第三章執(zhí)行元件的選擇與設(shè)計(jì)ch

1、第一節(jié) 執(zhí)行元件的種類、特點(diǎn)及基本要求 第二節(jié) 常用的控制用電動(dòng)機(jī) 第三節(jié) 直流(DC)與交流(AC)伺服電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng) 第四節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng) 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 返回目錄 2 作用：執(zhí)行元件主要用來根據(jù)控制信息和指令，將來 自電、液壓、氣壓等各種能源的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、 直線運(yùn)動(dòng)等方式機(jī)械能，并完成要求動(dòng)作的能量轉(zhuǎn)換 裝置。它在機(jī)電一體化系統(tǒng)中所處的位置參見下圖： 第一節(jié)第一節(jié) 執(zhí)行元件的種類、特點(diǎn)及基本要求執(zhí)行元件的種類、特點(diǎn)及基本要求 返回目錄 3 一、執(zhí)行元件的種類及特點(diǎn) 根據(jù)使用能量的不同，可以將執(zhí)行元件分為電氣式電氣式、 液壓式液壓式和氣壓式氣壓式等幾種類型。 (1) 電氣電氣

2、(磁磁)式：式：是將電能變成電磁力，并用該電磁力驅(qū)動(dòng) 運(yùn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的。電動(dòng)執(zhí)行裝置由于能源容易獲得，使用 方便，所以得到了廣泛的應(yīng)用。 (2)液壓式：液壓式：是先將電能變換為液壓能并用電磁閥改變壓力 油的壓力和流向，從而使液壓執(zhí)行元件驅(qū)動(dòng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)， 包括液壓油缸、液壓馬達(dá)等。具有體積小、輸出功率大等 特點(diǎn)。 (3)氣壓式：氣壓式：與液壓式的原理相同，只是將介質(zhì)由油改為氣 體，包括氣缸和氣動(dòng)馬達(dá)。特點(diǎn)是重量輕、價(jià)格便宜。 (4)其它執(zhí)行元件：其它執(zhí)行元件：與使用材料有關(guān)，如使用雙金屬片、形 狀記憶合金或壓電元件 。 返回目錄 4 執(zhí) 行 元 件 電磁式 電磁鐵及其他 電動(dòng)機(jī) 液壓馬達(dá) 液壓式

3、 油 缸 氣壓馬達(dá) 氣壓式 氣 缸 其 他與材料有關(guān) 直流伺服電機(jī) 雙金屬片 壓電元件 狀態(tài)記憶金屬 其他電機(jī) 交流伺服電機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 圖3.1 執(zhí)行元件的分類 種類種類特點(diǎn)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn) 電電 氣氣 式式 可用商業(yè)電源；信可用商業(yè)電源；信 號(hào)與動(dòng)力傳送方向相號(hào)與動(dòng)力傳送方向相 同；有交流直流之分；同；有交流直流之分； 注意使用電壓和功率。注意使用電壓和功率。 操作簡便；編程容易；操作簡便；編程容易； 能實(shí)現(xiàn)定位伺服控制；能實(shí)現(xiàn)定位伺服控制； 響應(yīng)快、易與計(jì)算機(jī)響應(yīng)快、易與計(jì)算機(jī) （CPUCPU）連接；體積）連接；體積 小、動(dòng)力大、無污染。小、動(dòng)力大、無污染。 瞬時(shí)輸出功率大；瞬時(shí)輸出功

4、率大； 過載能力差；一旦過載能力差；一旦 卡死，會(huì)引起燒毀卡死，會(huì)引起燒毀 事故；受外界噪音事故；受外界噪音 影響大。影響大。 氣氣 壓壓 式式 氣體壓力源壓力氣體壓力源壓力5-5- 7 7MpaMpa；要求操作人；要求操作人 員技術(shù)熟練。員技術(shù)熟練。 氣源方便、成本低；氣源方便、成本低； 無泄露污染；速度快、無泄露污染；速度快、 操作比較簡單。操作比較簡單。 功率小、體積大、功率小、體積大、 難于小型化；動(dòng)作難于小型化；動(dòng)作 不平穩(wěn)、遠(yuǎn)距離傳不平穩(wěn)、遠(yuǎn)距離傳 輸困難；噪音大；輸困難；噪音大； 難于伺服。難于伺服。 液液 壓壓 式式 液體壓力源壓力液體壓力源壓力 20-8020-80MpaMp

