项目 8 微特电机的认识

2. 学习资讯 2.1 项目分析 2.2 步进电动机的认识 2.3 伺服电动机的认识 2.4 直线电动机的认识 2.5 测速发电机的认识

2.2 步进电动机的认识 2.2.1 控制系统对步进电动机的要求 2.2.2 步进电动机的分类与结构 2.2.3 反应式步进电动机 2.2.4 永磁式步进电动机 2.2.5 步进电动机的驱动器的认识 2.2.6 步进电动机的参数选择与使用 2.2.7 步进电动机的应用 2.2.8 步进电动机优缺点

2. 3 伺服电动机的认识 2.3.1 直流伺服电动机 2.3.2 交流伺服电动机

2.4 直线电动机的认识 2.4.1 直线电动机分类及结构 2.4.2 直线异步电动机工作原理 2.4.3 直线电动机的应用

2.5 测速发电机的认识 2.5.1 自控系统对测速发电机的要求

2.5.2 测速发电机的分类 2.5.3 交流异步测速发电机 2.5.4 直流测速发电机

2.1 项目分析 微特电机通常又称特种电机，主要是指容量和尺寸都比较小

的特殊用途的电机，功率一般从数瓦到数百瓦。微特电机与普通动力电动机的区别在于普通动力电动机的主要任务是实现能量转换，主要要求是提高电机的能量转换效率等经济指标，以及启动、调速及制动等性能，而微特电机注重的是它的高精度特性和快速响应。

微特电机包括的范围相当广泛，按用途不同大体可分为驱动用特种电机、控制用特种电机和电源用特种电机。驱动用特种电机主要作为驱动机械或装备之用，例如步进电动机、伺服电动机、直线电动机、微型同步电动机、永磁电动机等。控制用特种电机主要是在自动控制系统和计算装置中作检测、放大、执行、和校正元件使用的电机，例如测速发动机、自整角机、旋转变压器等。

2.2 步进电动机的认识 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或直线位移的

特种电机。这种电动机每输入一个脉冲信号，输出轴便转动一定的角度或前进一步，因此被称为步进电动机。步进电动机输出轴的角位移量与输入脉冲数成正比，控制输入的脉冲数就能准确地控制输出的角位移量，因而用数字能够精确地定位；而步进电动机输出轴的转速与输入的脉冲频率就能准确地控制步进电动机的转速，可以在宽广的范围内精确地调速。

步进电动机的输入是电脉冲信号，从它绕组内的电流来看，即不是通常的正弦波交流电流，也不是恒定电流，而是脉冲电流，故又称为脉冲电动机。

2.2.1 控制系统对步进电动机的要求 步进电动机在动作方式上具有独特的一个脉冲前进一步的特性，其动作

精度高、惯性小、不会因电压不动、负载变化、温度变化等原因而改变输出量与输入量之间的固定关系，控制性能极好，所以步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。从应用的方面来看，自动控制系统对步进电动机的要求如下：

（ 1 ）要具有良好的运行稳定性 “ 稳”是指步进电动机应具有良好的稳定性。在一定的速度范围内，

步进电动机都能稳定运行，输出轴转过的步数必须等于脉冲数，既不能多走一步，也不能少走一步，即不能出现所谓的“失步”现象。

（ 2 ）要具有良好的控制准确性 “ 准”是指步进电动机应具有良好的准确性。每输入一个脉冲信号，

输出轴所转过的角度称为步距角，该值要小，而且精度要高，这样才能使工作台的位移量小而且准确和均匀，从而可以提高加工精度。

（ 3 ）要具有良好的快速响应 “ 快”是指步进电动机应具有良好的快速响应。步进电动机允许的工

作频率高，这样动作才能迅速，减少辅助工时，提高生产率。 （ 4 ）产品的通用性要强，功率低，效率高。 （ 5 ）具有较强的负载驱动能力。在某些场合，当步进电动机停转时，

还要求有足够的定位转矩。

2.2.2 步进电动机的分类与结构 步进电动机外形图 （ 1 ）步进电动机分类 步进电动机的种类很多，按其运动方式的不同可分

为旋转运动、直线运动和平面运动等几种；按工作原理可分为反应式（磁阻式）、永磁式和永磁感应式等几种，如图 8-1 所示。永磁式步进电动机的转子用永久磁钢制造，一般为两相，它的转矩和体积都比较小。反应式步进电动机则一般为三相，它的转子是用高磁导率的软磁材料制成。反应式步进电动机具有力矩惯性比高、步进频率高、频率响应快、可双向旋转、结构简单和使用寿命长等特点，在计算机应用系统中大量使用的是反应式步进电动机。永磁感应式步进电动机综合了永磁式和反应式的优点，使用也越来越广泛。

步进电动机外形图

（ 2 ）步进电动机结构

三相反应式步进电动机结构及其断面接线图

2.2.3 反应式步进电动机

步进电动机原理结构图

三相反应式步进电动机工作原理图（三相单三拍运行）

反应式步进电动机结构示意 反应式步进电动机实际结构

2.2.3 永磁式步进电动机

永磁式步进电动机工作原理图（单四拍运行）

2.2.4 步进电动机的驱动器的认识

步进电动机及驱动器

2.2.5 步进电动机的参数、选择与使用 （ 1 ）步进电动机的参数与产品 步进电动机的参数除了相数、相绕组的额定电压及电流外，还包括： ① 步距角及步距角误差 步距角为转子每拍转过的空间角。步距角误差反映步距理论值与实际值

