第三章 執(zhí)行元件的選擇與設計1

1第三章

執(zhí)行元件的選擇與設計2

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。第一節(jié)執(zhí)行元件的種類、特點及基本要求3一、執(zhí)行元件的種類及特點執(zhí)行元件的特點表3-145

二、對執(zhí)行元件的基本要求

1.慣量小、動力大：質(zhì)量、轉動慣量2.體積小、重量輕：比功率3.便于維修、安裝：免維護4.宜于微機控制：電動機>液動式、氣動式>內(nèi)燃機三、“伺服”的含義Servomechanism

“伺服”—詞源于希臘語“奴隸”的意思。伺服系統(tǒng)應用舉例（1）液壓仿形車床工作原理圖

——節(jié)流口5——工件6——刀具7——樣件8——觸銷9——油缸10——油泵伺服系統(tǒng)應用舉例（2）機械手手臂伸縮運動的電液伺服系統(tǒng)原理圖1－電放大器2－電液伺服閥3－液壓缸4－機械手手臂

5－齒輪齒條機構6－電位器7－步進電機四.伺服系統(tǒng)的定義：(servomechanism)(servo-system）

伺服系統(tǒng)是指實現(xiàn)輸出變量精確地跟隨或復現(xiàn)輸入變量的控制系統(tǒng)。

五、伺服電機伺服電機（servomotor）伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，它的轉矩和轉速受信號電壓精確控制。當信號電壓的大小和相位發(fā)生變化時，電動機的轉速和轉動方向將非常靈敏和準確地跟著變化。當信號消失時，轉子能及時地停轉。伺服電機的分類伺服電機交流伺服電機直流伺服電機同步（SM）型：永磁感應（IM）型：異步12

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。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。

13

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。14一、對控制用電動機的基本要求15

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。16伺服電動機控制方式的基本形式17

二、制用電動機的種類、特點及選用18

伺服電動機的特點及應用實例

19伺服電動機的性能比較20

伺服電動機優(yōu)缺點比較2122232425位置控制26速度控制27轉矩控制28三菱伺服驅動器MR-JE-100B

1.主電路：交-直-交2.控制電路：三環(huán)控制3.接口電路三環(huán)控制：1.位置環(huán)2.速度環(huán)3.電流環(huán)29MR-JE-100B外圍設備的構成交流電源輸入：L1-3交流電源輸出:U\V\W角編碼器接口:CN2伺服放大器：CN1B伺服系統(tǒng)控制器：CN1AI/O通訊：CN3計算機通訊：CN5伺服控制原理伺服馬達與伺服驅動器之間的回授LOOP1、電流LOOP伺服馬達在驅動時由于負載的關系而產(chǎn)生扭矩的緣故，使得流進馬達的電流增大，一旦流進馬達的電流過大時會造成馬達燒毀的情形。為防止此一情形發(fā)生，在馬達的輸出位置加入電流感測裝置，當馬達電流超過一定電流時，切斷伺服驅動器以保護馬達。伺服控制原理伺服馬達與伺服驅動器之間的回授LOOP2、速度LOOP此LOOP是用來檢測馬達的旋轉速度是否依照指令旋轉之用，相對于控制裝置所提供之指令，速度LOOP控制馬達的旋轉速度。伺服控制原理3、位置LOOP此LOOP是用來檢測由控制器所輸出位置控制指令之后，伺服馬達是否移動至指令位置。相對于位置指令值，當檢測值過大或過小時，控制伺服馬達移動其誤差值的部份，達到定位之目的?！罁?jù)不同的控制系統(tǒng)之需求，在驅動器中有三種控制模式可供選擇速度控制位置控制扭矩控制扭矩指令輸入范圍0～±10V【正電壓－＞CCW扭力】0～額定扭力扭矩控制依據(jù)輸入電壓的大小、達到控制馬達輸出扭力的目的。扭矩控制扭矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設定電機軸對外的輸出轉矩的大小，具體表現(xiàn)為例如10V對應5Nm的話，當外部模擬量設定為5V時電機軸輸出為2.5Nm:如果電機軸負載低于2.5Nm時電機正轉，外部負載等于2.5Nm時電機不轉，大于2.5Nm時電機反轉（通常在有重力負載情況下產(chǎn)生）?？梢酝ㄟ^即時的改變模擬量的設定來改變設定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應的地址的數(shù)值來實現(xiàn)。

