第3章執(zhí)行元件的選擇與設(shè)計(jì)

1、返回目錄 回看結(jié)束放映1第一節(jié) 執(zhí)行元件的種類、 特點(diǎn)及基本要求 第二節(jié) 常用的控制用電動(dòng)機(jī) 第三節(jié) 直流(DC)與交流(AC) 伺服電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng) 第四節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)習(xí)題與思考題返回目錄 回看結(jié)束放映2 執(zhí)行元件是工業(yè)機(jī)器人、CNC機(jī)床、各種自動(dòng)機(jī)械、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、辦公室設(shè)備、車輛電子設(shè)備、醫(yī)療器械、各種光學(xué)裝置、家用電器(音響設(shè)備、錄音機(jī)、攝像機(jī)、電冰箱)等機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)必不可少的驅(qū)動(dòng)部件，如數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)、工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)以及工業(yè)機(jī)器人手臂的升降、回轉(zhuǎn)和伸縮運(yùn)動(dòng)等所用驅(qū)動(dòng)部件即執(zhí)行元件。 該元件是處于機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)行機(jī)構(gòu)與微電子控制裝置的接點(diǎn)（聯(lián)接）部位的能量

2、轉(zhuǎn)換元件。它能在微電子裝置的控制下，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，例如電動(dòng)機(jī)、電磁鐵、繼電器、液動(dòng)機(jī)、油（氣缸）、內(nèi)燃機(jī)等分別把輸入的電能、液壓能、氣壓能和化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。由于大多數(shù)執(zhí)行元件已作為系列化商品生產(chǎn)，故在設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)時(shí)，可作為標(biāo)準(zhǔn)件選用、外購(gòu)。 第一節(jié)第一節(jié) 執(zhí)行元件的種類、執(zhí)行元件的種類、 特點(diǎn)及基本要求特點(diǎn)及基本要求返回目錄 回看結(jié)束放映3 根據(jù)使用能量的不同，可以將執(zhí)行元件分為電磁式、液壓式和氣壓式等幾種類型，如下圖所示。電磁式是將電能變成電磁力，并用該電磁力驅(qū)動(dòng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。液壓式是先將電能變換為液壓能并用電磁閥改變壓力油的流向，從而使液壓執(zhí)行元件驅(qū)動(dòng)運(yùn)行機(jī)

3、構(gòu)運(yùn)動(dòng)。氣壓式與液壓式的原理相同，只是將介質(zhì)由油改為氣體而已。其他執(zhí)行元件與使用材料有關(guān)，如使用雙金屬片、形狀記憶合金或壓電元件 。返回目錄 回看結(jié)束放映4 電氣式執(zhí)行元件包括控制用電動(dòng)機(jī)(步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、DC和AC伺服電動(dòng)機(jī))、靜電電動(dòng)機(jī)、磁致伸縮器件、壓電元件、超聲波電動(dòng)機(jī)以及電磁鐵等。其中，利用電磁力的電動(dòng)機(jī)和電磁鐵，因其實(shí)用、易得而成為常用的執(zhí)行元件。對(duì)控制用電動(dòng)機(jī)的性能除了要求穩(wěn)速運(yùn)轉(zhuǎn)性能之外，還要求具有良好的加速、減速性能和伺服性能等動(dòng)態(tài)性能以及頻繁使用時(shí)的適應(yīng)性和便于維修性能。返回目錄 回看結(jié)束放映5 控制用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般由電源供給電力，經(jīng)電力變換器變換后輸送給電動(dòng)機(jī)，使電動(dòng)機(jī)作

4、回轉(zhuǎn)(或直線)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載機(jī)械(運(yùn)行機(jī)構(gòu))運(yùn)動(dòng)，并在指令器給定的指令位置定位停止。這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有位置(或速度)反饋環(huán)節(jié)的叫閉環(huán)系統(tǒng)，沒(méi)有位置與速度反饋環(huán)節(jié)的叫開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。 另外，其他電氣式執(zhí)行元件中還有微量位移用器件，例如：電磁鐵-由線圈和銜鐵兩部分組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于是單向驅(qū)動(dòng)，故需用彈簧復(fù)位，用于實(shí)現(xiàn)兩固定點(diǎn)間的快速驅(qū)動(dòng)；壓電驅(qū)動(dòng)器-利用壓電晶體的壓電效應(yīng)來(lái)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)作微量位移；電熱驅(qū)動(dòng)器-利用物體(如金屬棒)的熱變形來(lái)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的直線位移，用控制電熱器(電阻)的加熱電流來(lái)改變位移量，由于物體的線膨脹量有限，位移量當(dāng)然很小，可用在機(jī)電一體化產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給。返回目錄 回看結(jié)束放映6

