第三章 执行元件的选择与设计1

1第三章

执行元件的选择与设计2

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（联接）部位的能量转换元件。第一节执行元件的种类、特点及基本要求3一、执行元件的种类及特点执行元件的特点表3-145

二、对执行元件的基本要求

1.惯量小、动力大：质量、转动惯量2.体积小、重量轻：比功率3.便于维修、安装：免维护4.宜于微机控制：电动机>液动式、气动式>内燃机三、“伺服”的含义Servomechanism

“伺服”—词源于希腊语“奴隶”的意思。伺服系统应用举例（1）液压仿形车床工作原理图

——节流口5——工件6——刀具7——样件8——触销9——油缸10——油泵伺服系统应用举例（2）机械手手臂伸缩运动的电液伺服系统原理图1－电放大器2－电液伺服阀3－液压缸4－机械手手臂

5－齿轮齿条机构6－电位器7－步进电机四.伺服系统的定义：(servomechanism)(servo-system）

伺服系统是指实现输出变量精确地跟随或复现输入变量的控制系统。

五、伺服电机伺服电机（servomotor）伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，它的转矩和转速受信号电压精确控制。当信号电压的大小和相位发生变化时，电动机的转速和转动方向将非常灵敏和准确地跟着变化。当信号消失时，转子能及时地停转。伺服电机的分类伺服电机交流伺服电机直流伺服电机同步（SM）型：永磁感应（IM）型：异步12

第二节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、变频调速电动机、开关磁阻电动机和各种AC/DC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系统中得到了广泛的应用。

13

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(包括指令脉冲)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。14一、对控制用电动机的基本要求15

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。16伺服电动机控制方式的基本形式17

二、制用电动机的种类、特点及选用18

伺服电动机的特点及应用实例

19伺服电动机的性能比较20

伺服电动机优缺点比较2122232425位置控制26速度控制27转矩控制28三菱伺服驱动器MR-JE-100B

1.主电路：交-直-交2.控制电路：三环控制3.接口电路三环控制：1.位置环2.速度环3.电流环29MR-JE-100B外围设备的构成交流电源输入：L1-3交流电源输出:U\V\W角编码器接口:CN2伺服放大器：CN1B伺服系统控制器：CN1AI/O通讯：CN3计算机通讯：CN5伺服控制原理伺服马达与伺服驱动器之间的回授LOOP1、电流LOOP伺服马达在驱动时由于负载的关系而产生扭矩的缘故，使得流进马达的电流增大，一旦流进马达的电流过大时会造成马达烧毁的情形。为防止此一情形发生，在马达的输出位置加入电流感测装置，当马达电流超过一定电流时，切断伺服驱动器以保护马达。伺服控制原理伺服马达与伺服驱动器之间的回授LOOP2、速度LOOP此LOOP是用来检测马达的旋转速度是否依照指令旋转之用，相对于控制装置所提供之指令，速度LOOP控制马达的旋转速度。伺服控制原理3、位置LOOP此LOOP是用来检测由控制器所输出位置控制指令之后，伺服马达是否移动至指令位置。相对于位置指令值，当检测值过大或过小时，控制伺服马达移动其误差值的部份，达到定位之目的。※依据不同的控制系统之需求，在驱动器中有三种控制模式可供选择速度控制位置控制扭矩控制扭矩指令输入范围0～±10V【正电压－＞CCW扭力】0～额定扭力扭矩控制依据输入电压的大小、达到控制马达输出扭力的目的。扭矩控制扭矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm:如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，大于2.5Nm时电机反转（通常在有重力负载情况下产生）。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。

应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如绕线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。速度控制速度指令输入范围0～±10V【正电压－＞CCW回转】0～额定转速依据输入电压的大小、达到控制马达输出转速的目的。速度模式通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。位置控制位置指令输入方式依据输入的脉波数目、达到控制马达定位的目的。CCW/CW脉冲列A/B相位脉冲列Pulse＋Dir位置控制位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。

应用领域如数控机床、印刷机械等等。直流电机工作原理40主要内容

直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式调速的概念有两个方面的含义:1)改变电机转速：当给定速度变化时,电机的速度随之变化,并希望以最快的加减速达到新的给定速度值；2)当给定速度不变化时,电机的速度保持稳定不变。7.3直流伺服电机及其速度控制主要内容直流伺服电机速度控制单元的作用：将转速指令信号转换成电枢的电压值，达到速度调节的目的。直流电机速度控制单元调速方法：1.晶闸管（可控硅）调速系统；

