第三章执行元件的选择与设计

1、机械与电子工程学院1第第 三三 章章 执行元件的选择与设计执行元件的选择与设计机械与电子工程学院2 该元件是处于机电一体化系统的该元件是处于机电一体化系统的机械机械运行机构运行机构与与微电子控制装置微电子控制装置的的接点接点（联接）（联接）部位的能量转换元件。部位的能量转换元件。第一节第一节 执行元件的种类、特点及基本要求执行元件的种类、特点及基本要求机械与电子工程学院3一、执行元件的种类及特点一、执行元件的种类及特点机械与电子工程学院4 二、对执行元件的基本要求二、对执行元件的基本要求 1.1.惯量小、动力大惯量小、动力大2.2.体积小、重量轻体积小、重量轻3.3.便于维修、安装便于维修、安

2、装4.4.宜于微机控制宜于微机控制机械与电子工程学院5 第二节第二节 常用的控制用电动机常用的控制用电动机 控制用电动机有力矩电动机、脉冲（步进）电动机、控制用电动机有力矩电动机、脉冲（步进）电动机、变频调速电动机、开关磁阻电动机和各种变频调速电动机、开关磁阻电动机和各种AC/DCAC/DC电动机等。电动机等。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。由于其可在很宽的速度和换为机械能的一种能量转换装置。由于其可在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确的控制，因而在各种机电一体化负载范围内进行连续、精确的控

3、制，因而在各种机电一体化系统中得到了广泛的应用。系统中得到了广泛的应用。 控制用电动机有回转和直线驱动电动机，通过电压、控制用电动机有回转和直线驱动电动机，通过电压、电流、频率电流、频率( (包括指令脉冲包括指令脉冲) )等控制，实现定速、变速驱动或等控制，实现定速、变速驱动或反复起动、停止的增量驱动以及复杂的驱动，而驱动精度随反复起动、停止的增量驱动以及复杂的驱动，而驱动精度随驱动对象的不同而不同。机电一体化系统或产品中常用的控驱动对象的不同而不同。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机。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机。机械与

4、电子工程学院6伺服电动机控制方式的基本形式伺服电动机控制方式的基本形式机械与电子工程学院7一、对控制用电动机的基本要求一、对控制用电动机的基本要求机械与电子工程学院8 二、二、 制用电动机的种类、特点及选用制用电动机的种类、特点及选用机械与电子工程学院9 伺服电动机的特点及应用实例伺服电动机的特点及应用实例 机械与电子工程学院10伺服电动机的性能比较伺服电动机的性能比较机械与电子工程学院11 伺服电动机优缺点比较伺服电动机优缺点比较 机械与电子工程学院12机械与电子工程学院13机械与电子工程学院14机械与电子工程学院15机械与电子工程学院16伺服电动机与驱动器伺服电动机与驱动器驱动器驱动器电动

5、机电动机机械与电子工程学院17直流伺服电机的驱动直流伺服电机的驱动机械与电子工程学院18机械与电子工程学院19机械与电子工程学院20双向调速用双向调速用正负脉冲和导正负脉冲和导通率改变？通率改变？机械与电子工程学院21第四节第四节 步进电动机及其驱动步进电动机及其驱动一、步进电动机的特点与种类一、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 步进电动机的工作状态不易受各种干扰因素步进电动机的工作状态不易受各种干扰因素( (如电如电源电压的波动、电流的大小与波形的变化、温度等源电压的波动、电流的大小与波形的变化、温度等) )的影的影响，只要在它们的大小未引起步进电动机产生

6、响，只要在它们的大小未引起步进电动机产生“丢步丢步”现象之前，就不影响其正常工作；步进电动机的步距现象之前，就不影响其正常工作；步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为但转子转过一转以后，其累积误差变为“零零”，因此不，因此不会长期积累；控制性能好会长期积累；控制性能好, ,在起动、停止、反转时不易在起动、停止、反转时不易“丢步丢步”。位移量与输入的电脉冲数有严格的对应关。位移量与输入的电脉冲数有严格的对应关系，稳定运动时的转速与控制脉冲的频率有严格的对应系，稳定运动时的转速与控制脉冲的频

7、率有严格的对应关系。关系。机械与电子工程学院222. 2. 步进电动机的种类步进电动机的种类 步进电动机的种类很多，有旋转步进电动机的种类很多，有旋转式步进电动机，也有直线步进电动机；式步进电动机，也有直线步进电动机；从励磁相数来分有三相、四相、五相、从励磁相数来分有三相、四相、五相、六相等步进电动机。就常用的旋转式步六相等步进电动机。就常用的旋转式步进电动机的转子结构来说，可将其分为进电动机的转子结构来说，可将其分为以下三种：以下三种：机械与电子工程学院231 1）可变磁阻）可变磁阻(VR-Variable Reluctance)(VR-Variable Reluctance)型型 该类电动

