3第三章機(jī)電一體化系統(tǒng)執(zhí)行元件的選擇與設(shè)計(jì)

1、第第3章章 機(jī)電一體化系統(tǒng)執(zhí)行元件的機(jī)電一體化系統(tǒng)執(zhí)行元件的選擇與設(shè)計(jì)選擇與設(shè)計(jì)3 31 執(zhí)執(zhí)行元件行元件 執(zhí)行元件是工業(yè)機(jī)器人、CNC機(jī)床、各種自動(dòng)機(jī)械、信息處理計(jì)算機(jī)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(jī)、攝像機(jī)、電冰箱)等機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)必不可少的驅(qū)動(dòng)部件，如數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)、工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)以及工業(yè)機(jī)器人手臂升降、回轉(zhuǎn)和伸縮運(yùn)動(dòng)等所用驅(qū)動(dòng)部件即為執(zhí)行元件。該元件是處于機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)行機(jī)構(gòu)與微電子控制裝置的接點(diǎn)(聯(lián)接)部位的能量轉(zhuǎn)換元件，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(jī)械能，例如電動(dòng)機(jī)施磁鐵、繼電器、

2、液動(dòng)機(jī)、氣缸、內(nèi)燃機(jī)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(jī)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(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品時(shí)，可作為標(biāo)準(zhǔn)件選用、外購(gòu)。311 執(zhí)行元件的種類及特點(diǎn)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、液壓式和氣壓式等幾種類型，如圖31所示。電氣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)。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(dòng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。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。 (1)(1)電氣式執(zhí)

3、行元件電氣式執(zhí)行元件電氣式執(zhí)行元件包括控制用電動(dòng)機(jī)控制用電動(dòng)機(jī)(步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、DC和AC伺服電動(dòng)機(jī))、靜電電動(dòng)機(jī)靜電電動(dòng)機(jī)、磁致伸縮器件磁致伸縮器件、壓電元件壓電元件、超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)以及電電磁鐵等磁鐵等。其中，利用電磁力的電動(dòng)機(jī)和電磁鐵，因其實(shí)用、易得而成為常用的執(zhí)行元件。對(duì)控制用電動(dòng)機(jī)的性能除了要求穩(wěn)速運(yùn)轉(zhuǎn)性能之外，還要求具有良好的加速、減速性能和伺服性能等動(dòng)態(tài)性能以及頻繁使用時(shí)的適應(yīng)性和便于維修性能。 控制用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般由電源電源供給電力，經(jīng)電力變換器變換后輸送給電動(dòng)機(jī)，使電動(dòng)機(jī)作回轉(zhuǎn)(或直線)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載機(jī)械(運(yùn)行機(jī)構(gòu))運(yùn)動(dòng)，并在指令器給定的指令位置定位停止。這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

4、具有位置(或速度)反饋環(huán)節(jié)的叫閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)，沒(méi)有位置與速度反饋環(huán)節(jié)的叫開(kāi)環(huán)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。 另外，其它電氣式執(zhí)行元件中還有微量位移用器件，例如電磁鐵電磁鐵是由線圈和銜鐵兩部分組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于是單向驅(qū)動(dòng)，故需用彈簧復(fù)位，用于實(shí)現(xiàn)兩固定點(diǎn)間的快速驅(qū)動(dòng)；壓電驅(qū)動(dòng)器壓電驅(qū)動(dòng)器是利用壓電晶體的壓電效應(yīng)來(lái)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)作微量位移的；電熱驅(qū)動(dòng)器電熱驅(qū)動(dòng)器是利用物體(如金屬棒)的熱變形來(lái)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的直線位移，用控制電熱器(電阻)的加熱電流來(lái)改變位移量，由于物體的線膨脹量有限，位移量當(dāng)然很小，可用在機(jī)電一體化產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給。(2)(2)液壓式執(zhí)行元件液壓式執(zhí)行元件 液壓式執(zhí)行元件主要包括往復(fù)運(yùn)動(dòng)的油缸

5、、回轉(zhuǎn)油缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)的油缸、回轉(zhuǎn)油缸、液壓馬達(dá)液壓馬達(dá)等，其中油缸占絕大多數(shù)。目前，世界上已開(kāi)發(fā)了各種數(shù)字式液壓式執(zhí)行元件，例如電一液伺服馬達(dá)電一液伺服馬達(dá)和電一液步進(jìn)馬達(dá)電一液步進(jìn)馬達(dá)，這些電一液式馬達(dá)的最大優(yōu)點(diǎn)是比電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩大，可以直接驅(qū)動(dòng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)矩慣量比大，過(guò)載能力強(qiáng)，適合于重載的高加減速驅(qū)動(dòng)。因此，電一液式馬達(dá)在強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)和高精度定位時(shí)性能好，而且使用方便。對(duì)一般的電一液伺服系統(tǒng)，可采用電一液伺服閥控制油缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。比數(shù)字伺服式執(zhí)行元件便宜得多的是用電子控制電磁閥開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)式伺服機(jī)構(gòu)，其性能適當(dāng)，而且對(duì)液壓伺服起輔助作用o (3)(3)氣壓式執(zhí)行元件氣壓式執(zhí)行元件 氣壓式執(zhí)行元件除

