第四章__机电一体化系统的执行元件__控制电动机

1、 作业 1、以三相步进电机为例，画简图叙述其基、以三相步进电机为例，画简图叙述其基本工作原理。本工作原理。 2、三相步进电机不同通电方式有何特点？、三相步进电机不同通电方式有何特点？ 3、若用单片机控制三相步进电机，试说明、若用单片机控制三相步进电机，试说明如何实现三相双三拍通电方式的软环分。如何实现三相双三拍通电方式的软环分。 4、直流伺服电动机直流伺服电动机有何优点？其有何优点？其结构特点结构特点是什么是什么 ？ 5、画出直流伺服电机、画出直流伺服电机PWM双极性控制的双极性控制的T形直流调压驱动电路形直流调压驱动电路，并叙述其基本原理，并叙述其基本原理 。异步电动机、直流电动机等都是作为

2、动力使异步电动机、直流电动机等都是作为动力使用的，其主要任务是用的，其主要任务是能量的转换能量的转换。各种控制电机有各自的控制任务：各种控制电机有各自的控制任务：如如: 步进电动机步进电动机将将脉冲信号脉冲信号转换为转换为角位移或线位移角位移或线位移。 伺服电动机伺服电动机将将电压信号电压信号转换为转换为转矩和转速转矩和转速以驱以驱动控制对象；动控制对象； 直线电动机直线电动机是一种将是一种将电能电能直接转换成直接转换成直线运动直线运动机械能机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。，而不需要任何中间转换机构的传动装置。 本章介绍的各种本章介绍的各种控制电机的主要任务是转换和控制电机的主要任

3、务是转换和传递控制信号，传递控制信号，能量的转换是次要的。能量的转换是次要的。控制电机的种类很多，本章只讨论常用的几种控制电机的种类很多，本章只讨论常用的几种:步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机和直步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机和直线电动机。线电动机。图图5.1 伺服系统的组成伺服系统的组成 第四章第四章 机电一体化系统执行元件机电一体化系统执行元件 控制控制第一节第一节 概概 述述 一、功能：一、功能： 执行元件是伺服系统的组成部分，也是机电一体执行元件是伺服系统的组成部分，也是机电一体化系统化系统的重要组成部分，用来将的重要组成部分，用来将输入的各种形式的能输入的各种形

4、式的能量量转化成转化成机械能机械能，驱动被控对象工作驱动被控对象工作。是一种是一种能量变能量变换元件换元件。处于机电一体化系统的机械运行机构与微电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（联接）部位的能量转换元件子控制装置的接点（联接）部位的能量转换元件 机电一体化机电一体化伺服系统伺服系统要求执行元件具有要求执行元件具有转动惯量转动惯量小小，输出动力大，便于控制输出动力大，便于控制，可靠性高和安装维护简，可靠性高和安装维护简便等特点。便等特点。 二、执行元件的种类及特点二、执行元件的种类及特点 根据根据使用能量使用能量的不同，的不同，执行元件执行元件主要分为主要分为电磁电磁（气

5、）式（气）式、液压式液压式和和气压式气压式三大类型，如图所示。三大类型，如图所示。 常用执行元件的种类常用执行元件的种类交流交流(AC)伺服电机伺服电机直流直流(DC)伺服电机伺服电机步进电机步进电机其它电机其它电机双金属片双金属片形状记忆合金形状记忆合金压电原件压电原件其它其它电磁铁及其它电磁铁及其它与材料有关与材料有关气压马达气压马达气缸气缸液压马达液压马达油缸油缸电动机电动机电磁式电磁式液压式液压式气动式气动式执执行行元元件件各种执行元件的特点各种执行元件的特点 1、电气执行元件、电气执行元件 电气执行元件电气执行元件主要是主要是直流（直流（DC）伺服电机）伺服电机、交流（交流（AC）伺

6、服电机）伺服电机和和步进电机步进电机。能实现定位。能实现定位伺服，响应快，易于伺服，响应快，易于CPU接口，体积小，动力大，接口，体积小，动力大，无污染。对这些伺服电机除了要求运转平稳以外，无污染。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，适合于频繁使用，便于一般还要求动态性能好，适合于频繁使用，便于维修等，自动化控制系统中应用广泛。维修等，自动化控制系统中应用广泛。 2、液压式执行元件、液压式执行元件 液压式执行元件主要包括液压式执行元件主要包括往复运动油缸往复运动油缸、回回转油缸转油缸、液压马达液压马达等，其中油缸最为常见。在等，其中油缸最为常见。在同同等输出功率的情况下等

7、输出功率的情况下，液压元件，液压元件具有具有重量轻、快重量轻、快速性好，运行平稳速性好，运行平稳等特点。等特点。 广泛应用于大功率广泛应用于大功率控制系统。控制系统。3、气压式执行元件、气压式执行元件 气压式执行元件除了气压式执行元件除了用压缩空气作工作用压缩空气作工作介质介质外，与液压式执行元件没有区别。气压外，与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差且具有可压缩性，故不能但由于空气粘性差且具有可压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用，在中、小在定位精度要求较高的场合使用，在中、小功率化工石油设备（防爆）、

8、机械工业生产功率化工石油设备（防爆）、机械工业生产自动化上应用较多。自动化上应用较多。三、对伺服控制电动机的基本要求三、对伺服控制电动机的基本要求（2 2）快速性好快速性好 加速度大、响应特性好。加速度大、响应特性好。 （3 3）位置控制与速度控制精度高位置控制与速度控制精度高、调速范围大、调速范围大、低速平稳性好、分辨率高以及振动噪音小。低速平稳性好、分辨率高以及振动噪音小。 （4 4）能适应频繁启动能适应频繁启动，可靠性高、寿命长。，可靠性高、寿命长。 （5 5）易于与计算机接口易于与计算机接口，实现计算机控制。，实现计算机控制。 为实现运动、功率为实现运动、功率/能量、控制运动方式的转换

