第7章 動力驅(qū)動及其計算機控制

機電系統(tǒng)及生產(chǎn)過程自動化

|?第一章機6一體化概態(tài)

0第二章精密機械技術(shù)

0第三幸工業(yè)控制針?biāo)銠C

0第四幸基于單片機的控制器

0第五章可編程序控制器

0第六章傳感器與計算機接口

0第七章動力驅(qū)動及其計算機控制

0第八章機電一體化系統(tǒng)設(shè)計方法與實例

機電一體化系統(tǒng)的組成

設(shè)定值

驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)o

（電機、電磁閥等）被

控

量

機電一體化系統(tǒng)的組成

第七講驅(qū)動元件及控制

A概述

A步進電機及其驅(qū)動

直流電機及其控制

“交流電機及其控制

A液壓、卷動軀動元件及其控制

第七講驅(qū)動元件及控制

A概述

/驅(qū)動元件的作用

/罪動元件的分類

,常見電機的分類

A步進電機及其驅(qū)動

A直流電機及其控制

A交流電機及其控制

A液壓、毛動馳動元件及其控制

驅(qū)動元件在機電一體化系統(tǒng)中的作用

■在機電一體化系統(tǒng)中

?機械裝置一控制對象

?計算機或其他智能單元一控制器

?受控物理量一機械位移、速度、加速度、力、力矩等參數(shù)

■控制器一控制命令（弱電）f變換和放大（驅(qū)動元件）f改變機

械參量一機械裝置（得到調(diào)整）

?伺（服）驅(qū)動元件是介于控制器與機械裝置之間的一種能量與

信息轉(zhuǎn)換裝置

■機電一體化中的驅(qū)動元件

-一般都是伺服裝置,用于控制的驅(qū)動元件，區(qū)別于單純用于

動力輸出的驅(qū)動元件。所以，在選擇和使用驅(qū)動元件時，除

了保證帶動負載之外，還應(yīng)考慮其伺服性（即控制性能）。

驅(qū)動元件在機電一體化系統(tǒng)中的作用

-

多路

'盤-A/DI被

開關(guān)

控

接口,開關(guān)量/對

電路輸入

交互設(shè)備象

（鍵盤鼠標(biāo)等）

皿

接口“開關(guān)量

,（工控

速

報警機或

普通霞

存儲設(shè)備,計算按I

（硬盤光盤等）機）電路開關(guān)

驅(qū)動執(zhí)行

第七講驅(qū)動元件及控制

A概述

/驅(qū)動元件的作用

/驅(qū)動元件的分類

,常外電機的分類

A步進電機及其驅(qū)動

?直流電機及其控制

A交流包機及其控制

A液壓、卷動驅(qū)動元件及其控制

驅(qū)動元件的分類

按運動方式（直線運動按使用能源-電液動壓式式廣L電電液式式

1旋轉(zhuǎn)運動氣動式

類型特點舉例

各種直流伺服電機、交流伺服電

電動式使用工業(yè)電源、動力較大、控制性能好

機、步進電機、電磁鐵等

輸出功率大，速度快而平穩(wěn)、控制性能

液壓式液壓缸、液壓馬達

好、但易泄露

氣源方便、便宜，速度快，但功率小、

氣動式氣缸、氣馬達

噪音大且難以控制

第七講驅(qū)動元件及控制

A概述

,馳動元件的作用

/驅(qū)動元件的分類

,常見6機的分類

?步進電機及其驅(qū)動

?直流電機及其控制

?交流電機及其控制

?液壓、卷動驅(qū)動元件及其控制

常見電機的分類

■常用電機主要分兩類：

?驅(qū)動電機：驅(qū)動單元，主要是指普通的交、直流

電機。（電力拖動）

?控制電機：特種電機，常見的有步進電機、伺服

電機、測速發(fā)電機等，主要任務(wù)是轉(zhuǎn)換和傳遞控

制信號，能量的傳遞是次要的。（機電控制）

■控制電機利用電壓、電流、頻率（包括指令

脈沖）等控制方式，實現(xiàn)速度、力矩的調(diào)

