机电一体化剖析

1、机电一体化控制系统 机电一体化剖析 伺服系统伺服系统概述概述 (1) (1) 伺服系统的一般组成伺服系统的一般组成 (2) (2) 伺服系统的分类伺服系统的分类 (3) (3) 机电一体化装备对伺服系统的要求机电一体化装备对伺服系统的要求 机电一体化剖析 伺服系统伺服系统(servomechanism)(servomechanism)是使是使 物体的位置、方位、状态等输出被控物体的位置、方位、状态等输出被控 量能够跟随输入目标（或给定值）的量能够跟随输入目标（或给定值）的 任意变化的自动控制系统。任意变化的自动控制系统。 机电一体化剖析 伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服主要靠脉冲

2、来定位，基本上可以这样理解， 伺服电机接收到伺服电机接收到1 1个脉冲，就会旋转个脉冲，就会旋转1 1个脉冲对应的个脉冲对应的 角度，从而实现位移。角度，从而实现位移。 因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所 以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的 脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应， 或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉 冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回

3、来，这样， 就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的 定位，可以达到定位，可以达到0.001mm0.001mm。 机电一体化剖析 伺服系统的一般组成伺服系统的一般组成 控制器控制器 + + 功率放大功率放大 + + 执行元件执行元件+ + 机械部件机械部件 + + 检测装置检测装置 机电一体化剖析 伺服系统的分类伺服系统的分类 按执行元件分类按执行元件分类 机电一体化剖析 伺服系统的分类伺服系统的分类 按控制原理分类按控制原理分类 5 51 1 步步 进进 电电 机机 及及 控控 制制 5 52 2 交流伺服电机及控制交流伺服电机及控制 5 53

4、 3 交流电机变频调速交流电机变频调速 5. 4 5. 4 机电装备伺服系统的机电装备伺服系统的 动力方法设计动力方法设计 第五章 电 机 及 控 制 机电一体化系统机电一体化系统 应用最多的电机应用最多的电机 步进电机步进电机 伺服电机伺服电机 交流伺服电机交流伺服电机 直流伺服电机直流伺服电机 调速电机调速电机 交流变频交流变频 直流调速直流调速 机电一体化剖析 1 1 步进电动机步进电动机结构与工作原理结构与工作原理 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元 件。件。 步进电动机的分类：步进电动机的分类： 工作原理工作原

5、理 反应式反应式 励磁式励磁式 混合式混合式 输出转输出转 矩大小矩大小 快速步进电机快速步进电机 功率步进电机功率步进电机 励磁相数励磁相数 二、三、四、五、六、八相等二、三、四、五、六、八相等 角位移角位移输入脉冲个数输入脉冲个数 运行速度运行速度输入脉冲频率输入脉冲频率 5.1 步步 进进 电电 机机 及及 控控 制制 机电一体化剖析 顾名思义：步进电机是一步步转动的顾名思义：步进电机是一步步转动的 每输入一个电脉冲，电机的的转子就每输入一个电脉冲，电机的的转子就 转过一个固定的角度。转过一个固定的角度。 因此，可以很方便地将电脉冲转换成角位移因此，可以很方便地将电脉冲转换成角位移 特点

6、特点 步步 进进 电电 机机 及及 控控 制制 1 1）定位精度高）定位精度高 2 2）没有积累误差）没有积累误差 3 3）转换速度不快，毫秒级）转换速度不快，毫秒级 机电一体化剖析 (1)(1)、步进电动机的组成、步进电动机的组成 如图所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图如图所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图 定子：由定子铁心、绕组、绝缘定子：由定子铁心、绕组、绝缘 材料等组成材料等组成 励磁绕组由外部脉冲信号对各励磁绕组由外部脉冲信号对各 相绕组轮流励磁。如图所示。相绕组轮流励磁。如图所示。 AA K1 K2 K3 B C B C 转子：由转子铁心、转轴等组成。转子铁心是由硅

