机器人驱动及控制 课件全套 第1-7章 绪论、机器人步进电动机驱动及控制-机器人电液伺服驱动及控制

机器人驱动及控制

机器人被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”，其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。

2020年我国工业机器人市场为全球贡献了40%左右的份额，连续多年稳坐世界最大机器人消费国地位。

机器人是能够自动执行任务的机械装置，它能够取代或协助人类进行某些工作，是人类社会科学技术发展的综合性产物。绪论●学习目标了解机器人的起源与发展简史掌握机器人的定义、特点与分类掌握工业机器人的结构组成、主要技术参数01020304了解工业机器人的应用领域1.1机器人的起源与发展简史“机器人”

最早出自于1920年捷克剧作家KarelCapek（卡雷尔

凯培克）的科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》。讲述一个名为Robot的机器人能够不吃饭、不知疲倦地工作。机器人仅存在于科幻小说中，体现人们的一种愿望，希望能够创造出一种机器来代替人们工作，尤其是那些重复枯燥的工作。《罗萨姆的万能机器人》剧照现实的东西科幻文学作品玩具商店中的玩具人们印象中的机器人1.1.1机器人的起源2025/2/111.1机器人的起源与发展简史

1.1.2机器人发展简史机器人的起源最早可追溯到3000多年前。早在我国西周时期就流传着艺妓（歌舞机器人）的故事。春秋时期的木鸟、东汉时期的记里鼓车、三国时期的木牛流马等广为人知的机械产品，也可以归类到早期机器人的范畴。春秋时期的木鸟记里鼓车构造根据史书记载复原的三国木牛图2025/2/111.1机器人的起源与发展简史

1.1.2机器人发展简史日本江户时代，出现了各式各样的人偶。它们都有复杂机械传动装置，用绳子，发条，木质齿轮、凸轮转轴等驱动它们做出端茶送水，拉弓射箭，扇扇子，转雨伞等动作。多用于娱乐。端茶送水端茶送水内部结构拉弓射箭

2025/2/111.1机器人的起源与发展简史

美国约瑟夫·恩格尔伯格和乔治·德沃尔创造了世界上第一台工业机器人“unimate”。1961年，“unimate”正式在通用公司完成安装，辅助汽车生产。1.1.2机器人发展简史约瑟夫·恩格尔伯格（美）JosephF·Engelberger研制出了世界上第一台工业机器人被誉为“机器人之父”乔治·德沃尔（美）GeorgeDevol第一台可编程工业机器人的发明者成立世界上第一家机器人公司Unimation世界上第一台工业机器人unimate2025/2/111.1机器人的起源与发展简史

1.1.2机器人发展简史精确重复示教动作无法感知环境无法向控制系统反馈信号一示教再现机器人通过传感器感知外界环境向控制系统反馈数据根据编程逻辑进行有限互动感知机器人二智能机器人自主学习能力自主决策完成复杂任务三机器人的发展过程我国在1977年研制出第一台通用型工业机器人JSS35，结构与Unimate机器人相似，可用于工件上下料和搬运，装上不同的专用工具还可用于焊接、喷漆及打磨毛刺等。该机器人曾用于东风汽车公司的点焊作业。JSS35机器人进行汽车驾驶室点焊工艺试验2025/2/111.2机器人的定义、特点与分类

1.2.1机器人的定义和特点机器人的定义

机器人的动作机构具有类似于人或其他生物体的某些器官的功能。

机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变。

机器人具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等。

机器人具有独立性，完整的机器人系统在工作时可以不依赖于人的干预。机器人被认定为是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器，它接受人类指挥，可以运行预先设定的程序，也可以根据人工智能技术制定的原则行动，进而协助或者取代人类工作。2025/2/111.2机器人的定义、特点与分类

1.2.1机器人的定义和特点机器人的定义

机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。

机器人主要是指具备传感器、智能控制系统和驱动系统这三个要素的机械结构。通用性适应性可编程拟人化

针对不同的作业任务更换末端操作器（取料手、专用操作器、转换器等），而不需要更换机器人本体。

通过传感器感知外界环境确定自身位置，适应不同的外界环境。

根据不同环境条件进行编程，特别适合柔性制造系统。

结构上类似人类行走、动作等功能，通过控制器、传感器来模拟人类的大脑和感官，有极强的环境适应能力。2025/2/111.2机器人的定义、特点与分类

1.2.2机器人分类应用场景工业机器人服务机器人特种机器人工业机器人是用于工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置。服务机器人是指通过半自主或完全自主运作，为人类提供帮助（不含工业性操作）的机器人。特种机器人在应对地震、洪涝和极端天气等自然灾害，以及矿难、火灾、安防等公共安全事件中，有极其重要的作用。2025/2/111.2机器人的定义、特点与分类

工业机器人分类手臂运动形式直角坐标型：手臂沿三个直角坐标系移动。圆柱坐标型：手臂可做升降、回转和伸缩动作。球坐标型：手臂可做回转、俯仰和伸缩动作。多关节型：手臂具有多个转动关节。

2025/2/111.2机器人的定义、特点与分类

工业机器人分类关节结构类型串联机器人串联机器人关节轴之间相互影响，一个轴运动会改变其他关节轴的坐标原点。具有结构简单、易控制、成本低、运动空间较大等优点。并联机器人包括动平台和定平台两部分，它们之间至少使用两个独立的运动链连接，以并联的方式驱动，具有两个或两个以上自由度。具有精度高、速度快、承载能力强、工作空间小等优点。2025/2/111.3机器人的发展现状产品

机器人作为数字经济时代最具标志性的工具，从浩瀚太空到万米深海，从工厂车间到田间地头，从国之重器到百姓生活，正以燎原之势飞速发展，逐渐成为衡量一个国家创新能力和产业竞争力的重要标志。2025/2/111.3机器人的发展现状产品2023年，国际机器人联合会（IFR）发布的《世界机器人报告》显示2022年全球工业机器人装机量为55.3万套，同比增长率为5%，2017-2022年均复合增长率为7%。2017-2022年各大洲装机量相比，亚洲均最高，其中2022年亚洲装机量占比为73%，欧洲占比为15%，美洲占比为10%，亚洲市场最具潜力。工业机器人

销量稳步增长，亚洲市场最具潜力全球工业机器人年装机量[千台套]全球不同区域工业机器人年均装机增长量[千台套]2025/2/111.3机器人的发展现状产品2012年，我国工业机器人装机量近2.3万套，与其他国家相比占比为14%，2022年我国机器人全行业营业收入超过1700亿元，继续保持两位数增长，其中工业机器人装机量超过29万套，装机量占全球比重超过50%，稳居全球第一大市场，十年内工业机器人装机量增长了11.6倍，与其他国家相比占比增加了38个百分点。工业机器人

销量稳步增长，亚洲市场最具潜力2021年我国与其他国家工业机器人装机量对比2022年我国与其他国家工业机器人装机量对比2025/2/111.3机器人的发展现状产品工业机器人

