第三章执行元件的选择与设计

1、1第一节 执行元件的种类、特点及基本要求 第二节 常用的控制用电动机 第三节 步进电动机及驱动（）第四节 直流(DC)与交流(AC)伺服电动机及驱动 习题与思考题2l执行元件的概念：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（联接）部位的能量转换元件3.1 3.1 种类、特点及基本要求种类、特点及基本要求 23u 是机电一体化系统必不可少的驱动部件驱动部件.u 处于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能量转换元件。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，电动机、电磁铁、继电器、液动机、油（气缸）、内燃机等把输入的电能、液压能、气压能

2、和化学能转换为机械能。u 大多数执行元件已系列化商品生产，在机电一体化系统设计时，作为标准件直接选用、外购。 3.1 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4执行元件执行元件电动机电动机45执行元件执行元件电动机电动机66执行元件执行元件电动机电动机7直线电机平台直线电机平台78直线电机平台直线电机平台89执行元件执行元件电动机电动机10执行元件电动机11执行元件执行元件电动机电动机12执行元件执行元件气压式气压式13执行元件执行元件液压式液压式1314电机执行元件的应用电机执行元件的应用15液压执行元件的应用液压执行元件的应用16液压执行元件的应用液压执行元件的应用17

3、压电驱动器压电驱动器18压电驱动器压电驱动器19压电驱动器压电驱动器203.1.13.1.1 执行元件的种类及特点执行元件的种类及特点 根据使用能量的不同，将执行元件分为电磁式、液压式和气压式等几种类型，如图所示将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构运动先将电能变换为液压能并用电磁阀改变压力油的流向，从而使液压执行元件驱动运行机构运动其他执行元件与使用材料有关，如使用双金属片、形状记忆合金或压电元件21包括直流(DC)电动机、交流(AC)电动机、步进电动机、超声波电动机以及电磁铁等。电磁式的电动机和电磁铁，实用且易实现最为常用。要求：除稳速运转性能外，还要求具有良好的加速、减速性能和伺服性

4、能等动态性能以及频繁使用时的适应性和便于维修性能。22驱动系统：由电源供给电力，经电力变换器变换后输送给电动机，使电动机作回转(或直线)运动，在微电子控制信号的控制下，驱动负载机械按所需要的要求运动。具有反馈环节的为闭环系统，没有反馈环节的为开环系统。另外，其他电气式执行元件中还有微量位移用器件，电磁铁-由线圈和衔铁两部分组成，结构简单，是单向驱动，需用弹簧复位，用于实现两固定点间的快速驱动；电热驱动器-利用物体的热变形来驱动运行机构的直线位移，用控制电热器的加热电流来改变位移量，实现微量进给。23 包括往复运动的油缸、回转油缸、液压马达等。 目前，世界上已开发了各种数字式液压式执行元件，例如

5、电-液伺服马达和电-液步进马达， 优点：比电动机的转矩大，可以直接驱动运行机构，转矩/惯量比大，过载能力强，适合于重载的高加减速驱动。243. 气压式执行元件 与液压式执行元件相比除用压缩空气作工作介质外，无区别。 气压执行元件：气缸、气压马达等。 特点：可得到较大的驱动力、行程和速度，由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度较高的场合使用。25表 3-1 执行元件的特点以及优缺点 263.1.2 3.1.2 1. 1. 惯量小、动力大惯量小、动力大272. 体积小、重量轻既要缩小执行元件的体积、减轻重量，同时又要增大其动力，故通常用执行元件的单位重量所能达到的输出功率或比功率，用功率密

6、度或比功率密度来评价这项指标。设执行元件的重量为G，则 功率密度=P/G (KW/N) 比功率密度=(T2/J)/G283. 3. 便于维修、安装便于维修、安装 最好不需要维修，无刷DC及AC伺服电动机就是走向无维修的一例。4. 4. 宜于微机控制宜于微机控制 最方便的是电气式执行元件。因此，执行元件的主流是电气式；其次是液压式和气压式(在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节)；内燃机定位运动的微机控制较难，故通常仅被用于交通运输机械。293.2 控制用电动机是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。 可在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确的控制。 力矩电动机、脉冲（步进）电动机、变频调速

7、电动机、开关磁阻电动机和各种AC/DC电动机等。 有回转和直线驱动电动机，通过电压、电流、频率(指令脉冲)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，而驱动精度随驱动对象的不同而不同。 常用常用控制用电动机控制用电动机指能提供正确运动或较复杂动作的指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电动机。伺服电动机。3031 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 323.2.1 对控制用电动机的基本要求mNNTTNJTTdtdTdtTddtdpN21.性能密度大，即功率密度和比功率大，电动机的功率密度 PG=P/G，电动机的比功率式中: TN-电动机的额定转矩 Jm-电

8、动机转子的转动惯量为实现运动、功率为实现运动、功率/能量、控制运动方式的转换，对伺服控制电动能量、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。机提出了一些基本要求。332. 快速性好，即加速转矩大，频响特性好3. 位置控制精度高，调速范围宽，低速运行稳定无爬行现象、分辨率高、振动噪声小4. 适应起、停频繁的工作要求，可靠性高、寿命长5. 易于与计算机对接，实现计算机控制。34二、控制用电动机的种类、特点及选用动力用电动机控制用电动机感应式异步电动机感应式异步电动机同步电动机同步电动机力矩电动机力矩电动机脉冲电动机脉冲电动机开关磁阻电动机开关磁阻电动机变频调速电动机变频调速电动机AC

