专题七 认识伺服电动机和步进电动机（课件）-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 《电机与拖动》（高教版） 专题复习讲练测 1 01. 考纲解读 02. 知识点梳理 03. 考题讲解 04. 课内练习 05. 归纳小结 目录 CONTENTS 一.考纲解读 常见考点： 1.伺服电动机的外形特征：包括机壳、定子、转子等组成部分。 2.交流伺服电动机：采用交流电源供电。通过控制器实现精确的位置控制和速度调节。直流伺服电动机：采用直流电源供电、具有快速响应和高动态性能。 3.步进电动机的外形：外形通常由电机本体、转子、定子和端盖等部分组成。 4.反应式步进电动机的工作原理：通过内部的磁力对抗系统来减少震动和噪音。 5.步进电动机的广泛应用场景：CNC机床上的定位和移动控制。 一.考纲解读 1.描述伺服电动机的外形特征，包括机壳、定子、转子等组成部分。理解伺服电动机的外形如何影响其性能和应用场景。 2.比较交流伺服电动机和直流伺服电动机的供电方式、性能特点及适用场景。解释步进电动机的外形组成。 3.分析反应式步进电动机的特殊结构设计，如何通过磁力对抗系统减少振动和噪音。分析步进电动机在这些应用中的优势，如定位精度、可控性和操作稳定性。 考试要求 考试要求： 易考题型： 一.考纲解读 选择题 理解步进电动机的结构如何决定其适用于低速高扭矩应用的能力。 应用题 理解反应式步进电动机在高速运行时如何保持精确性和稳定性。 填空题 理解伺服电动机的外形如何影响其性能和应用场景。 知识点思维导图 二.知识点梳理和重点概念复习 知识点梳理： 二.知识点梳理和重点概念复习 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。 知识点梳理： 二.知识点梳理和重点概念复习 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。 知识点梳理： 二.知识点梳理和重点概念复习 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。 知识点梳理： 二.知识点梳理和重点概念复习 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。 知识点梳理： 二.知识点梳理和重点概念复习 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。 知识点梳理： 二.知识点梳理和重点概念复习 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。 知识点梳理： 二.知识点梳理和重点概念复习 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。 知识点梳理： 六、反应式步进电动机的工作过程是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。 二.知识点梳理和重点概念复习 知识点梳理： 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°。 二.知识点梳理和重点概念复习 知识点梳理： 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。 二.知识点梳理和重点概念复习 重点概念复习： 二.知识点梳理和重点概念复习 1.伺服电动机的外形：包括机壳、定子、转子等组成部分。外形特点对性能和应用的影响。 2.交流伺服电动机与直流伺服电动机：交流伺服电动机：使用交流电源供电，精确控制位置和速度。直流伺服电动机：使用直流电源供电，具有快速响应和高动态性能。适用于需要快速加减速和精准控制的应用。 3.步进电动机的外形：包括电机本体、定子、转子和端盖等组成部分。结构简单，适合低速高扭矩应用。 重点概念复习： 二.知识点梳理和重点概念复习 4.反应式步进电动机的结构与工作过程：结构特点：包括驱动电源、步进控制器和电机本体。采用特殊设计以减少振动和噪音。工作过程：通过内部磁力对抗系统实现高速运行的精确性和稳定性。 5.步进电动机的应用：广泛应用于CNC机床、3D打印机、医疗设备等领域。特点包括定位精度、可控性和操作稳定性。 1.以下哪种电动机通常用于需要高精度控制和位置反馈的应用？ A. 交流伺服电动机 B. 直流伺服电动机 C. 步进电动机 D. 反应式步进电动机 答案：A。 解析：交流伺服电动机通常用于需要高精度控制和位置反馈的应用，其结构和控制系统都能提供较高的动态性能和精确度。 三.常考习题练习与讲解 选择题 2.反应式步进电动机的工作原理是利用什么原理来增加步进电动机的性能？ A. 磁滞现象 B. 反电动势 C. 磁阻效应 D. 磁感应效应 答案：B。 解析：反应式步进电动机通过利用反电动势的原理，可以在低速时减少失步现象，提高了步进电动机的性能和效率。 。 三.常考习题练习与讲解 选择题 3.步进电动机通常用于哪些需要精确控制和定位的应用？ A. 电动汽车 B. 3D打印机 C. 洗衣机 D. 冰箱 答案：B。 解析：步进电动机因其精确的位置控制特性，常被用于需要精确控制和定位的设备，如3D打印机、CNC机床等。 三.常考习题练习与讲解 选择题 4.下列哪种电动机结构中包含了编码器或者传感器来反馈位置信息？ A. 直流伺服电动机 B. 步进电动机 C. 交流伺服电动机 D. 反应式步进电动机 答案：A。 解析：直流伺服电动机通常结合编码器或传感器来实时反馈转子位置，从而实现精确的闭环控制。 三.常考习题练习与讲解 选择题 5.以下哪种电动机可以通过适当的控制器实现闭环控制？ A. 步进电动机 B. 