销量稳步增长，亚洲市场最具潜力《“十四五”机器人产业发展规划》到2025年我国成为全球机器人技术创新策源地、高端制造集聚地和集成应用新高地；一批机器人核心技术和高端产品取得突破，整机综合指标达到国际先进水平，关键零部件性能和可靠性达到国际同类产品水平；机器人产业营业收入年均增速超过20%；形成一批具有国际竞争力的领军企业及一大批创新能力强、成长性好的专精特新“小巨人”企业，建成3-5个有国际影响力的产业集群；制造业机器人密度实现翻番。2025/2/111.3机器人的发展现状产品服务机器人

新一代人工智能兴起，行业迎来快速发展新机遇根据中国电子学会数据2021年全球服务机器人市场规模达到172亿美元，2017-2021年年均复合增长率达27%；预计2022年全球服务机器人市场规模将达到217亿美元，市场规模将首次超过工业机器人，约占机器人市场规模的42%，2024年市场规模将有望增长至290亿美元。2017-2023年全球服务机器人市场规模数据来源：中国电子学会、中商产业研究院整理。2025/2/111.3机器人的发展现状产品服务机器人

新一代人工智能兴起，行业迎来快速发展新机遇服务机器人主要包括家用服务机器人、公共服务机器人和医疗服务机器人。2021年，家用服务机器人占比最高，达到65%；公共服务机器人占比次之，为25%；医疗服务机器人占比最低，为10%。2021年我国服务机器人细分市场规模占比数据来源：中国电子学会、中商产业研究院整理。2025/2/111.3机器人的发展现状产品服务机器人

新一代人工智能兴起，行业迎来快速发展新机遇根据中国电子学会数据，2022年中国服务机器人产量达到645.8万套，市场规模约为447.76亿元。采摘、巡检、物流、养老……服务机器人正加速与生产生活融合。2023年上半年，服务机器人产量达到了353万套，同比增长9.6%。随着新兴场景的进一步拓展，预计2023年市场规模将有望突破500亿元。2017-2023年我国服务机器人市场规模数据来源：中国电子学会、中商产业研究院整理。2025/2/111.3机器人的发展现状产品特种机器人

新兴应用持续涌现，各国相继展开战略布局随着全球地区局势复杂、极端天气频发等问题日益凸显，在军事应用、治安维护、抢险救灾、水下勘探和高空作业等高危场景中，特种机器人可以部分甚至全部替代人工作业，在安全性、时效性和保质性等方面有效满足需求。2025/2/111.3机器人的发展现状产品特种机器人

新兴应用持续涌现，各国相继展开战略布局2017年以来，特种机器人产业规模年均增长率全球达到21.7%，我国达到30.7%。特种机器人市场规模2022年全球超过100亿美元，我国达到约153亿元；2024年全球有望达到140亿美元，我国预计达到247.6亿元。全球特种机器人销售额及增长率我国特种机器人市场规模2025/2/111.3机器人的发展现状技术

随着研发水平不断提升、工艺设计不断创新以及新材料相继投入使用，工业机器人正向着小型化、轻型化和柔性化的方向发展，类人精细化操作能力不断增强。

随着机器人易用性、稳定性以及智能水平的提升，机器人应用领域逐渐由搬运、焊接和装配等操作型任务向加工型任务拓展，人机协作正在成为工业机器人研发的重要方向。工业机器人

轻型化、柔性化发展提速，人机协作不断走向深入2025/2/111.3机器人的发展现状技术

人工智能技术是服务机器人在下一阶段获得实质性发展的重要引擎，正从感知智能向认知智能加速迈进。

智能服务机器人产品类型愈加丰富，由市场率先落地的扫地机器人、送餐机器人向情感机器人、陪护机器人、教育机器人等方向延伸，服务领域和服务对象不断拓展。服务机器人

认知智能取得一定进展，产业化进程持续加速2025/2/111.3机器人的发展现状技术

随着传感技术、仿生与生物模型技术、生机电信息处理与识别技术不断进步，特种机器人已逐步实现“感知—决策—行为—反馈”的闭环工作流程，具备了初步的自主能力。

随着特种机器人的智能性和对环境的适应性不断增强，在军事、防暴、消防、交通运输、安防监测、空间探索等众多领域都具有十分广阔的应用前景。特种机器人

结合感知技术与仿生等新型材料，智能性和适应性不断增强2025/2/111.4工业机器人的组成与技术参数

1.4.1工业机器人系统组成机器人系统是由机器人、作业对象及环境共同构成，包括机器人机械系统、驱动系统、控制系统和感知系统四大部分。工业机器人本体（机械系统）类似于人的臂部和手腕。驱动系统和控制系统被集成到控制柜中，多数会配备示教器或示教盒。机器人系统组成及各部分之间的关系2025/2/111.4工业机器人的组成与技术参数1.4.1工业机器人系统组成机械系统一般由机身、臂部、腕部和末端操作器构成，配备上各种抓手与末端操作器后，可进行各种抓取动作和操作作业。机身臂部手腕末端操作器机器人结构的基础，起支撑作用，通常固定在机器人操作平台或者移动机构上。机器人主体结构是大臂和小臂的统称，用于支撑手腕和手部，使手部中心点能够按照特定的运动轨迹运动。连接臂部和手爪的部分，用于调整手爪在空间的位置，更改手爪和所夹持工件的空间姿态。抓取机构，用于抓取工件。根据抓取方式分为夹持类和吸附类，可进一步细分为夹钳式、弹簧夹持式、气吸式、磁吸式等。关节由伺服系统协调控制2025/2/111.4工业机器人的组成与技术参数1.4.1工业机器人系统组成驱动系统是指驱动机械系统各关节动作的驱动装置。是机器人的动力系统，一般由驱动装置和传动机构两部分组成。驱动器可以将电能、液压能、气压转换为机器人动力，并且通过联轴器、关节轴等部件带动连杆动作。2025/2/111.4工业机器人的组成与技术参数1.4.1工业机器人系统组成控制系统用于控制机器人各关节的位置、速度和加速度等参数，从而使机器人的抓手以指定的速度按照指定的轨迹到达目标位置。该系统主要由控制器和控制软件组成。开环控制系统机器人不具备信息反馈特征闭环控制系统机器人具备信息反馈特征控制系统控制器控制系统硬件部分决定了机器人性能优劣控制软件由人与机器人联系的人机交互系统和控制算法等组成2025/2/111.4工业机器人的组成与技术参数1.4.1工业机器人系统组成感知系统作用是获取机器人内部和外部的环境信息，并把这些信息反馈给控制系统。内部传感器用于检测各关节的位置、速度等变量，为闭环伺服控制系统提供反馈信息。外部传感器用于检测机器人与周围环境之间的距离、接近程度或接触情况的状态参量，引导机器人识别物体并做出相应处理。2025/2/111.4工业机器人的组成与技术参数1.4.1工业机器人系统组成机器人系统是一个典型的机电一体化系统。工作原理：控制系统发出动作指令，控制驱动器动作，驱动器带动机械系统运动，使末端操作器到达空间某一位置和实现某一姿态，实施一定的作业任务。末端操作器在空间的实时位姿由感知系统反馈给控制系统，控制系统把实际位姿与目标位姿相比较，发出下一个动作指令，如此循环，直到完成作业任务为止。2025/2/111.4工业机器人的组成与技术参数1.4.2工业机器人技术参数技术参数是机器人制造商在产品供货时所提供的技术数据。技术参数反映了机器人可胜任的工作、具有的最高操作性能等情况，是选择、设计和应用机器人时必须考虑的数据。自由度定位精度和重复定位精度工作空间承载能力最大工作速度工业机器人技术参数2025/2/111.4工业机器人的组成与技术参数自由度示意图1.4.2工业机器人技术参数自由度指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不含末端操作器的开合自由度。机器人一个自由度对应一个关节或一个轴。自由度表示机器人动作灵活程度的参数，自由度越多，机器人越灵活，但结构也越复杂、控制难度也就越大，所以机器人自由度要根据用途设计，一般为3~6个。2025/2/111.4工业机器人的组成与技术参数1.4.2工业机器人技术参数定位精度指机器人末端操作器的实际位置与目标位置之间的偏差。重复定位精度指在同一环境、同一条件、同一目标动作和同一命令下，机器人连续重复运动若干次时，其位置的分散情况，是关于精度的统计数据。因重复定位精度不受工作载荷变化的影响，常用重复定位精度作为衡量示教再现工业机器人水平的重要指标。2025/2/111.4工业机器人的组成与技术参数1.4.2工业机器人技术参数工业机器人选型时所说的工作空间指未安装末端操作器时机器人手臂末端所能到达的工作区域。而实际应用中涉及的工作空间指末端操作器所能到达的工作区域，并且随着末端操作器的不同而不同，它决定机器人能否到达指定位置完成工作任务。机器人工作空间2025/2/111.4工业机器人的组成与技术参数1.4.2工业机器人技术参数承载能力指机器人在工作空间内任何位置上以任意姿态所能承受的最大重量。承载能力不仅取决于负载的重量，而且与机器人运行速度和加速度的大小和方向有关。通常情况下，承载能力确定为考虑机器人末端操作器重量的前提下高速运行时的承载能力。2025/2/111.4工业机器人的组成与技术参数1.4.2工业机器人技术参数最大工作速度是衡量机器人工作效率的指标之一，不同生产厂家、不同型号的机器人其最大工作速度不同，且最大工作速度的含义也不同。有的厂家指工业机器人主要自由度上最大的稳定速度，有的厂家指手臂末端最大的合成速度，通常会在技术参数中加以说明。2025/2/111.5工业机器人的应用码垛根据搬运物件特点，在保持形状和物件性质不变的基础上，进行高效分类搬运。焊接