8、机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用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驱动，故又称反应式步软磁钢制成的齿形转子作步进驱动，故又称反应式步进电动机。其结构原理如图进电动机。其结构原理如图3.103.10所示。其定子所示。其定子1 1与转与转子子2 2由铁心构成，没有永久磁铁，定子上嵌有线圈，由铁心构成，没有永久磁铁，定子上嵌有线圈，转子朝定子与转子之间磁阻最小方向转动，并由此而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型。得名可变磁型。 此类电动机的转子结构简单、转子直径小，有利此类电动机的转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。由于于高速响应。由

9、于VRVR型步进电动机的铁心无极性，故型步进电动机的铁心无极性，故不需改变电流极性，为此，多为单极性励磁。不需改变电流极性，为此，多为单极性励磁。机械与电子工程学院24可变磁阻可变磁阻(VR-Variable Reluctance)型型机械与电子工程学院25机械与电子工程学院26 该类电动机的定子与转子均不含该类电动机的定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力。另永久磁铁，故无励磁时没有保持力。另外，需要将气隙做得尽可能小，例如几外，需要将气隙做得尽可能小，例如几个微米。这种电动机具有制造成本高、个微米。这种电动机具有制造成本高、效率低、转子的阻尼差、噪声大等缺点。效率低、转子的阻尼差、

10、噪声大等缺点。但是，由于其制造材料费用低、结构简但是，由于其制造材料费用低、结构简单、步距角小，随着加工技术的进步，单、步距角小，随着加工技术的进步，可望成为多用途的机种。可望成为多用途的机种。机械与电子工程学院27 2) 2) 永磁永磁(PM-Permanent Magnet)(PM-Permanent Magnet)型型机械与电子工程学院28 PMPM型步进电动机的转子型步进电动机的转子2 2采用永久磁铁、定子采用永久磁铁、定子1 1采用软磁钢制成，绕组采用软磁钢制成，绕组3 3轮流通电，建立的磁场与永轮流通电，建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩。其结久磁铁的恒定磁场相互

11、吸引与排斥产生转矩。其结构如图构如图3.113.11所示。这种电动机由于采用了永久磁铁，所示。这种电动机由于采用了永久磁铁，即使定子绕组断电也能保持一定转矩，故具有记忆即使定子绕组断电也能保持一定转矩，故具有记忆能力，可用做定位驱动。能力，可用做定位驱动。PMPM型电动机的特点是励磁型电动机的特点是励磁功率小、效率高、造价低，因此需要量也大。由于功率小、效率高、造价低，因此需要量也大。由于转子磁铁的磁化间距受到限制，难于制造，故步距转子磁铁的磁化间距受到限制，难于制造，故步距角较大。与角较大。与VRVR型相比转矩大，但转子惯量也较大。型相比转矩大，但转子惯量也较大。机械与电子工程学院293)3

12、)混合混合(HB-Hybrid)(HB-Hybrid)型型机械与电子工程学院30混合混合(HB-Hybrid)(HB-Hybrid)型例型例机械与电子工程学院31 该型步进电机不仅具有该型步进电机不仅具有VRVR型步进电动机步距角小、型步进电动机步距角小、响应频率高的优点，而且还具有响应频率高的优点，而且还具有PMPM型步进电动机励磁型步进电动机励磁功率小、效率高的优点。它的定子与功率小、效率高的优点。它的定子与VRVR型没有多大差型没有多大差别，只是在相数和绕组接线方面有其特殊的地方，例别，只是在相数和绕组接线方面有其特殊的地方，例如，如，VRVR型一般都做成集中绕组的形式，每极上放有一型一

13、般都做成集中绕组的形式，每极上放有一套绕组，相对的两极为一相，而套绕组，相对的两极为一相，而HBHB型步进电动机的定型步进电动机的定子绕组大多数为四相，而且每极同时绕两相绕组或采子绕组大多数为四相，而且每极同时绕两相绕组或采用桥式电路绕一相绕组，按正反脉冲供电。用桥式电路绕一相绕组，按正反脉冲供电。 这种类型的电动机由转子铁心的凸极数和定子的这种类型的电动机由转子铁心的凸极数和定子的副凸极数决定步距角的大小，可制造出步距角较小副凸极数决定步距角的大小，可制造出步距角较小( (0.93.6) )的电动机。永久磁铁也可磁化轴向的两极，的电动机。永久磁铁也可磁化轴向的两极，可使用轴向各向异性磁铁制成

