机电一体化系统设计第3章：执行元件的分类及控制用电机的驱动a课件

第三章机电一体化系统执行元件的选择与设计第三章机电一体化系统执行元件的选择与设计一、本章教学目标及要求①

执行元件的作用、分类、特点及机电一体化系统对其要求；②

步进电机的特点与种类、工作原理；③

步进电机的性能指标及运行特性、驱动与控制；④

直流伺服电动机的原理及其驱动；⑤

交流伺服电动机的原理及其驱动。本章教学重点：步进电机工作原理及驱动控制，直流、交流伺服电机选用及控制。本章教学难点：步进电机、直流、交流伺服电机控制。第一节执行元件的作用、分类及机电一体化系统对其基本要求作用：执行元件主要用来根据控制信息和指令，将来自电、液压、气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式机械能，并完成要求动作的能量转换装置，它在机电一体化系统中所处的位置参见下图。(3)气压式：与液压式的原理相同，只是将介质由油改为气体，包括气缸和气动马达。特点是重量轻、价格便宜。(4)其它执行元件：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。一、执行元件分类交流伺服电机直流伺服电机步进电机其它电机双金属片形状记忆合金压电元件电磁铁及其它电动机油缸液压马达气缸气压马达执行元件电磁式液压式气压式其它与材料有关二、执行元件的特点与性能

1.电气执行元件：优点：①

以电源为能源，在大多数情况下容易得到；②

容易控制；③

可靠性、稳定性与环境适应性好；④

与计算机等控制装置的接口简单；缺点：①

为了实现一定的旋转运动或直线运动，经常要使用齿轮等传动部件；②

过载能力差，容易受载荷影响，不慎被“卡住”时甚至会烧毁；③

获得大功率比较困难；二、执行元件的特点与性能3.气压执行元件：优点：①

气源方便、成本低；②

无泄漏污染；③

速度快、操作比较简单；④

利用空气的可压缩性可实现缓冲控制；缺点：①

由于空气的可压缩性，高精度伺服控制比较困难；②

虽然撞停等简单动作速度较高，但在任意位置上停止的速度很慢；③

能量效率低,噪声大。三、机电一体化系统对执行元件的基本要求1、惯量小、动力大

加速度表征执行元件的加速性能；另一表征动力大小的综合性指标为比功率（功率的时间变化率）,它包含了功率、加速性能与转速三种因素。2、体积小，重量轻通常用执行元件单位重量所能达到的输出功率或比功率，即用功率密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，比功率密度＝T2/J/G3、便于维修、安装4、易于微机控制电气式执行元件的动作原理为了得到连续的旋转运动，就必须随着转子的转动角度不断改变电流方向，因此，必须有电刷和换向器。至于交流感应电机是在线圈内产生感应电流，再产生电磁力进行工作的。电机所产生的转矩与通过的电流大小成正比；

2.液（气）压式执行元件的动作原理液压式和气压式执行元件是用一定压力的油或气体推动活塞或叶片产生直线运动或旋转运动。利用阀门等调整液（气）体的流量，就可以控制速度，而且可以在很大范围内调整。图3.4为控制用电动的基本控制形式。目标运动不同，电动机及其控制方式也不同。步进电动机的开环方式、其它电动机的半闭环方式和全闭环方式是控制用电动机的基本控制方式。闭环方式比开环方式的伺服控制精度高。伺服（随动）－servo：系统由如此几种设备组成，它们可以连续地监测系统的实际信息（位置、速度、加速度等），把这些信息与理想的给定信号相比较，然后做出适当的必要的调整以使差值为最小。伺服电动机控制方式的基本形式普通电机可正反转，但不能调速普通电机+微电子控制=控制用电机方便调速异步电机转速表达式：

调速方法：改变电源频率f改变转差率s改变磁极对数p

直流伺服电动机的机械特性方程为：式中，一电枢控制电压；一电枢回路电阻；—每极磁通；、—分别为电动机的结构常数。由上式知，直流伺服电动机的控制方式如下：（1）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速）（2）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速（3）改变电枢回路电阻调速常用的是前面2种调速方式。二、机电一体化系统对控制用电机的基