9、，能量、控制运动方式的转换，对伺服控制电动机提出了一些基本要求对伺服控制电动机提出了一些基本要求。 （1 1）惯性小、功率大）惯性小、功率大直流电源直流电源电刷电刷换向器换向器线圈线圈U+NS电刷换向片II15直流与交流伺服电动机 熟悉直流电机的工作原理熟悉直流电机的工作原理IUSbNadc 当当直流电源接通直流电源接通后，后，电流电流从从电源正电源正极极经经电刷电刷A和和换向片换向片进入位于进入位于N极区极区的的电电枢线圈边枢线圈边ab，再从，再从位于位于S极区的线圈边极区的线圈边cd流出流出，最后，最后经另经另电刷电刷换向片换向片IffTn一个换向片一个换向片和和电刷电刷B流到流到电源负极

10、电源负极，如图所示。，如图所示。线圈线圈ab和和cd作为载流导体要受到作为载流导体要受到磁场力（安培力）的作用磁场力（安培力）的作用，力的方向力的方向可用可用左手定则判定左手定则判定。可用判定出，。可用判定出，ab受到受到向向左的力左的力f，cd受到受到向右的力向右的力f，这两个力，这两个力对转轴对转轴形成形成逆时逆时针方向力矩针方向力矩，线圈线圈被驱动被驱动沿逆时针方向转动沿逆时针方向转动。因此，。因此，电枢逆时针方向旋转电枢逆时针方向旋转。BA 当当电枢转动电枢转动180以后以后，线圈，线圈边边ab和和cd位位置如图所示置如图所示，而，而换向器换向器也与线圈同时转动也与线圈同时转动，从，从

11、而保证了两磁极间的而保证了两磁极间的线线圈边中电流的方向总是圈边中电流的方向总是不变不变，这也就，这也就保证了线保证了线IUScNdab电刷电刷换向片换向片IffTnBA圈所受电磁力矩的方向不变圈所受电磁力矩的方向不变，电枢电枢将沿着将沿着逆时针方向继逆时针方向继续旋转下去续旋转下去，就是说，不管，就是说，不管ab边还是边还是cd边边，哪条边，哪条边转到转到上半部位上半部位（靠近（靠近N极），哪条边就将极），哪条边就将受到向左的力受到向左的力；哪；哪条边条边转到下半部位转到下半部位（靠近（靠近S极），哪条边就将极），哪条边就将受到向右的受到向右的力力，因而，因而整个线圈所受力矩的方向始终不变整

12、个线圈所受力矩的方向始终不变。 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 换向片换向片电刷电刷 通过上述分析可知，通过上述分析可知，换向器换向器的作用是的作用是保证保证当直当直流电动机流电动机电枢上的导体电枢上的导体从从一个磁极一个磁极转到转到另一个磁极另一个磁极下的时候，下的时候，导体内的电流导体内的电流也也能及时换向能及时换向，从而保证，从而保证电枢的电磁转矩方向不变电枢的电磁转矩方向不变，使，使电动机转向不变电动机转向不变。换向器作用：换向器作用：将外部直流电将外部直流电转换成内部的转换成内部的直流电，以保直流电，以保持转矩方向不持转矩方向不变。变。IUScNdab电刷电刷换向片换向片I

13、ffBA第四节第四节 步进电动机步进电动机 一、步进电动机的特点一、步进电动机的特点 步进电动机又称脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成步进电动机又称脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其输入一个电脉冲就转动一步，即机械角位移的执行元件。其输入一个电脉冲就转动一步，即每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲

14、的数量、频率以及电动机绕组通电相序即可获得所需的转冲的数量、频率以及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向、很容易用微机实现数字控制。角、转速及转向、很容易用微机实现数字控制。 一、概述一、概述 1 1、步进电动机简介、步进电动机简介 步进电动机是一种步进电动机是一种将电脉冲信号将电脉冲信号角位移角位移的执行元的执行元 件件, ,其其特点如下：特点如下： （1 1）步进电动机）步进电动机定子绕组的通电定子绕组的通电状态每改变一次，它状态每改变一次，它 的转子便转过一个确定的角度，即的转子便转过一个确定的角度，即步距角步距角。 （2 2）改变步进电动机）改变步进电动机定子绕组的通电顺序

15、定子绕组的通电顺序，转子的，转子的旋旋 转方向转方向随之改变。随之改变。 （3 3）步进电动机步进电动机定子绕组定子绕组通电状态的改变速度越快，通电状态的改变速度越快， 其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率频率 越高，转子的越高，转子的转速转速越高。越高。 （4 4）角位移量与）角位移量与电脉冲数电脉冲数成正比。成正比。 2 2、步进电机的、步进电机的独特优点独特优点 （1 1）控制性能好控制性能好，起动、停止、换向及其它任，起动、停止、换向及其它任何运动形式的改变，可在若干个脉冲内完成。何运动形式的改变，可在若干个脉冲内完成。 （2 2）步距角步距

16、角不易受各种干扰因素的影响，抗干不易受各种干扰因素的影响，抗干扰能力强。扰能力强。 （3 3）误差不长期积累误差不长期积累，电机每转动一步距角，电机每转动一步距角，尽管存在一定的转角误差，但电机转动尽管存在一定的转角误差，但电机转动360360时，转时，转角累计误差将归零。角累计误差将归零。 （4 4）具有自锁能力具有自锁能力，一旦，一旦停止输入脉冲停止输入脉冲，只要，只要维持绕组通电维持绕组通电，即，即可保持其固定位置可保持其固定位置。 （5 5）易于实现与计算机的接口。）易于实现与计算机的接口。 基本结构基本结构14 23(1)(1)定子定子上有上有6个齿个齿，其上分别缠有其上分别缠有U、