5、 液壓式執(zhí)行元件主要包括往復(fù)運(yùn)動(dòng)的油缸、回轉(zhuǎn)油缸、液壓馬達(dá)等，其中油缸占絕大多數(shù)。目前，世界上已開(kāi)發(fā)了各種數(shù)字式液壓式執(zhí)行元件，例如電-液伺服馬達(dá)和電-液步進(jìn)馬達(dá)，這些電-液式馬達(dá)的最大優(yōu)點(diǎn)是比電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩大，可以直接驅(qū)動(dòng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)矩/慣量比大，過(guò)載能力強(qiáng)，適合于重載的高加減速驅(qū)動(dòng)。 3. 氣壓式執(zhí)行元件 氣壓式執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作工作介質(zhì)外，與液壓式執(zhí)行元件無(wú)什么區(qū)別。具有代表性的氣壓執(zhí)行元件有氣缸、氣壓馬達(dá)等。氣壓驅(qū)動(dòng)雖可得到較大的驅(qū)動(dòng)力、行程和速度，但由于空氣粘性差，具有可壓縮性，故不能在定位精度較高的場(chǎng)合使用。返回目錄 回看結(jié)束放映7返回目錄 回看結(jié)束放映8 1. 慣量小、動(dòng)力大

6、返回目錄 回看結(jié)束放映9 2. 體積小、重量輕 既要縮小執(zhí)行元件的體積、減輕重量，同時(shí)又要增大其動(dòng)力，故通常用執(zhí)行元件的單位重量所能達(dá)到的輸出功率或比功率，即用功率密度 或比功率密度來(lái)評(píng)價(jià)這項(xiàng)指標(biāo)。設(shè)執(zhí)行元件的重量為G，則 功率密度 為 P/G。 比功率密度為 (T2/J)/G 。 3. 便于維修、安裝 執(zhí)行元件最好不需要維修。無(wú)刷DC及AC伺服電動(dòng)機(jī)就是走向無(wú)維修的一例。 4. 宜于微機(jī)控制 根據(jù)這個(gè)要求，用微機(jī)控制最方便的是電氣式執(zhí)行元件。因此機(jī)電一體化系統(tǒng)所用執(zhí)行元件的主流是電氣式，其次是液壓式和氣壓式(在驅(qū)動(dòng)接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié))。內(nèi)燃機(jī)定位運(yùn)動(dòng)的微機(jī)控制較難，故通常僅

7、被用于交通運(yùn)輸機(jī)械。返回目錄 回看結(jié)束放映10 控制用電動(dòng)機(jī)有力矩電動(dòng)機(jī)、脈沖（步進(jìn)）電動(dòng)機(jī)、變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和各種AC/DC電動(dòng)機(jī)等?？刂朴秒妱?dòng)機(jī)是電氣伺服控制系統(tǒng)的動(dòng)力部件，是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。由于其可在很寬的速度和負(fù)載范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)、精確的控制，因而在各種機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 控制用電動(dòng)機(jī)有回轉(zhuǎn)和直線驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，通過(guò)電壓、電流、頻率(包括指令脈沖)等控制，實(shí)現(xiàn)定速、變速驅(qū)動(dòng)或反復(fù)起動(dòng)、停止的增量驅(qū)動(dòng)以及復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)精度隨驅(qū)動(dòng)對(duì)象的不同而不同。機(jī)電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品中常用的控制用電動(dòng)機(jī)是指能提供正確運(yùn)動(dòng)或較復(fù)雜動(dòng)作的伺服電動(dòng)機(jī)。返回目錄

8、回看結(jié)束放映11返回目錄 回看結(jié)束放映12返回目錄 回看結(jié)束放映13 二、 制用電動(dòng)機(jī)的種類、特點(diǎn)及選用 在機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)中使用兩類電動(dòng)機(jī),一類為一般的動(dòng)力用電動(dòng)機(jī),如感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)等;另一類為控制用電動(dòng)機(jī),如力矩電動(dòng)機(jī)、脈沖電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)和各種AC/DC電動(dòng)機(jī)等。返回目錄 回看結(jié)束放映14返回目錄 回看結(jié)束放映15伺服電動(dòng)機(jī)的性能比較返回目錄 回看結(jié)束放映16 伺服電動(dòng)機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)比較 返回目錄 回看結(jié)束放映17 不同的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)控制用電動(dòng)機(jī)的性能密度的要求也有所不同。對(duì)于起停頻率低(如幾十次分)，但要求低速平穩(wěn)和扭矩脈動(dòng)小，高速運(yùn)行時(shí)振動(dòng)、噪聲