本要求1、性能密度大即功率密度和比功率大三、控制用电机的种类、特点及选用机电一体化系统（或产品）使用两类电动机：动力用电动机和控制用电动机。动力用电动机：感应式异步电动机和同步电动机等；控制用电动机：力矩电动机、脉冲电动机、开关磁阻电动机和变频调速电动机和各种AC/DC电动机等。不同的应用场合，对控制电动机的性能密度的要求不同：对于起停频率低，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行的机械，其功率密度是主要的性能指标；对于起停频率高，但不特别要求低速平稳性的产品，其主要性能指标是高比功率。控制用电机按工作原理可分为旋转磁场型旋转电枢型同步电机步进电机直流电机感应电机伺服电动机优缺点比较DC伺服电动机优点：停电时可制动控制器简单小容量的成本低功率速度高无铁心形的不存在齿槽效应转矩缺点：需对整流子维护不能在高速大力矩下工作产生磨耗有粉尘同步（SM）型伺服电动机优点：停电时可制动可高速大力矩工作耐环境性好，无需维修小形轻量功率速度高缺点：无自启动功能；电动机与控制器需一一对应控制器较复杂感应（IM）型AC伺服电动机优点：耐环境性好，无需维修；可高速大转矩工作；大容量下效率良好；结构坚固；缺点：在小容量下工作效率低温度特性差；停电时不能制动；控制器较复杂3.3步进电机及其驱动步进电机又称脉冲电机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。每当输入一个电脉冲时，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的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。步进电机的转角与输入的电脉冲数成正比步进电机的转速与输入的电脉冲频率成正比步进电机的转向与输入的电脉冲的顺序成正比。

3.3.1步进电动机的特点、种类、工作原理

（1）步进电动机的特点

①工作状态不易受各种干扰因素(如电压波动、电流大小与波形变化、温度等)的影响；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”；③由于可以直接用数字信号控制，与微机接口比较容易；④控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”；⑤不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制；⑥缺点是能量效率较低。

（2）步进电动机的种类（1）按运动方式分旋转式步进电机和直线式步进电机·（2）按转子构成分类：可变磁阻型（VR）步进电机——转子为导磁体，也称反应式步进电机。永磁型（PM）步进电机——转子为永磁铁。混合型（HB-Hybrid）步进电机——转子为导磁体和永磁铁的组合。

·（3）按定子绕组对数分类：分为2相、3相、4相、5相、10相等步进电机。

·（4）按定子绕组通电极性分类：分为单极性和双极性步进电机。（1）可变磁阻(VR-VariableReluctance)

结构原理：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，故又称作反应式步进电动机。其结构原理如图3.5定子1上嵌有线圈，转子2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。

（1）可变磁阻(VR-VariableReluctance)可变磁阻步进电机的特点：v

反应式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；v

需要将气隙作得尽可能小，例如几个微米；v

结构简单，运行频率高，可产生中等转矩，步距角小（0.09~9°）v

制造材料费用低；v

有些数控机床及工业机器人上使用。（2）永磁(PM-PermanentMagnet)型（3）混合(HB-Hybrid)型

结构原理：这类电机是PM式和VR式的复合形式。其定子与VR类似，表面制有小齿，转子由永磁铁和铁心构成，同样切有小齿，为了减小步距角可以在结构上增加转子和定子的齿数。其结构如图3.7所示。混合式步进电机特点:HB兼有PM和VR式步进电机的特点：步距角可以做得较小(0.9~3.6°)；无励磁时具有保持力；可以产生较大转矩，应用较广。（4）步进电动机的工作原理拍:从一相通电换接到另一相通电称为一拍。三相单三拍：通电方式A-B-C-A→…，步距角为30度三相双三拍：通电方式AB→BC→CA→AB→…，步距角为30°三相六拍：通电方式A→AB→B→BC→C→CA→A→…，步距角为l5°（4）步进电动机的工作原理

尽管步进电机种类很多，其基本原理实质都是一致的。现以三相反应式步进电机为例，说明其工作原理:在步进电机定子上有三对磁极，上面绕有励磁绕组，分别称为A相、B相和C相。转子上带有等距小齿（图中有四个齿）,如果先将A相加上电脉冲，则有：AABBCC1234如果将B相加上电脉冲，则有：(b)B相通电转子逆时针旋转30。AABBCC1234(a)A相通电如果再将C相加上电脉冲，则有：AABBCC1234(c)C相通电转子逆时针旋转30。AABBCC1234(b)B相通电转子逆时针旋转30。AABBCC1234(a)A相通电

