第3章机电一体化系统驱动元件选择与设计

1、第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 第三章第三章 机电一体化系统机电一体化系统 驱动元件的选择与设计驱动元件的选择与设计 3.1 3.1 驱动元件的种类、特点及基本要求驱动元件的种类、特点及基本要求 n该元件是处于机电一体化系统的机械运行机构该元件是处于机电一体化系统的机械运行机构 与微电子控制装置的接点与微电子控制装置的接点( (联接联接) )部位的能量转部位的能量转 换元件，能在微电子装置的控制下，将输入的换元件，能在微电子装置的控制下，将输入的 各种形式的能量转换为机械能。各种形式的能量转换为机械能。 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 一一. .驱动元件的种类及特点驱动元件

2、的种类及特点 驱动元件的种类驱动元件的种类 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 驱动元件的特点驱动元件的特点 (1) (1) 电气驱动元件电气驱动元件 n 电气电气驱动驱动元件包括控制用电动机元件包括控制用电动机( (步进电动机、步进电动机、DCDC和和 ACAC伺服电动机伺服电动机) )、静电电动机、磁致伸缩器件、压电元、静电电动机、磁致伸缩器件、压电元 件、超声波电动机以及电磁铁等。对这些伺服电机除了件、超声波电动机以及电磁铁等。对这些伺服电机除了 要求运转平稳以外，一般还要求动态性能好，适合于频要求运转平稳以外，一般还要求动态性能好，适合于频 繁使用，便于维修等。繁使用，便于维修等

3、。 n微量位移用器件，如微量位移用器件，如 电磁铁电磁铁 由线圈和衔铁两部分组成，结构简单，用于实由线圈和衔铁两部分组成，结构简单，用于实 现两固定点问的快速驱动；现两固定点问的快速驱动； 压电驱动器压电驱动器 利用压电晶体的压电效应来驱动运行机构利用压电晶体的压电效应来驱动运行机构 作微量位移的；作微量位移的； 电热驱动器电热驱动器 利用物体利用物体( (如金属棒如金属棒) )的热变形来驱动运的热变形来驱动运 行机构的直线位移，用控制电热器行机构的直线位移，用控制电热器( (电阻电阻) )的加热电流来的加热电流来 改变位移量改变位移量 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 驱动元件的特点

4、驱动元件的特点 (2) (2) 液压式驱动元件液压式驱动元件 液压式驱动元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压式驱动元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、 液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情 况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点。况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点。 n数字式液压式驱动元件，例如电数字式液压式驱动元件，例如电液伺服马达和电液伺服马达和电液液 步进马达，这些电步进马达，这些电液式马达的最大优点是比电动机的液式马达的最大优点是比电动机的 转矩大，可以直接驱动运行机构，转矩转矩大，可以直接驱动运行机构，转矩/ /

5、惯量比大，过惯量比大，过 载能力强，适合于重裁的高加减速驱动。载能力强，适合于重裁的高加减速驱动。 n电电液式马达在强力驱动和高精度定位时性能好，而且液式马达在强力驱动和高精度定位时性能好，而且 使用方便。对一般的电使用方便。对一般的电液伺服系统，可采用电液伺服系统，可采用电液伺液伺 服阀控制油缸的往复运动。服阀控制油缸的往复运动。 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 驱动元件的特点驱动元件的特点 (3) (3) 气压式驱动元件气压式驱动元件 气压式驱动元件除了用压缩空气作工作介质气压式驱动元件除了用压缩空气作工作介质 外，与液压式驱动元件没有区别。气压驱动虽外，与液压式驱动元件没有区别

6、。气压驱动虽 可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空 气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度 要求较高的场合使用。要求较高的场合使用。 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 驱动驱动元件的特点以及优缺点元件的特点以及优缺点 种类种类特点特点优点优点缺点缺点 电电 气气 式式 可用商业电源；信号可用商业电源；信号 与动力传送方向相同；与动力传送方向相同； 有交流直流之分；注意有交流直流之分；注意 使用电压和功率。使用电压和功率。 操作简便；编程容易；操作简便；编程容易； 能实现定位伺服控制；能实现定位伺服控制