17、V、W三相绕组三相绕组，构成构成三对磁极三对磁极；(2) 转子转子上则上则均匀分均匀分布着布着4个齿个齿。U1U2V1V2W2W1定子定子转子转子 步进电动机采用步进电动机采用直流电源供电直流电源供电。当。当U、V、W三相绕组轮流通电三相绕组轮流通电时，时，通过电磁力的吸引通过电磁力的吸引，步进，步进电动机电动机转子一步一步地旋转转子一步一步地旋转。 二、步进电动机的结构与工作原理二、步进电动机的结构与工作原理 1 1、结构组成、结构组成 主要由主要由定子和转子定子和转子构成，构成，定子定子包括定子铁芯和定子绕组包括定子铁芯和定子绕组。定子铁。定子铁芯由芯由硅钢片硅钢片叠压而成，叠压而成，定子

18、绕组绕定子绕组绕在定子铁芯在定子铁芯6 6个个均匀分布的磁极上均匀分布的磁极上，在直径方向上在直径方向上相对的两个相对的两个磁极磁极上的上的线圈串联在一起，构成线圈串联在一起，构成一相一相控制绕控制绕组组。图示的步进电动机。图示的步进电动机构成构成U、V、W三相三相控制绕组控制绕组，故称，故称三相三相步进电步进电动机。转子用硅钢片叠成或用软磁动机。转子用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构，性材料做成凸极结构，转子上无绕转子上无绕组组反应式反应式步进电机；若为步进电机；若为永久磁永久磁铁铁永磁式永磁式步进电机。步进电机。 2 2、工作原理工作原理 当通电顺序为当通电顺序为UVWU时，时，假设假

19、设U相相绕组绕组首先首先通电通电，气隙中产生一个沿，气隙中产生一个沿U1U2轴线方向的磁场，轴线方向的磁场，由于由于磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，于是于是产产生磁拉力使转子生磁拉力使转子1、3两齿与两齿与U相绕组轴线相绕组轴线U1U2对齐；对齐；然后然后U相断电，相断电，V相通电相通电，气隙中产生一个沿，气隙中产生一个沿V1V2轴轴线方向的磁场，产生磁拉力使转子线方向的磁场，产生磁拉力使转子2、4两齿与两齿与V相相绕组轴线绕组轴线V1V2对齐；这时转子顺时针转了对齐；这时转子顺时针转了30。随。随后后V相断电，相断电，W相通电相通电，根据同样的道理，转子又，根

20、据同样的道理，转子又顺时针转了顺时针转了30。若再。若再U相通电，相通电，W相断电，那么相断电，那么转子再顺时针转转子再顺时针转30。定子各相轮流通电一次，转定子各相轮流通电一次，转子转一个齿（或一个磁极）。子转一个齿（或一个磁极）。步进电动机步进电动机定子绕组定子绕组按按UVWUVWU依次轮流通电依次轮流通电，步进，步进电动机电动机转子就一步步地按顺时针方向旋转。转子就一步步地按顺时针方向旋转。14 2314 2314 2314 23U1U2V1V2W2W1三相单三拍运行（三相单三拍运行（每次切换前后每次切换前后只有一相绕组通电只有一相绕组通电，其余绕组断电）其余绕组断电） 通电顺序：通电顺

21、序： U 相相V 相相W 相相U 相。相。 U 相通电相通电 14 23U1U2V1V2W2W114 23 V 相通电相通电 U1U2V1V2W2W1 W 相通电相通电 14 2314 23一步一步两步两步三步三步 对于对于定子定子为为N相相、转子转子有有z个齿个齿的步进电机，的步进电机，转子每转一周转子每转一周所需的步数为所需的步数为Nz步步。 转子顺时针转子顺时针旋转一步旋转一步所所对应的角度对应的角度称为称为步距角步距角 30。电流换接三次，磁场旋转一周，转子转过一个磁电流换接三次，磁场旋转一周，转子转过一个磁距的位置距的位置，一个磁距所对应的角度一个磁距所对应的角度称为称为齿距角齿距角

22、（4个齿，个齿，90度）。若要反向，通电顺序为：度）。若要反向，通电顺序为：UWVU2、工作原理工作原理通电顺序为：通电顺序为：UWVU称为称为三相单三相单三三拍拍运行。运行。 单：单： 是指每次只有一相定子的绕组通电；是指每次只有一相定子的绕组通电；“一拍一拍”：从定子的从定子的一相绕组通电一相绕组通电换接到换接到另一相另一相绕组通电绕组通电。每一拍每一拍转子转过转子转过一个步距角一个步距角。“三拍三拍”：是指是指一个循环周期一个循环周期只换接了只换接了三次三次。 如如UWV 步进电动机步进电动机三相单三拍运行时三相单三拍运行时，由于切换时在由于切换时在一相绕组断电而另一相绕组通电的一相绕组

23、断电而另一相绕组通电的交替时刻交替时刻容易容易造造成转子失步成转子失步，由单一绕组通电吸引转子也容易，由单一绕组通电吸引转子也容易造成造成转子在平衡位置附近产生振动转子在平衡位置附近产生振动，故，故运行稳定性差运行稳定性差，所以所以实际中很少应用实际中很少应用三相单三拍方式三相单三拍方式。2、工作原理工作原理三相双三拍运行（三相双三拍运行（每次切换前后每次切换前后有两相绕组通电有两相绕组通电） 通电顺序：通电顺序： UV 相相VW 相相WU 相相。 14 23U1U2V1V2W2W1 UV 相通电相通电 14 2314 23U1U2V1V2W2W1 VW 相通电相通电 14 2314 23U1