7、钢片或软磁材转子：由转子铁心、转轴等组成。转子铁心是由硅钢片或软磁材 料叠压而成的齿形铁心料叠压而成的齿形铁心。 机电一体化剖析 (2)(2)、步进电动机的工作原理、步进电动机的工作原理 给给A A相绕组通电时，转子位相绕组通电时，转子位 置如图（置如图（a a），转子齿偏离定），转子齿偏离定 子齿一个角度。子齿一个角度。 由于励磁由于励磁磁通力图沿磁阻磁通力图沿磁阻 最小路径通过最小路径通过，因此对转子，因此对转子 产生电磁吸力，迫使转子齿产生电磁吸力，迫使转子齿 转动，当转子转到与定子齿转动，当转子转到与定子齿 对齐位置时对齐位置时( (图图b)b)，因转子只，因转子只 受径向力而无切线力

8、，故转受径向力而无切线力，故转 矩为零，转子被锁定在这个矩为零，转子被锁定在这个 位置上。位置上。 由此可见：错齿是助使步由此可见：错齿是助使步 进电机旋转的根本原因。进电机旋转的根本原因。 机电一体化剖析 (2)(2)、步进电动机的工作原理、步进电动机的工作原理 机电一体化剖析 工作原理工作原理 T11-2.SWFT11-2.SWF 结论：结论： 通电顺序为通电顺序为ABAB时，转子按顺时针方向一步一步转动时，转子按顺时针方向一步一步转动 通电顺序改为通电顺序改为A A，时，转子按逆时针方向一步一步转，时，转子按逆时针方向一步一步转 动。动。T11-3.SWFT11-3.SWF (3)(3)

9、、步进电动机的通电方式、步进电动机的通电方式 1. 1. 单相通电方式：指对每相绕组单独轮流通电，对于三相步单相通电方式：指对每相绕组单独轮流通电，对于三相步 进电动机：进电动机： 正转：正转：AB时，转子按顺时针方向一步一步转动。时，转子按顺时针方向一步一步转动。 反转：反转：A时，转子按逆时针方向一步一步转动。时，转子按逆时针方向一步一步转动。 2. 2. 单、双拍工作方式：单、双拍工作方式： 正转：正转：A-AB-B-BC-C-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A 反转：反转：A-CA-C-BC-B-AB-AA-CA-C-BC-B-AB-A 3. 3. 双拍工作方式：双拍工作方式：

10、正转：正转：AB-BC-CA-ABAB-BC-CA-AB 反转：反转：AC-CA-BC-ACAC-CA-BC-AC 机电一体化剖析 (4)(4)、步进电动机的步距角、步进电动机的步距角 由一个通电状态改变到下一个通电状态时，电动机转子所转过由一个通电状态改变到下一个通电状态时，电动机转子所转过 的角度称为步距角。的角度称为步距角。T11-2.SWFT11-2.SWF 360360 / /ZKmZKm 其中：其中：Z Z转子齿数转子齿数 m m定子绕组相数定子绕组相数 K K通电系数通电系数 ，或状态系数，或状态系数 K K=1,2=1,2 若二相步进电动机的若二相步进电动机的Z=100，单拍运

11、行时，单拍运行时， K K=1 =1 其步距角其步距角 8 . 1 1002 360 9 . 0 10022 360 若按单、双通电方式运行时，若按单、双通电方式运行时， K K=1,2 =1,2 步距角步距角 机电一体化剖析 由此可见，步进电动机的转子齿数由此可见，步进电动机的转子齿数Z Z和定子相数和定子相数( (或运行或运行 拍数拍数) )愈多，则步距角愈小，控制越精确。愈多，则步距角愈小，控制越精确。 当定子控制绕组按着一定顺序不断地轮流通电时，步进当定子控制绕组按着一定顺序不断地轮流通电时，步进 电动机就持续不断地旋转。如果电脉冲的频率为电动机就持续不断地旋转。如果电脉冲的频率为f

12、f(HZ)(HZ)，步，步 距角用弧度表示，则步进电动机的转速为：距角用弧度表示，则步进电动机的转速为： f KmZ f KmZ f n 60 60 2 2 60 2 机电一体化剖析 (5)(5)、步进电动机的主要性能指标、步进电动机的主要性能指标 1. 步距角步距角 2. 最大工作频率：在转子不失步的情况下，电动机连续工作时，最大工作频率：在转子不失步的情况下，电动机连续工作时， 输入脉冲信号的最大频率。输入脉冲信号的最大频率。 速速 度度 3. 最大突跳频率：在转子不失步的情况下，电动机能增加和减最大突跳频率：在转子不失步的情况下，电动机能增加和减 小的最大频率。小的最大频率。 4. 步距