應用主要在對材質(zhì)的受力有嚴格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如繞線裝置或拉光纖設備，轉矩的設定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時更改以確保材質(zhì)的受力不會隨著纏繞半徑的變化而改變。速度控制速度指令輸入范圍0～±10V【正電壓－＞CCW回轉】0～額定轉速依據(jù)輸入電壓的大小、達到控制馬達輸出轉速的目的。速度模式通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)控制時速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也支持直接負載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉速，位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(yōu)點在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增加了整個系統(tǒng)的定位精度。位置控制位置指令輸入方式依據(jù)輸入的脈波數(shù)目、達到控制馬達定位的目的。CCW/CW脈沖列A/B相位脈沖列Pulse＋Dir位置控制位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制，所以一般應用于定位裝置。

應用領域如數(shù)控機床、印刷機械等等。直流電機工作原理40主要內(nèi)容

直流伺服電機速度控制單元的調(diào)速控制方式調(diào)速的概念有兩個方面的含義:1)改變電機轉速：當給定速度變化時,電機的速度隨之變化,并希望以最快的加減速達到新的給定速度值；2)當給定速度不變化時,電機的速度保持穩(wěn)定不變。7.3直流伺服電機及其速度控制主要內(nèi)容直流伺服電機速度控制單元的作用：將轉速指令信號轉換成電樞的電壓值，達到速度調(diào)節(jié)的目的。直流電機速度控制單元調(diào)速方法：1.晶閘管（可控硅）調(diào)速系統(tǒng)；

2.晶體管脈寬調(diào)制（PWMPulseWidthModulated）調(diào)速系統(tǒng)。直流伺服電機速度控制單元的調(diào)速控制方式

需對直流電壓的大小和方向進行控制43直流伺服電機的驅動主要內(nèi)容晶閘管調(diào)速系統(tǒng)常用于大功率及要求不很高的直流伺服電機調(diào)速控制。7.3直流伺服電機及其速度控制速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器觸發(fā)脈沖發(fā)生器可控硅整流器電流反饋速度反饋電流檢測編碼器電機UR+-UfIfIR+-E1ES控制回路：速度環(huán)、電流環(huán)、觸發(fā)脈沖發(fā)生器等。主回路：可控硅整流放大器等。晶閘管調(diào)速系統(tǒng)

速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)（PI），作用：好的靜態(tài)、動態(tài)特性。電流環(huán)：電流調(diào)節(jié)(P或PI)。作用：加快響應、啟動、低頻穩(wěn)定等。觸發(fā)脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生移相脈沖，使可控硅觸發(fā)角前移或后移?？煽毓枵鞣糯笃鳎赫?、放大、驅動，使電機轉動。

控制回路主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驅動，使電機轉動。速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)，作用：好的靜態(tài)、動態(tài)特性。電流環(huán)：電流調(diào)節(jié)，作用：系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性改善。觸發(fā)脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生移相脈沖，使可控硅觸發(fā)角前移或后移。晶閘管調(diào)節(jié)電路主回路由大功率晶閘管構成的三相全控橋式反并接可逆電路，分成二大部分（Ⅰ和Ⅱ），每部分內(nèi)按三相橋式連接，二組反并接，分別實現(xiàn)正轉和反轉。462791113581210ABCMⅠⅡUMUDKMKM+-各有一個可控硅同時導通，形成回路。7.3直流伺服電機及其速度控制原理：三相整流器，由二個半波整流電路組成。每部分內(nèi)又分成共陰極組（1、3、5）和共陽極組（2、4、6）。為構成回路，這二組中必須各有一個可控硅同時導通。1、3、5在正半周導通，2、4、6在負半周導通。每組內(nèi)（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差120o，每相內(nèi)二個觸發(fā)脈沖相差180o。按管號排列，觸發(fā)脈沖的順序：1-2-3-4-5-6，相鄰之間相位差60o。為保證合閘后兩個串聯(lián)可控硅能同時導通，或已截止的相再次導通，采用雙脈沖控制。既每個觸發(fā)脈沖在導通60o后，在補發(fā)一個輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，寬度大于60o，小于120o。7.3直流伺服電機及其速度控制

