1、機電一體化系統設計 第3章 執行元件的選擇與設計本章教學目標及要求執行元件的作用、分類、特點及機電一體化系統對其要求；步進電機的特點與種類、工作原理；步進電機的性能指標及運行特性、驅動與控制；直流伺服電動機的原理及其驅動；交流伺服電動機的原理及其驅動。第三章 執行元件的選擇與設計 第三章 執行元件的選擇與設計 第一節 執行元件的種類、特點 及基本要求 第二節 常用的控制用電動機第三節 直流(DC)與交流(AC)伺 服電動機及驅動 第四節 步進電動機及驅動附錄： 伺服系統的設計第一節 執行元件的種類、 特點及基本要求執行元件是機電一體化系統(或產品)必不可少的驅動部件，如數控機床的主軸轉動、工作

2、臺的進給運動以及工業機器人手臂的升降、回轉和伸縮運動等所用驅動部件即執行元件。 執行元件處于機電一體化系統的機械運行機構與微電子控制裝置的接點（聯接）部位的能量轉換元件。它能在微電子裝置的控制下，將輸入的各種形式的能量轉換為機械能，例如電動機、電磁鐵、繼電器、液動機、油（氣缸）、內燃機等分別把輸入的電能、液壓能、氣壓能和化學能轉換為機械能。由于大多數執行元件已作為系列化商品生產，故在設計機電一體化系統時，可作為標準件選用、外購。 一、執行元件的作用 1.作用：執行元件主要用來根據控制信息和指令，將來自電、液壓、氣壓等各種能源的能量轉換成旋轉運動、直線運動等方式機械能，并完成要求動作的能量轉換裝

3、置，它在機電一體化系統中所處的位置參見下圖。二、執行元件的種類及特點 根據使用能量的不同，可以將執行元件分為電氣式、液壓式和氣壓式等幾種類型。 (1) 電氣(磁)式：是將電能變成電磁力，并用該電磁力驅動運行機構運動的。電動執行裝置由于能源容易獲得，使用方便，所以得到了廣泛的應用。 (2)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，從而使液壓執行元件驅動運行機構運動，包括液壓油缸、液壓馬達等。具有體積小、輸出功率大等特點。 (3)氣壓式：與液壓式的原理相同，只是將介質由油改為氣體，包括氣缸和氣動馬達。特點是重量輕、價格便宜。 (4)其它執行元件：與使用材料有關，如使用雙金屬片

4、、形狀記憶合金或壓電元件 。 執行元件的種類三、對執行元件的基本要求（1）慣量小，動力大。 表征執行元件慣量的性能指標：m(直線運動）、轉動慣量J（回轉運動） 表征輸出動力的性能指標：推力F、轉矩T、功率P對直線運動：a=F/m；對回轉運動：P=T，=T/J。即加速度a與角加速度表征了執行元件的加速性能。 比功率：表征動力大小的綜合指標，包含功率、加速性能與轉速三種因素，即比功率P /=T2/J（2）體積小，重量輕:用功率密度或比功率密度來評價 功率密度P/G；比功率密度(T2/J)/G，其中G為執行元件重量。（3）安裝方便、便于維修維護。 最好不要維修，無刷DC及AC伺服電機走向無維修（4）

5、易于實現自動化控制：主流是電氣式。其次是液壓式和氣壓式(在驅動接口中需要增加電-液或電-氣變換環節)。內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 機電系統常用的控制電動機控制用電動機有力矩電動機、脈沖（步進）電動機、變頻調速電動機、開關磁阻電動機和各種AC/DC電動機等。控制用電動機是電氣伺服控制系統的動力部件，是將電能轉換為機械能的一種能量轉換裝置。由于其可在很寬的速度和負載范圍內進行連續、精確的控制，因而在各種機電一體化系統中得到廣泛應用。控制用電動機有回轉和直線驅動電動機，通過電壓、電流、頻率(包括指令脈沖)等控制，實現定速、變速驅動或反復起動、停止的增量驅動以及復

6、雜的驅動，而驅動精度隨驅動對象的不同而不同。機電一體化系統中常用的控制用電動機是指能提供正確運動或較復雜動作的伺服電動機。 伺服系統定義以移動部件的位置和速度 作為控制量的自動控制系統. 伺服系統的作用: 接受機電裝置發來的進給脈沖指令信號，經過信號變換和電壓、功率放大由執行元件(伺服電機)將其轉換成角位移或直線位移，驅動運動部件實現加工所需要的運動. 伺服系統是自動控制系統的一類，它的輸出變量通常是機械或位置的運動，根本任務是實現執行機構對給定指令的準確跟蹤，即實現輸出變量的某種狀態能夠自動、連續、精確地復現輸入指令信號的變化規律。 一、伺服系統概念 二、伺服系統的基本組成 由以下4部分組成

7、： 控制器； 功率驅動裝置； 檢測反饋裝置； 伺服電機(M). 例：數控機床伺服系統伺服系統結構圖1、開環伺服系統 (1)組成：步進電機； 驅動控制電路(控制器).1、開環伺服系統(2)開環伺服系統特點 沒有位置和速度反饋回路; 設備投資低，調試維修方便; 精度差； 高速扭矩小.(3)開環伺服系統應用場合 中、低檔數控機床; 普通機床數控改造.2、閉環與半閉環伺服系統 (1)閉環伺服系統組成示意圖 組成： 控制器； 功率驅動電路； 檢測反饋裝置； 伺服電機. (2)閉環伺服系統的特點 精度高 位置測量沒有中間環節，可通過閉環控制消除整個環內傳動鏈的全部累積誤差. 閉環伺服系統的位置檢測裝置安裝

