第三章執(zhí)行元件的選擇與設計課件

1第三章

執(zhí)行元件的選擇與設計

第一節(jié)執(zhí)行元件的種類、特點及基本要求

第二節(jié)常用的控制用電動機第三節(jié)直流(DC)與交流(AC)伺服電動機及驅動第四節(jié)步進電動機及驅動習題與思考題1第三章

執(zhí)行元件的選擇與設計第一節(jié)執(zhí)行元件的種類、2

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(音響設備、錄音機、攝像機、電冰箱)等機電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)必不可少的驅動部件，如數(shù)控機床的主軸轉動、工作臺的進給運動以及工業(yè)機器人手臂的升降、回轉和伸縮運動等所用驅動部件即執(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的接點（聯(lián)接）部位的能量轉換元件。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、氣壓能和化學能轉換為機械能。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。第一節(jié)執(zhí)行元件的種類、特點及基本要求2執(zhí)行元件是工業(yè)機器人、CNC機床、3一、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，從而使液壓執(zhí)行元件驅動運行機構運動。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，如使用雙金屬片、形狀記憶合金或壓電元件。3一、執(zhí)行元件的種類及特點根據(jù)使用能量的不4

1.電氣式執(zhí)行元件

電氣式執(zhí)行元件包括控制用電動機(步進電動機、DC和AC伺服電動機)、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，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)行元件。對控制用電動機的性能除了要求穩(wěn)速運轉性能之外，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適應性和便于維修性能。41.電氣式執(zhí)行元件電氣式執(zhí)行元5

控制用電動機驅動系統(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(或直線)運動，驅動負載機械(運行機構)運動，并在指令器給定的指令位置定位停止。這種驅動系統(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：①電磁鐵-由線圈和銜鐵兩部分組成，結構簡單，由于是單向驅動，故需用彈簧復位，用于實現(xiàn)兩固定點間的快速驅動；②壓電驅動器-利用壓電晶體的壓電效應來驅動運行機構作微量位移；③電熱驅動器-利用物體(如金屬棒)的熱變形來驅動運行機構的直線位移，用控制電熱器(電阻)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，可用在機電一體化產(chǎn)品中實現(xiàn)微量進給。5控制用電動機驅動系統(tǒng)一般由電源供給電力，經(jīng)62.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)字式液壓式執(zhí)行元件，例如電-液伺服馬達和電-液步進馬達，這些電-液式馬達的最大優(yōu)點是比電動機的轉矩大，可以直接驅動運行機構，轉矩/慣量比大，過載能力強，適合于重載的高加減速驅動。

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、氣壓馬達等。氣壓驅動雖可得到較大的驅動力、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場合使用。62.液壓式執(zhí)行元件液壓式執(zhí)行元件778

二、對執(zhí)行元件的基本要求

1.慣量小、動力大8二、對執(zhí)行元件的基本要求1.慣量小、動力大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。無刷DC及AC伺服電動機就是走向無維修的一例。

4.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(在驅動接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié))。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。92.體積小、重量輕10

第二節(jié)

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)速電動機、開關磁阻電動機和各種AC/DC電動機等?？刂朴秒妱訖C是電氣伺服控制系統(tǒng)的動力部件，是將電能轉換為機械能的一種能量轉換裝置。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。控制用電動機有回轉和直線驅動電動機，通過電壓、電流、頻率(包括指令脈沖)等控制，實現(xiàn)定速、變速驅動或反復起動、停止的增量驅動以及復雜的驅動，而驅動精度隨驅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供正確運動或較復雜動作的伺服電動機。10第二節(jié)常用的控制用電動機11伺服電動機控制方式的基本形式11伺服電動機控制方式的基本形式12一、對控制用電動機的基本要求12一、對控制用電動機的基本要求13二、制用電動機的種類、特點及選用

在機電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)中使用兩類電動機,一類為一般的動力用電動機,如感應式異步電動機和同步電動機等;另一類為控制用電動機,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AC/DC電動機等。13二、制用電動機的種類、特點及選用14

伺服電動機的特點及應用實例

14伺服電動機的特點及應用實例15伺服電動機的性能比較15伺服電動機的性能比較16

伺服電動機優(yōu)缺點比較16伺服電動機優(yōu)缺點比較17

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(如幾十次／分)，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)定運動的機械，如NC工作機械的進給運動、機器人的驅動系統(tǒng)，其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)，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。在額定輸出功率相同的條件下,交流伺服電動機的比功率最高、直流伺服電動機次之、步進電動機最低。17不同的應用場合，對控制用電動機的性能181819192020212122第三節(jié)直流（DC）與交流（AC）

伺服電動機及驅動

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)生轉矩。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，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。二十世紀60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、小型NC機床及線切割機床上。一、直流(DC)伺服電動機及其驅動1.直流伺服電動機的特性及選用22第三節(jié)直流（DC）與交流（AC）

23

寬調(diào)速直流伺服電動機的結構特點是勵磁便于調(diào)整，易于安排補償繞組和換向極，電動機的換向性能得到改善，成本低,可以在較寬的速度范圍內(nèi)得到恒轉速特性。永久磁鐵的寬調(diào)速直流伺服電動機的結構如下圖所示。有不帶制動器a和帶制動器b兩種結構。電動機定子(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)、轉子(電樞)2直徑大并且有槽，因而熱容量大，結構上又采用了通常凸極式和隱極式永磁電動機磁路的組合，提高了電動機氣隙磁通密度。同時，在電動機尾部裝有高精密低紋波的測速發(fā)電機，并可加裝光電編碼器或旋轉變壓器及制動器，為速度環(huán)提供了較高的增量，能獲得優(yōu)良的低速剛度和動態(tài)性能。23寬調(diào)速直流伺服電動機的結構特242425