9、小，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)均可穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的機(jī)械，如NC工作機(jī)械的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其功率密度是主要的性能指標(biāo)；對(duì)于起停頻率高(如數(shù)百次分)，但不特別要求低速平穩(wěn)性的產(chǎn)品，如高速打印機(jī)、繪圖機(jī)、打孔機(jī)、集成電路焊接裝置等主要的性能指標(biāo)是高比功率。在額定輸出功率相同的條件下,交流伺服電動(dòng)機(jī)的比功率最高、 直流伺服電動(dòng)機(jī)次之、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最低。 返回目錄 回看結(jié)束放映18返回目錄 回看結(jié)束放映19返回目錄 回看結(jié)束放映20返回目錄 回看結(jié)束放映21返回目錄 回看結(jié)束放映22 直流伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)電刷和換向器產(chǎn)生的整流作用，使磁場(chǎng)磁動(dòng)勢(shì)和電樞電流磁動(dòng)勢(shì)正交，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。其電樞大多為永久磁鐵。 直流伺服

10、電動(dòng)機(jī)具有較高的響應(yīng)速度、精度和頻率，優(yōu)良的控制特性等優(yōu)點(diǎn)。但由于使用電刷和換向器，故壽命較低，需要定期維修。 二十世紀(jì)60年代研制出了小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)，其電樞無(wú)槽，繞組直接粘接固定在電樞鐵心上，因而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、反應(yīng)靈敏、動(dòng)態(tài)特性好，適用于高速且負(fù)載慣量較小的場(chǎng)合，否則需根據(jù)其具體的慣量比設(shè)置精密齒輪副才能與負(fù)載慣量匹配，增加了成本。 直流印刷電樞電動(dòng)機(jī)是一種盤形伺服電動(dòng)機(jī)，電樞由導(dǎo)電板的切口成形，棵導(dǎo)體的線圈端部起換向器作用，這種空心式高性能伺服電動(dòng)機(jī)大多用于工業(yè)機(jī)器人、小型NC機(jī)床及線切割機(jī)床上。 1. 直流伺服電動(dòng)機(jī)的特性及選用返回目錄 回看結(jié)束放映23 寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特

11、點(diǎn)是勵(lì)磁便于調(diào)整，易于安排補(bǔ)償繞組和換向極，電動(dòng)機(jī)的換向性能得到改善，成本低,可以在較寬的速度范圍內(nèi)得到恒轉(zhuǎn)速特性。永久磁鐵的寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如下圖所示。有不帶制動(dòng)器a和帶制動(dòng)器b兩種結(jié)構(gòu)。電動(dòng)機(jī)定子(磁鋼)1采用矯頑力高、不易去磁的永磁材料(如鐵氧體永久磁鐵)、轉(zhuǎn)子(電樞)2直徑大并且有槽，因而熱容量大，結(jié)構(gòu)上又采用了通常凸極式和隱極式永磁電動(dòng)機(jī)磁路的組合，提高了電動(dòng)機(jī)氣隙磁通密度。同時(shí)，在電動(dòng)機(jī)尾部裝有高精密低紋波的測(cè)速發(fā)電機(jī)，并可加裝光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器及制動(dòng)器，為速度環(huán)提供了較高的增量，能獲得優(yōu)良的低速剛度和動(dòng)態(tài)性能。返回目錄 回看結(jié)束放映24返回目錄 回看結(jié)束放映25 日

12、本法納克(FANUC)公司生產(chǎn)的用于工業(yè)機(jī)器人、CNC機(jī)床、加工中心(MC)的L系列(低慣量系列)、M系列(中慣量系列)和H系列(大慣量系列直流伺服電動(dòng)機(jī)）。其中L系列適合于頻繁起動(dòng)、制動(dòng)場(chǎng)合應(yīng)用，M系列是在H系列的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其慣量較H系列小，適合于晶體管脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動(dòng)，因而提高了整個(gè)伺服系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。而H系列是大慣量控制用電動(dòng)機(jī)，它有較大的輸出功率，采用六相全波晶閘管整流驅(qū)動(dòng)。表中電動(dòng)機(jī)型號(hào)帶有H標(biāo)志(如30MH)的表示該電動(dòng)機(jī)裝有熱管冷卻器，該電動(dòng)機(jī)的有效尺寸與不帶熱管冷卻器的同型號(hào)的相同，但其額定轉(zhuǎn)矩大。返回目錄 回看結(jié)束放映26 寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)根據(jù)負(fù)載條件來(lái)選