6、了用壓縮空氣作工作介質(zhì)外，與液壓式執(zhí)行元件無(wú)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(dá)等。氣壓驅(qū)動(dòng)雖可得到較大的驅(qū)動(dòng)力、行程和速度，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(chǎng)合使用。上述幾種執(zhí)行元件的基本特點(diǎn)見(jiàn)表31。(1)慣量小、動(dòng)力大；(2)體積小、重量輕；(3)便于維修、安裝；執(zhí)行元件最好不需要維修。無(wú)刷DC及AC伺服電動(dòng)機(jī)就是走向無(wú)維修的一例。(4)宜于微機(jī)控制。3 31 12 2 機(jī)電一體化系統(tǒng)機(jī)電一體化系統(tǒng)( (產(chǎn)品產(chǎn)品) )對(duì)執(zhí)行元件的基本要求對(duì)執(zhí)行元件的基本要求 控制用電動(dòng)機(jī)有力矩電動(dòng)機(jī)力矩電動(dòng)機(jī)、脈沖脈沖(步進(jìn)步進(jìn))電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)、變頻調(diào)速電動(dòng)變頻調(diào)速電動(dòng)

7、機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和各種機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和各種ACDC電動(dòng)機(jī)等電動(dòng)機(jī)等。控制用電動(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。由于其可在很寬的速度和負(fù)載范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)、精確地控制，因而在各種機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。3 32 2 機(jī)電一體化系統(tǒng)機(jī)電一體化系統(tǒng)( (產(chǎn)品產(chǎn)品) )常用的控制用電動(dòng)機(jī)常用的控制用電動(dòng)機(jī) 1)性能密度大即功率密度大和比功率大;Pg=P/g 2)快速性好，即加速轉(zhuǎn)矩大，頻響特性好； 3)位置控制精度高、調(diào)速范圍寬、低速運(yùn)行平穩(wěn)無(wú)爬行現(xiàn)象、分辨力高、振動(dòng)噪聲小； 4)適應(yīng)起、停頻繁的工作要求； 5)可靠性高、壽命長(zhǎng)。3 32 21 1

8、 機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)控制用電動(dòng)機(jī)的基本要求機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)控制用電動(dòng)機(jī)的基本要求在機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)中使用兩類電動(dòng)機(jī)，一類為一般的動(dòng)力用電動(dòng)機(jī)，如感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)等；另一類為控制用電動(dòng)機(jī)，如力矩電動(dòng)機(jī)、脈沖電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)和各種ACDC電動(dòng)機(jī)等等。表32列出了常用電動(dòng)機(jī)的適用范圍。3 32 22 2 控制用電動(dòng)機(jī)的種類、特點(diǎn)及選用控制用電動(dòng)機(jī)的種類、特點(diǎn)及選用3 33 步步進(jìn)電動(dòng)進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其機(jī)及其驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)1 1步步進(jìn)電動(dòng)進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)與種機(jī)的特點(diǎn)與種類類(1)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。其輸入一個(gè)電

9、脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即每當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組接受一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時(shí)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(dòng)機(jī)繞組的通電順序，電動(dòng)機(jī)即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向、很容易用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有以下特點(diǎn)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素(如電源電壓的波動(dòng)、電流的大小與波形如電源電壓的波動(dòng)、電流的大小與波形的變化、溫度等的變化、溫度等)的影響的影響，只要在它們的大小未引起步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生“丟步”現(xiàn)象之前，就不影響其正常工作；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角有誤差步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

10、的步距角有誤差,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一定步數(shù)以后也會(huì)出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一轉(zhuǎn)以后，其累積誤差變?yōu)椤傲恪?，因此不不?huì)長(zhǎng)期積累；會(huì)長(zhǎng)期積累；控制性能好控制性能好，在起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)時(shí)不易“丟步”。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用于開(kāi)環(huán)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，并可靠地獲得較高的位置精度?？煽康孬@得較高的位置精度。(2)(2)步步進(jìn)電動(dòng)進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種機(jī)的種類類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類很多，有旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，也有直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；從勵(lì)磁相數(shù)來(lái)分有三相、四相、五相、六相等步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。就常用的旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，可將其分為以下三種：1)1)可可變變磁阻磁阻(VRVariable Reluctance)型型 該

11、類電動(dòng)機(jī)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(jìn)驅(qū)動(dòng)，故又稱作反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)原理如圖33所示。其定子1與轉(zhuǎn)子2由鐵心構(gòu)成，沒(méi)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(dòng)，并由此而得名可變磁型。這類電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)子直徑小，有利于高速響應(yīng)。由于VR型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的鐵心無(wú)極性，故不需改變電流極性，為此，多為單極性勵(lì)磁。 該類電動(dòng)機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子均不含永久磁鐵，故無(wú)勵(lì)磁時(shí)沒(méi)有保持力。另外，需要將氣隙做得盡可能小，例如幾個(gè)微米。這種電動(dòng)機(jī)具有制造成本高、效率低、轉(zhuǎn)子的阻尼差、噪聲大等缺點(diǎn)。但是，由于其制造材料費(fèi)用低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、步距角小，隨著加工技術(shù)的

12、進(jìn)步，可望成為多用途的機(jī)種。2 ) 永 磁 ( P M P e r m a n e n t Magnet)型PM型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(chǎng)與永久磁鐵的恒定磁場(chǎng)相互吸引與排斥產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，其結(jié)構(gòu)如圖34所示。這種電動(dòng)機(jī)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，可用作定位驅(qū)動(dòng)。 PM型電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是勵(lì)磁功率小、效率高、造價(jià)便宜，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)混合混合(HBHybrid)型型 這種電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上嵌有永久磁鐵，故可以說(shuō)是永磁型