節(jié)、啟、停和其他復(fù)雜的驅(qū)動一。_____

■控制器一控制命令（弱電）T變換和放大（驅(qū)動元

彳牛）f機械運動功幸放大器

功率驅(qū)動接口

第七講驅(qū)動元件及控制

A概述

A步進電機及其驅(qū)動

/類型和工作原理

/通電方式和步距角

/主要性能指標(biāo)

/功率驅(qū)動接口

/其他控制

A直流也機及其控制

＞交流也機及其控制

?液壓、專動驅(qū)動元件及其控制

步進電機的類型和工作原理

步進電機(StepMotor)：OnePulseOneStep

步進電機(電脈沖馬達)，是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械

角位移的控制電機，其實質(zhì)是一種數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)。

轉(zhuǎn)動角度由脈沖數(shù)決定，

運動方向由脈沖相序決定，

轉(zhuǎn)動速度由脈沖頻率決定。

步進電機與現(xiàn)代的數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建數(shù)字運動控制

系統(tǒng)。不過步進電機在控制的精度、速度變化范圍、低速性能方

面都不如傳統(tǒng)的閉環(huán)控制的伺服電機。

特點：其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和成本低

應(yīng)用：精度不是需要特別高的場合

步進電機的類型和工作原理

■根據(jù)結(jié)構(gòu)不同

?反應(yīng)式（VR,Variablereluctance)

?永磁式（PM,Permanentmagnet)

?混合式（HB,Hybrid)

■按相數(shù)（定子繞組數(shù)）不同

?單相

?兩相

?多相

步進電機的類型和工作原理

1.結(jié)構(gòu)（三相反應(yīng)式）

定子：定子鐵芯上嵌有繞組線圈，通電后產(chǎn)生電磁力

轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)上無繞組線圈，僅當(dāng)作導(dǎo)磁體使用，在定子

產(chǎn)生的電磁力的作用下，轉(zhuǎn)動到定子和轉(zhuǎn)子之間磁阻最

小的位置

?A

反應(yīng)式步進電機的結(jié)構(gòu)示意圖

步進電機的類型和工作原理

2.工作原理

利用定孑蔡組產(chǎn)生的反應(yīng)電磁力吸引轉(zhuǎn)子作步進運動，故稱為

反應(yīng)式步進電機。

⑴單三拍工作方式：AfB->C—A-

轉(zhuǎn)子總是力圖轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置，每一拍轉(zhuǎn)過30。

步進電機的類型和工作原理

⑵六拍工作方式：A—AB—B—BC—C—CA—A—AB—B—BC

-C-CA…每一拍轉(zhuǎn)過了15。

(a)A相通電(b)AB相通電(c)B相通電(d)BC相通電

⑶雙三拍工作方式：AB—BC—CA—AB—BC—CA…

三相雙相拍

第七講驅(qū)動元件及控制

＞概述

＞步進也機及其驅(qū)動

/類型和工作原理

/通也方式和步跑角

/主要性能指標(biāo)

/功率驅(qū)動接口

/其他控制

＞直流也機及其控制

＞交流也機及其控制

?液壓、氣動驅(qū)動元件及其控制

步進電機通電方式和步距角

1.通電方式：

如果每拍中只有一相繞組通電，其余斷電，稱單相通電方式

如果每拍中都有兩相繞組通電，另一相斷電，稱雙相通電方式

如果每拍中交替出現(xiàn)單、雙相通電，稱單雙相輪流通電方式

根據(jù)繞組數(shù)（相數(shù)）和每個通電循環(huán)需要的拍數(shù)：

三相單三拍：AfB-CfA—B->C?.

三相雙三拍：AB—BCfCA—AB-BC—CA???

三相六拍：A—ABfB—BC->C->CAfAfAB—BfBC—Cf

CA...