2.晶体管脉宽调制（PWMPulseWidthModulated）调速系统。直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式

需对直流电压的大小和方向进行控制43直流伺服电机的驱动主要内容晶闸管调速系统常用于大功率及要求不很高的直流伺服电机调速控制。7.3直流伺服电机及其速度控制速度调节器电流调节器触发脉冲发生器可控硅整流器电流反馈速度反馈电流检测编码器电机UR+-UfIfIR+-E1ES控制回路：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。主回路：可控硅整流放大器等。晶闸管调速系统

速度环：速度调节（PI），作用：好的静态、动态特性。电流环：电流调节(P或PI)。作用：加快响应、启动、低频稳定等。触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。

控制回路主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。速度环：速度调节，作用：好的静态、动态特性。电流环：电流调节，作用：系统快速性、稳定性改善。触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。晶闸管调节电路主回路由大功率晶闸管构成的三相全控桥式反并接可逆电路，分成二大部分（Ⅰ和Ⅱ），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，分别实现正转和反转。462791113581210ABCMⅠⅡUMUDKMKM+-各有一个可控硅同时导通，形成回路。7.3直流伺服电机及其速度控制原理：三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部分内又分成共阴极组（1、3、5）和共阳极组（2、4、6）。为构成回路，这二组中必须各有一个可控硅同时导通。1、3、5在正半周导通，2、4、6在负半周导通。每组内（即二相间）触发脉冲相位相差120º，每相内二个触发脉冲相差180º。按管号排列，触发脉冲的顺序：1-2-3-4-5-6，相邻之间相位差60º。为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通，或已截止的相再次导通，采用双脉冲控制。既每个触发脉冲在导通60º后，在补发一个辅助脉冲；也可以采用宽脉冲控制，宽度大于60º，小于120º。7.3直流伺服电机及其速度控制

只要改变可控硅触发角（即改变导通角），就能改变可控硅的整流输出电压，从而改变直流伺服电机的转速。触发脉冲提前，增大整流输出电压；触发脉冲延后，减小整流输出电压。uacbcaba)b)c)d)135

①②③④⑤⑥ωtub246bcaωtωtωtωt11335511336224466224135246120°120°180°60°132460°60°56α2.脉宽调制器作用：将电压量转换成可由控制信号调节的矩形脉冲，为功率晶体管的基极提供一个宽度可由速度指令信号调节的脉宽电压。组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放大器。原理：以三角波发生器为例介绍7.3直流伺服电机及其速度控制R1+12VUSCR1R3R2+-12VUSrU△-USr

–速度指令转化过来的直流电压U△-三角波USC-脉宽调制器的输出（USr+U△）调制波形图ttUSr+U△+U

Sroo-U

SrttUSr为正时USr为负时USr+U△ttUSr为0时调制出正负脉宽一样方波平均电压为0调制出脉宽较宽的波形平均电压为正调制出脉宽较窄的波形平均电压为负7.3直流伺服电机及其速度控制主要内容PWM调速控制系统利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，加到直流电动机的电枢上；通过调整控制方波脉冲宽度来改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。控制电路简单，不需附加关断电路，开关特性好。广泛应用中、小功率直流伺服系统。周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压Uωt周期不变7.3直流伺服电机及其速度控制主要内容直流电机电压的平均值:

T—脉冲周期，Ton—导通时间7.3直流伺服电机及其速度控制脉宽调制（PWM）系统组成：主要内容速度调节器电流反馈脉宽调制基极驱动功放振荡器

电流调节器M速度指令

三相交流电整流速度反馈UsrUSCU△Ub7.3直流伺服电机及其速度控制5657双向调速用正负脉冲和导通率改变？？3）开关功率放大器主回路：可逆H型双极式PWM

开关功率放大器电路图:

由四个大功率晶体管（GTR）T1、T2、T3、T4

及四个续流二极管组成的桥式电路。H型：

又分为双极式、单极式和受限单极式三种。Ub1、

Ub2、Ub3Ub4–为调制器输出，经脉冲分配、基极驱动转换过来的脉冲电压。分别加到T1

、T2、T3

、T4的基极。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3tUS-USUdUABOtUb1Ub4Ub2Ub3OOttt1Tidid1id2id1id2OOOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub4Ub2、Ub3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2工作原理：

