機電一體化 第三章執(zhí)行元件1

1、第三章第三章 執(zhí)行元件的選擇與設計 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng) 執(zhí)行元件執(zhí)行元件 常用的控制用電機常用的控制用電機 步進電動機及其驅(qū)動步進電動機及其驅(qū)動 直流伺服電動機及其驅(qū)動直流伺服電動機及其驅(qū)動 交流伺服電動機及其驅(qū)動交流伺服電動機及其驅(qū)動 “伺服”一詞源于希臘語“奴隸”的意思 。人們想把“伺服機構”當個得心應手的馴服工具，服從控制信號的要求而動作。在訊號來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動;訊號來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動;當訊號消失，轉(zhuǎn)子能即時自行停轉(zhuǎn)。由于它的“伺服”性能，因此而得名伺服系統(tǒng)。 伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標值(或給定值)的任意變化的自動控制系統(tǒng)。 伺服系統(tǒng)是自動控

2、制系統(tǒng)的一類，它的輸出變量通常伺服系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)的一類，它的輸出變量通常是機械或位置的運動，它的根本任務是實現(xiàn)執(zhí)行機構對給是機械或位置的運動，它的根本任務是實現(xiàn)執(zhí)行機構對給定指令的準確跟蹤，即實現(xiàn)輸出變量的某種狀態(tài)能夠自動、定指令的準確跟蹤，即實現(xiàn)輸出變量的某種狀態(tài)能夠自動、連續(xù)、精確地復現(xiàn)輸入指令信號的變化規(guī)律。連續(xù)、精確地復現(xiàn)輸入指令信號的變化規(guī)律。 一、伺服系統(tǒng)概念一、伺服系統(tǒng)概念 從系統(tǒng)組成元件的性質(zhì)來看，有從系統(tǒng)組成元件的性質(zhì)來看，有電氣伺服系統(tǒng)電氣伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)液壓伺服系統(tǒng)和和電氣電氣液壓伺服系統(tǒng)液壓伺服系統(tǒng)、電氣電氣氣氣動伺服系統(tǒng)動伺服系統(tǒng)等；等； 從系統(tǒng)輸出量的物理

3、性質(zhì)來看，有速度或加速從系統(tǒng)輸出量的物理性質(zhì)來看，有速度或加速度伺服系統(tǒng)和位置伺服系統(tǒng)等；度伺服系統(tǒng)和位置伺服系統(tǒng)等； 從系統(tǒng)中所包含的元件特性和信號作用特點來從系統(tǒng)中所包含的元件特性和信號作用特點來看，有模擬式伺服系統(tǒng)和數(shù)字式伺服系統(tǒng)；看，有模擬式伺服系統(tǒng)和數(shù)字式伺服系統(tǒng)； 從系統(tǒng)結構特點來看，有單回路伺服系統(tǒng)、多從系統(tǒng)結構特點來看，有單回路伺服系統(tǒng)、多回路伺服系統(tǒng)和開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)?；芈匪欧到y(tǒng)和開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)。二、伺服系統(tǒng)類型二、伺服系統(tǒng)類型 例：數(shù)控機床伺服系統(tǒng)例：數(shù)控機床伺服系統(tǒng)， 由圖可以看出，它與一般的反饋控制系統(tǒng)一樣，由圖可以看出，它與一般的反饋控制系統(tǒng)一

4、樣，也是由控制器、被控對象、反饋測量裝置等部分也是由控制器、被控對象、反饋測量裝置等部分組成。組成。 二、伺服系統(tǒng)類型二、伺服系統(tǒng)類型 對伺服系統(tǒng)的基本要求有對伺服系統(tǒng)的基本要求有穩(wěn)定性穩(wěn)定性、精度精度和和快速快速響應性響應性。 穩(wěn)定性是指作用在系統(tǒng)上的擾動消失后，系統(tǒng)穩(wěn)定性是指作用在系統(tǒng)上的擾動消失后，系統(tǒng)能夠恢復到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運行或者在輸入指能夠恢復到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運行或者在輸入指令信號作用下，系統(tǒng)能夠達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)令信號作用下，系統(tǒng)能夠達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。的能力。 精度是伺服系統(tǒng)的一項重要的性能要求。它是精度是伺服系統(tǒng)的一項重要的性能要求。它是指其輸出量復現(xiàn)輸入指令信

5、號的精確程度。指其輸出量復現(xiàn)輸入指令信號的精確程度。 快速響應性是衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的另一項快速響應性是衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的另一項重要指標?？焖夙憫杂袃煞矫婧x，一是指動重要指標。快速響應性有兩方面含義，一是指動態(tài)響應過程中，輸出量跟隨輸入指令信號變化的態(tài)響應過程中，輸出量跟隨輸入指令信號變化的迅速程度，二是指動態(tài)響應過程結束的迅速程度。迅速程度，二是指動態(tài)響應過程結束的迅速程度。三、伺服系統(tǒng)的基本要求三、伺服系統(tǒng)的基本要求 執(zhí)行元件是工業(yè)機器人、執(zhí)行元件是工業(yè)機器人、CNC機床、各種自動機械、計算機外圍設機床、各種自動機械、計算機外圍設備、辦公室設備、車輛電子設備、醫(yī)療器械、各種光學裝

6、置、家用電備、辦公室設備、車輛電子設備、醫(yī)療器械、各種光學裝置、家用電器器(音響設備、錄音機、攝像機、電冰箱音響設備、錄音機、攝像機、電冰箱)等機電一體化系統(tǒng)等機電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品或產(chǎn)品)必必不可少的驅(qū)動部件，如數(shù)控機床的主軸轉(zhuǎn)動、工作臺的進給運動以及不可少的驅(qū)動部件，如數(shù)控機床的主軸轉(zhuǎn)動、工作臺的進給運動以及工業(yè)機器人手臂的升降、回轉(zhuǎn)和伸縮運動等所用驅(qū)動部件即執(zhí)行元件。工業(yè)機器人手臂的升降、回轉(zhuǎn)和伸縮運動等所用驅(qū)動部件即執(zhí)行元件。 該元件是處于機電一體化系統(tǒng)的機械運行機構與微電子控制裝置該元件是處于機電一體化系統(tǒng)的機械運行機構與微電子控制裝置的接點（聯(lián)接）部位的能量轉(zhuǎn)換元件的接點（聯(lián)接）部

7、位的能量轉(zhuǎn)換元件。它能在微電子裝置的控制下，。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)換為機械能，例如電動機、電磁鐵、繼電將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換為機械能，例如電動機、電磁鐵、繼電器、液動機、油（氣缸）、內(nèi)燃機等分別把輸入的電能、液壓能、氣器、液動機、油（氣缸）、內(nèi)燃機等分別把輸入的電能、液壓能、氣壓能和化學能轉(zhuǎn)換為機械能。由于大多數(shù)執(zhí)行元件已作為系列化商品壓能和化學能轉(zhuǎn)換為機械能。由于大多數(shù)執(zhí)行元件已作為系列化商品生產(chǎn)，故在設計機電一體化系統(tǒng)時，可作為標準件選用、外購。生產(chǎn)，故在設計機電一體化系統(tǒng)時，可作為標準件選用、外購。 第一節(jié)第一節(jié) 執(zhí)行元件的種類、執(zhí)行元件的種類、 特點及

