为旋转磁场,旋转磁场与转子导体相对切制,在转子中产生感应电流。转子电流与旋转磁场相互作用产生转矩,使转子旋转。工作时,励磁绕组F接励磁电压,控制绕组.接控制电压,且与两者的频率必须相同。 3.控制方法交流伺服电动机的控制绕组利励磁绕组通常都设计成对称的,当控制电压和励磁电压也对称时,两相绕组产生圆形旋转磁场,电动机转速最高。如果控制电压与励磁电压Ù、的幅值不等或相位差不是(90°)电角度)则产生椭圆形的旋转磁场)因此改变控制电压 大本和租位就可以改变旋转磁场的椭圆度,从而控制伺服电动机的转矩和转速,具体的控制方法有3种:即幅值控制、相位控制和幅相控制。 三、直流伺服电动机 直流伺服电动机结构、原理与一般直流电动机基本相同。直流伺服电动机有他励式和永磁式两种,其转速由信号电压控制。信号电压若加在电枢绕组两端,称电枢控制:若加在励磁绕组两端则称为磁极控制由于电枢控制的直流伺服电动机的机械特性线性度较好、损耗较小,且由于电枢回路电感较小,因而电磁惯性较小,故其响应速度比磁极控制快,所以在工程上多采用电枢控制。当负载转矩一定时,转速与电枢控制信号电压成正比,属于恒转矩调速磁极控制调速是恒功率调速。他励直流伺服电动机接线图如图 2-5-5所示,励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立的电源供电。U为励磁电压，为电枢电压。 四、步进电动机的外形 步进电动机根据其功能及结构的不同,外形有很大的差别,但基本上为反应式(国产为 BF系列 )和永磁式(国产为 BYF 系列 )两种,如图 2-5-7所示。反应式步进电动机具有惯性小,反应快和速度高等优点,因此应用比较广泛。 五、反应式步进电动机的结构 反应式步进电动机的定子相数一般为 2~6相,定子极数为相数的2倍。图 2-5-8 所示为三相反应式步进电动机的结构示意图,其定子上装有6个均分布的极,每个磁极上都装有控制绕组,并接成星形联结,其中每2个相对的极组成一相;定子铁心由硅钢片叠压而成。传子上没有绕组,在面向气的定子,转子铁心表面有齿距相等的小齿。系统工作要求不同专子齿数也不同,图 2-5-8中转子齿数为50个,定子每个磁极上有5个小齿,转子由硅钢片或火磁材料叠压而成。 六、反应式步进电动机的工作过程 利用磁阻转矩使转子转动的,它的工作原理如图 2-5-9所示。 1.三相单三拍控制步进电动机工作时,定子各相绕组轮流通电(即轮流输入脉冲电压),当U相绕组通入电脉冲时,气隙中产生一个沿 U1U2轴线方向的磁场。由于磁通总是沿磁阻最小的路径闭合,于是产生磁拉力,使转子铁心齿1、3与U相绕组轴线 U1U2对齐,如图 2-5-9(a)所示。此时转子只受沿U1U2轴线上的拉力作用而具有自锁能力。要使步进电动机继续转动,必须立即将电流从U相换到V相绕组,从而使转子铁心齿2、4与V相绕组 V1V2对齐,即转子逆时针转过 30°,如图2-5-9(b)所示。当W相绕组通电而V相绕组断电时,同样转子又将按逆时针方向转过 30°电角度,如图 2-5-9(c)所示。由此可知,若定子绕组按U→v→W→ Ù…的顺序轮流通电,则转子就按逆时针方向一步一步地转动,每一步转过 30°电角度。 2.三相双三拍控制为了克服三相单三拍控制的缺点,通常可改为三相双三拍控制,即按 UV--VW--WU -UV 的顺序通电,每次有两相绕组同时通电,如图2-5-10(a)、(b)所示。双三拍控制与单三拍控制的原理相同,步距角仍为 30°,但工作更稳定。 3.三相单双六拍控制三相单双六拍控制的通电顺序为U--UV-_V-_VW --W-_ WU-U,每一循环共六拍,其中三拍为单相通电,三拍为两相通电。其运行的工作过程如图2-5-10所示,三相单双六拍通电时步距角为15°。 七、步进电动机的应用 步进电动机具有结构简单,维护方便,工作可靠,调速范围大,起动、制动、反转都比较灵敏等特点,其步距角不受电压波动、负载变化的影响,在不丢步的情况下,其角位移( 或直线位移误差不会长期积累,故而精确度高,且其转速只取决于电源频率,因此广泛应用于数控机床、自动记录仪和计算机外部设备的自动控制系统中。步进电动机本体与其驱动电源构成了步进电动机实际应用系统,如图2-5-11所示。 [真题练讲] 1.(2011年山东省统一考试) 伺服电动机和步进电动机的主要区别在于其控制系统类型，伺服电动机使用 __________ 控制，而步进电动机使用 __________ 控制。 A. 闭环；开环 B. 开环；闭环 C. 自动；手动 D. 精确；近似 答案： A 解析： 伺服电动机使用闭环控制系统，步进电动机使用开环控制系统。 2.(2004年山东省统一考试) 反应式步进电动机相比传统步进电动机具有 __________。 A. 更高的速度 B. 更复杂的结构 C. 更低的功耗 D. 更低的成本 答案： B 解析： 反应式步进电动机因其内部磁力对抗系统而具有更复杂的结构。 3.(2005年河北省统一考试）交流伺服电动机和直流伺服电动机在供电方式上的主要区别是 __________。 A. 电压大小 B. 电流类型 C. 电源类型 D. 控制系统 答案： C 解析： 交流伺服电动机使用交流电源，直流伺服电动机使用直流电源。 