这种三相励磁绕组依次单独通电，切换三次为一个循环，称为三相单三拍通电方式。由于每次只有一相磁极通电，易在平衡位置附近发生振荡，而且在各相磁极通电切换的瞬间，电机失去自锁力，容易造成失步。为改善其工作性能，可采用三相六拍的通电方式，其通电方式及通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A…或者A→AC→C→CB→B→BA→A…。这种通电方式当由A相通电转为AB相共同通电时，转子磁极将同时受到A相与B相的吸引，它就停在AB两相磁极中间，这时它转过的角度是15。这种通电方式在切换时，始终有一相磁极不断电，故而工作较稳定，且在相同频率下，每相导通的时间增加，平均电流增加，从而可以提高电磁转矩、启动频率及连续运行频率等特性。

显然，通入脉冲频率越高，电机的转速就越高，且电机每步转过的角度越小，所能达到的位置精度也越高。

步进电机通电方式:

**单相轮流通电方式，在这种通电方式下工作的步进电机，每次只有一相通电，稳定性较差，容易失步。对一个定子为m相，转子有Z个齿的步进电机，步进电机一转所需的步数为mZ步。这种通电分配方式叫m相单m状态。例如：一个三相步进电机（A、B、C三相绕组）通电顺序为：A→B→C→A→……，逆时针旋转。通电顺序为：A→C→B→A→……，顺时针旋转。对应每个指令脉冲，转子转动一个固定角度α，称为步距角。上述通电方式也称为三相单三拍通电方式。

**双相轮流通电方式，对三相步进电机来说，其通电次序为AB→BC→CA。由于两相通电，力矩就大些，定位精度高而不易失步。步进电机每转步数亦为mZ步。这种通电分配方式叫m相双m状态。例：一个三相步进电机（A、B、C三相绕组）通电顺序为：AB→BC→CA→……，逆时针旋转。通电顺序为：AB→CA→BC→……，顺时针旋转。上述通电方式也称为三相双三拍通电方式。因为此通电方式在通、断电切换过程中，始终有一相保持通电状态，所以工作比较平稳。

**单双相轮流通电方式：对三相步进电机来说，其通电次序为A→AB→B→BC→C→CA。这时步进电机一转所需步数为2mZ步。这种通电分配方式叫m相2m状态。例：一个三相步进电机（A、B、C三相绕组）通电顺序为：A→AB→B→BC→C→CA→……，逆时针旋转。通电顺序为：A→CA→C→BC→B→AB→……，顺时针旋转。上述通电方式也称为三相单双六拍通电方式。其步距角减少一半。3.3.2、步进电机的运行特性及性能指标1、分辨率步距角越小，分辨率越高；2、静态特性稳定状态时的特性1）矩角特性2）静转矩3）静态稳定区3.3.2步进电动机的运行特性与性能指标

（1）分辨率主要指步距角=360º/znK。如：0.6º/1.2º、0.75º/1.5º、0.9º/1.8º、………。步距角步进电机每接受一个脉冲，转子所转过的角度，称为步距角。它是决定开环伺服系统脉冲当量的重要参数。

式中α——步距角；n——定子励磁绕组的相数；z——转子齿数；k——通电方式系数，单拍时，k=1；双拍时，k＝2。

由于步进电机应用在机床上一般是通过减速器和丝杠副带动工作台移动，所以步进电机的步距角对应工作台的移动量便是工作台的最小单位运动，也称脉冲当量（mm/脉冲），脉冲当量可由下式计算：式中：S——丝杠基本导程（mm）

——步进电机步距角

——传动比当进给脉冲频率为f（Hz）时，则工作台的进给速度V（mm/脉冲）可表示为：例：步进电机转子有80个齿，采用三相六拍驱动方式，经丝杠螺母传动副驱动工作台作直线运动，丝杠的导程为5mm，传动比为3，工作台移动最大速度为6mm/s。求：⑴步进电机的步距角。⑵工作点的脉冲当量。⑶步进电机的最高工作频率。（2）静态特性