8、基本要求特點及基本要求一、執(zhí)行元件的種類及特點一、執(zhí)行元件的種類及特點 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)動運幾種類型，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)動運行機構運動。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，行機構運動。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)動運行機構運動。氣壓式與液壓式的原理相同，只是從而使液壓執(zhí)行元件驅(qū)動運行機構運動。氣壓式與液壓式的原理相同，只是將介

9、質(zhì)由油改為氣體而已。其他執(zhí)行元件與使用材料有關，如使用雙金屬片、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，如使用雙金屬片、形狀記憶合金或壓電元件形狀記憶合金或壓電元件 。 1. 1. 電氣式執(zhí)行元件電氣式執(zhí)行元件 電氣式執(zhí)行元件包括控制用電動機電氣式執(zhí)行元件包括控制用電動機( (步進電動步進電動機、機、DCDC和和ACAC伺服電動機伺服電動機) )、靜電電動機、磁致伸縮器、靜電電動機、磁致伸縮器件、壓電元件、超聲波電動機以及電磁鐵等。其中，件、壓電元件、超聲波電動機以及電磁鐵等。其中，利用電磁力的電動機和電磁鐵，因其實用、易得而利用電磁力的電動機和電磁鐵，因其實用、易得而成為常用的執(zhí)

10、行元件。對控制用電動機的性能除了成為常用的執(zhí)行元件。對控制用電動機的性能除了要求穩(wěn)速運轉(zhuǎn)性能之外，還要求具有良好的加速、要求穩(wěn)速運轉(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態(tài)性能以及頻繁使用時的減速性能和伺服性能等動態(tài)性能以及頻繁使用時的適應性和便于維修性能。適應性和便于維修性能。 控制用電動機驅(qū)動系統(tǒng)一般由電源供給電力，經(jīng)電力變換器變換后控制用電動機驅(qū)動系統(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機，使電動機作回轉(zhuǎn)輸送給電動機，使電動機作回轉(zhuǎn)(或直線或直線)運動，驅(qū)動負載機械運動，驅(qū)動負載機械(運行機構運行機構)運動，并在指令器給定的指令位置定位停止。這種驅(qū)動系統(tǒng)具有位

11、置運動，并在指令器給定的指令位置定位停止。這種驅(qū)動系統(tǒng)具有位置(或或速度速度)反饋環(huán)節(jié)的叫閉環(huán)系統(tǒng)，沒有位置與速度反饋環(huán)節(jié)的叫開環(huán)系統(tǒng)。反饋環(huán)節(jié)的叫閉環(huán)系統(tǒng)，沒有位置與速度反饋環(huán)節(jié)的叫開環(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：電磁鐵磁鐵-由線圈和銜鐵兩部分組成，結構簡單，由于是單向驅(qū)動，故需用彈由線圈和銜鐵兩部分組成，結構簡單，由于是單向驅(qū)動，故需用彈簧復位，用于實現(xiàn)兩固定點間的快速驅(qū)動；簧復位，用于實現(xiàn)兩固定點間的快速驅(qū)動；壓電驅(qū)動器壓電驅(qū)動器-利用壓電晶體利用壓電晶體的壓電效應來驅(qū)動運行機構作微量位移；的壓電效應來

12、驅(qū)動運行機構作微量位移；電熱驅(qū)動器電熱驅(qū)動器-利用物體利用物體(如金如金屬棒屬棒)的熱變形來驅(qū)動運行機構的直線位移，用控制電熱器的熱變形來驅(qū)動運行機構的直線位移，用控制電熱器(電阻電阻)的加熱的加熱電流來改變位移量，由于物體的線膨脹量有限，位移量當然很小，可用電流來改變位移量，由于物體的線膨脹量有限，位移量當然很小，可用在機電一體化產(chǎn)品中實現(xiàn)微量進給。在機電一體化產(chǎn)品中實現(xiàn)微量進給。2. 2. 液壓式執(zhí)行元件液壓式執(zhí)行元件 液壓式執(zhí)行元件主要包括往復運動的油缸、回轉(zhuǎn)油缸、液壓液壓式執(zhí)行元件主要包括往復運動的油缸、回轉(zhuǎn)油缸、液壓馬達等，其中油缸占絕大多數(shù)。目前，世界上已開發(fā)了各種數(shù)馬達等，其中油

13、缸占絕大多數(shù)。目前，世界上已開發(fā)了各種數(shù)字式液壓式執(zhí)行元件，例如電字式液壓式執(zhí)行元件，例如電-液伺服馬達和電液伺服馬達和電-液步進馬達，液步進馬達，這些電這些電-液式馬達的最大優(yōu)點是比電動機的轉(zhuǎn)矩大，可以直接液式馬達的最大優(yōu)點是比電動機的轉(zhuǎn)矩大，可以直接驅(qū)動運行機構，轉(zhuǎn)矩驅(qū)動運行機構，轉(zhuǎn)矩/慣量比大，過載能力強，適合于重載的慣量比大，過載能力強，適合于重載的高加減速驅(qū)動。高加減速驅(qū)動。 3. 3. 氣壓式執(zhí)行元件氣壓式執(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)行元件無什么區(qū)別。具有代表性的氣壓執(zhí)行元件有氣缸、式執(zhí)行元件無什么區(qū)

14、別。具有代表性的氣壓執(zhí)行元件有氣缸、氣壓馬達等。氣壓驅(qū)動雖可得到較大的驅(qū)動力、行程和速度，氣壓馬達等。氣壓驅(qū)動雖可得到較大的驅(qū)動力、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合使用。場合使用。 二、對執(zhí)行元件的基本要求 1. 1. 慣量小、動力大慣量小、動力大2. 2. 體積小、重量輕體積小、重量輕 既要縮小執(zhí)行元件的體積、減輕重量，同時又要增大其動力，故既要縮小執(zhí)行元件的體積、減輕重量，同時又要增大其動力，故通常用執(zhí)行元件的單位重量所能達到的輸出功率或比功率，即用功率通常用執(zhí)行元件的單位重量所能達到的輸出功率或比

15、功率，即用功率密度或比功率密度來評價這項指標。設執(zhí)行元件的重量為密度或比功率密度來評價這項指標。設執(zhí)行元件的重量為G，則，則 功率密度功率密度 為為 P/G。 比功率密度為比功率密度為 (T2/J)/G 。 3. 3. 便于維修、安裝便于維修、安裝 執(zhí)行元件最好不需要維修。無刷執(zhí)行元件最好不需要維修。無刷DC及及AC伺服電動機就是走向無伺服電動機就是走向無維修的一例。維修的一例。4. 4. 宜于微機控制宜于微機控制 根據(jù)這個要求，用微機控制最方便的是電氣式執(zhí)行元件。因此機根據(jù)這個要求，用微機控制最方便的是電氣式執(zhí)行元件。因此機電一體化系統(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電一體化

