機器人驅動及控制 課件 第1-4章 緒論、機器人步進電動機驅動及控制-機器人交流伺服電動機驅動及控制

機器人驅動及控制

機器人被譽為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，其研發(fā)、制造、應用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標志。

2020年我國工業(yè)機器人市場為全球貢獻了40%左右的份額，連續(xù)多年穩(wěn)坐世界最大機器人消費國地位。

機器人是能夠自動執(zhí)行任務的機械裝置，它能夠取代或協助人類進行某些工作，是人類社會科學技術發(fā)展的綜合性產物。緒論●學習目標了解機器人的起源與發(fā)展簡史掌握機器人的定義、特點與分類掌握工業(yè)機器人的結構組成、主要技術參數01020304了解工業(yè)機器人的應用領域1.1機器人的起源與發(fā)展簡史“機器人”

最早出自于1920年捷克劇作家KarelCapek（卡雷爾

凱培克）的科幻劇本《羅薩姆的萬能機器人》。講述一個名為Robot的機器人能夠不吃飯、不知疲倦地工作。機器人僅存在于科幻小說中，體現人們的一種愿望，希望能夠創(chuàng)造出一種機器來代替人們工作，尤其是那些重復枯燥的工作?！读_薩姆的萬能機器人》劇照現實的東西科幻文學作品玩具商店中的玩具人們印象中的機器人1.1.1機器人的起源2025/2/111.1機器人的起源與發(fā)展簡史

1.1.2機器人發(fā)展簡史機器人的起源最早可追溯到3000多年前。早在我國西周時期就流傳著藝妓（歌舞機器人）的故事。春秋時期的木鳥、東漢時期的記里鼓車、三國時期的木牛流馬等廣為人知的機械產品，也可以歸類到早期機器人的范疇。春秋時期的木鳥記里鼓車構造根據史書記載復原的三國木牛圖2025/2/111.1機器人的起源與發(fā)展簡史

1.1.2機器人發(fā)展簡史日本江戶時代，出現了各式各樣的人偶。它們都有復雜機械傳動裝置，用繩子，發(fā)條，木質齒輪、凸輪轉軸等驅動它們做出端茶送水，拉弓射箭，扇扇子，轉雨傘等動作。多用于娛樂。端茶送水端茶送水內部結構拉弓射箭

2025/2/111.1機器人的起源與發(fā)展簡史

美國約瑟夫·恩格爾伯格和喬治·德沃爾創(chuàng)造了世界上第一臺工業(yè)機器人“unimate”。1961年，“unimate”正式在通用公司完成安裝，輔助汽車生產。1.1.2機器人發(fā)展簡史約瑟夫·恩格爾伯格（美）JosephF·Engelberger研制出了世界上第一臺工業(yè)機器人被譽為“機器人之父”喬治·德沃爾（美）GeorgeDevol第一臺可編程工業(yè)機器人的發(fā)明者成立世界上第一家機器人公司Unimation世界上第一臺工業(yè)機器人unimate2025/2/111.1機器人的起源與發(fā)展簡史

1.1.2機器人發(fā)展簡史精確重復示教動作無法感知環(huán)境無法向控制系統反饋信號一示教再現機器人通過傳感器感知外界環(huán)境向控制系統反饋數據根據編程邏輯進行有限互動感知機器人二智能機器人自主學習能力自主決策完成復雜任務三機器人的發(fā)展過程我國在1977年研制出第一臺通用型工業(yè)機器人JSS35，結構與Unimate機器人相似，可用于工件上下料和搬運，裝上不同的專用工具還可用于焊接、噴漆及打磨毛刺等。該機器人曾用于東風汽車公司的點焊作業(yè)。JSS35機器人進行汽車駕駛室點焊工藝試驗2025/2/111.2機器人的定義、特點與分類

1.2.1機器人的定義和特點機器人的定義

機器人的動作機構具有類似于人或其他生物體的某些器官的功能。

機器人具有通用性，工作種類多樣，動作程序靈活易變。

機器人具有不同程度的智能性，如記憶、感知、推理、決策、學習等。

機器人具有獨立性，完整的機器人系統在工作時可以不依賴于人的干預。機器人被認定為是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器，它接受人類指揮，可以運行預先設定的程序，也可以根據人工智能技術制定的原則行動，進而協助或者取代人類工作。2025/2/111.2機器人的定義、特點與分類

1.2.1機器人的定義和特點機器人的定義

機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。

機器人主要是指具備傳感器、智能控制系統和驅動系統這三個要素的機械結構。通用性適應性可編程擬人化

針對不同的作業(yè)任務更換末端操作器（取料手、專用操作器、轉換器等），而不需要更換機器人本體。

通過傳感器感知外界環(huán)境確定自身位置，適應不同的外界環(huán)境。

根據不同環(huán)境條件進行編程，特別適合柔性制造系統。

結構上類似人類行走、動作等功能，通過控制器、傳感器來模擬人類的大腦和感官，有極強的環(huán)境適應能力。2025/2/111.2機器人的定義、特點與分類

1.2.2機器人分類應用場景工業(yè)機器人服務機器人特種機器人工業(yè)機器人是用于工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度的機器裝置。服務機器人是指通過半自主或完全自主運作，為人類提供幫助（不含工業(yè)性操作）的機器人。特種機器人在應對地震、洪澇和極端天氣等自然災害，以及礦難、火災、安防等公共安全事件中，有極其重要的作用。2025/2/111.2機器人的定義、特點與分類

工業(yè)機器人分類手臂運動形式直角坐標型：手臂沿三個直角坐標系移動。圓柱坐標型：手臂可做升降、回轉和伸縮動作。球坐標型：手臂可做回轉、俯仰和伸縮動作。多關節(jié)型：手臂具有多個轉動關節(jié)。

2025/2/111.2機器人的定義、特點與分類

工業(yè)機器人分類關節(jié)結構類型串聯機器人串聯機器人關節(jié)軸之間相互影響，一個軸運動會改變其他關節(jié)軸的坐標原點。具有結構簡單、易控制、成本低、運動空間較大等優(yōu)點。并聯機器人包括動平臺和定平臺兩部分，它們之間至少使用兩個獨立的運動鏈連接，以并聯的方式驅動，具有兩個或兩個以上自由度。具有精度高、速度快、承載能力強、工作空間小等優(yōu)點。2025/2/111.3機器人的發(fā)展現狀產品

機器人作為數字經濟時代最具標志性的工具，從浩瀚太空到萬米深海，從工廠車間到田間地頭，從國之重器到百姓生活，正以燎原之勢飛速發(fā)展，逐漸成為衡量一個國家創(chuàng)新能力和產業(yè)競爭力的重要標志。2025/2/111.3機器人的發(fā)展現狀產品2023年，國際機器人聯合會（IFR）發(fā)布的《世界機器人報告》顯示2022年全球工業(yè)機器人裝機量為55.3萬套，同比增長率為5%，2017-2022年均復合增長率為7%。2017-2022年各大洲裝機量相比，亞洲均最高，其中2022年亞洲裝機量占比為73%，歐洲占比為15%，美洲占比為10%，亞洲市場最具潛力。工業(yè)機器人

銷量穩(wěn)步增長，亞洲市場最具潛力全球工業(yè)機器人年裝機量[千臺套]全球不同區(qū)域工業(yè)機器人年均裝機增長量[千臺套]2025/2/111.3機器人的發(fā)展現狀產品2012年，我國工業(yè)機器人裝機量近2.3萬套，與其他國家相比占比為14%，2022年我國機器人全行業(yè)營業(yè)收入超過1700億元，繼續(xù)保持兩位數增長，其中工業(yè)機器人裝機量超過29萬套，裝機量占全球比重超過50%，穩(wěn)居全球第一大市場，十年內工業(yè)機器人裝機量增長了11.6倍，與其他國家相比占比增加了38個百分點。工業(yè)機器人

銷量穩(wěn)步增長，亞洲市場最具潛力2021年我國與其他國家工業(yè)機器人裝機量對比2022年我國與其他國家工業(yè)機器人裝機量對比2025/2/111.3機器人的發(fā)展現狀產品工業(yè)機器人

