直流电机与步进电机区别(详细解说)

“ Impossible is nothing ” 直流电机与步进电机 张晓冬 www.plcworld.cn www.plcworld.cn 直流电机  定义输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机， 它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电 动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电 机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。直流电机 在数控机床、光缆线缆设备、机械加工、印制电路板设 备、焊接切割、机车车辆、医疗设备、通讯设备、卫星地 面接受系统等行业广泛应用。  按结果主要分为直流电动机和直流发电机；按类型主要分 为直流有刷电机和直流无刷电机；直流电机的励磁方式是 指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的 问题。按励磁方式主要分为他励直流电机、并励直流电 机、串励直流电机和复励直流电机。 www.plcworld.cn www.plcworld.cn 直流电机的结构应由定子和转子两 大部分组成。直流电机运行时静止不动 的部分称为定子，定子的主要作用是产 生磁场，由主磁极、换向极、轴承和电 刷等组成。运行时转动的部分称为转 子，其主要作用是产生电磁转矩和感应 电动势，是直流电机进行能量转换的枢 纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电 枢铁心、电枢绕组、换向器等组成。 www.plcworld.cn www.plcworld.cn 一台直流电机原则上既可以作为电动机运行,也可以作为发电机运行,这种 原理在电机理论中称为可逆原理。当原动机驱动电枢绕组在主磁极N、S之间 旋转时，电枢绕组上感生出电动势，经电刷、换向器装置整流为直流后，引 向外部负载（或电网），对外供电，此时电机作直流发电机运行。如用外部 直流电源，经电刷换向器装置将直流电流引向电枢绕组，则此电流与主磁极 N.S.产生的磁场互相作用，产生转矩，驱动转子与连接于其上的机械负载工 作，此时电机作直流电动机运行。 www.plcworld.cn www.plcworld.cn 直流电机的调速  直流电动机的转速N和其他参量的关系可表示为  N= (Ua- Ia*Ra)/ CE*Ф；  式中 Ua——电枢供电电压（V）；  Ia ——电枢电流（A）；  Ф——励磁磁通（Wb）；  Ra——电枢回路总电阻（Ω）；  CE——电势系数。  可以看出，式中Ua、Ra、Ф三个参量都可以成为变量， 只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以 直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻 Ra；；(2)改变电枢供电电压Ua；(3)改变励磁磁通Ф。 www.plcworld.cn www.plcworld.cn  当分别改变Ua、Ra和Ф时，可以得到不同的转速N，从而实现对速度 的调节。由于Ф=F(Ia)，当改变励磁电流Ia 时，可以改变磁通量Ф的 大小，从而达到调速的目的。但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的 限制，电动机的励磁电流Ia和磁通量Ф只能在低于其额定值的范围内 调节，故只能弱磁调速。而对于调节电枢外加电阻Ra 时，会使机械 特性变软，导致电机带负载能力减弱。所以调速时，改变电枢电压， 实现对直流电机速度调节的方法被广泛采用。改变电枢电压可通过多 种途径实现，如晶闸管供电速度控制系统、大功率晶体管速度控制系 统、直流发电机供电速度控制系统及晶体管直流脉宽调速系统等。  PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端 的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在 许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。在PWM驱动控制 的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改 变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电 压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因 此，PWM又被称为“开关驱动装置”。 www.plcworld.cn www.plcworld.cn  在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减 少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控 制。设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t ／T，则电机的平均速度为 Vd=Vmax×D 式中， Vd 电机的平均 速度；Vmax电机全通电时的速度(最大)；D=t1／T占空比。当我们改 变占空比D=t1／T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd ，从而达到 调速的目的。在一般应用中，可以将平均速度Vd与占空比D近似地看 成线性关系。 www.plcworld.cn www.plcworld.cn 步进电机  步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，在自动化仪 表、自动控制、机器人、自动生产流水线等领域的应用相 当广泛。它的用途是将电脉冲转化为角位移，通俗的说： 当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按 设定的方向转动一个固定的角度（步进角）。通过控制脉 冲个数即可控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同 时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从 而达到调速的目的。  常用的步进电机分三种：永磁式（PM）、反应式（VR） 和混合式（HB）。永磁式一般为两相，转矩和体积较 小，步进角为15 °和7.5°；反应式一般为三相，可以实 现大转矩输出，步进角为1.5 °，但噪声和震动较大；混 合式是指混合了永磁式和反应式的优点，分为两相和五 相，步进角分别为1.8 °和0.72 °，应用最为广泛。 www.plcworld.cn www.plcworld.cn www.plcworld.cn www.plcworld.cn  若转子上有N个 齿，则其齿间距 θ=360°/N;  步进角度β=转子齿 间距/(2×相数)= θ/(2×P);  以常用的2相50齿 步进电机为例： θ=360°/50=7.2°； β=7.2/(2×2)=1.8°; www.plcworld.cn www.plcworld.cn 1000→0010 → 0100 → 0001 (正转) 1000→1010 → 0010 → 0110 → 0100 →0101 → 0001→ 1001(正转) 1相 驱动 1~2相 驱动 www.plcworld.cn www.plcworld.cn 伺服电机  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，把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。分为直流和交流伺服电动机两大类，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。通常采用晶体管直流脉宽调速系统控制 （PWM脉宽调制）。 www.plcworld.cn www.plcworld.cn 课后练习  通过PWM脉宽调制方式实现直流电机无级调速。  精确控制步进电机转动，并驱动一个小型系统。 www.plcworld.cn www.plcworld.cn 直流电机与步进电机 直流电机 幻灯片编号 3 幻灯片编号 4 直流电机的调速 幻灯片编号 6 幻灯片编号 7 步进电机 幻灯片编号 9 幻灯片编号 10 幻灯片编号 11 伺服电机 课后练习