9、/DCAC/DC电动机电动机35 对于起停频率低(如几十次分)，但要求低速平稳和扭矩脉动小，高速运行时振动、噪声小，在整个调速范围内均可稳定运动的机械，如NC工作机械的进给运动、机器人的驱动系统，其功率密度是主要的性能指标； 对于启停频率高(如数百次分)，低速平稳性要求不高的产品，如高速打印机、绘图机、打孔机、集成电路焊接装置等主要的性能指标是高比功率。 比功率由高到低依次为交流伺服电动机、直流伺服电动机和步进电动机 363.2.2 3.2.2 常用常用控制用电动机及特点控制用旋控制用旋转电动机转电动机DC伺服电机伺服电机步进电动机步进电动机有槽芯电枢型、无槽铁芯电枢型、有槽芯电枢型、无槽铁芯

10、电枢型、电枢型（无槽铁芯型和无铁芯型）电枢型（无槽铁芯型和无铁芯型）同步同步(无刷无刷DC伺服伺服)电机电机感应电机感应电机(IM伺服伺服)变磁阻型变磁阻型永磁型永磁型混合型混合型AC伺服电动机伺服电动机37根据线圈的励磁特性来分类伺服电机伺服电机DCDC伺服电机伺服电机感应电机感应电机定子转子线圈中的电流均为直流定子转子线圈中的电流均为直流一个线圈的电流时交流，一个线圈的电流时交流，另一个线圈的电流为直流另一个线圈的电流为直流两个线圈中的电流均交流两个线圈中的电流均交流同步电机同步电机3839表3-4 伺服电动机的性能比较40 表3-5 伺服电动机优缺点比较 4141424344453.3

11、3.3.1 3.3.1 步进电动机的特点与种类步进电动机的特点与种类1.1 步进电动机又称脉冲电机，将电脉冲信号转换成机械 角位移的执行元件。输入一个脉冲 ，电机转动一步，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。461.2 步进电动机的特点步进电机的工作状态不易受各种因素干扰的影响；步进电机的步距角有误差，转子转过一定角度后会出现累积误差，但转子转过一圈后，累积误差变为零。控制性能好，在启动、停止、反转时不易丢步。适用于开环控制的机电一体化系统。472. 步进电动机的种类运动轨迹l旋转式步进电动机l有直线步进电动机励磁相数l三相、四相、五相、六相等转子

12、结构（三种）l可变磁阻(VR-Variable Reluctance)型l永磁(PM-Permanent Magnet)型l混合(HB-Hybrid)型482. 步进电动机的种类 1）可变磁阻(VR-Variable Reluctance)型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，故又称反应式步进电动机，结构原理如图3.3所示。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VR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。49其定子1与转子2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，并由此而得

13、名可变磁型。50轮流给三相磁极通电，转子就会一步步的转动，通电的次序不同，转子的转动方向不同。给各相磁极的通电频率越高，步进电动机转速就越快。转子每拍的稳定位置是处于两相磁极的几何中线上，步距角不变。51 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。 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、效率低、转子的阻尼差、噪声大等缺点。 由于其制造材料费用低、结构简单、步距角小等特点，可成为多用途的机种。52可变磁阻(VR-Variable Reluctance)型可变磁阻型步进电动机53 2) 永磁(PM-Permanent Magnet)型n 转子2采用永久

14、磁铁、定子1采用软磁钢制成，绕组3轮流通电，n 定子每极的相数等于转子的极数n 不开小齿，大步距、大力矩SN54u 该电动机为了实现连续转动，若定子的激励相序不发生变化，则必须在180转角期间提供电流换向。u 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，故具有记忆能力记忆能力，可用做定位驱动定位驱动。u 特点:励磁功率小、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，故步距角较大；需要正负脉冲供电；与VR型相比转矩大，但转子惯量也较大553)混合(HB-Hybrid)型-永磁感应式步进电动机转子永磁，两极，定子转子均开小齿，混合了前两种的优点具有VR型步进

15、电动机步距角小、响应频率高的优点；还具有PM型步进电动机励磁功率小、效率高的优点。56l特点具有VR型步进电动机步距角小、响应频率高的优点具有PM型步进电动机励磁功率小、效率高的优点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(0.93.6)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高效电动机。57混合(HB-Hybrid)型例混合型步进电动机58 步进电动机与DC和AC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、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品中

16、得到广泛使用，在工厂自动化方面也可代替低档的DC伺服电动机。 593.3.2 3.3.2 步进电动机的工作原理A 相通电，产生磁通，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。磁通总是走磁阻最小的路径磁通总是走磁阻最小的路径,由于磁力线的扭曲而产生拖动转矩。三相由于磁力线的扭曲而产生拖动转矩。三相反应式步进电动机按通电方式的不同，每步转动不同的角度。下面以反应式步进电动机按通电方式的不同，每步转动不同的角度。下面以三相单三拍为例，说明其工作原理三相单三拍为例，说明其工作原理60B 相通电，相通电，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