5、a；要求操；要求操 作人員技術(shù)熟練。作人員技術(shù)熟練。 輸出功率大，速度快、輸出功率大，速度快、 動(dòng)作平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)定動(dòng)作平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)定 位伺服控制；易與計(jì)位伺服控制；易與計(jì) 算機(jī)（算機(jī)（CPUCPU）連接。）連接。 設(shè)備難于小型化；設(shè)備難于小型化； 液壓源和液壓油要液壓源和液壓油要 求嚴(yán)格；易產(chǎn)生泄求嚴(yán)格；易產(chǎn)生泄 露污染。露污染。 表3.1 執(zhí)行元件的特點(diǎn)以及優(yōu)缺點(diǎn) 返回目錄 6 二、對執(zhí)行元件的基本要求 1. 慣量小、動(dòng)力大 表征執(zhí)行元件慣量慣量的性能指標(biāo)： l直線運(yùn)動(dòng)質(zhì)量 m； l回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J。 表征輸出動(dòng)力動(dòng)力的性能指標(biāo)：推力 F、轉(zhuǎn)矩 T、功率 P。 另一種表征動(dòng)力大小的綜合性

6、指標(biāo)是比功率比功率，它包含 了功率 P、加速性能 與轉(zhuǎn)速 三種因素： J T J TTTP 2 比功率 比功率還可以理解為功率的時(shí)間變化率： J T T dt Td dt dP 2 )( 比功率 返回目錄 7 2. 體積小、重量輕 通常用執(zhí)行元件的單位重量所能達(dá)到的輸出功率或比 功率，即用功率密度功率密度或比功率密度比功率密度來評價(jià)這項(xiàng)指標(biāo)。 設(shè)執(zhí)行元件的重量為 G，則 功率密度功率密度 ：P/G。 比功率密度比功率密度： (T2/J)/G 。 3. 便于維修、安裝 執(zhí)行元件最好不需要維修，如無刷DC及AC伺服電動(dòng) 機(jī)。 4. 宜于微機(jī)控制 根據(jù)這個(gè)要求，用微機(jī)控制最方便的是電氣式執(zhí)行元 件。

7、因此機(jī)電一體化系統(tǒng)所用執(zhí)行元件的主流是電氣 式。 返回目錄 8 控制用電動(dòng)機(jī)有力矩電動(dòng)機(jī)、脈沖（步進(jìn)）電動(dòng)機(jī)、 變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和各種AC/DC電動(dòng)機(jī) 等?？刂朴秒妱?dòng)機(jī)是電氣伺服控制系統(tǒng)的動(dòng)力部件，是 將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，可在很寬的 速度和負(fù)載范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)、精確的控制。 控制用電動(dòng)的基本控制形式：目標(biāo)運(yùn)動(dòng)不同，電動(dòng) 機(jī)及其控制方式也不同。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)方式、其它 電動(dòng)機(jī)的半閉環(huán)方式和全閉環(huán)方式是控制用電動(dòng)機(jī)的基 本控制方式。閉環(huán)方式比開環(huán)方式的伺服控制精度高。 返回目錄 9 返回目錄 10 伺服伺服 servo （隨動(dòng)）：（隨動(dòng)）： 系統(tǒng)由如此幾種設(shè)備組成，

8、它們可以連續(xù)地監(jiān)測系統(tǒng) 的實(shí)際信息（位置、速度、加速度等），把這些信息 與理想的給定信號(hào)相比較，然后做出適當(dāng)?shù)谋匾恼{(diào) 整以使差值為最小。 伺服電動(dòng)機(jī)（伺服電動(dòng)機(jī)（servo motor）：）： 在伺服系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件的電動(dòng)機(jī)。要求方便調(diào)速。 返回目錄 11 一、機(jī)電一體化系統(tǒng)對控制用電機(jī)的基本要求一、機(jī)電一體化系統(tǒng)對控制用電機(jī)的基本要求 1. 性能密度大，即功率密度和比功率大； 2. 快速性好，加減速扭矩大，頻率特性好； 3. 位置控制精度高，調(diào)速范圍寬，低速運(yùn)行平穩(wěn)，分 辨率高； 4. 適應(yīng)啟、停頻繁的工作要求； 5. 可靠性高，壽命長。 二、控制用電動(dòng)機(jī)的種類、特點(diǎn)及選用二、控制用電動(dòng)

9、機(jī)的種類、特點(diǎn)及選用 不同的應(yīng)用場合對控制用電動(dòng)機(jī)的性能密度的要求不同： 起停頻率低：要求整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)均可穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的機(jī) 械，主要要求的性能指標(biāo)是功率密度功率密度； 起停頻率高：不特別要求低速平穩(wěn)的產(chǎn)品，主要要求 的性能指標(biāo)是高的比功率比功率。 返回目錄 12 返回目錄 13 表3.4 伺服電動(dòng)機(jī)的性能比較 返回目錄 14 表3.5 伺服電動(dòng)機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)比較 返回目錄 15 返回目錄 16 返回目錄 17 一、直流(DC)伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng) 1. 直流伺服電動(dòng)機(jī)的特性及選用 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范 圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖 動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