銷量穩(wěn)步增長，亞洲市場最具潛力《“十四五”機器人產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》到2025年我國成為全球機器人技術創(chuàng)新策源地、高端制造集聚地和集成應用新高地；一批機器人核心技術和高端產品取得突破，整機綜合指標達到國際先進水平，關鍵零部件性能和可靠性達到國際同類產品水平；機器人產業(yè)營業(yè)收入年均增速超過20%；形成一批具有國際競爭力的領軍企業(yè)及一大批創(chuàng)新能力強、成長性好的專精特新“小巨人”企業(yè)，建成3-5個有國際影響力的產業(yè)集群；制造業(yè)機器人密度實現翻番。2025/2/111.3機器人的發(fā)展現狀產品服務機器人

新一代人工智能興起，行業(yè)迎來快速發(fā)展新機遇根據中國電子學會數據2021年全球服務機器人市場規(guī)模達到172億美元，2017-2021年年均復合增長率達27%；預計2022年全球服務機器人市場規(guī)模將達到217億美元，市場規(guī)模將首次超過工業(yè)機器人，約占機器人市場規(guī)模的42%，2024年市場規(guī)模將有望增長至290億美元。2017-2023年全球服務機器人市場規(guī)模數據來源：中國電子學會、中商產業(yè)研究院整理。2025/2/111.3機器人的發(fā)展現狀產品服務機器人

新一代人工智能興起，行業(yè)迎來快速發(fā)展新機遇服務機器人主要包括家用服務機器人、公共服務機器人和醫(yī)療服務機器人。2021年，家用服務機器人占比最高，達到65%；公共服務機器人占比次之，為25%；醫(yī)療服務機器人占比最低，為10%。2021年我國服務機器人細分市場規(guī)模占比數據來源：中國電子學會、中商產業(yè)研究院整理。2025/2/111.3機器人的發(fā)展現狀產品服務機器人

新一代人工智能興起，行業(yè)迎來快速發(fā)展新機遇根據中國電子學會數據，2022年中國服務機器人產量達到645.8萬套，市場規(guī)模約為447.76億元。采摘、巡檢、物流、養(yǎng)老……服務機器人正加速與生產生活融合。2023年上半年，服務機器人產量達到了353萬套，同比增長9.6%。隨著新興場景的進一步拓展，預計2023年市場規(guī)模將有望突破500億元。2017-2023年我國服務機器人市場規(guī)模數據來源：中國電子學會、中商產業(yè)研究院整理。2025/2/111.3機器人的發(fā)展現狀產品特種機器人

新興應用持續(xù)涌現，各國相繼展開戰(zhàn)略布局隨著全球地區(qū)局勢復雜、極端天氣頻發(fā)等問題日益凸顯，在軍事應用、治安維護、搶險救災、水下勘探和高空作業(yè)等高危場景中，特種機器人可以部分甚至全部替代人工作業(yè)，在安全性、時效性和保質性等方面有效滿足需求。2025/2/111.3機器人的發(fā)展現狀產品特種機器人

新興應用持續(xù)涌現，各國相繼展開戰(zhàn)略布局2017年以來，特種機器人產業(yè)規(guī)模年均增長率全球達到21.7%，我國達到30.7%。特種機器人市場規(guī)模2022年全球超過100億美元，我國達到約153億元；2024年全球有望達到140億美元，我國預計達到247.6億元。全球特種機器人銷售額及增長率我國特種機器人市場規(guī)模2025/2/111.3機器人的發(fā)展現狀技術

隨著研發(fā)水平不斷提升、工藝設計不斷創(chuàng)新以及新材料相繼投入使用，工業(yè)機器人正向著小型化、輕型化和柔性化的方向發(fā)展，類人精細化操作能力不斷增強。

隨著機器人易用性、穩(wěn)定性以及智能水平的提升，機器人應用領域逐漸由搬運、焊接和裝配等操作型任務向加工型任務拓展，人機協作正在成為工業(yè)機器人研發(fā)的重要方向。工業(yè)機器人

輕型化、柔性化發(fā)展提速，人機協作不斷走向深入2025/2/111.3機器人的發(fā)展現狀技術

人工智能技術是服務機器人在下一階段獲得實質性發(fā)展的重要引擎，正從感知智能向認知智能加速邁進。

智能服務機器人產品類型愈加豐富，由市場率先落地的掃地機器人、送餐機器人向情感機器人、陪護機器人、教育機器人等方向延伸，服務領域和服務對象不斷拓展。服務機器人

認知智能取得一定進展，產業(yè)化進程持續(xù)加速2025/2/111.3機器人的發(fā)展現狀技術

隨著傳感技術、仿生與生物模型技術、生機電信息處理與識別技術不斷進步，特種機器人已逐步實現“感知—決策—行為—反饋”的閉環(huán)工作流程，具備了初步的自主能力。

隨著特種機器人的智能性和對環(huán)境的適應性不斷增強，在軍事、防暴、消防、交通運輸、安防監(jiān)測、空間探索等眾多領域都具有十分廣闊的應用前景。特種機器人