13、差：理想的步矩角与实际的步矩角之差。步距差：理想的步矩角与实际的步矩角之差。 5. 输出转矩：电动机轴上的输出转矩的大小输出转矩：电动机轴上的输出转矩的大小 步进电动机的输出转矩与脉冲频率的函数关系称为矩频特性。步进电动机的输出转矩与脉冲频率的函数关系称为矩频特性。 机电一体化剖析 2 2 步进电动机的驱动电源步进电动机的驱动电源 (1) (1)、驱动电源的组成、驱动电源的组成 脉脉 冲冲 分分 配配 器器 功放电路功放电路 三三 相相 步步 进进 电电 机机 负载负载 功率电功率电 源源 分配器电源分配器电源 功放电路功放电路 功放电路功放电路 功率放大器功率放大器 步进脉冲步进脉冲 方向信

14、号方向信号 f A B C 脉冲分配器+功率放大电路 机电一体化剖析 1). 脉冲分配器脉冲分配器 当方向电平为低时，脉冲当方向电平为低时，脉冲 分配器的输出按分配器的输出按A-B-CA-B-C的顺序的顺序 循环产生脉冲。循环产生脉冲。 f A B C 当方向电平为高时，脉当方向电平为高时，脉 冲分配器的输出按冲分配器的输出按A-C-BA-C-B的顺的顺 序循环产生脉冲。序循环产生脉冲。 A B C f 2).功率放大器功率放大器 将脉冲分配器的输出信号进行电流放大后给电动机的定子绕组供将脉冲分配器的输出信号进行电流放大后给电动机的定子绕组供 电，使电动机的转子产生输出转矩。电，使电动机的转子

15、产生输出转矩。 机电一体化剖析 (2)(2)、步进电动机的脉冲分配器、步进电动机的脉冲分配器 步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法来实现步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法来实现。 硬件环形分配器：由计数器等数字电路组成的。有较硬件环形分配器：由计数器等数字电路组成的。有较 好的响应速度，且具有直观、维护方便等优点。好的响应速度，且具有直观、维护方便等优点。 软件环分：由计算机接口电路和相应的软件组成的。受软件环分：由计算机接口电路和相应的软件组成的。受 到微型计算机运算速度的限制，有时难以满足高速实时控到微型计算机运算速度的限制，有时难以满足高速实时控 制的要求。制的要求。 1).

16、1).硬件环形分配器硬件环形分配器 机电一体化剖析 B Q C Q C Q A Q A Q B Q W- QA CAJ K A Q + & & QB CBJ K B Q + & & R W+ QC CBJ K C Q + & & R S CP 复位 & & & A相 B相C相 机电一体化剖析 B Q C Q C Q A Q A Q B Q W- QA CAJ K A Q + & & QB CBJ K B Q + & & R W+ QC CBJ K C Q + & & R S CP 复位 & & & A相 B相C相 1). 1).硬件环形分配器硬件环形分配器 分配器的主体是分配器的主体是 3 3

17、 个个J-KJ-K触发触发 器的器的Q Q输出端分别经各自的功放输出端分别经各自的功放 与步进电机的与步进电机的A A、B B、C C绕组连接，绕组连接， 当当QA=1 AQA=1 A绕组通电绕组通电 QB=1 BQB=1 B绕组通电绕组通电 QC=1 CQC=1 C绕组通电绕组通电 W W是步进电机的正反转的控制信是步进电机的正反转的控制信 号号 机电一体化剖析 序号序号 控制信号状态控制信号状态输出状态输出状态 导电绕组导电绕组 CAJ CBJ CCJQA QB QC 0 01 1 01 1 01 0 01 0 0A A 1 10 1 00 1 01 1 01 1 0ABAB 2 20 1