24、U2V1V2W2W1 WU 相通电相通电 14 23 步距角：步距角： = 30特点：力矩较大，定位精度高而不易失步特点：力矩较大，定位精度高而不易失步。转子每转一周转子每转一周所需的步数也为所需的步数也为Nz步步。14 2314 23(3) 三相单双六拍运行（三相单双六拍运行（单、双相通电单、双相通电交替出现）交替出现）通电顺序：通电顺序：UUV VVW W WU U。14 23U1U2V1V2W2W1114 23U1U2V1V2W2W1214 23U1U2V1V2W2W1314 23U1U2V1V2W2W1414 23U1U2V1V2W2W1514 23U1U2V1V2W2W1614 23

25、步距角：步距角： = 15 步进电动机的转子每转一周所需的步数也为步进电动机的转子每转一周所需的步数也为2Nz步。步。 3、小步距角步进电机小步距角步进电机 以上讨论的步进以上讨论的步进电动机其电动机其步距角都比步距角都比较大较大，往往，往往不能满足不能满足传动设备对精度的要传动设备对精度的要求求。为了。为了减小步距角减小步距角，实际应用中的步进实际应用中的步进电电动机通常将定子的每动机通常将定子的每一个磁极分成许多小一个磁极分成许多小齿，齿，转子也由许多小转子也由许多小齿组成齿组成。且定子。且定子U2U1W2W1V1V2和转子的齿宽、齿距相等。当和转子的齿宽、齿距相等。当U相定子小齿与转子相

26、定子小齿与转子小齿对正时小齿对正时，V相和相和W相定子上的齿相定子上的齿则处于则处于错开状错开状态态，如图所示，是一种如图所示，是一种小步距角小步距角结构形式的三相反应式结构形式的三相反应式步进电动机。步进电动机。AABBCC4750A相各齿对齐时,B相转子齿错位3 3、小步距小步距角步进电机角步进电机 3、小步距角步进电机、小步距角步进电机小步距角步进电机定子、转子展开图小步距角步进电机定子、转子展开图 通电方式不仅影响步进电动机的矩频特性，对通电方式不仅影响步进电动机的矩频特性，对步距角也有影响。一个步距角也有影响。一个N相相（即步进电动机运行的（即步进电动机运行的拍数）拍数）步进电动机，

27、如其转子上有步进电动机，如其转子上有z个小齿个小齿，则其，则其步距角可通过下式计算：步距角可通过下式计算：kNz360式中，式中，k是是通电方式系数通电方式系数。当采用。当采用单相或双相通电单相或双相通电方式方式时，时，k1；当采用；当采用单双相轮流通电单双相轮流通电方式时，方式时，k2。可见，。可见，采用单双相轮流通电方式还可使步距角减小一半。采用单双相轮流通电方式还可使步距角减小一半。 例如，若例如，若z =40，三相单（双）三拍通电方式：，三相单（双）三拍通电方式： =3；三相六拍通电方式：三相六拍通电方式： =1.5 步进电机的步进电机的步距角决定了系统的最小位移步距角决定了系统的最小

28、位移，步距步距角越小，位移的控制精度越高。角越小，位移的控制精度越高。 电子电路中的信号电子电路中的信号模拟信号模拟信号数字信号（脉冲信号）数字信号（脉冲信号）时间上连续变化的时间上连续变化的时间和幅度都是跳变的时间和幅度都是跳变的处理此类信号的处理此类信号的电路电路模拟电路模拟电路（如如处理此类信号的处理此类信号的电路电路数字电路数字电路（TTL,COMS等）等）特点特点：注重电路的输入、注重电路的输入、 输出大小、相位关系输出大小、相位关系特点特点：注重电路的输入、输注重电路的输入、输出的逻辑关系出的逻辑关系脉冲信号的波形及参数脉冲信号的波形及参数 在数字电路中，在数字电路中，脉冲是一种脉

29、冲是一种跃变跃变信号信号, ,并且并且持续时间短暂持续时间短暂。矩形波矩形波尖顶波尖顶波脉冲周期脉冲周期T:T:相邻两个上升沿（或下降沿）的脉冲幅度相邻两个上升沿（或下降沿）的脉冲幅度的的1010两点之间的时间间隔。两点之间的时间间隔。脉冲频率脉冲频率f:f:单位时间的脉冲数，单位时间的脉冲数，f=1/Tf=1/T A0.9A0.5A0.1AtptrtfT正脉冲正脉冲负脉冲负脉冲脉冲信号变化后的电脉冲信号变化后的电平值比初始电平值高平值比初始电平值高脉冲信号变化后的电脉冲信号变化后的电平值比初始电平值低平值比初始电平值低V0V0V5V5V0V0V5V5返回目录返回目录 脉冲信号的脉冲信号的逻逻

30、 辑状态辑状态高电平高电平 用用1 1 表示表示低电平低电平 用用0 0 表示表示步进电动机转子转速的计算：步进电动机转子转速的计算： 如果脉冲的频率为如果脉冲的频率为 f Hz， 的单位为度，的单位为度，则转速（则转速（r/min)为：为：一个步距角一个步距角脉冲频率为脉冲频率为 fN定子绕组的定子绕组的相数相数（即步进电动机运行的（即步进电动机运行的拍数），拍数），N也表示输入的脉冲数目。也表示输入的脉冲数目。zNfNzffn606036060 。n =60 fz NN四、步进电机的主要性能指标四、步进电机的主要性能指标 1 1、步距角、步距角 指指每给一个脉冲每给一个脉冲，步进电机，步进

31、电机转子所应转过的转子所应转过的角度的理论值角度的理论值。 同一台步进电动机，因通电方式不同，运行同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时步距角也是不同的。时步距角也是不同的。 步距角步距角的确定：若通电方式和的确定：若通电方式和系统的传动比系统的传动比i已初步确定，则已初步确定，则b应满足：应满足： i max式中式中max为负载轴要求的最小位移增量为负载轴要求的最小位移增量（或（或脉冲当脉冲当量量，即每一个脉冲所对应的负载轴的位移增量）。，即每一个脉冲所对应的负载轴的位移增量）。 2 2、静态特性、静态特性 指步进电机在指步进电机在稳态工作条件下的特性稳态工作条件下的特性，包括：，包括：矩