汽车制造行业是应用最广泛的行业，在焊接难度、焊接数量和焊接质量等方面有着人工焊接无法比拟的优势。装配安装精度高、灵活性大和耐用程度高。常用于电子零件、汽车精细部件的安装。探测深空（探月、探火）、深地（地球深部矿物资源、能源资源的勘探）、深海（深海资源勘探）和高危（核污染区域、有毒区域和高危未知区域）领域进行探测。2025/2/11本章小结机器人系统技术参数工业机器人机器人根据不同应用场景，可分为工业机器人、服务机器人和特种机器人三大类。由机器人和作业对象及环境共同构成的，包括机器人机械系统、驱动系统、控制系统和感知系统四大部分。工业机器人本体（机械系统）类似于人的臂部和手腕。控制系统是机器人的控制核心，依据已有的编程指令和传感器信息，完成指定运动或者决策。自由度、定位精度、重复定位精度、工作空间、承载能力及最大工作速度等。

2025/2/11第2章机器人步进电动机驱动及控制●学习目标了解步进电动机结构和性能要求掌握反应式步进电动机工作原理了解混合式步进电动机工作原理掌握步进电动机基本特点掌握反应式步进电动机运动特性掌握步进电动机驱动控制方法了解步进电动机在六自由度切削机器人中的应用01020304050607

机器人并不像人靠肌肉收缩和弹性产生力，把机器人“解剖”后，发现每个机器人都有外来的“动力来源和精密的传动机构”，产生力并传递力。

电动机是最常见的动力源之一。工业机器人每个关节处的电动机都用于驱动运动，为手臂提供准确的角度。

对工业机器人动作速度和精度的要求实际上就是对电动机响应速度和控制精度的要求。2.1步进电动机概述

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。每输入一个脉冲信号改变一次励磁状态，转子就转动一个角度或前进一步，若不改变励磁状态，则保持一定位置而静止。

输出的角（线）位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲的频率成正比。

步进电动机精度高、惯性小，不丢步的情况下运行，步距误差不会长期积累，特别适用于开环数字控制的定位系统。2025/2/112.2步进电动机结构及性能要求

2.2.1步进电动机结构步进电动机的结构由定子和转子两大部分组成。定子由定子铁心和控制绕组组成。由专门电源输入脉冲信号，输入的脉冲信号对多个定子绕组轮流进行励磁而产生磁场。定子绕组的个数称为相数。转子用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构。凸极的个数称为齿数。定子铁心转子铁心步进电机结构简图步进电机安装位置2025/2/112.2步进电动机结构及性能要求

2.2.1步进电动机结构步进电动机反应式步进电动机永磁式步进电动机混合式步进电动机按结构分类2025/2/112.2步进电动机结构及性能要求

反应式步进电动机

根据结构的不同分为单段式和多段式两种。

单段式又称径向分相式，目前广泛使用的步进电动机多采用这种结构。

径向磁路多段式的定子、转子铁心沿电动机轴向按相数分段，每一段定子铁心的磁极上均放置同一相控制绕组。

定子上装有磁极（大齿），每个磁极的极弧上有许多小齿。磁极大齿成对出现，每个磁极上都有控制绕组，每相控制绕组由放在径向相对的两个磁极上的集中控制绕组串联而成。

转子沿圆周均匀冲有小齿，而且转子上小齿的齿距=定子磁极上小齿的齿距。转子上没有绕组。2025/2/112.2步进电动机结构及性能要求

永磁式步进电动机

定子上有突出的磁极，磁极上装有控制绕组。转子上安装有永久磁钢制成的磁极，转子极数与定子极数相同。

永磁式步进电动机的特点：

步距角大

起动频率比较低（转速不一定低）

控制功率小

有定位转矩

有较强的内阻尼力矩2025/2/112.2步进电动机结构及性能要求

混合式步进电动机

混合了永磁式和反应式的优点，具有反应式步进电动机步距小、运行频率高的特点，还具有永磁式步进电动机消耗功率小的优点，是目前发展较快的一种步进电动机。

特点：结构简单、体积小、安装方便、免维护、噪声小和成本低。2025/2/112.2步进电动机结构及性能要求

2.2.2步进电动机性能要求

在一定速度范围内，在脉冲信号控制下，步进电动机能迅速起动、正/反转和停转及在较宽范围内平滑调节。

每个脉冲对应的位移量小且准确、均匀，即要求步进电动机步距小、步距精度高、不丢步或越步，以保证系统精度。

输出转矩大，可直接驱动负载工作。2025/2/112.3反应式步进电动机工作原理

反应式步进电动机是根据磁阻性质产生转矩，遵循磁通总是沿磁阻最小路径闭合的原理，由磁拉力形成驱动转矩。

定子铁心为凸极式，共有3对（三相）6个磁极，不带小齿，磁极上绕有控制绕组，相对两个磁极的绕组串联，组成一相控制绕组。转子为凸极结构，有4个均匀分布的齿，没有绕组。2025/2/112.3反应式步进电动机工作原理