10、由于直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成 熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng) 的基礎(chǔ)。因此，為了保持由淺入深的教學(xué)順序，應(yīng)該首 先很好地掌握直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)。 返回目錄 18 工作原理：工作原理：直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如下圖所示， 由永磁體定子、線圈轉(zhuǎn)子（電樞）、電刷和換向器組 成，磁場中的線圈通入電流時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電磁力，驅(qū) 動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。為了得到連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，就必須隨著 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度不斷改變電流方向，因此，必須有電 刷和換向器。 返回目錄 19 直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)： 有較高的響應(yīng)速度、精度和頻率，優(yōu)良的控制特性等 優(yōu)點(diǎn)； 由于使用電刷和換向器，故

11、壽命較低，需要定期維修； 在位置控制和速度控制時(shí)，必須使用角度傳感器來實(shí) 現(xiàn)閉環(huán)控制。 返回目錄 20 直流伺服電動(dòng)機(jī)的種類：直流伺服電動(dòng)機(jī)的種類： （1）小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)：60年代研制，其電樞無槽， 繞組直接粘接固定在電樞鐵心上，因而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、 反應(yīng)靈敏、動(dòng)態(tài)特性好，適用于高速且負(fù)載慣量較小 的場合，否則需根據(jù)其具體的慣量比設(shè)置精密齒輪副 才能與負(fù)載慣量匹配，增加了成本。 返回目錄 21 （2）直流印刷電樞電動(dòng)機(jī)：是一種盤形伺服電動(dòng)機(jī)，電 樞由導(dǎo)電板的切口成形，裸導(dǎo)體的線圈端部起整流子 作用，這種空心式高性能伺服電動(dòng)機(jī)大多用于工業(yè)機(jī) 器人、小型NC機(jī)床及線切割機(jī)床上。 返回目錄 22

12、（3）大慣量寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)：70年代研制成功。 它在結(jié)構(gòu)上采取了一些措施，盡量提高轉(zhuǎn)矩改善動(dòng)態(tài) 特性，既具有一般直流電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，又具有小 慣量直流電動(dòng)機(jī)的快速響應(yīng)性能，易與較大的慣性負(fù) 載匹配，能較好地滿足伺服驅(qū)動(dòng)的要求，因此在數(shù)控 機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等機(jī)電一體化產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng) 用。 返回目錄 23 l寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)是目前機(jī)電一體化閉環(huán)閉環(huán) 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛的一種控制用電動(dòng)機(jī)。 l其主要特點(diǎn)： 調(diào)速范圍寬、低速運(yùn)行平穩(wěn)； 負(fù)載特性硬、過載能力強(qiáng)，在一定的速度范圍內(nèi)可 以做到恒力矩輸出，反應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好。 當(dāng)然，寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)體積較大，其電刷易 磨

13、損，壽命受到一定限制。 l一般的直流伺服電動(dòng)機(jī)均配有專門的驅(qū)動(dòng)器。 返回目錄 24 伺服電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)器伺服電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)器 驅(qū)動(dòng)器 電動(dòng)機(jī) 返回目錄 25 寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)根據(jù)負(fù)載條件來選擇。加 在電動(dòng)機(jī)軸上的有兩種負(fù)載，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載慣量負(fù)載慣量。 根據(jù)負(fù)載，電動(dòng)機(jī)必須滿足下列條件： 在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)在電動(dòng)機(jī)連續(xù) 額定轉(zhuǎn)矩范圍以內(nèi)； 工作負(fù)載工作負(fù)載與過載時(shí)間過載時(shí)間應(yīng)在規(guī)定的范圍以內(nèi)； 應(yīng)使加速度加速度與希望的時(shí)間常數(shù)一致。 等效慣性負(fù)載等效慣性負(fù)載與電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量相匹配。 如果負(fù)載慣量達(dá)到轉(zhuǎn)子慣量的三倍三倍，靈敏度要受到 影響，當(dāng)負(fù)載慣量比轉(zhuǎn)子慣量大三