14、高效电动机。可使用轴向各向异性磁铁制成高效电动机。机械与电子工程学院32 混合型与永磁型多为双极性励磁。由于都采用了永混合型与永磁型多为双极性励磁。由于都采用了永久磁铁，所以，无励磁时具有保持力。另外，励磁时的久磁铁，所以，无励磁时具有保持力。另外，励磁时的静止转矩都比静止转矩都比VRVR型步进电动机的大。型步进电动机的大。HBHB和和PMPM型步进电动型步进电动机能够用做超低速同步电动机，如用机能够用做超低速同步电动机，如用60Hz60Hz驱动每步驱动每步1.81.8的电动机可作为的电动机可作为72r72rminmin的同步电动机使用。的同步电动机使用。 步进电动机与步进电动机与DCDC和和

15、ACAC伺服电动机相比其转矩、效率、伺服电动机相比其转矩、效率、精度、高速性比较差，但步进电动机具有低速时转矩大、精度、高速性比较差，但步进电动机具有低速时转矩大、速度控制比较简单、外形尺寸小等优点，所以在办公室速度控制比较简单、外形尺寸小等优点，所以在办公室自动化方面的打印机、绘图机、复印机等机电一体化产自动化方面的打印机、绘图机、复印机等机电一体化产品中得到广泛使用，在工厂自动化方面也可代替低档的品中得到广泛使用，在工厂自动化方面也可代替低档的DCDC伺服电动机。伺服电动机。机械与电子工程学院33 二、步进电动机的工作原理二、步进电动机的工作原理机械与电子工程学院34 如上图a所示，如果先

16、将电脉冲加到A相励磁绕组，定子A相磁极就产生磁通，并对转子产生磁拉力，使转子的1、3两个齿与定子的A相磁极对齐。而后再将电脉冲通入B相励磁绕组，B相磁极便产生磁通。由图b可以看出，这时转子2、4两个齿与B相磁极靠得最近，于是转子便沿着逆时针方向转过30 角，使转子2、4两个齿与定子B相磁极对齐。如果按照ABCA的顺序通电，转子则沿反时针方向一步步地转动，每步转过30，这个角度就叫步距角。显然，单位时间内通入的电脉冲数越多，即电脉冲频率越高，电动机转速就越高。如果按ABCA的顺序通电，步进电动机将沿顺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，每一拍转子转动一个步距角。像上述的步进

17、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。机械与电子工程学院35 如果使两相励磁绕组同时通电，即按ABBCCAAB顺序通电，这种通电方式称为三相双三拍，其步距角仍为30。 还有一种是按三相六拍通电方式工作的步进电动机，即按照AABBBCCCAA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l5，如下图所示。 机械与电子工程学院36四四 相相步距角步距角360(z m)z-转子齿数；转子齿数；m-运行拍数，通常运行拍数，通常等于相数或相数整数倍，即等于相数或相数整数倍，即m=KN(N为电动机的相数，单拍为电动机的相数，单拍时时K1，双拍时

18、，双拍时K2)。机械与电子工程学院37 反应式步进电动机环形脉冲分配方式表相 数 环 形 分 配 方 式 名 称 系 数K 3 3 A - B - C - A - A B - B C - C A - A B - 三 相 单 三 拍 ( 1 相 励 磁 ) 三 相 双 三 拍 ( 2 相 励 磁 ) 1 1 3 A - A B - B - B C - C - C A - A - 三 相 六 拍 ( 1 - 2 相 励 磁 ) 2 4 4 4 A - B - C - D - A - A B - B C - C D - D A - A B - A - A B - B - B C - C - C D

19、- D - D A - A - 四 相 单 四 拍 ( 1 相 励 磁 ) 四 相 双 四 拍 ( 2 相 励 磁 ) 四 相 八 拍 ( 1 - 2 相 励 滋 ) 1 1 2 5 5 5 A - B - C - D - E - A - A B - B C - C D - D E - E A - A B - A B - A B C - B C - B C D - C D - C D E - D E - D E A - E A B - A B - 五 相 单 五 拍 ( 1 相 励 磁 ) 五 相 双 五 拍 ( 2 相 励 磁 ) 五 相 十 拍 ( 2 - 3 相 励 磁 ) 1 1 2

20、6 6 6 6 A - B - C - D - E - F - A - A B - B C - C D - D E - E F - F A - A B - A B C - B C D - C D E - D E F - E F A - F A B - A B C - A B - A B C - B C - B C D - C D - C D E - D E - D E F - E F - E F A - F A - F A B - A B 六 相 单 六 拍 ( 1 相 励 磁 ) 六 相 双 六 拍 ( 2 相 励 磁 ) 六 相 六 拍 ( 3 相 励 磁 ) 六 相 十 二 拍 ( 2

