機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)第3章：執(zhí)行元件的分類及控制用電機(jī)的驅(qū)動(dòng)a課件

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)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)一、本章教學(xué)目標(biāo)及要求①

執(zhí)行元件的作用、分類、特點(diǎn)及機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)其要求；②

步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)與種類、工作原理；③

步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)及運(yùn)行特性、驅(qū)動(dòng)與控制；④

直流伺服電動(dòng)機(jī)的原理及其驅(qū)動(dòng)；⑤

交流伺服電動(dòng)機(jī)的原理及其驅(qū)動(dòng)。本章教學(xué)重點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)工作原理及驅(qū)動(dòng)控制，直流、交流伺服電機(jī)選用及控制。本章教學(xué)難點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)、直流、交流伺服電機(jī)控制。第一節(jié)執(zhí)行元件的作用、分類及機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)其基本要求作用：執(zhí)行元件主要用來(lái)根據(jù)控制信息和指令，將來(lái)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。(3)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：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。一、執(zhí)行元件分類交流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)步進(jìn)電機(jī)其它電機(jī)雙金屬片形狀記憶合金壓電元件電磁鐵及其它電動(dòng)機(jī)油缸液壓馬達(dá)氣缸氣壓馬達(dá)執(zhí)行元件電磁式液壓式氣壓式其它與材料有關(guān)二、執(zhí)行元件的特點(diǎn)與性能

1.電氣執(zhí)行元件：優(yōu)點(diǎn)：①

以電源為能源，在大多數(shù)情況下容易得到；②

容易控制；③

可靠性、穩(wěn)定性與環(huán)境適應(yīng)性好；④

與計(jì)算機(jī)等控制裝置的接口簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：①

為了實(shí)現(xiàn)一定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)，經(jīng)常要使用齒輪等傳動(dòng)部件；②

過載能力差，容易受載荷影響，不慎被“卡住”時(shí)甚至?xí)龤?；?/p>

獲得大功率比較困難；二、執(zhí)行元件的特點(diǎn)與性能3.氣壓執(zhí)行元件：優(yōu)點(diǎn)：①

氣源方便、成本低；②

無(wú)泄漏污染；③

速度快、操作比較簡(jiǎn)單；④

利用空氣的可壓縮性可實(shí)現(xiàn)緩沖控制；缺點(diǎn)：①

由于空氣的可壓縮性，高精度伺服控制比較困難；②

雖然撞停等簡(jiǎn)單動(dòng)作速度較高，但在任意位置上停止的速度很慢；③

能量效率低,噪聲大。三、機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行元件的基本要求1、慣量小、動(dòng)力大

加速度表征執(zhí)行元件的加速性能；另一表征動(dòng)力大小的綜合性指標(biāo)為比功率（功率的時(shí)間變化率）,它包含了功率、加速性能與轉(zhuǎn)速三種因素。2、體積小，重量輕通常用執(zhí)行元件單位重量所能達(dá)到的輸出功率或比功率，即用功率密度或比功率密度來(lái)評(píng)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＝P/G，比功率密度＝T2/J/G3、便于維修、安裝4、易于微機(jī)控制電氣式執(zhí)行元件的動(dòng)作原理為了得到連續(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。至于交流感應(yīng)電機(jī)是在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，再產(chǎn)生電磁力進(jìn)行工作的。電機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與通過的電流大小成正比；

2.液（氣）壓式執(zhí)行元件的動(dòng)作原理液壓式和氣壓式執(zhí)行元件是用一定壓力的油或氣體推動(dòng)活塞或葉片產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。利用閥門等調(diào)整液（氣）體的流量，就可以控制速度，而且可以在很大范圍內(nèi)調(diào)整。圖3.4為控制用電動(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。伺服（隨動(dòng)）－servo：系統(tǒng)由如此幾種設(shè)備組成，它們可以連續(xù)地監(jiān)測(cè)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)控制方式的基本形式普通電機(jī)可正反轉(zhuǎn)，但不能調(diào)速普通電機(jī)+微電子控制=控制用電機(jī)方便調(diào)速異步電機(jī)轉(zhuǎn)速表達(dá)式：