16、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)動接口中需要增加電在驅(qū)動接口中需要增加電-液或電液或電-氣變換環(huán)節(jié)氣變換環(huán)節(jié))。內(nèi)燃機定位運動的微。內(nèi)燃機定位運動的微機控制較難，故通常僅被用于交通運輸機械。機控制較難，故通常僅被用于交通運輸機械。 第二節(jié)第二節(jié) 常用的控制用電動機常用的控制用電動機 控制用電動機有力矩電動機、脈沖（步進）電動機、變頻調(diào)控制用電動機有力矩電動機、脈沖（步進）電動機、變頻調(diào)速電動機、開關磁阻電動機和各種速電動機、開關磁阻電動機和各種AC/DCAC/DC電動機等?？刂朴秒妱訖C電動機等。控制用電動機是電氣伺服控制系統(tǒng)的動力部件，是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的一種是電氣

17、伺服控制系統(tǒng)的動力部件，是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。由于其可在很寬的速度和負載范圍內(nèi)進行連續(xù)、能量轉(zhuǎn)換裝置。由于其可在很寬的速度和負載范圍內(nèi)進行連續(xù)、精確的控制，因而在各種機電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。精確的控制，因而在各種機電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。 控制用電動機有回轉(zhuǎn)和直線驅(qū)動電動機，通過電壓、電流、控制用電動機有回轉(zhuǎn)和直線驅(qū)動電動機，通過電壓、電流、頻率頻率( (包括指令脈沖包括指令脈沖) )等控制，實現(xiàn)定速、變速驅(qū)動或反復起動、等控制，實現(xiàn)定速、變速驅(qū)動或反復起動、停止的增量驅(qū)動以及復雜的驅(qū)動，而驅(qū)動精度隨驅(qū)動對象的不同停止的增量驅(qū)動以及復雜的驅(qū)動，而驅(qū)動精度隨驅(qū)

18、動對象的不同而不同。機電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品中常用的控制用電動機是指能提而不同。機電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品中常用的控制用電動機是指能提供正確運動或較復雜動作的伺服電動機。供正確運動或較復雜動作的伺服電動機。伺服電動機控制方式的基本形式伺服電動機控制方式的基本形式一、對控制用電動機的基本要求一、對控制用電動機的基本要求 二、二、 制用電動機的種類、特點及選用制用電動機的種類、特點及選用 在機電一體化系統(tǒng)在機電一體化系統(tǒng)( (或產(chǎn)品或產(chǎn)品) )中使用兩類電動機中使用兩類電動機, ,一類為一般的動力用電一類為一般的動力用電動機動機, ,如感應式異步電動機和同步電動機等如感應式異步電動機和同步電動機等; ;另一

19、類為控制用電動機另一類為控制用電動機, ,如力矩電如力矩電動機、脈沖電動機、開關磁阻電動機、變頻調(diào)速電動機和各種動機、脈沖電動機、開關磁阻電動機、變頻調(diào)速電動機和各種AC/DCAC/DC電動機等。電動機等。 伺服電動機的特點及應用實例 伺服電動機的性能比較 伺服電動機優(yōu)缺點比較 不同的應用場合，對控制用電動機的性能密度的要求也有所不同的應用場合，對控制用電動機的性能密度的要求也有所不同。對于起停頻率低不同。對于起停頻率低( (如幾十次分如幾十次分) )，但要求低速平穩(wěn)和扭矩，但要求低速平穩(wěn)和扭矩脈動小，高速運行時振動、噪聲小，在整個調(diào)速范圍內(nèi)均可穩(wěn)定脈動小，高速運行時振動、噪聲小，在整個調(diào)速范

20、圍內(nèi)均可穩(wěn)定運動的機械，如運動的機械，如NCNC工作機械的進給運動、機器人的驅(qū)動系統(tǒng)，其工作機械的進給運動、機器人的驅(qū)動系統(tǒng)，其功率密度是主要的性能指標；對于起停頻率高功率密度是主要的性能指標；對于起停頻率高( (如數(shù)百次分如數(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、繪圖機、打孔但不特別要求低速平穩(wěn)性的產(chǎn)品，如高速打印機、繪圖機、打孔機、集成電路焊接裝置等主要的性能指標是高比功率。在額定輸機、集成電路焊接裝置等主要的性能指標是高比功率。在額定輸出功率相同的條件下出功率相同的條件下, ,交流伺服電動機的比功率最高、交流伺服電動機的比功率最高、 直流伺服直流伺服電動機次之、步進電

21、動機最低。電動機次之、步進電動機最低。 第三節(jié)第三節(jié) 直流直流（DCDC）與交流與交流（ACAC） 伺服電動機及驅(qū)動伺服電動機及驅(qū)動 直流伺服電動機通過電刷和換向器產(chǎn)生的整流作用，直流伺服電動機通過電刷和換向器產(chǎn)生的整流作用，使磁場磁動勢和電樞電流磁動勢正交，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。使磁場磁動勢和電樞電流磁動勢正交，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。其電樞大多為永久磁鐵。其電樞大多為永久磁鐵。 直流伺服電動機具有較高的響應速度、精度和頻率，直流伺服電動機具有較高的響應速度、精度和頻率，優(yōu)良的控制特性等優(yōu)點。但由于使用電刷和換向器，故優(yōu)良的控制特性等優(yōu)點。但由于使用電刷和換向器，故壽命較低，需要定期維修。壽命較低，需要定期維

22、修。 二十世紀二十世紀6060年代研制出了小慣量直流伺服電動機，年代研制出了小慣量直流伺服電動機，其電樞無槽，繞組直接粘接固定在電樞鐵心上，因而轉(zhuǎn)其電樞無槽，繞組直接粘接固定在電樞鐵心上，因而轉(zhuǎn)動慣量小、反應靈敏、動態(tài)特性好，適用于高速且負載動慣量小、反應靈敏、動態(tài)特性好，適用于高速且負載慣量較小的場合，否則需根據(jù)其具體的慣量比設置精密慣量較小的場合，否則需根據(jù)其具體的慣量比設置精密齒輪副才能與負載慣量匹配，增加了成本。齒輪副才能與負載慣量匹配，增加了成本。 直流印刷電樞電動機是一種盤形伺服電動機，電樞直流印刷電樞電動機是一種盤形伺服電動機，電樞由導電板的切口成形，棵導體的線圈端部起換向器作用

