執(zhí)行元件-文檔資料

1、第三章第三章 執(zhí)行元件的選擇與設(shè)計 伺服系統(tǒng) 執(zhí)行元件 常用的控制用電機 步進電動機及其驅(qū)動 直流伺服電動機及其驅(qū)動 交流伺服電動機及其驅(qū)動 “伺服”一詞源于希臘語“奴隸”的意思。人們想把“伺服機構(gòu)”當個得心應(yīng)手的馴服工具，服從控制信號的要求而動作。在訊號來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動;訊號來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動;當訊號消失，轉(zhuǎn)子能即時自行停轉(zhuǎn)。由于它的“伺服”性能，因此而得名伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標值(或給定值)的任意變化的自動控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)的一類，它的輸出變量通常伺服系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)的一類，它的輸出變量通常是機械或位置的運動，它的

2、根本任務(wù)是實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)對給是機械或位置的運動，它的根本任務(wù)是實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)對給定指令的準確跟蹤，即實現(xiàn)輸出變量的某種狀態(tài)能夠自動、定指令的準確跟蹤，即實現(xiàn)輸出變量的某種狀態(tài)能夠自動、連續(xù)、精確地復(fù)現(xiàn)輸入指令信號的變化規(guī)律。連續(xù)、精確地復(fù)現(xiàn)輸入指令信號的變化規(guī)律。一、伺服系統(tǒng)概念一、伺服系統(tǒng)概念 從系統(tǒng)組成元件的性質(zhì)來看，有從系統(tǒng)組成元件的性質(zhì)來看，有電氣伺服系統(tǒng)電氣伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)液壓伺服系統(tǒng)和和電氣電氣液壓伺服系統(tǒng)液壓伺服系統(tǒng)、電氣電氣氣氣動伺服系統(tǒng)動伺服系統(tǒng)等；等； 從系統(tǒng)輸出量的物理性質(zhì)來看，有速度或加速從系統(tǒng)輸出量的物理性質(zhì)來看，有速度或加速度伺服系統(tǒng)和位置伺服系統(tǒng)等；度伺服系統(tǒng)和

3、位置伺服系統(tǒng)等； 從系統(tǒng)中所包含的元件特性和信號作用特點來從系統(tǒng)中所包含的元件特性和信號作用特點來看，有模擬式伺服系統(tǒng)和數(shù)字式伺服系統(tǒng)；看，有模擬式伺服系統(tǒng)和數(shù)字式伺服系統(tǒng)； 從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點來看，有單回路伺服系統(tǒng)、多從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點來看，有單回路伺服系統(tǒng)、多回路伺服系統(tǒng)和開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)?；芈匪欧到y(tǒng)和開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)。二、伺服系統(tǒng)類型二、伺服系統(tǒng)類型 例：數(shù)控機床伺服系統(tǒng)例：數(shù)控機床伺服系統(tǒng)， 由圖可以看出，它與一般的反饋控制系統(tǒng)一樣，由圖可以看出，它與一般的反饋控制系統(tǒng)一樣，也是由控制器、被控對象、反饋測量裝置等部分也是由控制器、被控對象、反饋測量裝置等部分組成。組成。二

4、、伺服系統(tǒng)類型二、伺服系統(tǒng)類型 對伺服系統(tǒng)的基本要求有對伺服系統(tǒng)的基本要求有穩(wěn)定性穩(wěn)定性、精度精度和和快速快速響應(yīng)性響應(yīng)性。 穩(wěn)定性是指作用在系統(tǒng)上的擾動消失后，系統(tǒng)穩(wěn)定性是指作用在系統(tǒng)上的擾動消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運行或者在輸入指能夠恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運行或者在輸入指令信號作用下，系統(tǒng)能夠達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)令信號作用下，系統(tǒng)能夠達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。的能力。 精度是伺服系統(tǒng)的一項重要的性能要求。它是精度是伺服系統(tǒng)的一項重要的性能要求。它是指其輸出量復(fù)現(xiàn)輸入指令信號的精確程度。指其輸出量復(fù)現(xiàn)輸入指令信號的精確程度。 快速響應(yīng)性是衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的另一項快速響應(yīng)性

5、是衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的另一項重要指標?？焖夙憫?yīng)性有兩方面含義，一是指動重要指標?？焖夙憫?yīng)性有兩方面含義，一是指動態(tài)響應(yīng)過程中，輸出量跟隨輸入指令信號變化的態(tài)響應(yīng)過程中，輸出量跟隨輸入指令信號變化的迅速程度，二是指動態(tài)響應(yīng)過程結(jié)束的迅速程度。迅速程度，二是指動態(tài)響應(yīng)過程結(jié)束的迅速程度。三、伺服系統(tǒng)的基本要求三、伺服系統(tǒng)的基本要求 執(zhí)行元件是工業(yè)機器人、CNC機床、各種自動機械、計算機外圍設(shè)備、辦公室設(shè)備、車輛電子設(shè)備、醫(yī)療器械、各種光學(xué)裝置、家用電器(音響設(shè)備、錄音機、攝像機、電冰箱)等機電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)必不可少的驅(qū)動部件，如數(shù)控機床的主軸轉(zhuǎn)動、工作臺的進給運動以及工業(yè)機器人手臂的升降、