日本法納克(FANUC)公司生產(chǎn)的用于工業(yè)機器人、CNC機床、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機）。其中L系列適合于頻繁起動、制動場合應用，M系列是在H系列的基礎上發(fā)展起來的，其慣量較H系列小，適合于晶體管脈寬調(diào)制(PWM)驅動，因而提高了整個伺服系統(tǒng)的頻率響應。而H系列是大慣量控制用電動機，它有較大的輸出功率，采用六相全波晶閘管整流驅動。表中電動機型號帶有H標志(如30MH)的表示該電動機裝有熱管冷卻器，該電動機的有效尺寸與不帶熱管冷卻器的同型號的相同，但其額定轉矩大。25日本法納克(FANUC)公26

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，即負載轉矩和負載慣量。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：①在整個調(diào)速范圍內(nèi)，其負載轉矩應在電動機連續(xù)額定轉矩范圍以內(nèi)；②工作負載與過載時間應在規(guī)定的范圍以內(nèi)；③應使加速度與希望的時間常數(shù)一致。一般講，由于負載轉矩起減速作用，如果可能，加減速應選取相同的時間常數(shù)。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，電動機達到指令速度的時間需要長些。如果負載慣量達到轉子慣量的三倍，靈敏度要受到影響，當負載慣量比轉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范圍內(nèi)調(diào)整，必須避免使用這種慣性負載。26寬調(diào)速直流伺服電動機應根據(jù)負載條件來選擇27

2.直流伺服電動機與驅動

直流伺服電動機為直流供電，為調(diào)節(jié)電動機轉速和方向,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)速驅動和晶閘管直流調(diào)速驅動兩種方式。晶閘管直流驅動方式，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(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(50Hz)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(三相全波時每秒300個)的平均值，從而造成電流的不連續(xù)性。而采用脈寬調(diào)速驅動系統(tǒng)，其開關頻率高(通常達2000~3000Hz)，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。272.直流伺服電動機與驅動28伺服電動機與驅動器驅動器電動機28伺服電動機與驅動器驅動器電動機29293030313132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。電橋由四個大功率晶體管VT1~VT4組成。如果在VT1和VT3的基極上加以正脈沖的同時，在VT2和VT4的基極上加負脈沖，這時VT1和VT4導通，VT2和VT4截止，電流沿+90V→c→VT1→d→M→b→VT3→a→0V的路徑流通。設此時電動機的轉向為正向。反之，如果在晶體管VT1和VT3的基極上加負脈沖，在VT2和VT4的基極上加正脈沖，則VT2和VT4導通，VT1和VT3截止，電流沿+90V→c→VT2→b→M→d→VT4→a→0V的路徑流通，電流的方向與前一情況相反，電動機反向旋轉。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和導通率，就可以改變電動機的轉向和轉速。32為使電動機實現(xiàn)雙向調(diào)速，多采用下圖所示橋式333334二、交流(AC)伺服電動機及其驅動

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SM（同步）型和IM（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氣隙磁場方向垂直的有效電流來控制其主磁通量和轉矩。采用永久磁鐵磁場的同步電動機不需要磁化電流控制，只要檢測磁鐵轉子的位置即可。這種交流伺服電動機也叫做無刷直流伺服電動機(如同步（SM）型伺服電動機控制框圖（見下圖)。由于它不需要磁化電流控制，故比IM型伺服電動機容易控制。34二、交流(AC)伺服電動機及其驅動3535363637第四節(jié)

步進電動機及其驅動

一、步進電動機的特點與種類

1.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換成機械角位移的執(zhí)行元件。其輸入一個電脈沖就轉動一步，即每當電動機繞組接受一個電脈沖，轉子就轉過一個相應的步距角。轉子角位移的大小及轉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角、轉速及轉向、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：37第四節(jié)步進電動機及其驅動一、步進電動機38

①步進電動機的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素(如電源電壓的波動、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電動機產(chǎn)生“丟步”現(xiàn)象之前，就不影響其正常工作；②步進電動機的步距角有誤差，轉子轉過一定步數(shù)以后也會出現(xiàn)累積誤差，但轉子轉過一轉以后，其累積誤差變?yōu)椤傲恪?，因此不會長期積累；③控制性能好,在起動、停止、反轉時不易“丟步”。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)，使系統(tǒng)簡化，并可靠地獲得較高的位置精度。38①步進電動機的工作狀態(tài)不易受各種干392.步進電動機的種類

步進電動機的種類很多，有旋轉式步進電動機，也有直線步進電動機；從勵磁相數(shù)來分有三相、四相、五相、六相等步進電動機。就常用的旋轉式步進電動機的轉子結構來說，可將其分為以下三種：392.步進電動機的種類步進電401）可變磁阻(VR-VariableReluctance)型

該類電動機由定子繞組產(chǎn)生的反應電磁力吸引用軟磁鋼制成的齒形轉子作步進驅動，故又稱反應式步進電動機。其結構原理如圖3.10所示。其定子1與轉子2由鐵心構成，沒有永久磁鐵，定子上嵌有線圈，轉子朝定子與轉子之間磁阻最小方向轉動，并由此而得名可變磁型。此類電動機的轉子結構簡單、轉子直徑小，有利于高速響應。由于VR型步進電動機的鐵心無極性，故不需改變電流極性，為此，多為單極性勵磁。401）可變磁阻(VR-VariableReluctan41可變磁阻(VR-VariableReluctance)型可變磁阻型步進電動機41可變磁阻(VR-VariableReluctance)424243