23、，由導電板的切口成形，棵導體的線圈端部起換向器作用，這種空心式高性能伺服電動機大多用于工業(yè)機器人、小這種空心式高性能伺服電動機大多用于工業(yè)機器人、小型型NCNC機床及線切割機床上。機床及線切割機床上。 1. 1. 直流伺服電動機的特性及選用直流伺服電動機的特性及選用 寬調(diào)速直流伺服電動機應根據(jù)負載條件來選擇。加在電動機軸寬調(diào)速直流伺服電動機應根據(jù)負載條件來選擇。加在電動機軸上的有兩種負載，即上的有兩種負載，即負載轉(zhuǎn)矩和負載慣量負載轉(zhuǎn)矩和負載慣量。當選用電動機時，必。當選用電動機時，必須正確地計算負載，即必須確認電動機能滿足下列條件：在整須正確地計算負載，即必須確認電動機能滿足下列條件：在整個個

24、調(diào)速范圍調(diào)速范圍內(nèi)，其內(nèi)，其負載轉(zhuǎn)矩應在電動機連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍以內(nèi)負載轉(zhuǎn)矩應在電動機連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍以內(nèi)；工作負載與過載時間應在規(guī)定的范圍以內(nèi)工作負載與過載時間應在規(guī)定的范圍以內(nèi)；應使應使加速度與希加速度與希望的時間常數(shù)一致望的時間常數(shù)一致。一般講，由于負載轉(zhuǎn)矩起減速作用，如果可。一般講，由于負載轉(zhuǎn)矩起減速作用，如果可能，加減速應選取相同的時間常數(shù)。能，加減速應選取相同的時間常數(shù)。 值得提出的是值得提出的是慣性負載值對電動機靈敏度和快速移動時間有慣性負載值對電動機靈敏度和快速移動時間有很大影響很大影響。對于大的慣性負載，當指令速度變化時，電動機達到。對于大的慣性負載，當指令速度變化時，電動機達

25、到指令速度的時間需要長些。如果負載慣量達到轉(zhuǎn)子慣量的三倍，指令速度的時間需要長些。如果負載慣量達到轉(zhuǎn)子慣量的三倍，靈敏度要受到影響，當負載慣量比轉(zhuǎn)子慣量大三倍時響應時間將靈敏度要受到影響，當負載慣量比轉(zhuǎn)子慣量大三倍時響應時間將降低很多，而當慣量大大超過時，伺服放大器就不能在正常條件降低很多，而當慣量大大超過時，伺服放大器就不能在正常條件范圍內(nèi)調(diào)整，必須避免使用這種慣性負載。范圍內(nèi)調(diào)整，必須避免使用這種慣性負載。 2. 2. 直流伺服電動機與驅(qū)動直流伺服電動機與驅(qū)動 直流伺服電動機為直流供電，為調(diào)節(jié)直流伺服電動機為直流供電，為調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速和方向電動機轉(zhuǎn)速和方向, ,需要對其需要對其直流電壓的大

26、小和方向直流電壓的大小和方向進行控制。目前常用進行控制。目前常用晶體管脈寬調(diào)速驅(qū)動晶體管脈寬調(diào)速驅(qū)動和和晶晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動閘管直流調(diào)速驅(qū)動兩種方式。兩種方式。 晶閘管直流驅(qū)動方式，主要通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置控制晶閘管的觸發(fā)晶閘管直流驅(qū)動方式，主要通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置控制晶閘管的觸發(fā)延遲角延遲角( (控制電壓的大小控制電壓的大小) )來移動觸發(fā)脈沖的相位，從而改變整流電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，從而改變整流電壓的大小，使直流電動機電樞電壓的變化易于平滑調(diào)速。由于晶閘管本的大小，使直流電動機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，導通后是利用交流身的工作原理和電源的特點，導通后是利

27、用交流(50Hz)(50Hz)過零來關閉的，過零來關閉的，因此，在低整流電壓時。其輸出是很小的尖峰值因此，在低整流電壓時。其輸出是很小的尖峰值( (三相全波時每秒三相全波時每秒300300個個) )的平均值，從而造成電流的不連續(xù)性。而采用脈寬調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，的平均值，從而造成電流的不連續(xù)性。而采用脈寬調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，其開關頻率高其開關頻率高( (通常達通常達20003000Hz)20003000Hz)，伺服機構能夠響應的頻帶范圍也，伺服機構能夠響應的頻帶范圍也較寬，與晶閘管相比，其輸出電流脈動非常小，接近于純直流。較寬，與晶閘管相比，其輸出電流脈動非常小，接近于純直流。伺服電動機與驅(qū)動器伺服電動機

28、與驅(qū)動器驅(qū)動器電動機 直流伺服電動機為直流供電，為調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速和方向，需要對其直流電壓直流伺服電動機為直流供電，為調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速和方向，需要對其直流電壓的大小和方向進行控制。目前常用晶體管脈寬調(diào)速驅(qū)動和晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動兩的大小和方向進行控制。目前常用晶體管脈寬調(diào)速驅(qū)動和晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動兩種方式。種方式。 直流伺服電動機調(diào)速方法直流伺服電動機調(diào)速方法穩(wěn)態(tài)方程穩(wěn)態(tài)方程MKKRKUnmeaea2（1)改變電樞回路電阻改變電樞回路電阻 在電樞回路串聯(lián)或并聯(lián)電阻在電樞回路串聯(lián)或并聯(lián)電阻 耗能大耗能大（2)改變磁場磁通改變磁場磁通 弱磁調(diào)速弱磁調(diào)速 調(diào)速范圍小調(diào)速范圍?。?)改變電樞電壓改變電樞電壓

29、 在整個調(diào)速范圍內(nèi)均有較大的硬度，可以獲得穩(wěn)定的在整個調(diào)速范圍內(nèi)均有較大的硬度，可以獲得穩(wěn)定的運行速度，調(diào)速范圍較寬，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。運行速度，調(diào)速范圍較寬，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。UUTUdtTUa01T/脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制(PWM pulse width modulation)直流調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)原理直流調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)原理 為使電動機實現(xiàn)雙向調(diào)速，多采用下圖所示橋為使電動機實現(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。電式電路，其工作原理與線性放大橋式電路相似。電橋由四個大功率晶體管橋由四個大功率晶體管VTVT1 1VTVT4 4組成。如果在組成。如果在VTVT1 1和和VTVT

30、3 3的基極上加以正脈沖的同時，在的基極上加以正脈沖的同時，在VTVT2 2和和VTVT4 4的基極的基極上加負脈沖，這時上加負脈沖，這時VTVT1 1和和VTVT4 4導通，導通，VTVT2 2和和VTVT4 4截止，電截止，電流沿流沿+90VcVT+90VcVT1 1dMbVTdMbVT3 3a0Va0V的路徑流的路徑流通。設此時電動機的轉(zhuǎn)向為正向。反之，如果在晶通。設此時電動機的轉(zhuǎn)向為正向。反之，如果在晶體管體管VTVT1 1和和VTVT3 3的基極上加負脈沖，在的基極上加負脈沖，在VTVT2 2和和VTVT4 4的基極的基極上加正脈沖，則上加正脈沖，則VTVT2 2和和VTVT4 4導