6、回轉(zhuǎn)和伸縮運動等所用驅(qū)動部件即執(zhí)行元件。 該元件是處于機電一體化系統(tǒng)的機械運行機構(gòu)與微電子控制裝置的接點（聯(lián)接）部位的能量轉(zhuǎn)換元件。它能在微電子裝置的控制下，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換為機械能，例如電動機、電磁鐵、繼電器、液動機、油（氣缸）、內(nèi)燃機等分別把輸入的電能、液壓能、氣壓能和化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機械能。由于大多數(shù)執(zhí)行元件已作為系列化商品生產(chǎn)，故在設(shè)計機電一體化系統(tǒng)時，可作為標準件選用、外購。 第一節(jié)第一節(jié) 執(zhí)行元件的種類、執(zhí)行元件的種類、 特點及基本要求特點及基本要求一、執(zhí)行元件的種類及特點一、執(zhí)行元件的種類及特點根據(jù)使用能量的不同，可以將執(zhí)行元件分為執(zhí)行元件分為電磁式、液壓式和氣壓電磁式、液

7、壓式和氣壓式式等幾種類型，如下圖所示。電磁式是將電能變成電磁力，并用該電磁力驅(qū)動運行機構(gòu)運動。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流向，從而使液壓執(zhí)行元件驅(qū)動運行機構(gòu)運動。氣壓式與液壓式的原理相同，只是將介質(zhì)由油改為氣體而已。其他執(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 。 1. 電氣式執(zhí)行元件 電氣式執(zhí)行元件包括控制用電動機(步進電動機、DC和AC伺服電動機)、靜電電動機、磁致伸縮器件、壓電元件、超聲波電動機以及電磁鐵等。其中，利用電磁力的電動機和電磁鐵，因其實用、易得而成為常用的執(zhí)行元件。對控制用電動機的性能除了要求穩(wěn)速運轉(zhuǎn)性能之外，還要求具有良好的加速

8、、減速性能和伺服性能等動態(tài)性能以及頻繁使用時的適應(yīng)性和便于維修性能?？刂朴秒妱訖C驅(qū)動系統(tǒng)一般由電源供給電力，經(jīng)電力變換器變換后輸送給電動機，使電動機作回轉(zhuǎn)(或直線)運動，驅(qū)動負載機械(運行機構(gòu))運動，并在指令器給定的指令位置定位停止。這種驅(qū)動系統(tǒng)具有位置(或速度)反饋環(huán)節(jié)的叫閉環(huán)系統(tǒng)，沒有位置與速度反饋環(huán)節(jié)的叫開環(huán)系統(tǒng)。另外，其他電氣式執(zhí)行元件中還有微量位移用器件，例如：電磁鐵-由線圈和銜鐵兩部分組成，結(jié)構(gòu)簡單，由于是單向驅(qū)動，故需用彈簧復(fù)位，用于實現(xiàn)兩固定點間的快速驅(qū)動；壓電驅(qū)動器-利用壓電晶體的壓電效應(yīng)來驅(qū)動運行機構(gòu)作微量位移；電熱驅(qū)動器-利用物體(如金屬棒)的熱變形來驅(qū)動運行機構(gòu)的直線位

9、移，用控制電熱器(電阻)的加熱電流來改變位移量，由于物體的線膨脹量有限，位移量當然很小，可用在機電一體化產(chǎn)品中實現(xiàn)微量進給。2. 液壓式執(zhí)行元件液壓式執(zhí)行元件主要包括往復(fù)運動的油缸、回轉(zhuǎn)油缸、液壓馬達等，其中油缸占絕大多數(shù)。目前，世界上已開發(fā)了各種數(shù)字式液壓式執(zhí)行元件，例如電-液伺服馬達和電-液步進馬達，這些電-液式馬達的最大優(yōu)點是比電動機的轉(zhuǎn)矩大，可以直接驅(qū)動運行機構(gòu)，轉(zhuǎn)矩/慣量比大，過載能力強，適合于重載的高加減速驅(qū)動。 3. 氣壓式執(zhí)行元件 氣壓式執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作工作介質(zhì)外，與液壓式執(zhí)行元件無什么區(qū)別。具有代表性的氣壓執(zhí)行元件有氣缸、氣壓馬達等。氣壓驅(qū)動雖可得到較大的驅(qū)動力、行程