静态特性：步进电动机的静态特性是指它在稳定状态时的特性，包括矩-角特性、静转矩等。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,此时的位置为转子初始稳定平衡位置。如果在电动机转子轴上加一负载转矩TL，定子与转子之间将有一角位移θe(见图3.11)，称为失调角。此时转子上的电磁转矩与负载转矩相等，称为静态转矩Tj。静态转矩越大，静态误差就越小MeMjmax--/2/20静态稳定区（2）静态特性（3）动态特性步进电机的动态特性将直接影响到系统的快速响应及工作的可靠性。在某一通电方式下，各相的矩-角特性总和为矩-角特性曲线族，每一曲线依次错开的电角度为θe＝2π/m，m为运行拍数。1）动态稳定区ABCeA相与B矩角特性曲线之交点所对应的转矩Tq称为起动转矩；Tq表明步进电机单相励磁所能带动的极限负载转矩2）启动转矩TqABCTqeTABCeT电机产生的电磁转矩T>负载力矩TLTL当电机所带负载TL<Tq时，电机可不失步的启动。ABCeTTLT电机产生的电磁转矩T<负载力矩TL,电机无法启动。3）最高连续运行频率及矩-频特性步进电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；它比最高启动频率大许多，因它不需克服惯性力矩。它代表着步进电机的最高转速。目前世界最高值可达7000r／min。步进电机的矩-频特性Td(N.m)f(Hz)电动机在连续运行状态下，其电磁转矩随控制频率的升高而逐步下降；转矩与控制频率之间的变化关系称为矩-频特性。4）空载启动频率与惯-频特性在空载状态下，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或突跳频率（fq）。当启动频率较低时：电机可不失步的运行ABCeT1234启动频率太高4点落在C相稳定区外，电机将不能正常启动。ABCeT1234步进电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为惯-频特性。一般讲，随着负载转动惯量的增加，起跳频率也会降低。（4）步进电机的型号表示方法不同生产厂家的步进电机型号表示方法也不尽相同，举例如下：

(5)、步进电机的选用步骤（1）根据系统精度的要求粗选步距角。（2）计算出整个系统加载到电机轴的力矩Tq（3）根据电机的通电情况计算出电机的最大静态转矩Tjmax,（4）根据和Tjmax选定电机型号（5）根据电机的矩频特性曲线验算电机在最大工作频率下的转动力矩是否能带动负载运行。（6）最后根据系统的安装条件最终确定电机型号640.755150BF00315004.90.753110BF004150070007.840.753110BF003空载启动频率(步/s）空载运行频率(步/s）最大静态转矩(Nm)步距角(0)相数参数型号反应式步进电机技术性能数据三、步进电机的驱动与控制

微机或数控装置等送来的脉冲信号及方向信号应按要求的配电方式自动循环地供给电动机各相绕组，以驱动电动机转子正反向旋转。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。三、步进电机的驱动与控制变频信号源脉冲分配器功率放大器电机脉冲信号方向分配器电源放大器电源步进电机的驱动包括脉冲分配器和功率放大器等1、环形脉冲分配器步进电机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作，（环形）脉冲分配器就是实现该功能的。使电机绕组的通电顺序按一定规律变化实现的方法有：①软环分：采用计算机软件利用查表程序来实现。以下图所示的微机控制三相步进电机为例，对其软环分状态进行详细介绍。

可将表中状态代码0lH、03H、02H、06H、04H、05H列入程序数据表中，通过软件可顺次在数据表中提取数据并通过输出接口输出即可，通过正向顺序读取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的转速。优点：充分利用计算机软件资源，降低硬件成本；对多相电机的脉冲分配具有更大的优点；缺点：易影响电机的运行速度2）采用小规模集成电路搭接而成的脉冲分配器优点：灵活性大，可搭接任意相任意通电顺序的环形分配器，且工作时不占用计算机的工作时间缺点：可靠性差3）采用专用环形分配器器件使用方便，接口简单图为市售的CH250即为一种三相步进电动机专用环形分配器。它可以实现三相步进电动机的各种环形分配（双三拍，单六拍等），使用方便、接口简单。图3.16为CH250的管脚图，图b为三相六拍接线图。