該類電動機的定子與轉子均不含永久磁鐵，故無勵磁時沒有保持力。另外，需要將氣隙做得盡可能小，例如幾個微米。這種電動機具有制造成本高、效率低、轉子的阻尼差、噪聲大等缺點。但是，由于其制造材料費用低、結構簡單、步距角小，隨著加工技術的進步，可望成為多用途的機種。43該類電動機的定子與轉子均不含永久44

2)永磁(PM-PermanentMagnet)型442)永磁(PM-PermanentMagnet)45

PM型步進電動機的轉子2采用永久磁鐵、定子1采用軟磁鋼制成，繞組3輪流通電，建立的磁場與永久磁鐵的恒定磁場相互吸引與排斥產(chǎn)生轉矩。其結構如圖3.11所示。這種電動機由于采用了永久磁鐵，即使定子繞組斷電也能保持一定轉矩，故具有記憶能力，可用做定位驅動。PM型電動機的特點是勵磁功率小、效率高、造價低，因此需要量也大。由于轉子磁鐵的磁化間距受到限制，難于制造，故步距角較大。與VR型相比轉矩大，但轉子慣量也較大。45PM型步進電動機的轉子2采用永久463)混合(HB-Hybrid)型463)混合(HB-Hybrid)型47混合(HB-Hybrid)型例混合型步進電動機47混合(HB-Hybrid)型例混合型步進電動機48

該型步進電機不僅具有VR型步進電動機步距角小、響應頻率高的優(yōu)點，而且還具有PM型步進電動機勵磁功率小、效率高的優(yōu)點。它的定子與VR型沒有多大差別，只是在相數(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，相對的兩極為一相，而HB型步進電動機的定子繞組大多數(shù)為四相，而且每極同時繞兩相繞組或采用橋式電路繞一相繞組，按正反脈沖供電。這種類型的電動機由轉子鐵心的凸極數(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(0.9°~3.6°)的電動機。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機。48該型步進電機不僅具有VR型步進電動49

混合型與永磁型多為雙極性勵磁。由于都采用了永久磁鐵，所以，無勵磁時具有保持力。另外，勵磁時的靜止轉矩都比VR型步進電動機的大。HB和PM型步進電動機能夠用做超低速同步電動機，如用60Hz驅動每步1.8°的電動機可作為72r／min的同步電動機使用。步進電動機與DC和AC伺服電動機相比其轉矩、效率、精度、高速性比較差，但步進電動機具有低速時轉矩大、速度控制比較簡單、外形尺寸小等優(yōu)點，所以在辦公室自動化方面的打印機、繪圖機、復印機等機電一體化產(chǎn)品中得到廣泛使用，在工廠自動化方面也可代替低檔的DC伺服電動機。

49混合型與永磁型多為雙極性勵磁。由于都采50

二、步進電動機的工作原理50二、步進電動機的工作原理51

如上圖a所示，如果先將電脈沖加到A相勵磁繞組，定子A相磁極就產(chǎn)生磁通，并對轉子產(chǎn)生磁拉力，使轉子的1、3兩個齒與定子的A相磁極對齊。而后再將電脈沖通入B相勵磁繞組，B相磁極便產(chǎn)生磁通。由圖b可以看出，這時轉子2、4兩個齒與B相磁極靠得最近，于是轉子便沿著逆時針方向轉過30°角，使轉子2、4兩個齒與定子B相磁極對齊。如果按照A→B→C→A的順序通電，轉子則沿反時針方向一步步地轉動，每步轉過30°，這個角度就叫步距角。顯然，單位時間內(nèi)通入的電脈沖數(shù)越多，即電脈沖頻率越高，電動機轉速就越高。如果按A→B→C→A→…的順序通電，步進電動機將沿順時針方向一步步地轉動。從一相通電換接到另一相通電稱為一拍，每一拍轉子轉動一個步距角。像上述的步進電動機，三相勵磁繞組依次單獨通電運行，換接三次完成一個通電循環(huán)，稱為三相單三拍通電方式。51如上圖a所示，如果先將電脈沖加到A相勵磁繞組，定子A52

如果使兩相勵磁繞組同時通電，即按AB→BC→CA→AB→…順序通電，這種通電方式稱為三相雙三拍，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電動機，即按照A→AB→B→BC→C→CA→A→…順序通電，換接六次完成一個通電循環(huán)。這種通電方式的步距角為l5°，如下圖所示。

52如果使兩相勵磁繞組同時通電，即53

若將電脈沖首先通入A相勵磁繞組，轉子齒1、3與A相磁極對齊，如上圖中a所示。然后再將電脈沖同時通入A、B相勵磁繞組，這時A相磁極拉著1、3兩個齒，B相磁極拉著2、4兩個齒，使轉子沿著逆時針方向旋轉，轉過l5°角時，A、B兩相的磁拉力正好平衡，轉子靜止于圖中b的位置。如果繼續(xù)按B→BC→C→CA→A…的順序通電，步進電動機就沿著逆時針方向，以l5°步距角一步步轉動。

步進電動機的步距角越小，意味著它所能達到的位置精度越高。通常的步矩角是1.5°或0.75°，為此需要將轉子做成多極式的，并在定子磁極上制成小齒，如右圖所示。

53若將電脈沖首先通入A相勵磁繞組，轉子齒54

定子磁極上的小齒和轉子磁極上的小齒大小一樣，兩種小齒的齒寬和齒距相等。當一相定子磁極的小齒與轉子的齒對齊時，其他兩相磁極的小齒都與轉子的齒錯過一個角度。按著相序，后一相比前一相錯開的角度要大。例如轉子上有40個齒，則相鄰兩個齒的齒距角是360°／40＝9°。若定子每個磁極上制成5個小齒，當轉子齒和A相磁極小齒對齊時，B相磁極小齒則沿逆時針方向超前轉子1／3齒距角，即超前3°，而C相磁極小齒則超前轉子2／3齒距，即超前6°。按照此結構，當勵磁繞組按A→B→C→A…順序以三相三拍通電時，轉子按逆時針方向，以3°步距角轉動；如果按照A→AB→B→BC→C→CA→A→…順序以三相六拍通電時，步距角將減小一半，為1.5°。如通電順序相反，則步進電動機將沿著順時針方向轉動。54定子磁極上的小齒和轉子磁極上的小齒55步距角的大小與通電方式和轉子齒數(shù)有關，其大小可用下式計算：步距角＝360°／(zm)式中z-轉子齒數(shù)；m-運行拍數(shù)，通常等于相數(shù)或相數(shù)整數(shù)倍，即m=KN(N為電動機的相數(shù)，單拍時K＝1，雙拍時K＝2)。55步距角的大小與通電方式和轉子齒數(shù)有關56