T1

和T4

同时导通和关断，其基极驱动电压Ub1=Ub4。T2和T3同时导通和关断，基极驱动电压Ub2=Ub3

=

–Ub1。以正脉冲较宽为例，既正转时。负载较重时：①电动状态：当0≤t≤t1时，Ub1、Ub4为正，T1

和T4

导通；Ub2、Ub3

为负，

T2和T3截止。电机端电压UAB=US，电枢电流id=id1，由US→T1

→T4→

地。②续流维持电动状态：在t1≤t≤T时，Ub1、Ub4为负，

T1

和T4截止；

Ub2、Ub3

变正，但T2和T3并不能立即导通，因为在电枢电感储能的作用下，电枢电流id=id2，由D2→D3续流，在D2、

D3

上的压降使T2

、

T3的c-e极承受反压不能导通。UAB=-US。接着再变到电动状态、续流维持电动状态反复进行，如上面左图。负载较轻时：③反接制动状态，电流反向：②状态中，在负载较轻时，则id小，续流电流很快衰减到零，即t=t2时（见上面右图），id=0。在t2

～

T区段，

T2

、T3

在US

和反电动势E的共同作用下导通，电枢电流反向，id=id3

由US→T3→T2→

地。电机处于反接制动状态。④电枢电感储能维持电流反向：在T

～t3区段时，驱动脉冲极性改变，

T2

、T3截止，因电枢电感维持电流，id=id4，由D4→D1。⑤电机正转、反转、停止：

由正、负驱动电压脉冲宽窄而定。当正脉冲较宽时，既t1>

T/2，平均电压为正，电机正转；

当正脉冲较窄时，既t1<T/2，平均电压为负，电机反转；如果正、负脉冲宽度相等，t1=T/2，平均电压为零，电机停转。⑥电机速度的改变：电枢上的平均电压UAB越大，转速越高。它是由驱动电压脉冲宽度决定的。⑦双极性：由以上分析表明：可逆H型双极式PWM开关功率放大器，无论负载是重还是轻、电机是正转还是反转，加在电枢上的电压极性在一个开关周期内，都在US和

–US之间变换一次，故称为双极性。61

控制回路：

速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三角波发生器；脉宽调制器和基极驱动电路。区别：

与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。

6364656667伺服电动机与驱动器驱动器电动机需求分析要点如何了解实际需求,即我们需要掌握那些要点才能使我们能够提供准确的系统应用设计?1.轴控数2.轴功率,扭力计算所需参数3.系统精度与速度要求4.功能要求一般的功能要求包含:

参数设置状态监控显示要求需求分析要点5.马达惯量,转速,变比(了解传动元件,如丝杆,同步带之变比)6.输入输出点数量,类型,模拟量要特别关注.7.同步要求8.动作过程的描述如何选定伺服马达（1∕3）马达选用考虑因素1、负载机构2、动作模式3、负载速度4、定位精度5、使用环境马达选用的规格1、马达容量（W）2、马达额定转速（rpm）3、额定扭矩及最大扭矩（N•m）4、转子惯量（kg•㎡）5、是否需要刹车（制动器）6、体积、重量、尺寸如何选定伺服马达（2∕3）减速机构的影响1、转速：NM=Nt×R2、扭力：TL=Tℓ×（1÷R）3、惯量（GD²）：GD²L=GD²L×（1÷R）²如何选定伺服马达（3∕3）1、负载扭力◎加速扭力≦马达最大扭力◎连续实效负载扭力≦马达额定扭力◎消耗回生电力＜驱动器内回生容量◎负载扭力＜马达额定扭力2、负载惯性矩＜3～5倍马达转子惯性矩3、最大移动速度＜马达最大转速4、负载率在85﹪以下5、马达的扭矩特性编码器选用假设PE=2500(p/rev)丝杆导距PB=20mm减速比R=1

则机械位置解析度(Resolution)

=(PB*(1/R))/(PE*4)

=0.002(mm)