的偏差。 ② 最大静转矩 最大静转矩是静态转角特性上的最大转矩值，在很大程度上影响着电动

机的负载能力与运行稳定性。根据负载阻力或阻力矩、传动比，推算出步进电动机的负载，并按 0.3~0.5 倍负载转矩选择步进电动机的最大静转矩。

③ 分配方式 它是规定的电动机通电运行方式，步进电动机产品性能指标一般指规定

通电方式下的指标。 ④极限启动、运行频率 它们分别反映步进电动机能够不失步地启动和运行时所能施加的最高频

率值。 （ 2 ）步进电动机的选择 选择步进电动机时，应首先结合其不同类型的特点及所驱动负载的要求

来进行选择。反应式步进电动机的步距角较小，启动和运行频率较高；但断电时无定位力矩，需带电定位。永磁式步进电动机步距角较大，启动和运行频率较低，断电后有一定的定位力矩，但需要双极性脉冲励磁。

2.2.6 步进电动机的应用 步进电动机能够将脉冲量精确地转换成转角或直线位移。其本身就是典

型的离散型执行元件，可方便地构成开环或闭环控制系统，能够与计算机配合进行数字化控制，广泛应用于各种设备或装置中实现转速、转角或位置及运动轨迹控制。

步进电动机应用于绘图仪

2.2.7 步进电动机优缺点（ 1 ）步进电动机的优点 ①电机旋转的角度正比于脉冲数；而且具有比较宽的转速范

围。 ②电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）；启停

和反转响应快速。 ③由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步

的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性。 ④由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于

轴承的寿命。 ⑤电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控

制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本。 （ 2 ）步进电动机的缺点 ①如果控制不当容易产生共振，超过负载时会破坏同步。 ②难以运转到较高的转速，难以获得较大的转矩。 ③在体积重量方面没有优势，能源利用率低。

2. 3 伺服电动机的认识伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统

中作为执行元件使用。其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度。伺服一词源于希腊语“奴隶”的意思，人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。在信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号消失，转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能，因此而得名。改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的速度及转向，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。

伺服电动机外形图

2.3.1 直流伺服电动机（ 1 ）直流伺服电动机分类 1 ）按励磁方式分类 按励磁方式不同，可分为他励式（电磁式）和永磁式两种，目前应用以他励式为主。

2 ）按控制方式分类 直流伺服电动机按控制方式不同，可分为枢控式和场控式两

种。枢控式就是励磁绕组接于恒定直流电源，用电枢绕组作为控制绕组来进行控制；场控式则相反，以电枢绕组接于恒定直流电源，而励磁绕组作为控制绕组，用输入信号电压来进行控制。由于场控式电动机当信号消失后，电动机停转，而电枢绕组中仍有电流，此电流还很大，相当于普通直流电动机的启动电流，容易把换向器及电刷烧坏，且在停转时损坏也大；此外，场控时的特性为非线性，故在自动控制系统中多数采用枢控式直流伺服电动机。

（ 2 ）直流伺服电动机的结构

他励式直流伺服电动机结

永磁式直流伺服电动机结构

2.3.2 交流伺服电动机交流伺服电动机具有运行稳定、可控性好、

响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格等特点。

笼型交流伺服电动机结构

空心杯式交流伺服电动机结构

交流伺服电动机工作原理

交流伺服电动机剖面图 交流伺服电动机原理图

交流伺服电动机控制 当负载转矩一定时，可以通过调节加在控制绕组上的信号

电压大小及相位来达到改变交流伺服电动机的转速的目的。因此，交流伺服电动机的控制方式有以下三种：

1 ）速度控制 ①幅值控制 这种控制方式是通过调节控制电压的大小来改变电动机的转

速，而控制电压与励磁电压之间的相位角始终保持 90° 电角度。当控制电压 =0 时，电动机停转，控制电压越大，电动机转速越高。

②相位控制 这种控制方式是通过调节控制电压的相位（即调节控制电压

与励磁电压之间的相位角）来改变电动机的转速，而控制电压的幅值保持不变。当相位角为零时，电动机停转，相位角加大，则电磁转矩加大，使电动机转速增加，这种控制方式一般很少用。

③幅值 - 相位控制 这种控制方式是在将励磁绕组串联电容 C ，

用调节控制电压的幅值来改变电动机的转速，此时励磁电压和控制电压之间的相位角也随着改变，因此称为幅值 - 相位控制，这种控制方式设备简单、成本较低，因此是最常用的一种控制方式。

2 ）转向控制 伺服电动机转向的改变是靠改变加在控制绕组上的控制电压的相位来实现的，当加在控制绕组上的电压反相时（保持励磁电压不变），由于旋转磁场的转向改变，则电动机反转。