10、和速度，但由于空氣粘性差，具有可壓縮性，故不能在定位精度較高的場合使用。 二、對執(zhí)行元件的基本要求 1. 慣量小、動力大 2. 體積小、重量輕既要縮小執(zhí)行元件的體積、減輕重量，同時又要增大其動力，故通常用執(zhí)行元件的單位重量所能達到的輸出功率或比功率，即用功率密度或比功率密度來評價這項指標。設(shè)執(zhí)行元件的重量為G，則功率密度為P/G。比功率密度為(T2/J)/G 。3. 便于維修、安裝執(zhí)行元件最好不需要維修。無刷DC及AC伺服電動機就是走向無維修的一例。 4. 宜于微機控制 根據(jù)這個要求，用微機控制最方便的是電氣式執(zhí)行元件。因此機電一體化系統(tǒng)所用執(zhí)行元件的主流是電氣式，其次是液壓式和氣壓式(在驅(qū)動

11、接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié))。內(nèi)燃機定位運動的微機控制較難，故通常僅被用于交通運輸機械。 第二節(jié)第二節(jié) 常用的控制用電動機常用的控制用電動機 控制用電動機有力矩電動機、脈沖（步進）電動機、變頻調(diào)速電動機、開關(guān)磁阻電動機和各種AC/DC電動機等?？刂朴秒妱訖C是電氣伺服控制系統(tǒng)的動力部件，是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。由于其可在很寬的速度和負載范圍內(nèi)進行連續(xù)、精確的控制，因而在各種機電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 控制用電動機有回轉(zhuǎn)和直線驅(qū)動電動機，通過電壓、電流、頻率(包括指令脈沖)等控制，實現(xiàn)定速、變速驅(qū)動或反復(fù)起動、停止的增量驅(qū)動以及復(fù)雜的驅(qū)動，而驅(qū)動精度隨驅(qū)動對象的不

12、同而不同。機電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品中常用的控制用電動機是指能提供正確運動或較復(fù)雜動作的伺服電動機。伺服電動機控制方式的基本形式伺服電動機控制方式的基本形式一、對控制用電動機的基本要求一、對控制用電動機的基本要求 二、 制用電動機的種類、特點及選用 在機電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)中使用兩類電動機,一類為一般的動力用電動機,如感應(yīng)式異步電動機和同步電動機等;另一類為控制用電動機,如力矩電動機、脈沖電動機、開關(guān)磁阻電動機、變頻調(diào)速電動機和各種AC/DC電動機等。 伺服電動機的特點及應(yīng)用實例伺服電動機的性能比較 伺服電動機優(yōu)缺點比較 不同的應(yīng)用場合，對控制用電動機的性能密度的要求也有所不同。對于起停頻率低(如

13、幾十次分)，但要求低速平穩(wěn)和扭矩脈動小，高速運行時振動、噪聲小，在整個調(diào)速范圍內(nèi)均可穩(wěn)定運動的機械，如NC工作機械的進給運動、機器人的驅(qū)動系統(tǒng)，其功率密度是主要的性能指標；對于起停頻率高(如數(shù)百次分)，但不特別要求低速平穩(wěn)性的產(chǎn)品，如高速打印機、繪圖機、打孔機、集成電路焊接裝置等主要的性能指標是高比功率。在額定輸出功率相同的條件下,交流伺服電動機的比功率最高、 直流伺服電動機次之、步進電動機最低。 第三節(jié)第三節(jié) 直流直流（DCDC）與交流與交流（ACAC） 伺服電動機及驅(qū)動伺服電動機及驅(qū)動直流伺服電動機通過電刷和換向器產(chǎn)生的整流作用，使磁場磁動勢和電樞電流磁動勢正交，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。其電樞大多為

14、永久磁鐵。 直流伺服電動機具有較高的響應(yīng)速度、精度和頻率，優(yōu)良的控制特性等優(yōu)點。但由于使用電刷和換向器，故壽命較低，需要定期維修。 二十世紀60年代研制出了小慣量直流伺服電動機，其電樞無槽，繞組直接粘接固定在電樞鐵心上，因而轉(zhuǎn)動慣量小、反應(yīng)靈敏、動態(tài)特性好，適用于高速且負載慣量較小的場合，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載慣量匹配，增加了成本。 直流印刷電樞電動機是一種盤形伺服電動機，電樞由導(dǎo)電板的切口成形，棵導(dǎo)體的線圈端部起換向器作用，這種空心式高性能伺服電動機大多用于工業(yè)機器人、小型NC機床及線切割機床上。 1. 直流伺服電動機的特性及選用 寬調(diào)速直流伺服電動機應(yīng)根據(jù)負載條件