調(diào)速方法：改變電源頻率f改變轉(zhuǎn)差率s改變磁極對(duì)數(shù)p

直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程為：式中，一電樞控制電壓；一電樞回路電阻；—每極磁通；、—分別為電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)。由上式知，直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方式如下：（1）調(diào)壓調(diào)速（變電樞電壓，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）（2）調(diào)磁調(diào)速（變勵(lì)磁電流，恒功率調(diào)速（3）改變電樞回路電阻調(diào)速常用的是前面2種調(diào)速方式。二、機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)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三、控制用電機(jī)的種類、特點(diǎn)及選用機(jī)電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）使用兩類電動(dòng)機(jī)：動(dòng)力用電動(dòng)機(jī)和控制用電動(dòng)機(jī)。動(dòng)力用電動(dòng)機(jī)：感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)等；控制用電動(dòng)機(jī)：力矩電動(dòng)機(jī)、脈沖電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)和各種AC/DC電動(dòng)機(jī)等。不同的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)控制電動(dòng)機(jī)的性能密度的要求不同：對(duì)于起停頻率低，但要求低速平穩(wěn)和扭矩脈動(dòng)小，高速運(yùn)行時(shí)振動(dòng)、噪聲小，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)均可穩(wěn)定運(yùn)行的機(jī)械，其功率密度是主要的性能指標(biāo)；對(duì)于起停頻率高，但不特別要求低速平穩(wěn)性的產(chǎn)品，其主要性能指標(biāo)是高比功率?？刂朴秒姍C(jī)按工作原理可分為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)型旋轉(zhuǎn)電樞型同步電機(jī)步進(jìn)電機(jī)直流電機(jī)感應(yīng)電機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)比較DC伺服電動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)：停電時(shí)可制動(dòng)控制器簡(jiǎn)單小容量的成本低功率速度高無(wú)鐵心形的不存在齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩缺點(diǎn)：需對(duì)整流子維護(hù)不能在高速大力矩下工作產(chǎn)生磨耗有粉塵同步（SM）型伺服電動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)：停電時(shí)可制動(dòng)可高速大力矩工作耐環(huán)境性好，無(wú)需維修小形輕量功率速度高缺點(diǎn)：無(wú)自啟動(dòng)功能；電動(dòng)機(jī)與控制器需一一對(duì)應(yīng)控制器較復(fù)雜感應(yīng)（IM）型AC伺服電動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)：耐環(huán)境性好，無(wú)需維修；可高速大轉(zhuǎn)矩工作；大容量下效率良好；結(jié)構(gòu)堅(jiān)固；缺點(diǎn)：在小容量下工作效率低溫度特性差；停電時(shí)不能制動(dòng)；控制器較復(fù)雜3.3步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電機(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。每當(dāng)輸入一個(gè)電脈沖時(shí)，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(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、頻率以及電機(jī)繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角與輸入的電脈沖數(shù)成正比步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入的電脈沖頻率成正比步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向與輸入的電脈沖的順序成正比。

3.3.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)、種類、工作原理

（1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

①工作狀態(tài)不易受各種干擾因素(如電壓波動(dòng)、電流大小與波形變化、溫度等)的影響；②步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會(huì)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)椤傲恪?；③由于可以直接用?shù)字信號(hào)控制，與微機(jī)接口比較容易；④控制性能好,在起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)時(shí)不易“丟步”；⑤不需要傳感器進(jìn)行反饋，可以進(jìn)行開環(huán)控制；⑥缺點(diǎn)是能量效率較低。

（2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類（1）按運(yùn)動(dòng)方式分旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)和直線式步進(jìn)電機(jī)·（2）按轉(zhuǎn)子構(gòu)成分類：可變磁阻型（VR）步進(jìn)電機(jī)——轉(zhuǎn)子為導(dǎo)磁體，也稱反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。永磁型（PM）步進(jìn)電機(jī)——轉(zhuǎn)子為永磁鐵。混合型（HB-Hybrid）步進(jìn)電機(jī)——轉(zhuǎn)子為導(dǎo)磁體和永磁鐵的組合。