7、； 响应快、易与计算机响应快、易与计算机 （CPUCPU）连接；体积小、）连接；体积小、 动力大、无污染。动力大、无污染。 瞬时输出功率大；过载瞬时输出功率大；过载 差；一旦卡死，会引起差；一旦卡死，会引起 烧毁事故；受外界噪音烧毁事故；受外界噪音 影响大。影响大。 气气 压压 式式 气体压力源压力气体压力源压力5 5 7 Mpa7 Mpa；要求操作人员；要求操作人员 技术熟练。技术熟练。 气源方便、成本低；无气源方便、成本低；无 泄漏而污染环境；速度泄漏而污染环境；速度 快、操作简便。快、操作简便。 功率小、体积大、难于功率小、体积大、难于 小型化；动作不平稳、小型化；动作不平稳、 远距离传

8、输困难；噪音远距离传输困难；噪音 大；难于伺服。大；难于伺服。 液液 压压 式式 液体压力源压力液体压力源压力 202080 Mpa80 Mpa；要求操；要求操 作人员技术熟练。作人员技术熟练。 输出功率大，速度快、输出功率大，速度快、 动作平稳，可实现定位动作平稳，可实现定位 伺服控制；易与计算机伺服控制；易与计算机 （CPUCPU）连接。）连接。 设备难于小型化；液压设备难于小型化；液压 源和液压油要求严格；源和液压油要求严格； 易产生泄漏而污染环境。易产生泄漏而污染环境。 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 二二. .驱动元件的基本要求驱动元件的基本要求 （1）惯量小，动力大。）惯

9、量小，动力大。 n表征表征驱动驱动元件惯量的性能指标：对直线运动为质量元件惯量的性能指标：对直线运动为质量 m，对回转运动为转动惯量，对回转运动为转动惯量J。 n另一种表征动力大小的综合性指标称为比功率另一种表征动力大小的综合性指标称为比功率T T2 2/J/J。 （2）体积小，重量轻。）体积小，重量轻。 n性能指标：性能指标：功率密度功率密度P PG G=P/G=P/G 或比功率或比功率T T2 2/J/J来评价来评价 （3）安装方便、便于维修维护。）安装方便、便于维修维护。 （4）易于微机控制。）易于微机控制。 n用微机控制最方便的是电气式驱动元件用微机控制最方便的是电气式驱动元件 第3章

10、机电一体化系统驱动元件选 择与设计 3.2 3.2 常用的控制电动机常用的控制电动机 n控制用电动机是电气伺服控制系统的动力部件，控制用电动机是电气伺服控制系统的动力部件， 是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。 n可在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确可在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确 地控制，因而在各种机电一体化系统中得到了地控制，因而在各种机电一体化系统中得到了 广泛的应用。广泛的应用。 n机电一体化系统或产品中常用的控制用电动机机电一体化系统或产品中常用的控制用电动机 是指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电动是指能提供正确运动或较复杂动

11、作的伺服电动 机。机。 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 3.2 3.2 常用的控制电动机常用的控制电动机 常用的伺服电动机包括：常用的伺服电动机包括： n步进电动机步进电动机 n直流伺服电动机直流伺服电动机 n交流伺服电动机交流伺服电动机 n开关磁阻电动机开关磁阻电动机 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 一一. .对伺服控制电动机的基本要求对伺服控制电动机的基本要求 n性能密度大。即功率密度性能密度大。即功率密度 P PG G=P/G=P/G 或比功率或比功率T T2 2/J/J 大。大。 n快速性好。加速度大、响应特性好。快速性好。加速度大、响应特性好。 n位置控制与速度控

12、制精度高、调速范围大、低速平稳位置控制与速度控制精度高、调速范围大、低速平稳 性好、分辨率高以及振动噪音小。性好、分辨率高以及振动噪音小。 n足够的输出转矩，并要求一定的过载转矩。机床进给足够的输出转矩，并要求一定的过载转矩。机床进给 机械负载的性质主要是克服工作台的摩擦力和切削的机械负载的性质主要是克服工作台的摩擦力和切削的 阻力，因此主要是阻力，因此主要是“恒转矩恒转矩”的性质。的性质。 n能适应频繁启停的工作要求。能适应频繁启停的工作要求。 n可靠性高、寿命长。可靠性高、寿命长。 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 3.3 3.3 步进电动