14、倍時(shí)響應(yīng)時(shí)間將降低響應(yīng)時(shí)間將降低 很多很多，而當(dāng)慣量大大超過時(shí)，伺服放大器就不能在正常 條件范圍內(nèi)調(diào)整，必須避免使用這種慣性負(fù)載。 返回目錄 26 2. 直流伺服電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng) 直流伺服電動(dòng)機(jī)為直流供電，為調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和方 向,需要對其直流電壓的大小和方向進(jìn)行控制。目前常用 晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)和晶體管脈寬調(diào)速驅(qū)動(dòng)晶體管脈寬調(diào)速驅(qū)動(dòng)兩種方式。 （1 1）晶閘管（）晶閘管（SCRSCR，可控硅）直流驅(qū)動(dòng)方式，可控硅）直流驅(qū)動(dòng)方式 主要通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置控制晶閘管的觸發(fā)延遲角晶閘管的觸發(fā)延遲角(控制電 壓的大小)來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，從而改變整流電壓的 大小，使直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓的變

15、化易于平滑調(diào)速。 螺栓型 平板型 A-陽極 K-陰極 G-門極 返回目錄 27 由于晶閘管本身的工作原理和電源的特點(diǎn)，導(dǎo)通后是利用 交流(50Hz)過零來關(guān)閉的，因此，在低整流電壓時(shí)其輸出 是很小的尖峰值的平均值，從而造成電流的不連續(xù)性。 晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)在上世紀(jì)6070年代得到廣泛應(yīng)用， 目前主要用于大容量系統(tǒng)大容量系統(tǒng)。 返回目錄 28 （2）晶體管脈寬調(diào)速（）晶體管脈寬調(diào)速（PWM）驅(qū)動(dòng)方式）驅(qū)動(dòng)方式 原理：當(dāng)在電樞繞組輸入一個(gè)直流控制電壓時(shí)，通過控制控制 開關(guān)周期開關(guān)周期 T 內(nèi)的占空比占空比 就可得到一個(gè)與之成比例的 平平 均電壓均電壓 Ua，來給伺服電動(dòng)機(jī)電樞回路供電。一個(gè)周期內(nèi)

16、 的平均電壓為： UU T Udt T U a 0 1 S 返回目錄 29 l只要連續(xù)地改變(0T) 就可以得到 0U 的連續(xù)平均電 壓，從而達(dá)到連續(xù)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 l實(shí)際應(yīng)用的PWM系統(tǒng)，采用大功率晶體管大功率晶體管代替開關(guān)K， 其開關(guān)頻率一般為2000Hz。使功率放大器的晶體管工 作在開關(guān)狀態(tài)下，開關(guān)周期 T（或頻率）保持恒定， 用調(diào)整開關(guān)周期內(nèi)晶體管導(dǎo)通時(shí)間開關(guān)周期內(nèi)晶體管導(dǎo)通時(shí)間的方法來改變輸出， 以使電機(jī)兩端獲得寬度隨時(shí)間變化的電壓脈沖，從而 改變電樞電壓的平均值達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 返回目錄 30 PWM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)： （1）主電路線路簡單，需用的功率器件少； （2）開關(guān)

17、頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā) 熱都較??； （3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000 左右； （4）若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng) 快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)； （5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān) 頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高； 由于功率晶體管比晶閘管具有更優(yōu)良的特性，而且，目 前功率晶體管的功率、耐壓等都已有了很大的提高，所 以在中小功率直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，晶體管脈寬調(diào)制方 式（PWM）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。 返回目錄 31 返回目錄 32 為使電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向調(diào)速，多采用下圖所示橋式電路， 其工作原理與線性放大橋式

18、電路相似。電橋由四個(gè)大功率晶 體管VT1VT4組成。如果在VT1和VT3的基極上加以正脈沖的同時(shí)， 在VT2和VT4的基極上加負(fù)脈沖，這時(shí)VT1和VT3導(dǎo)通，VT2和VT4截 止，電流沿+90VcVT1dMbVT3a0V的路徑流通。 設(shè)此時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向?yàn)檎?。反之，如果在晶體管VT1和VT3的 基極上加負(fù)脈沖，在VT2和VT4的基極上加正脈沖，則VT2和VT4 導(dǎo)通，VT 1 和VT 3 截止，電流沿 +90VcVT2bMdVT4a0V的路徑流通，電流的方 向與前一情況相反，電動(dòng)機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。顯然，如果改變加到 VT1和VT3、VT2和VT4這兩組管子基極上控制脈沖的正負(fù)和導(dǎo)通 率，就可以改變電