只要改變可控硅觸發(fā)角（即改變導通角），就能改變可控硅的整流輸出電壓，從而改變直流伺服電機的轉速。觸發(fā)脈沖提前，增大整流輸出電壓；觸發(fā)脈沖延后，減小整流輸出電壓。uacbcaba)b)c)d)135

①②③④⑤⑥ωtub246bcaωtωtωtωt11335511336224466224135246120°120°180°60°132460°60°56α2.脈寬調(diào)制器作用：將電壓量轉換成可由控制信號調(diào)節(jié)的矩形脈沖，為功率晶體管的基極提供一個寬度可由速度指令信號調(diào)節(jié)的脈寬電壓。組成：調(diào)制信號發(fā)生器（三角波和鋸齒波兩種）和比較放大器。原理：以三角波發(fā)生器為例介紹7.3直流伺服電機及其速度控制R1+12VUSCR1R3R2+-12VUSrU△-USr

–速度指令轉化過來的直流電壓U△-三角波USC-脈寬調(diào)制器的輸出（USr+U△）調(diào)制波形圖ttUSr+U△+U

Sroo-U

SrttUSr為正時USr為負時USr+U△ttUSr為0時調(diào)制出正負脈寬一樣方波平均電壓為0調(diào)制出脈寬較寬的波形平均電壓為正調(diào)制出脈寬較窄的波形平均電壓為負7.3直流伺服電機及其速度控制主要內(nèi)容PWM調(diào)速控制系統(tǒng)利用大功率晶體管的開關作用，將直流電壓轉換成一定頻率的方波電壓，加到直流電動機的電樞上；通過調(diào)整控制方波脈沖寬度來改變電樞的平均電壓，從而調(diào)節(jié)電機的轉速?？刂齐娐泛唵?，不需附加關斷電路，開關特性好。廣泛應用中、小功率直流伺服系統(tǒng)。周期不變脈寬脈寬脈寬脈寬平均直流電壓Uωt周期不變7.3直流伺服電機及其速度控制主要內(nèi)容直流電機電壓的平均值:

T—脈沖周期，Ton—導通時間7.3直流伺服電機及其速度控制脈寬調(diào)制（PWM）系統(tǒng)組成：主要內(nèi)容速度調(diào)節(jié)器電流反饋脈寬調(diào)制基極驅動功放振蕩器

電流調(diào)節(jié)器M速度指令

三相交流電整流速度反饋UsrUSCU△Ub7.3直流伺服電機及其速度控制5657雙向調(diào)速用正負脈沖和導通率改變？？3）開關功率放大器主回路：可逆H型雙極式PWM

開關功率放大器電路圖:

由四個大功率晶體管（GTR）T1、T2、T3、T4

及四個續(xù)流二極管組成的橋式電路。H型：

又分為雙極式、單極式和受限單極式三種。Ub1、

Ub2、Ub3Ub4–為調(diào)制器輸出，經(jīng)脈沖分配、基極驅動轉換過來的脈沖電壓。分別加到T1

、T2、T3

、T4的基極。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3tUS-USUdUABOtUb1Ub4Ub2Ub3OOttt1Tidid1id2id1id2OOOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub4Ub2、Ub3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2工作原理：

T1

和T4

同時導通和關斷，其基極驅動電壓Ub1=Ub4。T2和T3同時導通和關斷，基極驅動電壓Ub2=Ub3

=

–Ub1。以正脈沖較寬為例，既正轉時。負載較重時：①電動狀態(tài)：當0≤t≤t1時，Ub1、Ub4為正，T1

和T4

導通；Ub2、Ub3

為負，

T2和T3截止。電機端電壓UAB=US，電樞電流id=id1，由US→T1

→T4→

地。②續(xù)流維持電動狀態(tài)：在t1≤t≤T時，Ub1、Ub4為負，

T1

和T4截止；

Ub2、Ub3

變正，但T2和T3并不能立即導通，因為在電樞電感儲能的作用下，電樞電流id=id2，由D2→D3續(xù)流，在D2、

D3

上的壓降使T2

、

T3的c-e極承受反壓不能導通。UAB=-US。接著再變到電動狀態(tài)、續(xù)流維持電動狀態(tài)反復進行，如上面左圖。負載較輕時：③反接制動狀態(tài)，電流反向：②狀態(tài)中，在負載較輕時，則id小，續(xù)流電流很快衰減到零，即t=t2時（見上面右圖），id=0。在t2