13、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，但從定子和轉(zhuǎn)子的導(dǎo)磁體來(lái)看，又和可變磁阻型相似，所以是永磁型和可變磁阻型相結(jié)合的一種形式，故稱為混合型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖35所示。 2 2步步進(jìn)電動(dòng)進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理機(jī)的工作原理圖36為反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理圖。其定子有六個(gè)均勻分布的磁極，每?jī)蓚€(gè)相對(duì)磁極組成一相，即有AA，、BB，、CC，三相，磁極上繞有勵(lì)磁繞組。假定轉(zhuǎn)子具有均勻分布的四個(gè)齒，當(dāng)A、B、C三個(gè)磁極的繞組依次通電時(shí)，則A、B、C三對(duì)磁極依次產(chǎn)生磁場(chǎng)吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。圖 3.6 三相三拍通電轉(zhuǎn)動(dòng)原理 如圖36a所示，如果先將電脈沖加到A相勵(lì)磁繞組，定子A相磁極就產(chǎn)生磁通，并對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子的1、3兩個(gè)齒與定子

14、的A相磁極對(duì)齊。而后再將電脈沖通入B相勵(lì)磁繞組，B相磁極便產(chǎn)生磁通。由圖36b可以看出，這時(shí)轉(zhuǎn)子2、4兩個(gè)齒與B相磁極靠得最近，于是轉(zhuǎn)子便沿著反時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)30。角，使轉(zhuǎn)子2、4兩個(gè)齒與定子B相磁極對(duì)齊。如果按照ABCA的順序通電，轉(zhuǎn)子則沿反時(shí)針?lè)较蛞徊讲降剞D(zhuǎn)動(dòng)，每步轉(zhuǎn)過(guò)30。，這個(gè)角度就叫步距角。顯然，單位時(shí)間內(nèi)通入的電脈沖數(shù)越多，即電脈沖頻率越高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就越高。如果按ACBA的順序通電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將沿順時(shí)針?lè)较蛞徊讲降剞D(zhuǎn)動(dòng)。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(dòng)一個(gè)步距角。像上述的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，三相勵(lì)磁繞組依次單獨(dú)通電運(yùn)行，換接三次完成一個(gè)通電循環(huán)，稱為三相單三拍通電方式。

15、如果使兩相勵(lì)磁繞組同時(shí)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(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) ， 即 按 照AABBBCCCAA順序通電，換接六次完成一個(gè)通電循環(huán)。這種通電方式的步距角為1 5其工作過(guò)程如圖37所示：若將電脈沖首先通入A相勵(lì)磁繞組，轉(zhuǎn)子齒1、3與A相磁極對(duì)齊，如圖中37a所示。然后再將電脈沖同時(shí)通入A、B相勵(lì)磁繞組，這時(shí)A相磁極拉著1、3兩個(gè)齒，B相磁極拉著2、4兩個(gè)齒，使轉(zhuǎn)子沿著反時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，轉(zhuǎn)過(guò)1 5角時(shí)，A、B兩相的磁拉力正好平衡，轉(zhuǎn)子靜止于圖中37b的位置。如果繼續(xù)按BBC

16、CCAA的順序通電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就沿著反時(shí)針?lè)较?，?5步距角一步步轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角越小，意味著它所能達(dá)到的位置精度越高。通常的步距角是1.5。或O75。，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，如圖33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。圖 3.7 三相六拍通電轉(zhuǎn)動(dòng)原理 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也可以制成四相、五相、六相或更多的相數(shù)，以減小步距角并改善步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能。為了減小制造電動(dòng)機(jī)的困難，多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)常做成軸向多段式(又稱順軸式)。例如，五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子沿軸向分為A、B、C、D、E五段。每一段是一相，在此段內(nèi)只有一對(duì)定子磁極。在磁極的表

17、面上開(kāi)有一定數(shù)量的小齒，各相磁極的小齒在圓周方向互相錯(cuò)開(kāi)15齒距。轉(zhuǎn)子也分為五段，每段轉(zhuǎn)子具有與磁極同等數(shù)量的小齒，但它們?cè)趫A周方向并不錯(cuò)開(kāi)。這樣，定子的五段就是電動(dòng)機(jī)的五相。與三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相同，五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電方式也可以是五相五拍、五相雙五拍、五相十拍等。但是，為了提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，多采用五相十拍的通電方式。常用的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖環(huán)形分配方式見(jiàn)表3.6從上述可知，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(jì)算：式中：z一轉(zhuǎn)子齒數(shù)；m一運(yùn)行拍數(shù)，通常等于相數(shù)或相數(shù)整數(shù)倍，即優(yōu)：KN(N為電動(dòng)機(jī)的相數(shù)，單拍時(shí)K=1，雙拍時(shí)K=2)。a=360Zm3 3步步進(jìn)電動(dòng)進(jìn)電動(dòng)機(jī)