18、 10 1 10 1 00 1 0B B 3 30 0 10 0 10 1 10 1 1BCBC 4 41 0 11 0 10 0 10 0 1C C 5 51 0 01 0 01 0 11 0 1CACA 6 61 1 01 1 01 0 01 0 0A A 机电一体化剖析 2) 2)软件环形分配软件环形分配 软件环分的方法是利用计算机程序来设定硬件接口的位状软件环分的方法是利用计算机程序来设定硬件接口的位状 态，从而产生一定的脉冲分配输出。态，从而产生一定的脉冲分配输出。 a) a) 输出接口输出接口 8031 8031单片机本身包单片机本身包 含含4 4个个8 8位位I/OI/O端口，分

19、别端口，分别 为为P0P0、P1P1、P2P2、P3P3。 输出接口是将计算机的输出端与步进电动机的每相绕组一一输出接口是将计算机的输出端与步进电动机的每相绕组一一 对应起来。对应起来。 8031 P1.0 P1.1 P1.2 A B C 驱驱 动动 器器 若要实现三相步进若要实现三相步进 电动机的脉冲分配，需电动机的脉冲分配，需 要三根输出口线，本例要三根输出口线，本例 中选中选P1P1口的口的P1.0P1.0、P1.1P1.1、 P1.2P1.2位作为脉冲分配的位作为脉冲分配的 输出。输出。 机电一体化剖析 b) b) 输出模型输出模型 如果三相步进电动机按单、双拍通电方式工作，即如果三相

20、步进电动机按单、双拍通电方式工作，即: : 正转：正转：A-AB-B-BC-C-CAA-AB-B-BC-C-CA 反转：反转：A-AC-C-CB-B-BCA-AC-C-CB-B-BC 根据根据80318031单片机的基本原理，对单片机的基本原理，对P P1.0 1.0、 、 P P1.1 1.1、 、 P P1.2 1.2位编程使其按 位编程使其按 表规定改变输出状态就实现了三相六拍分配任务。表规定改变输出状态就实现了三相六拍分配任务。 P P1.7 1.7 通电通电 相相 X XX XX XX XX X0 00 01 1A A X XX XX XX XX X0 01 11 1ABAB X X

21、X XX XX XX X0 01 10 0B B X XX XX XX XX X1 11 10 0BCBC X XX XX XX XX X1 10 00 0C C X XX XX XX XX X1 10 01 1CACA P P1.5 1.5 P P1.4 1.4 P P1.3 1.3 P P1.2 1.2 P P1.1 1.1 P P1.0 1.0 P P1.6 1.6 机电一体化剖析 P1 P1输送的内容依次为：输送的内容依次为： 01H A01H A 03H AB03H AB 02H B02H B 06H BC06H BC 04H C 04H C 05H CA05H CA 正正 转转 反

22、反 转转 输出模型输出模型 c) c) 控制程序控制程序 按正转和反转的要求将输出模按正转和反转的要求将输出模 型向型向P1P1口发送，并控制步进电动机口发送，并控制步进电动机 的速度。的速度。 设输出模型存放在存储器中，首设输出模型存放在存储器中，首 地址为地址为2000H2000H，地址指针为，地址指针为DPR,DPR,初始值初始值 为为2000H2000H。 机电一体化剖析 初始化初始化 正转正转 （DPR）P1 调用延时子程序调用延时子程序 (DPR)=05H DPR-5DPR PR+1DPR （DPR）P1 调用延时子程序调用延时子程序 (DPR)=01H PR+5DPR DPR-1

23、DPR NN NY YY 机电一体化剖析 (3)(3)、步进电动机的功率放大电路、步进电动机的功率放大电路 步进电动机的功率驱动电路实际上是一种脉冲放大电路，使脉步进电动机的功率驱动电路实际上是一种脉冲放大电路，使脉 冲具有一定的功率驱动能力。冲具有一定的功率驱动能力。 由于功率放大器的输出直接驱动电动机绕组，因此，功率放大由于功率放大器的输出直接驱动电动机绕组，因此，功率放大 电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。 1. 1.单电压驱动电路单电压驱动电路 R C RD V L +U VT L是电动机绕组是电动机绕组 VT开关晶体管开关晶体管 电阻