～

T區(qū)段，

T2

、T3

在US

和反電動勢E的共同作用下導通，電樞電流反向，id=id3

由US→T3→T2→

地。電機處于反接制動狀態(tài)。④電樞電感儲能維持電流反向：在T

～t3區(qū)段時，驅動脈沖極性改變，

T2

、T3截止，因電樞電感維持電流，id=id4，由D4→D1。⑤電機正轉、反轉、停止：

由正、負驅動電壓脈沖寬窄而定。當正脈沖較寬時，既t1>

T/2，平均電壓為正，電機正轉；

當正脈沖較窄時，既t1<T/2，平均電壓為負，電機反轉；如果正、負脈沖寬度相等，t1=T/2，平均電壓為零，電機停轉。⑥電機速度的改變：電樞上的平均電壓UAB越大，轉速越高。它是由驅動電壓脈沖寬度決定的。⑦雙極性：由以上分析表明：可逆H型雙極式PWM開關功率放大器，無論負載是重還是輕、電機是正轉還是反轉，加在電樞上的電壓極性在一個開關周期內(nèi)，都在US和

–US之間變換一次，故稱為雙極性。61

控制回路：

速度調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器；固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器；脈寬調(diào)制器和基極驅動電路。區(qū)別：

與晶閘管調(diào)速系統(tǒng)比較，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器原理一樣。不同的是脈寬調(diào)制器和功率放大器。

6364656667伺服電動機與驅動器驅動器電動機需求分析要點如何了解實際需求,即我們需要掌握那些要點才能使我們能夠提供準確的系統(tǒng)應用設計?1.軸控數(shù)2.軸功率,扭力計算所需參數(shù)3.系統(tǒng)精度與速度要求4.功能要求一般的功能要求包含:

參數(shù)設置狀態(tài)監(jiān)控顯示要求需求分析要點5.馬達慣量,轉速,變比(了解傳動元件,如絲桿,同步帶之變比)6.輸入輸出點數(shù)量,類型,模擬量要特別關注.7.同步要求8.動作過程的描述如何選定伺服馬達（1∕3）馬達選用考慮因素1、負載機構2、動作模式3、負載速度4、定位精度5、使用環(huán)境馬達選用的規(guī)格1、馬達容量（W）2、馬達額定轉速（rpm）3、額定扭矩及最大扭矩（N?m）4、轉子慣量（kg?㎡）5、是否需要剎車（制動器）6、體積、重量、尺寸如何選定伺服馬達（2∕3）減速機構的影響1、轉速：NM=Nt×R2、扭力：TL=T?×（1÷R）3、慣量（GD2）：GD2L=GD2L×（1÷R）2如何選定伺服馬達（3∕3）1、負載扭力◎加速扭力≦馬達最大扭力◎連續(xù)實效負載扭力≦馬達額定扭力◎消耗回生電力＜驅動器內(nèi)回生容量◎負載扭力＜馬達額定扭力2、負載慣性矩＜3～5倍馬達轉子慣性矩3、最大移動速度＜馬達最大轉速4、負載率在85﹪以下5、馬達的扭矩特性編碼器選用假設PE=2500(p/rev)絲桿導距PB=20mm減速比R=1

則機械位置解析度(Resolution)

=(PB*(1/R))/(PE*4)

=0.002(mm)

<機械定位精度±0.05(mm)74基本信息電樞是電機中裝有導線的部件，導線對磁場的相對運動，在導線中產(chǎn)生感應電動勢(如在發(fā)電機中那樣)，或是通電導線在磁場中受安培力作用，使其在磁場中轉動(如在電動機中那樣)。組成電樞繞組分直流電樞繞組和交流電樞繞組兩大類。它們分別用于直流電機和交流電機。電樞包括電樞鐵心和電樞繞組，電樞繞組是直流電機的電路部分，也是感生電勢、產(chǎn)生電磁轉矩進行機電能量轉換的部分（發(fā)電機是機械能轉換成電能）。電樞鐵心既是主磁路的一部分又是電樞繞組的支撐部件，電樞繞組就嵌放在電樞鐵心的槽內(nèi)。直流電機和交流電機的感生電樞的原理大致相同，直流電機電樞繞組內(nèi)的電流也是交流的，要通過換向器輸出才是直流的。交流電機分為感應電機（異步機）和同步電機，感應電機按轉子結構分為鼠籠型轉子和繞線型轉子，感應電機是定子繞組產(chǎn)生磁場，轉子繞組進行機電能量轉換。同步電機是轉子繞組產(chǎn)生磁場，定子繞組進行機電能量轉換。電樞一般指電機需要外接電源的部分。直流電機電樞為轉子，交流電機電樞為定子。電樞75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