13、擇。加在電動(dòng)機(jī)軸上的有兩種負(fù)載，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載慣量。當(dāng)選用電動(dòng)機(jī)時(shí)，必須正確地計(jì)算負(fù)載，即必須確認(rèn)電動(dòng)機(jī)能滿足下列條件：在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)在電動(dòng)機(jī)連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍以內(nèi)；工作負(fù)載與過(guò)載時(shí)間應(yīng)在規(guī)定的范圍以內(nèi)；應(yīng)使加速度與希望的時(shí)間常數(shù)一致。一般講，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩起減速作用，如果可能，加減速應(yīng)選取相同的時(shí)間常數(shù)。 值得提出的是慣性負(fù)載值對(duì)電動(dòng)機(jī)靈敏度和快速移動(dòng)時(shí)間有很大影響。對(duì)于大的慣性負(fù)載，當(dāng)指令速度變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)達(dá)到指令速度的時(shí)間需要長(zhǎng)些。如果負(fù)載慣量達(dá)到轉(zhuǎn)子慣量的三倍，靈敏度要受到影響，當(dāng)負(fù)載慣量比轉(zhuǎn)子慣量大三倍時(shí)響應(yīng)時(shí)間將降低很多，而當(dāng)慣量大大超過(guò)時(shí)，伺服放大器就不能在正常條件

14、范圍內(nèi)調(diào)整，必須避免使用這種慣性負(fù)載。返回目錄 回看結(jié)束放映27 2. 直流伺服電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng) 直流伺服電動(dòng)機(jī)為直流供電，為調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和方向,需要對(duì)其直流電壓的大小和方向進(jìn)行控制。目前常用晶體管脈寬調(diào)速驅(qū)動(dòng)和晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)兩種方式。 晶閘管直流驅(qū)動(dòng)方式，主要通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置控制晶閘管的觸發(fā)延遲角(控制電壓的大小)來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，從而改變整流電壓的大小，使直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓的變化易于平滑調(diào)速。由于晶閘管本身的工作原理和電源的特點(diǎn)，導(dǎo)通后是利用交流(50Hz)過(guò)零來(lái)關(guān)閉的，因此，在低整流電壓時(shí)。其輸出是很小的尖峰值(三相全波時(shí)每秒300個(gè))的平均值，從而造成電流的不連續(xù)性。而采用脈寬調(diào)

15、速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其開(kāi)關(guān)頻率高(通常達(dá)20003000Hz)，伺服機(jī)構(gòu)能夠響應(yīng)的頻帶范圍也較寬，與晶閘管相比，其輸出電流脈動(dòng)非常小，接近于純直流。返回目錄 回看結(jié)束放映28伺服電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)器伺服電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器電動(dòng)機(jī)返回目錄 回看結(jié)束放映29返回目錄 回看結(jié)束放映30返回目錄 回看結(jié)束放映31返回目錄 回看結(jié)束放映32 為使電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向調(diào)速，多采用下圖所示橋式電路，其工作原理與線性放大橋式電路相似。電橋由四個(gè)大功率晶體管VT1VT4組成。如果在VT1和VT3的基極上加以正脈沖的同時(shí)，在VT2和VT4的基極上加負(fù)脈沖，這時(shí)VT1和VT4導(dǎo)通，VT2和VT4截止，電流沿+90VcVT1dMbVT3

16、a0V的路徑流通。設(shè)此時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向?yàn)檎颉７粗?，如果在晶體管VT1和VT3的基極上加負(fù)脈沖，在VT2和VT4的基極上加正脈沖，則VT2和VT4導(dǎo)通，VT1和VT3截止，電流沿+90VcVT2bMdVT4a0V的路徑流通，電流的方向與前一情況相反，電動(dòng)機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。顯然，如果改變加到VT1和VT3、VT2和VT4這兩組管子基極上控制脈沖的正負(fù)和導(dǎo)通率，就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。返回目錄 回看結(jié)束放映33返回目錄 回看結(jié)束放映34二、 交流(AC)伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng) 同步型和感應(yīng)型伺服電動(dòng)機(jī)稱為交流伺服電動(dòng)機(jī)，其基本原理是檢測(cè)SM（同步）型和IM（感應(yīng)）型的氣隙磁場(chǎng)的大小和方向，用電力電子變換