13、机与驱动步进电动机与驱动 一一. .步进电动机的特点与种类步进电动机的特点与种类 （1 1）步进电动机的特点）步进电动机的特点 n抗干扰能力强，在电机特性工作范围内，不产生抗干扰能力强，在电机特性工作范围内，不产生 丢步或无法工作等现象。丢步或无法工作等现象。 n电机每转动一步进角，尽管存在一定的转角误差，电机每转动一步进角，尽管存在一定的转角误差， 但电机转动但电机转动360360度时，转角累计误差将归零。度时，转角累计误差将归零。 n控制性能好，频繁启动、停止、变换时，不易产控制性能好，频繁启动、停止、变换时，不易产 生生“丢步丢步 ”现象。现象。 n易于实现计算机控制。易于实现计算机控制

14、。 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 （2 2）步进电动机的种类）步进电动机的种类 按转子构成分类：按转子构成分类： n可变磁阻型（可变磁阻型（VRVR）步进电机）步进电机 转子为导磁转子为导磁 体，也称反应式步进电机。体，也称反应式步进电机。 n永磁型（永磁型（PMPM）步进电机）步进电机 转子为永磁铁。转子为永磁铁。 n混合型（混合型（HBHB）步进电机）步进电机 转子为导磁体和转子为导磁体和 永磁铁的组合。永磁铁的组合。 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 按转子构成分类按转子构成分类 n可变磁阻型（可变磁阻型（VRVR）步进电机）步进电机 1 1定子定子 2 2转子转子

15、该类电动机由定子绕组产生的反应电磁该类电动机由定子绕组产生的反应电磁 力吸引用软磁钢制成的齿形转子作步进力吸引用软磁钢制成的齿形转子作步进 驱动，故又称作反应式步进电动机。驱动，故又称作反应式步进电动机。 转子朝定子与转子之间磁阻最小方向转转子朝定子与转子之间磁阻最小方向转 动，并由此而得名可变磁阻型。动，并由此而得名可变磁阻型。 定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没 有保持力。有保持力。 缺点：制造成本高、效率低、转子的阻尼差、缺点：制造成本高、效率低、转子的阻尼差、 噪声大等噪声大等 优点：制造材料费用低、结构简单、步距角优点：制造材料费用低、结构简

16、单、步距角 小小 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 按转子构成分类按转子构成分类 n永磁型（永磁型（PMPM）步进电机）步进电机 采用了永久磁铁，即使定子绕组断采用了永久磁铁，即使定子绕组断 电也能保持一定转矩，故具有记忆电也能保持一定转矩，故具有记忆 能力，可用作定位驱动。能力，可用作定位驱动。 优点：励磁功率小、效率高、造价优点：励磁功率小、效率高、造价 便宜。因此需要量也大。便宜。因此需要量也大。 缺点：由于转子磁铁的磁化间距受缺点：由于转子磁铁的磁化间距受 到限制，难于制造，故步距角较大。到限制，难于制造，故步距角较大。 与与VR型相比转矩大，但转子惯量型相比转矩大，但转子惯量

17、 也较大。也较大。 1 1定子定子 2 2转子转子 3 3绕组绕组 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 按转子构成分类按转子构成分类 n混合型（混合型（HBHB）步进电机）步进电机 是永磁型和可变磁阻型相结合的一种形式，故称为混合型步进电动机。是永磁型和可变磁阻型相结合的一种形式，故称为混合型步进电动机。 特点：具有特点：具有VR型步进电动机步距角小、响应频率高的优点，而且还具有型步进电动机步距角小、响应频率高的优点，而且还具有 PM型步进电动机励磁功率小、效率高的优点。型步进电动机励磁功率小、效率高的优点。 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 （2 2）步进电动机的种类）步进电动