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”。④位移量與輸入的電脈沖數(shù)有嚴格的對應關系，穩(wěn)定運動時的轉速與控制脈沖的頻率有嚴格的對應關系。/link?url=fpTY4pNQy0seexyQQbA2dnMUj-_DewqBq2ndP5o8oqVYsRkFf3krlBNon2rlRaAU2JDAhvYGESUHbMV7UFLBG374iFgfM-ryWlXONOlgvMe762.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：771）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。78可變磁阻(VR-VariableReluctance)型7980

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。812)永磁(PM-PermanentMagnet)型82

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。（控制精細對度低）833)混合(HB-Hybrid)型84混合(HB-Hybrid)型例85

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。86

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。

下面以反應式步進電機為例說明步進電機的結構和工作原理。三相反應式步進電動機的原理結構圖如下：

定子內(nèi)圓周均勻分布著六個磁極，磁極上有勵磁繞組，每兩個相對的繞組組成一相。采用Y連接，轉子有四個齒。ABCIAIBIC定子轉子1.工作原理

由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，因此會在磁力線扭曲時產(chǎn)生切向力，而形成磁阻轉矩，使轉子轉動。

現(xiàn)以ABCA的通電順序，使三相繞組

輪流通入直流電流，觀察轉子的運動情況。BCIAIBICA1.三相單三拍CA'BB'C'A3412

A相繞組通電，B、C相不通電。氣隙產(chǎn)生以A-A為軸線的磁場，而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過，故電動機轉子受到一個反應轉矩，在此轉矩的作用下，轉子必然轉到左圖所示位置：1、3齒與A、A′極對齊?！叭唷敝溉嗖竭M電機；“單”指每次只能一相繞組通電；“三拍”指通電三次完成一個通電循環(huán)。CA'BB'C'A3412

同理，B相通電時，轉子會轉過30角，2、4齒和B、B′

磁極軸線對齊；當C相通電時，轉子再轉過30角，1、3齒和C′、C磁極軸線對齊。1C'342CA'BB'A

這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。

按ABCA……的順序給三相繞組輪流通電，轉子便一步一步轉動起來。每一拍轉過30°(步距角)，每個通電循環(huán)周期(3拍)磁場在空間旋轉了360°而轉子轉過90°(一個齒距角)。2.三相六拍

按AABBBCC

CA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制特性。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412

A相通電，轉子1、3齒與A、A'對齊。

A、B相同時通電，A、A'磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉子轉過15，到達左圖所示位置。CA'BB'C'A3412

B相通電，轉子2、4齒與B、B′對齊,又轉過15。3412CA'BB'C'AB、C相同時通電，C'、C

磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉子再轉過15。

三相反應式步進電動機的一個通電循環(huán)周期如下：AABBBCC

CA，每個循環(huán)周期分為六拍。每拍轉子轉過15（步距角），一個通電循環(huán)周期(6拍)轉子轉過90(齒距角)。

與單三拍相比，六拍驅動方式的步進角更小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。3.三相雙三拍

按ABBCCA的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時通電。AB通電CA'BB'C'A3412BC通電3412CA'BB'C'ACA通電CA'BB'C'A3412

與單三拍方式相似，雙三拍驅動時每個通電循環(huán)周期也分為三拍。每拍轉子轉過30(步距角)，一個通電循環(huán)周期(3拍)轉子轉過90(齒距角)。

從以上對步進電機三種驅動方式的分析可得步距角計算公式：—步距角Zr

—轉子齒數(shù)m—每個通電循環(huán)周期的拍數(shù)

實用步進電機的步距角多為3和1.5

。為了獲得小步距角，電機的定子、轉子都做成多齒的，如教材圖3-10所示。圖中轉子表面有40個齒，97四相步距角＝360°／(zm)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)。98