17、器代替整流子和電刷，并通過(guò)與氣隙磁場(chǎng)方向相同的磁化電流和與氣隙磁場(chǎng)方向垂直的有效電流來(lái)控制其主磁通量和轉(zhuǎn)矩。 采用永久磁鐵磁場(chǎng)的同步電動(dòng)機(jī)不需要磁化電流控制，只要檢測(cè)磁鐵轉(zhuǎn)子的位置即可。這種交流伺服電動(dòng)機(jī)也叫做無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī)(如同步（SM）型伺服電動(dòng)機(jī)控制框圖（見(jiàn)下圖)。由于它不需要磁化電流控制，故比IM型伺服電動(dòng)機(jī)容易控制。返回目錄 回看結(jié)束放映35返回目錄 回看結(jié)束放映36返回目錄 回看結(jié)束放映37 一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)與種類一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)與種類 1. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。其輸入一個(gè)電脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即每當(dāng)電動(dòng)機(jī)

18、繞組接受一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時(shí)間上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電動(dòng)機(jī)繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向、很容易用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有以下特點(diǎn)：返回目錄 回看結(jié)束放映38 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素(如電源電壓的波動(dòng)、電流的大小與波形的變化、溫度等)的影響，只要在它們的大小未引起步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生“丟步”現(xiàn)象之前，就不影響其正常工作；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一定步數(shù)以后也會(huì)出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一轉(zhuǎn)以后，其累積誤差變?yōu)椤傲恪?，因此不?huì)長(zhǎng)期積累；控制性能好,

19、在起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)時(shí)不易“丟步”。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用于開(kāi)環(huán)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，并可靠地獲得較高的位置精度。返回目錄 回看結(jié)束放映39 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類很多，有旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，也有直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；從勵(lì)磁相數(shù)來(lái)分有三相、四相、五相、六相等步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。就常用的旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，可將其分為以下三種：返回目錄 回看結(jié)束放映40 該類電動(dòng)機(jī)由定子繞組產(chǎn)生的反應(yīng)電磁力吸引用軟磁鋼制成的齒形轉(zhuǎn)子作步進(jìn)驅(qū)動(dòng)，故又稱反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其結(jié)構(gòu)原理如圖3.10所示。其定子1與轉(zhuǎn)子2由鐵心構(gòu)成，沒(méi)有永久磁鐵，定子上嵌有線圈，轉(zhuǎn)子朝定子與轉(zhuǎn)子之間磁阻最小方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并由此而得名可變磁型

20、。 此類電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)子直徑小，有利于高速響應(yīng)。由于VR型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的鐵心無(wú)極性，故不需改變電流極性，為此，多為單極性勵(lì)磁。返回目錄 回看結(jié)束放映41可變磁阻型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)返回目錄 回看結(jié)束放映42返回目錄 回看結(jié)束放映43 該類電動(dòng)機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子均不含永久磁鐵，故無(wú)勵(lì)磁時(shí)沒(méi)有保持力。另外，需要將氣隙做得盡可能小，例如幾個(gè)微米。這種電動(dòng)機(jī)具有制造成本高、效率低、轉(zhuǎn)子的阻尼差、噪聲大等缺點(diǎn)。但是，由于其制造材料費(fèi)用低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、步距角小，隨著加工技術(shù)的進(jìn)步，可望成為多用途的機(jī)種。返回目錄 回看結(jié)束放映44返回目錄 回看結(jié)束放映45 PM型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子2采用永久磁鐵、定子1采用軟磁鋼制