8、在機床的工作臺上，檢測裝置測出實際位移量或者實際所處位置，并將測量值反饋給CNC裝置，與指令進行比較，求得差值，依此構成閉環位置控制，直到差值為零. 結構復雜、調整困難 由于閉環系統位置環內包含的機械傳動部件比較多,因此閉環系統結構復雜、調整困難. (3)半閉環與閉環伺服系統區別半閉環位置檢測 裝置安裝位置：注意:半閉環位置檢測裝置安裝位置在滾珠絲杠或電機軸上,而不是工作臺上.半開環系統(3)半閉環與閉環伺服系統區別 精度較低 傳動鏈有一部分在位置閉環以外，其傳動誤差沒有得到系統的補償，因而半閉環伺服系統的精度低于閉環系統. 調整比較容易(4)半閉環和閉環伺服系統應用場合 注意: 半閉環系統應

9、用較多,閉環系統一般只用在精度要求較高的大型數控機床上.圖6-3 伺服電動機控制方式的基本形式 為實現運動、功率/能量、控制運動方式的轉換，對伺服控制電動機提出了一些基本要求。（1）性能密度大。即功率密度 Pw=P/G 或比功率密度 Pbw=(T2/J)/G 大。（2）快速性好。即加速轉矩大、頻響特性好。（3）位置控制與速度控制精度高、調速范圍大、低速平穩性好、分辨率高以及振動噪音小。（4）能適應頻繁啟動，可靠性高、壽命長。（5）易于與計算機對接，實現計算機控制。三、機電系統對伺服控制電動機的基本要求 四、常用電動機的種類、特點及選用在機電一體化系統中使用兩類電動機,一類為動力用電動機,如感應

10、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、開關磁阻電動機、變頻調速電動機和各種AC/DC電動機等。不同的應用場合，對控制用電動機性能密度的要求也有所不同。對于起停頻率低(如幾十次分)，但要求低速平穩和扭矩脈動小，高速運行時振動、噪聲小，在整個調速范圍內均可穩定運動的機械，如NC工作機械的進給運動、機器人的驅動系統，其功率密度是主要的性能指標；對于起停頻率高(如數百次分)，但不特別要求低速平穩性的產品，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

11、最低。伺服電動機的性能比較 伺服電動機優缺點比較 直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在許多需要調速和快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。 (一).直流伺服電動機原理、特點1、工作原理：直流伺服電動機的結構由永磁體定子、線圈轉子（電樞）、電刷和換向器組成，磁場中的線圈通入電流時，就會產生電磁力，驅動轉子轉動。為了得到連續的旋轉運動，就必須隨著轉子的轉動角度不斷改變電流方向，因此，必須有電刷和換向器。第三節 直流與交流伺服電動機及驅動2 特點： 有較高的響應速度、精度和頻率，優良的控制特性等優點； 由于使用電刷和換向器，故壽命較低，需要定期維修； 在位置控制和速度控

12、制時，必須使用角度傳感器來實現閉環控制。第三節 直流與交流伺服電動機及驅動1. 種類（1）小慣量直流伺服電動機：60年代研制，其電樞無槽，繞組直接粘接固定在電摳鐵心上，因而轉動慣量小、反應靈敏、動態特性好，適用于高速且負載慣量較小的場合，否則需根據其具體的慣量比設置精密齒輪副才能與負載慣量匹配，增加了成本。（2）直流印刷電樞電動機：是一種盤形伺服電動機，電摳由導電板的切口成形，裸導體的線圈端部起整流子作用，這種空心式高性能伺服電動機大多用于工業機器人、小型NC機床及線切割機床上。（3）大慣量寬調速直流伺服電動機：70年代研制成功。它在結構上采取了一些措施，盡量提高轉矩改善動態特性，既具有一般直

13、流電動機的各項優點，又具有小慣量直流電動機的快速響應性能，易與較大的慣性負載匹配，能較好地滿足伺服驅動的要求，因此在數控機床、工業機器人等機電一體化產品中得到了廣泛應用。(二)直流伺服電動機種類與選用 2.選用 寬調速直流伺服電動機應根據負載條件來選擇。加在電動機軸上的有兩種負載，即負載轉矩和慣性負載。 根據負載情況，所選電機必須能滿足下列條件：（1）在整個調速范圍內，其負載轉矩應在電動機連續額定轉矩范圍以內；（2）工作負載與過載時間應在規定的范圍以內；（3）應使加速度與希望的時間常數一致；（4）等效慣性負載與電機的轉子慣量相匹配。(二)、直流伺服電動機種類與選用(三)、直流伺服電動機的驅動直

14、流伺服電動機為直流供電，為調節電動機轉速和方向,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速驅動和晶閘管直流調速驅動兩種方式。晶閘管直流驅動（SCR）：主要通過調節觸發裝置控制晶體、閘管的觸發延遲角來移動觸發脈沖的相位，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速。由于晶閘管本身的工作原理和電源的特點，導通后是利用交流(50Hz)過零來關閉的，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性。采用脈寬調速驅動系統，開關頻率高(20003000Hz)，伺服機構能夠響應的頻帶范圍也較寬，與晶閘管相比，其輸出電流脈

15、動非常小，接近于純直流。日本法納克(FANUC)公司生產的用于工業機器人、CNC機床、加工中心(MC)的L系列(低慣量系列)、M系列(中慣量系列)和H系列(大慣量系列直流伺服電動機）。其中L系列適合于頻繁起動、制動場合應用，M系列是在H系列的基礎上發展起來的，其慣量較H系列小，適合于晶體管脈寬調制(PWM)驅動，因而提高了整個伺服系統的頻率響應。而H系列是大慣量控制用電動機，它有較大的輸出功率，采用六相全波晶閘管整流驅動。表中電動機型號帶有H標志(如30MH)的表示該電動機裝有熱管冷卻器，該電動機的有效尺寸與不帶熱管冷卻器的同型號的相同，但其額定轉矩大。二、 交流(AC)伺服電動機及其驅動由于