18、的運(yùn)行特性及性能指機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo)標(biāo)(1)分辨力 在一個(gè)電脈沖作用下(即一拍)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移，即步距角口。a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。(2)靜態(tài)特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特性是指它在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的特性，包括靜轉(zhuǎn)矩、矩一角特性及靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。(3)動(dòng)態(tài)特性 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性將直接影響到系統(tǒng)的快速響應(yīng)及工作的可靠性。這里僅就動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、矩一頻特性等幾個(gè)問(wèn)題做一簡(jiǎn)要說(shuō)明。1)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)2)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩3)最高連續(xù)運(yùn)行頻率及矩-頻特性4)空載啟動(dòng)頻率與慣-頻特性(4)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)指標(biāo)實(shí)例4 4步步進(jìn)電動(dòng)進(jìn)電動(dòng)機(jī)的機(jī)的驅(qū)動(dòng)

19、驅(qū)動(dòng)與控制與控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性與配套使用的驅(qū)動(dòng)電源(驅(qū)動(dòng)器)有密切關(guān)系。驅(qū)動(dòng)電源由脈沖分配器、功率放大器等組成，如圖311所示。驅(qū)動(dòng)電源是將變頻信號(hào)源(微機(jī)或數(shù)控裝置等)送來(lái)的脈沖信號(hào)及方向信號(hào)按要求的配電方式自動(dòng)地循環(huán)供給電動(dòng)機(jī)各相繞組，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)。變頻信號(hào)源是可提供從幾赫茲到幾萬(wàn)赫茲的頻率信號(hào)連續(xù)可調(diào)的脈沖信號(hào)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(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速。(1)(1)環(huán)環(huán)形脈沖分配器形脈沖分配器步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(shí)

20、現(xiàn)環(huán)形分配的方法有三種。一種是采用計(jì)算機(jī)軟件，利用查表或計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行脈沖的環(huán)形分配，簡(jiǎn)稱軟環(huán)分。表310為三相六拍分配狀態(tài)，可將表中狀態(tài)代碼O 1H、03H、02H、06H、04H、05H列入程序數(shù)據(jù)表中，通過(guò)軟件可順次在數(shù)據(jù)表中提取數(shù)據(jù)并通過(guò)輸出接口輸出即可，通過(guò)正向順序讀取和反向順序讀取可控制電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)。通過(guò)控制讀取一次數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔可控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。a.軟件環(huán)形分配器軟件環(huán)形分配器這是一種采用計(jì)算機(jī)軟件，利用查表或計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行脈沖的環(huán)形分配，簡(jiǎn)稱軟環(huán)分。b.分立元件構(gòu)成分立元件構(gòu)成一種是采用小規(guī)模集成電路搭接而成的三相六拍環(huán)形脈沖分配器，如圖312所示，圖中C1、C2、C3為

21、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，c.專用集成電路專用集成電路 第三種即采用專用環(huán)形分配器器件。如市售的CH250即為一種三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)專用環(huán)形分配器。它可以實(shí)現(xiàn)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各種環(huán)形分配，使用方便、接口簡(jiǎn)單。圖31 3a為CH250的管腳圖，圖313b為三相六拍接線圖。其工 作 狀 態(tài) 表 如 表311。(2)(2)功率放大器功率放大器從計(jì)算機(jī)輸出口或從環(huán)形分配器輸出的信號(hào)脈沖電流一般只有幾個(gè)毫安，不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，必須采用功率放大器將脈沖電流進(jìn)行放大，使其增大到幾至十幾安培，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。由于電動(dòng)機(jī)各相繞組都是繞在鐵心上的線圈，所以電

22、感較大，繞組通電時(shí)，電流上升率受到限制，因而影響電動(dòng)機(jī)繞組電流的大小。繞組斷電時(shí)，電感中磁場(chǎng)的儲(chǔ)能元件將維持繞組中已有的電流不能突變。在繞組斷電時(shí)會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，為使電流盡快衰減并釋放反電動(dòng)勢(shì)，必須增加適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回路。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所使用的功率放大電路有：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所使用的功率放大電路有：電壓型：電壓型：?jiǎn)坞妷盒汀㈦p電壓型(高低壓型)o電流型電流型。恒流驅(qū)動(dòng)、斬波驅(qū)動(dòng)等。1)單電壓功率放大電路單電壓功率放大電路 如圖314所示，圖中A、B、C分別為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的三相，每相由一組放大器驅(qū)動(dòng)。放大器輸入端與環(huán)形脈沖分配器相連。在沒(méi)有脈沖輸入時(shí)，3DK4和3DDl5功率放大器均截止。繞組中無(wú)電流通過(guò)。電動(dòng)

23、機(jī)不轉(zhuǎn)。當(dāng)A相得電，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步。當(dāng)脈沖依次加到A、B、C三個(gè)輸入端時(shí)，三組放大器分別驅(qū)動(dòng)不同的繞組，使電動(dòng)機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)。電路中與繞組并聯(lián)的二極管VD分別起續(xù)流作用，即在功放管截止時(shí)，使儲(chǔ)存在繞組中的能量通過(guò)二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護(hù)功放管。2)2)高低壓功率放大電路高低壓功率放大電路 圖31 5a為采用脈沖變壓器TI組成的高低壓控制電路原理圖。無(wú)脈沖輸入時(shí)，VTl、VT2、VT3、VT4均截止，電動(dòng)機(jī)繞組W無(wú)電流通過(guò)，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)。有脈沖輸入時(shí)，VTl、VT2、VT4飽和導(dǎo)通，在VT2由截止到飽和期間，其集電極電流，也就是脈沖變壓TI的一次電流急劇增加，在變壓器二次側(cè)感生一個(gè)電壓，