21、成，繞組3輪流通電，建立的磁場(chǎng)與永久磁鐵的恒定磁場(chǎng)相互吸引與排斥產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。其結(jié)構(gòu)如圖3.11所示。這種電動(dòng)機(jī)由于采用了永久磁鐵，即使定子繞組斷電也能保持一定轉(zhuǎn)矩，故具有記憶能力，可用做定位驅(qū)動(dòng)。PM型電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是勵(lì)磁功率小、效率高、造價(jià)低，因此需要量也大。由于轉(zhuǎn)子磁鐵的磁化間距受到限制，難于制造，故步距角較大。與VR型相比轉(zhuǎn)矩大，但轉(zhuǎn)子慣量也較大。返回目錄 回看結(jié)束放映46返回目錄 回看結(jié)束放映47混合型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)返回目錄 回看結(jié)束放映48 該型步進(jìn)電機(jī)不僅具有VR型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角小、響應(yīng)頻率高的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有PM型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁功率小、效率高的優(yōu)點(diǎn)。它的定子與VR型沒(méi)有多大差別，只是在

22、相數(shù)和繞組接線方面有其特殊的地方，例如，VR型一般都做成集中繞組的形式，每極上放有一套繞組，相對(duì)的兩極為一相，而HB型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子繞組大多數(shù)為四相，而且每極同時(shí)繞兩相繞組或采用橋式電路繞一相繞組，按正反脈沖供電。 這種類型的電動(dòng)機(jī)由轉(zhuǎn)子鐵心的凸極數(shù)和定子的副凸極數(shù)決定步距角的大小，可制造出步距角較小(0.93.6)的電動(dòng)機(jī)。永久磁鐵也可磁化軸向的兩極，可使用軸向各向異性磁鐵制成高效電動(dòng)機(jī)。返回目錄 回看結(jié)束放映49 混合型與永磁型多為雙極性勵(lì)磁。由于都采用了永久磁鐵，所以，無(wú)勵(lì)磁時(shí)具有保持力。另外，勵(lì)磁時(shí)的靜止轉(zhuǎn)矩都比VR型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的大。HB和PM型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能夠用做超低速同步電動(dòng)機(jī)，如

23、用60Hz驅(qū)動(dòng)每步1.8的電動(dòng)機(jī)可作為72rmin的同步電動(dòng)機(jī)使用。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與DC和AC伺服電動(dòng)機(jī)相比其轉(zhuǎn)矩、效率、精度、高速性比較差，但步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大、速度控制比較簡(jiǎn)單、外形尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，所以在辦公室自動(dòng)化方面的打印機(jī)、繪圖機(jī)、復(fù)印機(jī)等機(jī)電一體化產(chǎn)品中得到廣泛使用，在工廠自動(dòng)化方面也可代替低檔的DC伺服電動(dòng)機(jī)。 返回目錄 回看結(jié)束放映50返回目錄 回看結(jié)束放映51 如上圖a所示，如果先將電脈沖加到A相勵(lì)磁繞組，定子A相磁極就產(chǎn)生磁通，并對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子的1、3兩個(gè)齒與定子的A相磁極對(duì)齊。而后再將電脈沖通入B相勵(lì)磁繞組，B相磁極便產(chǎn)生磁通。由圖b可以看出，這時(shí)轉(zhuǎn)子2、4

24、兩個(gè)齒與B相磁極靠得最近，于是轉(zhuǎn)子便沿著逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)30 角，使轉(zhuǎn)子2、4兩個(gè)齒與定子B相磁極對(duì)齊。如果按照ABCA的順序通電，轉(zhuǎn)子則沿反時(shí)針?lè)较蛞徊讲降剞D(zhuǎn)動(dòng)，每步轉(zhuǎn)過(guò)30，這個(gè)角度就叫步距角。顯然，單位時(shí)間內(nèi)通入的電脈沖數(shù)越多，即電脈沖頻率越高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就越高。如果按ABCA的順序通電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將沿順時(shí)針?lè)较蛞徊讲降剞D(zhuǎn)動(dòng)。從一相通電換接到另一相通電稱為一拍，每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角。像上述的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，三相勵(lì)磁繞組依次單獨(dú)通電運(yùn)行，換接三次完成一個(gè)通電循環(huán)，稱為三相單三拍通電方式。返回目錄 回看結(jié)束放映52 如果使兩相勵(lì)磁繞組同時(shí)通電，即按ABBCCAAB順序通電，這種通電方式稱為三相