2.3.1通电方式分析

步进电动机有单相轮流通电、双相轮流通电和单、双相轮流通电三种通电方式。“单”是指每次切换前后只有一相绕组通电，“双”是指每次切换前后有两相绕组通电。定子励磁绕组每改变一次通电状态，称为一拍。三相反应式步进电动机的工作原理图2025/2/112.3反应式步进电动机工作原理

三相单三拍通电

A相通电，B、C相不通电，转子齿1、3的轴线向定子A极轴线对齐，转子只受径向力，无切向力，转矩为零，被锁定在这个位置。通电顺序为A—B—Ｃ—Ａ

B相通电，定子B极轴线使最靠近的转子齿2、4轴线向其对齐，转子在空间顺时针旋转30°。

C相通电，定子C极轴线使最靠近的转子齿1、3轴线向其对齐，转子在空间顺时针再旋转30°。

转子齿与齿的角度称齿距角，4个齿，一个齿距角为90°。

转子每步转过的角度称为步距角，一个步距角为30°。2025/2/112.3反应式步进电动机工作原理

三相单三拍通电

通电顺序改为A—Ｃ—B—A时，转子按逆时针方向一步一步转动。

改变通电顺序即改变转子旋转方向。2025/2/112.3反应式步进电动机工作原理

三相双三拍通电

若按ABBCCA顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。

与单三拍相似，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)。AB通电CA'BB'C'A3412BC通电3412CA'BB'C'ACA通电CA'BB'C'A3412

电动机改变状态时，总有一相绕组持续通电，起电磁阻尼作用，工作平稳，三相单三拍时因没有这种阻尼，转子到达新的平衡位置后会产生振荡，稳定性远不如双三拍通电。2025/2/112.3反应式步进电动机工作原理

三相单双六拍通电

按三相单双六拍AABBBCC

CA顺序给三相绕组轮流通电，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)。这种方式可以获得更精确的控制特性。

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

，到达上图所示位置。

B相通电，转子2、4齿与B、B´对齐,又转过15

。

B、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

。2025/2/112.3反应式步进电动机工作原理

在微型或小型机器人实际应用中常需要较小的步距角如3°、1.5°等，因此电动机的定子磁极和转子铁心加工成多齿形。它定子上有3对磁极，每对磁极上绕有一相绕组，定子磁极上带有小齿，转子齿数很多的反应式步进电动机，其步距角可以做到很小。2.3.2小步距角步进电动机2025/2/112.4混合式步进电动机工作原理

定子、转子都有小齿，转子永磁体分两段，轴向励磁，且左、右转子相互错开半个齿距。当一段铁心的齿与定子某相极下的齿对齐时，另一段铁心的齿便与该极下的槽对齐。

转子由两段铁心和夹在中间的永磁体组成。转子铁心一段为N极，另一段为S极。永磁磁路也是轴向的，从转子N极端到定子I端，轴向到定子的II端、转子S极端，经磁体闭合。

定子有两对磁极，磁极下有小齿，每一对磁极上绕有一相绕组，通电时这两个磁极极性相反。2.4.1两相混合式步进电动机结构2025/2/112.4混合式步进电动机工作原理

混合式步进电动机是在永磁磁场和变磁阻原理共同作用下工作。

若转子永磁体没有充磁，只给定子控制绕组通电和定子绕组不通电，仅有转子永磁体磁场作用，电动机均不产生转矩。只有转子永磁磁场与定子磁场相互作用，电动机才会产生电磁转矩。

在转子永磁体充磁且有某一相通电的情况下，转子就有使通电相磁路的磁阻为最小的稳定平衡位置，而混合式步进电动机定、转子异极性的磁极下磁阻最小，同极性的磁极下磁阻最大。2.4.1两相混合式步进电动机工作原理

2025/2/112.4混合式步进电动机工作原理

两相单四拍通电两相单四拍运行是在U、V两相绕组内按UVU-V-U顺序通入正、反方向电流。U相绕组正向通电V相不通电，建立UU’为轴线的磁场。此时U相磁极为S极，U’为N极。U相磁极与N段转子齿轴线重合，与S段转子齿错开1/2齿距。此时，V相磁极与转子齿错开1/4齿距。在U相断电V相绕组正向通电，建立以VV’为轴线的磁场。此时V相磁极为S极V’为N极，转子沿顺时针方向转过1/4齿距，V相磁极与N段转子齿轴线重合，与S段转子齿错开1/2齿距。在V相断电U相绕组反向通电，建立以UU’为轴线的磁场。此时U相磁极为N极U’为S极，转子沿顺时针方向再次转过1/4齿距，

到达U相磁极与S段转子齿轴线重合，并与N段转子齿错开1/2齿距。2025/2/112.4混合式步进电动机工作原理

两相单四拍通电两相单四拍运行是在U、V两相绕组内按UVU-V-U顺序通入正、反方向电流。在U相断电V相绕组反向通电，建立以VV’为轴线的磁场。此时V相磁极为N极V’为S极，转子继续沿顺时针方向转过1/4齿距，

到达V相磁极与S段转子齿轴线重合，并与N段转子齿错开1/2齿距。

连续不断地按UVU-V-U的顺序分别给各相绕组通电，每改变一次通电状态，转子就沿顺时针方向转过1/4齿距，且循环通电一次转子转过1个齿距。若改变通电顺序，以UV-U-VU的顺序给各相绕组通电，就可改变转向，使步进电动机沿逆时针方向旋转。2025/2/112.4混合式步进电动机工作原理

两相双四拍通电两相双四拍按UVU-VU-V-UV-UV顺序给U、V两相绕组同时正向通电U、V两相绕组同时正向通电，建立以UV两相磁极几何中线为轴线的磁场。此时U、V两磁极都为S极。U、V两磁极和U’V’两磁极与N段转子齿轴线分别错开1/8齿距和3/8齿距，与S段分别错开3/8齿距和1/8齿距。U-V、U-V-、UV-

通电分析类似。

两相双四拍运行按UVU-VU-V-UV-UV顺序通电，电动机沿顺时针方向转动，且每改变一次通电状态，电动机转过1个步距角（即1/4齿距角）。

若按UVUV-U-V-U-VUV顺序通电，按逆时针方向转动。

与单四拍运行方式相比，双四拍运行方式因两相绕组同时通电，所以产生的电磁转矩较大，带负载能力更强。2025/2/112.5步进电动机基本特点

1.每相脉冲信号频率步进电动机工作时，每相控制绕组不是恒定通电，而是通过环形分配器按一定规律控制驱动电路导通和关断，给各相绕组轮流通电。

按三相双三拍运行的环形分配器有1路输入，输出有U、V、W三路，起始时U、V有电压，则输入1个控制脉冲信号后，就变为V、W有电压，再输入1个控制脉冲信号，则变为W、U有电压，再输入1个控制脉冲信号，又变为U、V有电压。