結合感知技術與仿生等新型材料，智能性和適應性不斷增強2025/2/111.4工業(yè)機器人的組成與技術參數

1.4.1工業(yè)機器人系統組成機器人系統是由機器人、作業(yè)對象及環(huán)境共同構成，包括機器人機械系統、驅動系統、控制系統和感知系統四大部分。工業(yè)機器人本體（機械系統）類似于人的臂部和手腕。驅動系統和控制系統被集成到控制柜中，多數會配備示教器或示教盒。機器人系統組成及各部分之間的關系2025/2/111.4工業(yè)機器人的組成與技術參數1.4.1工業(yè)機器人系統組成機械系統一般由機身、臂部、腕部和末端操作器構成，配備上各種抓手與末端操作器后，可進行各種抓取動作和操作作業(yè)。機身臂部手腕末端操作器機器人結構的基礎，起支撐作用，通常固定在機器人操作平臺或者移動機構上。機器人主體結構是大臂和小臂的統稱，用于支撐手腕和手部，使手部中心點能夠按照特定的運動軌跡運動。連接臂部和手爪的部分，用于調整手爪在空間的位置，更改手爪和所夾持工件的空間姿態(tài)。抓取機構，用于抓取工件。根據抓取方式分為夾持類和吸附類，可進一步細分為夾鉗式、彈簧夾持式、氣吸式、磁吸式等。關節(jié)由伺服系統協調控制2025/2/111.4工業(yè)機器人的組成與技術參數1.4.1工業(yè)機器人系統組成驅動系統是指驅動機械系統各關節(jié)動作的驅動裝置。是機器人的動力系統，一般由驅動裝置和傳動機構兩部分組成。驅動器可以將電能、液壓能、氣壓轉換為機器人動力，并且通過聯軸器、關節(jié)軸等部件帶動連桿動作。2025/2/111.4工業(yè)機器人的組成與技術參數1.4.1工業(yè)機器人系統組成控制系統用于控制機器人各關節(jié)的位置、速度和加速度等參數，從而使機器人的抓手以指定的速度按照指定的軌跡到達目標位置。該系統主要由控制器和控制軟件組成。開環(huán)控制系統機器人不具備信息反饋特征閉環(huán)控制系統機器人具備信息反饋特征控制系統控制器控制系統硬件部分決定了機器人性能優(yōu)劣控制軟件由人與機器人聯系的人機交互系統和控制算法等組成2025/2/111.4工業(yè)機器人的組成與技術參數1.4.1工業(yè)機器人系統組成感知系統作用是獲取機器人內部和外部的環(huán)境信息，并把這些信息反饋給控制系統。內部傳感器用于檢測各關節(jié)的位置、速度等變量，為閉環(huán)伺服控制系統提供反饋信息。外部傳感器用于檢測機器人與周圍環(huán)境之間的距離、接近程度或接觸情況的狀態(tài)參量，引導機器人識別物體并做出相應處理。2025/2/111.4工業(yè)機器人的組成與技術參數1.4.1工業(yè)機器人系統組成機器人系統是一個典型的機電一體化系統。工作原理：控制系統發(fā)出動作指令，控制驅動器動作，驅動器帶動機械系統運動，使末端操作器到達空間某一位置和實現某一姿態(tài)，實施一定的作業(yè)任務。末端操作器在空間的實時位姿由感知系統反饋給控制系統，控制系統把實際位姿與目標位姿相比較，發(fā)出下一個動作指令，如此循環(huán)，直到完成作業(yè)任務為止。2025/2/111.4工業(yè)機器人的組成與技術參數1.4.2工業(yè)機器人技術參數技術參數是機器人制造商在產品供貨時所提供的技術數據。技術參數反映了機器人可勝任的工作、具有的最高操作性能等情況，是選擇、設計和應用機器人時必須考慮的數據。自由度定位精度和重復定位精度工作空間承載能力最大工作速度工業(yè)機器人技術參數2025/2/111.4工業(yè)機器人的組成與技術參數自由度示意圖1.4.2工業(yè)機器人技術參數自由度指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數目，不含末端操作器的開合自由度。機器人一個自由度對應一個關節(jié)或一個軸。自由度表示機器人動作靈活程度的參數，自由度越多，機器人越靈活，但結構也越復雜、控制難度也就越大，所以機器人自由度要根據用途設計，一般為3~6個。2025/2/111.4工業(yè)機器人的組成與技術參數1.4.2工業(yè)機器人技術參數定位精度指機器人末端操作器的實際位置與目標位置之間的偏差。重復定位精度指在同一環(huán)境、同一條件、同一目標動作和同一命令下，機器人連續(xù)重復運動若干次時，其位置的分散情況，是關于精度的統計數據。因重復定位精度不受工作載荷變化的影響，常用重復定位精度作為衡量示教再現工業(yè)機器人水平的重要指標。2025/2/111.4工業(yè)機器人的組成與技術參數1.4.2工業(yè)機器人技術參數工業(yè)機器人選型時所說的工作空間指未安裝末端操作器時機器人手臂末端所能到達的工作區(qū)域。而實際應用中涉及的工作空間指末端操作器所能到達的工作區(qū)域，并且隨著末端操作器的不同而不同，它決定機器人能否到達指定位置完成工作任務。機器人工作空間2025/2/111.4工業(yè)機器人的組成與技術參數1.4.2工業(yè)機器人技術參數承載能力指機器人在工作空間內任何位置上以任意姿態(tài)所能承受的最大重量。承載能力不僅取決于負載的重量，而且與機器人運行速度和加速度的大小和方向有關。通常情況下，承載能力確定為考慮機器人末端操作器重量的前提下高速運行時的承載能力。2025/2/111.4工業(yè)機器人的組成與技術參數1.4.2工業(yè)機器人技術參數最大工作速度是衡量機器人工作效率的指標之一，不同生產廠家、不同型號的機器人其最大工作速度不同，且最大工作速度的含義也不同。有的廠家指工業(yè)機器人主要自由度上最大的穩(wěn)定速度，有的廠家指手臂末端最大的合成速度，通常會在技術參數中加以說明。2025/2/111.5工業(yè)機器人的應用碼垛根據搬運物件特點，在保持形狀和物件性質不變的基礎上，進行高效分類搬運。焊接

汽車制造行業(yè)是應用最廣泛的行業(yè)，在焊接難度、焊接數量和焊接質量等方面有著人工焊接無法比擬的優(yōu)勢。裝配安裝精度高、靈活性大和耐用程度高。常用于電子零件、汽車精細部件的安裝。探測深空（探月、探火）、深地（地球深部礦物資源、能源資源的勘探）、深海（深海資源勘探）和高危（核污染區(qū)域、有毒區(qū)域和高危未知區(qū)域）領域進行探測。2025/2/11本章小結機器人系統技術參數工業(yè)機器人機器人根據不同應用場景，可分為工業(yè)機器人、服務機器人和特種機器人三大類。由機器人和作業(yè)對象及環(huán)境共同構成的，包括機器人機械系統、驅動系統、控制系統和感知系統四大部分。工業(yè)機器人本體（機械系統）類似于人的臂部和手腕。控制系統是機器人的控制核心，依據已有的編程指令和傳感器信息，完成指定運動或者決策。自由度、定位精度、重復定位精度、工作空間、承載能力及最大工作速度等。

2025/2/11第2章機器人步進電動機驅動及控制●學習目標了解步進電動機結構和性能要求掌握反應式步進電動機工作原理了解混合式步進電動機工作原理掌握步進電動機基本特點掌握反應式步進電動機運動特性掌握步進電動機驅動控制方法了解步進電動機在六自由度切削機器人中的應用01020304050607

機器人并不像人靠肌肉收縮和彈性產生力，把機器人“解剖”后，發(fā)現每個機器人都有外來的“動力來源和精密的傳動機構”，產生力并傳遞力。

電動機是最常見的動力源之一。工業(yè)機器人每個關節(jié)處的電動機都用于驅動運動，為手臂提供準確的角度。

對工業(yè)機器人動作速度和精度的要求實際上就是對電動機響應速度和控制精度的要求。2.1步進電動機概述

步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成相應角位移或線位移的電動機。每輸入一個脈沖信號改變一次勵磁狀態(tài)，轉子就轉動一個角度或前進一步，若不改變勵磁狀態(tài)，則保持一定位置而靜止。

輸出的角（線）位移與輸入的脈沖數成正比，轉速與脈沖的頻率成正比。

步進電動機精度高、慣性小，不丟步的情況下運行，步距誤差不會長期積累，特別適用于開環(huán)數字控制的定位系統。2025/2/112.2步進電動機結構及性能要求

2.2.1步進電動機結構步進電動機的結構由定子和轉子兩大部分組成。定子由定子鐵心和控制繞組組成。由專門電源輸入脈沖信號，輸入的脈沖信號對多個定子繞組輪流進行勵磁而產生磁場。定子繞組的個數稱為相數。轉子用硅鋼片疊成或用軟磁性材料做成凸極結構。凸極的個數稱為齒數。定子鐵心轉子鐵心步進電機結構簡圖步進電機安裝位置2025/2/112.2步進電動機結構及性能要求

2.2.1步進電動機結構步進電動機反應式步進電動機永磁式步進電動機混合式步進電動機按結構分類2025/2/112.2步進電動機結構及性能要求

反應式步進電動機

根據結構的不同分為單段式和多段式兩種。

單段式又稱徑向分相式，目前廣泛使用的步進電動機多采用這種結構。

徑向磁路多段式的定子、轉子鐵心沿電動機軸向按相數分段，每一段定子鐵心的磁極上均放置同一相控制繞組。

定子上裝有磁極（大齒），每個磁極的極弧上有許多小齒。磁極大齒成對出現，每個磁極上都有控制繞組，每相控制繞組由放在徑向相對的兩個磁極上的集中控制繞組串聯而成。

轉子沿圓周均勻沖有小齒，而且轉子上小齒的齒距=定子磁極上小齒的齒距。轉子上沒有繞組。2025/2/112.2步進電動機結構及性能要求

永磁式步進電動機

定子上有突出的磁極，磁極上裝有控制繞組。轉子上安裝有永久磁鋼制成的磁極，轉子極數與定子極數相同。

永磁式步進電動機的特點：

步距角大

起動頻率比較低（轉速不一定低）

控制功率小

有定位轉矩

有較強的內阻尼力矩2025/2/112.2步進電動機結構及性能要求

混合式步進電動機

混合了永磁式和反應式的優(yōu)點，具有反應式步進電動機步距小、運行頻率高的特點，還具有永磁式步進電動機消耗功率小的優(yōu)點，是目前發(fā)展較快的一種步進電動機。