二、步進電動機的工作原理99

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。100

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。101

反應式步進電動機環(huán)形脈沖分配方式表102

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)特性靜轉矩矩-角特性靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)1031043.動態(tài)特性啟動轉矩矩-頻特性動態(tài)穩(wěn)定區(qū)105裕量角越大，距下一拍平衡位置的偏差角就越小。106107108109

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。通電相數(shù)越多，啟動轉矩越大1103）最高連續(xù)運行頻率及矩-頻特性

換相效率限制（從一相到下一相）111矩-頻特性112

4）空載起動頻率與慣-頻特性

113連續(xù)正轉114反向旋轉115低頻共振和高頻振蕩低頻段起動時，輸入脈沖頻率等于步進電機的固有頻率，會出現(xiàn)轉子振蕩的振幅越來越大，電動機不能起動工作在高頻段時，會出現(xiàn)控制繞組內(nèi)電流產(chǎn)生振蕩，使轉動呈現(xiàn)不均勻，以致失步的現(xiàn)象由于參數(shù)不同，低頻共振和高頻振蕩頻率也不同，應避免使輸入脈沖頻率等于上述兩種頻率116步進電機的選擇要求不振蕩，不丟步，好的動態(tài)性能電機輸出轉矩>負載所需扭矩，使步進電機的矩-頻特性有余量（轉矩匹配）計算機械系統(tǒng)負載慣量和機械系統(tǒng)所需求的啟動頻率，并使之與步進電機慣-頻特性相匹配，并有一定的余量（慣量匹配）步距角與機械系統(tǒng)相匹配，得到要求的分辨力（精度匹配）117

四、步進電動機的驅動與控制(開環(huán))118119120上升沿下降沿1212.功率放大器（1）能提供較快的電流上升和下降速度，使電流波形盡量接近矩形，（2）具有供截止期間釋放電流流通的回路，以降低繞組兩端的反電動勢，加快電流衰減，續(xù)流回路；（3）功耗低，效率高要求信號脈沖幾毫安>>繞組電流幾安到幾十安；頻繁換相時，繞組通斷電時的反電動勢，造成“直流不直”。作用1221231243.細分驅動

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。細分之后的步距角叫做步進角，但細分后的步進角精度不高，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。125126步進電動機的微機控制

（串行、并行控制示意）127點-位控制的加減速過程步進脈沖頻率128129升速規(guī)律1、線性升速：加速度恒定、轉矩恒定2、指數(shù)升速：加速度減小，接近步進電機輸出轉矩-速度規(guī)律1303、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。131①DIR（direction）為方向信號，在單脈沖控制時，它是來負責電機正轉反轉②CP(controlpulse)、PLS(pulse)是脈沖信號，有時還會被稱為PUL(pulse)③關于這個CW和CCW呢一般是用于雙脈沖的，CW（clockwise）是正傳脈沖，CCW（counterclockwise）是反轉脈沖。一般的驅動器可以單、雙脈沖共有，所以一般都用DIR和PUL來注明。④EN(enable)和FREE為使能信號或脫機信號，就是說這個信號有時，電機會自己斷電，但驅動器不會斷電。另：不同的廠家不同的標注，有的驅動器上面還有ALM(alarm)，這個為報警信號。關于+-呢，一般來說PUL-、DIR-、EN-都接所對應的信號，PUL+\DIR+\ENA+就接+5V的電源就可以了。步進電機使用的縮寫132步進電動機與交流伺服電動機的性能比較133兩相步進電機步距角為1.8°；三相混合式步進電機及驅動器，可以細分控制來實現(xiàn)步距角為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相步進電機的步距角。交流伺服電動機的控制精度由電動機后端的編碼器保證。如對帶標準2500線編碼器的電動而言，驅動器內(nèi)部采用4倍頻率技術，則其脈沖當量為360°/10000=0.036°；對于帶17位編碼器的電動機而言，驅動器每接收217=131072個脈沖電動機轉一圈，即其脈沖當量為360°/131072=0.00274658°，是步距角為1.8°的步進電機脈沖當量的1/655。1.控制精度不同1342.低頻特性不同兩相混合式步進電動機在低速運轉時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。交流伺服電動機運轉非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。3.矩頻特性不同步進電動機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高速是會急劇下降。交流伺服電動機為恒力矩輸出，即在額定轉速（如3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉矩。4.過載能力不同步進電動機一般不具有過載能力，而交流伺服電動機有較強的過載能力，一般最大轉矩可為額定轉矩的3倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。