·（3）按定子繞組對(duì)數(shù)分類：分為2相、3相、4相、5相、10相等步進(jìn)電機(jī)。

·（4）按定子繞組通電極性分類：分為單極性和雙極性步進(jìn)電機(jī)。（1）可變磁阻(VR-VariableReluctance)

結(jié)構(gòu)原理：該類電動(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3.5定子1上嵌有線圈，轉(zhuǎn)子2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阻型。

（1）可變磁阻(VR-VariableReluctance)可變磁阻步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)：v

反應(yīng)式電動(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)沒有保持力；v

需要將氣隙作得盡可能小，例如幾個(gè)微米；v

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行頻率高，可產(chǎn)生中等轉(zhuǎn)矩，步距角?。?.09~9°）v

制造材料費(fèi)用低；v

有些數(shù)控機(jī)床及工業(yè)機(jī)器人上使用。（2）永磁(PM-PermanentMagnet)型（3）混合(HB-Hybrid)型

結(jié)構(gòu)原理：這類電機(jī)是PM式和VR式的復(fù)合形式。其定子與VR類似，表面制有小齒，轉(zhuǎn)子由永磁鐵和鐵心構(gòu)成，同樣切有小齒，為了減小步距角可以在結(jié)構(gòu)上增加轉(zhuǎn)子和定子的齒數(shù)。其結(jié)構(gòu)如圖3.7所示?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)特點(diǎn):HB兼有PM和VR式步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)：步距角可以做得較小(0.9~3.6°)；無(wú)勵(lì)磁時(shí)具有保持力；可以產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩，應(yīng)用較廣。（4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理拍:從一相通電換接到另一相通電稱為一拍。三相單三拍：通電方式A-B-C-A→…，步距角為30度三相雙三拍：通電方式AB→BC→CA→AB→…，步距角為30°三相六拍：通電方式A→AB→B→BC→C→CA→A→…，步距角為l5°（4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理

盡管步進(jìn)電機(jī)種類很多，其基本原理實(shí)質(zhì)都是一致的?，F(xiàn)以三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例，說明其工作原理:在步進(jìn)電機(jī)定子上有三對(duì)磁極，上面繞有勵(lì)磁繞組，分別稱為A相、B相和C相。轉(zhuǎn)子上帶有等距小齒（圖中有四個(gè)齒）,如果先將A相加上電脈沖，則有：AABBCC1234如果將B相加上電脈沖，則有：(b)B相通電轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30。AABBCC1234(a)A相通電如果再將C相加上電脈沖，則有：AABBCC1234(c)C相通電轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30。AABBCC1234(b)B相通電轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30。AABBCC1234(a)A相通電

這種三相勵(lì)磁繞組依次單獨(dú)通電，切換三次為一個(gè)循環(huán)，稱為三相單三拍通電方式。由于每次只有一相磁極通電，易在平衡位置附近發(fā)生振蕩，而且在各相磁極通電切換的瞬間，電機(jī)失去自鎖力，容易造成失步。為改善其工作性能，可采用三相六拍的通電方式，其通電方式及通電順序?yàn)锳→AB→B→BC→C→CA→A…或者A→AC→C→CB→B→BA→A…。這種通電方式當(dāng)由A相通電轉(zhuǎn)為AB相共同通電時(shí)，轉(zhuǎn)子磁極將同時(shí)受到A相與B相的吸引，它就停在AB兩相磁極中間，這時(shí)它轉(zhuǎn)過的角度是15。這種通電方式在切換時(shí)，始終有一相磁極不斷電，故而工作較穩(wěn)定，且在相同頻率下，每相導(dǎo)通的時(shí)間增加，平均電流增加，從而可以提高電磁轉(zhuǎn)矩、啟動(dòng)頻率及連續(xù)運(yùn)行頻率等特性。