24、使VT3導(dǎo)通，80V的高壓經(jīng) 高壓管VT3加到繞組W上，使電流迅速上升，當(dāng)VT,2進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，TI一次側(cè)電流暫時(shí)恒定，無(wú)磁通量變化，二次側(cè)的感應(yīng)電壓為零，VT3截止。這時(shí)，12V低壓電源經(jīng)VD1加到電動(dòng)機(jī)繞組W上并維持繞組中的電流。輸入脈沖結(jié)束后VTl、VT2、VT3、VT4又都截止，儲(chǔ)存在W中的電能通過(guò)18的電阻和VD2放電，1 8電阻的作用是減小放電回路的時(shí)間常數(shù)，改善電流波形 的后沿。該電路由于采用高壓驅(qū)動(dòng)，電流增長(zhǎng)加快，脈沖電流的前沿變陡，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和運(yùn)行頻率都得到了提高。圖31 5b為采用單穩(wěn)觸發(fā)器組成的高低壓控制電路原理圖。當(dāng)輸入端為低電平時(shí)。低壓部分的VMOS管VF2(IR

25、F250)柵極為低電平，VF2截止。同時(shí)單穩(wěn)態(tài)電路VFl不觸發(fā)，Q端6腳 輸 出 高 電 平 ， 開(kāi) 關(guān) 管VT1(3DAl 50)飽和導(dǎo)通，高壓管VFl(IRF250)柵極為低電平，VFa截止，繞組中也無(wú)電流通過(guò)。當(dāng)輸入端輸入一進(jìn)給脈沖時(shí)，VF2的柵極為高電平，則低壓管VF2導(dǎo)通。同時(shí)脈沖的上升沿使4528單穩(wěn)態(tài)電路觸發(fā)，Q端6腳輸出低電平，這時(shí)開(kāi)關(guān)管VTx(3DAl 50)截止，高壓管VFl(IRF250)導(dǎo)通，這時(shí)由于A點(diǎn)電位比12 V高，故二極管VD5截止，電流通過(guò)高壓管VF1(IRF250)流經(jīng)繞組及低壓管VF2(IRF250)進(jìn)入電源負(fù)極。4528單穩(wěn)態(tài)電路定時(shí)結(jié)束， 6腳輸出高電

26、平，使高壓管VF1(IRF250)截止。這時(shí)A點(diǎn)電位低于12 V，則12 V電源開(kāi)始向繞 組輸送低電壓電流，以維持繞組穩(wěn)定在額定電流上。高壓導(dǎo)通的時(shí)間由單穩(wěn)態(tài)電路決定，通過(guò)調(diào)節(jié)R、C參數(shù)使高壓開(kāi)通的時(shí)間恰好使繞組的電流上升到額定值左右再關(guān)閉。時(shí)間的調(diào)節(jié)要非常小心，時(shí)間稍長(zhǎng)即可能燒毀晶體管。 高低壓功率放大電路由于僅在脈沖開(kāi)始的一瞬間接通高壓電源，其余的時(shí)間均由低壓供電，故效率很高。又由于電流上升率高，故高速運(yùn)行性能好、但由于電流波形陡，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生過(guò)沖，故諧波成分豐富，致使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)較大(尤其在低速運(yùn)行時(shí))。 3)3)恒流源功率放大電路恒流源功率放大電路 恒流源功率放大電路如圖31 6所

27、示，當(dāng)A處輸人為低電平時(shí)VTl(3DK2)截止，這時(shí)由VT2(3DK4)及VT3(3DDl 5)組成的達(dá)林頓管導(dǎo)通，電流由電源正端流經(jīng)電動(dòng)機(jī)繞組W及達(dá)林頓復(fù)合管經(jīng)由PNP型大功率管VT4(2955)組成的恒流源流向電源負(fù)端。電流的大小取決于恒流源的恒流值，當(dāng)發(fā)射極電阻減小時(shí)，恒流值增大；當(dāng)電阻增大時(shí)，恒流值減小。由于恒流源的動(dòng)態(tài)由于恒流源的動(dòng)態(tài)電阻很大，故繞組可在較低的電壓下取得較高的電流上升率。由于此時(shí)電路為反相驅(qū)動(dòng)，故脈沖在進(jìn)入恒流源驅(qū)動(dòng)電源前應(yīng)反相后再送入輸入端。恒流源功率放大電路的特點(diǎn)是在較低的電壓上有一定的上升率，因而可用在較高頻率的驅(qū)動(dòng)上。由于電源電壓較低，功耗將減小，效率有所提高

28、。由于恒流源管工作在放大區(qū)，管壓降較大，功耗很大；故必須注意對(duì)恒流源管采用較大的散熱片散熱。 4)斬波恒流功率放大電路斬波恒流功率放大電路 圖317是性能較好的斬波恒流功率放大電路。采用大功率MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為功放管。圖317中VFI、VF2為開(kāi)關(guān)管。電動(dòng)機(jī)繞組W串接在VF1、VF2之間，VT為VF1的驅(qū)動(dòng)管。CP為比較器。它與周圍的電阻組成滯回比較器，其同相端接參考電壓UR(可由電位器CP調(diào)到所需要的數(shù)值)，反相端接在O3 Q的檢測(cè)電阻R1上。比較器的輸出經(jīng)Y、VT進(jìn)而控制高壓開(kāi)關(guān)管。VF1的通斷。VDl、VD2為兩極反相驅(qū)動(dòng)器，與非門(mén)Y為高壓管的控制門(mén)。輸人為低電平時(shí)，VF2因柵極電位