步進電動機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉矩的電動機，便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。1355.運行性能不同步進電動機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉的現(xiàn)象；停止時如轉速過高，易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，內(nèi)部構成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)丟步或過沖現(xiàn)象，控制性能更為可靠。6.速度響應性能不同步進電動機從靜止加速到工作速度（一般為幾百RPM）需要200~400ms。交流伺服驅動系統(tǒng)的加速性能較好，從靜止加速到工作速度（如3000RPM），一般僅需幾毫秒，可用于快速啟動的控制場合。7.效率指標不同步進電動機的效率比較低，一般60%以下。交流伺服電機的效率比較高，一般80%以上。因此步進電動機的溫升也比交流伺服電機的高。交流伺服與步進電機系統(tǒng)選型比較步進電機系統(tǒng)伺服電機系統(tǒng)力矩范圍中小力矩（一般在20Nm以下）小、中、大，全范圍速度范圍低（一般在2000RPM以下，大力矩電機小于1000RPM）高（可達5000RPM），直流伺服電機更可達1~2萬轉/分控制方式主要是位置控制多樣化智能化的控制方式，位置/轉速/轉矩方式平滑性低速時有振動（但用細分型驅動器則可明顯改善）好，運行平滑精度一般較低，細分型驅動時較高高（具體要看反饋裝置的分辨率）矩頻特性高速時，力矩下降快力矩特性好，特性較硬過載特性過載時會失步可3~10倍過載(短時)反饋方式大多數(shù)為開環(huán)控制，也可接編碼器，防止失步閉環(huán)方式，編碼器反饋編碼器類型無光電型旋轉編碼器（增量型/絕對值型），旋轉變壓器型響應速度一般快耐振動好一般（旋轉變壓器型可耐振動）溫升運行溫度高一般維護性基本可以維護較好價格低較高交流伺服電機與變頻電機的區(qū)別變頻電機伺服電機低頻啟動力矩小大速度范圍低（一般在3000RPM以下，大于3000RPM時應考慮電機的特殊設計）高（可達5000RPM），直流伺服電機更可達1~2萬轉/分控制方式一般為開環(huán)多樣化智能化的控制方式，位置/轉速/轉矩方式精度低高過載特性低可3~10倍過載(短時)轉矩控制原理上不可能適用，可控制靜止轉矩響應特性低高加減速特性差好溫升高低響應速度一般高價格低高伺服系統(tǒng)設計一、方案設計二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設計三、伺服系統(tǒng)動態(tài)設計一、方案設計在進行系統(tǒng)方案設計時，需要考慮以下方面的問題：1．系統(tǒng)閉環(huán)與否的確定

當系統(tǒng)負載不大，精度要求不高時，可考慮開環(huán)控制；反之，當系統(tǒng)精度要求較高或負載較大時，開環(huán)系統(tǒng)往往滿足不了要求，這時要采用閉環(huán)或半閉環(huán)控制系統(tǒng)。一般情況下，開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性不會有問題，設計時僅考慮滿足精度方面的要求即可，并通過合理的結構參數(shù)匹配，使系統(tǒng)具有盡可能好的動態(tài)響應特性。2．執(zhí)行元件的選擇

選擇執(zhí)行元件時應綜合考慮負載能力、調(diào)速范圍、運行精度、可控性、可靠性以及體積、成本等多方面的要求。一般來講，對于開環(huán)系統(tǒng)可考慮采用步進電動機、電液脈沖馬達和伺服閥控制的液壓缸和液壓馬達等，應優(yōu)先選用步進電動機。對于中小型的閉環(huán)系統(tǒng)可考慮采用直流伺服電動機、交流伺服電動機，對于負載較大的閉環(huán)伺服系統(tǒng)可考慮選用伺服閥控制的液壓馬達等。3．傳動機構方案的選擇

傳動機構是執(zhí)行元件與執(zhí)行機構之間的一個連接裝置，用來進行運動和力的變換與傳遞。在伺服系統(tǒng)中，執(zhí)行元件以輸出旋轉運動和轉矩為主，而執(zhí)行機構則多為直線運動。用于將旋轉運動轉換成直線運動的傳動機構主要有齒輪齒條和絲杠螺母等。前者可獲得較大的傳動比