17、子便沿着逆时针方向转过30，使转子2、4两个齿与定子B相磁极对齐。将电脉冲通入C相励磁绕组，C相磁极便产生磁通。由图C可以看出，这时转子1、3两个齿与C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1、3两个齿与定子C相磁极对齐。ABCA-三相单三拍三相单三拍61三相步进电动机具有三相单三拍、三相六拍和三相双三拍运行状态。三相步进电动机具有三相单三拍、三相六拍和三相双三拍运行状态。“三相三相”：步进电动机具有三相定子绕组。步进电动机具有三相定子绕组。“单、双单、双”：每次只有一相（单）或两相（双）绕组通每次只有一相（单）或两相（双）绕组通电。电。 “三拍三拍”：每三次换接为一个循

18、环。有三种通电状态。每三次换接为一个循环。有三种通电状态。“六拍六拍”：每六次换接为一个循环。有每六次换接为一个循环。有六种通电状态。六种通电状态。A-AB-B-BC-C-CA-AA-B-C-A每次通电状态，转子每步转过每次通电状态，转子每步转过30，这，这个角度就叫个角度就叫步距角步距角；单位时间内通入的；单位时间内通入的电脉冲数越多，电动机转速就越高。电脉冲数越多，电动机转速就越高。62 三相单双六拍三相单双六拍 AAB B BC C CA A CABBCA3412CABBCA3412CABBCA341263 三相双三拍三相双三拍 AB通电CABBCA3412CABBCA3412BC通电6

19、4 三相双三拍三相双三拍 ABBC CA ABCA通电CABBCA3412AB通电CABBCA341265 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： 步距角360(z m) 式中 z-转子齿数； m-运行拍数，m=KN N：电动机的相数步距角K1 单拍时2 双拍时通电类型定子相数n转子齿数z通电系数k步距角三相单三拍三相单三拍34130三相单双六拍三相单双六拍34215三相双三拍三相双三拍3413066步距角越小，所能达到的位置精度越高，通常步距角为3和1.5 ，为此要将转子、定子做成多齿的，两种齿的齿宽和齿距相等，转子上齿数为40，定子仍有6个磁极，每个磁极上加工5个小齿。

20、转子齿距为360 /40=9，齿宽、齿槽各为4.5 为使定子转子的齿对齐，定子转子上的的齿宽和齿距相等67个齿31139120A相通电时，定子A相的5个齿与转子齿对齐，此时，B相和A相空间差120度，所以A相定子与转子齿对齐时，B、C相不能对齐，B相的转子与定子相差1/3个齿，C相定子与转子相差2/3个齿工作原理：单三拍通电工作方式C相和A相空间差240度，个齿3226924068A相断电，B相通电后，转子只需要转过1/3个齿(3度)，使B相定子齿与转子齿对齐；同样，C相通电时，转子齿再转过3度若工作方式改为三相六拍，则每个通电脉冲转子只转过1.5度步进电机的转动方向由相序决定69每输入一个脉

21、冲，转子转过整个圆周的每输入一个脉冲，转子转过整个圆周的 1 /（ Zm ），），也就是转过也就是转过 1 /（Zm ）转，故转速为：转，故转速为：转 速min60rZmfn 一台四相步进电动机，设其为四相八拍运行。转子上共有一台四相步进电动机，设其为四相八拍运行。转子上共有50个齿，个齿，计算计算n=1000r/min时，控制脉冲频率？时，控制脉冲频率？Zmfn60HznZmf67.6666085010006070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 )

22、 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 - 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

23、 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 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

24、 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 - 3 相 励 磁 ) 1 1 1 2 711. 分辨力 在一个电脉冲作用下(即一拍)，电动机转子转过的角位移，即步距角。 越小，分辨力越高。常用的有0.751.5、0.91.8,1.53。3.3.3 3.3.3 步进电动机的运行特性及性能指标 静转矩：

25、静转矩：步进电机处于稳定状态下的电磁转矩静态：静态：步进电机的稳定状态(步进电机处于通电状态不变，转子保持不动的定位状态)72如果在电动机转子轴上加一负载TL，则转子齿的中心线与定子齿的中心线将错过一个电角度e才能重新稳定下来。此时转子上的电磁转矩T1与负载转矩TL相等,定子齿轴线与转子齿轴线之间的夹定子齿轴线与转子齿轴线之间的夹角，称为失调角角，称为失调角 e 。在空载状态下，给步进电动机某相通以直流电流时，转子齿的中心线与定子齿的中心线相重合，转子上没有转矩输出，e =0 ,此时为转子的初始稳定平衡位置。 tee转子转子73当当e=0时转子齿轴线和定子齿轴线重合，此时定、转子齿之间虽有时转

26、子齿轴线和定子齿轴线重合，此时定、转子齿之间虽有较大的吸力，但吸力垂直于转轴，故电机产生的转矩为较大的吸力，但吸力垂直于转轴，故电机产生的转矩为0，如图所示。，如图所示。单相通电时，通电相齿会产生转矩，单相通电时，通电相齿会产生转矩，定子与转子对应齿所产生的转矩都定子与转子对应齿所产生的转矩都是相同的，用一对定、转子齿的相是相同的，用一对定、转子齿的相对位置来表示，电机总的转矩等于对位置来表示，电机总的转矩等于通电相极下各个定子齿所产生的转通电相极下各个定子齿所产生的转矩之和。矩之和。1e=074在外力的作用下，转动转子使在外力的作用下，转动转子使e增加，磁力线被扭曲产生电磁转矩增增加，磁力线