16、直流伺服電動機具有優良的調速性能，因此長期以來，在要求調速性能較高的場合，直流電動機調速系統一直占據主導地位。 但直流伺服電動機結構上存在機械整流子、電刷維護困難、造價高、壽命短、應用環境受到限制的缺點。近年來交流驅動技術有了飛速的發展，它具有堅固耐用、經濟可靠及動態響應好等優點。因此，交流伺服系統已在很大程度上取代了直流伺服系統。 交流伺服電動機包括同步型、感應型兩種。二、 交流(AC)伺服電動機及其驅動在小功率伺服系統中，一般使用永磁式同步電動機，因為它有優良的動態性能，過載能力大等優點。感應型交流伺服電動機結構簡單，質量輕，價格低，可用做主軸電機。目前的交流伺服驅動裝置一般采用DSP的全

17、數字化控制。 對交流伺服電動機的控制以矢量控制為基礎。第四節 步進電動機及其驅動一、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換成機械角位移的執行元件。輸入一個電脈沖就轉動一步，即每當電動機繞組接受一個電脈沖，轉子就轉過一個相應的步距角。轉子角位移的大小及轉速分別與輸入的電脈沖數及頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步。只要控制輸入電脈沖的數量、頻率以及電動機繞組通電相序即可獲得所需的轉角、轉速及轉向，很容易用微機實現數字控制。一、步進電動機的特點與種類步進電動機具有以下特點：步進電動機的工作狀態不易受各種干擾因素的影響(如電源電壓的波動、電流的

18、大小與波形的變化、溫度等)的影響，只要在它們的大小未引起步進電動機產生“丟步”現象之前，就不影響其正常工作；步進電動機的步距角有誤差，轉子轉過一定步數以后也會出現累積誤差，但轉子轉過一轉以后，其累積誤差變為“零”，因此不會長期積累；控制性能好,在起動、停止、反轉時不易“丟步”。不需要傳感器進行反饋，可以進行開環控制；缺點是能量效率較低。 因此，步進電動機被廣泛應用于開環控制的機電一體化系統，使系統簡化，并可靠地獲得較高的位置精度。步進電動機與DC和AC伺服電動機相比其轉矩、效率、精度、高速性比較差，但步進電動機具有低速時轉矩大、速度控制比較簡單、外形尺寸小等優點，所以在辦公室自動化方面的打印機

19、、繪圖機、復印機等機電一體化產品中得到廣泛使用，在工廠自動化方面也可代替低檔的DC伺服電動機。一、步進電動機的特點與種類2、開環步進伺服系統的工作原理 組成: 步進電機 驅動電路驅動速度：進給脈沖的頻率代表了驅動速度；位移量：脈沖的數量代表了位移量；運動方向：步進電機的各相通電順序來決定；注意： 由于開環步進式伺服系統系統沒有反饋檢測環節，其精度主要由步進電機來決定，速度也受到步進電機性能的限制.2、開環步進伺服系統的工作原理 步進電機接受驅動電路控制，將進給脈沖序列轉換成為具有一定方向、大小和速度的機械轉角位移，并通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動.3. 步進電動機的種類(1)按轉矩產生原理分 可

20、變磁阻(VR-Variable Reluctance),也叫反應式步進電動機永磁(PM-Permanent Magnet)型混合(HB-Hybrid)型(2)按輸出力矩大小分 伺服式：輸出力矩小于1(Nm)只能驅動較小的負載,與液壓扭矩放大器配合驅動較大的負載. 功率式：輸出力矩在550Nm以上，可以直接驅動機床工作臺等較大的負載. (3)按定子數分 單定子式； 雙定子式； 三定子式； 多定子式. (4)按各相繞組分布分 徑向分相式：電機各相按圓周依次排列; 軸向分相式：電機各相按軸向依次排列； (5) 按相數分 三相； 四相； 五相； 六相.3. 步進電動機的種類3. 步進電動機的種類 1）

21、可變磁阻(VR-Variable Reluctance)型該類電動機由定子繞組產生的反應電磁力吸引用軟磁鋼制成的齒形轉子作步進驅動，故又稱反應式步進電動機。其結構原理如圖所示。其定子1與轉子2由鐵心構成，沒有永久磁鐵，定子上嵌有線圈，轉子朝定子與轉子之間磁阻最小方向轉動，并由此而得名可變磁型。 此類電動機的轉子結構簡單、轉子直徑小，有利于高速響應。由于VR型步進電動機的鐵心無極性，故不需改變電流極性，多為單極性勵磁。2) 永磁(PM-Permanent Magnet)型PM型步進電動機的轉子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生轉

22、矩。其結構如圖所示。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矩，故具有記憶能力，可用做定位驅動。PM型電動機的特點是勵磁功率小、效率高、造價低，因此需要量也大。由于轉子磁鐵的磁化間距受到限制，難于制造，故步距角較大。與VR型相比轉矩大，但轉子慣量也較大。3) 混合(HB-Hybrid)型該型步進電機不僅具有VR型步進電動機步距角小、響應頻率高的優點，而且還具有PM型步進電動機勵磁功率小、效率高的優點。它的定子與VR型沒有多大差別，只是在相數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

23、多數為四相，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。HB型的電動機由轉子鐵心的凸極數和定子的副凸極數決定步距角的大小，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。常見步進電機外形構造 二、(反應式)步進電動機的工作原理步進電機的內部構造.步進電機驅動器 主要有以下2部分: 定子: 鐵心； 繞組. 轉子.二、步進電動機的工作原理下圖是一典型的徑向三相反應式旋轉步進電機結構原理圖.定子:定子上有6個均勻分布的磁極；每個磁極上繞有勵磁繞組.兩相對的磁極上的繞組串聯在一起，構成一相控制繞組.形成三對磁極.二、步進

24、電動機的工作原理步進電機可構成A、B、C三相控制繞組.定子的每個磁極正對轉子的圓弧面上都均勻分布著5個小齒，齒與槽的寬度相等.二、步進電動機的工作原理 轉子: 轉子上無繞組，只有均勻分布的40個小齒，大小、間距與定子相同，齒間夾角為9.二、步進電動機的工作原理三相定子磁極上的小齒在空間位置上與轉子依次錯開1/3個齒距，請看上圖.當A相磁極上的小齒與轉子上的小齒對齊時，B相磁極上的小齒剛好超前(或滯后)1/3齒.即3. C相磁極上的小齒超前(或滯后)2/3個齒，即6.二、步進電動機的工作原理注意:轉子上圓周均勻分布著 40個小齒;定子磁極上的小齒相對 轉子小齒在空間位置上 依次錯開1/3個齒距，