特點：結構簡單、體積小、安裝方便、免維護、噪聲小和成本低。2025/2/112.2步進電動機結構及性能要求

2.2.2步進電動機性能要求

在一定速度范圍內，在脈沖信號控制下，步進電動機能迅速起動、正/反轉和停轉及在較寬范圍內平滑調節(jié)。

每個脈沖對應的位移量小且準確、均勻，即要求步進電動機步距小、步距精度高、不丟步或越步，以保證系統精度。

輸出轉矩大，可直接驅動負載工作。2025/2/112.3反應式步進電動機工作原理

反應式步進電動機是根據磁阻性質產生轉矩，遵循磁通總是沿磁阻最小路徑閉合的原理，由磁拉力形成驅動轉矩。

定子鐵心為凸極式，共有3對（三相）6個磁極，不帶小齒，磁極上繞有控制繞組，相對兩個磁極的繞組串聯，組成一相控制繞組。轉子為凸極結構，有4個均勻分布的齒，沒有繞組。2025/2/112.3反應式步進電動機工作原理

2.3.1通電方式分析

步進電動機有單相輪流通電、雙相輪流通電和單、雙相輪流通電三種通電方式。“單”是指每次切換前后只有一相繞組通電，“雙”是指每次切換前后有兩相繞組通電。定子勵磁繞組每改變一次通電狀態(tài)，稱為一拍。三相反應式步進電動機的工作原理圖2025/2/112.3反應式步進電動機工作原理

三相單三拍通電

A相通電，B、C相不通電，轉子齒1、3的軸線向定子A極軸線對齊，轉子只受徑向力，無切向力，轉矩為零，被鎖定在這個位置。通電順序為A—B—Ｃ—Ａ

B相通電，定子B極軸線使最靠近的轉子齒2、4軸線向其對齊，轉子在空間順時針旋轉30°。

C相通電，定子C極軸線使最靠近的轉子齒1、3軸線向其對齊，轉子在空間順時針再旋轉30°。

轉子齒與齒的角度稱齒距角，4個齒，一個齒距角為90°。

轉子每步轉過的角度稱為步距角，一個步距角為30°。2025/2/112.3反應式步進電動機工作原理

三相單三拍通電

通電順序改為A—Ｃ—B—A時，轉子按逆時針方向一步一步轉動。

改變通電順序即改變轉子旋轉方向。2025/2/112.3反應式步進電動機工作原理

三相雙三拍通電

若按ABBCCA順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時通電。

與單三拍相似，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)。AB通電CA'BB'C'A3412BC通電3412CA'BB'C'ACA通電CA'BB'C'A3412

電動機改變狀態(tài)時，總有一相繞組持續(xù)通電，起電磁阻尼作用，工作平穩(wěn)，三相單三拍時因沒有這種阻尼，轉子到達新的平衡位置后會產生振蕩，穩(wěn)定性遠不如雙三拍通電。2025/2/112.3反應式步進電動機工作原理

三相單雙六拍通電

按三相單雙六拍AABBBCC

CA順序給三相繞組輪流通電，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)。這種方式可以獲得更精確的控制特性。

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

，到達上圖所示位置。

B相通電，轉子2、4齒與B、B′對齊,又轉過15

。

B、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

。2025/2/112.3反應式步進電動機工作原理

在微型或小型機器人實際應用中常需要較小的步距角如3°、1.5°等，因此電動機的定子磁極和轉子鐵心加工成多齒形。它定子上有3對磁極，每對磁極上繞有一相繞組，定子磁極上帶有小齒，轉子齒數很多的反應式步進電動機，其步距角可以做到很小。2.3.2小步距角步進電動機2025/2/112.4混合式步進電動機工作原理

定子、轉子都有小齒，轉子永磁體分兩段，軸向勵磁，且左、右轉子相互錯開半個齒距。當一段鐵心的齒與定子某相極下的齒對齊時，另一段鐵心的齒便與該極下的槽對齊。

轉子由兩段鐵心和夾在中間的永磁體組成。轉子鐵心一段為N極，另一段為S極。永磁磁路也是軸向的，從轉子N極端到定子I端，軸向到定子的II端、轉子S極端，經磁體閉合。

定子有兩對磁極，磁極下有小齒，每一對磁極上繞有一相繞組，通電時這兩個磁極極性相反。2.4.1兩相混合式步進電動機結構2025/2/112.4混合式步進電動機工作原理

混合式步進電動機是在永磁磁場和變磁阻原理共同作用下工作。

若轉子永磁體沒有充磁，只給定子控制繞組通電和定子繞組不通電，僅有轉子永磁體磁場作用，電動機均不產生轉矩。只有轉子永磁磁場與定子磁場相互作用，電動機才會產生電磁轉矩。

在轉子永磁體充磁且有某一相通電的情況下，轉子就有使通電相磁路的磁阻為最小的穩(wěn)定平衡位置，而混合式步進電動機定、轉子異極性的磁極下磁阻最小，同極性的磁極下磁阻最大。2.4.1兩相混合式步進電動機工作原理

2025/2/112.4混合式步進電動機工作原理

兩相單四拍通電兩相單四拍運行是在U、V兩相繞組內按UVU-V-U順序通入正、反方向電流。U相繞組正向通電V相不通電，建立UU’為軸線的磁場。此時U相磁極為S極，U’為N極。U相磁極與N段轉子齒軸線重合，與S段轉子齒錯開1/2齒距。此時，V相磁極與轉子齒錯開1/4齒距。在U相斷電V相繞組正向通電，建立以VV’為軸線的磁場。此時V相磁極為S極V’為N極，轉子沿順時針方向轉過1/4齒距，V相磁極與N段轉子齒軸線重合，與S段轉子齒錯開1/2齒距。在V相斷電U相繞組反向通電，建立以UU’為軸線的磁場。此時U相磁極為N極U’為S極，轉子沿順時針方向再次轉過1/4齒距，

到達U相磁極與S段轉子齒軸線重合，并與N段轉子齒錯開1/2齒距。2025/2/112.4混合式步進電動機工作原理

兩相單四拍通電兩相單四拍運行是在U、V兩相繞組內按UVU-V-U順序通入正、反方向電流。在U相斷電V相繞組反向通電，建立以VV’為軸線的磁場。此時V相磁極為N極V’為S極，轉子繼續(xù)沿順時針方向轉過1/4齒距，

到達V相磁極與S段轉子齒軸線重合，并與N段轉子齒錯開1/2齒距。

連續(xù)不斷地按UVU-V-U的順序分別給各相繞組通電，每改變一次通電狀態(tài)，轉子就沿順時針方向轉過1/4齒距，且循環(huán)通電一次轉子轉過1個齒距。若改變通電順序，以UV-U-VU的順序給各相繞組通電，就可改變轉向，使步進電動機沿逆時針方向旋轉。2025/2/112.4混合式步進電動機工作原理

兩相雙四拍通電兩相雙四拍按UVU-VU-V-UV-UV順序給U、V兩相繞組同時正向通電U、V兩相繞組同時正向通電，建立以UV兩相磁極幾何中線為軸線的磁場。此時U、V兩磁極都為S極。U、V兩磁極和U’V’兩磁極與N段轉子齒軸線分別錯開1/8齒距和3/8齒距，與S段分別錯開3/8齒距和1/8齒距。U-V、U-V-、UV-

通電分析類似。

兩相雙四拍運行按UVU-VU-V-UV-UV順序通電，電動機沿順時針方向轉動，且每改變一次通電狀態(tài)，電動機轉過1個步距角（即1/4齒距角）。

若按UVUV-U-V-U-VUV順序通電，按逆時針方向轉動。

與單四拍運行方式相比，雙四拍運行方式因兩相繞組同時通電，所以產生的電磁轉矩較大，帶負載能力更強。2025/2/112.5步進電動機基本特點

1.每相脈沖信號頻率步進電動機工作時，每相控制繞組不是恒定通電，而是通過環(huán)形分配器按一定規(guī)律控制驅動電路導通和關斷，給各相繞組輪流通電。

按三相雙三拍運行的環(huán)形分配器有1路輸入，輸出有U、V、W三路，起始時U、V有電壓，則輸入1個控制脈沖信號后，就變?yōu)閂、W有電壓，再輸入1個控制脈沖信號，則變?yōu)閃、U有電壓，再輸入1個控制脈沖信號，又變?yōu)閁、V有電壓。