27、被扭曲产生电磁转矩增加，与其平衡的外转矩也增大加，与其平衡的外转矩也增大,当当e = /2 (即即1/4齿距角齿距角)时转矩最大时转矩最大1e= /2 T11e= /4 T11e= 0 T175继续增加继续增加e ，电磁转矩反而减小，与其平衡的外转矩也变小，直电磁转矩反而减小，与其平衡的外转矩也变小，直到到e = 时，外转矩又为时，外转矩又为0。1e= 1e= /2 T11e= 3/4 T176当当e时，电磁转矩改变方向，外转矩也改变方向，变为负值。当时，电磁转矩改变方向，外转矩也改变方向，变为负值。当e= 3/2时，外转矩达到负的最大值。时，外转矩达到负的最大值。1e= T11e=5/4 1

28、e = 3/2T177e继续增加，继续增加，电磁转矩反向减小，与其平衡的外转矩也变小，电磁转矩反向减小，与其平衡的外转矩也变小，直到直到e= 2时，外转矩又变成时，外转矩又变成0 0值。转子转动一个齿距（值。转子转动一个齿距（ 2电角度电角度）1e= 21e = 3/2T11e = 7/4T178由于步进电机所产生的转矩是与外转矩相平衡的，因此外转矩随由于步进电机所产生的转矩是与外转矩相平衡的，因此外转矩随失调角失调角e变化的规律，就是步进电机产生的静态转矩变化的规律，就是步进电机产生的静态转矩T T 随失调角随失调角e的的变化规律。变化规律。T = fT = f（ e ）规律规律曲线，为电机

29、的矩角特性。曲线，为电机的矩角特性。eT03/2/21e= /2 T1Teme79当当e +时，转矩的方向与时，转矩的方向与e角增角增加的方向相同，故取转矩为正值。加的方向相同，故取转矩为正值。80n当e =90，静态转矩为最大值静态转矩为最大值T Tjmaxjmax表示了步进电动机承受负载表示了步进电动机承受负载的能力，是步进电动机的最主要性能指标之一。的能力，是步进电动机的最主要性能指标之一。n静态转矩越大，自锁力矩越大，静态误差就越小。n当e 在-到的范围内时，若撤掉负载转矩TL，转子仍能回到初始稳定平衡位置，因此- e 的区域称为步进电动机的静态稳定区域eT0-/2/2T Tjmaxj

30、max81l当e =90时，其静态转矩Tjmax为最大静转矩。Tj与e 之间的关系曲线大致为一条正弦曲线，该曲线称为矩-角特性曲线。l静态转矩越大，自锁力矩越大，静态误差就越小。l当e 在-到的范围内时，若撤掉负载转矩TL，转子仍能回到初始稳定平衡位置，因此- e 的区域称为步进电动机的静态稳定区域82l步进电机的动态特性将直接影响到系统的快速响应性能和工作的可靠性l在某一通电方式下，各相得矩-角特性综合称为矩-角特性曲线，如图(a)所示，每一曲线依次错开的角度为2/m(m为运行拍数)，当通电方式为三相三拍时，e =2/3;三相六拍时，e =/3(图b所示)83 动态稳定区：由图所示，步进电动

31、机从A相通电状态切换到B相(或者AB相）通电状态时，不至引起丢步，该区域称为动态稳定区。由于每一条曲线依次错开一个电角度，故步进电动机在拍数越多的运行方式下，其动态稳定区越接近于静态稳定区，裕量r也就越大，运行中也就越不容易丢步。 84 启动转矩 A 相与B 相矩-角特性曲线之交点所对应的转矩称为启动转矩，它表示步进电动机单相励磁时所能带动的极限负载转矩。启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。85 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 步进电动机在连续运行时所能接受的最高控制频率称为最高运行频率，以fmax表示。在连续运行状态下，其电磁转矩随控制频率的升

32、高而逐步下降步进电机运行时，输出转矩与输入控制频率之间的关系称为矩-频特性。在不同的控制频率下电动机所产生的转矩称为动态转矩。选用步进电动机时，应使实际应用的运行频率与负载转矩所对应的运行工作点位于运行矩频特性之下，才能保证步进电动机不失步地正常运行86矩-频特性及联系尺寸87在空载状态下，转子从静止状态能够不失步地启动时的最大控制频率称为空载启动频率空载启动频率或控制突跳频率控制突跳频率，当带载启动时，所允许的起跳频率会大大下降，步进电动机带动惯性负载时的起跳频率与负载转动惯量之间的关系称为惯-频特性。负载转动惯量的增加，起跳频率降低。除惯性负载外，还有外负载转矩，则起动频率会进一步下降。一

33、般来说，fmax远远大于启动频率，在高于最高连续运行频率时，电动机将产生失步现象。不同负载下，电机允许的最高连续运行频率不同，一般步进电动机说明书上都会指明控制最高连续运行频率和空载启动频率。88893.3.4 90 反应式步进电动机技术性能数据9192933.3.4 步进电动机的驱动与控制 驱动电源由脉冲分配器、功率放大器等组成，如下图所示。脉脉冲冲分分配配器器功放电路功放电路三三相相步步进进电电机机负载负载功率电功率电源源分配器电源分配器电源功放电路功放电路功放电路功放电路功率放大器功率放大器步进脉冲步进脉冲方向信号方向信号fABC94l驱动电源的组成驱动电源是将变频信号源送来的脉冲信号脉