19、動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 返回目錄 33 一、直流(DC)伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng) 二、交流(AC)伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng) 由于直流伺服電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，因此長 期以來，在要求調(diào)速性能較高的場合，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)一直占據(jù)主導(dǎo)地位。 但直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上存在機(jī)械整流子、電刷維 護(hù)困難、造價(jià)高、壽命短、應(yīng)用環(huán)境受到限制的缺點(diǎn)。 近年來交流驅(qū)動(dòng)技術(shù)有了飛速的發(fā)展，它具有堅(jiān)固 耐用、經(jīng)濟(jì)可靠及動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)。因此，交流伺服 系統(tǒng)已在很大程度上取代了直流伺服系統(tǒng)。 返回目錄 34 （1）常用交流伺服電動(dòng)機(jī) &永磁同步型（永磁同步型（SM）、電磁感應(yīng)型（電磁感應(yīng)型（IM）伺服電動(dòng)機(jī)。 &在小功率伺服系統(tǒng)中

20、，一般使用永磁式同步電動(dòng)機(jī)， 因?yàn)樗袃?yōu)良的動(dòng)態(tài)性能，過載能力大等優(yōu)點(diǎn)。感應(yīng) 型交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，價(jià)格低，可用 做主軸電機(jī)。 （2）基本工作原理 檢測交流伺服電動(dòng)機(jī)（SM型/IM型）氣隙磁場的大小 和方向，用電力電子變換器電力電子變換器代替整流子和電刷整流子和電刷，通過 控制與氣隙磁場方向相同的磁化電流磁化電流和與氣隙磁場方 向相垂直的有效電流有效電流的方法，最終控制交流伺服電動(dòng) 機(jī)主磁通量大小和轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的有效控制。 返回目錄 35 采用永久磁鐵磁場的同步電動(dòng)機(jī)同步電動(dòng)機(jī)不需要磁化電流控 制，只要檢測磁鐵轉(zhuǎn)子的位置即可。這種交流伺服電動(dòng) 機(jī)也叫做無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)無刷直流

21、伺服電動(dòng)機(jī)（如SM型伺服電動(dòng)機(jī)）。 由于它不需要磁化電流控制，故比IM型伺服電動(dòng)機(jī)容易 控制。 返回目錄 36 （1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 控制精度由步距角決定（控制精度由步距角決定（ = 360/ zKN ）。）。 抗干擾能力強(qiáng)，在電機(jī)電特性工作范圍內(nèi)，抗干擾能力強(qiáng)，在電機(jī)電特性工作范圍內(nèi)， 不產(chǎn)生丟步或無法工作等現(xiàn)象。不產(chǎn)生丟步或無法工作等現(xiàn)象。 電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步距角，盡管存在一定的轉(zhuǎn)角電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步距角，盡管存在一定的轉(zhuǎn)角 誤差，但電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)誤差，但電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)360360時(shí)，轉(zhuǎn)角累計(jì)誤差將歸時(shí)，轉(zhuǎn)角累計(jì)誤差將歸 零。零。 控制性能好，不易產(chǎn)生控制性能好，不易產(chǎn)生“丟步丟步 ”現(xiàn)象（

22、頻繁現(xiàn)象（頻繁 啟動(dòng)、停止、變換）。啟動(dòng)、停止、變換）。 易于與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對接。易于與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對接。 返回目錄 37 種類種類 按轉(zhuǎn)子構(gòu)成分類：按轉(zhuǎn)子構(gòu)成分類： 可變磁阻型（可變磁阻型（VR）步進(jìn)電機(jī)）步進(jìn)電機(jī) 轉(zhuǎn)子為導(dǎo)磁體，轉(zhuǎn)子為導(dǎo)磁體， 也稱反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。也稱反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。 永磁型（永磁型（PM）步進(jìn)電機(jī)）步進(jìn)電機(jī) 轉(zhuǎn)子為永磁鐵。轉(zhuǎn)子為永磁鐵。 混合型（混合型（HB-Hybrid）步進(jìn)電機(jī)）步進(jìn)電機(jī) 轉(zhuǎn)子為導(dǎo)磁體轉(zhuǎn)子為導(dǎo)磁體 和永磁鐵的組合。和永磁鐵的組合。 按定子繞組對數(shù)分類：按定子繞組對數(shù)分類： 分為分為2相、相、 3相、相、 4相、相、 5相、相、 10相等相等步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電