15、來選擇。加在電動機軸上的有兩種負載，即負載轉(zhuǎn)矩和負載慣量。當選用電動機時，必須正確地計算負載，即必須確認電動機能滿足下列條件：在整個調(diào)速范圍內(nèi)，其負載轉(zhuǎn)矩應(yīng)在電動機連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍以內(nèi)；工作負載與過載時間應(yīng)在規(guī)定的范圍以內(nèi)；應(yīng)使加速度與希望的時間常數(shù)一致。一般講，由于負載轉(zhuǎn)矩起減速作用，如果可能，加減速應(yīng)選取相同的時間常數(shù)。 值得提出的是慣性負載值對電動機靈敏度和快速移動時間有很大影響。對于大的慣性負載，當指令速度變化時，電動機達到指令速度的時間需要長些。如果負載慣量達到轉(zhuǎn)子慣量的三倍，靈敏度要受到影響，當負載慣量比轉(zhuǎn)子慣量大三倍時響應(yīng)時間將降低很多，而當慣量大大超過時，伺服放大器就不能在正常

16、條件范圍內(nèi)調(diào)整，必須避免使用這種慣性負載。 2. 直流伺服電動機與驅(qū)動 直流伺服電動機為直流供電，為調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速和方向,需要對其直流電壓的大小和方向進行控制。目前常用晶體管脈寬調(diào)速驅(qū)動和晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動兩種方式。 晶閘管直流驅(qū)動方式，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(控制電壓的大小)來移動觸發(fā)脈沖的相位，從而改變整流電壓的大小，使直流電動機電樞電壓的變化易于平滑調(diào)速。由于晶閘管本身的工作原理和電源的特點，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。其輸出是很小的尖峰值(三相全波時每秒300個)的平均值，從而造成電流的不連續(xù)性。而采用脈寬調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，其開關(guān)頻率

17、高(通常達20003000Hz)，伺服機構(gòu)能夠響應(yīng)的頻帶范圍也較寬，與晶閘管相比，其輸出電流脈動非常小，接近于純直流。伺服電動機與驅(qū)動器伺服電動機與驅(qū)動器驅(qū)動器電動機直流伺服電動機為直流供電，為調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速和方向，需要對其直流電壓的大小和方向進行控制。目前常用晶體管脈寬調(diào)速驅(qū)動和晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動兩種方式。直流伺服電動機調(diào)速方法穩(wěn)態(tài)方程MKKRKUnmeaea2（1)改變電樞回路電阻在電樞回路串聯(lián)或并聯(lián)電阻耗能大（2)改變磁場磁通弱磁調(diào)速調(diào)速范圍小（3)改變電樞電壓在整個調(diào)速范圍內(nèi)均有較大的硬度，可以獲得穩(wěn)定的運行速度，調(diào)速范圍較寬，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。UUTUdtTUa01T/脈寬調(diào)制(PWM

18、pulsewidthmodulation)直流調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)原理 為使電動機實現(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電路相似。電橋由四個大功率晶體管VT1VT4組成。如果在VT1和VT3的基極上加以正脈沖的同時，在VT2和VT4的基極上加負脈沖，這時VT1和VT4導(dǎo)通，VT2和VT4截止，電流沿+90VcVT1dMbVT3a0V的路徑流通。設(shè)此時電動機的轉(zhuǎn)向為正向。反之，如果在晶體管VT1和VT3的基極上加負脈沖，在VT2和VT4的基極上加正脈沖，則VT2和VT4導(dǎo)通，VT1和VT3截止，電流沿+90VcVT2bMdVT4a0V的路徑流通，電流的方向與前一情況相反，電動機反

19、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和導(dǎo)通率，就可以改變電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。直流位置伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(1)電流環(huán)電流環(huán)電流值由電流傳感器取自伺服電機的電樞回路，主要用于對電樞回路的滯后進行補償，使動態(tài)電流按要求的規(guī)律變化。采用電流環(huán)后，反電勢對電樞電流的影響將變得很小，這樣在電機負載突變時，電流負反饋的引入起到了過載保護的作用。(2)速度環(huán)速度環(huán) 伺服電動機的轉(zhuǎn)速可由測速發(fā)電機或光電編碼器獲得。速度反饋用于對電動機的速度誤差進行調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)要求的動態(tài)特性，同時，速度環(huán)的引入還會增加系統(tǒng)的動態(tài)阻尼比，減小系統(tǒng)的超調(diào)，使電機運行更加平穩(wěn)。(3)位置環(huán)