环形分配器输出的各路控制脉冲信号，经各自的放大器放大后送入步进电动机各相绕组，使步进电动机一步步地转动起来。2025/2/112.5步进电动机基本特点

1.每相脉冲信号频率

步进电动机每循环1次所包含的通电状态数称为状态数或拍数。

状态数等于相数称为单拍制分配方式（三相单三拍），等于相数的两倍称为双拍制分配方式（三相六拍）。

同一台电动机可有多种分配方式，但不管哪种分配方式，每循环1次，控制电脉冲的个数总等于拍数N，而加在每相绕组上的脉冲电压或电流个数为1，因而控制脉冲信号频率f

是每相脉冲电压或电流频率fp

的N倍，即2025/2/112.5步进电动机基本特点

2.齿距角和步距角

步进电动机每输入1个电脉冲信号，转子转过的角度称为步距角θb。

转子相邻两齿间的夹角称为齿距角θt。

ZR为转子的齿数。

减小步距角：①增加拍数，即增加相数和采用双拍制。但是相数越多，电源即电机结构越复杂。②增加转子齿数。

N为转子转过1个齿距所需要的拍数，N=Km；m为电动机的相数；K为通电系数，相数=拍数，K=1，否则K=2。2025/2/112.5步进电动机基本特点

3.齿距角误差不会长期累积

由于定、转子的齿距分度或气隙不均匀，实际步距角和理论步距角之间存在偏差，即步距角误差。

当转子转过一定步数，步距角会产生累积误差，但是每转1周都有固定的步数，当转子转过1周后又恢复到原来位置，累积误差将变为零。

步进电动机的步距角只有周期性误差，而无累积误差。2025/2/112.5步进电动机基本特点

4.转速

每输入1个脉冲信号，转子转过的角度是整个圆周角的1/(ZRN)即转过1/(ZRN)圈，因此每分钟转子所转过的圆周数，即转速为

转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，而与电压、负载和温度等因素无关。

改变通电顺序，即改变定子磁场旋转的方向，就可控制电动机正转或反转。

f为控制脉冲的频率。

脉冲频率f一定时，步距角越小，电动机转速越低，输出功率越小。2025/2/112.5步进电动机基本特点5.自锁能力

当控制脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕组继续通电时，电动机可以保持在固定位置上，即停在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上。这样步进电动机可以实现停车时转子的准确定位。

一台三相反应式步进电动机采用三相六拍运行方式，转子齿数ZR为40，脉冲频率f为800Hz。试求解以下问题：

写出一个循环的通电顺序。

求步进电动机的步距角。

求步进电动机的转速。

求步进电动机每秒转过的角度。2025/2/112.5步进电动机基本特点

写出一个循环的通电顺序。因为采用了三相六拍运行方式，所以通电顺序为U

UV

V

VW

W

WU

U

或U

UW

W

WV

V

VU

U

求步进电动机的步距角。三相六拍运行步进电动机步距角为

求步进电动机的转速。

或

求步进电动机每秒转过的角度。或2025/2/112.6反应式步进电动机运动特性

2.6.1静态特性当步进电动机各相绕组按一定顺序通入控制脉冲时，转子就一步步地转动。当控制脉冲停止时，若某相绕组仍通入幅值不变的直流电，转子将固定在某一位置保持不动，称为静止状态。静止状态下即使有小的扰动，转子偏离此位置，也会在磁力的作用下恢复原位。

初始稳定平衡位置空载情况下，控制绕组中通以直流电时转子的最后稳定平衡位置，即定子、转子齿轴线重合的位置。此处电磁转矩（即静转矩）为零。

单相通电2025/2/112.6反应式步进电动机运动特性

步进电动机转子偏离初始稳定平衡位置的电角度。

不改变通电状态，控制绕组电流不变时，步进电动机静转矩随转子失调角的变化规律，即。2.失调角3.矩角特性

为时产生的电磁转矩2025/2/112.6反应式步进电动机运动特性

2.6.2动态特性

连续运行状态

当控制脉冲频率达到一定数值之后，频率再升高，步进电机因受到定子绕组电感影响，负载能力下降。

控制脉冲频率升高，步进电机铁心中涡流迅速增加，热损耗和阻转矩使输出功率和动态转矩下降。

动态转矩

运行矩频特性

在一定控制脉冲频率范围内，随频率升高，功率和转速都相应提高，超出该范围，随频率升高转矩下降，带载能力也逐渐下降，到某一频率后，就带不动任何负载，而且只要受到一个很小的扰动，就会振荡、失步以致停转。2025/2/112.6反应式步进电动机运动特性

控制电源脉冲频率连续提高时，在一定负载下，步进电机能正常连续运行（不丢步、不失步）所能加到的最高频率称为最高连续运行频率或最高跟踪频率。

最高连续运行频率与负载有关，分空载运行频率和额定负载运行频率，且空载大于额定。

最高连续运行频率

高频振荡

反应式步进电动机在脉冲电压的频率相当高的情况下，有时会出现明显的振荡现象。因为此时控制绕组内电流产生振荡，相应地使转子转动不均匀，以致失步。但脉冲频率若快速越过这一频段，电动机仍能继续稳定运行，这一现象称为高频振荡。2.6.2动态特性

连续运行状态2025/2/112.6反应式步进电动机运动特性

在给定驱动电源的条件下，负载转动惯量一定时，启动频率与负载转矩的关系。

当电动机带负载转矩启动时，负载转矩越大，作用在电机转子上的加速转矩（电磁转矩-负载转矩）就越小，电动机就越不易启动，当有较低的脉冲频率时电动机才可能启动。

启动频率随负载转矩增大呈下降趋势。

启动矩频特性2.6.2动态特性

启动状态2025/2/112.6反应式步进电动机运动特性

在给定驱动电源的条件下，负载转矩不变，启动频率与负载转动惯量的关系。

随转动惯量的增大，在一定的脉冲周期内转子加速过程将变慢，难于趋向平衡。要电机启动，也需要较长脉冲周期使电机加速，即要求降低脉冲频率。

启动频率随转动惯量增大呈下降趋势。

启动惯频特性2.6.2动态特性

启动状态2025/2/112.6反应式步进电动机运动特性

电机正常启动时（不丢步、不失步）所能施加的最高控制频率。是衡量步进电机快速性能的重要指标。

启动频率比连续运行频率低。

增大电机动态转矩；减小转动部分转动惯量；增加拍数，减小步距角，均可实现步进电机启动频率的提高。

启动频率2.6.2动态特性

启动状态2025/2/112.7步进电动机驱动控制

2.7.1驱动控制器步进电机驱动控制

步进电动机驱动器通过外加控制脉冲，按环形分配器分配方式，控制各相绕组导通或截止，从而产生步进运动。

步进电机工作性能除取决于自身性能因素外，还取决于驱动器性能优劣。

步进电机与驱动器构成一个整体，统称为步进电机系统，其运行性能是电动机本体和驱动器两者配合所反映出来的综合效果。

控制器组成

控制器由脉冲发生器、脉冲分配器和功率放大器组成。2025/2/112.7步进电动机驱动控制

驱动控制器的相数、电压、电流和通电方式都要满足步进电动机的要求。

驱动控制器的频率要满足步进电动机起动频率和连续运行频率的要求。

能最大限度地抑制步进电动机的振荡，提高系统稳定性。

工作可靠，抗干扰能力强。

成本低，效率高，安装和维护方便。

对驱动控制器的要求2.7.1驱动控制器2025/2/112.7步进电动机驱动控制2.7.2功率驱动电路步进电动机的驱动电路实际上是一种脉冲功率放大电路，使脉冲具有一定功率驱动能力。由于功率放大器的输出直接驱动电动机绕组，因此，功率放大电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。单电压限流型驱动电路高低压切换型驱动电路PWM（脉宽调制）型驱动电路细分驱动电路2025/2/112.7步进电动机驱动控制2.7.2功率驱动电路