24、电阻R两端并联电容两端并联电容C，使电流上升更快，使电流上升更快， 所以，电容所以，电容C又称为加速电容。又称为加速电容。 二极管二极管V在晶体管在晶体管VT截止时起续流和保护截止时起续流和保护 作用，串联电阻使电流下降更快，从而使绕作用，串联电阻使电流下降更快，从而使绕 组电流波形后沿变陡。组电流波形后沿变陡。 机电一体化剖析 2). 2).高低压切换型驱动电路高低压切换型驱动电路 R V1 L +80V Ub1 VT1 Ub2 VT2 V2 +12V Ub1 0 t Ub2 0 t I 0 t t1 t2 t3 高低压驱动线路的优点是：功耗小，启动力矩大，突跳频率和高低压驱动线路的优点是：

25、功耗小，启动力矩大，突跳频率和 工作频率高。缺点是：工作频率高。缺点是：。 数量要多用一倍，增加了驱动电源。数量要多用一倍，增加了驱动电源。 机电一体化剖析 步进电机的细分驱动步进电机的细分驱动 从步进电机的原理看从步进电机的原理看 精度、平稳性都有限精度、平稳性都有限 步进电机的细分原理步进电机的细分原理 步进电机是一种电流驱动元件。改变步进电机是一种电流驱动元件。改变 步进电机各相电流的大小，就能使转子相对于每步进电机各相电流的大小，就能使转子相对于每 个驱动脉冲的变化量转变，使原有的平衡位置间个驱动脉冲的变化量转变，使原有的平衡位置间 增加新的平衡点，从而实现了步距细分增加新的平衡点，从

26、而实现了步距细分 机电一体化剖析 伺服电机（伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制机）是指在伺服系统中控制机 械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。 伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将 电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。 在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信 号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。 分为直流和交流伺服电动

27、机两大类，其主要特点是，分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是， 当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加 而匀速下降。而匀速下降。 5.2 交流交流伺服电动机伺服电动机 机电一体化剖析 伺服电机（伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制）是指在伺服系统中控制机械元件机械元件运转的发动机，运转的发动机， 是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准 确，可以将确，可以将电压电压信号转化为信号转化为转矩转矩和转速以驱动控制对象。在自动控制系

28、统和转速以驱动控制对象。在自动控制系统 中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速 度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压 为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。交流伺服电动机交流伺服电动机 在自动控制系统中用作执行元件。其任务是将输入的电压信号在自动控制系统中用作执行元件。其任务是将输入的电压信号 变换成转轴的角位移或角速度的变化。输入的电压信号称为控变换成转轴

29、的角位移或角速度的变化。输入的电压信号称为控 制信号或控制电压，改变控制电压的大小和极性可以改变伺服制信号或控制电压，改变控制电压的大小和极性可以改变伺服 电动机的转速及方向。电动机的转速及方向。 交流伺服电动机的交流伺服电动机的 电源频率为电源频率为50Hz50Hz时，电压是时，电压是3636，110110，220220，380V380V； 电源频率为电源频率为400 Hz400 Hz时，电压是时，电压是2020，2626，3636，115V115V。 自动控制系统对交流伺服电动机的基本要求有以下几点：自动控制系统对交流伺服电动机的基本要求有以下几点： 1 1）良好的可控性）良好的可控性单相

30、供电时无自转现象。单相供电时无自转现象。 2 2）运行稳定）运行稳定转速随转矩的增加而均匀下降。转速随转矩的增加而均匀下降。 3 3）快速响应）快速响应接到信号能快速起动，失去信号能自接到信号能快速起动，失去信号能自 行制动并迅速停止转动。行制动并迅速停止转动。 5.2 交流交流伺服电动机伺服电动机 机电一体化剖析 特点特点 与普通电动机相比：与普通电动机相比： 5.2 交流交流伺服电动机伺服电动机 2 2）转子的惯性小）转子的惯性小 3 3）控制功率小）控制功率小 1 1）调速范围宽）调速范围宽 转速随着控制电压的改变，转速随着控制电压的改变， 能在宽广的范围内连续调节能在宽广的范围内连续调

31、节 能实现迅速的启动和停止能实现迅速的启动和停止 过载能力强过载能力强 机电一体化剖析 特点特点 与步进电机与相比：与步进电机与相比： 5.2 交流交流伺服电动机伺服电动机 2 2）低频特性不同）低频特性不同 3 3）矩频特性不同）矩频特性不同 1 1）控制精度不同）控制精度不同 4 4）过载能力不同）过载能力不同 5 5）运行性能不同）运行性能不同 6 6）速度响应性能不同）速度响应性能不同 机电一体化剖析 特点特点 与步进电机与相比：与步进电机与相比： 5.2 交流交流伺服电动机伺服电动机 1 1）控制精度不同）控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为两相混合式步进电机步距角一般为3.