20、位置環(huán) 可采用脈沖編碼器或光柵尺等對轉(zhuǎn)角或直線位移進行測量。將系統(tǒng)的實際位置轉(zhuǎn)換成具有一定精度的電信號，與指令信號比較產(chǎn)生偏差控制信號，控制電機向消除誤差的方向旋轉(zhuǎn)，直到達到一定的位置精度。二、 交流(AC)伺服電動機及其驅(qū)動 同步型和感應(yīng)型伺服電動機稱為交流伺服電動機，其基本原理是檢測SM（同步）型和IM（感應(yīng)）型的氣隙磁場的大小和方向，用電力電子變換器代替整流子和電刷，并通過與氣隙磁場方向相同的磁化電流和與氣隙磁場方向垂直的有效電流來控制其主磁通量和轉(zhuǎn)矩。 采用永久磁鐵磁場的同步電動機不需要磁化電流控制，只要檢測磁鐵轉(zhuǎn)子的位置即可。這種交流伺服電動機也叫做無刷直流伺服電動機(如同步（SM）

21、型伺服電動機控制框圖（見下圖)。由于它不需要磁化電流控制，故比IM型伺服電動機容易控制。異步電動機的調(diào)速方法)1 (60spfn轉(zhuǎn)速公式轉(zhuǎn)速公式磁級對數(shù)轉(zhuǎn)差率調(diào)速控制變頻調(diào)速變頻調(diào)速：由于同步轉(zhuǎn)速隨頻率而變，轉(zhuǎn)差變化小，調(diào)速性能好。變轉(zhuǎn)差率調(diào)速變轉(zhuǎn)差率調(diào)速：轉(zhuǎn)差損耗大，效率低。定子電源頻率第四節(jié)第四節(jié) 步進電動機及其驅(qū)動步進電動機及其驅(qū)動 一、步進電動機的特點與種類一、步進電動機的特點與種類 1. 步進電動機的特點步進電動機又稱脈沖電動機。它是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的執(zhí)行元件。其輸入一個電脈沖就轉(zhuǎn)動一步，即每當電動機繞組接受一個電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分

22、別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電動機繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向、很容易用微機實現(xiàn)數(shù)字控制。步進電動機具有以下特點： 步進電動機的工作狀態(tài)不易受各種步進電動機的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素干擾因素( (如電源電壓的波動、電流的大小與如電源電壓的波動、電流的大小與波形的變化、溫度等波形的變化、溫度等) )的影響，只要在它們的的影響，只要在它們的大小未引起步進電動機產(chǎn)生大小未引起步進電動機產(chǎn)生“丟步丟步”現(xiàn)象之現(xiàn)象之前，就不影響其正常工作；前，就不影響其正常工作；步進電動機的步進電動機的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會

23、步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)以后，其累出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)以后，其累積誤差變?yōu)榉e誤差變?yōu)椤傲懔恪?，因此不會長期積累；，因此不會長期積累；控制性能好控制性能好, ,在起動、停止、反轉(zhuǎn)時不易在起動、停止、反轉(zhuǎn)時不易“丟丟步步”。因此，步進電動機被廣泛應(yīng)用于開環(huán)。因此，步進電動機被廣泛應(yīng)用于開環(huán)控制的機電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡化，并可控制的機電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡化，并可靠地獲得較高的位置精度。靠地獲得較高的位置精度。 2. 步進電動機的種類步進電動機的種類很多，有旋轉(zhuǎn)式步進電動機，也有直線步進電動機；從勵磁相數(shù)來分有三相、四相、五相、六相等步進電動機。就

24、常用的旋轉(zhuǎn)式步進電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來說，可將其分為以下三種： 1）可變磁阻(VR-Variable Reluctance)型該類電動機由定子繞組產(chǎn)生的反應(yīng)電磁力吸引用軟磁鋼制成的齒形轉(zhuǎn)子作步進驅(qū)動，故又稱反應(yīng)式步進電動機。其結(jié)構(gòu)原理如圖3.10所示。其定子1與轉(zhuǎn)子2由鐵心構(gòu)成，沒有永久磁鐵，定子上嵌有線圈，轉(zhuǎn)子朝定子與轉(zhuǎn)子之間磁阻最小方向轉(zhuǎn)動，并由此而得名可變磁型。 此類電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)子直徑小，有利于高速響應(yīng)。由于VR型步進電動機的鐵心無極性，故不需改變電流極性，為此，多為單極性勵磁?？勺兇抛?VR-Variable Reluctance)型可變磁阻可變磁阻型步進電型步進電動機動機該類