单电压限流型驱动电路

L是电动机绕组，VT是无触点电子开关，C加速电容，VD在晶体管VT截止时起续流和保护作用，防止晶体管截止瞬间绕组产生的反电势使晶体管击穿。

缺点：R上有功率消耗。

只用于动态性能要求不高的小功率步进电动机驱动。2025/2/112.7步进电动机驱动控制2.7.2功率驱动电路

高低压切换型驱动电路

高压供电，用于快速提升电流，低压供电，用于维持稳态电流。

Ub1低压脉冲，Ub2高压脉冲。

t1-t2，高压加到电机绕组上，使电流迅速上升，t2时刻，低压维持。

优点：功率损耗小，动态响应好。2025/2/112.7步进电动机驱动控制2.7.2功率驱动电路

PWM（脉宽调制）型驱动电路

步进信号为高电平，VT2导通，比较器输出高电平，恒频斩波脉宽调制信号V1控制D触发器输出高电平，VT1导通。比较器输出低电平，D触发器被复位，输出低电平，VT1关断。

恒频脉宽调制功率放大电路实际上是一个电流负反馈控制电路。

恒频脉宽调制功率放大电路具有很好的高频特性，稳定的电流输出，有效地减少了电机噪声，同时还降低了功耗。2025/2/112.7步进电动机驱动控制2.7.2功率驱动电路

细分驱动电路

细分驱动控制又称为微步距控制，把步进电动机的步距角减小，电机转动近似匀速运动，在任何位置准确停步。

实现阶梯波电流的方法：①顺序脉冲发生器形成等幅等宽脉冲，用脉冲放大器进行放大，绕组叠加。适用于中、大功率步进电动机驱动。

顺序脉冲发生器形成等幅等宽脉冲，用加法器合成后经过功率放大器进行放大。适用于微、小型步进电动机驱动。2025/2/112.8步进电动机在六自由度切削机器人中的应用2.8.1应用概述步进电动机因具有低速大转矩、定位精度高、控制简单、无累积误差、可靠性高和成本低的优点，在机器人领域特别是在低转速高转矩工况下步进电动机是机器人最理想的驱动源。使步距角和机械系统相匹配，便于得到所需的脉冲当量。正确计算机械系统的负载转矩，使电动机矩频特性满足机械负载要求。估算负载惯量和机器人起动频率，使之与步进电机惯性频率特性相匹配。合理确定脉冲当量和传动链的传动比。

机器人对步进电机选型遵循的原则2.8步进电动机在六自由度切削机器人中的应用2.8.2应用案例切削机器人主要由机身（腰部）、臂部（大臂、小臂）、腕部以及末端操作器（电主轴）组成，是具有六个回转关节的串联机器人。在加工过程中切削不同表面形状工件，要求机器人有足够灵活的腕部，到达空间任意位置、完成各种姿态的动作。

运动执行部件及位置检测装置选用步进电动机和编码器。

反馈运动件实际参数，接收到的参数信息与理论参数对比，若到达了理论位置，运动轴PC不发出脉冲信号，否则发出控制指令，直到运动轴到达理论位置，降低步进电机到机械执行器间的传动误差。2.8步进电动机在六自由度切削机器人中的应用2.8.2应用案例

控制系统上位机采用PC，下位机采用可编程多轴运动控制卡。

按功能分为主控制器单元、底层控制器单元和伺服系统单元。

主控制器单元由PC组成，运动机械手控制主程序。

底层控制器单元控制机械手的位置和速度。

伺服单元由步进电机和驱动控制器组成，是机械手的动力源。

可编程控制器采用运动控制卡，控制电机执行各种运动指令，满足各运动精度要求。本章小结电机步距角步进电机控制矩角特性步进电动机步进电动机将电脉冲信号变换为相应的角/线位移。步进电动机输出的角/线位移与输入的脉冲数成正比，转速/线速度与输入的脉冲频率成正比。步进电动机由专门电源供给电脉冲。每输入一个电脉冲信号，转子转过的角度为步距角，它由转子齿数和运动拍数所决定。矩角特性上的转矩最大值（即最大静转矩）表示电机承受负载的能力，一般通过增加相数的方式来提高转矩大小。是步进电机最主要的性能指标。步进电动机驱动器通过外加控制脉冲，按环形分配器决定的分配方式，控制步进电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运动。

2025/2/11第3章机器人直流伺服电动机驱动及控制●学习目标掌握直流伺服电机结构和励磁方式掌握直流伺服电机工作原理了解直流伺服电机技术参数掌握直流伺服电机控制方式和特性掌握直流伺服电机动态特性了解常见特种伺服电机结构和特点了解直流伺服电机在足球机器人中的应用01020304050607

伺服电动机控制系统又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。

很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或速度、加速度的反馈控制系统。作用是使输出的机械位移/转角准确地跟踪输入的位移/转角。3.1概述伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中用作执行元件。将输入的电压信号变换成转轴的角位移或角速度，来驱动控制对象。输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。改变控制电压可改变伺服电动机的转速和转向。伺服电动机定义伺服电动机直流伺服电动机良好的调速性能、较大的起动转矩及快速响应交流伺服电动机结构简单、运行可靠、维护方便。2025/2/113.1概述

调速范围广。电机转速随控制电压的变化能在更宽范围内连续调节。

机械特性和调节特性线性化。线性的机械特性和调节特性利于提高机器人动态精度。

无“自转”现象。在控制电压为零时能自行停转。

响应速度快。转速能随控制电压的改变而迅速变化。

可承受高强度工作环境，需要进行频繁换向和加减速运行，可承受短时的数倍过载。

体积小，重量轻，使用寿命长，方便配合机器人的体形。工业机器人对伺服电动机的基本要求2025/2/113.2直流伺服电动机基本结构和励磁方式

3.2.1基本结构

直流伺服电机有永磁式和电磁式两种类型。

电磁式直流伺服电机按励磁方式分为他励、并励、串励和复励四种。

由定子（固定部分）和转子（旋转部分）两大部分组成。定、转子之间存在气隙。

定子用来安装磁极和电机自身的支撑，包括定子铁心、励磁绕组、机壳、端盖和电刷装置等。

转子用来感应电势和实现能量转换，称为电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器和轴等。2025/2/113.2直流伺服电动机基本结构和励磁方式