25、 (1)步進電機的通電方式 通電方法： 各相輪流通電.當某一相通電時,其它相必須斷電. 定子有3種通電方式: 每種通電方式都能變換輪回方向. 3種通電方式如下: 單相輪流通電; 雙相輪流通電; 單、雙相輪流通電. 單相輪流通電(三相單三拍) 順時針輪回 ABCA 逆時針輪回 ACBA 完成一次通電狀態循環,轉子走3步,稱三拍.故對三相步進電機來說，稱此通電方式為三相單三拍.二、步進電動機的工作原理 雙相輪流通電(三相雙三拍) 順時針輪回 ABBCCAAB 逆時針輪回 BAACCBBA 完成一次通電狀態循環，轉子仍走3步，也稱三拍，但此時有兩相通電.故對三相步進電機來說，稱此通電方式為三相雙三拍

26、. 單、雙相輪流通電(三相六拍) 順時針輪回 AABBBCCCAA 逆時針輪回 AACCCBBBAA 完成一次通電狀態循環，轉子需走6步，稱六拍.故對三相步進電機來說，稱此通電方式為三相六拍.二、步進電動機的工作原理 步進電機的工作原理實際上是電磁鐵的作用原理. 首先,讓我們來看一下一個最簡單的步進電機,也就是只有4個齒的步進電機. 二、步進電動機的工作原理 二、步進電機的工作原理 三相單三拍 順時針轉: 按順序 ABCA通電，由于在磁場作用下,轉子總是力圖旋轉到磁阻最小的位置，故在這種情況下,轉子必然轉到圖所示位,1、3齒與A、A極對齊.CABBCA3412 同理,B相通電時,轉子會轉過30

27、角，2、4齒與B、B磁極軸線對齊；當C相通電時，轉子再轉過30角，1、3齒和C、C磁極軸線對齊. 按AB C A 的順序給三相繞組輪流通電，轉子便一步一步按順時針轉動起來.每一拍轉過 30(步距角)，每個通電循環周期(3拍)轉過90 (一個齒距角). 這種工作方式下, 三個繞組輪流通電一次為一個循環周期, 一個循環周期包括三個工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式. 逆時針轉: 按ACBA順序通電,首先給A相通電,由于在磁場作用下, 轉子必然轉到右圖所示位,1、3齒與A、A極對齊.CABBCA3412二、步進電動機的工作原理 同理,C相通電時,轉子會轉過30角， 2 ,4 齒與C、C磁極軸線對齊

28、；當B相通電時，轉子再轉過30角，1、3齒和B、B磁極軸線對齊.二、步進電動機的工作原理 按ACBA 的順序給三相繞組輪流通電，轉子便一步一步逆時針轉動起來.與順時針轉動相似每一拍轉過30(步距角)，每個通電循環周期(3拍)轉過90(一個齒距角).二、步進電動機的工作原理 結論(三相單三拍): 三相反應式步進電動機以運行時,每 個循環周期分為3拍. 每拍轉子轉過30（步距角）,一個通電循環周期 (3拍)轉子轉過90 (齒距角). 注意: 運行不穩定,易失步(切換瞬間,各相都斷電而沒 有自鎖轉矩) 精度低.與單三拍相比,六拍驅動方式的步進角大.二、步進電動機的工作原理 三相六拍 按AABBBCC

29、CA的順序給三相繞組輪流通電.這種方式可以獲得更精確的控制特性.A相通電,轉子1、3齒與A、A對齊.A、B相同時通電,A、A 磁極拉住1、3齒，B、B 磁極拉住2、4齒，轉子轉過15，到達右圖所示位置.二、步進電動機的工作原理 B 相通電，轉子2、4齒與B、B 對齊,又轉過15. B、C相同時通電，C 、C 磁極拉住1、3齒，B、B 磁極拉住2、4齒，轉子再轉過15.二、步進電動機的工作原理結論(三相六拍): 三相反應式步進電動機以三相六拍運行時,每個 循環周期分為六拍. 每拍轉子轉過15（步距角）,一個通電循環周期(6拍)轉子轉過90 (齒距角).注意: 精度高. 六拍驅動方式的步進角更小,

30、更適用于 需要精確定位的控制系統中. 運行穩定,不易失步(切換時,總有一相保持通電).二、步進電動機的工作原理三相雙三拍 按AB BC CA的順序給三相繞組輪流通電.每拍有兩相繞組同時通電.原理不在贅述.結論: 與單三拍方式相似，雙三拍驅動時每個通電循 環周期也分為三拍.每拍轉子轉過30 (步距角), 一個通電循環周期(3拍)轉子轉過90(齒距角)優點: 兩相同時通電,力矩大;切換時 兩相同時通電,運行平穩,不易失步.二、步進電動機的工作原理實際步進電機的工作原理 我們在前面介紹了轉子上有40個齒的步進電機的結構.由于其結構比較復雜,為分析方便,我們將轉子和定子沿圓周方向展開,可以得到下圖.