25、電動機的定子與轉(zhuǎn)子均不含永久磁鐵，故無勵磁時沒有保持力。另外，需要將氣隙做得盡可能小，例如幾個微米。這種電動機具有制造成本高、效率低、轉(zhuǎn)子的阻尼差、噪聲大等缺點。但是，由于其制造材料費用低、結(jié)構(gòu)簡單、步距角小，隨著加工技術(shù)的進步，可望成為多用途的機種。 2) 永磁(PM-Permanent Magnet)型PM型步進電動機的轉(zhuǎn)子2采用永久磁鐵、定子1采用軟磁鋼制成，繞組3輪流通電，建立的磁場與永久磁鐵的恒定磁場相互吸引與排斥產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。其結(jié)構(gòu)如圖3.11所示。這種電動機由于采用了永久磁鐵，即使定子繞組斷電也能保持一定轉(zhuǎn)矩，故具有記憶能力，可用做定位驅(qū)動。PM型電動機的特點是勵磁功率小、效率高、造

26、價低，因此需要量也大。由于轉(zhuǎn)子磁鐵的磁化間距受到限制，難于制造，故步距角較大。與VR型相比轉(zhuǎn)矩大，但轉(zhuǎn)子慣量也較大。3)混合(HB-Hybrid)型混合(HB-Hybrid)型例混合型混合型步進電步進電動機動機該型步進電機不僅具有VR型步進電動機步距角小、響應(yīng)頻率高的優(yōu)點，而且還具有PM型步進電動機勵磁功率小、效率高的優(yōu)點。它的定子與VR型沒有多大差別，只是在相數(shù)和繞組接線方面有其特殊的地方，例如，VR型一般都做成集中繞組的形式，每極上放有一套繞組，相對的兩極為一相，而HB型步進電動機的定子繞組大多數(shù)為四相，而且每極同時繞兩相繞組或采用橋式電路繞一相繞組，按正反脈沖供電。這種類型的電動機由轉(zhuǎn)子

27、鐵心的凸極數(shù)和定子的副凸極數(shù)決定步距角的大小，可制造出步距角較小(0.93.6)的電動機。永久磁鐵也可磁化軸向的兩極，可使用軸向各向異性磁鐵制成高效電動機?；旌闲团c永磁型多為雙極性勵磁。由于都采用了永久磁鐵，所以，無勵磁時具有保持力。另外，勵磁時的靜止轉(zhuǎn)矩都比VR型步進電動機的大。HB和PM型步進電動機能夠用做超低速同步電動機，如用60Hz驅(qū)動每步1.8的電動機可作為72rmin的同步電動機使用。步進電動機與DC和AC伺服電動機相比其轉(zhuǎn)矩、效率、精度、高速性比較差，但步進電動機具有低速時轉(zhuǎn)矩大、速度控制比較簡單、外形尺寸小等優(yōu)點，所以在辦公室自動化方面的打印機、繪圖機、復(fù)印機等機電一體化產(chǎn)品中

28、得到廣泛使用，在工廠自動化方面也可代替低檔的DC伺服電動機。 二、步進電動機的工作原理 如上圖a所示，如果先將電脈沖加到A相勵磁繞組，定子A相磁極就產(chǎn)生磁通，并對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子的1、3兩個齒與定子的A相磁極對齊。而后再將電脈沖通入B相勵磁繞組，B相磁極便產(chǎn)生磁通。由圖b可以看出，這時轉(zhuǎn)子2、4兩個齒與B相磁極靠得最近，于是轉(zhuǎn)子便沿著逆時針方向轉(zhuǎn)過30 角，使轉(zhuǎn)子2、4兩個齒與定子B相磁極對齊。如果按照ABCA的順序通電，轉(zhuǎn)子則沿反時針方向一步步地轉(zhuǎn)動，每步轉(zhuǎn)過30，這個角度就叫步距角。顯然，單位時間內(nèi)通入的電脈沖數(shù)越多，即電脈沖頻率越高，電動機轉(zhuǎn)速就越高。如果按ABCA的順序通電，步進

29、電動機將沿順時針方向一步步地轉(zhuǎn)動。從一相通電換接到另一相通電稱為一拍，每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個步距角。像上述的步進電動機，三相勵磁繞組依次單獨通電運行，換接三次完成一個通電循環(huán)，稱為三相單三拍通電方式。如果使兩相勵磁繞組同時通電，即按ABBCCAAB順序通電，這種通電方式稱為三相雙三拍，其步距角仍為30。 還 有 一 種 是 按 三 相 六 拍 通 電 方 式 工 作 的 步 進 電 動 機 ， 即 按 照AABBBCCCAA順序通電，換接六次完成一個通電循環(huán)。這種通電方式的步距角為l5，如下圖所示。 若將電脈沖首先通入A相勵磁繞組，轉(zhuǎn)子齒1、3與A相磁極對齊，如上圖中a所示。然后再將電脈沖同時通入