25、雙三拍，其步距角仍為30。 還 有 一 種 是 按 三 相 六 拍 通 電 方 式 工 作 的 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) ， 即 按 照AABBBCCCAA順序通電，換接六次完成一個(gè)通電循環(huán)。這種通電方式的步距角為l5，如下圖所示。 返回目錄 回看結(jié)束放映53 若將電脈沖首先通入A相勵(lì)磁繞組，轉(zhuǎn)子齒1、3與A相磁極對(duì)齊，如上圖中a所示。然后再將電脈沖同時(shí)通入A、B相勵(lì)磁繞組，這時(shí)A相磁極拉著1、3兩個(gè)齒，B相磁極拉著2、4兩個(gè)齒，使轉(zhuǎn)子沿著逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，轉(zhuǎn)過(guò)l5角時(shí)，A、B兩相的磁拉力正好平衡，轉(zhuǎn)子靜止于圖中b的位置。如果繼續(xù)按BBCCCAA的順序通電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就沿著逆時(shí)針?lè)较?，以l5步距角一步

26、步轉(zhuǎn)動(dòng)。返回目錄 回看結(jié)束放映54 定子磁極上的小齒和轉(zhuǎn)子磁極上的小齒大小一樣，兩種小齒的齒寬和齒距相等。當(dāng)一相定子磁極的小齒與轉(zhuǎn)子的齒對(duì)齊時(shí)，其他兩相磁極的小齒都與轉(zhuǎn)子的齒錯(cuò)過(guò)一個(gè)角度。按著相序，后一相比前一相錯(cuò)開(kāi)的角度要大。例如轉(zhuǎn)子上有40個(gè)齒，則相鄰兩個(gè)齒的齒距角是360409。若定子每個(gè)磁極上制成5個(gè)小齒，當(dāng)轉(zhuǎn)子齒和A相磁極小齒對(duì)齊時(shí)，B相磁極小齒則沿逆時(shí)針?lè)较虺稗D(zhuǎn)子13齒距角，即超前3，而C相磁極小齒則超前轉(zhuǎn)子23齒距，即超前6。按照此結(jié)構(gòu)，當(dāng)勵(lì)磁繞組按ABCA順序以三相三拍通電時(shí)，轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針?lè)较颍?步距角轉(zhuǎn)動(dòng)；如果按照AABBBCCCAA順序以三相六拍通電時(shí)，步距角將減小一半

27、，為1.5。如通電順序相反，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將沿著順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。返回目錄 回看結(jié)束放映55 步距角的大小與通電方式和轉(zhuǎn)子齒數(shù)有關(guān)，其大小可用下式計(jì)算： 步距角360(z m) 式中 z-轉(zhuǎn)子齒數(shù)；m-運(yùn)行拍數(shù)，通常等于相數(shù)或相數(shù)整數(shù)倍，即m=KN(N為電動(dòng)機(jī)的相數(shù)，單拍時(shí)K1，雙拍時(shí)K2)。返回目錄 回看結(jié)束放映56相 數(shù) 環(huán) 形 分 配 方 式 名 稱 系 數(shù)K 3 3 A - B - C - A - A B - B C - C A - A B - 三 相 單 三 拍 ( 1 相 勵(lì) 磁 ) 三 相 雙 三 拍 ( 2 相 勵(lì) 磁 ) 1 1 3 A - A B - B - B C - C -

28、 C A - A - 三 相 六 拍 ( 1 - 2 相 勵(lì) 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 單 四 拍 ( 1 相 勵(lì) 磁 ) 四 相 雙 四 拍 ( 2 相 勵(lì) 磁 ) 四 相 八 拍 ( 1 - 2 相 勵(lì) 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

29、 D - C D - C D E - D E - D E A - E A B - A B - 五 相 單 五 拍 ( 1 相 勵(lì) 磁 ) 五 相 雙 五 拍 ( 2 相 勵(lì) 磁 ) 五 相 十 拍 ( 2 - 3 相 勵(lì) 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 B C - A B - A B C - B C - B C D - C D - C D E - D E

30、 - D E F - E F - E F A - F A - F A B - A B 六 相 單 六 拍 ( 1 相 勵(lì) 磁 ) 六 相 雙 六 拍 ( 2 相 勵(lì) 磁 ) 六 相 六 拍 ( 3 相 勵(lì) 磁 ) 六 相 十 二 拍 ( 2 - 3 相 勵(lì) 磁 ) 1 1 1 2 返回目錄 回看結(jié)束放映57 三、 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo) 1. 分辨力 在一個(gè)電脈沖作用下(即一拍)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移，即步距角越小，分辨力越高。最常用的有0.61.2、0.751.5、0.91.8、12、1.53等。返回目錄 回看結(jié)束放映58返回目錄 回看結(jié)束放映59 上圖中，A 相與B 相矩-角特性