29、為零而截止。此時(shí)，Y輸出為1，V7、飽和導(dǎo)通，VFl的柵極也是零電位，故VFl也截止，繞組W中無(wú)電流通過(guò)，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)。輸入為高電平時(shí)，VF2飽和導(dǎo)通。流過(guò)VF2的電流按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)在檢測(cè)電阻R 1上的降壓Ul小于UR時(shí)，比較器輸出高電平，它與輸人脈沖的高電平一起加到Y(jié)的兩個(gè)輸入端上，使Y輸出為零，VT截止，高電壓UDD經(jīng)R2,VDI加到高壓管VFl的柵極上，使VFl飽和導(dǎo)通，高壓UDD經(jīng)VFl加到繞組w上，使電流急速上升。當(dāng)電流上升到預(yù)先調(diào)好的額定值后，R1上的壓降U1UR，比較器輸出低電平，將與非門(mén)Y關(guān)上，Y輸出的高電平使VT飽和導(dǎo)通，VF1截止。此時(shí)，儲(chǔ)存在W中的能量經(jīng)VF2、VD4泄

30、放，電流下降，當(dāng)電流下降到某一數(shù)值時(shí)，比較器又輸出高電平，經(jīng)Y、VT使VF：再次導(dǎo)通，高壓又加到W上，電流又上升，升到額定值后，比較器再次翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，又使VFl關(guān)斷。這樣，在輸入脈沖持續(xù)期間，VF1不斷的開(kāi)、關(guān)。開(kāi)啟時(shí)，UDD加到W上，使Iw上升；關(guān)斷時(shí)，W經(jīng)VF2、VD4泄放能量，使Iw下降；當(dāng)輸入脈沖結(jié)束后，VFl、VF2均截止，儲(chǔ)存在W中的能量經(jīng)VD3回饋給電源。繞組上的電壓和電流的波形如圖31 8所示?？梢?jiàn)，在輸入脈沖持續(xù)期間，VF1多次導(dǎo)通給W補(bǔ)充電流，使電流平均值穩(wěn)定在所要求的數(shù)值上。5)5)調(diào)頻調(diào)壓功放電路調(diào)頻調(diào)壓功放電路 在電源電壓一定時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組電流的上沖值是隨工

31、作頻率的升高而降低的，使輸出轉(zhuǎn)矩隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而下降。要保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)高頻運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩，就需要提高供電電壓。前述的各種功放電路都是為保證繞組電流有較好的上升沿和幅值 而設(shè)計(jì)的，從而有效地提高了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作頻率。但在低頻運(yùn)行時(shí)，會(huì)給繞組中注入過(guò)多的能量而引起電動(dòng)機(jī)的低頻振蕩和噪聲。為解決此問(wèn)題，便產(chǎn)生了調(diào)頻調(diào)壓功放電路。調(diào)頻調(diào)壓功放電路的基本原理是當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)，供電電壓降低，當(dāng)運(yùn)行在高頻段時(shí)，供電電壓也升高。即供電電壓隨著步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而升高。這樣，既解決了低頻振蕩問(wèn)題，也保證了高頻運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩。實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓控制的硬件電路往往比較復(fù)雜。在CNC系統(tǒng)中，可由軟件配

32、合適當(dāng)硬件電路實(shí)現(xiàn)，如圖31 9所示。Ucp是步進(jìn)控制脈沖信號(hào)，UCT是開(kāi)關(guān)調(diào)壓信號(hào)。Ucp和UCT都由CPU輸出。 (3)(3)細(xì)分驅(qū)動(dòng)細(xì)分驅(qū)動(dòng)上述提到的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各種功率放大電路都是采用環(huán)形分配器芯片進(jìn)行環(huán)形分配，控制電動(dòng)機(jī)各相繞組的導(dǎo)通或截止，從而使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，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(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)所確定。如果要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有更小的步距角或者為減小電動(dòng)機(jī)振動(dòng)、噪聲等原因，可以在每次輸入脈沖切換時(shí)，不是將繞組電流全部通人或切除，而是只改變相應(yīng)繞組中額定電流的一部分，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的每步運(yùn)動(dòng)也只有步距角的一部分。這里繞組電流不是一個(gè)方波，而是階梯波，額定

33、電流是臺(tái)階式的投入或切除，電流分成多少個(gè)臺(tái)階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這樣將一個(gè)步距角細(xì)分成若干步的驅(qū)動(dòng)方法被稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng)。細(xì)分驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是：在不改動(dòng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，能使步距角減小。但細(xì)分后的步距角精度不高，功率放大驅(qū)動(dòng)電路也相應(yīng)復(fù)雜；能使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、提高勻速性、并能減弱或消除振蕩。 要實(shí)現(xiàn)細(xì)分，需要將繞組中的矩形電流波改成階梯形電流波，即設(shè)法使繞組中的電流以若干個(gè)等幅等寬度階梯上升到額定值，并以同樣的階梯從額定值下降為零，如圖320所示。實(shí)現(xiàn)上述細(xì)分電流波形的方法有以下兩種：1)1)采用多路功率開(kāi)關(guān)器件。采用多路功率開(kāi)關(guān)器件。圖32 1 a為給出五階梯細(xì)分電路原理