步進電機通電方式和步距角

2.齒距角a：轉(zhuǎn)子相鄰兩齒之間的角度

360°

a--------

Z

式中：z一是轉(zhuǎn)子齒數(shù)

例如：Z=4時，a=90。。一般步進電機的轉(zhuǎn)子齒數(shù)有好幾十個，所以齒距角

也只有幾度（例如：Z=40時，a=9。）o

步進電機通電方式和步距角

3.步距角0：轉(zhuǎn)子每拍轉(zhuǎn)過的角度。

C360。

“=--------

Z-m-K

式中：

z一是轉(zhuǎn)子齒數(shù)；

m：定子繞組（相）數(shù)；

K：通電方式系數(shù)（單相、雙相通電方式，K=l；單雙相輪流通電方式,

K=2)

步進電機通電方式和步距角

⑴單相、雙相的異同：

①步距角相同；

例如：Z=50②單相方式在換相時容易失步

,“一，八360°360°一。,定位精度不高（一般不采用這

二相單二拍：e---24種方式）；

Z?m.K50x1x3

③雙相方式每次都有兩相通電

360°360°

三相雙三拍：e=-―---24°，不容易失步且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩大、定

Z?m-A50x1x3?位精度高。

⑵齒距角與步驟距角的關(guān)系：

三相六拍：夕二』360°-_360°_

--L2°

Zm-K50x2x3a-m-K'O

⑶每一個通電循環(huán)完成一個齒

距角：

例如：三相六拍，在Z=40時，

8=1.5。a=9°

第七講驅(qū)動元件及控制

A概述

A步進電機及其驅(qū)動

/類型和工作原理

,通電方式和步距角

,主要性能指標(biāo)

/功率驅(qū)動接口

,其他控制

?直流電機及其控制

＞交流也機及其控制

A液壓，氣動驅(qū)動元件及其控制

步進電機的主要性能指標(biāo)

1.步距誤差：理論步距角和實際步距角之差，反映了步進電

機角位移精度，一般在10,左右，步距誤差不累積。

2.最大靜轉(zhuǎn)矩：是指步進電機的某相通電不斷且處于靜止?fàn)?/p>

態(tài)時，所能承受的最大外加轉(zhuǎn)矩，即步進電機所能輸出的最大電

磁轉(zhuǎn)矩。它反映了步進電機的制動能力的低速步進運行時的帶負

載能力。

步進電機的主要性能指標(biāo)

3.啟動頻率、啟動矩頻特性、啟動慣頻特性

啟動頻率：是指步進電機在有負載轉(zhuǎn)矩時，不失步的正常啟動

所能接受的最大階躍輸入脈沖頻率。

啟動矩頻特性：啟動頻率和負載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。

啟動慣頻特性：是指步進電機帶純慣性負載啟動時，啟動頻率

和轉(zhuǎn)動慣量之間的關(guān)系。

從左圖可以看出：

啟動頻率隨著負載轉(zhuǎn)矩的增大而

減小，在實際應(yīng)用中，工作點應(yīng)選

在該曲線以下以保證不失步或先低

頻啟動再轉(zhuǎn)到高頻運行；

負載慣量越大，啟動頻率就越

啟動慣頻特性低。

、——步進電機的主要性能指標(biāo)

爾連續(xù)運行時最高工作頻率和運行時矩頻特性

、運g時矩頻特性：步進電機運行時，輸出轉(zhuǎn)矩和輸入脈沖頻率

之間的關(guān)系。

運勺師高工作頻率：連續(xù)運行時所能接受的最高輸入脈沖頻

率，足仃時最高工作頻率要遠大于啟動頻率。

由左圖用強

在連續(xù)運行時，輸出轉(zhuǎn)矩隨運行頻率的

、增加而減小，即速度越高，帶負載能力越

J拳選用步進電機進就保證實際工作點位于

京行時矩頻特性A該曲線以下。

步進電機的主要性能指標(biāo)