18、机的种类 按定子绕组对数分类：按定子绕组对数分类： n分为分为2 2相、相、 3 3相、相、 4 4相、相、 5 5相等相等步进电机。步进电机。 按定子绕组通电极性分类：按定子绕组通电极性分类： n 分为单极性和双极性步进电机。分为单极性和双极性步进电机。 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 二二. .步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理 n按照按照A AB BC CA A 的顺序通电，步进电动机将沿逆时针方向一步的顺序通电，步进电动机将沿逆时针方向一步 步地转动。从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每一拍转子转动步地转动。从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每一拍转子转动 一个步距

19、角。一个步距角。 n像上述的步进电动机，三相励磁绕组依次单独通电运行，换接三次完像上述的步进电动机，三相励磁绕组依次单独通电运行，换接三次完 成一个通电循环，称为三相单三拍通电方式。成一个通电循环，称为三相单三拍通电方式。 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 n如果使两相励磁绕组同时通电，即按如果使两相励磁绕组同时通电，即按AB-BC-CA-AB-BC-CA- AB- AB- 顺序通电，这种通电方式称为三相双三顺序通电，这种通电方式称为三相双三 拍，其步距角仍为拍，其步距角仍为3030。 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 n按三相六拍通电方式工作的步进电动机，即按照按三相六拍通电

20、方式工作的步进电动机，即按照A AABABB B BCBCC CCACAA A 顺序通电，换接六次完成一个通电顺序通电，换接六次完成一个通电 循环。这种通电方式的步距角为循环。这种通电方式的步距角为1515。 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 n从上述可知，步距角的大小与通电方式和转子从上述可知，步距角的大小与通电方式和转子 齿数有关，其大小可用下式计算：齿数有关，其大小可用下式计算： 360(Zm) nZ转子齿数转子齿数 m一运行拍数，通常等于相数或一运行拍数，通常等于相数或 相数整数倍，即相数整数倍，即mKN(N为电动机的相数，为电动机的相数， 单拍时单拍时K1，双拍时，双拍时K2

21、)。 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 步进电动机转动控制的三个要素步进电动机转动控制的三个要素 n转角转角 步进电动机的输出角位移与输入脉冲成正比步进电动机的输出角位移与输入脉冲成正比 = N n转速转速 步进电动机的转速与输入脉冲频率成正比步进电动机的转速与输入脉冲频率成正比 n = (/360)* 60f = f/6 n方向方向 步进电动机的转向由通电顺序决定步进电动机的转向由通电顺序决定 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 三三. .步进电动机的运行特性与性能指标步进电动机的运行特性与性能指标 （1 1）分辨率）分辨率 n在一个电脉冲作用下在一个电脉冲作用下( (即一拍即

22、一拍) )，电动机转子转，电动机转子转 过的角位移，即步距角过的角位移，即步距角。越小，分辨力越越小，分辨力越 高。高。常见步距角有常见步距角有0.360.36、0.450.45、0.60.6、0.720.72、 0.750.75、0.90.9、1.21.2、1.51.5、1.81.8等。等。 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 三三. .步进电动机的运行特性与性能指标步进电动机的运行特性与性能指标 （2 2）静态特性）静态特性 n主要指步进电机在稳态工作条件下的特性，包括：矩主要指步进电机在稳态工作条件下的特性，包括：矩 角特性、静转矩、静态稳定区等。角特性、静转矩、静态稳定区等。最大

23、静转矩是指步进最大静转矩是指步进 电动机在通电状态下，使转子离开平衡位置时的极限转电动机在通电状态下，使转子离开平衡位置时的极限转 矩值，反映了步进电动机承受外加转矩的特性。最大静矩值，反映了步进电动机承受外加转矩的特性。最大静 转矩也叫保持转矩，它是步进电动机最重要的参数之一。转矩也叫保持转矩，它是步进电动机最重要的参数之一。 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 三三. .步进电动机的运行特性与性能指标步进电动机的运行特性与性能指标 （3 3）动态特性动态特性 动态特性参数：主要指动态稳定区、启动转矩、矩频特性、惯频特性等。动态特性参数：主要指动态稳定区、启动转矩、矩频特性、惯频特性等