21、- 3 相 励 磁 ) 1 1 1 2 机械与电子工程学院38 三、三、 步进电动机的运行特性及性能指标步进电动机的运行特性及性能指标 1.1. 分辨力分辨力 在一个电脉冲作用下在一个电脉冲作用下( (即一拍即一拍) )，电动机转子转过的角位移，即步距角越小，电动机转子转过的角位移，即步距角越小，分辨力越高。最常用的有分辨力越高。最常用的有0.61.2、0.751.5、0.91.8、12、1.53等。等。机械与电子工程学院39机械与电子工程学院403.3.动态特性动态特性机械与电子工程学院41机械与电子工程学院42机械与电子工程学院43机械与电子工程学院44机械与电子工程学院45机械与电子工程

22、学院46上图中，上图中，A A 相与相与B B 相矩相矩- -角特性曲线之交点所对应的转矩称为起动转矩，角特性曲线之交点所对应的转矩称为起动转矩，它表示步进电动机单相励磁时所能带动的极限负载转矩。起动转矩通它表示步进电动机单相励磁时所能带动的极限负载转矩。起动转矩通常与步进电动机相数和通电方式有关，如下表所示。常与步进电动机相数和通电方式有关，如下表所示。机械与电子工程学院47最高连续运行频率及矩最高连续运行频率及矩- -频特性频特性机械与电子工程学院48机械与电子工程学院49 空载起动频率与惯空载起动频率与惯- -频特性频特性 机械与电子工程学院50机械与电子工程学院51机械与电子工程学院5

23、2低频共振和高频振荡低频共振和高频振荡 低频段起动时，输入脉冲频率等于步进电机的固低频段起动时，输入脉冲频率等于步进电机的固有频率，会出现转子振荡的振幅越来越大，电动有频率，会出现转子振荡的振幅越来越大，电动机不能起动机不能起动 工作在高频段时，会出现控制绕组内电流产生振工作在高频段时，会出现控制绕组内电流产生振荡，使转动呈现不均匀，以致失步的现象荡，使转动呈现不均匀，以致失步的现象 由于参数不同，低频共振和高频振荡频率也不同，由于参数不同，低频共振和高频振荡频率也不同，应避免使输入脉冲频率等于上述两种频率应避免使输入脉冲频率等于上述两种频率机械与电子工程学院53步进电机的选择要求步进电机的选

24、择要求 不振荡，不丢步，好的动态性能不振荡，不丢步，好的动态性能 电机输出转矩电机输出转矩 负载所需扭矩，使步进负载所需扭矩，使步进电机的矩电机的矩- -频特性有余量（转矩匹配）频特性有余量（转矩匹配） 计算机械系统负载惯量和机械系统所需计算机械系统负载惯量和机械系统所需求的启动频率，并使之与步进电机惯求的启动频率，并使之与步进电机惯- -频频特性相匹配，并有一定的余量（惯量匹特性相匹配，并有一定的余量（惯量匹配）配） 步距角与机械系统相匹配，得到要求的步距角与机械系统相匹配，得到要求的分辨力（精度匹配）分辨力（精度匹配）机械与电子工程学院54 四、步进电动机的驱动与控制四、步进电动机的驱动与

25、控制( (开环开环) )机械与电子工程学院55机械与电子工程学院56机械与电子工程学院57机械与电子工程学院582.2.功率放大器功率放大器（1 1）能提供较快的电流上升和下降速度，使）能提供较快的电流上升和下降速度，使电流波形尽量接近矩形，电流波形尽量接近矩形，（2 2）具有供截止期间释放电流流通的回路，）具有供截止期间释放电流流通的回路，以降低绕组两端的反电动势，加快电流衰减，以降低绕组两端的反电动势，加快电流衰减，（3 3）功耗低，效率高）功耗低，效率高机械与电子工程学院59机械与电子工程学院60机械与电子工程学院613. 3. 细分驱动细分驱动 如果要求步进电动机有更小的步距角或者为减

26、小电如果要求步进电动机有更小的步距角或者为减小电动机振动、噪声等原因，可以在每次输入脉冲切换时，动机振动、噪声等原因，可以在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或切除，而是只改变相应绕组不是将绕组电流全部通入或切除，而是只改变相应绕组中额定电流的一部分，则电动机转过的每步运动也只有中额定电流的一部分，则电动机转过的每步运动也只有步距角的一部分。这里绕组电流不是一个方波，而是阶步距角的一部分。这里绕组电流不是一个方波，而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除，电流分成多少梯波，额定电流是台阶式的投入或切除，电流分成多少个台阶，则转子就以同样的个数转过一个步距角。个台阶，则转子就以同样的个数转过一个步距角。这样这样