32、矩角特性角特性、静转矩静转矩及及静态稳定特性静态稳定特性等。等。 当当转子带有负载力矩通电转子带有负载力矩通电时，转子就时，转子就不再不再能和能和定子上的某极定子上的某极对齐对齐，而是，而是相差一定的角度相差一定的角度，该角度，该角度所形成的电磁转矩正好和负载力矩相平衡。所形成的电磁转矩正好和负载力矩相平衡。这个角这个角度度称为称为失调角失调角。 步进电动机所能带的步进电动机所能带的静转矩静转矩是受到限制的，是受到限制的，最最大静转矩大静转矩表示步进电机的承受载荷的能力。表示步进电机的承受载荷的能力。 单相通电时的矩角特性单相通电时的矩角特性静态稳定区静态稳定区T eTjmax- - /2 /

33、2 0最大静态转矩最大静态转矩静态转矩越大，静态误差就越小静态转矩越大，静态误差就越小3 3、动态特性参数、动态特性参数 主要指主要指动态稳定区动态稳定区、启动转矩启动转矩、矩频特性矩频特性、惯频特性惯频特性等。等。 最高连续运转频率最高连续运转频率fmax步进电机连续运转步进电机连续运转时所能接受的最高控制频率时所能接受的最高控制频率fmax，称最高连续运，称最高连续运转频率。转频率。 矩频特性矩频特性步进电机连续运转转矩随频率步进电机连续运转转矩随频率的增加而降低的特性，称为矩频特性。的增加而降低的特性，称为矩频特性。 原因分析：原因分析： 定子绕组本身为一感性负载；定子绕组本身为一感性负

34、载； f 增大，磁通量的变化加剧，铁芯的涡流增大，磁通量的变化加剧，铁芯的涡流损失加大。损失加大。 启动频率：启动频率：我们我们把不失步启动的最高脉冲频率把不失步启动的最高脉冲频率称为称为启动频率启动频率，也称突跳频率，是步进电动机的一项，也称突跳频率，是步进电动机的一项重要性能指标。重要性能指标。失步：转子前进的步数不等于输入的脉冲数，包括失步：转子前进的步数不等于输入的脉冲数，包括丢步和越步两种情况。丢步和越步两种情况。运行频率：运行频率：是指步进电动机起动后，当控制脉冲频是指步进电动机起动后，当控制脉冲频率连续上升时，步进电动机率连续上升时，步进电动机能不失步的最高频率。能不失步的最高频

35、率。 启动频率和运行频率启动频率和运行频率启动矩频特性启动矩频特性 当伺服系统要求步进电动机的当伺服系统要求步进电动机的运行频率高于最大运行频率高于最大允许启动率时允许启动率时，可先，可先按较低的频率启动按较低的频率启动， 然后按一然后按一定规律逐渐加速到运行频率。图给出了定规律逐渐加速到运行频率。图给出了90BF002型步型步进电动机的启动矩频特性曲线。由图可见，进电动机的启动矩频特性曲线。由图可见， 负载转负载转矩越大，矩越大， 所允许的最大启动频率越小。所允许的最大启动频率越小。 3200f / Hz240016008001.9603.92T / Nm运行矩频特性运行矩频特性f / Hz

36、20000400060008000T / Nm1.963.92 空载启动频率空载启动频率在空载状态下，步进电机能够在空载状态下，步进电机能够不失步启动的最高脉冲频率称为空载启动频率，也不失步启动的最高脉冲频率称为空载启动频率，也称突跳频率，是步进电动机的一项重要性能指标。称突跳频率，是步进电动机的一项重要性能指标。 图是图是90BF002型步进电动型步进电动机的运行矩频特性曲线。机的运行矩频特性曲线。 图图 不同通电方式时的矩频特性不同通电方式时的矩频特性双三拍六拍单三拍0500100015000.10.20.3f / HzT / Nm 右图是某三右图是某三相反应式步进电相反应式步进电动机在动

37、机在不同通电不同通电方式下工作时方式下工作时的的矩频特性曲线。矩频特性曲线。显然，采用显然，采用单双单双相轮流通电方式相轮流通电方式可使步进电动机可使步进电动机在各种工作频率在各种工作频率下都具有较大的下都具有较大的负载能力负载能力。五、步进电机的控制与驱动五、步进电机的控制与驱动 步进电动机的步进电动机的定子绕组通断电次数定子绕组通断电次数和和各相通各相通电顺序电顺序决定了决定了输出角位移和运动方向输出角位移和运动方向，控制脉冲控制脉冲分配频率可实现分配频率可实现步进电动机的步进电动机的速度控制速度控制。因此，。因此，步进电机控制系统一般采用开环控制方式步进电机控制系统一般采用开环控制方式。

38、图示。图示为开环步进电动机控制系统框图，系统主要由为开环步进电动机控制系统框图，系统主要由环环形分配器形分配器、功率驱动器功率驱动器、步进电动机步进电动机等组成。等组成。 环形分环形分配器配器功率驱功率驱动器动器步进电步进电动机动机负负载载指令指令脉冲脉冲输出输出驱动电源驱动电源 驱动电源将驱动电源将变频信号源变频信号源送来的送来的脉冲信号脉冲信号及及方向方向信号信号按照要求的配电方式自动地循环供给给步进电按照要求的配电方式自动地循环供给给步进电动机的动机的定子的各相绕组定子的各相绕组，以，以驱动步进电动机的转子驱动步进电动机的转子正反向转动正反向转动。 1、环形脉冲分配器环形脉冲分配器 定义