23、機(jī)。 按定子繞組通電極性分類：按定子繞組通電極性分類： 分為單極性和雙極性（每個(gè)繞組都可以兩個(gè)方向通分為單極性和雙極性（每個(gè)繞組都可以兩個(gè)方向通 電）步進(jìn)電機(jī)。電）步進(jìn)電機(jī)。 返回目錄 38 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖通入當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖通入A A相時(shí)，磁通企圖沿著磁阻最相時(shí)，磁通企圖沿著磁阻最 小的路徑閉合，在此磁場力的作用下，轉(zhuǎn)子的小的路徑閉合，在此磁場力的作用下，轉(zhuǎn)子的1 1、3 3 齒要和齒要和A A級(jí)對齊。當(dāng)下一個(gè)脈沖通入級(jí)對齊。當(dāng)下一個(gè)脈沖通入B B相時(shí)，磁通同相時(shí)，磁通同 樣要按磁阻最小的路徑閉合，即樣要按磁阻最小的路徑閉合，即2 2、4 4齒要和齒要和B B級(jí)對級(jí)對 齊，則轉(zhuǎn)子就按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)

24、一定的角度：齊，則轉(zhuǎn)子就按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度： 1 3 24 A A B B C CC B 42 3 A C 1 A B 2 3 B A C A C 1 4 B zKN o /360 返回目錄 39 步距角：步距角：步進(jìn)電機(jī)每改變一次通電狀態(tài)（一拍）轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)每改變一次通電狀態(tài)（一拍）轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn) 過的角度稱為步距角。過的角度稱為步距角。 步距角的計(jì)算公式：步距角的計(jì)算公式： zKN 360 式中：式中：N 為步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)；為步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)；K 為通電狀態(tài)系數(shù)，相鄰兩為通電狀態(tài)系數(shù)，相鄰兩 次通電的相數(shù)相同次通電的相數(shù)相同 K=1，不同時(shí)，不同時(shí) K=2；z 為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子為步進(jìn)電機(jī)

25、轉(zhuǎn)子 的齒數(shù)。的齒數(shù)。 步進(jìn)電機(jī)的控制方式分三種：步進(jìn)電機(jī)的控制方式分三種： (1) 三相單三拍工作方式，三相單三拍工作方式，A-B-C-A，K=1； (2) 三相六拍工作方式三相六拍工作方式， A-AB-B-BC-C-CA-A，K=2； (3) 三相雙三拍工作方式三相雙三拍工作方式， AB-BC-CA-AB，K=1。 返回目錄 40 主要指步距角主要指步距角=360/zKN。如：。如：0.6/1.2、0.75/1.5、 0.9/1.8、。 主要指步進(jìn)電機(jī)在穩(wěn)態(tài)工作條件下的特性，包括：主要指步進(jìn)電機(jī)在穩(wěn)態(tài)工作條件下的特性，包括：靜轉(zhuǎn)靜轉(zhuǎn) 矩、矩矩、矩角特性、靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)角特性、靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)等。等。

26、 失調(diào)角失調(diào)角和和靜態(tài)轉(zhuǎn)矩靜態(tài)轉(zhuǎn)矩： 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩（電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩（Tj）與負(fù)載轉(zhuǎn)矩（）與負(fù)載轉(zhuǎn)矩（TL）相等）相等 時(shí)，轉(zhuǎn)子齒的中心線和定子齒的中心線將錯(cuò)過一個(gè)時(shí)，轉(zhuǎn)子齒的中心線和定子齒的中心線將錯(cuò)過一個(gè)電角度電角度 （e = p j，p-極對數(shù)，極對數(shù)， j -機(jī)械角機(jī)械角 ），才能穩(wěn)定下來。），才能穩(wěn)定下來。 這個(gè)轉(zhuǎn)矩為這個(gè)轉(zhuǎn)矩為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩靜態(tài)轉(zhuǎn)矩（ Tj ），這個(gè)角度為），這個(gè)角度為失調(diào)角失調(diào)角（ e ）。）。 返回目錄 41 圖圖3.15 3.15 失調(diào)角示意圖失調(diào)角示意圖 返回目錄 42 矩矩角特性：角特性：靜態(tài)特性（電磁轉(zhuǎn)矩靜態(tài)特性（電磁轉(zhuǎn)矩T Tj j）和失調(diào)角

27、）和失調(diào)角 （e ）之間的關(guān)系大致為一條正弦曲線，該曲線稱）之間的關(guān)系大致為一條正弦曲線，該曲線稱 之為之為矩角特性曲線。矩角特性曲線。 p p p/2 p/2 jmaxT jmaxT e T 圖圖3.16 3.16 矩角特性曲線矩角特性曲線 靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)靜態(tài)穩(wěn)定區(qū) 最大靜轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)矩T Tjmax jmax ： ： 失調(diào)角失調(diào)角= =9090時(shí)的時(shí)的 電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩。 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩越大，自鎖靜態(tài)轉(zhuǎn)矩越大，自鎖 力矩越大，靜態(tài)誤差力矩越大，靜態(tài)誤差 越小。越小。 靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)： 失調(diào)角在失調(diào)角在- -到到+ +的的 區(qū)域。區(qū)域。 返回目錄 43 動(dòng)態(tài)特性參數(shù)：主要指動(dòng)態(tài)特性參數(shù)：主要指