5.步進運行和低頻振蕩

步進運行：當(dāng)輸入脈沖的頻率很低時，脈沖周期大于步進電機

的過渡過程時間，步進電機就會處于一步一停的運行狀態(tài)，稱為

步進運行。

低頻振蕩：當(dāng)步進運行頻率或低速運行頻率與步進電機的固有

頻率相等或相近時，就會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，此時，電機只振蕩不前

進，這種現(xiàn)象稱為低頻振蕩。

為避免低頻振蕩，工作頻率應(yīng)盡量避開固有頻率附近的共振區(qū)

或調(diào)節(jié)步進電機上的阻尼器來改變固有頻率。

步進電機型號說明

□口□BYG□□□□□

機

電機類型電

機座號相為方形

子

轉(zhuǎn)F

數(shù)

混合式齒

（電機外徑）BYG-AtB,C,D

數(shù)

BC—反應(yīng)式為序號

.

空載起空載運

相電流步距角保持轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量重量

動頻率行頻率

電機型號相數(shù)

A度N.mKPPSKPPSKg.cmA2Kg

42BYG250FA21.330.9/1.80.222200.0350.22

42BYG250FB21.680.9/1.80.362200.0540.28

42BYG250FC21.680.9/1.80.442200.0680.35

保持定位

相電流電阻電感步距角轉(zhuǎn)動慣量重量

轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩

電機型號相數(shù)

AQmH度N.mN.mKg.cmA2Kg

86BYG250A2/43.60.232.50.9/1.81.20.080.641.6

86BYG250B2/440.656.90.9/1.82.40.151.32.6

86BYG250C2/4417.40.9/1.83.60.251.93.8

保持定位

相電流電阻電感步距角轉(zhuǎn)動慣量重量

轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩

電機型號相數(shù)

AQmH度N.mN.mKg.cmA2Kg

110BYG550A550.47120.36/0.7212.50.48.49.5

110BYG550B550.73150.36/0.72180.512.612

110BYG550C551.3200.36/0.72220.616.813.5

第七講驅(qū)動元件及控制

A概述

A步進電機及其驅(qū)動

/類型和工作原理

,通電方式和步距角

/主要性能才旨標(biāo)

/功率整動接口

,其他控制

A直流電機及其控制

＞交流6機及其控制

A液壓，氣動驅(qū)動元件及其控制

步進電機的功率驅(qū)動接口

■脈沖發(fā)生器

?產(chǎn)生脈沖序列信號（頻率由幾赫到幾十

沖的數(shù)量和頻率，即可控制電機的角位決定轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角

■脈沖分配器

?將序列脈沖按一定的邏輯關(guān)系加在脈沖決定工作方式

的運行方式工作。

■脈沖放大器（功率放大器）

脈沖放大器（即功率放大器）后才能驅(qū)動步進電機。

脈沖分配器之1一專用環(huán)形分配器

G、c2>C3為J、K雙穩(wěn)觸發(fā)器:

正轉(zhuǎn)

JKQn+1

控制位

00Qn

010

101

11Qn+1

與非門：全1為0

正轉(zhuǎn)：正轉(zhuǎn)控制位反轉(zhuǎn)控制位

反轉(zhuǎn)=1,=0

控制位反轉(zhuǎn)：正轉(zhuǎn)控制位=0,反轉(zhuǎn)控制位=1

起始狀態(tài)：C=LA=0,B=0,正轉(zhuǎn)

復(fù)位分配前：:hJHlHTErtir0…；

三相六拍脈沖分配器分配后：：k-l：；I—4—Affi：

!!!!I：,；Bffi：

：!~~!_I_!_!_Ic相:

通電順序：C—CA—A—AB-B—BC

脈沖分配器之2—專用集成芯片

J3PJ3L：三相雙三拍正反轉(zhuǎn)控制；

j6r>J6L：三相六拍正反轉(zhuǎn)控制；

號：雙三拍的復(fù)位端，工作時，先使Ri接入高電平，處于六拍工作方式，再轉(zhuǎn)到R1=0；

R2：六拍的復(fù)位端，工作時，先使R2接入高電平，處于雙三拍工作方式，再轉(zhuǎn)到區(qū)2=0;