24、。 n动态稳定区：在步进电机从动态稳定区：在步进电机从A A相转换为相转换为B B（或（或ABAB）相通电，不产生丢步时的稳定工作）相通电，不产生丢步时的稳定工作 区域区域r r。从图中可以得出，步进电机工作的拍数越多，稳定工作区域。从图中可以得出，步进电机工作的拍数越多，稳定工作区域r r越接近静越接近静 态稳定工作区域态稳定工作区域e e，越不容易丢步。，越不容易丢步。 n起动转矩起动转矩T Tq q：两相（：两相（A A、B B）矩角特性之交点）矩角特性之交点T Tq q表示步进电机单相励磁时所能带动表示步进电机单相励磁时所能带动 的极限负载转矩，与步进电机的相数和通电方式有关。的极限负

25、载转矩，与步进电机的相数和通电方式有关。 矩角特性曲线族矩角特性曲线族 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 矩频特性及最高连续运转频率矩频特性及最高连续运转频率f fmax max n步进电动机的输出转矩与运行频率有关，步进电动机的输出转矩与运行频率有关，转矩与控转矩与控 制频率之间的关系称矩频特性制频率之间的关系称矩频特性。在连续运转时，在连续运转时， 转矩转矩一般一般随频率的增加而降低。随频率的增加而降低。 n步进电动机的矩频特性有两种，一种是起动矩频步进电动机的矩频特性有两种，一种是起动矩频 特性，另一种是运行矩频特性。特性，另一种是运行矩频特性。 n步进电机连续运转时所能接受的最

26、高控制频率步进电机连续运转时所能接受的最高控制频率 f fmax max，称最高连续运转频率。 ，称最高连续运转频率。 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 空载起动频率与惯空载起动频率与惯频特性频特性 n在空载状态下，转子从静止状态能够不失步地起动在空载状态下，转子从静止状态能够不失步地起动 时的最大控制频率称为空载起动频率或空载突跳频时的最大控制频率称为空载起动频率或空载突跳频 率率( (f fq q) )。当带载起动时，所允许的起跳控制频率会。当带载起动时，所允许的起跳控制频率会 大大下降。大大下降。 n步进电动机带动惯性负载时的起跳频率与负载转动步进电动机带动惯性负载时的起跳频率与

27、负载转动 惯量之间的关系为起动惯惯量之间的关系为起动惯频特性。频特性。 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 四、步进电机的驱动与控制四、步进电机的驱动与控制 n步进电机的驱动电路：主要由脉冲分配器和功率放大步进电机的驱动电路：主要由脉冲分配器和功率放大 器两部份组成。器两部份组成。 n变频控制信号：主要有脉冲频率信号和方向控制信号。变频控制信号：主要有脉冲频率信号和方向控制信号。 n环形脉冲分配器：使电动机绕组的通电顺序按给定规环形脉冲分配器：使电动机绕组的通电顺序按给定规 律变化律变化 n功率放大器：将脉冲电流放大，驱动电动机运转功率放大器：将

28、脉冲电流放大，驱动电动机运转 脉冲 分配器 功率 放大器 变频信号 方向信号 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 （1）环形脉冲分配器）环形脉冲分配器 n步进电机的各绕组必须按一定的顺序通电变化才能正步进电机的各绕组必须按一定的顺序通电变化才能正 常工作。完成常工作。完成这种通电顺序变化规律的部件称为环形这种通电顺序变化规律的部件称为环形 脉冲分配器。实现脉冲环形分配的方法主要有三种：脉冲分配器。实现脉冲环形分配的方法主要有三种： n软件分频软件分频采用软件，用查表或计算法进行脉冲分采用软件，用查表或计算法进行脉冲分 配。配。可充分利用计算机资源降低硬件成本，但将占用可充分利用计算机资源