28、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、矩頻矩頻 特性特性、慣頻特性慣頻特性等。等。 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)：動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)：指步進(jìn)電機(jī)從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)切換到另一穩(wěn)指步進(jìn)電機(jī)從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)切換到另一穩(wěn) 定狀態(tài)而不失步的區(qū)域。定狀態(tài)而不失步的區(qū)域。 p/3 p jmaxT T jmaxT e p r Tq p/3 p jmaxT T jmaxT e p r Tq 圖圖3.17 3.17 矩角特性曲線族矩角特性曲線族 a a） ABC O M 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū) 返回目錄 44 穩(wěn)定裕量角：穩(wěn)定裕量角：穩(wěn)定區(qū)的邊界點(diǎn)穩(wěn)定區(qū)的邊界點(diǎn)M M 到初始穩(wěn)定平衡點(diǎn)到初始穩(wěn)定平衡點(diǎn)O O 的角的角 度度r r。 p/3 p

29、jmaxT T jmaxT e p r Tq p/3 p jmaxT T jmaxT e p r Tq 圖圖3.17 3.17 矩角特性曲線族矩角特性曲線族 a a） ABC O M 返回目錄 45 p/3 p jmaxT T jmaxT e p r Tq p/3 p jmaxT T jmaxT e p r Tq AABC OM 步進(jìn)電機(jī)工作的拍數(shù)越多，穩(wěn)定裕量角越大，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定工步進(jìn)電機(jī)工作的拍數(shù)越多，穩(wěn)定裕量角越大，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定工 作區(qū)越接近靜態(tài)穩(wěn)定工作區(qū)，步進(jìn)電機(jī)越不容易丟步，運(yùn)作區(qū)越接近靜態(tài)穩(wěn)定工作區(qū)，步進(jìn)電機(jī)越不容易丟步，運(yùn) 行越穩(wěn)定。行越穩(wěn)定。 圖圖3.17 3.17 矩角特性曲線族矩角

30、特性曲線族 b b） 返回目錄 46 p/3 p jmaxT T jmaxT e p r Tq p/3 p jmaxT T jmaxT e p r Tq 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T Tq q：兩相（兩相（A A、B B）矩角特性之交點(diǎn)）矩角特性之交點(diǎn)T Tq q表示步進(jìn)表示步進(jìn) 電機(jī)單相勵(lì)磁時(shí)所能帶動(dòng)的極限負(fù)載轉(zhuǎn)矩，與步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)單相勵(lì)磁時(shí)所能帶動(dòng)的極限負(fù)載轉(zhuǎn)矩，與步進(jìn)電機(jī)的 相數(shù)和通電方式有關(guān)。相數(shù)和通電方式有關(guān)。 圖圖3.17 3.17 矩角特性曲線族矩角特性曲線族 a a） 返回目錄 47 p/3 p jmaxT T jmaxT e p r Tq p/3 p jmaxT T jmaxT e p

31、 r Tq AABC OM 三相六拍通電方式的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比三相單三拍的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。三相六拍通電方式的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比三相單三拍的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。 圖圖3.17 3.17 矩角特性曲線族矩角特性曲線族 b b） 返回目錄 48 最高連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率最高連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率 fmax max 及矩頻特性： 及矩頻特性：步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī) 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所能接受的最高控制頻率連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所能接受的最高控制頻率 fmax max，稱 ，稱最高連最高連 續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率；步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩隨頻率的增加；步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩隨頻率的增加 而降低，稱而降低，稱矩頻特性矩頻特性。 f / Hz 20000400060008000 T

32、/ Nm 1.96 3.92 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻特性步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻特性 返回目錄 49 空載起動(dòng)頻率空載起動(dòng)頻率 fq 及及慣頻特性：慣頻特性：空載狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子從空載狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子從 靜止?fàn)顟B(tài)能夠不失步起動(dòng)時(shí)的最高控制頻率靜止?fàn)顟B(tài)能夠不失步起動(dòng)時(shí)的最高控制頻率 fq，稱，稱空載起空載起 動(dòng)頻率動(dòng)頻率。帶載起動(dòng)時(shí)，所允許的起動(dòng)頻率會(huì)降低。步進(jìn)電。帶載起動(dòng)時(shí)，所允許的起動(dòng)頻率會(huì)降低。步進(jìn)電 機(jī)帶動(dòng)慣性負(fù)載時(shí)的起動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的關(guān)系機(jī)帶動(dòng)慣性負(fù)載時(shí)的起動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的關(guān)系 稱為稱為慣頻特性慣頻特性。 步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)慣頻特性步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)慣頻特性 返回目錄 50 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電