2.4 直线电动机的认识 直线电动机是一种将电能直接转换成直线

运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。直线电动机能直接驱动机械负载作直线运动，它与旋转电动机通过中间装置变为直线运动比较，具有运行可靠、传递效率高、成本低廉、维护简单等优点。所以该电动机在军事工业、交通运输业、工业生产领域及农业、民用中都得到了广泛应用。

2.4.1 直线电动机分类及结构 （ 1 ）直线电动机的分类

直线电动机外形结构

转电动机演变为直线电动机

扁平形直线异步电动机

管形直线电动机

2.4.2 直线异步电动机工作原理 直线异步电动机不仅在结构上由笼型异步电动机演

变而来，其工作原理也与笼型异步电动机相似。在初级绕组中放置三相对称绕组，通以三相对称电流，在气隙中产生磁场，相序也按 U-V-W-U 变化，且沿直线运动，不是旋转而是平移，称为行波磁场。显然，行波磁场的移动速度与旋转磁场沿定子内圆表面上的线速度是一样的，即同步速度。而行波磁场对次级作用（次级大多采用整块金属板或复合金属板，可视为无限多根导条并联），在导条中产生感应电动势，并产生电流，而导条中电流又与行波磁场作用，便产生电磁推力。如果初级固定，则直线电动机次级在推力作用下，沿着行波方向做直线运动；反之，则初级做直线运动。

2.4.3 直线电动机的应用 直线电动机能直接产生直线运动，可省去中间的机械传动装置，所以其应用非常广泛。在交通运输业中，可用于制造时速达 500km/h 以上的磁悬浮列车、电磁推进船等；在工业领域中，直线电机被用于生产输送线，机床上的纵、横轴加工、电梯升降机等；在自动化仪器仪表领域，可用于自动绘图仪、医疗仪器等；在民用领域，可用于驱动门与门锁，驱动窗与窗帘，驱动家用针织机、缝纫机等。城市轻轨直线机车，它的直线电动机初级绕组装在车体的下部，次级绕组则置于地面上两条钢轨的中间，通过车轮的支撑保持初级绕组（车体）与次级绕组之间的气隙；采用直线电动机驱动的电梯，与传统的电梯相比，具有简化机械结构、运行速度快、占用空间小、节能、易于控制等优点；宾馆自动门也采用直线电动机驱动，它与用旋转电机驱动相比较，具有结构简单、维修方便、成本低、节能等优点。

轻轨直线机车

宾馆自动门

直线电梯

2.5 测速发电机的认识 测速发电机是一种能将旋转机械的转速变换成电压

信号输出的小型发电机，测速发电机的绕组和磁路经精确设计，其输出电动势 E 和转速 n 成线性关系，即 E=Kn ， K 是常数。改变旋转方向时输出电动势的极性即相应改变。在被测机构与测速发电机同轴联接时，只要检测出输出电动势，就能获得被测机构的转速，故又称速度传感器。

测速发电机广泛用于各种速度或位置控制系统。在自动控制系统中作为检测速度的元件，以调节电动机转速或通过反馈来提高系统稳定性和精度；在解算装置中可作为微分、积分元件，也可作为加速或延迟信号用或用来测量各种运动机械在摆动或转动以及直线运动时的速度。

2.5.1 自控系统对测速发电机的要求 自动控制系统对测速发电机的要求，主要是精确度高、灵敏

度高、可靠性好等。具体为： （ 1 ）输出电压与转速保持良好的线性关系； （ 2 ）剩余电压（转速为零时的输出电压）要小； （ 3 ）输出电压的极性和相位能反映被测对象的转向； （ 4 ）温度变化对输出特性的影响小； （ 5 ）输出电压的斜率大，即转速变化所引起的输出电压的

变化要大； （ 6 ）摩擦转矩和惯性要小。 此外，还要求它的体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、

对无线电通讯的干扰小、噪声小等。 在实际应用中，不同的自动控制系统对测速发电机的性能要

求各有所侧重。例如作解算元件时，对线性误差、温度误差和剩余电压等都要求较高，一般允许在千分之几到万分之几的范围内，但对输出电压的斜率要求却不高；作较正元件时，对线性误差等精度指标的要求不高，而要求输出电压的斜率要大。

2.5.2 测速发电机的分类 测速发电机按输出信号的形式，可分为交流测速发电机和直流测速发电机两大类。

2.5.3 交流异步测速发电机 交流异步测速发电机分笼型和空心杯形两种，笼

型结构不及空心杯形测量精度高，且空心杯形的转动惯量也小，仅用于要求不高的场合。因此，目前在自动控制系统中应用较多的是空心杯形转子的异步测速发电机。

交流异步测速发电机原理图

2.5.3 直流测速发电机 直流测速发动机是一种用来测量转速的小型

直流发电机。在自动控制系统中作为反馈元件，直流测速发电机的结构和直流伺服电机基本相同，从原理上看又与普通直流发电机相似。若按定子磁极的励磁方式来分，直流测速发电机可分为永磁式和电磁式两大类。如以电枢不同结构形式来分，又有有槽电枢、无槽电枢、空心杯电枢和印刷绕组电枢等。近年来，为满足自动控制系统的要求，较多应用永磁直流测速发电机。