34、冲信号及方向信号方向信号按要求循环供给电动机各相绕组，以驱动电动机转子正反向旋转。变频信号源是可提供从几赫兹到几万赫兹的频率信号连续可调的脉冲信号发生器。因此，只要控制输入电脉冲的数量及频率就可精确控制步进电动机的转角及转速。l试求：步进电机的转速（r/min）9495当方向电平为低时，脉冲分配器的当方向电平为低时，脉冲分配器的输出按输出按A-B-CA-B-C的顺序循环产生脉冲。的顺序循环产生脉冲。fABC当方向电平为高时，脉冲分配器的当方向电平为高时，脉冲分配器的输出按输出按A-C-BA-C-B的顺序循环产生脉冲。的顺序循环产生脉冲。 ABCf1. 1. 环形脉冲分配器环形脉冲分配器使电动机

35、绕组的通电顺序按一定规律变化的部分称为脉冲分配器（环使电动机绕组的通电顺序按一定规律变化的部分称为脉冲分配器（环形脉冲分配器）。形脉冲分配器）。96实现环形分配的方法有三种：实现环形分配的方法有三种： 一种采用计算机软件一种采用计算机软件, ,软环分软环分 小规模集成电路搭建环行分配器、小规模集成电路搭建环行分配器、 专用环形分配器专用环形分配器97979899表中为三相六拍分配状态，可将表中状态代码0lH、03H、02H、06H、04H、05H列入程序数据表中, 依次在数据表中读取并通过输出端口输出即可，通过正向和反向顺序读取可控制电动机进行正反转。通过控制读取一次数据的时间间隔可控制电动机

36、的转速。1111iiiiiAX BXCX BXC100 1. 1. 专用环形分配器器件专用环形分配器器件 CH250为一种三相步进电动机专用环形分配器为一种三相步进电动机专用环形分配器,可以实可以实现三相步进电动机的各种环形分配，使用方便、接口简现三相步进电动机的各种环形分配，使用方便、接口简单。下图为单。下图为CH250的管脚图、图的管脚图、图b为三相六拍接线图。为三相六拍接线图。100101CH250工作状态A、B、C三个输出三个输出端，当输入端端，当输入端CL或或EN加上时钟脉加上时钟脉冲后，输出波形将冲后，输出波形将符合三相反应式步符合三相反应式步进电动机的要求。进电动机的要求。若采用

37、若采用CL脉冲输入端时，脉冲输入端时，是上升沿触发，同时是上升沿触发，同时EN为使能端，为使能端，EN1时工时工作，作，EN0时禁止。时禁止。采用采用EN作时钟端，则下作时钟端，则下降沿触发，此时降沿触发，此时CL为使为使能端，能端，CL0时工作，时工作，CL1时禁止。时禁止。lR和和R*分别为双三拍运行和六拍运行的复位分别为双三拍运行和六拍运行的复位端。当端。当R加上正脉冲，加上正脉冲，ABC的状态为的状态为110，而，而R*加上正脉冲后，加上正脉冲后，ABC的状态为的状态为100，以避免，以避免ABC出现出现000或或111非法状态。非法状态。 J3r、J3L是双向双三拍的控制端，三相双三

38、拍工作时， J3r=1，J3L=0，电动机正转， J3r=0，J3L=1，电机反转。J6r、J6L是三相六拍的控制端，三相六拍供电时， J6r=1，J6L=0，电机正转， J6r=0，J6L=1，电机反转。102102三相六拍：ABBBCCCAA103103三相双三拍：ABBCCAAB1042. 2. 功率放大器功率放大器 又称为驱动电路，作用是将脉冲发生器的输出脉冲进行功率放大，又称为驱动电路，作用是将脉冲发生器的输出脉冲进行功率放大，给步进电机相绕组提供足够的电流驱动电机正常工作。给步进电机相绕组提供足够的电流驱动电机正常工作。 要求：提供足够的幅值；前后沿较陡的励磁电流；功率小，效率要求

39、：提供足够的幅值；前后沿较陡的励磁电流；功率小，效率高；运行稳定可靠，便于维修而且成本低高；运行稳定可靠，便于维修而且成本低 电压型和电流型电压型和电流型 电压型又有单电压型、双电压型电压型又有单电压型、双电压型 电流型中有恒流驱动、斩波驱动电流型中有恒流驱动、斩波驱动105单电压功率放大电路l放大器输入端直接与环形脉冲分配器相连，输出至步进电机的三相。无脉冲输入时，3DK4, 3DD15均截止，绕组无电流，电动机不转。A相得电时，电动机转动一步，当脉冲依次加到三相输入端时，三组放大器分别驱动不同绕组，电动机连续转动二极管VD起续流作用，功放管截止时，储存在绕组中的能量通过VD续流泄放，保护功