顯然，通入脈沖頻率越高，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就越高，且電機(jī)每步轉(zhuǎn)過的角度越小，所能達(dá)到的位置精度也越高。

步進(jìn)電機(jī)通電方式:

**單相輪流通電方式，在這種通電方式下工作的步進(jìn)電機(jī)，每次只有一相通電，穩(wěn)定性較差，容易失步。對(duì)一個(gè)定子為m相，轉(zhuǎn)子有Z個(gè)齒的步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)一轉(zhuǎn)所需的步數(shù)為mZ步。這種通電分配方式叫m相單m狀態(tài)。例如：一個(gè)三相步進(jìn)電機(jī)（A、B、C三相繞組）通電順序?yàn)椋篈→B→C→A→……，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。通電順序?yàn)椋篈→C→B→A→……，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。對(duì)應(yīng)每個(gè)指令脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定角度α，稱為步距角。上述通電方式也稱為三相單三拍通電方式。

**雙相輪流通電方式，對(duì)三相步進(jìn)電機(jī)來(lái)說，其通電次序?yàn)锳B→BC→CA。由于兩相通電，力矩就大些，定位精度高而不易失步。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)步數(shù)亦為mZ步。這種通電分配方式叫m相雙m狀態(tài)。例：一個(gè)三相步進(jìn)電機(jī)（A、B、C三相繞組）通電順序?yàn)椋篈B→BC→CA→……，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。通電順序?yàn)椋篈B→CA→BC→……，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。上述通電方式也稱為三相雙三拍通電方式。因?yàn)榇送姺绞皆谕ā嚯娗袚Q過程中，始終有一相保持通電狀態(tài)，所以工作比較平穩(wěn)。

**單雙相輪流通電方式：對(duì)三相步進(jìn)電機(jī)來(lái)說，其通電次序?yàn)锳→AB→B→BC→C→CA。這時(shí)步進(jìn)電機(jī)一轉(zhuǎn)所需步數(shù)為2mZ步。這種通電分配方式叫m相2m狀態(tài)。例：一個(gè)三相步進(jìn)電機(jī)（A、B、C三相繞組）通電順序?yàn)椋篈→AB→B→BC→C→CA→……，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。通電順序?yàn)椋篈→CA→C→BC→B→AB→……，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。上述通電方式也稱為三相單雙六拍通電方式。其步距角減少一半。3.3.2、步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo)1、分辨率步距角越小，分辨率越高；2、靜態(tài)特性穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的特性1）矩角特性2）靜轉(zhuǎn)矩3）靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)3.3.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性與性能指標(biāo)

（1）分辨率主要指步距角=360o/znK。如：0.6o/1.2o、0.75o/1.5o、0.9o/1.8o、………。步距角步進(jìn)電機(jī)每接受一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度，稱為步距角。它是決定開環(huán)伺服系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的重要參數(shù)。

式中α——步距角；n——定子勵(lì)磁繞組的相數(shù)；z——轉(zhuǎn)子齒數(shù)；k——通電方式系數(shù)，單拍時(shí)，k=1；雙拍時(shí)，k＝2。

由于步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用在機(jī)床上一般是通過減速器和絲杠副帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，所以步進(jìn)電機(jī)的步距角對(duì)應(yīng)工作臺(tái)的移動(dòng)量便是工作臺(tái)的最小單位運(yùn)動(dòng)，也稱脈沖當(dāng)量（mm/脈沖），脈沖當(dāng)量可由下式計(jì)算：式中：S——絲杠基本導(dǎo)程（mm）

——步進(jìn)電機(jī)步距角

——傳動(dòng)比當(dāng)進(jìn)給脈沖頻率為f（Hz）時(shí)，則工作臺(tái)的進(jìn)給速度V（mm/脈沖）可表示為：例：步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子有80個(gè)齒，采用三相六拍驅(qū)動(dòng)方式，經(jīng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)作直線運(yùn)動(dòng)，絲杠的導(dǎo)程為5mm，傳動(dòng)比為3，工作臺(tái)移動(dòng)最大速度為6mm/s。求：⑴步進(jìn)電機(jī)的步距角。⑵工作點(diǎn)的脈沖當(dāng)量。⑶步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率。（2）靜態(tài)特性