31、通，導通，VTVT1 1和和VTVT3 3截止，電流截止，電流沿沿+90VcVT+90VcVT2 2bMdVTbMdVT4 4a0Va0V的路徑流通，的路徑流通，電流的方向與前一情況相反，電動機反向旋轉(zhuǎn)。顯電流的方向與前一情況相反，電動機反向旋轉(zhuǎn)。顯然，如果改變加到然，如果改變加到VTVT1 1和和VTVT3 3、VTVT2 2和和VTVT4 4這兩組管子基這兩組管子基極上控制脈沖的正負和導通率，就可以改變電動機極上控制脈沖的正負和導通率，就可以改變電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。直流位置伺服系統(tǒng)的結構(1)(1)電流環(huán)電流環(huán) 電流值由電流傳感器取自伺服電機的電樞回路，主要用于對電樞回路電流

32、值由電流傳感器取自伺服電機的電樞回路，主要用于對電樞回路的滯后進行補償，使動態(tài)電流按要求的規(guī)律變化。采用電流環(huán)后，反電勢對電樞電的滯后進行補償，使動態(tài)電流按要求的規(guī)律變化。采用電流環(huán)后，反電勢對電樞電流的影響將變得很小，這樣在電機負載突變時，電流負反饋的引入起到了過載保護流的影響將變得很小，這樣在電機負載突變時，電流負反饋的引入起到了過載保護的作用。的作用。(2)(2)速度環(huán)速度環(huán) 伺服電動機的轉(zhuǎn)速可由測速發(fā)電機或光電編碼器獲得。速度反饋用于伺服電動機的轉(zhuǎn)速可由測速發(fā)電機或光電編碼器獲得。速度反饋用于對電動機的速度誤差進行調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)要求的動態(tài)特性，同時，速度環(huán)的引入還會對電動機的速度誤差進行

33、調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)要求的動態(tài)特性，同時，速度環(huán)的引入還會增加系統(tǒng)的動態(tài)阻尼比，減小系統(tǒng)的超調(diào)，使電機運行更加平穩(wěn)。增加系統(tǒng)的動態(tài)阻尼比，減小系統(tǒng)的超調(diào)，使電機運行更加平穩(wěn)。(3)(3)位置環(huán)位置環(huán) 可采用脈沖編碼器或光柵尺等對轉(zhuǎn)角或直線位移進行測量。將系統(tǒng)的可采用脈沖編碼器或光柵尺等對轉(zhuǎn)角或直線位移進行測量。將系統(tǒng)的實際位置轉(zhuǎn)換成具有一定精度的電信號，與指令信號比較產(chǎn)生偏差控制信號，控制實際位置轉(zhuǎn)換成具有一定精度的電信號，與指令信號比較產(chǎn)生偏差控制信號，控制電機向消除誤差的方向旋轉(zhuǎn)，直到達到一定的位置精度。電機向消除誤差的方向旋轉(zhuǎn)，直到達到一定的位置精度。直流伺服電動機特點直流伺服電動機特點1 1、

34、穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好 能在較寬的速度范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。能在較寬的速度范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。2 2、可控性好可控性好 直流伺服電動機具有線性的調(diào)節(jié)特性，能使轉(zhuǎn)速直流伺服電動機具有線性的調(diào)節(jié)特性，能使轉(zhuǎn)速正比于控制電壓大??；轉(zhuǎn)向取決于控制電壓的極性；控制電壓為零正比于控制電壓大?。晦D(zhuǎn)向取決于控制電壓的極性；控制電壓為零時，轉(zhuǎn)自慣性很小，能立即停止。時，轉(zhuǎn)自慣性很小，能立即停止。3 3、響應迅速響應迅速 直流伺服電動機具有較大的起動轉(zhuǎn)矩和較小的轉(zhuǎn)動直流伺服電動機具有較大的起動轉(zhuǎn)矩和較小的轉(zhuǎn)動慣量，在控制信號增加、減小或消失的瞬間，直流伺服電動機能快慣量，在控制信號增加、減小或消失的瞬間，直流伺服電動機能快速起動

35、、快速增速、快速減速和快速停止。速起動、快速增速、快速減速和快速停止。4 4、控制功率低，損耗小控制功率低，損耗小。5 5、轉(zhuǎn)矩大轉(zhuǎn)矩大 直流伺服電動機廣泛應用在寬調(diào)速系統(tǒng)和精確位置控直流伺服電動機廣泛應用在寬調(diào)速系統(tǒng)和精確位置控制系統(tǒng)中，其輸出功率一般為制系統(tǒng)中，其輸出功率一般為1 1600W600W，也有達數(shù)千瓦。電壓有，也有達數(shù)千瓦。電壓有6V6V、9V9V、24V24V、27V27V、48V48V、110V110V、220V220V等。等。二、 交流(AC)伺服電動機及其驅(qū)動 長期以來，在要求調(diào)速性能較高的場合，一直占據(jù)主導地位的是長期以來，在要求調(diào)速性能較高的場合，一直占據(jù)主導地位的

36、是應用直流電動機的調(diào)速系統(tǒng)。但應用直流電動機的調(diào)速系統(tǒng)。但直流電動機直流電動機都存在一些固有的缺點，都存在一些固有的缺點，如如電刷和換向器易磨損，需經(jīng)常維護。換向器換向時會產(chǎn)生火花電刷和換向器易磨損，需經(jīng)常維護。換向器換向時會產(chǎn)生火花，使，使電動機的最高速度受到限制，也使應用環(huán)境受到限制，而且電動機的最高速度受到限制，也使應用環(huán)境受到限制，而且直流電動直流電動機結構復雜機結構復雜，制造困難，所用鋼鐵材料消耗大，制造困難，所用鋼鐵材料消耗大，制造成本高制造成本高。而交流。而交流電動機，特別是鼠籠式感應電動機沒有上述缺點，且電動機，特別是鼠籠式感應電動機沒有上述缺點，且轉(zhuǎn)子慣量較直流轉(zhuǎn)子慣量較直流

37、電機小電機小，使得，使得動態(tài)響應更好動態(tài)響應更好。在同樣體積下，交流電動機。在同樣體積下，交流電動機輸出功率可輸出功率可比直流電動機提高比直流電動機提高10107070，此外，交流電動機的，此外，交流電動機的容量可比直流電容量可比直流電動機造得大動機造得大，達到更高的電壓和轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)代數(shù)控機床都傾向采用交流，達到更高的電壓和轉(zhuǎn)速。現(xiàn)代數(shù)控機床都傾向采用交流伺服驅(qū)動，交流伺服驅(qū)動已有取代直流伺服驅(qū)動之勢。伺服驅(qū)動，交流伺服驅(qū)動已有取代直流伺服驅(qū)動之勢。 同步型和感應型伺服電動機稱為交流伺服電動機，其基本原理是檢同步型和感應型伺服電動機稱為交流伺服電動機，其基本原理是檢測測SMSM（同步）型和（同步