40、放管；限流电阻R，限制通过绕组的电流不超过其额定值，520环形分配器输出环形分配器输出ABC步进电机的步进电机的A相相步进电机的步进电机的B相相步进电机的步进电机的C相相106l电路结构简单，限流电阻R消耗能量，降低了放大器功率，绕组电感较大，电路对脉冲电流的反应较慢，输出的脉冲波形差、功率低。l主要用于对速度要求不高的小型步进电动机中107高低压功率放大电路无脉冲输入时，VT1,VT2,VT3,VT4均截止，绕组无电流，电机不转。脉冲截止后， VT1,VT2, VT3,VT4截止，储存在W中的能量通过18电阻和VD2放电， 电阻的作用是减小放电回路的时间常数，改善电流后沿的波形该电路采用高压

41、驱动，电流增长快，脉冲前沿变陡，电动机的转矩和运行频率提高。主要用于混合式或永磁式步进电机，不仅可以控制相绕组电流的导通和截止，还可以控制相电流的方向，故称之为双极性驱动电路有脉冲输入时， VT1,VT2, VT4导通，VT2饱和导通时，变压器TI的一次电流急剧增加，在变压器二次侧感生一个电压使得VT3导通，的高压经高压管VT3加到绕组W上，使得电流迅速上升，当VT2进入稳定状态时，TI 一次侧电流暂时恒定无磁通量变化，二次侧感生电压为零，VT3截止。步进电步进电机机A相相环形分配器输出环形分配器输出ABC108输入低电平时，输入低电平时，VF2VF2截止，截止， VT1导通，导通，单稳态电路

42、单稳态电路VF1VF1不触发，绕组无电流通过不触发，绕组无电流通过输入脉冲信号时，低压管输入脉冲信号时，低压管VF2VF2导通，脉冲上升沿使导通，脉冲上升沿使45284528触发，触发，6 6输出低电平，输出低电平，VT1VT1截止，截止，VF1VF1导通，导通，A A点电位高于点电位高于12V12V，VD5VD5截止，绕组有高压电流，截止，绕组有高压电流，45284528单稳态电单稳态电路定时结束，路定时结束，6 6输出高电平，高压管输出高电平，高压管VF1VF1截止，低压工作；高压工作时间由截止，低压工作；高压工作时间由RCRC参参数决定数决定109l脉冲开始触发的一瞬间接通高压电源，低压

43、运行供电，故效率高，电流的上升率高，故电机的高速运行性能好l电流上升波形陡，容易产生过冲，因此谐波成分丰富，电机运行过程中振动较大。110l达林顿管ULN2003lULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN 达林顿管组成。恒流源功率放大电路恒流源功率放大电路该电路的特点如下：l每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL和CMOS 电路l直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。lULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出可以在高负载电流并行运行。111恒流源功率放大电路

44、恒流源功率放大电路l特点：电流的大小取决于恒流源的恒流值，当发射极电阻减小时，恒流值增大；电阻增大时，恒流值减小。由于恒流源的动态电阻很大，故绕组可在较低的电压下取得较高的电流上升率。l在较低的电压上有一定的上升率，因而可以用在较高的频率驱动上。电源电压较低，功耗小，效率高l但是恒流源管工作在放大区，管压降较大，功耗大，所以必须对恒流源管采用较大的散热片散热。w112斩波恒流功率放大电路斩波恒流功率放大电路l如图3-17，直接采用大功率的MOS场效应管作为功放管l该电路去掉了限流电阻，效率提高，并利用高压给W储能，波形前沿得到改善，使步进电机的输出加大，运行效率提高l步进电机绕组中的电流保持在

45、额定值附近并且类此锯齿状波形，如图3-18c所示113调频调压功放电路调频调压功放电路l基本原理：当步进电机工作在低频时，供电电压降低，当运行在高频段时，供电电压也升高，即供电电压随着步进电机转速的增加而升高。l解决了低频运行时，绕组中容易蓄积过多的能量而引起电机的低频振动和噪声l保证了高频运行时，电动机绕组电流值，避免了随工作频率的升高而电枢绕组电流降低，从而降低电机的输出转矩的问题1143. 细分驱动 步距角只有整步工作或半步，由步进电动机结构结构所确定。 电磁力的大小与绕组的通电电流有关 当通电相电流阶梯型上升或下降时，所产生的磁场合力会使得转子有一个新的平衡位置，新的平衡位置在原来的步

46、距角之内。115 特点： 在不改动电动机结构参数的情况下，步距角减小； 电机机运行平稳，降低了电机的振动和噪声。 实现方法： 采用多路功率开关器件 将开关控制脉冲信号进行叠加1161）采用多路功率开关器件VT1,VT2,VT3,VT4,VT5共采用5个功率晶体管作为开关器件，在绕组上升过程中，按顺序导通，每导通一个，高压管都要跟着导通，绕组中电流上升一个台阶，步进电机跟着转动一小步1172）开关控制脉冲信号进行叠加与放大方法 分先放大后叠加；先叠加后放大两种方法分先放大后叠加；先叠加后放大两种方法。 细 分 环 形 分 配 器放 大放 大放 大放 大放 大细 分 环 形 分 配 器加法器w加法