30、A、B相勵磁繞組，這時A相磁極拉著1、3兩個齒，B相磁極拉著2、4兩個齒，使轉(zhuǎn)子沿著逆時針方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)過l5角時，A、B兩相 的 磁 拉 力 正 好 平 衡 ， 轉(zhuǎn) 子 靜 止 于 圖 中 b 的 位 置 。 如 果 繼 續(xù) 按BBCCCAA的順序通電，步進電動機就沿著逆時針方向，以l5步距角一步步轉(zhuǎn)動。步進電動機的步距角越小，意味著它所能達到的位置精度越高。通常的步矩角是1.5或0.75，為此需要將轉(zhuǎn)子做成多極式的，并在定子磁極上制成小齒，如右圖所示。定子磁極上的小齒和轉(zhuǎn)子磁極上的小齒大小一樣，兩種小齒的齒寬和齒距相等。當一相定子磁極的小齒與轉(zhuǎn)子的齒對齊時，其他兩相磁極的小齒都與轉(zhuǎn)子的齒錯過

31、一個角度。按著相序，后一相比前一相錯開的角度要大。例如轉(zhuǎn)子上有40個齒，則相鄰兩個齒的齒距角是360409。若定子每個磁極上制成5個小齒，當轉(zhuǎn)子齒和A相磁極小齒對齊時，B相磁極小齒則沿逆時針方向超前轉(zhuǎn)子13齒距角，即超前3，而C相磁極小齒則超前轉(zhuǎn)子23齒距，即超前6。按照此結(jié)構(gòu)，當勵磁繞組按ABCA順序以三相三拍通電時，轉(zhuǎn)子按逆時針方向，以3步距角轉(zhuǎn)動；如果按照AABBBCCCAA順序以三相六拍通電時，步距角將減小一半，為1.5。如通電順序相反，則步進電動機將沿著順時針方向轉(zhuǎn)動。步距角的大小與通電方式和轉(zhuǎn)子齒數(shù)有關(guān)，其大小可用下式計算：步距角360(z m)式中z-轉(zhuǎn)子齒數(shù)；m-運行拍數(shù)，通常

32、 等 于 相 數(shù) 或 相 數(shù) 整 數(shù) 倍 ， 即m=KN(N為電動機的相數(shù)，單拍時K1，雙拍時K2)。 反應(yīng)式步進電動機環(huán)形脈沖分配方式表相 數(shù) 環(huán) 形 分 配 方 式 名 稱 系 數(shù)K 3 3 A - B - C - A - A B - B C - C A - A B - 三 相 單 三 拍 ( 1 相 勵 磁 ) 三 相 雙 三 拍 ( 2 相 勵 磁 ) 1 1 3 A - A B - B - B C - C - C A - A - 三 相 六 拍 ( 1 - 2 相 勵 磁 ) 2 4 4 4 A - B - C - D - A - A B - B C - C D - D A - A

33、B - A - A B - B - B C - C - C D - D - D A - A - 四 相 單 四 拍 ( 1 相 勵 磁 ) 四 相 雙 四 拍 ( 2 相 勵 磁 ) 四 相 八 拍 ( 1 - 2 相 勵 滋 ) 1 1 2 5 5 5 A - B - C - D - E - A - A B - B C - C D - D E - E A - A B - A B - A B C - B C - B C D - C D - C D E - D E - D E A - E A B - A B - 五 相 單 五 拍 ( 1 相 勵 磁 ) 五 相 雙 五 拍 ( 2 相 勵 磁

34、) 五 相 十 拍 ( 2 - 3 相 勵 磁 ) 1 1 2 6 6 6 6 A - B - C - D - E - F - A - A B - B C - C D - D E - E F - F A - A B - A B C - B C D - C D E - D E F - E F A - F A B - A B C - A B - A B C - B C - B C D - C D - C D E - D E - D E F - E F - E F A - F A - F A B - A B 六 相 單 六 拍 ( 1 相 勵 磁 ) 六 相 雙 六 拍 ( 2 相 勵 磁 ) 六

35、相 六 拍 ( 3 相 勵 磁 ) 六 相 十 二 拍 ( 2 - 3 相 勵 磁 ) 1 1 1 2 三、 步進電動機的運行特性及性能指標 1. 分辨力 在一個電脈沖作用下(即一拍)，電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移，即步距角越小，分辨力越高。最常用的有0.61.2、0.751.5、0.91.8、12、1.53等。 3. 動態(tài)特性 上圖中，A 相與B 相矩-角特性曲線之交點所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為起動轉(zhuǎn)矩，它表示步進電動機單相勵磁時所能帶動的極限負載轉(zhuǎn)矩。起動轉(zhuǎn)矩通常與步進電動機相數(shù)和通電方式有關(guān)，如下表所示。最高連續(xù)運行頻率及矩-頻特性矩-頻特性及聯(lián)系尺寸空載起動頻率與慣空載起動頻率與慣-頻特性頻特性空載起