31、二、步進電動機的工作原理當A相繞組通電時，轉子的齒與定子A上的齒對齊；當A相斷電， B相繞組通電時，轉子的齒與定子B上的齒對齊，電機轉過3.當定子繞組按A B C A順序輪流通電時, 三對磁極就依次產生磁場，步進電機就不停的轉動.若通電順序改為A C B A步進電機將沿相反方向轉動.結論: 對于轉子上有40個小齒的三相電機 三相雙三拍:定子通電狀態改變一次轉子轉過3. 三相六拍:定子通電狀態改變一次轉子轉過1.5.二、步進電動機的工作原理 (3)工作原理小結 步進電機每次轉過一個確定的角度,即步距角； 式中： m為相數,k為通電方式系數。m相m拍時(如單相或雙相勵磁時，k=1；m相2m拍時(如

32、單雙相勵磁時)，k=2；z為轉子齒數. 通過改變通電順序來改變旋轉方向； 通電狀態的變化頻率越高，轉速就越高. 二、步進電動機的工作原理 步進電動機的通電方式如果步進電動機繞組的每一次通斷電操作稱為一拍，每拍中只有一相繞組通電，其余繞組斷電，則這種通電方式稱為單相通電方式。三相步進電動機的單相通電方式稱為三相單三拍通電方式。 如果步進電動機通電循環的每拍中都有兩相繞組通電，則這種通電方式稱為雙相通電方式。三相步進電動機采用雙相通電方式時，稱為三相雙三拍通電方式。 如果步進電動機通電循環的各拍中交替出現單、雙相通電狀態，則這種通電方式稱為單雙相輪流通電方式。三相步進電動機采用單雙相輪流通電方式時

33、，每個通電循環中共有六拍，因而又稱為三相六拍通電方式。 3三相反應式步進電機的三種運行方式： 單三拍時： ABC,ABC4 雙三拍時： 單雙拍（即六拍）時：ABBCCA,ABBCCAAABBBCCCA,-AABBBCCCA 圖6-14 不同通電方式時的矩頻特性 由于采用單相通電方式工作時，步進電動機的矩頻特性（輸出轉矩與輸入脈沖頻率的關系）較差，在通電換相過程中，轉子狀態不穩定，容易失步，因而實際應用中較少采用。圖6-14是某三相反應式步進電動機在不同通電方式下工作時的矩頻特性曲線。顯然，采用單雙相輪流通電方式可使步進電動機在各種工作頻率下都具有較大的負載能力。通電方式不僅影響步進電動機的矩頻

34、特性，對步距角也有影響。一個m相步進電動機，如其轉子上有z個小齒，則其步距角可通過下式計算： (6-12) 式中，k是通電方式系數。當采用單相或雙相通電方式時，k1；當采用單雙相輪流通電方式時，k2。 可見，采用單雙相輪流通電方式還可使步距角減小一半。步進電機的步距角決定了系統的最小位移，步距角越小，位移的控制精度越高。 步進電機的主要特性 主要特性有5個： 步距角與靜態步距誤差； 啟動頻率fq ； 連續運行的最高工作頻率； 加減速特性； 矩頻特性與動態轉矩. 三、步進電動機的運行特性及性能指標(1)步距角與靜態步距誤差 步距角數控機床中常用的反應式步進電機步距角為0.53,是決定開環伺服系統

35、脈沖當量的重要參數. 靜態步距誤差空載時，理論步距角與實際步距角之差,一般在10以內。但步進電機的步距角誤差不整周累積，即轉子轉過一周后，又回到了開始的位置。三、步進電動機的運行特性及性能指標脈沖當量指對應于系統輸入端的一個進給脈沖，系統輸出端產生的轉角或位移。(2)啟動頻率fq fq 指在空載情況下，步進電機由靜止狀態突然啟動，并進入不丟步的正常運行所允許的最高頻率.注意： 啟動時步進電機接到的指令脈沖頻率應小于啟動頻率fq ，否則將產生失步. fq隨負載慣量增大而減小.三、步進電動機的運行特性及性能指標(3)連續運行的最高工作頻率fmax fmax指步進電機由靜止狀態突然啟動后,保 證連續

36、不丟步運行的最高頻率. fmax 是決定定子繞組通電狀態最高頻率的參數. fmax決定了步進電機最高轉速. fmax =(410) fq三、步進電動機的運行特性及性能指標 由加減速特性曲線可以看出： 啟動時速度必須逐漸上升; 停止時速度必須逐漸下降. 上升和下降的時間不能過短，否則會出現失步和超步現象. (4)加減速特性f(t) f(t)描述步進電機由靜止工作頻率靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態的變化頻率 f 與時間t 的關系. 用加速時間常數Ta和Td來描述、衡量步進電機的升速和降速特性.(5)矩頻特性M( f ) 與動態轉矩 M( f )是描述步進電機連續穩定運行時,輸出轉矩與連續運行

37、頻率之間的關系，請看右圖. 動態轉矩：特性曲線上每一個頻率對應的轉矩稱為動態轉矩.注意:動態轉矩隨連續運行頻率的上升而下降.三、步進電動機的運行特性及性能指標矩頻特性：步進電機運行時，輸出轉矩與輸入脈沖頻率的關系 高速時，負載能力變差，這是其應用受到限制的原因之一由圖看出：動態轉矩隨脈沖頻率的升高而降低原因：定子控制繞組有一定的電感量，回路有電氣時間常數，電感電流變化有一個過渡過程，達不到電流穩態值。四、步進電動機的控制與驅動步進電動機的電樞通斷電次數和各相通電順序決定了輸出角位移和運動方向，控制脈沖分配頻率可實現步進電動機的速度控制。 因此，步進電機控制系統一般采用開環控制方式。 下圖為開環

38、步進電動機控制系統框圖， 系統主要由環形分配器、 功率驅動器、 步進電動機等組成。 步進電機的驅動控制功率放大器環形分配器加減速電路脈沖混合電路加減脈沖分配電路進給脈沖步進電機繞 阻1. 脈沖混合電路 將脈沖進給、手動進給、手動回原點、誤差補償等信號脈沖混合為正向或負向脈沖進給信號2. 加減脈沖分配電路 在某向脈沖總數中減去反向位置補償脈沖數正向反向加減送往3. 加減速電路 將單一方向的進給脈沖調整為符合步進電機加減速特性的脈沖，頻率的變化要平穩，加減速具有一定的時間常數。4. 環形分配器 將來自加減速電路的單一系列進給脈沖轉換成控制步進電機定子各相繞阻通、斷電的多路電平信號。5. 功率放大器