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，包括矩-角特性、靜轉(zhuǎn)矩等。在空載狀態(tài)下，給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)某相通以直流電流時(shí)，轉(zhuǎn)子齒的中心線與定子齒的中心線相重合，轉(zhuǎn)子上沒有轉(zhuǎn)矩輸出,此時(shí)的位置為轉(zhuǎn)子初始穩(wěn)定平衡位置。如果在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸上加一負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，定子與轉(zhuǎn)子之間將有一角位移θe(見圖3.11)，稱為失調(diào)角。此時(shí)轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Tj。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩越大，靜態(tài)誤差就越小MeMjmax--/2/20靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)（2）靜態(tài)特性（3）動(dòng)態(tài)特性步進(jìn)電機(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。在某一通電方式下，各相的矩-角特性總和為矩-角特性曲線族，每一曲線依次錯(cuò)開的電角度為θe＝2π/m，m為運(yùn)行拍數(shù)。1）動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)ABCeA相與B矩角特性曲線之交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩Tq稱為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；Tq表明步進(jìn)電機(jī)單相勵(lì)磁所能帶動(dòng)的極限負(fù)載轉(zhuǎn)矩2）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩TqABCTqeTABCeT電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩T>負(fù)載力矩TLTL當(dāng)電機(jī)所帶負(fù)載TL<Tq時(shí)，電機(jī)可不失步的啟動(dòng)。ABCeTTLT電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩T<負(fù)載力矩TL,電機(jī)無(wú)法啟動(dòng)。3）最高連續(xù)運(yùn)行頻率及矩-頻特性步進(jìn)電機(jī)在連續(xù)運(yùn)行時(shí)所能接受的最高控制頻率稱為最高運(yùn)行頻率，以fmax表示；它比最高啟動(dòng)頻率大許多，因它不需克服慣性力矩。它代表著步進(jìn)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。目前世界最高值可達(dá)7000r／min。步進(jìn)電機(jī)的矩-頻特性Td(N.m)f(Hz)電動(dòng)機(jī)在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下，其電磁轉(zhuǎn)矩隨控制頻率的升高而逐步下降；轉(zhuǎn)矩與控制頻率之間的變化關(guān)系稱為矩-頻特性。4）空載啟動(dòng)頻率與慣-頻特性在空載狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)能夠不失步地啟動(dòng)時(shí)的最大控制頻率稱為空載啟動(dòng)頻率或突跳頻率（fq）。當(dāng)啟動(dòng)頻率較低時(shí)：電機(jī)可不失步的運(yùn)行ABCeT1234啟動(dòng)頻率太高4點(diǎn)落在C相穩(wěn)定區(qū)外，電機(jī)將不能正常啟動(dòng)。ABCeT1234步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)慣性負(fù)載時(shí)的起跳頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的關(guān)系為慣-頻特性。一般講，隨著負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增加，起跳頻率也會(huì)降低。（4）步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)表示方法不同生產(chǎn)廠家的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)表示方法也不盡相同，舉例如下：

(5)、步進(jìn)電機(jī)的選用步驟（1）根據(jù)系統(tǒng)精度的要求粗選步距角。（2）計(jì)算出整個(gè)系統(tǒng)加載到電機(jī)軸的力矩Tq（3）根據(jù)電機(jī)的通電情況計(jì)算出電機(jī)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Tjmax,（4）根據(jù)和Tjmax選定電機(jī)型號(hào)（5）根據(jù)電機(jī)的矩頻特性曲線驗(yàn)算電機(jī)在最大工作頻率下的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩是否能帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行。（6）最后根據(jù)系統(tǒng)的安裝條件最終確定電機(jī)型號(hào)640.755150BF00315004.90.753110BF004150070007.840.753110BF003空載啟動(dòng)頻率(步/s）空載運(yùn)行頻率(步/s）最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩(Nm)步距角(0)相數(shù)參數(shù)型號(hào)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)性能數(shù)據(jù)三、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制