36、動頻率4. 步進電動機技術(shù)指標實例 反應(yīng)式步進電動機技術(shù)性能數(shù)據(jù)永磁感應(yīng)式步進電動機技術(shù)性能數(shù)據(jù)(一) 永磁感應(yīng)式步進電動機技術(shù)性能數(shù)據(jù)(二) 四、步進電動機的驅(qū)動與控制步進電動機的運行特性與配套使用的驅(qū)動電源（驅(qū)動器）有密切關(guān)系。驅(qū)動電源由脈沖分配器、功率放大器等組成，如下圖所示。驅(qū)動電源是將變頻信號源(微機或數(shù)控裝置等)送來的脈沖信號及方向信號按要求的配電方式自動地循環(huán)供給電動機各相繞組，以驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)。變頻信號源是可提供從幾赫茲到幾萬赫茲的頻率信號連續(xù)可調(diào)的脈沖信號發(fā)生器。因此，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量及頻率就可精確控制步進電動機的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速。 步進電動機的驅(qū)動電源組成1.

37、環(huán)形脈沖分配器步進電動機的各相繞組必須按一定的順序通電才能正常工作。這種使電動機繞組的通電順序按一定規(guī)律變化的部分稱為脈沖分配器（又稱為環(huán)形脈沖分配器）。實現(xiàn)環(huán)形分配的方法有三種。下圖是一種采用計算機軟件，利用查表或計算方法來進行脈沖的環(huán)形分配，簡稱軟環(huán)分。下表為三相六拍分配狀態(tài)，可將表中狀態(tài)代碼0lH、03H、02H、06H、04H、05H列入程序數(shù)據(jù)表中,通過軟件可順次在數(shù)據(jù)表中提取數(shù)據(jù)并通過輸出接口輸出即可，通過正向順序讀取和反向順序讀取可控制電動機進行正反轉(zhuǎn)。通過控制讀取一次數(shù)據(jù)的時間間隔可控制電動機的轉(zhuǎn)速。該方法能充分利用計算機軟件資源以降低硬件成本，尤其是對多相的脈沖分配具有更大的

38、優(yōu)點。但由于軟環(huán)分占用計算機的運行時間，故會使插補一次的時間增加，易影響步進電動機的運行速度。 另一種采用小規(guī)模集成電路搭接而成的三相六拍環(huán)形脈沖分配器（如下圖1所示），圖中C1、C2、C3為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。這種方式靈活性很大，可搭接任意相任意通電順序的環(huán)形分配器，同時在工作時不占用計算機的工作時間。 第三種是采用專用環(huán)形分配器器件。如下圖2所示的CH250為一種三相步進電動機專用環(huán)形分配器。它可以實現(xiàn)三相步進電動機的各種環(huán)形分配，使用方便、接口簡單。其中圖a為CH250的管腳圖、圖b為三相六拍接線圖。 CH250工作狀態(tài)2. 功率放大器步進電動機所使用的功率放大電路有電壓型和電流型。電壓型又有

39、單電壓型（下圖1）、雙電壓型(高低壓型)（如下圖2，其中圖2a是由采用脈沖變壓器TI組成的、圖2b是由采用單穩(wěn)觸發(fā)器組成的）。電流型中有恒流驅(qū)動、斬波驅(qū)動等。3. 細分驅(qū)動上述提到的步進電動機的各種功率放大電路都是采用環(huán)形分配器芯片進行環(huán)形分配，控制電動機各相繞組的導(dǎo)通或截止，從而使電動機產(chǎn)生步進運動，步距角的大小只有兩種，即整步工作或半步工作。步距角已由步進電動機結(jié)構(gòu)所確定。如果要求步進電動機有更小的步距角或者為減小電動機振動、噪聲等原因，可以在每次輸入脈沖切換時，不是將繞組電流全部通入或切除，而是只改變相應(yīng)繞組中額定電流的一部分，則電動機轉(zhuǎn)過的每步運動也只有步距角的一部分。這里繞組電流不是一個方波，而是階梯波，額定電流是臺階式的投入或切除，電流分成多少個臺階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的個數(shù)轉(zhuǎn)過一個步距角。這樣將一個步距角細分成若干步的驅(qū)動方法被稱為細分驅(qū)動。細分驅(qū)動的特點是：在不改動電動機結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，能使步距角減小。但細分后的步距角精度不高，功率放大驅(qū)動電路也相應(yīng)復(fù)雜；能使步進電動機運行平穩(wěn)、提高勻速性，并能減弱或消除振蕩。功率開關(guān)細分驅(qū)動電源 疊加細分驅(qū)