CL：是時鐘脈沖輸入端；

EN：時鐘脈沖允許端?！?dāng)脈沖CP由CL端輸入，只有EN端為高電平時，時鐘脈沖的上升沿

才起作用。CH250也允許以EN端作脈沖CP的輸入端，此時，只有CL為低電平時，時鐘脈沖的

下降沿才起作用。

A。、B。、C。：0環(huán)形分配器的三個輸出端，經(jīng)過脈沖放大器（功率放大器）后分別接到步進

電機的三相線上。

CH250三相雙三拍接法CH250三相六拍接法

脈沖分配器之2—專用集成芯片

CH250功能表

工作方式CLENJ3rJ.3Lhrhk

正轉(zhuǎn)00010

六拍

反轉(zhuǎn)0工0001

正轉(zhuǎn)0工1000

雙三拍

反轉(zhuǎn)0工0100

正轉(zhuǎn)一夕10010

六拍

反轉(zhuǎn)10001

正轉(zhuǎn)11000

雙三拍

反轉(zhuǎn)10100

脈沖分配器之3一軟件分配器

基本原理：脈沖分配數(shù)據(jù)表一查表獲取相應(yīng)控制數(shù)據(jù)一輸出到步進電機驅(qū)

動電路。

用途：用于步進電機的計算機控制

例如：用8031單片機對數(shù)控X-Y工作臺的兩臺四相步進電機進行控制。

A

B

C

D卜X向電機1.實現(xiàn)信號傳遞

2電.平轉(zhuǎn)換：+5V-*+15V

A

B3反.相：P1.0=0-XA=1

C

DY向電機

單片機與步進電機的接口電路

脈沖分配器3—軟件分配器

脈沖分配數(shù)據(jù)表-

轉(zhuǎn)

Y向X向通電控制

序號向

P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0相ms

111101110AOXEE反

211001100ABOXCCk

311011101BOXDD

410011001BC0X99

510111011COXBB

600110011CD0X33

f

701110111D0X77E

801100110DA

例如：從8031的P1口輸出數(shù)據(jù)：OxEE,X、Y的A相通電

OxEC,Y的A相通電，X的AB相通電

脈沖放大器（功率放大器）

單電壓型

電壓型＜

雙電壓型

功率放大器＜

恒流驅(qū)動

電流型,

斬波驅(qū)動

單電壓型功率放大器

當(dāng)輸入端無脈沖電壓時，中功率管

3DK4和大功率管3DD15均處于截止?fàn)?/p>

態(tài)，步進電機繞組L上不通電，電機停

轉(zhuǎn)；

當(dāng)輸入端有脈沖電壓時，中功率管

3DK4和大功率管3DD15均處于導(dǎo)通狀

態(tài)，步進電機繞組L上得到27V電壓，電

機轉(zhuǎn)動。其中，續(xù)流二極管D在繞組L斷

電時，釋放反電動勢，保護電機線圈；電

阻R是限流電阻，限制通過繞組L的電流

不超過額定值，以免電機過熱被破壞。

單電壓驅(qū)動電路簡單，但繞組上的串聯(lián)電阻R始當(dāng)要消耗能量，不經(jīng)濟，此外，

由于繞組L電感較大，對脈沖電流的反應(yīng)較慢（i=9所以這種放大器只適

合于對速度要求不高的小型步進電機。

雙電壓型功率放大器

當(dāng)輸入端無脈沖電壓時，Tl、T2、

T3、T4均截止，電機繞組L中無電流，

電機停轉(zhuǎn)；

當(dāng)輸入端有脈沖電壓時，Tl、T2、

T4均飽和導(dǎo)通，在T2由截止到飽和期

間，其集電極電流急劇增加，脈沖變壓

器TI的另一邊感應(yīng)出一個電壓，使T3導(dǎo)