47、器wUttiw118将前述控制信号进行叠加，叠加后的阶梯信号控制接在绕组的功率晶体管上，并使功率晶体管工作在放大状态基极b上加的是阶梯型变化的信号，因此通过绕组中的电流也是将诶提变化的，实现细分。功率管工作中放大状态，因此功耗大，电源的利用率低，但是器件少。119具有串行功能的单片机系统与步进电机驱动电源之间，具有较少的连线将信号送入步进电机的环形分配器主电路主电路用微型计算机系统的几个端口直接去控制步进电动机各相驱动电路的方法。驱动电源中环形分配器由计算机来完成，可以用纯软件法实现也可用软硬件结合的方法120点位控制的加减速过程点位控制的加减速过程121 如果启动时一次将速度上升到给定速度，

48、起动频率可能超过极限起动频率，造成电动机失步 如果到达终点时，突然停下来，由于惯性作用，步进电动机会发生过冲，影响到位置控制精度 如果升降速过慢，不会产生失步和过冲，但是影响了执行机构的工作效率 因此，对于步进电动机的加减速有严格的要求，保证在不失步和过冲的前提下，用最短时间移动到指定位置步进电动机的速度控制122l步进电机的运行速度取决于绕组的通电频率，控制运行速度实际是控制系统发出的脉冲的频率或者换相周期。l软件延时每次换相后，调用一个延时子程序，延时结束后，再执行换相子程序。通过改变延时的实践长度即可改变脉冲的频率，调节电机转速l采用定时器将电机换相子程序放在定时器中断服务程序中，定时器

49、溢出中断实现电机换相，通过改变定时器定时时间常数，实现电机速度控制123步进电机的加减速过程按指数规律升速加速度恒定，要求电机的转矩为恒值。从电动机本身的矩-频特性来看，转速不是很高的范围内，转矩可基本认为恒定；但转速升高时，输出转矩将有所下降加速度是逐渐下降的，接近电动机输出转矩随转速变化的规律124 用微机对步进电动机进行加减速控制，实际上就是改变输出步进脉冲的时间间隔。升速时使脉冲串逐渐加密，减速时使脉冲串逐渐稀疏。微机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。 一般用离散办法来逼近理想的升降速曲线。为了减少每步计算装载值的时间，系统设计时就把各离散点的

50、速度所需的装载值固化在系统的EPROM中，系统运行中用查表方法查出所需的装载值，从而大大减少占用CPU时间，提高系统响应速度。125125步进电动机闭环控制126l步进电机驱动系统设计步进电机驱动系统设计步进电机28-BYJ-48，5VDC，四相电机设计四相单四拍控制开环l直流电机驱动系统设计直流电机驱动系统设计一般直流电机，无反馈元件PWM调速126127127128 系统在执行升降速的控制过程中，对加减速的控制还需准备下列数据：加减速的斜率；升速过程的总步数；恒速运行总步数；减速运行的总步数。对升降速过程的控制有多种方法，软件编程也十分灵活，技巧很多。此外，利用模拟数字集成电路也可实现升降

51、速控制，但是实现起来较复杂且不灵活。1293.4 l定子磁极、转子电枢和换向器l定子磁极：瓦状永磁体，可为两极或多极结构；l转子结构：最常见的是在有槽铁心内铺设绕组的结构。铁芯由冲压成的硅钢片一类材料迭压而成；l换向机构：换向环和电刷构成，电流通过电刷及换向片引入到绕组中。 1. 直流伺服电动机的结构130 二十世纪60年代研制出了小惯量直流伺服电动机，其电枢无槽，绕组直接粘接固定在电枢铁心上，因而转动惯量小、反应灵敏、动态特性好，适用于高速且负载惯量较小的场合，否则需根据其具体的惯量比设置精密齿轮副才能与负载惯量匹配，增加了成本。 直流印刷电枢电动机是一种盘形伺服电动机，电枢由导电板的切口成

52、形，棵导体的线圈端部起换向器作用，这种空心式高性能伺服电动机大多用于工业机器人、小型NC机床及线切割机床上。1312. 2. 直流伺服电动机的工作原理直流伺服电动机的工作原理导体ab,cd中通入图中所示方向的电流，根据电磁力定律，可以判断载流导体ab,cd 在磁场中受力方向，形成逆时针方向电磁力矩，线圈逆时针旋转。NS+-nabcdABFF当线圈转动当线圈转动180180o o , ,导体导体cdcd处于处于N N极下，电流由极下，电流由c c到到d d，S S极下极下导导体体电流电流由由b b到到a a ，导体受力仍，导体受力仍然是逆时针方向。然是逆时针方向。NS+-nabcdABFF电枢连

53、续旋转，电枢连续旋转，通过电刷和转通过电刷和转换器产生的整流作用，换器产生的整流作用，导体导体abab、cdcd中电流的方向不断变化，交中电流的方向不断变化，交替在替在N N极和极和S S极下受电磁力作用，极下受电磁力作用，从而使得电动机按一定的方向从而使得电动机按一定的方向连续旋转。连续旋转。132直流伺服电动机的特性及选用l优点:具有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性l不足：由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需要定期维修l典型产品：宽调速直流伺服电动机3.3.特特 点点133l结构特点：结构特点：励磁便于调整，易于安排补偿绕组和换向极，电动机的换向性能得到改善，成本低,可以在较宽的