34、。它利用五只功率晶體VTdl-VTd5作為開(kāi)關(guān)器件，其基極開(kāi)關(guān)電壓U1U5的波形為圖32 1 b所示。U1-U5的等幅寬度漸小。 在繞組電流上升過(guò)程中，VTdlVTd5按順序?qū)?。每?dǎo)通一個(gè)，繞組中電流便上升一個(gè)臺(tái)階，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也跟著轉(zhuǎn)動(dòng)一小步。在VTdlVTd5導(dǎo)通過(guò)程中，每導(dǎo)通一個(gè)，高壓管都要跟著導(dǎo)通一次，使繞組電流能快速上升。在繞組電流下降過(guò)程中，VTdlVTd5按順序關(guān)斷。為了使每關(guān)斷一個(gè)晶體管，電流都能快速下降一個(gè)臺(tái)階，在關(guān)斷任一低壓管前，可先將剩下的全部關(guān)斷一段時(shí)間，使繞組通過(guò)泄放回路放電，然后再重新開(kāi)通。采用上述多路功率開(kāi)關(guān)晶體管的優(yōu)點(diǎn)是功率晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，功耗很低，缺點(diǎn)是

35、器件多、體積大。2)2)將上述各開(kāi)關(guān)的控制脈沖信號(hào)進(jìn)行疊加將上述各開(kāi)關(guān)的控制脈沖信號(hào)進(jìn)行疊加。用疊加后的階梯信號(hào)控制接在繞組中的功率晶體管，并使功率晶體管工作在放大狀態(tài)，如圖322所示。由于在功串管基極b上加的是階梯形變化的信號(hào)，因此，通過(guò)繞組中的電流也是階梯形變化，實(shí)現(xiàn)了細(xì)分。在這種細(xì)分電路中，功率晶體管工作在放大狀態(tài)，功耗大，電源利用率低，但所用器件少。目前實(shí)現(xiàn)階梯波供電的方法有如圖323所示的兩種。圖323a為先放大后疊加，即是將通過(guò)細(xì)分環(huán)形分配器所形成的各個(gè)等幅等寬的脈沖，分別進(jìn)行放大，然后在電動(dòng)機(jī)繞組中疊加起來(lái)形成階梯波。圖323b為先疊加后放大。這種方法用運(yùn)算放大器來(lái)疊加，或采用公

36、共負(fù)載的方法。把方波合成階梯波，然后對(duì)階梯波進(jìn)行放大再去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其中的放大環(huán)節(jié)可采用線性放大或斬波放大等方式。階梯波控制信號(hào)可由很多方法產(chǎn)生，這里介紹一種恒頻脈寬調(diào)制細(xì)分驅(qū)動(dòng)電源，如圖324所示。細(xì)分控制信號(hào)由DA轉(zhuǎn)換器提供。運(yùn)算放大器A實(shí)現(xiàn)斬波恒流控制，利用恒頻脈寬調(diào)制原理，其設(shè)定電壓Us由DA轉(zhuǎn)換器提供。當(dāng)DA轉(zhuǎn)換器接收到數(shù)字信號(hào)后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(hào)電壓Us加在運(yùn)算放大器A的同相輸入，因這時(shí)繞組中電流還未跟上，故UfUs，A輸出低電平，使D觸發(fā)器清零，VT1、VT2截止。以后當(dāng)Us不變時(shí)，由于A和D觸發(fā)器構(gòu)成的斬波控制電路的作用，使繞組電流穩(wěn)定在一定值上下波動(dòng)、即繞組電流穩(wěn)定在一

37、個(gè)新的臺(tái)階上。 (4)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的微機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的微機(jī)控制 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程工作過(guò)程一般由控制器控制控制，控制器按照設(shè)計(jì)者的要求完成一定的控制過(guò)程，使功率放大電路按照要求的規(guī)律驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。簡(jiǎn)單的控制過(guò)程可以用各種邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，但其缺點(diǎn)是線路復(fù)雜、控制方案改變困難，自從微處理器問(wèn)世以來(lái)，給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新的途徑。各種單片微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展和普及，為設(shè)計(jì)功能很強(qiáng)而價(jià)格低廉的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器提供了條件。使用微型計(jì)算機(jī)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制有串行和并行兩種方式。串行控制：具有串行控制功能的單片機(jī)系統(tǒng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源之間，具有較少的連線將信號(hào)送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的環(huán)形

38、分配器，所以在這種系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電源中必須含有環(huán)形分配器。這種控制方式的示意圖如圖325所示。并行控制：用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)個(gè)端口直接去控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路的方法稱為并行控制。在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)，還包括環(huán)形分配器，而其并行控制功能必須由微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)脈沖分配功能的方法有兩種：一種是純軟件方法，即完全用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)相序的分配，直接輸出各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)；另一種是軟、硬件相結(jié)合的方法，這里有專門(mén)設(shè)計(jì)的一種編程器接口，計(jì)算機(jī)向接口輸入簡(jiǎn)單形式的代碼數(shù)據(jù)，而接口輸出的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)。并行控制方案的示意圖如圖326所示 。步進(jìn)電機(jī)的加減速控制步進(jìn)電機(jī)的加減速控制 對(duì)于