環(huán)形分配器輸出的各路控制脈沖信號，經各自的放大器放大后送入步進電動機各相繞組，使步進電動機一步步地轉動起來。2025/2/112.5步進電動機基本特點

1.每相脈沖信號頻率

步進電動機每循環(huán)1次所包含的通電狀態(tài)數稱為狀態(tài)數或拍數。

狀態(tài)數等于相數稱為單拍制分配方式（三相單三拍），等于相數的兩倍稱為雙拍制分配方式（三相六拍）。

同一臺電動機可有多種分配方式，但不管哪種分配方式，每循環(huán)1次，控制電脈沖的個數總等于拍數N，而加在每相繞組上的脈沖電壓或電流個數為1，因而控制脈沖信號頻率f

是每相脈沖電壓或電流頻率fp

的N倍，即2025/2/112.5步進電動機基本特點

2.齒距角和步距角

步進電動機每輸入1個電脈沖信號，轉子轉過的角度稱為步距角θb。

轉子相鄰兩齒間的夾角稱為齒距角θt。

ZR為轉子的齒數。

減小步距角：①增加拍數，即增加相數和采用雙拍制。但是相數越多，電源即電機結構越復雜。②增加轉子齒數。

N為轉子轉過1個齒距所需要的拍數，N=Km；m為電動機的相數；K為通電系數，相數=拍數，K=1，否則K=2。2025/2/112.5步進電動機基本特點

3.齒距角誤差不會長期累積

由于定、轉子的齒距分度或氣隙不均勻，實際步距角和理論步距角之間存在偏差，即步距角誤差。

當轉子轉過一定步數，步距角會產生累積誤差，但是每轉1周都有固定的步數，當轉子轉過1周后又恢復到原來位置，累積誤差將變?yōu)榱恪?/p>

步進電動機的步距角只有周期性誤差，而無累積誤差。2025/2/112.5步進電動機基本特點

4.轉速

每輸入1個脈沖信號，轉子轉過的角度是整個圓周角的1/(ZRN)即轉過1/(ZRN)圈，因此每分鐘轉子所轉過的圓周數，即轉速為

轉速取決于脈沖頻率、轉子齒數和拍數，而與電壓、負載和溫度等因素無關。

改變通電順序，即改變定子磁場旋轉的方向，就可控制電動機正轉或反轉。

f為控制脈沖的頻率。

脈沖頻率f一定時，步距角越小，電動機轉速越低，輸出功率越小。2025/2/112.5步進電動機基本特點5.自鎖能力

當控制脈沖停止輸入，而讓最后一個脈沖控制的繞組繼續(xù)通電時，電動機可以保持在固定位置上，即停在最后一個脈沖控制的角位移的終點位置上。這樣步進電動機可以實現停車時轉子的準確定位。

一臺三相反應式步進電動機采用三相六拍運行方式，轉子齒數ZR為40，脈沖頻率f為800Hz。試求解以下問題：

寫出一個循環(huán)的通電順序。

求步進電動機的步距角。

求步進電動機的轉速。

求步進電動機每秒轉過的角度。2025/2/112.5步進電動機基本特點

寫出一個循環(huán)的通電順序。因為采用了三相六拍運行方式，所以通電順序為U

UV

V

VW

W

WU

U

或U

UW

W

WV

V

VU

U

求步進電動機的步距角。三相六拍運行步進電動機步距角為

求步進電動機的轉速。

或

求步進電動機每秒轉過的角度?；?025/2/112.6反應式步進電動機運動特性

2.6.1靜態(tài)特性當步進電動機各相繞組按一定順序通入控制脈沖時，轉子就一步步地轉動。當控制脈沖停止時，若某相繞組仍通入幅值不變的直流電，轉子將固定在某一位置保持不動，稱為靜止狀態(tài)。靜止狀態(tài)下即使有小的擾動，轉子偏離此位置，也會在磁力的作用下恢復原位。

初始穩(wěn)定平衡位置空載情況下，控制繞組中通以直流電時轉子的最后穩(wěn)定平衡位置，即定子、轉子齒軸線重合的位置。此處電磁轉矩（即靜轉矩）為零。

單相通電2025/2/112.6反應式步進電動機運動特性

步進電動機轉子偏離初始穩(wěn)定平衡位置的電角度。

不改變通電狀態(tài)，控制繞組電流不變時，步進電動機靜轉矩隨轉子失調角的變化規(guī)律，即。2.失調角3.矩角特性

為時產生的電磁轉矩2025/2/112.6反應式步進電動機運動特性

2.6.2動態(tài)特性

連續(xù)運行狀態(tài)

當控制脈沖頻率達到一定數值之后，頻率再升高，步進電機因受到定子繞組電感影響，負載能力下降。

控制脈沖頻率升高，步進電機鐵心中渦流迅速增加，熱損耗和阻轉矩使輸出功率和動態(tài)轉矩下降。

動態(tài)轉矩

運行矩頻特性

在一定控制脈沖頻率范圍內，隨頻率升高，功率和轉速都相應提高，超出該范圍，隨頻率升高轉矩下降，帶載能力也逐漸下降，到某一頻率后，就帶不動任何負載，而且只要受到一個很小的擾動，就會振蕩、失步以致停轉。2025/2/112.6反應式步進電動機運動特性

控制電源脈沖頻率連續(xù)提高時，在一定負載下，步進電機能正常連續(xù)運行（不丟步、不失步）所能加到的最高頻率稱為最高連續(xù)運行頻率或最高跟蹤頻率。

最高連續(xù)運行頻率與負載有關，分空載運行頻率和額定負載運行頻率，且空載大于額定。

最高連續(xù)運行頻率

高頻振蕩

反應式步進電動機在脈沖電壓的頻率相當高的情況下，有時會出現明顯的振蕩現象。因為此時控制繞組內電流產生振蕩，相應地使轉子轉動不均勻，以致失步。但脈沖頻率若快速越過這一頻段，電動機仍能繼續(xù)穩(wěn)定運行，這一現象稱為高頻振蕩。2.6.2動態(tài)特性

連續(xù)運行狀態(tài)2025/2/112.6反應式步進電動機運動特性

在給定驅動電源的條件下，負載轉動慣量一定時，啟動頻率與負載轉矩的關系。

當電動機帶負載轉矩啟動時，負載轉矩越大，作用在電機轉子上的加速轉矩（電磁轉矩-負載轉矩）就越小，電動機就越不易啟動，當有較低的脈沖頻率時電動機才可能啟動。

啟動頻率隨負載轉矩增大呈下降趨勢。

啟動矩頻特性2.6.2動態(tài)特性

啟動狀態(tài)2025/2/112.6反應式步進電動機運動特性

在給定驅動電源的條件下，負載轉矩不變，啟動頻率與負載轉動慣量的關系。

隨轉動慣量的增大，在一定的脈沖周期內轉子加速過程將變慢，難于趨向平衡。要電機啟動，也需要較長脈沖周期使電機加速，即要求降低脈沖頻率。

啟動頻率隨轉動慣量增大呈下降趨勢。

啟動慣頻特性2.6.2動態(tài)特性

啟動狀態(tài)2025/2/112.6反應式步進電動機運動特性

電機正常啟動時（不丟步、不失步）所能施加的最高控制頻率。是衡量步進電機快速性能的重要指標。

啟動頻率比連續(xù)運行頻率低。

增大電機動態(tài)轉矩；減小轉動部分轉動慣量；增加拍數，減小步距角，均可實現步進電機啟動頻率的提高。

啟動頻率2.6.2動態(tài)特性

啟動狀態(tài)2025/2/112.7步進電動機驅動控制

2.7.1驅動控制器步進電機驅動控制

步進電動機驅動器通過外加控制脈沖，按環(huán)形分配器分配方式，控制各相繞組導通或截止，從而產生步進運動。

步進電機工作性能除取決于自身性能因素外，還取決于驅動器性能優(yōu)劣。

步進電機與驅動器構成一個整體，統稱為步進電機系統，其運行性能是電動機本體和驅動器兩者配合所反映出來的綜合效果。

控制器組成

控制器由脈沖發(fā)生器、脈沖分配器和功率放大器組成。2025/2/112.7步進電動機驅動控制

驅動控制器的相數、電壓、電流和通電方式都要滿足步進電動機的要求。

驅動控制器的頻率要滿足步進電動機起動頻率和連續(xù)運行頻率的要求。

能最大限度地抑制步進電動機的振蕩，提高系統穩(wěn)定性。

工作可靠，抗干擾能力強。

成本低，效率高，安裝和維護方便。

對驅動控制器的要求2.7.1驅動控制器2025/2/112.7步進電動機驅動控制2.7.2功率驅動電路步進電動機的驅動電路實際上是一種脈沖功率放大電路，使脈沖具有一定功率驅動能力。由于功率放大器的輸出直接驅動電動機繞組，因此，功率放大電路的性能對步進電動機的運行性能影響很大。單電壓限流型驅動電路高低壓切換型驅動電路PWM（脈寬調制）型驅動電路細分驅動電路2025/2/112.7步進電動機驅動控制2.7.2功率驅動電路