39、 將環形分配器輸出的mA級電流進行功率放大，一般由前置放大器和功率放大器組成。步進電機的驅動控制步進電動機的驅動電源組成1）環形脈沖分配器步進電動機在一個脈沖的作用下，轉過一個相應的步距角， 因此只要控制一定的脈沖數，即可精確控制步進電動機轉過的相應的角度。但步進電動機的各繞組必須按一定的順序通電才能正確工作，使電動機繞組的通斷電順序按輸入脈沖的控制而循環變化的過程稱為環形脈沖分配。 實現環形分配的方法有三種：一種是計算機軟件分配， 采用查表或計算的方法使計算機的三個輸出引腳依次輸出滿足速度和方向要求的環形分配脈沖信號。 這種方法能充分利用計算機軟件資源，減少硬件成本， 尤其是多相電動機的脈沖

40、分配更能顯示出這種分配方法的優點。 但由于軟件運行會占用計算機的運行時間， 因而會使插補運算的總時間增加， 從而影響步進電動機的運行速度。 軟件脈沖分配 軟件環形分配器的設計方法有很多，如查表法、比較法、移位寄存器法等，它們各有特點，其中常用的是查表法。步序導電相工作狀態數值（16進制）程序的數據表正轉 反轉 C B A TAB A0 0 101HTAB0 DB 01HAB0 1 103HTAB1 DB 03HB0 1 002HTAB2 DB 02HBC1 1 006HTAB3 DB 06HC1 0 004HTAB4 DB 04HCA1 0 105HTAB5 DB 05H第二種是采用小規模集成

41、電路搭接而成的脈沖分配器。第三種是專用的硬件環形分配， 采用數字電路搭建或專用的環形分配器件將連續的脈沖信號經電路處理后輸出環形脈沖。 采用數字電路搭建的環形分配器通常由分立元件（如觸發器、 邏輯門等）構成， 特點是體積大， 成本高， 可靠性差。 專用的環形分配器目前市面上有很多種， 如CMOS電路CH250即為三相步進電動機的專用環形分配器。 環形分配器CH250引腳圖(a) 引腳功能； (b) 三相六拍線路圖CH250工作狀態功率放大電路的作用功率放大電路將環形分配器輸出的脈沖信號放大，用足夠的功率驅動步進電機. 從環形分配器來的進給控制信號的電流只有幾毫安，而步進電機的定子繞組需要幾安培

42、電流.因此，需要對從環形分配器來的信號進行功率放大.每一相繞組需要一個功率放大器. 步進電動機所使用的功率放大電路有電壓型和電流型。電壓型又有單電壓型、雙電壓型(高低壓型）。電流型中有恒流驅動、斬波驅動等。2)功率放大電路2)功率放大電路常見的步進電動機驅動電路有三種： (1） 單電源驅動電路（單電壓功率放大器）。這種電路采用單一電源供電，結構簡單，成本低，但電流波形差，效率低，輸出力矩小，主要用于對速度要求不高的小型步進電動機的驅動。 (2）雙電源驅動電路（高低電壓功率放大器）。雙電源驅動電路又稱高、低壓驅動電路，采用高壓和低壓兩個電源供電。 (3）斬波限流驅動電路（斬波恒流放大器）。這種電

43、路采用單一高壓電源供電，以加快電流上升速度，并通過對繞組電流的檢測，控制功放管的開和關，使電流在控制脈沖持續期間始終保持在規定值上下。這種電路功率大，功耗小，效率高，目前應用最廣。 3）細分驅動 上述提到的步進電動機的各種功率放大電路都是采用環形分配器芯片進行環形分配，控制電動機各相繞組的導通或截止，從而使電動機產生步進運動，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構所確定。 如果要求步進電動機有更小的步距角，更高的分辨率(即脈沖當量)，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，只改變相應繞組中額定的一部分，則電動機的合成磁勢也只旋轉步距角的一部分，

44、轉子的每步運行也只有步距角的一部分，繞組電流分成數個臺階，則轉子就以同樣的次數轉過一個步距角，這種將一個步距角細分成若干步的驅動力法，稱為細分驅動。 細分驅動電路的特點：不改變電動機結構參數的情況下，能使步距角減小，但細分后的齒距角精度不高，且驅動電源的結構也相應復雜。使步進電動機運行平穩，提高均勻性，并能減弱或消除振蕩。目前實現細分階梯波供電的方法有：先放大后疊加，如圖a所示。先疊加后放大，如圖b所示。 3）細分驅動對控制繞組中的電流進行細分，把步距角細分成若干步完成CLK4）步進電機的微機控制 步進電動機的工作過程一般由控制器控制，控制器按照設計者的要求完成一定的控制過程，使驅動電源按照要

45、求的規律驅動電動機運行。簡單的控制過程可以用各種邏輯電路來實現，但線路復雜，控制方案難以改變。目前，主要采用單片機作為步進電動機的控制器進行控制，很好地克服了硬件邏輯線路控制器的缺點。4.1） 步進電動機的開環控制串行控制 具有串行控制功能的單片機系統與步進電動機驅動電源之間具有較少的連線。這種系統中，驅動電源中必須含有環形分配器，其功能框圖如圖3.25所示 并行控制 用微機系統的數條端口線直接去控制步進電動機各相驅動電路的方法稱為并行控制。在驅動電源內，也包含環形分配器，其功能必須由微機系統完成。系統實現脈沖分配器的功能又有兩種方法：純軟件方法軟、硬件相結方法 并行控制方案的功能框圖如圖所示

46、5) 步進電動機速度控制 控制步進電動機的運行速度，實際上就是控制系統發出脈沖的頻率或者換相的周期。系統可以用兩種方法確定脈沖的周期（頻率）：軟件延時定時器 軟件延時的方法是通過調用延時子程序的方法實現的，它占用CPU時間。定時器方法是通過設置定時時間常數的方法來實現。步進電動機的加減速控制 在點位控制過程中，運行速度需要有一個“加速恒速減速低恒速停止”的加減速過程。點位控制的加減速過程如圖所示。點-位控制的加減速過程5) 步進電動機速度控制升速規律一般可有兩種選擇：一是按照直線規律升速，二是按指數規律升速。按直線規律升速時加速度為恒值，因此要求步進電動機產生的轉矩為恒值。從電動機本身的矩-頻