反應式步進電動機環(huán)形脈沖分配方式表56反應式步進電動機環(huán)形脈沖分配方式表57三、步進電動機的運行特性及性能指標

1.

分辨力

在一個電脈沖作用下(即一拍)，電動機轉子轉過的角位移，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.

靜態(tài)特性57三、步進電動機的運行特性及性能指標58

3.

動態(tài)特性583.

動態(tài)特性59

起動轉矩

上圖中，A相與B相矩-角特性曲線之交點所對應的轉矩稱為起動轉矩，它表示步進電動機單相勵磁時所能帶動的極限負載轉矩。起動轉矩通常與步進電動機相數(shù)和通電方式有關，如下表所示。59起動轉60

最高連續(xù)運行頻率及矩-頻特性

60最高連續(xù)運行頻率及矩-頻特性61矩-頻特性及聯(lián)系尺寸61矩-頻特性及聯(lián)系尺寸62

空載起動頻率與慣-頻特性

62空載起動頻率與慣-頻特性63空載起動頻率63空載起動頻率644.

步進電動機技術指標實例644.

步進電動機技術指標實例65反應式步進電動機技術性能數(shù)據(jù)65反應式步進電動機技術性能數(shù)據(jù)66永磁感應式步進電動機技術性能數(shù)據(jù)(一)66永磁感應式步進電動機技術性能數(shù)據(jù)(一)67永磁感應式步進電動機技術性能數(shù)據(jù)(二)67永磁感應式步進電動機技術性能數(shù)據(jù)(二)68

四、步進電動機的驅動與控制

步進電動機的運行特性與配套使用的驅動電源（驅動器）有密切關系。驅動電源由脈沖分配器、功率放大器等組成，如下圖所示。驅動電源是將變頻信號源(微機或數(shù)控裝置等)送來的脈沖信號及方向信號按要求的配電方式自動地循環(huán)供給電動機各相繞組，以驅動電動機轉子正反向旋轉。變頻信號源是可提供從幾赫茲到幾萬赫茲的頻率信號連續(xù)可調(diào)的脈沖信號發(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電動機的轉角及轉速。68四、步進電動機的驅動與控制步進電動機69

步進電動機的驅動電源組成69步進電動機的驅動電源組成701.環(huán)形脈沖分配器

步進電動機的各相繞組必須按一定的順序通電才能正常工作。這種使電動機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）。實現(xiàn)環(huán)形分配的方法有三種。下圖是一種采用計算機軟件，利用查表或計算方法來進行脈沖的環(huán)形分配，簡稱軟環(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)據(jù)表中,通過軟件可順次在數(shù)據(jù)表中提取數(shù)據(jù)并通過輸出接口輸出即可，通過正向順序讀取和反向順序讀取可控制電動機進行正反轉。通過控制讀取一次數(shù)據(jù)的時間間隔可控制電動機的轉速。該方法能充分利用計算機軟件資源以降低硬件成本，尤其是對多相的脈沖分配具有更大的優(yōu)點。但由于軟環(huán)分占用計算機的運行時間，故會使插補一次的時間增加，易影響步進電動機的運行速度。701.環(huán)形脈沖分配器步717172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，同時在工作時不占用計算機的工作時間。第三種是采用專用環(huán)形分配器器件。如下圖2所示的CH250為一種三相步進電動機專用環(huán)形分配器。它可以實現(xiàn)三相步進電動機的各種環(huán)形分配，使用方便、接口簡單。其中圖a為CH250的管腳圖、圖b為三相六拍接線圖。

72另一種采用小規(guī)模集成電路搭接而成的三相六73CH250工作狀態(tài)73CH250工作狀態(tài)742.功率放大器步進電動機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）。電流型中有恒流驅動、斬波驅動等。742.功率放大器753.細分驅動

上述提到的步進電動機的各種功率放大電路都是采用環(huán)形分配器芯片進行環(huán)形分配，控制電動機各相繞組的導通或截止，從而使電動機產(chǎn)生步進運動，步距角的大小只有兩種，即整步工作或半步工作。步距角已由步進電動機結構所確定。如果要求步進電動機有更小的步距角或者為減小電動機振動、噪聲等原因，可以在每次輸入脈沖切換時，不是將繞組電流全部通入或切除，而是只改變相應繞組中額定電流的一部分，則電動機轉過的每步運動也只有步距角的一部分。這里繞組電流不是一個方波，而是階梯波，額定電流是臺階式的投入或切除，電流分成多少個臺階，則轉子就以同樣的個數(shù)轉過一個步距角。這樣將一個步距角細分成若干步的驅動方法被稱為細分驅動。細分驅動的特點是：在不改動電動機結構參數(shù)的情況下，能使步距角減小。但細分后的步距角精度不高，功率放大驅動電路也相應復雜；能使步進電動機運行平穩(wěn)、提高勻速性，并能減弱或消除振蕩。753.細分驅動上述提到的步進76功率開關細分驅動電源76功率開關細分驅動電源77