單電壓限流型驅動電路

L是電動機繞組，VT是無觸點電子開關，C加速電容，VD在晶體管VT截止時起續(xù)流和保護作用，防止晶體管截止瞬間繞組產生的反電勢使晶體管擊穿。

缺點：R上有功率消耗。

只用于動態(tài)性能要求不高的小功率步進電動機驅動。2025/2/112.7步進電動機驅動控制2.7.2功率驅動電路

高低壓切換型驅動電路

高壓供電，用于快速提升電流，低壓供電，用于維持穩(wěn)態(tài)電流。

Ub1低壓脈沖，Ub2高壓脈沖。

t1-t2，高壓加到電機繞組上，使電流迅速上升，t2時刻，低壓維持。

優(yōu)點：功率損耗小，動態(tài)響應好。2025/2/112.7步進電動機驅動控制2.7.2功率驅動電路

PWM（脈寬調制）型驅動電路

步進信號為高電平，VT2導通，比較器輸出高電平，恒頻斬波脈寬調制信號V1控制D觸發(fā)器輸出高電平，VT1導通。比較器輸出低電平，D觸發(fā)器被復位，輸出低電平，VT1關斷。

恒頻脈寬調制功率放大電路實際上是一個電流負反饋控制電路。

恒頻脈寬調制功率放大電路具有很好的高頻特性，穩(wěn)定的電流輸出，有效地減少了電機噪聲，同時還降低了功耗。2025/2/112.7步進電動機驅動控制2.7.2功率驅動電路

細分驅動電路

細分驅動控制又稱為微步距控制，把步進電動機的步距角減小，電機轉動近似勻速運動，在任何位置準確停步。

實現階梯波電流的方法：①順序脈沖發(fā)生器形成等幅等寬脈沖，用脈沖放大器進行放大，繞組疊加。適用于中、大功率步進電動機驅動。

順序脈沖發(fā)生器形成等幅等寬脈沖，用加法器合成后經過功率放大器進行放大。適用于微、小型步進電動機驅動。2025/2/112.8步進電動機在六自由度切削機器人中的應用2.8.1應用概述步進電動機因具有低速大轉矩、定位精度高、控制簡單、無累積誤差、可靠性高和成本低的優(yōu)點，在機器人領域特別是在低轉速高轉矩工況下步進電動機是機器人最理想的驅動源。使步距角和機械系統相匹配，便于得到所需的脈沖當量。正確計算機械系統的負載轉矩，使電動機矩頻特性滿足機械負載要求。估算負載慣量和機器人起動頻率，使之與步進電機慣性頻率特性相匹配。合理確定脈沖當量和傳動鏈的傳動比。

機器人對步進電機選型遵循的原則2.8步進電動機在六自由度切削機器人中的應用2.8.2應用案例切削機器人主要由機身（腰部）、臂部（大臂、小臂）、腕部以及末端操作器（電主軸）組成，是具有六個回轉關節(jié)的串聯機器人。在加工過程中切削不同表面形狀工件，要求機器人有足夠靈活的腕部，到達空間任意位置、完成各種姿態(tài)的動作。

運動執(zhí)行部件及位置檢測裝置選用步進電動機和編碼器。

反饋運動件實際參數，接收到的參數信息與理論參數對比，若到達了理論位置，運動軸PC不發(fā)出脈沖信號，否則發(fā)出控制指令，直到運動軸到達理論位置，降低步進電機到機械執(zhí)行器間的傳動誤差。2.8步進電動機在六自由度切削機器人中的應用2.8.2應用案例

控制系統上位機采用PC，下位機采用可編程多軸運動控制卡。

按功能分為主控制器單元、底層控制器單元和伺服系統單元。

主控制器單元由PC組成，運動機械手控制主程序。

底層控制器單元控制機械手的位置和速度。

伺服單元由步進電機和驅動控制器組成，是機械手的動力源。

可編程控制器采用運動控制卡，控制電機執(zhí)行各種運動指令，滿足各運動精度要求。本章小結電機步距角步進電機控制矩角特性步進電動機步進電動機將電脈沖信號變換為相應的角/線位移。步進電動機輸出的角/線位移與輸入的脈沖數成正比，轉速/線速度與輸入的脈沖頻率成正比。步進電動機由專門電源供給電脈沖。每輸入一個電脈沖信號，轉子轉過的角度為步距角，它由轉子齒數和運動拍數所決定。矩角特性上的轉矩最大值（即最大靜轉矩）表示電機承受負載的能力，一般通過增加相數的方式來提高轉矩大小。是步進電機最主要的性能指標。步進電動機驅動器通過外加控制脈沖，按環(huán)形分配器決定的分配方式，控制步進電動機各相繞組的導通或截止，從而使電動機產生步進運動。

2025/2/11第3章機器人直流伺服電動機驅動及控制●學習目標掌握直流伺服電機結構和勵磁方式掌握直流伺服電機工作原理了解直流伺服電機技術參數掌握直流伺服電機控制方式和特性掌握直流伺服電機動態(tài)特性了解常見特種伺服電機結構和特點了解直流伺服電機在足球機器人中的應用01020304050607

伺服電動機控制系統又稱隨動系統，是用來精確地跟隨或復現某個過程的反饋控制系統。

很多情況下，伺服系統專指被控制量（系統的輸出量）是機械位移或速度、加速度的反饋控制系統。作用是使輸出的機械位移/轉角準確地跟蹤輸入的位移/轉角。3.1概述伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統中用作執(zhí)行元件。將輸入的電壓信號變換成轉軸的角位移或角速度，來驅動控制對象。輸入的電壓信號又稱為控制信號或控制電壓。改變控制電壓可改變伺服電動機的轉速和轉向。伺服電動機定義伺服電動機直流伺服電動機良好的調速性能、較大的起動轉矩及快速響應交流伺服電動機結構簡單、運行可靠、維護方便。2025/2/113.1概述

調速范圍廣。電機轉速隨控制電壓的變化能在更寬范圍內連續(xù)調節(jié)。

機械特性和調節(jié)特性線性化。線性的機械特性和調節(jié)特性利于提高機器人動態(tài)精度。

無“自轉”現象。在控制電壓為零時能自行停轉。

響應速度快。轉速能隨控制電壓的改變而迅速變化。

可承受高強度工作環(huán)境，需要進行頻繁換向和加減速運行，可承受短時的數倍過載。

體積小，重量輕，使用壽命長，方便配合機器人的體形。工業(yè)機器人對伺服電動機的基本要求2025/2/113.2直流伺服電動機基本結構和勵磁方式

3.2.1基本結構

直流伺服電機有永磁式和電磁式兩種類型。

電磁式直流伺服電機按勵磁方式分為他勵、并勵、串勵和復勵四種。

由定子（固定部分）和轉子（旋轉部分）兩大部分組成。定、轉子之間存在氣隙。

定子用來安裝磁極和電機自身的支撐，包括定子鐵心、勵磁繞組、機殼、端蓋和電刷裝置等。

轉子用來感應電勢和實現能量轉換，稱為電樞，包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器和軸等。2025/2/113.2直流伺服電動機基本結構和勵磁方式