<机械定位精度±0.05(mm)74基本信息电枢是电机中装有导线的部件，导线对磁场的相对运动，在导线中产生感应电动势(如在发电机中那样)，或是通电导线在磁场中受安培力作用，使其在磁场中转动(如在电动机中那样)。组成电枢绕组分直流电枢绕组和交流电枢绕组两大类。它们分别用于直流电机和交流电机。电枢包括电枢铁心和电枢绕组，电枢绕组是直流电机的电路部分，也是感生电势、产生电磁转矩进行机电能量转换的部分（发电机是机械能转换成电能）。电枢铁心既是主磁路的一部分又是电枢绕组的支撑部件，电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。直流电机和交流电机的感生电枢的原理大致相同，直流电机电枢绕组内的电流也是交流的，要通过换向器输出才是直流的。交流电机分为感应电机（异步机）和同步电机，感应电机按转子结构分为鼠笼型转子和绕线型转子，感应电机是定子绕组产生磁场，转子绕组进行机电能量转换。同步电机是转子绕组产生磁场，定子绕组进行机电能量转换。电枢一般指电机需要外接电源的部分。直流电机电枢为转子，交流电机电枢为定子。电枢75第四节步进电动机及其驱动一、步进电动机的特点与种类

1.步进电动机的特点

①步进电动机的工作状态不易受各种干扰因素(如电源电压的波动、电流的大小与波形的变化、温度等)的影响，只要在它们的大小未引起步进电动机产生“丢步”现象之前，就不影响其正常工作；②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，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零”，因此不会长期积累；③控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”。④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关系。/link?url=fpTY4pNQy0seexyQQbA2dnMUj-_DewqBq2ndP5o8oqVYsRkFf3krlBNon2rlRaAU2JDAhvYGESUHbMV7UFLBG374iFgfM-ryWlXONOlgvMe762.步进电动机的种类

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；从励磁相数来分有三相、四相、五相、六相等步进电动机。就常用的旋转式步进电动机的转子结构来说，可将其分为以下三种：771）可变磁阻(VR-VariableReluctance)型

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，故又称反应式步进电动机。其结构原理如图3.10所示。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，并由此而得名可变磁型。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。78可变磁阻(VR-VariableReluctance)型7980

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、效率低、转子的阻尼差、噪声大等缺点。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，可望成为多用途的机种。812)永磁(PM-PermanentMagnet)型82

PM型步进电动机的转子2采用永久磁铁、定子1采用软磁钢制成，绕组3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。其结构如图3.11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，故具有记忆能力，可用做定位驱动。PM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。由于转子磁铁的磁化间距受到限制，难于制造，故步距角较大。与VR型相比转矩大，但转子惯量也较大。（控制精细对度低）833)混合(HB-Hybrid)型84混合(HB-Hybrid)型例85

该型步进电机不仅具有VR型步进电动机步距角小、响应频率高的优点，而且还具有PM型步进电动机励磁功率小、效率高的优点。它的定子与VR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，例如，VR型一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HB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副凸极数决定步距角的大小，可制造出步距角较小(0.9~3.6°)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。86

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，励磁时的静止转矩都比VR型步进电动机的大。HB和PM型步进电动机能够用做超低速同步电动机，如用60Hz驱动每步1.8°的电动机可作为72r／min的同步电动机使用。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。

下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。三相反应式步进电动机的原理结构图如下：

定子内圆周均匀分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相。采用Y连接，转子有四个齿。ABCIAIBIC定子转子1.工作原理

由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转矩，使转子转动。

现以ABCA的通电顺序，使三相绕组

轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。BCIAIBICA1.三相单三拍CA'BB'C'A3412

A相绕组通电，B、C相不通电。气隙产生以A-A为轴线的磁场，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电动机转子受到一个反应转矩，在此转矩的作用下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与A、A′极对齐。“三相”指三相步进电机；“单”指每次只能一相绕组通电；“三拍”指通电三次完成一个通电循环。CA'BB'C'A3412

同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4齿和B、B´

磁极轴线对齐；当C相通电时，转子再转过30角，1、3齿和C´、C磁极轴线对齐。1C'342CA'BB'A

这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。

按ABCA……的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)磁场在空间旋转了360°而转子转过90°(一个齿距角)。2.三相六拍

按AABBBCC

CA的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412

A相通电，转子1、3齿与A、A'对齐。

A、B相同时通电，A、A'磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子转过15，到达左图所示位置。CA'BB'C'A3412

B相通电，转子2、4齿与B、B´对齐,又转过15。3412CA'BB'C'AB、C相同时通电，C'、C

磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子再转过15。

三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：AABBBCC

CA，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角），一个通电循环周期(6拍)转子转过90(齿距角)。