疊加細分驅動原理77疊加細分驅動原理78步進電動機的微機控制

（串行、并行控制示意）78步進電動機的微機控制

（串行、并行控制示意）79點-位控制的加減速過程79點-位控制的加減速過程80

升速規(guī)律一般可有兩種選擇：一是按照直線規(guī)律升速，二是按指數(shù)規(guī)律升速。按直線規(guī)律升速時加速度為恒值，因此要求步進電動機產(chǎn)生的轉矩為恒值。從電動機本身的矩-頻特性來看，在轉速不是很高的范圍內(nèi)，輸出的轉矩可基本認為恒定。但實際上電動機轉速升高時，輸出轉矩將有所下降，如按指數(shù)規(guī)律升速，加速度是逐漸下降的，接近電動機輸出轉矩隨轉速變化的規(guī)律。用微機對步進電動機進行加減速控制，實際上就是改變輸出步進脈沖的時間間隔。升速時使脈沖串逐漸加密，減速時使脈沖串逐漸稀疏。微機用定時器中斷的方式來控制電動機變速時,實際上就是不斷改變定時器裝載值的大小。80升速規(guī)律一般可有兩種選擇：一81一般用離散辦法來逼近理想的升降速曲線。為了減少每步計算裝載值的時間，系統(tǒng)設計時就把各離散點的速度所需的裝載值固化在系統(tǒng)的EPROM中，系統(tǒng)運行中用查表方法查出所需的裝載值，從而大大減少占用CPU時間，提高系統(tǒng)響應速度。系統(tǒng)在執(zhí)行升降速的控制過程中，對加減速的控制還需準備下列數(shù)據(jù)：①加減速的斜率；②升速過程的總步數(shù)；③恒速運行總步數(shù)；④減速運行的總步數(shù)。對升降速過程的控制有多種方法，軟件編程也十分靈活，技巧很多。此外，利用模擬／數(shù)字集成電路也可實現(xiàn)升降速控制，但是實現(xiàn)起來較復雜且不靈活。81一般用離散辦法來逼近理想的升降速曲線82

習題與思考題3-1簡述機電一體化系統(tǒng)的執(zhí)行元件分類及特點。3-2簡述機電一體化系統(tǒng)對執(zhí)行元件的基本要求是什么？3-3簡述控制用電動機的功率密度及比功率的定義。3-4簡述伺服電動機的特點及應用。3-5簡述直流伺服電動機控制方式的基本形式是什么？3-6簡述PWM直流驅動調(diào)速、換向的工作原理。3-7簡述伺服電動機控制的基本形式是什么？3-8簡述步進電動機具有哪些特點？3-9簡述步進電動機的種類及其特點。3-10簡述步進電動機的工作原理。3-11簡述步進電動機步距角的計算方法。3-12簡述步進電動機的環(huán)行分配方式。3-13簡述步進電動機的運行特性。3-14舉例說明步進電動機型號的表示方法。3-15簡述步進電動機驅動電源的功率放大電路原理。

82

習題與83第三章

執(zhí)行元件的選擇與設計

第一節(jié)執(zhí)行元件的種類、特點及基本要求

第二節(jié)常用的控制用電動機第三節(jié)直流(DC)與交流(AC)伺服電動機及驅動第四節(jié)步進電動機及驅動習題與思考題1第三章

執(zhí)行元件的選擇與設計第一節(jié)執(zhí)行元件的種類、84

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(音響設備、錄音機、攝像機、電冰箱)等機電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)必不可少的驅動部件，如數(shù)控機床的主軸轉動、工作臺的進給運動以及工業(yè)機器人手臂的升降、回轉和伸縮運動等所用驅動部件即執(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的接點（聯(lián)接）部位的能量轉換元件。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、氣壓能和化學能轉換為機械能。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。第一節(jié)執(zhí)行元件的種類、特點及基本要求2執(zhí)行元件是工業(yè)機器人、CNC機床、85一、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，從而使液壓執(zhí)行元件驅動運行機構運動。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，如使用雙金屬片、形狀記憶合金或壓電元件。3一、執(zhí)行元件的種類及特點根據(jù)使用能量的不86

1.電氣式執(zhí)行元件

電氣式執(zhí)行元件包括控制用電動機(步進電動機、DC和AC伺服電動機)、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，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)行元件。對控制用電動機的性能除了要求穩(wěn)速運轉性能之外，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適應性和便于維修性能。41.電氣式執(zhí)行元件電氣式執(zhí)行元87

控制用電動機驅動系統(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(或直線)運動，驅動負載機械(運行機構)運動，并在指令器給定的指令位置定位停止。這種驅動系統(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：①電磁鐵-由線圈和銜鐵兩部分組成，結構簡單，由于是單向驅動，故需用彈簧復位，用于實現(xiàn)兩固定點間的快速驅動；②壓電驅動器-利用壓電晶體的壓電效應來驅動運行機構作微量位移；③電熱驅動器-利用物體(如金屬棒)的熱變形來驅動運行機構的直線位移，用控制電熱器(電阻)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，可用在機電一體化產(chǎn)品中實現(xiàn)微量進給。5控制用電動機驅動系統(tǒng)一般由電源供給電力，經(jīng)882.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)字式液壓式執(zhí)行元件，例如電-液伺服馬達和電-液步進馬達，這些電-液式馬達的最大優(yōu)點是比電動機的轉矩大，可以直接驅動運行機構，轉矩/慣量比大，過載能力強，適合于重載的高加減速驅動。

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、氣壓馬達等。氣壓驅動雖可得到較大的驅動力、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場合使用。62.液壓式執(zhí)行元件液壓式執(zhí)行元件89790