定子鐵心和勵磁繞組

小容量直流伺服電機定子鐵心將磁極和磁軛連為一體，用0.35-0.5mm厚的電工鋼片的沖片疊壓而成。機殼由鋁合金澆鑄而成。

勵磁繞組由銅線繞制而成，包上絕緣材料后套在磁極上。當勵磁繞組通以直流電時，產生磁通，形成N、S極。

上述勵磁方式稱為電磁式。定子磁極還可以用永磁體制成，稱為永磁式。2025/2/113.2直流伺服電動機基本結構和勵磁方式

電樞鐵心和電樞繞組

電樞鐵心用0.35-0.5mm厚的電工鋼片的沖片疊壓而成。鐵心上的槽放置繞組，電樞鐵心也是主磁通磁路的組成部分。為減少鐵心的渦流損耗，鐵心沖片兩面要有絕緣層。

絕緣銅導線嵌入槽中，兩端按照一定規(guī)律接到換向器上組成電樞繞組。2025/2/113.2直流伺服電動機基本結構和勵磁方式

換向器和電刷

換向器是由許多換向片（銅片）疊裝而成。換向片之間用塑料或云母絕緣，各換向片和元件相連。換向器有金屬套筒式換向器和塑料換向器。

電刷放在電刷座中，用彈簧將它壓在換向器上，和換向器有良好的滑動接觸。

電刷和換向器的作用是將電樞繞組中的交變電勢轉換成電刷間的直流電勢。2025/2/113.2直流伺服電動機基本結構和勵磁方式

3.2.2勵磁方式

直流伺服電機按勵磁繞組與電樞繞組不同的連接方式分他勵、并勵、串勵和復勵四種。2025/2/113.3直流伺服電動機工作原理

3.3.1工作原理概述

加在直流伺服電機上的直流電源，借助換向器和電刷，使直流電機電樞線圈中流過的電流方向交變，電樞產生的電磁轉矩方向恒定不變，確保直流伺服電機以確定方向連續(xù)旋轉。2025/2/113.3直流伺服電動機工作原理

3.3.2感應電動勢和電磁轉矩

電動機工作時轉子線圈在磁場中轉動切割磁感線，線圈將產生感應電動勢。式中Ea電樞電動勢；φ一對磁極磁通；n電樞旋轉速度；Ke電動勢常數，與電機結構有關。

電機轉子線圈中有電流，則處于磁場中的線圈導體必然會受到電磁力的作用。式中T電樞繞組電磁轉矩；φ一對磁極磁通；Km轉矩常數電磁轉矩T與每極磁通量φ和電樞電流Ia的乘積成正比。2025/2/113.4直流伺服電動機技術參數和運行特點

3.4.1技術參數

額定功率：電動機在額定狀態(tài)下運行時的輸出功率。

額定電壓：額定狀態(tài)下運行，勵磁繞組和電樞控制繞組上應加的電壓額定值。

額定電流：額定電壓下，驅動負載為額定功率時繞組中的電流。

額定轉速：額定電壓下，輸出額定功率時的轉速。調速范圍一般在額定轉速以下。

額定轉矩：電動機在額定狀態(tài)下運行時的輸出轉矩。

最大轉矩：電動機在短時間內輸出的最大轉矩，反映了電動機的瞬時過載能力。最大轉矩一般可達額定轉矩的5-10倍。2025/2/113.4直流伺服電動機技術參數和運行特點3.4.2運行特點

穩(wěn)定性好

可控性好

響應迅速

直流伺服電機具有較硬的機械特性，能夠在較寬的速度范圍內穩(wěn)定運行。

直流伺服電機具有線性調節(jié)作用，通過控制電樞電壓大小和極性，可控制轉速和轉向。當電樞電壓為零時，由于轉子慣量小，電機能立即停止。

直流伺服電機具有較大啟動轉矩和較小轉動慣量，控制信號輸入、增加、減小或消失的瞬間，電機能夠快速起動、增速、減速或停止。2025/2/11

3.5直流伺服電動機控制方法和運行特性3.5.1控制方式

電樞回路中的電壓平衡方程式為

改變電樞電壓Ua和改變勵磁磁通φ都可改變電動機的轉速?？刂品绞剑?/p>

電樞控制控制電樞電壓Ua（永磁式直流伺服電機）

磁場控制控制磁通φ將式代入上式，可得出電樞電流Ia表示式為：進一步變換可得：2025/2/113.5直流伺服電動機控制方法和運行特性3.5.2運行特性

直流伺服電機運行特性指機械特性和調節(jié)特性。由轉速公式：將式代入上式，可得：機械特性指直流電動機的轉速n與電磁轉矩T之間的關系曲線，即n=f(T)轉矩—轉速特性。

機械特性n0理想空載轉速。k機械特性的斜率，表示電機機械特性的硬度，即電磁轉矩變化所引起的轉速變化程度。2025/2/113.5直流伺服電動機控制方法和運行特性

機械特性

當電機的電樞電壓及磁通均為額定值（即U=UN，φ=φN），且電樞回路沒有外接電阻時的機械特性稱為固有機械特性，又稱自然特性。方程式為：

人為機械特性

固有機械特性需滿足三個條件，即U=UN，φ=φN和電樞回路沒有外接電阻。改變其中任何一個條件，都會使電動機的機械特性發(fā)生變化。人為機械特性是指通過改變這些參數所得到的機械特性。2025/2/113.5直流伺服電動機控制方法和運行特性

電樞回路串接附加電阻

機械特性方程式為：

與固有特性相比，人為機械特性特點：

理想空載轉速相同

轉速降變大，即特性變軟。Rad越大，特性越軟。

電樞回路串接附加電阻時的人為機械特性可用于直流伺服電機的啟動及調速。2025/2/113.5直流伺服電動機控制方法和運行特性

改變電樞電壓

機械特性方程式為：

與固有特性相比，人為機械特性特點：

理想空載轉速隨電壓變化而變化，特性斜率不變。

轉速降不變，較串電阻時的人為機械特性硬。

降低電壓，電動機轉速降低。

不同電樞電壓的人為機械特性曲線均在固有機械特性曲線之下調節(jié)。

改變電樞電壓時的人為機械特性常用于需要平滑調速的場合。2025/2/113.5直流伺服電動機控制方法和運行特性

改變磁通

機械特性方程式為：

與固有特性相比，人為機械特性特點：

理想空載轉速隨磁通減弱而上升。

轉速降增加（減弱磁通），機械特性變軟。

特性曲線上移且變軟（減弱磁通）。

減弱磁通可用于平滑調速，但調速范圍不大。2025/2/113.5直流伺服電動機控制方法和運行特性

繪制機械特性曲線

他勵直流伺服電動機的固有機械特性和人為機械特性都是直線。繪制固有機械特性曲線時，常選擇理想空載點（0，n0）和額定工作點（TN，nN）這兩個特殊點。

計算電樞電阻

計算電樞電阻

計算理想空載轉速

計算額定電磁轉矩2025/2/113.5直流伺服電動機控制方法和運行特性

例題

固有機械特性

一臺他勵直流伺服電動機，PN=10kW，UN=220V，IN=50A，nN=1500r/min，額定負載，求解以下問題：

固有機械特性。

電樞回路串電阻Rad=0.4Ω時人為機械特性和轉速nRN。

電源電壓降低為110V時的人為機械特性和轉速。

減弱磁通φ=0.8φN時的人為機械特性和轉速

。2025/2/113.5直流伺服電動機控制方法和運行特性

串電阻時的人為機械特性和轉速

電壓降低時的人為機械特性和轉速

計算額定電磁轉矩

固有機械特性2025/2/113.5直流伺服電動機控制方法和運行特性上述四步對應的機械特性曲線

減弱磁通時的人為機械特性和轉速2025/2/113.5直流伺服電動機控制方法和運行特性

調節(jié)特性

調節(jié)特性：電動機在一定的負載轉矩下，穩(wěn)態(tài)轉速n隨電樞電壓Ua變化的關系。當負載轉矩TL保持不變時，電機軸上總阻轉矩Ts=TL+T0也保持不變，電機穩(wěn)態(tài)運行時