39、：步进电机的定义：步进电机的各相绕组必须按照一定的顺序各相绕组必须按照一定的顺序通电才能正常工作通电才能正常工作，这种，这种使电机绕组的通电方式按一使电机绕组的通电方式按一定规律变化的电子部件定规律变化的电子部件称为称为环形脉冲分配器环形脉冲分配器。 实现实现环形分配的方法环形分配的方法有两种有两种。 (1)(1) 软环分：即软环分：即计算机软件分配计算机软件分配，采，采用查表或计用查表或计算的方法进行脉冲分配算的方法进行脉冲分配。这种方法能充分利用计算机。这种方法能充分利用计算机软件资源，减少硬件成本，尤其是多相电动机的脉冲软件资源，减少硬件成本，尤其是多相电动机的脉冲分配更能显示出这种分配

40、方法的优点。但由于软件运分配更能显示出这种分配方法的优点。但由于软件运行会占用计算机的运行时间，因而会使插补运算的总行会占用计算机的运行时间，因而会使插补运算的总时间增加，从而时间增加，从而影响步进电动机的运行速度影响步进电动机的运行速度。 采用计算机软件利用查表程序来实现采用计算机软件利用查表程序来实现01H1006A05H1015CA04H0014C06H0113BC02H0102B03H1101AB反反01H1000A正正转向转向代码代码ABC脉冲脉冲通电状态通电状态转向转向通过读取数据的顺序可控制电动机的转向；通过读取数据的顺序可控制电动机的转向；通过控制脉冲的频率可控制电动机的转速。

41、通过控制脉冲的频率可控制电动机的转速。软件环分驱动控制软件环分驱动控制 对于三相六拍环形分配器，每当接收到一个对于三相六拍环形分配器，每当接收到一个进给脉冲指令，环形分配器软件根据下表所示真进给脉冲指令，环形分配器软件根据下表所示真值表，按顺序及方向控制输出接口将值表，按顺序及方向控制输出接口将A、B、C的的值输出即可。值输出即可。CNC装置装置电源电源A相驱动相驱动B相驱动相驱动C相驱动相驱动CBAM （2 2）硬件环形分配硬件环形分配 采用采用数字电路数字电路搭建或搭建或专用的环形分配器件专用的环形分配器件将将连续的脉冲信号连续的脉冲信号经电路处理后输出经电路处理后输出环形脉冲环形脉冲。

42、采用数字电路搭建的环形分配器通常由采用数字电路搭建的环形分配器通常由分立分立元件（如触发器、逻辑门等）构成元件（如触发器、逻辑门等）构成，特点是体，特点是体积大，成本高，可靠性差。专用的环形分配器积大，成本高，可靠性差。专用的环形分配器目前市面上有很多种，如目前市面上有很多种，如CMOS电路电路CH250即即为三相步进电动机的专用环形分配器；为三相步进电动机的专用环形分配器；L297和和PMM8714为两相绕组环分器；为两相绕组环分器；PMM8713为五为五相绕组电机环分器等。相绕组电机环分器等。图4-39 双三拍环形分配器的原理图 硬件环行分配器硬件环行分配器的基本构成的基本构成是触发器是触

43、发器。因为步进电机有。因为步进电机有几几相就需要几个序列脉冲相就需要几个序列脉冲，所以步进电机，所以步进电机有几相有几相，就，就要设置几要设置几个触发器个触发器。每个触发器发出的脉冲就是一个序列脉冲，用来。每个触发器发出的脉冲就是一个序列脉冲，用来控制步进电机控制步进电机某相定子绕组某相定子绕组的通、断电的通、断电。 环形分配器环形分配器CH250引脚图引脚图(a) 引脚功能；引脚功能； (b) 三相六拍线路图三相六拍线路图UDJ3LJ3rWVUR*RJ6rJ6LUsCPEN16151413121110912345678(a)方向CP100 k1 F21791016612 V111213R*R

44、CPJ6LJ6rJ3rJ3LUs14 158WVUENUD(b) 2 2、功率驱动（放大）器、功率驱动（放大）器 功率放大器实际上是一个功率放大器实际上是一个功率开关电路功率开关电路，其功，其功能是将能是将环形分配器输出的环形分配器输出的mA级的弱信号进行功率级的弱信号进行功率放大放大，得到，得到控制绕组控制绕组所需要的所需要的脉冲电流及所需的脉脉冲电流及所需的脉冲波形。冲波形。 驱动电路的分类：驱动电路的分类： 按采用的功率元件分：晶闸管和晶体管功率驱按采用的功率元件分：晶闸管和晶体管功率驱动器。动器。 按驱动形式分：按驱动形式分： 电压型：电压型：单电压型单电压型、双电压型（高低压型）、双

45、电压型（高低压型） 电流型：恒流驱动、斩波驱动电流型：恒流驱动、斩波驱动 六、步进电机的微机控制六、步进电机的微机控制 分为串行控制和并行控制。分为串行控制和并行控制。脉冲方向控制方式信号环形分配器功率放大电路步进电机驱动电路器步进电机各相绕组相相相相相n 串行控制：连线少，需要环形分配器；串行控制：连线少，需要环形分配器；n 并行控制：连线多，不需要环形分配器；并行控制：连线多，不需要环形分配器； 调速方式调速方式 直流伺服电机的机械特性方程为：直流伺服电机的机械特性方程为： 式中，式中， 一电枢控制电压；一电枢控制电压； 一电枢回路电一电枢回路电 阻；阻； 每极磁通；每极磁通； 、 分别为