二、對執(zhí)行元件的基本要求

1.慣量小、動力大8二、對執(zhí)行元件的基本要求1.慣量小、動力大91

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。無刷DC及AC伺服電動機就是走向無維修的一例。

4.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(在驅動接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié))。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。92.體積小、重量輕92

第二節(jié)

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)速電動機、開關磁阻電動機和各種AC/DC電動機等?？刂朴秒妱訖C是電氣伺服控制系統(tǒng)的動力部件，是將電能轉換為機械能的一種能量轉換裝置。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。控制用電動機有回轉和直線驅動電動機，通過電壓、電流、頻率(包括指令脈沖)等控制，實現(xiàn)定速、變速驅動或反復起動、停止的增量驅動以及復雜的驅動，而驅動精度隨驅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供正確運動或較復雜動作的伺服電動機。10第二節(jié)常用的控制用電動機93伺服電動機控制方式的基本形式11伺服電動機控制方式的基本形式94一、對控制用電動機的基本要求12一、對控制用電動機的基本要求95二、制用電動機的種類、特點及選用

在機電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)中使用兩類電動機,一類為一般的動力用電動機,如感應式異步電動機和同步電動機等;另一類為控制用電動機,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AC/DC電動機等。13二、制用電動機的種類、特點及選用96

伺服電動機的特點及應用實例

14伺服電動機的特點及應用實例97伺服電動機的性能比較15伺服電動機的性能比較98

伺服電動機優(yōu)缺點比較16伺服電動機優(yōu)缺點比較99

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(如幾十次／分)，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)定運動的機械，如NC工作機械的進給運動、機器人的驅動系統(tǒng)，其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)，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。在額定輸出功率相同的條件下,交流伺服電動機的比功率最高、直流伺服電動機次之、步進電動機最低。17不同的應用場合，對控制用電動機的性能10018101191022010321104第三節(jié)直流（DC）與交流（AC）

伺服電動機及驅動

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)生轉矩。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，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。二十世紀60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、小型NC機床及線切割機床上。一、直流(DC)伺服電動機及其驅動1.直流伺服電動機的特性及選用22第三節(jié)直流（DC）與交流（AC）

105

寬調(diào)速直流伺服電動機的結構特點是勵磁便于調(diào)整，易于安排補償繞組和換向極，電動機的換向性能得到改善，成本低,可以在較寬的速度范圍內(nèi)得到恒轉速特性。永久磁鐵的寬調(diào)速直流伺服電動機的結構如下圖所示。有不帶制動器a和帶制動器b兩種結構。電動機定子(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)、轉子(電樞)2直徑大并且有槽，因而熱容量大，結構上又采用了通常凸極式和隱極式永磁電動機磁路的組合，提高了電動機氣隙磁通密度。同時，在電動機尾部裝有高精密低紋波的測速發(fā)電機，并可加裝光電編碼器或旋轉變壓器及制動器，為速度環(huán)提供了較高的增量，能獲得優(yōu)良的低速剛度和動態(tài)性能。23寬調(diào)速直流伺服電動機的結構特10624107

日本法納克(FANUC)公司生產(chǎn)的用于工業(yè)機器人、CNC機床、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機）。其中L系列適合于頻繁起動、制動場合應用，M系列是在H系列的基礎上發(fā)展起來的，其慣量較H系列小，適合于晶體管脈寬調(diào)制(PWM)驅動，因而提高了整個伺服系統(tǒng)的頻率響應。而H系列是大慣量控制用電動機，它有較大的輸出功率，采用六相全波晶閘管整流驅動。表中電動機型號帶有H標志(如30MH)的表示該電動機裝有熱管冷卻器，該電動機的有效尺寸與不帶熱管冷卻器的同型號的相同，但其額定轉矩大。25日本法納克(FANUC)公108

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，即負載轉矩和負載慣量。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：①在整個調(diào)速范圍內(nèi)，其負載轉矩應在電動機連續(xù)額定轉矩范圍以內(nèi)；②工作負載與過載時間應在規(guī)定的范圍以內(nèi)；③應使加速度與希望的時間常數(shù)一致。一般講，由于負載轉矩起減速作用，如果可能，加減速應選取相同的時間常數(shù)。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，電動機達到指令速度的時間需要長些。如果負載慣量達到轉子慣量的三倍，靈敏度要受到影響，當負載慣量比轉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范圍內(nèi)調(diào)整，必須避免使用這種慣性負載。26寬調(diào)速直流伺服電動機應根據(jù)負載條件來選擇109

2.直流伺服電動機與驅動

直流伺服電動機為直流供電，為調(diào)節(jié)電動機轉速和方向,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)速驅動和晶閘管直流調(diào)速驅動兩種方式。晶閘管直流驅動方式，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(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(50Hz)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(三相全波時每秒300個)的平均值，從而造成電流的不連續(xù)性。而采用脈寬調(diào)速驅動系統(tǒng)，其開關頻率高(通常達2000~3000Hz)，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。272.直流伺服電動機與驅動110伺服電動機與驅動器驅動器電動機28伺服電動機與驅動器驅動器電動機111291123011331114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。電橋由四個大功率晶體管VT1~VT4組成。如果在VT1和VT3的基極上加以正脈沖的同時，在VT2和VT4的基極上加負脈沖，這時VT1和VT4導通，VT2和VT4截止，電流沿+90V→c→VT1→d→M→b→VT3→a→0V的路徑流通。設此時電動機的轉向為正向。反之，如果在晶體管VT1和VT3的基極上加負脈沖，在VT2和VT4的基極上加正脈沖，則VT2和VT4導通，VT1和VT3截止，電流沿+90V→c→VT2→b→M→d→VT4→a→0V的路徑流通，電流的方向與前一情況相反，電動機反向旋轉。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和導通率，就可以改變電動機的轉向和轉速。32為使電動機實現(xiàn)雙向調(diào)速，多采用下圖所示橋式11533116二、交流(AC)伺服電動機及其驅動