47、特性來看，在轉速不是很高的范圍內，輸出的轉矩可基本認為恒定。但實際上電動機轉速升高時，輸出轉矩將有所下降，如按指數規律升速，加速度是逐漸下降的，接近電動機輸出轉矩隨轉速變化的規律。 用微機對步進電動機進行加減速控制，實際上就是改變輸出步進脈沖的時間間隔。升速時使脈沖串逐漸加密，減速時使脈沖串逐漸稀疏。微機用定時器中斷的方式來控制電動機變速時,實際上就是不斷改變定時器裝載值的大小。 5) 步進電動機速度控制一般用離散辦法來逼近理想的升降速曲線。為了減少每步計算裝載值的時間，系統設計時就把各離散點的速度所需的裝載值固化在系統的EPROM中，系統運行中用查表方法查出所需的裝載值，從而大大減少占用CP

48、U時間，提高系統響應速度。系統在執行升降速的控制過程中，對加減速的控制還需準備下列數據：加減速的斜率；升速過程的總步數；恒速運行總步數；減速運行的總步數。 對升降速過程的控制有多種方法，軟件編程也十分靈活，技巧很多。此外，利用模擬數字集成電路也可實現升降速控制，但是實現起來較復雜且不靈活。4.2) 步進電動機的閉環控制 閉環控制是直接或間接地檢測轉子的位置和速度，通過反饋和適當的處理，自動給出驅動的脈沖列。 采用閉環控制，不僅可以獲得精確的位置精度和速度控制，而且擴大步進電動機的應用領域。 采用光電編碼器檢測的閉環控制系統框圖如圖所示。五、步進電機參數設計1、脈沖當量：步進電機每接受一個脈沖時

49、，工作臺走過的位移單位為 mm/pulse= 0.0010.0025 精密機床0.0050.01 數控機床 0.10.15 一般機床角脈沖當量：就是步距角(/pulse)當通過中間傳動裝置時，角脈沖當量為：M驅動器指令脈沖如下圖，步進電機通過絲杠螺母副帶動工作臺運動時，其脈沖當量為：Z1Z2設計時，先根據運動精度選定，再根據負載確定步進電機的參數，并選定絲杠的導程p,計算出傳動比i后，最后設計傳動齒輪的各參數等。 2、最大靜轉矩Tmax與相數、拍數一般根據 TL（3050%）Tmax選擇Tmax其中TL為把負載折合到步進電機軸的負載力矩，若相數、拍數較多，可選0.5，否則選0.3，考慮控制回路

50、的復雜和經濟程度，一般取相數較少的。3、最高運行頻率與速度關系.根據工作臺的最高速度vmax選擇步進電機最高運行頻率fmax由得注意量綱：vmax (m/min) 4、轉動慣量與加減速性能步進電機的加減速性能與轉動慣量所產生的慣性力矩有關慣性力矩：轉動慣量和角加速度越大，步進電機的啟動頻率越低，加減速性能越差，越容易失步。通過減小步距角和減小轉動慣量改善啟動、加減速性能5、電機負載轉矩計算作用在步進電機軸的總的負載轉矩按下式計算：6、等效轉動慣量的計算其中：Jm是電機軸自身的轉動慣量（Kg.m2）Jd是系統折算到電機軸的總的轉動慣量（Kg.m2）是電機啟動、制動時的角加速度（rad/s2）F

51、作用在工作臺的摩擦力（N）FW作用在工作臺的外力（N）伺服系統傳動鏈的總效率（取0.70.85） 絲杠螺母預緊時的傳動效率（取0.9）F0絲杠螺母預緊時的力（N） P是絲杠螺距（mm）i是總傳動比 基本公式圓柱體其中： Jd的計算對上圖所示的的系統，折算到電機軸的轉動慣量Jd由幾部分組成： 電機軸的轉動慣量Jm 齒輪Z1的轉動慣量JZ1 齒輪Z2的轉動慣量JZ2和絲杠的轉動慣量JS折算到電機軸的轉動慣量 工作臺折算到電機軸的轉動慣量對于直線移動的工作臺，折算到絲杠軸的轉動慣量為：絲杠軸折算到電機軸的轉動慣量為：因此，折算到電機軸的等效轉動慣量Jd為：對于齒輪齒條傳動的工作臺，折算到驅動軸的轉動

52、慣量為：對于帶傳動的工作臺，折算到驅動軸的轉動慣量為：R為齒輪分度圓半徑為驅動軸的角速度v為工作臺的速度補充(自學) ： 伺服系統設計一、方案設計二、伺服系統穩態設計三、伺服系統動態設計在進行系統方案設計時，需要考慮以下方面的問題：1系統閉環與否的確定 當系統負載不大，精度要求不高時，可考慮開環控制；反之，當系統精度要求較高或負載較大時，開環系統往往滿足不了要求，這時要采用閉環或半閉環控制系統。一般情況下，開環系統的穩定性不會有問題，設計時僅考慮滿足精度方面的要求即可，并通過合理的結構參數匹配，使系統具有盡可能好的動態響應特性。一、方案設計2執行元件的選擇 選擇執行元件時應綜合考慮負載能力、調

53、速范圍、運行精度、可控性、可靠性以及體積、成本等多方面的要求。一般來講，對于開環系統可考慮采用步進電動機、電液脈沖馬達和伺服閥控制的液壓缸和液壓馬達等，應優先選用步進電動機。對于中小型的閉環系統可考慮采用直流伺服電動機、交流伺服電動機，對于負載較大的閉環伺服系統可考慮選用伺服閥控制的液壓馬達等。一、方案設計3傳動機構方案的選擇 傳動機構是執行元件與執行機構之間的一個連接裝置，用來進行運動和力的變換與傳遞。在伺服系統中，執行元件以輸出旋轉運動和轉矩為主，而執行機構則多為直線運動。用于將旋轉運動轉換成直線運動的傳動機構主要有齒輪齒條和絲杠螺母等。前者可獲得較大的傳動比和較高的傳動效率，所能傳遞的力