定子铁心和励磁绕组

小容量直流伺服电机定子铁心将磁极和磁轭连为一体，用0.35-0.5mm厚的电工钢片的冲片叠压而成。机壳由铝合金浇铸而成。

励磁绕组由铜线绕制而成，包上绝缘材料后套在磁极上。当励磁绕组通以直流电时，产生磁通，形成N、S极。

上述励磁方式称为电磁式。定子磁极还可以用永磁体制成，称为永磁式。2025/2/113.2直流伺服电动机基本结构和励磁方式

电枢铁心和电枢绕组

电枢铁心用0.35-0.5mm厚的电工钢片的冲片叠压而成。铁心上的槽放置绕组，电枢铁心也是主磁通磁路的组成部分。为减少铁心的涡流损耗，铁心冲片两面要有绝缘层。

绝缘铜导线嵌入槽中，两端按照一定规律接到换向器上组成电枢绕组。2025/2/113.2直流伺服电动机基本结构和励磁方式

换向器和电刷

换向器是由许多换向片（铜片）叠装而成。换向片之间用塑料或云母绝缘，各换向片和元件相连。换向器有金属套筒式换向器和塑料换向器。

电刷放在电刷座中，用弹簧将它压在换向器上，和换向器有良好的滑动接触。

电刷和换向器的作用是将电枢绕组中的交变电势转换成电刷间的直流电势。2025/2/113.2直流伺服电动机基本结构和励磁方式

3.2.2励磁方式

直流伺服电机按励磁绕组与电枢绕组不同的连接方式分他励、并励、串励和复励四种。2025/2/113.3直流伺服电动机工作原理

3.3.1工作原理概述

加在直流伺服电机上的直流电源，借助换向器和电刷，使直流电机电枢线圈中流过的电流方向交变，电枢产生的电磁转矩方向恒定不变，确保直流伺服电机以确定方向连续旋转。2025/2/113.3直流伺服电动机工作原理

3.3.2感应电动势和电磁转矩

电动机工作时转子线圈在磁场中转动切割磁感线，线圈将产生感应电动势。式中Ea电枢电动势；φ一对磁极磁通；n电枢旋转速度；Ke电动势常数，与电机结构有关。

电机转子线圈中有电流，则处于磁场中的线圈导体必然会受到电磁力的作用。式中T电枢绕组电磁转矩；φ一对磁极磁通；Km转矩常数电磁转矩T与每极磁通量φ和电枢电流Ia的乘积成正比。2025/2/113.4直流伺服电动机技术参数和运行特点

3.4.1技术参数

额定功率：电动机在额定状态下运行时的输出功率。

额定电压：额定状态下运行，励磁绕组和电枢控制绕组上应加的电压额定值。

额定电流：额定电压下，驱动负载为额定功率时绕组中的电流。

额定转速：额定电压下，输出额定功率时的转速。调速范围一般在额定转速以下。

额定转矩：电动机在额定状态下运行时的输出转矩。

最大转矩：电动机在短时间内输出的最大转矩，反映了电动机的瞬时过载能力。最大转矩一般可达额定转矩的5-10倍。2025/2/113.4直流伺服电动机技术参数和运行特点3.4.2运行特点

稳定性好

可控性好

响应迅速

直流伺服电机具有较硬的机械特性，能够在较宽的速度范围内稳定运行。

直流伺服电机具有线性调节作用，通过控制电枢电压大小和极性，可控制转速和转向。当电枢电压为零时，由于转子惯量小，电机能立即停止。

直流伺服电机具有较大启动转矩和较小转动惯量，控制信号输入、增加、减小或消失的瞬间，电机能够快速起动、增速、减速或停止。2025/2/11

3.5直流伺服电动机控制方法和运行特性3.5.1控制方式

电枢回路中的电压平衡方程式为

改变电枢电压Ua和改变励磁磁通φ都可改变电动机的转速。控制方式：

电枢控制控制电枢电压Ua（永磁式直流伺服电机）

磁场控制控制磁通φ将式代入上式，可得出电枢电流Ia表示式为：进一步变换可得：2025/2/113.5直流伺服电动机控制方法和运行特性3.5.2运行特性

直流伺服电机运行特性指机械特性和调节特性。由转速公式：将式代入上式，可得：机械特性指直流电动机的转速n与电磁转矩T之间的关系曲线，即n=f(T)转矩—转速特性。

机械特性n0理想空载转速。k机械特性的斜率，表示电机机械特性的硬度，即电磁转矩变化所引起的转速变化程度。2025/2/113.5直流伺服电动机控制方法和运行特性

机械特性

当电机的电枢电压及磁通均为额定值（即U=UN，φ=φN），且电枢回路没有外接电阻时的机械特性称为固有机械特性，又称自然特性。方程式为：

人为机械特性

固有机械特性需满足三个条件，即U=UN，φ=φN和电枢回路没有外接电阻。改变其中任何一个条件，都会使电动机的机械特性发生变化。人为机械特性是指通过改变这些参数所得到的机械特性。2025/2/113.5直流伺服电动机控制方法和运行特性

电枢回路串接附加电阻

机械特性方程式为：

与固有特性相比，人为机械特性特点：

理想空载转速相同

转速降变大，即特性变软。Rad越大，特性越软。

电枢回路串接附加电阻时的人为机械特性可用于直流伺服电机的启动及调速。2025/2/113.5直流伺服电动机控制方法和运行特性

改变电枢电压

机械特性方程式为：

与固有特性相比，人为机械特性特点：

理想空载转速随电压变化而变化，特性斜率不变。

转速降不变，较串电阻时的人为机械特性硬。

降低电压，电动机转速降低。

不同电枢电压的人为机械特性曲线均在固有机械特性曲线之下调节。

改变电枢电压时的人为机械特性常用于需要平滑调速的场合。2025/2/113.5直流伺服电动机控制方法和运行特性

改变磁通

机械特性方程式为：

与固有特性相比，人为机械特性特点：

理想空载转速随磁通减弱而上升。

转速降增加（减弱磁通），机械特性变软。

特性曲线上移且变软（减弱磁通）。

减弱磁通可用于平滑调速，但调速范围不大。2025/2/113.5直流伺服电动机控制方法和运行特性

绘制机械特性曲线

他励直流伺服电动机的固有机械特性和人为机械特性都是直线。绘制固有机械特性曲线时，常选择理想空载点（0，n0）和额定工作点（TN，nN）这两个特殊点。

计算电枢电阻

计算电枢电阻

计算理想空载转速

计算额定电磁转矩2025/2/113.5直流伺服电动机控制方法和运行特性

例题

固有机械特性

一台他励直流伺服电动机，PN=10kW，UN=220V，IN=50A，nN=1500r/min，额定负载，求解以下问题：

固有机械特性。

电枢回路串电阻Rad=0.4Ω时人为机械特性和转速nRN。

电源电压降低为110V时的人为机械特性和转速。

减弱磁通φ=0.8φN时的人为机械特性和转速

。2025/2/113.5直流伺服电动机控制方法和运行特性

串电阻时的人为机械特性和转速

电压降低时的人为机械特性和转速

计算额定电磁转矩

固有机械特性2025/2/113.5直流伺服电动机控制方法和运行特性上述四步对应的机械特性曲线

减弱磁通时的人为机械特性和转速2025/2/113.5直流伺服电动机控制方法和运行特性

调节特性

调节特性：电动机在一定的负载转矩下，稳态转速n随电枢电压Ua变化的关系。当负载转矩TL保持不变时，电机轴上总阻转矩Ts=TL+T0也保持不变，电机稳态运行时

调节特性为一上翘的直线。调节特性与横轴交点Ua0称为始动电压，是电机处在待动而未动的临界状态时的控制电压。

Ua0∝Ts，即负载转矩越大，始动电压越高。控制电压从零到Ua0电动机不转动，称为死区。负载越大，死区也越大。2025/2/113.5直流伺服电动机控制方法和运行特性