与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。3.三相双三拍

按ABBCCA的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。AB通电CA'BB'C'A3412BC通电3412CA'BB'C'ACA通电CA'BB'C'A3412

与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍。每拍转子转过30(步距角)，一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)。

从以上对步进电机三种驱动方式的分析可得步距角计算公式：—步距角Zr

—转子齿数m—每个通电循环周期的拍数

实用步进电机的步距角多为3和1.5

。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的，如教材图3-10所示。图中转子表面有40个齿，97四相步距角＝360°／(zm)z-转子齿数；m-运行拍数，通常等于相数或相数整数倍，即m=KN(N为电动机的相数，单拍时K＝1，双拍时K＝2)。98

二、步进电动机的工作原理99

如上图a所示，如果先将电脉冲加到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A→B→C→A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A→B→C→A→…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。100

如果使两相励磁绕组同时通电，即按AB→BC→CA→AB→…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A→AB→B→BC→C→CA→A→…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。101

反应式步进电动机环形脉冲分配方式表102

三、步进电动机的运行特性及性能指标

1.

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。最常用的有0.6°／1.2°、0.75°／1.5°、0.9°／1.8°、1°／2°、1.5°／3°等。

2.

静态特性静转矩矩-角特性静态稳定区1031043.动态特性启动转矩矩-频特性动态稳定区105裕量角越大，距下一拍平衡位置的偏差角就越小。106107108109

起动转矩

上图中，A相与B相矩-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。起动转矩通常与步进电动机相数和通电方式有关，如下表所示。通电相数越多，启动转矩越大1103）最高连续运行频率及矩-频特性

换相效率限制（从一相到下一相）111矩-频特性112

4）空载起动频率与惯-频特性

113连续正转114反向旋转115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有频率，会出现转子振荡的振幅越来越大，电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，应避免使输入脉冲频率等于上述两种频率116步进电机的选择要求不振荡，不丢步，好的动态性能电机输出转矩>负载所需扭矩，使步进电机的矩-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求的启动频率，并使之与步进电机惯-频特性相匹配，并有一定的余量（惯量匹配）步距角与机械系统相匹配，得到要求的分辨力（精度匹配）117

四、步进电动机的驱动与控制(开环)118119120上升沿下降沿1212.功率放大器（1）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，（2）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，续流回路；（3）功耗低，效率高要求信号脉冲几毫安>>绕组电流几安到几十安；频繁换相时，绕组通断电时的反电动势，造成“直流不直”。作用1221231243.细分驱动

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，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，电流分成多少个台阶，则转子就以同样的个数转过一个步距角。这样将一个步距角细分成若干步的驱动方法被称为细分驱动。

细分驱动的特点是：在不改动电动机结构参数的情况下，能使步距角减小。细分之后的步距角叫做步进角，但细分后的步进角精度不高，功率放大驱动电路也相应复杂；能使步进电动机运行平稳、提高匀速性，并能减弱或消除振荡。125126步进电动机的微机控制

（串行、并行控制示意）127点-位控制的加减速过程步进脉冲频率128129升速规律1、线性升速：加速度恒定、转矩恒定2、指数升速：加速度减小，接近步进电机输出转矩-速度规律1303、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。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：①加减速的斜率；②升速过程的总步数；③恒速运行总步数；④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速控制，但是实现起来较复杂且不灵活。131①DIR（direction）为方向信号，在单脉冲控制时，它是来负责电机正转反转②CP(controlpulse)、PLS(pulse)是脉冲信号，有时还会被称为PUL(pulse)③关于这个CW和CCW呢一般是用于双脉冲的，CW（clockwise）是正传脉冲，CCW（counterclockwise）是反转脉冲。一般的驱动器可以单、双脉冲共有，所以一般都用DIR和PUL来注明。④EN(enable)和FREE为使能信号或脱机信号，就是说这个信号有时，电机会自己断电，但驱动器不会断电。另：不同的厂家不同的标注，有的驱动器上面还有ALM(alarm)，这个为报警信号。关于+-呢，一般来说PUL-、DIR-、EN-都接所对应的信号，PUL+\DIR+\ENA+就接+5V的电源就可以了。步进电机使用的缩写132步进电动机与交流伺服电动机的性能比较133两相步进电机步距角为1.8°；三相混合式步进电机及驱动器，可以细分控制来实现步距角为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相步进电机的步距角。交流伺服电动机的控制精度由电动机后端的编码器保证。如对带标准2500线编码器的电动而言，驱动器内部采用4倍频率技术，则其脉冲当量为360°/10000=0.036°；对于带17位编码器的电动机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电动机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=0.00274658°，是步距角为1.8°的步进电机脉冲当量的1/655。1.控制精度不同1342.低频特性不同两相混合式步进电动机在低速运转时易出现低频振动现象。交流伺服电动机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现低频振动现象。3.矩频特性不同步进电动机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高速是会急剧下降。交流伺服电动机为恒力矩输出，即在额定转速（如3000RPM）以内，都能输出额定转矩。4.过载能力不同步进电动机一般不具有过载能力，而交流伺服电动机有较强的过载能力，一般最大转矩可为额定转矩的3倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。