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)應(yīng)按要求的配電方式自動(dòng)循環(huán)地供給電動(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)。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。三、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制變頻信號(hào)源脈沖分配器功率放大器電機(jī)脈沖信號(hào)方向分配器電源放大器電源步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)包括脈沖分配器和功率放大器等1、環(huán)形脈沖分配器步進(jìn)電機(jī)的各相繞組必須按一定的順序通電才能正常工作，（環(huán)形）脈沖分配器就是實(shí)現(xiàn)該功能的。使電機(jī)繞組的通電順序按一定規(guī)律變化實(shí)現(xiàn)的方法有：①軟環(huán)分：采用計(jì)算機(jī)軟件利用查表程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。以下圖所示的微機(jī)控制三相步進(jìn)電機(jī)為例，對(duì)其軟環(huán)分狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

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(dòng)機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)。通過控制讀取一次數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔可控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。優(yōu)點(diǎn)：充分利用計(jì)算機(jī)軟件資源，降低硬件成本；對(duì)多相電機(jī)的脈沖分配具有更大的優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)：易影響電機(jī)的運(yùn)行速度2）采用小規(guī)模集成電路搭接而成的脈沖分配器優(yōu)點(diǎn)：靈活性大，可搭接任意相任意通電順序的環(huán)形分配器，且工作時(shí)不占用計(jì)算機(jī)的工作時(shí)間缺點(diǎn)：可靠性差3）采用專用環(huán)形分配器器件使用方便，接口簡(jiǎn)單圖為市售的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（雙三拍，單六拍等），使用方便、接口簡(jiǎn)單。圖3.16為CH250的管腳圖，圖b為三相六拍接線圖。

J3r、J3L兩端子是三相雙三拍的控制端，J6r、J6L是三相六拍的控制端，三相雙三拍工作時(shí)，若J3r＝“1”，而J3L＝“0”，則電機(jī)正轉(zhuǎn)；若J3r＝“0”，J3L＝“1”，則電機(jī)反轉(zhuǎn)；三相六拍供電時(shí)，若J6r＝“1”，J6L＝“0”，則電機(jī)正轉(zhuǎn)；若J6r＝“0”，J6L＝“1”，電機(jī)反轉(zhuǎn)。R2是雙三拍的復(fù)位端，R1是六拍的復(fù)位端，使用時(shí)，首先將其對(duì)應(yīng)復(fù)位端接入高電平，使其進(jìn)入工作狀態(tài)，然后換接到工作位置。CL端是時(shí)鐘脈沖輸入端，EN是時(shí)鐘脈沖允許端，用以控制時(shí)鐘脈沖的允許與否。當(dāng)脈沖CP由CL端輸入，只有EN端為高電平時(shí)，時(shí)鐘脈沖的上升沿才起作用。CH250也允許以EN端作脈沖CP的輸入端，此時(shí)，只有CL為低電平時(shí)，時(shí)鐘脈沖的下降沿才起作用。A、B、C為環(huán)形分配器的三個(gè)輸出端，經(jīng)過脈沖放大器（功率放大器）后分別接到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的三相線上。

2、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，須采用功率放大器將脈沖電流進(jìn)行放大才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)各相繞組都是感性負(fù)載，通電時(shí)，電流上升率受到限制；斷電時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，為使電流盡快衰減，增加適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回路。2、功率放大器下圖是一個(gè)實(shí)用的脈沖放大電路，圖中使用三級(jí)晶體管放大，第一級(jí)用3DG6小功率管，第二級(jí)用3DK4中功率管，第三級(jí)用3DD15大功率管，R6為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)限流電阻，隨所配電機(jī)不同而異。