33、路步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路：主要由：主要由脈沖分配器脈沖分配器和和功功 率放大率放大器兩部份組成。器兩部份組成。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的組成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的組成 變頻控制信號(hào)變頻控制信號(hào)：主要有脈沖頻率信號(hào)和方向控：主要有脈沖頻率信號(hào)和方向控 制信號(hào)。制信號(hào)。 返回目錄 51 由于步進(jìn)電機(jī)的工作原理是各繞組必須按一定的由于步進(jìn)電機(jī)的工作原理是各繞組必須按一定的 順序通電變化才能正常工作（順序通電變化才能正常工作（A B C A B ；A AB B BC C CA A AB B ），完成），完成這種通電順序變化規(guī)律的部件稱這種通電順序變化規(guī)律的部件稱 為為環(huán)形脈沖分配器。環(huán)形脈沖分配器。 實(shí)現(xiàn)脈沖環(huán)形分

34、配的方法主要有三種：實(shí)現(xiàn)脈沖環(huán)形分配的方法主要有三種： 軟件分頻軟件分頻、 ICIC集成電路分頻集成電路分頻、專用環(huán)形分頻器。、專用環(huán)形分頻器。 返回目錄 52 軟件分頻軟件分頻利用查表或計(jì)算方法來進(jìn)行脈沖的環(huán)形分配。利用查表或計(jì)算方法來進(jìn)行脈沖的環(huán)形分配。 返回目錄 53 軟件分頻特點(diǎn)：軟件分頻特點(diǎn)：可充分利用計(jì)算機(jī)資源降低硬件成本，可可充分利用計(jì)算機(jī)資源降低硬件成本，可 適用多相脈沖分配，但將占用計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)間，影響步進(jìn)電適用多相脈沖分配，但將占用計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)間，影響步進(jìn)電 機(jī)的運(yùn)行速度。機(jī)的運(yùn)行速度。 IC集成電路分頻集成電路分頻采用小規(guī)模集成電路（觸發(fā)器）搭接采用小規(guī)模集成電路（觸發(fā)器

35、）搭接 而成脈沖分配器。（課本圖而成脈沖分配器。（課本圖3.19） IC集成電路分頻特點(diǎn)：集成電路分頻特點(diǎn)：靈活性強(qiáng)，可搭接成任意通電順序靈活性強(qiáng)，可搭接成任意通電順序 的環(huán)形分配器，不占用計(jì)算機(jī)的工作時(shí)間。但柔性較差，硬的環(huán)形分配器，不占用計(jì)算機(jī)的工作時(shí)間。但柔性較差，硬 件一旦完成就不易修改。件一旦完成就不易修改。 返回目錄 54 專用環(huán)形分頻器專用環(huán)形分頻器使用方便，接口簡單，專業(yè)化使用方便，接口簡單，專業(yè)化 生產(chǎn)質(zhì)量可靠，成本低等。如：生產(chǎn)質(zhì)量可靠，成本低等。如：CH250，通過其控制，通過其控制 端的不同接法可以組成三相雙三拍和三相六拍不同的端的不同接法可以組成三相雙三拍和三相六拍不

36、同的 工作方式。工作方式。 CPCP或者或者ENEN脈沖輸脈沖輸 入端；入端； A A、B B、C C相輸出相輸出 端；端； J6RJ6R、J6LJ6L轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向 控制；控制； 方向 CP 100 k 1 F 2 1 7 9 10 166 12 V 11 12 13 R* R CP J6L J6r J3rJ3LUs 14 158 W V U ENUD (b) A B C CH250 返回目錄 55 J6R J6L EN=1，進(jìn)給脈沖接CP，脈沖 上升沿使環(huán)形分配器工作。 正轉(zhuǎn)：J6R=1；J6L=0 反轉(zhuǎn)：J6R=0；J6L=1 方向 CP 100 k 1 F 2 1 7 9 10 166 12 V 11 12 13 R* R CP J6L J6r J3rJ3LUs 14 158 W V U ENUD (b) A B C CP 返回目錄 56 功率放大器是實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)與步進(jìn)電機(jī)匹配的重要組功率放大器是實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)與步進(jìn)電機(jī)匹配的重要組 件。件。 常見的步進(jìn)電機(jī)功率放大器的組成與特點(diǎn)如下：常見的步進(jìn)電機(jī)功率放大器的組成與特點(diǎn)如下： 單電壓功率放大電路單電壓功率放