調節(jié)特性為一上翹的直線。調節(jié)特性與橫軸交點Ua0稱為始動電壓，是電機處在待動而未動的臨界狀態(tài)時的控制電壓。

Ua0∝Ts，即負載轉矩越大，始動電壓越高?？刂齐妷簭牧愕経a0電動機不轉動，稱為死區(qū)。負載越大，死區(qū)也越大。2025/2/113.5直流伺服電動機控制方法和運行特性

調節(jié)特性

當電動機轉速很低時，其轉動不均勻，出現時快、時慢，甚至暫時停轉現象，稱為低速運轉的不穩(wěn)定性。產生原因：

電樞齒槽影響。低速時，反電勢平均值很小，電樞齒槽效應引起電勢脈動增大，導致電磁轉矩波動明顯。

電刷接觸壓降影響。低速時，控制電壓很低，電刷和換向器間的接觸壓降不穩(wěn)定，影響電樞上電壓，導致輸出轉矩不穩(wěn)定。

電刷和換向器之間摩擦影響。低速時，電刷和換向器間的摩擦轉矩不穩(wěn)定，造成電機初始阻轉矩不穩(wěn)定，導致總阻轉矩不穩(wěn)定。

低速運轉的不穩(wěn)定性在控制系統中造成誤差。當要求電機在低轉速下運行時，必須在控制線路中采取措施，使其轉速平穩(wěn)，或者選用低速穩(wěn)定性好的直流力矩電動機。2025/2/113.6直流伺服電動機動態(tài)特性

調節(jié)特性：電動機在一定的負載轉矩下，穩(wěn)態(tài)轉速n隨電樞電壓Ua變化的關系。當負載轉矩TL保持不變時，電機軸上總阻轉矩Ts=TL+T0也保持不變，電機穩(wěn)態(tài)運行時

Ua0∝Ts，即負載轉矩越大，始動電壓越高?？刂齐妷簭牧愕経a0電動機不轉動，稱為死區(qū)。負載越大，死區(qū)也越大。

動態(tài)特性:電樞控制下，電樞繞組上加階躍電壓，電機轉速和電樞電流隨時間變化的規(guī)律。這是處在過渡過程中的動態(tài)問題。

當電機工況發(fā)生變化時，總存在著一個過渡過程，即由一個穩(wěn)定運轉狀態(tài)變化到另一個穩(wěn)定運轉狀態(tài)，需要經歷一段時間才能完成。

產生過渡過程原因主要是電動機中存在著機械和電磁兩種慣性。轉動慣量和電感是產生機械過渡過程和電磁過渡過程的主要因素。

電磁過渡過程所需時間比機械過渡過程短得多，許多場合，只考慮機械過渡過程，忽略電磁過渡過程。2025/2/113.6直流伺服電動機動態(tài)特性其解為：

3.6.1過渡過程分析

研究電動機過渡過程，是將過渡過程中的物理規(guī)律用微分方程表示。過渡過程中，電磁轉矩和感應電勢：動態(tài)電壓平衡方程式：轉矩平衡方程式：上式化簡整理：大多數情況下，特別是放大器內阻與電樞繞組相串聯時，則有τm遠大于τd，τd忽略不計，上式簡化為：τm為機電時間常數，τd為電磁時間常數，n0為理想空載轉速。

2025/2/113.6直流伺服電動機動態(tài)特性

3.6.1過渡過程分析

機電時間常數τm：電動機空載狀態(tài)下，勵磁繞組加額定勵磁電壓，電樞加階躍額定控制電壓時，轉速從零上升到理想空載轉速的63.2%所需要的時間。3τm為過渡過程時間。

3.6.2機電時間常數與電動機參數的關系

電機過渡過程時間的長短主要由機電時間常數τm來決定。

機電時間常數τm與旋轉部分的轉動慣量J、電樞回路電阻Ra成正比。

機電時間常數表示了電機過渡過程時間的長短，反映了電動機轉速跟隨信號變化的快慢程度，是伺服電機一項重要的動態(tài)性能指標。一般直流伺服電動機的機電時間常數在十幾毫秒到幾十毫秒之間。2025/2/113.7特種直流伺服電動機

直流伺服電動機因具有起動轉矩大、調速范圍廣、機械特性和調節(jié)特性線性度好、控制方便等優(yōu)點，獲得了廣泛的應用。

但是，因直流伺服電動機存在轉子鐵心且鐵心有齒和槽，具有轉動慣量大、機電時間常數大和靈敏度差，低速轉矩波動大、轉動不平穩(wěn)，換向火花大、壽命短和無線電干擾大等性能上的缺陷，其應用受到一定的限制。直流伺服電動機克服上述缺點直流力矩電動機低慣量直流伺服電動機2025/2/113.7特種直流伺服電動機

3.7.1直流力矩電動機

基本結構

力矩電機是一種能低速運轉并產生較大轉矩的控制電機。能和負載直接相連，帶動負載在堵轉或遠低于空載轉速下運轉的電動機。

具有反應速度快、轉矩和轉速波動小、能在低轉速下穩(wěn)定運行、機械特性和調節(jié)特性線性度好等優(yōu)點，特別適用于在位置伺服系統和低速伺服系統中作為執(zhí)行元件。

直流力矩電動機工作原理和普通直流伺服電動機相同。

一般直流伺服電動機為減少轉動慣量，大部分做成細長的圓柱形。而直流力矩電動機為能在相同體積和電樞電壓下，產生比較大的轉矩和較低的轉速，一般做成圓盤狀。2025/2/11

3.7特種直流伺服電動機

基本特點

轉矩大

從直流電機基本工作原理可知，每根導體所受的電磁力和電磁轉矩為電磁轉矩為N電樞繞組總的導體數；D電樞鐵心直徑。

式中近似為常數，電磁轉矩T與直徑D近似呈正比例關系。

轉速低

外加電壓與感應電勢相等，列平衡方程式即

式中不變情況下，理想空載轉速n0與直徑D成反比例。

其他條件相同，增大電動機直徑，減小軸向長度，有利于增加電機轉矩和降低空載轉速。2025/2/113.7特種直流伺服電動機2025/2/11

3.7.2低慣量型直流伺服電動機

杯形電樞直流伺服電動機

與傳統直流伺服電機相比，低慣量型直流伺服電機具有時間常數小、響應速度快的特點。

低慣量型直流伺服電機主要形式有杯形電樞直流伺服電機、盤形電樞直流伺服電機和無槽電樞直流伺服電機。

空心杯轉子可由單個線圈，沿圓柱面排列成杯形或直接繞成導線杯，再用環(huán)氧樹脂熱固化定型，也可采用印制繞組。

外定子裝有永久磁鋼，內定子由軟磁材料制成起磁軛作用?？招谋姌兄苯友b在電機軸上，在內、外定子間氣隙中旋轉。磁阻大，磁通勢利用率低。常用高性能永磁材料作磁極。3.7特種直流伺服電動機2025/2/11

杯形電樞直流伺服電機機械慣性小，控制靈敏度高，無控制死區(qū)，體積可做得非常小且重量輕。但堵轉轉矩小，目前它的容量還不能做得很大，是一種微型伺服電動機。

杯形電樞直流伺服電動機性能特點低慣量靈敏度高損耗小，效率高力矩波動小，低速運轉平穩(wěn)，噪聲低換向性能好，壽命長

杯形電樞直流伺服電機大多應用于高精度的自動控制系統及測量裝置等設備中。3.7特種直流伺服電動機2025/2/11

盤形電樞直流伺服電動機

盤形電樞特點：電樞直徑遠大于長度，電樞有效導體沿徑向排列，定子與轉子之間的氣隙為軸向平面氣隙，主磁通沿軸向通過氣隙。圓盤中電樞繞組可以是印制繞組或