调节特性

当电动机转速很低时，其转动不均匀，出现时快、时慢，甚至暂时停转现象，称为低速运转的不稳定性。产生原因：

电枢齿槽影响。低速时，反电势平均值很小，电枢齿槽效应引起电势脉动增大，导致电磁转矩波动明显。

电刷接触压降影响。低速时，控制电压很低，电刷和换向器间的接触压降不稳定，影响电枢上电压，导致输出转矩不稳定。

电刷和换向器之间摩擦影响。低速时，电刷和换向器间的摩擦转矩不稳定，造成电机初始阻转矩不稳定，导致总阻转矩不稳定。

低速运转的不稳定性在控制系统中造成误差。当要求电机在低转速下运行时，必须在控制线路中采取措施，使其转速平稳，或者选用低速稳定性好的直流力矩电动机。2025/2/113.6直流伺服电动机动态特性

调节特性：电动机在一定的负载转矩下，稳态转速n随电枢电压Ua变化的关系。当负载转矩TL保持不变时，电机轴上总阻转矩Ts=TL+T0也保持不变，电机稳态运行时

Ua0∝Ts，即负载转矩越大，始动电压越高。控制电压从零到Ua0电动机不转动，称为死区。负载越大，死区也越大。

动态特性:电枢控制下，电枢绕组上加阶跃电压，电机转速和电枢电流随时间变化的规律。这是处在过渡过程中的动态问题。

当电机工况发生变化时，总存在着一个过渡过程，即由一个稳定运转状态变化到另一个稳定运转状态，需要经历一段时间才能完成。

产生过渡过程原因主要是电动机中存在着机械和电磁两种惯性。转动惯量和电感是产生机械过渡过程和电磁过渡过程的主要因素。

电磁过渡过程所需时间比机械过渡过程短得多，许多场合，只考虑机械过渡过程，忽略电磁过渡过程。2025/2/113.6直流伺服电动机动态特性其解为：

3.6.1过渡过程分析

研究电动机过渡过程，是将过渡过程中的物理规律用微分方程表示。过渡过程中，电磁转矩和感应电势：动态电压平衡方程式：转矩平衡方程式：上式化简整理：大多数情况下，特别是放大器内阻与电枢绕组相串联时，则有τm远大于τd，τd忽略不计，上式简化为：τm为机电时间常数，τd为电磁时间常数，n0为理想空载转速。

2025/2/113.6直流伺服电动机动态特性

3.6.1过渡过程分析

机电时间常数τm：电动机空载状态下，励磁绕组加额定励磁电压，电枢加阶跃额定控制电压时，转速从零上升到理想空载转速的63.2%所需要的时间。3τm为过渡过程时间。

3.6.2机电时间常数与电动机参数的关系

电机过渡过程时间的长短主要由机电时间常数τm来决定。

机电时间常数τm与旋转部分的转动惯量J、电枢回路电阻Ra成正比。

机电时间常数表示了电机过渡过程时间的长短，反映了电动机转速跟随信号变化的快慢程度，是伺服电机一项重要的动态性能指标。一般直流伺服电动机的机电时间常数在十几毫秒到几十毫秒之间。2025/2/113.7特种直流伺服电动机

直流伺服电动机因具有起动转矩大、调速范围广、机械特性和调节特性线性度好、控制方便等优点，获得了广泛的应用。

但是，因直流伺服电动机存在转子铁心且铁心有齿和槽，具有转动惯量大、机电时间常数大和灵敏度差，低速转矩波动大、转动不平稳，换向火花大、寿命短和无线电干扰大等性能上的缺陷，其应用受到一定的限制。直流伺服电动机克服上述缺点直流力矩电动机低惯量直流伺服电动机2025/2/113.7特种直流伺服电动机

3.7.1直流力矩电动机

基本结构

力矩电机是一种能低速运转并产生较大转矩的控制电机。能和负载直接相连，带动负载在堵转或远低于空载转速下运转的电动机。

具有反应速度快、转矩和转速波动小、能在低转速下稳定运行、机械特性和调节特性线性度好等优点，特别适用于在位置伺服系统和低速伺服系统中作为执行元件。

直流力矩电动机工作原理和普通直流伺服电动机相同。

一般直流伺服电动机为减少转动惯量，大部分做成细长的圆柱形。而直流力矩电动机为能在相同体积和电枢电压下，产生比较大的转矩和较低的转速，一般做成圆盘状。2025/2/11

3.7特种直流伺服电动机

基本特点

转矩大

从直流电机基本工作原理可知，每根导体所受的电磁力和电磁转矩为电磁转矩为N电枢绕组总的导体数；D电枢铁心直径。

式中近似为常数，电磁转矩T与直径D近似呈正比例关系。

转速低

外加电压与感应电势相等，列平衡方程式即

式中不变情况下，理想空载转速n0与直径D成反比例。

其他条件相同，增大电动机直径，减小轴向长度，有利于增加电机转矩和降低空载转速。2025/2/113.7特种直流伺服电动机2025/2/11

3.7.2低惯量型直流伺服电动机

杯形电枢直流伺服电动机

与传统直流伺服电机相比，低惯量型直流伺服电机具有时间常数小、响应速度快的特点。

低惯量型直流伺服电机主要形式有杯形电枢直流伺服电机、盘形电枢直流伺服电机和无槽电枢直流伺服电机。

空心杯转子可由单个线圈，沿圆柱面排列成杯形或直接绕成导线杯，再用环氧树脂热固化定型，也可采用印制绕组。

外定子装有永久磁钢，内定子由软磁材料制成起磁轭作用。空心杯电枢直接装在电机轴上，在内、外定子间气隙中旋转。磁阻大，磁通势利用率低。常用高性能永磁材料作磁极。3.7特种直流伺服电动机2025/2/11

杯形电枢直流伺服电机机械惯性小，控制灵敏度高，无控制死区，体积可做得非常小且重量轻。但堵转转矩小，目前它的容量还不能做得很大，是一种微型伺服电动机。

杯形电枢直流伺服电动机性能特点低惯量灵敏度高损耗小，效率高力矩波动小，低速运转平稳，噪声低换向性能好，寿命长

杯形电枢直流伺服电机大多应用于高精度的自动控制系统及测量装置等设备中。3.7特种直流伺服电动机2025/2/11

盘形电枢直流伺服电动机

盘形电枢特点：电枢直径远大于长度，电枢有效导体沿径向排列，定子与转子之间的气隙为轴向平面气隙，主磁通沿轴向通过气隙。圆盘中电枢绕组可以是印制绕组或