29、降低硬件成本，但将占用 计算机运行时间，易影响步进电机的运行速度。计算机运行时间，易影响步进电机的运行速度。 nICIC集成电路分频集成电路分频灵活性强，可搭接成任意通电顺灵活性强，可搭接成任意通电顺 序的环形分配器，不占用计算机的工作时间。序的环形分配器，不占用计算机的工作时间。 n专用环形分频器专用环形分频器使用方便，接口简单，专业化生使用方便，接口简单，专业化生 产质量可靠，成本低产质量可靠，成本低 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 （2 2）功率放大器）功率放大器 n功率放大器：将脉冲电流放大至几或十几安，功率放大器：将脉冲电流放大至几或十几安， 驱动电动机运转，是实现控制信号

30、与步进电机驱动电动机运转，是实现控制信号与步进电机 匹配的重要组件。匹配的重要组件。 n电动机各相绕组都是线圈，电感较大，因此，电动机各相绕组都是线圈，电感较大，因此， 绕组通电时，电流上升率受限；绕组断电时，绕组通电时，电流上升率受限；绕组断电时， 会产生反电动势。会产生反电动势。 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 （3 3）细分驱动电路）细分驱动电路 n采用细分驱动电路的目的：不采用细分驱动电路的目的：不 改变步进电机结构，使步距角改变步进电机结构，使步距角 减小，使步进电动机运行平稳、减小，使步进电动机运行平稳、 提高匀速性、并减弱或消除振提高匀速性、并减弱或消除振 荡。荡。 n

31、细分驱动电路的基本工作原理：细分驱动电路的基本工作原理： 对每一控制脉冲，细分使其电对每一控制脉冲，细分使其电 流逐步增加达到脉冲的最大电流逐步增加达到脉冲的最大电 流（流（I Imax max），又逐步减少达到 ），又逐步减少达到 脉冲的最小电流。脉冲的最小电流。 w t 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 1 1）采用多路功率开关器件）采用多路功率开关器件 工作原理：由基极开关电压工作原理：由基极开关电压 U U1 1UU5 5控制多路功率开关管控制多路功率开关管 VTVTd1 d1VT VTd5 d5的通断，从而控 的通断，从而控 制功放管制功放管VTVT的导通电流大的导通电流大

32、小，即步进电机线圈绕组小，即步进电机线圈绕组 电流的大小，实现对步进电流的大小，实现对步进 电机步进量的细分。电机步进量的细分。 特点：功率开关管工作在开特点：功率开关管工作在开 关状态，功耗很低，但器关状态，功耗很低，但器 件多、体积大。件多、体积大。 iw w wi t t U 多路功率开关细分电路多路功率开关细分电路 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 2 2）控制信号叠加细分驱动）控制信号叠加细分驱动 n工作原理：用叠加后的阶梯工作原理：用叠加后的阶梯 信号控制接在绕组中的功率信号控制接在绕组中的功率 晶体管，并使功率晶体管工晶体管，并使功率晶体管工 作在放大状态，由于在功率作在

33、放大状态，由于在功率 管基极管基极b b上加的是阶梯形变上加的是阶梯形变 化的信号，因此，通过绕组化的信号，因此，通过绕组 中的电流也是阶梯形变化，中的电流也是阶梯形变化， 实现了细分。实现了细分。 n特点：在这种细分电路中，特点：在这种细分电路中， 功率晶体管工作在放大状态，功率晶体管工作在放大状态， 功耗大，电源利用率低，但功耗大，电源利用率低，但 所用器件少。所用器件少。 wiw 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 阶梯波控制信号的产生与放大方法阶梯波控制信号的产生与放大方法 n先放大后叠加先放大后叠加 n先叠加后放大先叠加后放大 细分环形 分配器 放大 放大 放大 放大 放大 细

34、分环形 分配器 加 法 器 w 加 法 器 w U t t iw 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 （4 4）步进电机的微机控制）步进电机的微机控制 n主要分为：串行控制和并行控制两种方法主要分为：串行控制和并行控制两种方法 串行控制串行控制并行控制并行控制 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 步进电机速度控制步进电机速度控制 n控制步进电动机的运行速度，实际上就是控制控制步进电动机的运行速度，实际上就是控制 系统发出步进脉冲的频率或者换相的周期。系统发出步进脉冲的频率或者换相的周期。 n系统可用两种办法来确定步进脉冲的周期：一系统可用两种办法来确定步进脉冲的周期：一 种是软件延