通，80V的高壓加到繞組L上（此時，

D1反向偏置，處于截止?fàn)顟B(tài)），繞組電

流迅速增加，當(dāng)T2飽和后，電流變化率

為0,在脈沖變壓器TI的另一邊無感應(yīng)

電壓，T3截止，工作電流經(jīng)12V低壓電

源、二極管D1、繞組L、串聯(lián)R、18Q

電阻、電容形成回路給繞組L供電，電

機轉(zhuǎn)動。斷電時，繞組L經(jīng)續(xù)流二極管

D2形成放電回路。

高壓供電是用來加速電流的增長速度，而低壓是用來維持穩(wěn)定的電流值。低壓電源

中串聯(lián)一個數(shù)值較小的電阻，其目的是為了調(diào)節(jié)控制繞組的電流，使各相電流平衡。雙

壓方式大大加快了電流的增長速度，同時，串聯(lián)的電阻R很小，消耗能量也很小。

步進電機驅(qū)動器

WZM-2Ho90Ms驅(qū)動器用于驅(qū)動二相混合式步進電機，該驅(qū)動器采用高頻斬波，

恒流驅(qū)動，能帶動5A以下的85BYG、86BYG電機二相混合式步進電機。

翼動器接級示意圖;?POMFR

?NORniidv

0一

f1

2

sf

s5JRa

8?6w

-7

6M

S

6

控制系播CP./CW+

CP-/CM-

或DIR*/CCW?

控制器DIR-/CWI-

EN+

tN-

本圖以兩相A

?-

電機為例示之A

◎B

u-

111X)213580

AC4OV-6DV

回UM：49V-6Q7I

步進電機驅(qū)動器

■技術(shù)特征

?驅(qū)動電流可調(diào)：最大相電流為5A,16檔可調(diào);

?無指令時可選擇電流半流；

?細分可調(diào)：400-40000；16檔可調(diào)；

?驅(qū)動方法：正弦波恒流斬波驅(qū)動

步進電機驅(qū)動器

相電流設(shè)定（OFF位有效）

7位2.6AOFF

8位1.3AON

2.6+0+0+0.4=3.0A

9位0.7AON

10位0.4AOFF

步進電機驅(qū)動器

細分設(shè)定

1234位每轉(zhuǎn)步數(shù)步距角1234位每轉(zhuǎn)步數(shù)步距角

00004000.9100050000.072

00018000.45100160000.006

001010000.36101064000.05625

001116000.225101172000.005

010020000045

010130000.121101100000.036

011036000.11110200000.018

011140000.091111400000.009

PLC+步進驅(qū)動器+步進電機

第七講驅(qū)動元件及控制

A概述

?步進先機及其驅(qū)動

/類型和工作原理

/通也方式和步跖角

,主要性能指標(biāo)

/功率驅(qū)動接口

,其他控制

?直流電機及其控制

＞交流電機及其控制

?液壓，氣動驅(qū)動元件及其控制

細分驅(qū)動

■細分驅(qū)動的優(yōu)點

?避免了低頻工作時的共振點。采用細分電路后，改善了電器特性，消

除了共振點，電機在低頻段運行平穩(wěn)。

?低頻、低轉(zhuǎn)速工作穩(wěn)定，轉(zhuǎn)矩增大，噪聲降低。采用細分電路，在低

速工作時電機的加速力矩明顯減小，工作力矩=輸出最大力矩■加速力

矩，由于加速力矩的減小，使工作力矩增加，細分后電機變得有勁，

帶負載能力提高，尤其在啟動和低速狀態(tài)。由于加速度的減小，步進

電機低速運行噪聲也大大減小，改善了工作環(huán)境。

?減小步距角，提高了分辨率和步距精度。

■細分驅(qū)動的實現(xiàn)

?采用多路開關(guān)功率元件

?用微機實現(xiàn)細分驅(qū)動

升降速控制