38、）型和IMIM（感應）型的氣隙磁場的大小和方向，用電力電子（感應）型的氣隙磁場的大小和方向，用電力電子變換器代替整流子和電刷，并通過與氣隙磁場方向相同的磁化電流和與變換器代替整流子和電刷，并通過與氣隙磁場方向相同的磁化電流和與氣隙磁場方向垂直的有效電流來控制其主磁通量和轉(zhuǎn)矩。氣隙磁場方向垂直的有效電流來控制其主磁通量和轉(zhuǎn)矩。 采用永久磁鐵磁場的同步電動機不需要磁化電流控制，只要檢測磁采用永久磁鐵磁場的同步電動機不需要磁化電流控制，只要檢測磁鐵轉(zhuǎn)子的位置即可。這種交流伺服電動機也叫做無刷直流伺服電動機。鐵轉(zhuǎn)子的位置即可。這種交流伺服電動機也叫做無刷直流伺服電動機。由于它不需要磁化電流控制，故比由

39、于它不需要磁化電流控制，故比IMIM型伺服電動機容易控制。型伺服電動機容易控制。 同步型交流伺服電動機雖較感應電動機復雜，但比直流電動機簡單。同步型交流伺服電動機雖較感應電動機復雜，但比直流電動機簡單。它的定子與感應電動機一樣，都在定子上裝有對稱三相繞組。而轉(zhuǎn)子卻它的定子與感應電動機一樣，都在定子上裝有對稱三相繞組。而轉(zhuǎn)子卻不同，按不同的轉(zhuǎn)子結構又分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分不同，按不同的轉(zhuǎn)子結構又分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應式多種。其中磁滯式和反應式同步電動機存在為磁滯式、永磁式和反應式多種。其中磁滯式和反應式同步電動機存在效率低、功率因數(shù)較差、制造

40、容量不大等缺點。數(shù)控機床中多用永磁式效率低、功率因數(shù)較差、制造容量不大等缺點。數(shù)控機床中多用永磁式同步電動機同步電動機. . 異步電動機的調(diào)速方法)1 (60spfn轉(zhuǎn)速公式轉(zhuǎn)速公式磁級對數(shù)磁級對數(shù)轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率調(diào)速控制調(diào)速控制變頻調(diào)速：變頻調(diào)速：由于同步轉(zhuǎn)速隨頻率而變，轉(zhuǎn)差變化小，調(diào)速性能好。由于同步轉(zhuǎn)速隨頻率而變，轉(zhuǎn)差變化小，調(diào)速性能好。變轉(zhuǎn)差率調(diào)速：轉(zhuǎn)差損耗大，效率低。變轉(zhuǎn)差率調(diào)速：轉(zhuǎn)差損耗大，效率低。定子電源頻率定子電源頻率矢量控制矢量控制矢量控制技術發(fā)展的原因和動力：直流伺服電動機之所以能夠獲得優(yōu)良的矢量控制技術發(fā)展的原因和動力：直流伺服電動機之所以能夠獲得優(yōu)良的調(diào)速性能，其根本原因是

41、被控制量只有定子磁場和電樞電流，且兩者正交。調(diào)速性能，其根本原因是被控制量只有定子磁場和電樞電流，且兩者正交。如果能模擬直流伺服電動機，找出異步電動機與之對應的磁場和轉(zhuǎn)子電流如果能模擬直流伺服電動機，找出異步電動機與之對應的磁場和轉(zhuǎn)子電流控制量，分別獨立地加以控制，就會使異步電動機獲得與直流電動機相媲控制量，分別獨立地加以控制，就會使異步電動機獲得與直流電動機相媲美的調(diào)速性能。美的調(diào)速性能。mrrXr、211忽略交流伺服電機的優(yōu)良性能交流伺服電機的優(yōu)良性能1、控制精度高控制精度高 步進電機的步距角一般為步進電機的步距角一般為1.8 (兩相兩相)或或0.72(五相五相)，而交，而交流伺服電機的精

42、度取決于電機編碼器的精度。以伺服電機為例，其編碼器為流伺服電機的精度取決于電機編碼器的精度。以伺服電機為例，其編碼器為l6位，驅(qū)動器每接收位，驅(qū)動器每接收2的的16次方次方=65 536個脈沖，電機轉(zhuǎn)一圈，其脈沖當量為個脈沖，電機轉(zhuǎn)一圈，其脈沖當量為360/65 536=0.0055 ；并實現(xiàn)了位置的閉環(huán)控制，從根本上克服了步進電機；并實現(xiàn)了位置的閉環(huán)控制，從根本上克服了步進電機的失步問題。的失步問題。 2 、矩頻特性好矩頻特性好 步進電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時步進電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，其工作轉(zhuǎn)速一般在每分鐘幾十轉(zhuǎn)到幾百轉(zhuǎn)。而交流伺服

43、電機在其會急劇下降，其工作轉(zhuǎn)速一般在每分鐘幾十轉(zhuǎn)到幾百轉(zhuǎn)。而交流伺服電機在其額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速(一般為一般為2000r/min或或3000r/rain)以內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩輸出。以內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩輸出。 3、 具有過載能力具有過載能力 以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。力矩。 4、 加速性能好加速性能好 步進電機空載時從靜止加速到每分鐘幾百轉(zhuǎn)，需要步進電機空載時從靜止加速到每分鐘幾百轉(zhuǎn)，需要200400ms，

44、交流伺服電機的加速性能較好。，交流伺服電機的加速性能較好。第四節(jié)第四節(jié) 步進電動機及其驅(qū)動步進電動機及其驅(qū)動 一、步進電動機的特點一、步進電動機的特點 步進電動機又稱脈沖電動機。它是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成步進電動機又稱脈沖電動機。它是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的執(zhí)行元件。其輸入一個電脈沖就轉(zhuǎn)動一步，即機械角位移的執(zhí)行元件。其輸入一個電脈沖就轉(zhuǎn)動一步，即每當電動機繞組接受一個電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個相應的步每當電動機繞組接受一個電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個相應的步距角。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，并在時間上與輸入脈沖同步，只要

45、控制輸入電脈率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電動機繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)沖的數(shù)量、頻率以及電動機繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向、很容易用微機實現(xiàn)數(shù)字控制。步進電動機角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向、很容易用微機實現(xiàn)數(shù)字控制。步進電動機具有以下特點：具有以下特點： 步進電動機的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素步進電動機的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素( (如電源如電源電壓的波動、電流的大小與波形的變化、溫度等電壓的波動、電流的大小與波形的變化、溫度等) )的影響，的影響，只要在它們的大小未引起步進電動機產(chǎn)生只要在它們的大小未引起步進電動機產(chǎn)生“丟步丟步”現(xiàn)象之現(xiàn)象之前

46、，就不影響其正常工作；步進電動機的步距角有誤差，前，就不影響其正常工作；步進電動機的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)以后，其轉(zhuǎn)以后，其累積誤差變?yōu)槔鄯e誤差變?yōu)椤傲懔恪?，因此不會長期積累；，因此不會長期積累；控制性能好控制性能好, ,在起動、停止、反轉(zhuǎn)時在起動、停止、反轉(zhuǎn)時不易不易“丟步丟步”。因此，。因此，步進電動機被廣泛應用于開環(huán)控制的機電一體化系統(tǒng)，使步進電動機被廣泛應用于開環(huán)控制的機電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡化，并可靠地獲得較高的位置精度。系統(tǒng)簡化，并可靠地獲得較高的位置精度。二、步進電動機的工作原理及特點二