2、功率放大器1）單電壓型特點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但串聯(lián)R消耗能量降低放大功率；電感較大使電路對(duì)脈沖反應(yīng)較慢,輸出波形差。主要用于對(duì)速度要求不高的小型步進(jìn)電機(jī)。實(shí)用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

KT350步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的外形及接口圖。其中接線端子排A、A、B、B、C、C、D、D、E、E接至電動(dòng)機(jī)的各相;AC為電源進(jìn)線，用于接50Hz、80V的交流電源，端子G用于接地;連接器CN1為一個(gè)9芯連接器，可與控制裝置連接。RPW、CP為兩個(gè)LED指示燈;SW是一個(gè)四位撥動(dòng)開關(guān)，用于設(shè)置步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式。其中第1位用于脈沖控制模式的選擇，OFF位置為單脈沖控制方式，ON位置為雙脈沖控制方式;第2位用于運(yùn)行方向的選擇（僅在單脈沖方式時(shí)有效），OFF位置為標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行，ON位置為單方向運(yùn)行;第3位用于整.半步運(yùn)行模式選擇，OFF位置時(shí)，電動(dòng)機(jī)以半步方式運(yùn)行，ON位置時(shí)，電動(dòng)機(jī)以整步方式運(yùn)行;第4位用于運(yùn)行狀態(tài)控制，OFF位置時(shí)，驅(qū)動(dòng)器接受外部脈沖控制運(yùn)行，ON位置時(shí)，自動(dòng)試機(jī)運(yùn)行（不需外部脈沖）。圖示為混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的典型接線圖

混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的典型接線圖

步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

2）高低壓功率放大電路

特點(diǎn)：具有高壓驅(qū)動(dòng)，電流增長(zhǎng)速度快、前沿變陡，電機(jī)的扭矩和頻率得到提高。

特點(diǎn)：僅在脈沖開始時(shí)接通高壓電源，其余時(shí)間僅接通低壓電源供電。具有功效高、電流上升率高、高速運(yùn)轉(zhuǎn)性能好，但波形陡有時(shí)存在過沖現(xiàn)象，諧波豐富，在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)易產(chǎn)生振動(dòng)。

其原理即“高壓建流，低壓穩(wěn)流”特點(diǎn)為：高速運(yùn)行性能好，但低速運(yùn)行時(shí)振動(dòng)較大3）恒流源功率放大器適用于較高頻率的驅(qū)動(dòng)上，功耗小，效率高，但發(fā)熱大。4）斬波恒流功率放大電路電機(jī)的輸出加大，運(yùn)行頻率得到提高恒流源功率放大器

5）調(diào)頻調(diào)壓功放電路當(dāng)電源一定時(shí)，步進(jìn)電機(jī)繞組電流的上沖值是隨工作頻率的升高而降低的，使輸出轉(zhuǎn)矩隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而下降。如果能設(shè)法使繞組的供電電壓隨著運(yùn)行頻率的升高而一起升高，以維持繞組在不同頻率的導(dǎo)電周期內(nèi)電流平均值基本相同，這樣可達(dá)到在高頻運(yùn)行時(shí)，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩不明顯下降的目的。這種隨運(yùn)行頻率的升高，電源電流自動(dòng)升高的控制方式，稱為調(diào)頻調(diào)壓方式。3、細(xì)分驅(qū)動(dòng)將一個(gè)步距角細(xì)分成若干步的驅(qū)動(dòng)方式稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng)。特點(diǎn)：在不改變電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，能使步距角減少，但細(xì)分后的步距角精度不高，功率驅(qū)動(dòng)電路也相應(yīng)復(fù)雜；能使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，提高勻速性，并能減弱或消除振蕩。

采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的目的：整步運(yùn)轉(zhuǎn)或半步運(yùn)轉(zhuǎn)基礎(chǔ)上，不改變步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)，提高步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)、控制精度。

細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的基本工作原理：對(duì)每一控制脈沖，細(xì)分使其電流逐步增加達(dá)到脈沖的最大電流（Imax），又逐步減少達(dá)到脈沖的最小