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SM（同步）型和IM（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氣隙磁場方向垂直的有效電流來控制其主磁通量和轉矩。采用永久磁鐵磁場的同步電動機不需要磁化電流控制，只要檢測磁鐵轉子的位置即可。這種交流伺服電動機也叫做無刷直流伺服電動機(如同步（SM）型伺服電動機控制框圖（見下圖)。由于它不需要磁化電流控制，故比IM型伺服電動機容易控制。34二、交流(AC)伺服電動機及其驅動1173511836119第四節(jié)

步進電動機及其驅動

一、步進電動機的特點與種類

1.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換成機械角位移的執(zhí)行元件。其輸入一個電脈沖就轉動一步，即每當電動機繞組接受一個電脈沖，轉子就轉過一個相應的步距角。轉子角位移的大小及轉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角、轉速及轉向、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：37第四節(jié)步進電動機及其驅動一、步進電動機120

①步進電動機的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素(如電源電壓的波動、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電動機產(chǎn)生“丟步”現(xiàn)象之前，就不影響其正常工作；②步進電動機的步距角有誤差，轉子轉過一定步數(shù)以后也會出現(xiàn)累積誤差，但轉子轉過一轉以后，其累積誤差變?yōu)椤傲恪?，因此不會長期積累；③控制性能好,在起動、停止、反轉時不易“丟步”。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)，使系統(tǒng)簡化，并可靠地獲得較高的位置精度。38①步進電動機的工作狀態(tài)不易受各種干1212.步進電動機的種類

步進電動機的種類很多，有旋轉式步進電動機，也有直線步進電動機；從勵磁相數(shù)來分有三相、四相、五相、六相等步進電動機。就常用的旋轉式步進電動機的轉子結構來說，可將其分為以下三種：392.步進電動機的種類步進電1221）可變磁阻(VR-VariableReluctance)型

該類電動機由定子繞組產(chǎn)生的反應電磁力吸引用軟磁鋼制成的齒形轉子作步進驅動，故又稱反應式步進電動機。其結構原理如圖3.10所示。其定子1與轉子2由鐵心構成，沒有永久磁鐵，定子上嵌有線圈，轉子朝定子與轉子之間磁阻最小方向轉動，并由此而得名可變磁型。此類電動機的轉子結構簡單、轉子直徑小，有利于高速響應。由于VR型步進電動機的鐵心無極性，故不需改變電流極性，為此，多為單極性勵磁。401）可變磁阻(VR-VariableReluctan123可變磁阻(VR-VariableReluctance)型可變磁阻型步進電動機41可變磁阻(VR-VariableReluctance)12442125

該類電動機的定子與轉子均不含永久磁鐵，故無勵磁時沒有保持力。另外，需要將氣隙做得盡可能小，例如幾個微米。這種電動機具有制造成本高、效率低、轉子的阻尼差、噪聲大等缺點。但是，由于其制造材料費用低、結構簡單、步距角小，隨著加工技術的進步，可望成為多用途的機種。43該類電動機的定子與轉子均不含永久126

2)永磁(PM-PermanentMagnet)型442)永磁(PM-PermanentMagnet)127

PM型步進電動機的轉子2采用永久磁鐵、定子1采用軟磁鋼制成，繞組3輪流通電，建立的磁場與永久磁鐵的恒定磁場相互吸引與排斥產(chǎn)生轉矩。其結構如圖3.11所示。這種電動機由于采用了永久磁鐵，即使定子繞組斷電也能保持一定轉矩，故具有記憶能力，可用做定位驅動。PM型電動機的特點是勵磁功率小、效率高、造價低，因此需要量也大。由于轉子磁鐵的磁化間距受到限制，難于制造，故步距角較大。與VR型相比轉矩大，但轉子慣量也較大。45PM型步進電動機的轉子2采用永久1283)混合(HB-Hybrid)型463)混合(HB-Hybrid)型129混合(HB-Hybrid)型例混合型步進電動機47混合(HB-Hybrid)型例混合型步進電動機130

該型步進電機不僅具有VR型步進電動機步距角小、響應頻率高的優(yōu)點，而且還具有PM型步進電動機勵磁功率小、效率高的優(yōu)點。它的定子與VR型沒有多大差別，只是在相數(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，相對的兩極為一相，而HB型步進電動機的定子繞組大多數(shù)為四相，而且每極同時繞兩相繞組或采用橋式電路繞一相繞組，按正反脈沖供電。這種類型的電動機由轉子鐵心的凸極數(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(0.9°~3.6°)的電動機。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機。48該型步進電機不僅具有VR型步進電動131

混合型與永磁型多為雙極性勵磁。由于都采用了永久磁鐵，所以，無勵磁時具有保持力。另外，勵磁時的靜止轉矩都比VR型步進電動機的大。HB和PM型步進電動機能夠用做超低速同步電動機，如用60Hz驅動每步1.8°的電動機可作為72r／min的同步電動機使用。步進電動機與DC和AC伺服電動機相比其轉矩、效率、精度、高速性比較差，但步進電動機具有低速時轉矩大、速度控制比較簡單、外形尺寸小等優(yōu)點，所以在辦公室自動化方面的打印機、繪圖機、復印機等機電一體化產(chǎn)品中得到廣泛使用，在工廠自動化方面也可代替低檔的DC伺服電動機。