46、电动机的分别为电动机的结构常数。结构常数。 二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制TCCRCUn2teeccUReCtC 光光电隔离技术电隔离技术 为了保证输入端与输出端在电气上是隔离的，两端为了保证输入端与输出端在电气上是隔离的，两端的电源也必须是独立的。的电源也必须是独立的。 图3-14 带光电隔离的输出接口 3 继电器输出接口继电器输出接口 1触点式继电器的控制触点式继电器的控制 当线圈通电时，使开关触点闭合（或断开）；当当线圈通电时，使开关触点闭合（或断开）；当线圈不通电时，则开关触点断开（或闭合）。线圈不通电时，则开关触点断开（或闭合）。 图3-15 继电器接口电路 3.4 开关量

47、输出接口技术 实际选用继电器时应考虑下列因素：实际选用继电器时应考虑下列因素： 继电器额定工作电压（或电流）；继电器额定工作电压（或电流）； 触点负荷；触点负荷； 触点的数量或种类（动断或动通）；触点的数量或种类（动断或动通）； 继电器的体积、封装形式、工作环境、触点吸合或继电器的体积、封装形式、工作环境、触点吸合或释放时间等。释放时间等。 2固态继电器的输出接口固态继电器的输出接口 固态继电器（固态继电器（Solid State Relay，SSR），它是用晶），它是用晶体管或可控硅代替常规继电器的触点开关，再把光电体管或可控硅代替常规继电器的触点开关，再把光电隔离器作为前级构成一个整体。隔

48、离器作为前级构成一个整体。 固态继电器有体积小、重量轻、无机械噪声、无抖固态继电器有体积小、重量轻、无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、工作可靠等优点。动和回跳、开关速度快、工作可靠等优点。 图3-16 直流型SSR的电路原理图 步进电机的A、B、C三相，每相由一个直流型SSR控制，可分别由8255的端口PA0PA2来控制。 图3-17 三相步进电机控制电路原理图 4. 大功率输出接口大功率输出接口 场场效应管输入阻抗高，关断漏电流小，效应管输入阻抗高，关断漏电流小， 响响应速度快，体积较小，价格便应速度快，体积较小，价格便宜。所宜。所以在计算机开关量输出控制中也常作为以在计算机开关量输出控

49、制中也常作为开关元件使用。开关元件使用。图图3-18 大功率场效应管的表示符号大功率场效应管的表示符号 G为控制栅极，为控制栅极，D为漏极，为漏极，S为为源极，源极，G为高电平时，源极与漏为高电平时，源极与漏极导通，允许电流通过；否则，极导通，允许电流通过；否则，场效应管关断场效应管关断图图3-19 采采用大功率用大功率场效应管场效应管的步进电的步进电机控制电机控制电路原理图路原理图 采用的电力电子器件：采用的电力电子器件：全控式晶体管，如全控式晶体管，如电力晶体管电力晶体管（GTR）、可关断晶体管（可关断晶体管（GTO）、绝缘双极晶体管绝缘双极晶体管（IGBT）（3）脉宽调制器）脉宽调制器P

50、WM变换器只对已有的脉宽可调脉冲电压信号变换器只对已有的脉宽可调脉冲电压信号Ub进行功进行功率放大，而给率放大，而给PWM变换器的电力晶体管变换器的电力晶体管CTR提供脉冲电提供脉冲电压信号的就是脉宽调制器。压信号的就是脉宽调制器。脉宽调制器脉宽调制器是一种电压脉宽变换装置，原理如图所示。是一种电压脉宽变换装置，原理如图所示。电压电压-脉宽变换器的基本电路见脉宽变换器的基本电路见p:149-152p:149-152。下面分析以锯。下面分析以锯齿波作调制信号的另一种脉宽调制器电路。齿波作调制信号的另一种脉宽调制器电路。 bU在在ur+ +uc过零交点时刻控制过零交点时刻控制IGBT的通断的通断。

51、 ur+ucurucururucuc Uv ur+uc ur+uc Uv Uv 3脉宽调速脉宽调速PWM系统的设计系统的设计 当开关当开关S1、S4闭合时，电动机全速正转；闭合时，电动机全速正转； 当开关当开关S2、S3闭合时，电动机全速反转；闭合时，电动机全速反转； 当当S2、S4（或者（或者S1、S3）闭合时，电动机绕组被）闭合时，电动机绕组被短路，电动机处于刹车状态；短路，电动机处于刹车状态； 如果如果4个开关全部断开，电动机将自由滑行。个开关全部断开，电动机将自由滑行。图图3-23 可逆可逆PWM调速系统原理图调速系统原理图 图图5-17 PWM斩波器的电路原理图及波形斩波器的电路原理

52、图及波形ssondUUTtU=式中式中 T ：开关周期；：开关周期；ton ：导通时间；：导通时间；f：开关频率；：开关频率；占空比，占空比，电枢压平均值电枢压平均值ftUUTtonsdon=/=/=10sdUU 0均为正值，即电动机只能实现单一方向的不可逆调速。均为正值，即电动机只能实现单一方向的不可逆调速。2. 桥式桥式可逆可逆PWM变换器变换器H形主电路结构形主电路结构1324+UsVD1VD2VD3VD4ABM+MVT1VT2Ug1Ug2Ug4VT4VT3Ug3正向正向电动状态电动状态“1” VT1 、VT4 导通导通“2” VD2、VD3 续流续流反向反向电动状态电动状态“3” VT

53、2、VT3 导通导通“4” VD1、VD4 续流续流七、步进电动机的选用七、步进电动机的选用 1、首先根据机械结构简图计算机械传动、首先根据机械结构简图计算机械传动装置及负载折算到电动机转子轴上的装置及负载折算到电动机转子轴上的等效转等效转动惯量动惯量； 2、然后分别计算各种工况下所需的、然后分别计算各种工况下所需的等效等效力矩力矩； 3、再根据步进电动机、再根据步进电动机最大静转矩最大静转矩和和起动起动、运行矩频特性运行矩频特性选择合适的步进电动机。选择合适的步进电动机。七、步进电动机的选用七、步进电动机的选用 1、转矩和惯量的匹配条件、转矩和惯量的匹配条件 TL/Tmax0.5及及 JL/