32、63.6、 1.81.8，五相混合式步进，五相混合式步进 电机步距角一般为电机步距角一般为0.72 0.72 、0.360.36。也有一些高性能的步进电机步距角。也有一些高性能的步进电机步距角 更小。更小。 如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为 0.090.09；德国百格拉公司（；德国百格拉公司（BERGER LAHRBERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其）生产的三相混合式步进电机其 步距角可通过拨码开关设置为步距角可通过拨码开关设置为1.81.8、0.90.9、0.720.72、0.360.36、0.18

33、0.18、 0.090.09、0.0720.072、0.0360.036，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全 数字式交流伺服电机为例，对于带标准数字式交流伺服电机为例，对于带标准25002500线编码器的电机而言，由于驱线编码器的电机而言，由于驱 动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360360/10000=0.036/10000=0.036。 对于带对于带1717位编码器的电机而言，驱

34、动器每接收位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072217=131072个脉冲电机个脉冲电机 转一圈，即其脉冲当量为转一圈，即其脉冲当量为360360/131072=9.89/131072=9.89秒。是步距角为秒。是步距角为1.81.8的步进的步进 电机的脉冲当量的电机的脉冲当量的1/6551/655。 机电一体化剖析 特点特点 与步进电机与相比：与步进电机与相比： 5.2 交流交流伺服电动机伺服电动机 2 2）低频特性不同）低频特性不同 步进电机步进电机 在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱 动器性能有关，一般认为振

35、动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步 进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。 当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象， 比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机交流伺服电机 运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。 交流伺服系统具有共振

36、抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部 具有频率解析机能（具有频率解析机能（FFTFFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整），可检测出机械的共振点，便于系统调整 机电一体化剖析 特点特点 与步进电机与相比：与步进电机与相比： 5.2 交流交流伺服电动机伺服电动机 3 3）矩频特性不同）矩频特性不同 步进电机步进电机 的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧 下降，所以其最高工作转速一般在下降，所以其最高工作转速一般在300300600RPM600RPM。 交流伺服电

37、机交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM2000RPM或或 3000RPM3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 4 4）过载能力不同）过载能力不同 步进电机步进电机 一般不具有过载能力。一般不具有过载能力。 交流伺服电机交流伺服电机 具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例， 它具有速度过载和转矩过载能力。它具有速度过载和转矩过载能力。 其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯其最大转

38、矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯 性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力 矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么 大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 机电一体化剖析 特点特点 与步进电机与相比：与步进电机与相比： 5.2 交流交流伺服电动机伺服电动机 5 5）运行性能不同）运行性能不同 步进电机步进电机 的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢的控制为开环

39、控制，启动频率过高或负载过大易出现丢 步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制 精度，应处理好升、降速问题。精度，应处理好升、降速问题。 交流伺服驱动系统交流伺服驱动系统 为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反 馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢 步或过冲的现象，控制性能更为可靠。步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 6 6）速度响应性能不同）速度响应性能不同 步进电机步进电机

40、从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要 200200400400毫秒。毫秒。 交流伺服系统交流伺服系统 的加速性能较好，以松下的加速性能较好，以松下MSMA 400WMSMA 400W交流伺服电交流伺服电 机为例，从静止加速到其额定转速机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启仅需几毫秒，可用于要求快速启 停的控制场合般不具有过载能力。停的控制场合般不具有过载能力。 机电一体化剖析 5.2 交流交流伺服电动机伺服电动机 机电一体化剖析 5.2 交流交流伺服电动机伺服电动机 机电一体化剖析 综上所述