49混合型與永磁型多為雙極性勵磁。由于都采132

二、步進電動機的工作原理50二、步進電動機的工作原理133

如上圖a所示，如果先將電脈沖加到A相勵磁繞組，定子A相磁極就產(chǎn)生磁通，并對轉子產(chǎn)生磁拉力，使轉子的1、3兩個齒與定子的A相磁極對齊。而后再將電脈沖通入B相勵磁繞組，B相磁極便產(chǎn)生磁通。由圖b可以看出，這時轉子2、4兩個齒與B相磁極靠得最近，于是轉子便沿著逆時針方向轉過30°角，使轉子2、4兩個齒與定子B相磁極對齊。如果按照A→B→C→A的順序通電，轉子則沿反時針方向一步步地轉動，每步轉過30°，這個角度就叫步距角。顯然，單位時間內(nèi)通入的電脈沖數(shù)越多，即電脈沖頻率越高，電動機轉速就越高。如果按A→B→C→A→…的順序通電，步進電動機將沿順時針方向一步步地轉動。從一相通電換接到另一相通電稱為一拍，每一拍轉子轉動一個步距角。像上述的步進電動機，三相勵磁繞組依次單獨通電運行，換接三次完成一個通電循環(huán)，稱為三相單三拍通電方式。51如上圖a所示，如果先將電脈沖加到A相勵磁繞組，定子A134

如果使兩相勵磁繞組同時通電，即按AB→BC→CA→AB→…順序通電，這種通電方式稱為三相雙三拍，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電動機，即按照A→AB→B→BC→C→CA→A→…順序通電，換接六次完成一個通電循環(huán)。這種通電方式的步距角為l5°，如下圖所示。

52如果使兩相勵磁繞組同時通電，即135

若將電脈沖首先通入A相勵磁繞組，轉子齒1、3與A相磁極對齊，如上圖中a所示。然后再將電脈沖同時通入A、B相勵磁繞組，這時A相磁極拉著1、3兩個齒，B相磁極拉著2、4兩個齒，使轉子沿著逆時針方向旋轉，轉過l5°角時，A、B兩相的磁拉力正好平衡，轉子靜止于圖中b的位置。如果繼續(xù)按B→BC→C→CA→A…的順序通電，步進電動機就沿著逆時針方向，以l5°步距角一步步轉動。

步進電動機的步距角越小，意味著它所能達到的位置精度越高。通常的步矩角是1.5°或0.75°，為此需要將轉子做成多極式的，并在定子磁極上制成小齒，如右圖所示。

53若將電脈沖首先通入A相勵磁繞組，轉子齒136

定子磁極上的小齒和轉子磁極上的小齒大小一樣，兩種小齒的齒寬和齒距相等。當一相定子磁極的小齒與轉子的齒對齊時，其他兩相磁極的小齒都與轉子的齒錯過一個角度。按著相序，后一相比前一相錯開的角度要大。例如轉子上有40個齒，則相鄰兩個齒的齒距角是360°／40＝9°。若定子每個磁極上制成5個小齒，當轉子齒和A相磁極小齒對齊時，B相磁極小齒則沿逆時針方向超前轉子1／3齒距角，即超前3°，而C相磁極小齒則超前轉子2／3齒距，即超前6°。按照此結構，當勵磁繞組按A→B→C→A…順序以三相三拍通電時，轉子按逆時針方向，以3°步距角轉動；如果按照A→AB→B→BC→C→CA→A→…順序以三相六拍通電時，步距角將減小一半，為1.5°。如通電順序相反，則步進電動機將沿著順時針方向轉動。54定子磁極上的小齒和轉子磁極上的小齒137步距角的大小與通電方式和轉子齒數(shù)有關，其大小可用下式計算：步距角＝360°／(zm)式中z-轉子齒數(shù)；m-運行拍數(shù)，通常等于相數(shù)或相數(shù)整數(shù)倍，即m=KN(N為電動機的相數(shù)，單拍時K＝1，雙拍時K＝2)。55步距角的大小與通電方式和轉子齒數(shù)有關138

反應式步進電動機環(huán)形脈沖分配方式表56反應式步進電動機環(huán)形脈沖分配方式表139三、步進電動機的運行特性及性能指標

1.

分辨力

在一個電脈沖作用下(即一拍)，電動機轉子轉過的角位移，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.

靜態(tài)特性57三、步進電動機的運行特性及性能指標140

3.

動態(tài)特性583.

動態(tài)特性141

起動轉矩

上圖中，A相與B相矩-角特性曲線之交點所對應的轉矩稱為起動轉矩，它表示步進電動機單相勵磁時所能帶動的極限負載轉矩。起動轉矩通常與步進電動機相數(shù)和通電方式有關，如下表所示。59起動轉142

最高連續(xù)運行頻率及矩-頻特性

60最高連續(xù)運行頻率及矩-頻特性143矩-頻特性及聯(lián)系尺寸61矩-頻特性及聯(lián)系尺寸144

空載起動頻率與慣-頻特性

62空載起動頻率與慣-頻特性145空載起動頻率63空載起動頻率1464.

步進電動機技術指標實例644.

步進電動機技術指標實例147反應式步進電動機技術性能數(shù)據(jù)65反應式步進電動機技術性能數(shù)據(jù)148永磁感應式步進電動機技術性能數(shù)據(jù)(一)66永磁感應式步進電動機技術性能數(shù)據(jù)(一)149永磁感應式步進電動機技術性能數(shù)據(jù)(二)67永磁感應式步進電動機技術性能數(shù)據(jù)(二)150

四、步進電動機的驅動與控制

步進電動機的運行特性與配套使用的驅動電源（驅動器）有密切關系。驅動電源由脈沖分配器、功率放大器等組成，如下圖所示。驅動電源是將變頻信號源(微機或數(shù)控裝置等)送來的脈沖信號及方向信號按要求的