39、點(diǎn)一位控制系統(tǒng)，從起點(diǎn)至終點(diǎn)的運(yùn)行速度都有一定要求。如果要求運(yùn)行頻率(速度)小于系統(tǒng)的極限起動(dòng)頻率，則系統(tǒng)可以按要求的頻率(速度)直接起動(dòng)，運(yùn)行至終點(diǎn)后可立即停發(fā)脈沖串而令其停止。系統(tǒng)在這樣的運(yùn)行方式下其速度可認(rèn)為是恒定的。但在一般情況下，系統(tǒng)的極限起動(dòng)頻率是比較低的，而要求的運(yùn)行速度往往較高。如果系統(tǒng)以要求的速度直接起動(dòng)，因?yàn)樵擃l率已超過(guò)極限起動(dòng)頻率而不能正常起動(dòng)，可能發(fā)生丟步或根本不能起動(dòng)的情況。系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)之后，如果到達(dá)終點(diǎn)時(shí)突然停發(fā)脈沖串，令其立即停止，則因?yàn)橄到y(tǒng)的慣性原因，會(huì)發(fā)生沖過(guò)終點(diǎn)的現(xiàn)象，使點(diǎn)一位控制精度發(fā)生偏差。因此在點(diǎn)一位控制過(guò)程中，運(yùn)行速度都需要有一個(gè)加速一恒速一減速一(

40、低恒速)一停止的過(guò)程，如圖327所示。系統(tǒng)在工作過(guò)程中要求加減速過(guò)程時(shí)間盡量短，而恒速時(shí)間盡量長(zhǎng)。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中，從起點(diǎn)至終點(diǎn)運(yùn)行的時(shí)間要求最短，這就必須要求升速、減速的過(guò)程最短，而恒速時(shí)的速度最高。 升速規(guī)律一般可有兩種選擇：一是按照直線規(guī)律升速，二是按指數(shù)規(guī)律升速。34 直流直流(DC)伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)1直流伺服電動(dòng)機(jī)的特性及選用直流伺服電動(dòng)機(jī)的特性及選用 直流伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)電刷和換向器產(chǎn)生的整流作用，使磁場(chǎng)磁動(dòng)勢(shì)和電樞電流磁動(dòng)勢(shì)正交，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。其電樞大多為永久磁鐵。直流伺服電動(dòng)機(jī)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(diǎn)。但由于使用電刷和換

41、向器，故壽命較低，需要定期維修。 20世紀(jì)60年代研制出了小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)，其電樞無(wú)槽，繞組直接粘接固定在電樞鐵芯上，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(chǎng)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。 20世紀(jì)70年代大慣量寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)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。寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是勵(lì)磁便于調(diào)整，易于

42、安排補(bǔ)償繞組和換向極，電動(dòng)機(jī)的換向性能得到改善，成本低，可以在較寬的速度范圍內(nèi)得到恒轉(zhuǎn)速特性。永久磁鐵的寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖329所示。有不帶制動(dòng)器a和帶制動(dòng)器b兩種結(jié)構(gòu)。電動(dòng)機(jī)定子(磁鋼)1采用矯頑力高、不易去磁的永磁材料(如鐵氧體永久磁鐵)、轉(zhuǎn)子(電樞)2直徑大并且有槽，因而熱容量大，結(jié)構(gòu)上又采用了通常凸極式和隱極式永磁電動(dòng)機(jī)磁路的組合，提高了電動(dòng)機(jī)氣隙磁通密度。同時(shí)，在電動(dòng)機(jī)尾部裝有高精密低紋波的測(cè)速發(fā)電動(dòng)機(jī)并可加裝光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器及制動(dòng)器，為速度環(huán)提供了較高的增量，能獲得優(yōu)良的低速剛度和動(dòng)態(tài)性能。因此，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)伺服系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛的一種控

43、制用電動(dòng)機(jī)。其主要特點(diǎn)是調(diào)速范圍寬、低速運(yùn)行平穩(wěn)；負(fù)載特性硬其主要特點(diǎn)是調(diào)速范圍寬、低速運(yùn)行平穩(wěn)；負(fù)載特性硬、過(guò)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、過(guò)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，其電刷易磨損，壽命受到一應(yīng)特性好。當(dāng)然，寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)體積較大，其電刷易磨損，壽命受到一定限制。一般的直流伺服電動(dòng)機(jī)均配有專門(mén)的驅(qū)動(dòng)器。定限制。一般的直流伺服電動(dòng)機(jī)均配有專門(mén)的驅(qū)動(dòng)器。 2 2直流伺服電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)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(duì)其直流電壓

44、的大小和方向進(jìn)行控制。目前常用晶體管脈寬調(diào)理驅(qū)動(dòng)和晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)兩種方式。 晶閘管直流驅(qū)動(dòng)方式，主要通過(guò)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(lái)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(diǎn)，導(dǎo)通后是利用交流(50 Hz)過(guò)零來(lái)關(guān)閉的，因此，在低整流電壓時(shí)。其輸出是很小的尖峰值(三相全波時(shí)每秒300個(gè))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(dòng)系統(tǒng)，其開(kāi)關(guān)頻率高(通常達(dá)2 0003 000 Hz)，伺服機(jī)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(dòng)非常小，接近于純直流。脈寬調(diào)制(PWM)直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理如圖330所示。當(dāng)輸入一個(gè)直流控制電壓U時(shí)就可得到一定寬度與U成比例的脈沖方波來(lái)給伺服電動(dòng)機(jī)電樞回路供電，通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)改變電樞回路的平均電壓，從而得到不同大小的電壓值Ua，使直流電動(dòng)機(jī)平