54、速度范围内得到恒转速特性l永久磁铁的宽调速直流伺服电动机的结构A、不带制动器B、带制动器l日本FANUC公司生产的L系列(低惯量系列)、M系列和H系列直流伺服电动机133宽调速直流伺服电动机宽调速直流伺服电动机134134宽调速直流伺服电动机135135宽调速直流伺服电动机136L系列系列(低惯量系列低惯量系列)H系列系列(大惯量系列）大惯量系列）M系列系列(中惯量系列中惯量系列)日本法纳克日本法纳克(FANUC)适合于频繁起动、制动场合应用适合于频繁起动、制动场合应用H系列是大惯量控制用电动机，它有较系列是大惯量控制用电动机，它有较大的输出功率，采用六相全波晶闸管整大的输出功率，采用六相全波

55、晶闸管整流驱动流驱动在在H系列的基础上发展起来的，其惯量较系列的基础上发展起来的，其惯量较H系列小，适合于晶体管脉宽调制系列小，适合于晶体管脉宽调制(PWM)驱驱动，因而提高了整个伺服系统的频率响应。动，因而提高了整个伺服系统的频率响应。137由于直流伺服电机的机械特性方程为：由于直流伺服电机的机械特性方程为：TCCRCUn2teec式中，式中，U UC C 电枢控制电压；电枢控制电压； R R 电枢回路电阻；电枢回路电阻； 每极磁通；每极磁通； C Ce e、C Ct t分别为电动机的结构常数。分别为电动机的结构常数。138由此，直流伺服电机的控制方式如下：由此，直流伺服电机的控制方式如下：

56、139直流伺服电动机为直流供电，为调节电动机转速和方向,需要对其直流电压的大小大小和方向方向进行控制。驱动方式：驱动方式：晶闸管直流调速驱动晶闸管直流调速驱动通过调节触发装置控制晶闸管的触发延迟角通过调节触发装置控制晶闸管的触发延迟角(控制电压的控制电压的大小大小)来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的大来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的大小，使直流电动机电枢电压的变化易于平滑调速。小，使直流电动机电枢电压的变化易于平滑调速。晶体管脉宽调速驱动晶体管脉宽调速驱动(PWM)5. 直流伺服电动机的驱动140l脉冲宽度调制Pulse Width Modulation（PWM）l晶体管半导体三

57、极管，Transistorl晶闸管晶体闸流管，可控硅整流器，称可控硅，Thyristor140141伺服电动机与驱动器伺服电动机与驱动器驱动器电动机142143（1 1）晶体管直流脉宽调制驱动）晶体管直流脉宽调制驱动(PWM)(PWM)工作原理工作原理在给定供电电压在给定供电电压U，由控制脉冲信号控制晶体管由控制脉冲信号控制晶体管VT的通断，使直的通断，使直流电动机得到脉冲驱动信号，改变脉冲控制信号的每一周通电时流电动机得到脉冲驱动信号，改变脉冲控制信号的每一周通电时间，就可改变直流电动机的平均工作电压间，就可改变直流电动机的平均工作电压Ua达到调速的目的；改达到调速的目的；改变供电压和续流二

58、极管的极性，便可改变直流电动机的转向。变供电压和续流二极管的极性，便可改变直流电动机的转向。1441 1）直流电动机的脉宽调速电路原理）直流电动机的脉宽调速电路原理 a) a) 控制原理图控制原理图 b)b)电压时间关系图电压时间关系图145 设开关设开关K K周期性地闭合、断开，在一个周期周期性地闭合、断开，在一个周期T T内，闭合的内，闭合的时间是时间是，断开的时间是，断开的时间是T T- -。若外加电源电压若外加电源电压U U为常数，为常数，则电源加到电机电枢上的电压波形将是一个方波列，高则电源加到电机电枢上的电压波形将是一个方波列，高度为度为U U，宽度为宽度为。则一个周期内电压的平均

59、值为：则一个周期内电压的平均值为： 01aUUdtUUTT146 式中式中 称为导通率，又称占空系数。当称为导通率，又称占空系数。当T 不变时，只不变时，只要连续地改变要连续地改变就可以连续地使就可以连续地使Ua 由由0U，从而达到连续从而达到连续改变电机转速之目的。实际应用时，通常采用大功率管代改变电机转速之目的。实际应用时，通常采用大功率管代替开关替开关S，其开关频率一般为，其开关频率一般为2000Hz，比电动机的机械时，比电动机的机械时间常数小很多，所以一般不会引起电动机的转速脉动，常间常数小很多，所以一般不会引起电动机的转速脉动，常选用的开关频率为选用的开关频率为5002500Hz。T

60、 147如果在如果在VT1和和VT3的基极上加以正脉冲的的基极上加以正脉冲的同时，在同时，在VT2和和VT4的基极上加负脉冲，的基极上加负脉冲，这时这时VT1和和VT3导通，导通，VT2和和VT4截止设截止设此时电动机的转向为正向。此时电动机的转向为正向。如果在晶体管如果在晶体管VT1和和VT3的基极上加负脉冲，的基极上加负脉冲，在在VT2和和VT4的基极上加正脉冲，则的基极上加正脉冲，则VT2和和VT4导通，导通，VT1和和VT3截止，电流沿截止，电流沿+90VcVT2 bMdVT4a0V的的路径流通，电流反向，电动机反向旋转。路径流通，电流反向，电动机反向旋转。 为使电动机实现双向调速，多