交流伺服电动机 C. 直流伺服电动机 D. 反应式步进电动机 答案：B。 解析：交流伺服电动机可以通过配备适当的控制器和反馈系统实现闭环控制，从而提高其响应速度和精度。 三.常考习题练习与讲解 选择题 1.交流伺服电动机和直流伺服电动机的主要区别在于它们的______不同。 答案： 供电方式 解析： 交流伺服电动机和直流伺服电动机的区别主要在于其供电方式，这直接影响了其控制特性和应用场景。 三.常考习题练习与讲解 填空题 2.反应式步进电动机通过内部的______系统减少振动和噪音，实现精确的位置控制。 答案： 磁力对抗 解析： 反应式步进电动机利用内部的磁力对抗系统来减少振动和噪音，从而提高运行的精确性和稳定性。 三.常考习题练习与讲解 填空题 3.直流伺服电动机由于其______和高动态性能，在需要快速加减速和精准控制的应用中表现突出。 答案： 快速响应特性 解析： 直流伺服电动机以其快速响应特性和高动态性能而广泛应用于需要快速动作和精准控制的工业场景。 三.常考习题练习与讲解 填空题 4.步进电动机通常采用______控制系统，这使得其控制简单且成本较低。 答案： 开环 解析： 步进电动机通常采用开环控制系统，这使得其结构简单、控制方法直接，适合低成本的应用场景。 三.常考习题练习与讲解 填空题 5.在3D打印机的打印头移动控制中，步进电动机因其精确的______而得到广泛应用。 答案： 位置控制 解析： 步进电动机由于其能够提供精确的位置控制而在需要高精度定位的设备中得到广泛应用，如3D打印机的打印头移动控制中。 三.常考习题练习与讲解 填空题 1.交流伺服电动机和直流伺服电动机都适用于需要高精度位置控制的场景。（） 答案： 正确 解析： 交流伺服电动机和直流伺服电动机都能提供高精度的位置控制，因此这个说法是正确的。 三.常考习题练习与讲解 判断题 2.反应式步进电动机与传统步进电动机的最大区别在于其使用了内部磁力对抗系统。（） 答案： 正确 解析： 反应式步进电动机通过内部磁力对抗系统减少振动和噪音，这是与传统步进电动机最显著的区别。 三.常考习题练习与讲解 判断题 3.直流伺服电动机比交流伺服电动机更适合用于需要高速运动的应用场景。（） 答案： 错误 解析： 交流伺服电动机通常比直流伺服电动机更适合高速运动的应用，因为交流电机在高速运行时能够更有效地控制扭矩和速度。 三.常考习题练习与讲解 判断题 4.步进电动机和伺服电动机都可以使用开环控制系统。（） 答案： 错误 解析： 步进电动机通常使用开环控制系统，而伺服电动机则通常使用闭环控制系统以提供更高的控制精度和稳定性。 三.常考习题练习与讲解 判断题 5.步进电动机在需要连续旋转的应用中表现优于伺服电动机。（） 答案： 错误 解析： 步进电动机由于其固有的步进运动特性，不适合连续旋转的应用，而伺服电动机可以提供平滑的连续运动和速度控制。 三.常考习题练习与讲解 判断题 1.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。 四.课内练习与讲解 2.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。 四.课内练习与讲解 3.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。 四.课内练习与讲解 4.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。 四.课内练习与讲解 5.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。 四.课内练习与讲解 四.课内练习与讲解 6.某工厂的自动化生产线需要使用一台步进电动机来精确控制物料的输送位置。已知该步进电动机的步距角为 1.8°，转子齿数为 50，脉冲电源的频率为 800Hz。现要将物料输送到距离初始位置 500mm 的位置，且输送轨道的螺距为 5mm。 问题： 1. 该步进电动机的每转脉冲数是多少？ 2. 要达到指定位置，需要多少个脉冲？ 答案： 1. 每转脉冲数 = 360° / 步距角 = 360° / 1.8° = 200 （个） 2. 输送距离为 500mm，螺距为 5mm，所以需要转动的圈数 = 500 / 5 = 100（圈） 总共需要的脉冲数 = 每转脉冲数 × 转动圈数 = 200 × 100 = 20000（个） 四.课内练习与讲解 7.一个交流伺服电动机在额定电压220V下运行，额定电流为5A，计算其额定功率。 答案： 1100瓦特 解析： 电机的额定功率可以通过乘以额定电压和额定电流来计算，即 ( 220V \times 5A = 1100 ) 瓦特。 五.课程小结 在本节课中，我们了解了数控铣床和加工中心的输入装置、数控系统、伺服系统、辅助控制装置以及机床本体的结构。我们深入掌握了数控铣床和加工中心的工作原理、分类及特点，包括其自动化程度、加工精度、加工效率等方面。通过学习这些知识点，我们可以更好地理解数控铣床和加工中心的运行原理和特点，为日后的实际应用提供基础。 本节课介绍了伺服电动机和步进电动机的关键知识点。我们首先学习了伺服电动机的外形及其类型包括交流和直流，重点在于它们在高精度控制和动态性能上的差异。接着，我们深入探讨了步进电动机的外形和应用，特别是反应式步进电动机的结构及其内部磁力对抗系统的作用原理。通过这些内容，学生不仅理解了各种电动机的外观特征，还能够区分它们在实际工程中的不同应用场景及优劣势。这些知识对于日后学生在工业自动化和机器人控制领域的应用具有重要的基础意义。 五.课程小结 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。 感谢观看 $$