J3r、J3L两端子是三相双三拍的控制端，J6r、J6L是三相六拍的控制端，三相双三拍工作时，若J3r＝“1”，而J3L＝“0”，则电机正转；若J3r＝“0”，J3L＝“1”，则电机反转；三相六拍供电时，若J6r＝“1”，J6L＝“0”，则电机正转；若J6r＝“0”，J6L＝“1”，电机反转。R2是双三拍的复位端，R1是六拍的复位端，使用时，首先将其对应复位端接入高电平，使其进入工作状态，然后换接到工作位置。CL端是时钟脉冲输入端，EN是时钟脉冲允许端，用以控制时钟脉冲的允许与否。当脉冲CP由CL端输入，只有EN端为高电平时，时钟脉冲的上升沿才起作用。CH250也允许以EN端作脉冲CP的输入端，此时，只有CL为低电平时，时钟脉冲的下降沿才起作用。A、B、C为环形分配器的三个输出端，经过脉冲放大器（功率放大器）后分别接到步进电动机的三相线上。

2、功率放大器从计算机输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，须采用功率放大器将脉冲电流进行放大才能驱动步进电动机运转。电动机各相绕组都是感性负载，通电时，电流上升率受到限制；断电时，又会产生反电动势，为使电流尽快衰减，增加适当的续流回路。2、功率放大器下图是一个实用的脉冲放大电路，图中使用三级晶体管放大，第一级用3DG6小功率管，第二级用3DK4中功率管，第三级用3DD15大功率管，R6为步进电动机限流电阻，随所配电机不同而异。

2、功率放大器1）单电压型特点：电路结构简单，但串联R消耗能量降低放大功率；电感较大使电路对脉冲反应较慢,输出波形差。主要用于对速度要求不高的小型步进电机。实用驱动系统

KT350步进电动机驱动器的外形及接口图。其中接线端子排A、A、B、B、C、C、D、D、E、E接至电动机的各相;AC为电源进线，用于接50Hz、80V的交流电源，端子G用于接地;连接器CN1为一个9芯连接器，可与控制装置连接。RPW、CP为两个LED指示灯;SW是一个四位拨动开关，用于设置步进电动机的控制方式。其中第1位用于脉冲控制模式的选择，OFF位置为单脉冲控制方式，ON位置为双脉冲控制方式;第2位用于运行方向的选择（仅在单脉冲方式时有效），OFF位置为标准运行，ON位置为单方向运行;第3位用于整.半步运行模式选择，OFF位置时，电动机以半步方式运行，ON位置时，电动机以整步方式运行;第4位用于运行状态控制，OFF位置时，驱动器接受外部脉冲控制运行，ON位置时，自动试机运行（不需外部脉冲）。图示为混合式步进电动机驱动器的典型接线图

混合式步进电动机驱动器的典型接线图

步进电机控制系统

2）高低压功率放大电路

特点：具有高压驱动，电流增长速度快、前沿变陡，电机的扭矩和频率得到提高。

特点：仅在脉冲开始时接通高压电源，其余时间仅接通低压电源供电。具有功效高、电流上升率高、高速运转性能好，但波形陡有时存在过冲现象，谐波丰富，在低速运转时易产生振动。

其原理即“高压建流，低压稳流”特点为：高速运行性能好，但低速运行时振动较大3）恒流源功率放大器适用于较高频率的驱动上，功耗小，效率高，但发热大。4）斩波恒流功率放大电路电机的输出加大，运行频率得到提高恒流源功率放大器

5）调频调压功放电路当电源一定时，步进电机绕组电流的上冲值是随工作频率的升高而降低的，使输出转矩随电机转速的提高而下降。如果能设法使绕组的供电电压随着运行频率的升高而一起升高，以维持绕组在不同频率的导电周期内电流平均值基本相同，这样可达到在高频运行时，动态转矩不明显下降的目的。这种随运行频率的升高，电源电流自动升高的控制方式，称为调频调压方式。3、细分驱动将一个步距角细分成若干步的驱动方式称为细分驱动。特点：在不改变电动机结构参数的情况下，能使步距角减少，但细分后的步距角精度不高，功率驱动电路也相应复杂；能使步进电机运行平稳，提高匀速性，并能减弱或消除振荡。

采用细分驱动电路的目的：整步运转或半步运转基础上，不改变步进电机结构，提高步进电机的运转、控制精度。

细分驱动电路的基本工作原理：对每一控制脉冲，细分使其电流逐步增加达到脉冲的最大电流（Imax），又逐步减少达到脉冲的最小