54、Jm4 Tmax步进电动机的最大静转矩；步进电动机的最大静转矩；TL换算到电动机轴上的负载转矩；换算到电动机轴上的负载转矩；Jm步进电动机转子的最大转动惯量；步进电动机转子的最大转动惯量；JL折算到步进电动机转子上的等效转动惯量；折算到步进电动机转子上的等效转动惯量； 根据上述条件，初选根据上述条件，初选步进电动机的型号步进电动机的型号。然。然后，根据动力学公式后，根据动力学公式检验其起动能力和运动参数检验其起动能力和运动参数。七、步进电动机的选用七、步进电动机的选用fL带惯性负载的最大起动频率；带惯性负载的最大起动频率；fm电动机本身的最大空载起动频率；电动机本身的最大空载起动频率；Jm步进

55、电动机转子的最大转动惯量；步进电动机转子的最大转动惯量；JL折算到步进电动机转子上的等效转动惯量；折算到步进电动机转子上的等效转动惯量； 不同不同JL/Jm下的矩频特性见图下的矩频特性见图4-5。 从起动惯频特性曲线上找出带惯性负载的启从起动惯频特性曲线上找出带惯性负载的启动频率，然后再查其起动转矩和计算起动时间。动频率，然后再查其起动转矩和计算起动时间。当在起动惯矩特性曲线上查不到带惯性负载的当在起动惯矩特性曲线上查不到带惯性负载的最大启动频率，可按下式近似计算。最大启动频率，可按下式近似计算。JmJffLmL/1七、步进电动机的选用七、步进电动机的选用 2、步距角的选择和精度、步距角的选择

56、和精度 步距角的选择是由脉冲当量等因素决定的。步距角的选择是由脉冲当量等因素决定的。步进电动机步进电动机步距角的精度步距角的精度会影响会影响开环系统的精度开环系统的精度。电动机的转角电动机的转角N（为步距角精度）为步距角精度） 是实际角位移与理论角位移之差，称为静止角是实际角位移与理论角位移之差，称为静止角度误差。一般取度误差。一般取（35）。NSNS 直流电机由直流电机由定定子（磁极）、子（磁极）、转转子（电枢）子（电枢）和机和机座等部分构成。座等部分构成。第二节第二节 直流伺服电动机及其驱动直流伺服电动机及其驱动定子定子主磁极主磁极换向极换向极机座机座极心极心极掌极掌极心极心上放置上放置励

57、磁绕组励磁绕组，励磁绕励磁绕组组通人直流励磁电流通人直流励磁电流，主磁极主磁极即即产生固定的极性产生固定的极性；改变励磁改变励磁电流电流的的方向方向，可以改变，可以改变主磁极主磁极的极性的极性。极掌极掌的作用是的作用是使电机使电机空气隙中的磁感应强度的分布最为合适空气隙中的磁感应强度的分布最为合适,并用来并用来阻挡励磁绕组阻挡励磁绕组.换向器换向器的的作用是改善换向作用是改善换向，使，使电动机运行电动机运行时时电刷下电刷下不产生不产生有有害害的的火花火花。换向器固定在机座上。换向器固定在机座上。机座机座又称又称电机外壳电机外壳，它既是电机磁路的一部分，又用来固定，它既是电机磁路的一部分，又用来

58、固定主磁极、换向极，端盖等零件。主磁极、换向极，端盖等零件。转子转子转子转子电枢铁芯电枢铁芯电枢绕组电枢绕组换向器换向器（即电枢）（即电枢）转子转子 直流电机按照直流电机按照方式可分为方式可分为他励电动机他励电动机、并励电动机并励电动机、串励电动机串励电动机和和复励电动机复励电动机UUfIaM+_+_IffR stRIaUM+_IffR stR+_IE磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称为励磁。磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称为励磁。UIa+_IfM复励复励U+_IMIaIUSbNadc 直流电动机的直流电动机的定定子磁场子磁场由由永久磁铁永久磁铁或或由定子磁极通以由定子磁极通以激磁激磁电流电

59、流产生产生，定子，定子磁场磁场的方向是不变的方向是不变的。电的。电枢上枢上通有电流的电枢通有电流的电枢绕组绕组置于定子置于定子磁场当磁场当U U电刷电刷换向片换向片IFFTn中中。电枢绕组电枢绕组由由许多线圈组成许多线圈组成。为了简化直流电动机。为了简化直流电动机结构以说明其工作原理，我们结构以说明其工作原理，我们取其电枢取其电枢中的中的一个单匝一个单匝线圈线圈来来分析分析其其在磁场中所受到的磁场力在磁场中所受到的磁场力。如图所示，。如图所示，线圈线圈abcd为绕轴可转动的线圈，为绕轴可转动的线圈，线圈两端线圈两端头分别头分别与两与两个换向片连接个换向片连接，每个，每个换向片换向片又与一个又与

60、一个电刷电刷保持保持滑动接滑动接触触，而每个，而每个电刷通过引线与直流电源相接电刷通过引线与直流电源相接。BAIUSbNadc 当当直流电源接通直流电源接通后，后，电流电流从从电源正电源正极极经经电刷电刷A和和换向片换向片进入位于进入位于N极区极区的的电电枢线圈边枢线圈边ab，再从，再从位于位于S极区的线圈边极区的线圈边cd流出流出，最后，最后经另经另电刷电刷换向片换向片IffTn一个换向片一个换向片和和电刷电刷B流到流到电源负极电源负极，如图所示。，如图所示。线圈线圈ab和和cd作为载流导体要受到作为载流导体要受到磁场力（安培力）的作用磁场力（安培力）的作用，力的方向力的方向可用可用左手定则