47、、步進電動機的工作原理及特點1.工作原理工作原理2.步進電動機的通電方式步進電動機的通電方式 (1)單相勵磁單相勵磁 每次只接通一相，其余相斷電，通電過程為每次只接通一相，其余相斷電，通電過程為A-B-C，換接三次完成一個通電循，換接三次完成一個通電循環(huán)，因此又被稱為三相單三拍通電方式。拍數(shù)是指從一相通電換接到另一相通電環(huán)，因此又被稱為三相單三拍通電方式。拍數(shù)是指從一相通電換接到另一相通電為一拍。由于每次只有一相繞組通電，在繞組電流切換的瞬間，電機將失去自鎖為一拍。由于每次只有一相繞組通電，在繞組電流切換的瞬間，電機將失去自鎖力矩，容易造成失步，此外，因為只有一相繞組吸引轉(zhuǎn)子，在平衡位置附近容

48、易力矩，容易造成失步，此外，因為只有一相繞組吸引轉(zhuǎn)子，在平衡位置附近容易發(fā)生振蕩，穩(wěn)定性不佳，故目前很少采用單三拍運行方式。發(fā)生振蕩，穩(wěn)定性不佳，故目前很少采用單三拍運行方式。 (2)2相勵磁相勵磁 如果通電過程為如果通電過程為AB-BC- CA，即為，即為2相勵磁方式，也稱作雙三拍。由于也屬于相勵磁方式，也稱作雙三拍。由于也屬于三拍運行，故步距角與單相勵磁相同，因為在切換過程中始終有一相繞組保持通三拍運行，故步距角與單相勵磁相同，因為在切換過程中始終有一相繞組保持通電，所以工作穩(wěn)定，但雙三拍運行時每次有兩相繞組同時通電，所以電機發(fā)熱量電，所以工作穩(wěn)定，但雙三拍運行時每次有兩相繞組同時通電，所

49、以電機發(fā)熱量大。大。 (3)12相勵磁相勵磁 12相勵磁的通電順序為：相勵磁的通電順序為：A-AB-B-BC-C-CA，故又稱作三相六拍工作方式。，故又稱作三相六拍工作方式。其特點是每一拍總有一相持續(xù)通電，所以運行平穩(wěn)。另外，步距角也可以減小一其特點是每一拍總有一相持續(xù)通電，所以運行平穩(wěn)。另外，步距角也可以減小一半，故三相電機大多采用這種勵磁方式；半，故三相電機大多采用這種勵磁方式； 步進電機除了三相以外，還有四相、五相、六相之分步進電機除了三相以外，還有四相、五相、六相之分 步距角是指步進電機每次換相時轉(zhuǎn)過的角度步距角是指步進電機每次換相時轉(zhuǎn)過的角度 ）（zm/oKNm3.步進電動機的特點步

50、進電動機的特點 1)全數(shù)字化控制全數(shù)字化控制：采用數(shù)字脈沖信號控制，每一個脈沖對應著一個步距，即數(shù)字：采用數(shù)字脈沖信號控制，每一個脈沖對應著一個步距，即數(shù)字化的輸入指令對應著數(shù)字化的位置輸出，不需要數(shù)模轉(zhuǎn)換，便于和計算機連接?；妮斎胫噶顚鴶?shù)字化的位置輸出，不需要數(shù)模轉(zhuǎn)換，便于和計算機連接。 2)步距角誤差較大，但無積累誤差步距角誤差較大，但無積累誤差。雖然步進電機的步距角誤差較大，但其位移。雖然步進電機的步距角誤差較大，但其位移量取決于輸入脈沖數(shù)，在不失步的條件下，步進電機轉(zhuǎn)一周的積累誤差為零，因而量取決于輸入脈沖數(shù)，在不失步的條件下，步進電機轉(zhuǎn)一周的積累誤差為零，因而具有較高的精度。具

51、有較高的精度。 3)控制系統(tǒng)簡單，成本低控制系統(tǒng)簡單，成本低。除功率放大電路以外，其他硬件電路均可由軟件實現(xiàn)，。除功率放大電路以外，其他硬件電路均可由軟件實現(xiàn)，控制靈活，而且電機結構簡單，無滑環(huán)和電刷，維修方便，成本低?？刂旗`活，而且電機結構簡單，無滑環(huán)和電刷，維修方便，成本低。 4)調(diào)速方便調(diào)速方便。步進電機的轉(zhuǎn)速與控制脈沖的頻率成正比，改變控制脈沖的頻率，。步進電機的轉(zhuǎn)速與控制脈沖的頻率成正比，改變控制脈沖的頻率，電機轉(zhuǎn)速即可在較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。另外，啟動、反轉(zhuǎn)、定位都十分方便。電機轉(zhuǎn)速即可在較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。另外，啟動、反轉(zhuǎn)、定位都十分方便。 5)分辨率固定分辨率固定。步距角或運動增量固

52、定，分辨率無法改變，主要應用于開環(huán)控制。步距角或運動增量固定，分辨率無法改變，主要應用于開環(huán)控制系統(tǒng)，不利于向數(shù)字控制的高精度方向發(fā)展，系統(tǒng)，不利于向數(shù)字控制的高精度方向發(fā)展， 6)效率低效率低。這是步進電機的一個主要缺點，輸入功率的大部分轉(zhuǎn)為熱能耗散，電。這是步進電機的一個主要缺點，輸入功率的大部分轉(zhuǎn)為熱能耗散，電機發(fā)熱嚴重。機發(fā)熱嚴重。 7)不適合帶動大慣量負載不適合帶動大慣量負載。 8)低速時易產(chǎn)生震蕩，需要附加阻尼低速時易產(chǎn)生震蕩，需要附加阻尼。三、步進電動機的結構類型三、步進電動機的結構類型 可變磁阻型（可變磁阻型（VR-Variable Reluctance） 永磁型（永磁型（PM

53、-Permanent Magnet） 混合型（混合型（HB-Hybrid）四、步進電動機的運行特性及性能指標四、步進電動機的運行特性及性能指標 分辨率分辨率 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 指步進電動機在穩(wěn)定狀態(tài)時的特性，包括靜指步進電動機在穩(wěn)定狀態(tài)時的特性，包括靜轉(zhuǎn)矩、矩角特性和靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。轉(zhuǎn)矩、矩角特性和靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。3.動態(tài)特性動態(tài)特性 4.連續(xù)運行矩頻特性連續(xù)運行矩頻特性 步進電動機在連續(xù)運行時所能接受的最高控制頻率稱為最高運行頻率步進電動機在連續(xù)運行時所能接受的最高控制頻率稱為最高運行頻率fmax。步。步進電機啟動后，輸入脈沖頻率即可大幅度增加，此時電機能不失步運行的極限進電機啟動后，輸入脈沖頻率即