54、也較大，但高精度的齒輪齒條制造困難，且為消除傳動間隙而結構復雜；后者因結構簡單、制造容易而應用廣泛。一、方案設計4控制系統方案的選擇 控制系統方案的選擇包括微型機、步進電動機控制方式、驅動電路等的選擇。常用的微型機有單片機、單板機、工業控制微型機等，其中單片機由于在體積、成本、可靠性和控制指令功能等許多方面的優越性，在伺服系統的控制中得到了廣泛的應用。 一、方案設計 系統方案確定后，應進行方案實施的具體化設計，即各環節設計，通常稱為穩態設計。其內容主要包括執行元件規格的確定、系統結構的設計、系統慣量參數的計算以及信號檢測、轉換、放大等環節的設計與計算。穩態設計要滿足系統輸出能力指標的要求。二、

55、伺服系統穩態設計1. 負載的等效換算 為了便于系統運動學、動力學的分析與計算，可將負載運動部件的轉動慣量等效地變換到執行元件的輸出軸上，并計算輸出軸承受的轉矩(回轉運動)或力(直線運動)。例如：二、伺服系統穩態設計 如圖所示系統中，由m個移動部件和n個轉動部件組成。mi、Vi和Fi分別為移動部件的質量(kg)、運動速度(ms)和所承受的負載力(N)；Jj、nj和Tj分別為轉動部件的轉動慣量(kgm2)、轉速(rmin或rads)和所承受負載力矩(Nm)。(1) 系統等效轉動慣量 的計算系統運動部件動能的總和為 二、伺服系統穩態設計設等效到執行元件輸出軸上的總動能為根據動能不變的原則，有 ，系統

56、等效轉動慣量為式中 為執行元件輸出軸的轉速(rads) 二、伺服系統穩態設計(2) 等效負載轉矩的計算 設上述系統在時間內克服負載所作的功的總和為執行元件輸出軸在時間內的轉角為 ，則執行元件所作的功為由于 ，所以執行元件輸出軸所承受的負載轉矩為二、伺服系統穩態設計2. 執行元件功率的匹配(1)系統執行元件的轉矩匹配 設機床工作臺的伺服進給運動軸所采用電機的額定轉速 (r/min)是所需最大轉速，其額定轉矩 (Nm)應大于所需要的最大轉矩，即應大于等效到電機輸出軸上的負載轉矩 與克服慣性負載所需要的轉矩 ( 為電機加減速時的角加速度，rad/s2)之和。即電機軸上的總負載力矩為考慮機械傳動效率，

57、則二、伺服系統穩態設計(2) 系統執行元件的功率匹配 上述可知，在計算等效負載力矩和等效負載慣量時，需要知道電機的某些參數。在選擇電機時，常先進行預選，然后再進行必要的驗算。預選電機的估算功率P可由下式確定式中 電機的最高角速度(rad/s)； 電機的最高轉速(r/min)； 考慮電機的功率富裕系數，一般取 1.22，對于小功率伺服系統可達2.5。二、伺服系統穩態設計二、伺服系統穩態設計3. 減速器傳動比的計算及分配 減速器傳動比應滿足驅動部件與負載之間的位移、轉速和轉矩的關系。不但要求傳動構件要有足夠的強度，還要求其轉動慣量盡量小，以便在獲得同一加速度時所需轉矩小，即在同一驅動功率時，其加速

58、度響應為最大。以步進電動機為例，其傳動比可按下式計算：式中 為步進電動機步距角(o)； 為絲杠導程(mm)； 為工作臺運動的脈沖當量(mm)。 如計算出的值較小，可采用同步齒形帶或一級齒輪傳動，否則應采用多級齒輪傳動。選擇齒輪傳動級數時，一方面應使齒輪總轉動慣量與電動機軸上主動齒輪的轉動慣量的比值較小，另一方面還要避免因級數過多而使結構復雜。傳動級數一般可按下圖來選擇。二 、伺服系統穩態設計 齒輪傳動級數確定之后，為了緊湊傳動結構以及提高傳動精度和動態特性，通常是根據重量最輕或等效轉動慣量最小或輸出軸轉角誤差最小的原則進行各級傳動比的分配。一般可按下圖來分配各級傳動比，且應使各級傳動比按傳動順

59、序逐級增加。二、伺服系統穩態設計4. 信號檢測、轉換及放大和電源等裝置的選擇與設計 執行元件與傳動系統確定之后，要考慮信號檢測、轉換和放大裝置以及校正補償裝置的選擇與設計的問題，同時還要考慮相鄰環節的連接、信號的有效傳遞、輸入與輸出的阻抗匹配等，以保證各個環節在各種條件下協調工作，系統整體上達到設計指標。 概括起來，主要考慮以下幾個方面的問題：二、伺服系統穩態設計1.檢測傳感裝置的精度、靈敏度、反應時間等性能參數要合適，這是保證系統整體精度的前提條件；2.信號轉換接口電路盡量選用商品化的產品，要有足夠的輸入輸出通道，與傳感器輸出阻抗和放大器的輸入阻抗要匹配； 3. 放大器應具有足夠的放大倍數和

60、線性范圍，其特性應穩定可靠；4.功率輸出級的技術參數要滿足執行元件的要求； 5.電源的設計，一是要考慮到放大器各放大級的不同需要，二是要考慮到動力電源穩定性能和抗干擾性能。二、伺服系統穩態設計穩態設計實例： 己知：拖板重量W=2000N，拖板與貼塑導軌之間的摩擦因數u=0.06車削時最大切削負載Fs=2150N(與運動方向相反)，y向切削分力Fy=2Fz=300N(垂直于導軌）,要求刀具切削時的進給速度：V=10500mm/min，快速行程速度：V0=3000mm/min，滾珠絲杠名義直徑D0=32mm,導程：p=6mm，絲杠總長l=1400mm拖板最大行程1150mm，定位精度0.01mm，