41、，交流伺服系统在许多性综上所述，交流伺服系统在许多性 能方面都优于步进电机。但在一些要能方面都优于步进电机。但在一些要 求不高的场合也经常用步进电机来做求不高的场合也经常用步进电机来做 执行电动机。执行电动机。 所以，在控制系统的设计过程中要所以，在控制系统的设计过程中要 综合考虑控制要求、成本等多方面的综合考虑控制要求、成本等多方面的 因素，选用适当的控制电机。因素，选用适当的控制电机。 机电一体化剖析 分类及产品名称代号分类及产品名称代号 根据转子型式的不同，可分为根据转子型式的不同，可分为 鼠笼式鼠笼式 非磁性杯形非磁性杯形 磁性杯形磁性杯形 绕线转子绕线转子 目前，鼠笼转子伺服电动机的

42、应用最为广泛，非磁性杯形转子目前，鼠笼转子伺服电动机的应用最为广泛，非磁性杯形转子 型式主要用于某些要求低速和运行平滑的系统。型式主要用于某些要求低速和运行平滑的系统。 交流交流伺服伺服 电动机电动机 机电一体化剖析 本章主要讨论本章主要讨论 鼠笼转子鼠笼转子 和和 非磁性杯形转子非磁性杯形转子伺服电动机伺服电动机 交流伺服电动机的型号命名也由四部分组成。其中，机座号表示机壳交流伺服电动机的型号命名也由四部分组成。其中，机座号表示机壳 外径，产品名称代号见表外径，产品名称代号见表 交流伺服电动机产品名称代号 序 号 产品名称代号含义 1鼠笼转子两相伺服电动机SL伺、鼠 2空心杯转子两相伺服电动

43、机SK伺、空 3绕线转子两相伺服电动机SX伺、线 55SL27-5J55SL27-5J 表示表示 5555号机座鼠笼转子两相伺服电动机，第号机座鼠笼转子两相伺服电动机，第2727个性能参数序号的产品，安装个性能参数序号的产品，安装 型式派生为型式派生为K4K4型；型； 轴伸型式派生为螺纹销钉孔轴伸、双轴伸型式。轴伸型式派生为螺纹销钉孔轴伸、双轴伸型式。 交流交流伺服伺服 电动机电动机 机电一体化剖析 结构与特点结构与特点 交流伺服电动机的定子结构与一般异步电动机相似；交流伺服电动机的定子结构与一般异步电动机相似； 但它的定子绕组一般制成两相，两相绕组在空间相差但它的定子绕组一般制成两相，两相绕

44、组在空间相差90900 0 电角度。电角度。 鼠笼转子结构鼠笼转子结构 转子转子 空心杯转子结构空心杯转子结构 交流交流伺服伺服 电动机电动机 和三相鼠笼式电动机类似和三相鼠笼式电动机类似 通常用铝合金或铜合金制成通常用铝合金或铜合金制成 的空心的薄壁圆筒；的空心的薄壁圆筒； 为了减少磁阻，空心杯转子为了减少磁阻，空心杯转子 内放置内定子内放置内定子 机电一体化剖析 结构与特点结构与特点 交流交流伺服伺服 电动机电动机 鼠笼转子结构鼠笼转子结构 机电一体化剖析 结构与特点结构与特点 交流交流伺服伺服 电动机电动机 空心杯转子结构空心杯转子结构 机电一体化剖析 结构与特点结构与特点 鼠笼转子结构

45、和空心杯转子结构鼠笼转子结构和空心杯转子结构，这两种交流伺服电动机的转，这两种交流伺服电动机的转 子结构、特点和使用范围见表子结构、特点和使用范围见表 目前，我国交流伺服电动机的生产以鼠笼转子为主，其主要原因是这目前，我国交流伺服电动机的生产以鼠笼转子为主，其主要原因是这 类电机性能优良，结构简单，可靠性好，生产方便，成本低廉。类电机性能优良，结构简单，可靠性好，生产方便，成本低廉。 两种交流伺服电动机特点 种 类 转 子 结 构 特 点使 用 范 围 鼠 笼 型 与 一 般 鼠 笼 转 子 异 步 电 动 机 的 转子结 构相 似；但转 子做 得细而长 ， 通常 长度与直 径的 比值选择 在