31、曲線之交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它表示步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單相勵(lì)磁時(shí)所能帶動(dòng)的極限負(fù)載轉(zhuǎn)矩。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩通常與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相數(shù)和通電方式有關(guān)，如下表所示。返回目錄 回看結(jié)束放映60返回目錄 回看結(jié)束放映61返回目錄 回看結(jié)束放映62返回目錄 回看結(jié)束放映63返回目錄 回看結(jié)束放映64返回目錄 回看結(jié)束放映65 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)性能數(shù)據(jù)返回目錄 回看結(jié)束放映66返回目錄 回看結(jié)束放映67返回目錄 回看結(jié)束放映68 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性與配套使用的驅(qū)動(dòng)電源（驅(qū)動(dòng)器）有密切關(guān)系。驅(qū)動(dòng)電源由脈沖分配器、功率放大器等組成，如下圖所示。驅(qū)動(dòng)電源是將變頻信號(hào)源(微機(jī)或數(shù)控裝置等)送來(lái)的脈沖信號(hào)及方向信號(hào)按要求的配電

32、方式自動(dòng)地循環(huán)供給電動(dòng)機(jī)各相繞組，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)。變頻信號(hào)源是可提供從幾赫茲到幾萬(wàn)赫茲的頻率信號(hào)連續(xù)可調(diào)的脈沖信號(hào)發(fā)生器。因此，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量及頻率就可精確控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速。返回目錄 回看結(jié)束放映69返回目錄 回看結(jié)束放映70 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各相繞組必須按一定的順序通電才能正常工作。這種使電動(dòng)機(jī)繞組的通電順序按一定規(guī)律變化的部分稱為脈沖分配器（又稱為環(huán)形脈沖分配器）。實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配的方法有三種。下圖是一種采用計(jì)算機(jī)軟件，利用查表或計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行脈沖的環(huán)形分配，簡(jiǎn)稱軟環(huán)分。下表為三相六拍分配狀態(tài)，可將表中狀態(tài)代碼0lH、03H、02H、06H、04H、05H列入程序數(shù)

33、據(jù)表中,通過(guò)軟件可順次在數(shù)據(jù)表中提取數(shù)據(jù)并通過(guò)輸出接口輸出即可，通過(guò)正向順序讀取和反向順序讀取可控制電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)。通過(guò)控制讀取一次數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔可控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。該方法能充分利用計(jì)算機(jī)軟件資源以降低硬件成本，尤其是對(duì)多相的脈沖分配具有更大的優(yōu)點(diǎn)。但由于軟環(huán)分占用計(jì)算機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，故會(huì)使插補(bǔ)一次的時(shí)間增加，易影響步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度。返回目錄 回看結(jié)束放映71返回目錄 回看結(jié)束放映72 另一種采用小規(guī)模集成電路搭接而成的三相六拍環(huán)形脈沖分配器（如下圖1所示），圖中C1、C2、C3為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。這種方式靈活性很大，可搭接任意相任意通電順序的環(huán)形分配器，同時(shí)在工作時(shí)不占用計(jì)算機(jī)的工作時(shí)間。

34、第三種是采用專用環(huán)形分配器器件。如下圖2所示的CH250為一種三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)專用環(huán)形分配器。它可以實(shí)現(xiàn)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各種環(huán)形分配，使用方便、接口簡(jiǎn)單。其中圖a為CH250的管腳圖、圖b為三相六拍接線圖。 返回目錄 回看結(jié)束放映73CH250工作狀態(tài)返回目錄 回看結(jié)束放映74 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所使用的功率放大電路有電壓型和電流型。電壓型又有單電壓型（下圖1）、雙電壓型(高低壓型)（如下圖2，其中圖2a是由采用脈沖變壓器TI組成的、圖2b是由采用單穩(wěn)觸發(fā)器組成的）。電流型中有恒流驅(qū)動(dòng)、斬波驅(qū)動(dòng)等。返回目錄 回看結(jié)束放映75 上述提到的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各種功率放大電路都是采用環(huán)形分配器芯片進(jìn)行環(huán)形分配，控制電動(dòng)機(jī)各相繞組的導(dǎo)通或截止，從而使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，步距角的大小只有兩種，即整步工作或半步工作。步距角已由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)所確定。如果要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有更小的步距角或者為減小電動(dòng)機(jī)振動(dòng)、噪聲等原因，可以在每次輸入脈沖切換時(shí)，不是將繞組電流全部通入或切除，而是只改變相應(yīng)繞組中額定電流的