步进电动机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电动机，便出现了力矩浪费的现象。1355.运行性能不同步进电动机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象；停止时如转速过高，易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，内部构成位置环和速度环，一般不会出现丢步或过冲现象，控制性能更为可靠。6.速度响应性能不同步进电动机从静止加速到工作速度（一般为几百RPM）需要200~400ms。交流伺服驱动系统的加速性能较好，从静止加速到工作速度（如3000RPM），一般仅需几毫秒，可用于快速启动的控制场合。7.效率指标不同步进电动机的效率比较低，一般60%以下。交流伺服电机的效率比较高，一般80%以上。因此步进电动机的温升也比交流伺服电机的高。交流伺服与步进电机系统选型比较步进电机系统伺服电机系统力矩范围中小力矩（一般在20Nm以下）小、中、大，全范围速度范围低（一般在2000RPM以下，大力矩电机小于1000RPM）高（可达5000RPM），直流伺服电机更可达1~2万转/分控制方式主要是位置控制多样化智能化的控制方式，位置/转速/转矩方式平滑性低速时有振动（但用细分型驱动器则可明显改善）好，运行平滑精度一般较低，细分型驱动时较高高（具体要看反馈装置的分辨率）矩频特性高速时，力矩下降快力矩特性好，特性较硬过载特性过载时会失步可3~10倍过载(短时)反馈方式大多数为开环控制，也可接编码器，防止失步闭环方式，编码器反馈编码器类型无光电型旋转编码器（增量型/绝对值型），旋转变压器型响应速度一般快耐振动好一般（旋转变压器型可耐振动）温升运行温度高一般维护性基本可以维护较好价格低较高交流伺服电机与变频电机的区别变频电机伺服电机低频启动力矩小大速度范围低（一般在3000RPM以下，大于3000RPM时应考虑电机的特殊设计）高（可达5000RPM），直流伺服电机更可达1~2万转/分控制方式一般为开环多样化智能化的控制方式，位置/转速/转矩方式精度低高过载特性低可3~10倍过载(短时)转矩控制原理上不可能适用，可控制静止转矩响应特性低高加减速特性差好温升高低响应速度一般高价格低高伺服系统设计一、方案设计二、伺服系统稳态设计三、伺服系统动态设计一、方案设计在进行系统方案设计时，需要考虑以下方面的问题：1．系统闭环与否的确定

当系统负载不大，精度要求不高时，可考虑开环控制；反之，当系统精度要求较高或负载较大时，开环系统往往满足不了要求，这时要采用闭环或半闭环控制系统。一般情况下，开环系统的稳定性不会有问题，设计时仅考虑满足精度方面的要求即可，并通过合理的结构参数匹配，使系统具有尽可能好的动态响应特性。2．执行元件的选择

选择执行元件时应综合考虑负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成本等多方面的要求。一般来讲，对于开环系统可考虑采用步进电动机、电液脉冲马达和伺服阀控制的液压缸和液压马达等，应优先选用步进电动机。对于中小型的闭环系统可考虑采用直流伺服电动机、交流伺服电动机，对于负载较大的闭环伺服系统可考虑选用伺服阀控制的液压马达等。3．传动机构方案的选择

传动机构是执行元件与执行机构之间的一个连接装置，用来进行运动和力的变换与传递。在伺服系统中，执行元件以输出旋转运动和转矩为主，而执行机构则多为直线运动。用于将旋转运动转换成直线运动的传动机构主要有齿轮齿条和丝杠螺母等。前者可获得较大的传动比