54、可大幅度增加，此時電機能不失步運行的極限頻率稱為運行頻率，它與電機輸出轉(zhuǎn)矩的關系稱為連續(xù)運行矩頻特性或動態(tài)矩頻率稱為運行頻率，它與電機輸出轉(zhuǎn)矩的關系稱為連續(xù)運行矩頻特性或動態(tài)矩頻特性。連續(xù)運行頻率都高出啟動頻率很多倍，這是因為穩(wěn)定運行時擺脫了對頻特性。連續(xù)運行頻率都高出啟動頻率很多倍，這是因為穩(wěn)定運行時擺脫了對慣量進行加速的負擔。慣量進行加速的負擔。 5. 空載啟動頻率與慣頻特性空載啟動頻率與慣頻特性 步進電機啟動時有一個暫態(tài)過程，輸入的脈沖頻率不能太高，否則不能正步進電機啟動時有一個暫態(tài)過程，輸入的脈沖頻率不能太高，否則不能正常啟動。電機正常啟動所能接受的最高輸入脈沖頻率就稱為啟動頻率，它是

55、常啟動。電機正常啟動所能接受的最高輸入脈沖頻率就稱為啟動頻率，它是能不丟步地啟動的極限頻率，也稱作突跳頻率或牽入頻率。啟動頻率的值與能不丟步地啟動的極限頻率，也稱作突跳頻率或牽入頻率。啟動頻率的值與負載的大小有關，負載包含負載轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)動慣量兩個方面：啟動頻率與負載的大小有關，負載包含負載轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)動慣量兩個方面：啟動頻率與負載轉(zhuǎn)矩之間的關系稱為啟動矩頻特性。若負載為純慣性負載，則稱之為啟負載轉(zhuǎn)矩之間的關系稱為啟動矩頻特性。若負載為純慣性負載，則稱之為啟動慣頻特性。動慣頻特性。 步進電動機的技術指標參見教材步進電動機的技術指標參見教材五、五、 步進電動機的驅(qū)動技術步進電動機的驅(qū)動技術 步進

56、電機的特點之一即是需要專門的驅(qū)動電源，可以說整個步進系統(tǒng)即由輸步進電機的特點之一即是需要專門的驅(qū)動電源，可以說整個步進系統(tǒng)即由輸入脈沖發(fā)生裝置和驅(qū)動電源構成。驅(qū)動電源將送來的脈沖信號按要求的勵磁方式循入脈沖發(fā)生裝置和驅(qū)動電源構成。驅(qū)動電源將送來的脈沖信號按要求的勵磁方式循環(huán)激勵電機各相繞組，使之產(chǎn)生要求的旋轉(zhuǎn)運動。而驅(qū)動電源是由環(huán)形分配器和功環(huán)激勵電機各相繞組，使之產(chǎn)生要求的旋轉(zhuǎn)運動。而驅(qū)動電源是由環(huán)形分配器和功率放大器組成的。率放大器組成的。 1.環(huán)形脈沖分配器環(huán)形脈沖分配器計算機軟件集成電路2.功率放大器功率放大器1)單電壓功率放大器單電壓功率放大器IUUURrce0特點：結構簡單，但限流

57、電阻串聯(lián)在大電流回路中要消耗能量，使得功率放大器功特點：結構簡單，但限流電阻串聯(lián)在大電流回路中要消耗能量，使得功率放大器功率下降，同是由于在斷電時電感較大，電路對脈沖電流的反應較慢，故輸出脈沖波率下降，同是由于在斷電時電感較大，電路對脈沖電流的反應較慢，故輸出脈沖波形差、輸出功率低。適用于對速度要求不高的小型步進電動機中。形差、輸出功率低。適用于對速度要求不高的小型步進電動機中。2)高低壓功率放大電路（雙電壓電路）高低壓功率放大電路（雙電壓電路）特點：瞬間接通高電壓電源，效率高，電特點：瞬間接通高電壓電源，效率高，電流上升率高，高速運行性能好；但電流波流上升率高，高速運行性能好；但電流波形陡，

58、易產(chǎn)生過沖現(xiàn)象，諧波成分豐富，形陡，易產(chǎn)生過沖現(xiàn)象，諧波成分豐富，致使電動機運行時振動較大。致使電動機運行時振動較大。3)斬波恒流功率放大電路斬波恒流功率放大電路輸入為低電頻輸入為低電頻截止截止截止導通輸入為高電頻輸入為高電頻特點：電路中去掉了限流電阻，效率升高，高壓對繞阻儲能，波的特點：電路中去掉了限流電阻，效率升高，高壓對繞阻儲能，波的前沿得到改善，可使步進電動機的輸出加大，運行效率得到提高。前沿得到改善，可使步進電動機的輸出加大，運行效率得到提高。4)細分電路 步進電機低頻時由于繞組電流過大易產(chǎn)生振蕩，高頻時由于注入電流減小而導致步進電機低頻時由于繞組電流過大易產(chǎn)生振蕩，高頻時由于注入電

59、流減小而導致轉(zhuǎn)矩下降，因此，理想的情況是低頻低壓、高頻高壓。調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動電路的基本原理轉(zhuǎn)矩下降，因此，理想的情況是低頻低壓、高頻高壓。調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動電路的基本原理正是當步進電機低頻運行時調(diào)低供電電壓，高頻運行時調(diào)高供電電壓，使繞組電壓隨正是當步進電機低頻運行時調(diào)低供電電壓，高頻運行時調(diào)高供電電壓，使繞組電壓隨著電機的轉(zhuǎn)速而變化，此類電路硬件較復雜，成本高。著電機的轉(zhuǎn)速而變化，此類電路硬件較復雜，成本高。 5)調(diào)頻調(diào)壓功率放大電路六、六、 步進電動機的微機開環(huán)控制步進電動機的微機開環(huán)控制 步進電機的控制完全可以通過各種邏輯電路來實現(xiàn)，但這樣做的缺點是線路復雜，步進電機的控制完全可以通過各種邏輯電路

60、來實現(xiàn)，但這樣做的缺點是線路復雜，缺乏靈活性。隨著微機技術的發(fā)展，越來越多的系統(tǒng)采用微機對步進電機進行控制；缺乏靈活性。隨著微機技術的發(fā)展，越來越多的系統(tǒng)采用微機對步進電機進行控制；微機對步進電機的控制主要有兩種方案，一種是所謂的串行法，即環(huán)形分配器部分由微機對步進電機的控制主要有兩種方案，一種是所謂的串行法，即環(huán)形分配器部分由邏輯電路組成，微機只提供頻率可調(diào)的脈沖信號、方向信號和勵磁方式信號；另一種邏輯電路組成，微機只提供頻率可調(diào)的脈沖信號、方向信號和勵磁方式信號；另一種是并行法，即由微機軟件來完成脈沖分配的任務。是并行法，即由微機軟件來完成脈沖分配的任務。1步進電機微機控制系統(tǒng)的組成步進電