35、时；另一种是用定时器。种是软件延时；另一种是用定时器。 n软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法 来实现的，它占有来实现的，它占有CPUCPU时间。时间。 n定时器方法是通过设置定时时间常数的方法来定时器方法是通过设置定时时间常数的方法来 实现的。实现的。 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 步进电动机的加减速控制步进电动机的加减速控制 n在点在点位控制过程中，运行速度都需要有一个加速位控制过程中，运行速度都需要有一个加速恒恒 速速减速减速(低恒速低恒速)停止的过程停止的过程 n在工作过程中要求加减速过程时间尽量短，而恒速时间在工作过程中要求加减

36、速过程时间尽量短，而恒速时间 尽量长。特别是在要求快速响应的工作中，从起点至终尽量长。特别是在要求快速响应的工作中，从起点至终 点运行的时间要求最短，这就必须要求升速、减速的过点运行的时间要求最短，这就必须要求升速、减速的过 程最短，而恒速时的速度最高。程最短，而恒速时的速度最高。 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 步进电动机的加减速控制步进电动机的加减速控制 加减速规律加减速规律 n直线规律直线规律 这种方法以恒定的这种方法以恒定的 加速度进行升降，加速度进行升降， 平稳性好，适用在平稳性好，适用在 速度变化较大的快速度变化较大的快 速定位方式中。加速定位方式中。加 速时间虽然长，但

37、速时间虽然长，但 软件实现比较简单。软件实现比较简单。 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 步进电动机的加减速控制步进电动机的加减速控制 加减速规律加减速规律 n指数规律指数规律 这种方法是从步进电动这种方法是从步进电动 机的运行矩频特性出发，机的运行矩频特性出发， 根据转矩随频率的变化根据转矩随频率的变化 规律推导出来的，它符规律推导出来的，它符 合步进电动机加减速过合步进电动机加减速过 程的运动规律，能充分程的运动规律，能充分 利用步进电动机的有效利用步进电动机的有效 转矩，快速响应好，升转矩，快速响应好，升 降时间短。降时间短。 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 步进电动机

38、的加减速控制步进电动机的加减速控制 加减速规律加减速规律 n抛物线抛物线规律规律 将直线升降频和指数曲线将直线升降频和指数曲线 升降频融为一体，充分利升降频融为一体，充分利 用步进电动机低速时的有用步进电动机低速时的有 效转矩，使升降速的时间效转矩，使升降速的时间 大大缩短，同时又具有较大大缩短，同时又具有较 强的跟踪能力，这是一种强的跟踪能力，这是一种 比较好的方法。比较好的方法。 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 步进电动机的加减速控制步进电动机的加减速控制 n用微机对步进电动机进行加减速控制，实际上用微机对步进电动机进行加减速控制，实际上 就是控制系统发出步进脉冲的频率或者换相的

39、就是控制系统发出步进脉冲的频率或者换相的 周期。周期。 n系统可用两种办法来确定步进脉冲的周期：一系统可用两种办法来确定步进脉冲的周期：一 种是软件延时；另一种是用定时器。种是软件延时；另一种是用定时器。 n软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法 来实现的，它占有来实现的，它占有CPUCPU时间。时间。 n用定时器中断的方式来控制电动机变速时，实用定时器中断的方式来控制电动机变速时，实 际上就是不断改变定时器装载值的大小。际上就是不断改变定时器装载值的大小。 第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计 步进电动机选择步骤步进电动机选择步骤 1.1.确定脉冲当量，初选电动机步距角，计算传动比确定脉冲当量，初选电动机步距角，计算传动比 n考虑到传动系统存在误差，脉冲当量通常要小于考虑到传动系统存在误差，脉冲当量通常要小于 定位精度值。可根据被加工零件的最高精度的尺定位精