4.(2012年山东省统一考试) 步进电动机的每一步运动角度是由其 __________ 决定的。 A. 转子结构 B. 驱动电压 C. 步进角度 D. 控制器类型 答案： C 解析： 步进电动机的步进角度决定了每一步的运动角度。 5.(2004年湖南省统一考试) 反应式步进电动机的内部磁力对抗系统主要作用是 __________。 A. 提高效率 B. 减少噪音和振动 C. 增加速度 D. 改善冷却 答案： B 解析： 内部磁力对抗系统可以减少反应式步进电动机的噪音和振动。 [限时练讲] 1. 伺服电动机通常需要配备 __________ 来实现精确的位置反馈。 A. 编码器 B. 变压器 C. 电容器 D. 变频器 答案： A 解析： 编码器用于提供伺服电动机的精确位置反馈信号。 2.步进电动机在运行时通常会发出 __________ 的声音。 A. 嘟嘟 B. 嗡嗡 C. 哗哗 D. 呼呼 答案： B 解析： 步进电动机在运行时会发出特定的嗡嗡声。 3. 反应式步进电动机的控制系统中主要包含 __________ 以支持其磁力对抗系统。 A. 传感器 B. 润滑油 C. 电容器 D. 反射镜 答案： A 解析： 反应式步进电动机的控制系统中通常包含传感器来支持磁力对抗系统的运行。 4.伺服电动机适用于需要高 __________ 的应用场景。 A. 速度控制 B. 功率密度 C. 静态摩擦力 D. 电压波动 答案： A 解析： 伺服电动机适用于需要精确的速度控制的应用场景。 5.反应式步进电动机的磁力对抗系统可以帮助减少传统步进电动机在运行时的 __________。 A. 耗电量 B. 振动和噪音 C. 温度升高 D. 速度变化 答案： B 解析： 磁力对抗系统可以减少反应式步进电动机运行时的振动和噪音。 6. 步进电动机在步进角度较小时，通常表现出 __________ 的运动精度。 A. 较高 B. 较低 C. 不确定 D. 混乱 答案： A 解析： 步进电动机在步进角度较小时通常表现出较高的运动精度。 7.伺服电动机在动态响应方面通常表现 __________ 相对于步进电动机。 A. 更好 B. 更差 C. 相同 D. 不确定 答案： A 解析： 伺服电动机通常在动态响应方面表现更好，相比于步进电动机更适合需要快速调整的应用。 8..请简要比较交流伺服电动机和直流伺服电动机在控制特性和应用场景上的主要区别。 答案： 交流伺服电动机和直流伺服电动机的主要区别在于供电方式。交流伺服电动机使用交流电源，直流伺服电动机使用直流电源。9. 直流电动机铭牌上的重要信息有哪些？它们分别表示什么意义？ 9.反应式步进电动机相对于传统步进电动机有何优势？请详细说明其工作原理。 答案： 反应式步进电动机通过内部的磁力对抗系统实现更高的运行精确性和稳定性。正常的步进电动机在高速运行时可能会产生振动和噪音，而反应式步进电动机通过在转子上增加特殊的磁体结构，利用内部的磁力对抗系统来抵消这些振动和噪音，从而实现更精确的位置控制和更稳定的运行。 10. 步进电动机在哪些应用中表现突出？为什么？ 答案： 步进电动机在需要精确位置控制而速度不是首要考虑的应用中表现突出。 例如，3D打印机的打印头移动控制中，步进电动机能够提供非常精确的位置控制，这是打印过程中保持打印精度所必需的。此外，在医疗设备、摄影器材等需要固定位置控制的场景中，步进电动机也得到广泛应用。 11. 伺服电动机的闭环控制系统与步进电动机的开环控制系统有何区别？它们分别适用于哪些应用？ 答案： 伺服电动机使用闭环控制系统，步进电动机使用开环控制系统。 闭环控制系统可以实时反馈和调整电机的运行状态，因此适用于需要高精度和稳定性的应用，如印刷设备和医疗成像设备。开环控制系统则结构简单、成本低，适合于一些不需要极高精度但需要经济高效的应用，如简单的定位控制和家用电器。 12. 你认为反应式步进电动机相对于传统步进电动机的主要改进是什么？其如何实现这一改进？ 答案： 反应式步进电动机主要改进了振动和噪音问题。 它通过在电机内部增加特殊设计的磁力对抗系统来实现这一改进。这种系统能够有效减少步进电动机在高速运行时产生的振动和噪音，从而提高了其运行的稳定性和精确性。 [学法建议] 重点复习知识点： 1..伺服电动机又称执行电动机,在自动控制系统中,用作执行元件,可以将所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出,分为直流和交流两大类,其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降。 2.交流伺服电动机的定子结构与电容运行单相异步电动机相似,它的定子上装有两个互差90°电角度的绕组,一个称为励磁绕组,运行时该绕组始终加上一定的交流励磁电压:另一个称为控制绕组,该绕组则加大小或相位随信号变化的控制电压。6.机械特性的重要性：学习转矩-转速特性曲线的分析，了解不同负载下电动机性能的变化及其对实际应用的影响。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$