46、 2 4 左 右 ， 以 减 少 转 动 惯 量 ， 并 且 还 加 大了转 子电 阻。定转 子间 气隙很小 ， 最小可达 0.025mm 在 相 同 的 性 能 指 标 下 ， 鼠 笼 式 比 非 磁 性 式 体 积 小 ， 重 量 轻 ， 效率 高；起动 电压小 ，灵 敏度高 ， 激 磁 电 流 较 小 ， 机 械 强 度 较 高 ， 可 靠 性 好 ， 环 境 适 应 性 好 。 低 速 运转时不够平滑，有抖动现象 广 泛 应 用 于 小 功 率 自 动 控 制 系统 非 磁 性 杯 形 内 外 定 子 均 由 硅 片 叠 成 ， 空 心 杯 转 子 由 铝 合 金 、 紫 铜 等 制

47、成 ， 杯 的 内 外 由 内 、 外 定 子 构 成 磁 路 ， 杯 壁很 薄 ，仅 0.20.8mm， 外定 子 铁 心 槽 中 放 置 空 间 相 距900电 角 度 的 两 相 分 布 绕 组 ， 内 定 子 一 般 不 放 绕 组 转子电 阻较大 ，转动 惯量小 。 由 于 转 子 无 齿 槽 故 运 行 平 稳 ， 噪 声 小 。 但 由 于 气 隙 较 大 ， 激 磁 电 流 也 较 大 ， 电 机 功 率 因 数 较 低 ， 体 积 和 重 量 均 比 同 容 量 的 鼠 笼 式 交流伺服电动机大得多 主 要 用 于 要 求 低 噪 声 及 平 稳 的 某 些 系统。 机电一体

48、化剖析 基本工作原理基本工作原理 伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/WU/V/W三相电形成电磁场，转子三相电形成电磁场，转子 在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反 馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精 度（线数）度（线数） 所示为两相交流伺服电动机的原理图。图中所示为两相交流伺服电动机的原理图。图中J J1 1-J-J2 2是由

49、固定电压激磁的激磁绕组，是由固定电压激磁的激磁绕组， K K1 1-K-K2 2是由伺服放大器供电的控制绕组。两相绕组的轴线在空间互差是由伺服放大器供电的控制绕组。两相绕组的轴线在空间互差90900 0电角。电角。 两相绕组分别以相位两相绕组分别以相位 互差互差90900 0的电压。的电压。 其中：其中： U Uj j=U=Um msintsint U Uk k=U=Um mcost cost 机电一体化剖析 如果两相绕组产生的磁势幅值相等，就称电动机处于对称如果两相绕组产生的磁势幅值相等，就称电动机处于对称 状态。状态。 这时，两相绕组在定、转子之间的气隙中产生的合成磁势是这时，两相绕组在定

50、、转子之间的气隙中产生的合成磁势是 一个圆形旋转磁场，其转速一个圆形旋转磁场，其转速n ns s称为同步转速。称为同步转速。 旋转磁场切割转子导体产生转子感应电动势旋转磁场切割转子导体产生转子感应电动势E ERD RD和电流 和电流I IRD RD。 。 I IRD RD和旋转磁场相互作用产生电磁转矩 和旋转磁场相互作用产生电磁转矩T Tdc dc： ： T Tdc dc=C =C I IRD RD 式中式中C C 转矩常数； 转矩常数； 每极磁通。每极磁通。 于是，转子随旋转磁场旋转。转子实际旋转速度为于是，转子随旋转磁场旋转。转子实际旋转速度为n n，转差，转差 率为率为 s s = =（

51、 n ns s- n- n）/ n/ ns s 转子静止时转子静止时 n=0 n=0 s s =1 =1 ； n ns s = n = n s s =0=0 机电一体化剖析 讨论讨论： 1 1）若控制电压改变）若控制电压改变180180，则电机反向；，则电机反向； 2 2）若控制电压一旦取消，电机变成单向供电，继续转动）若控制电压一旦取消，电机变成单向供电，继续转动 不能停；不能停； 解决办法解决办法 研究研究机械特性机械特性(?)(?) 转矩转矩T T和转速和转速n n（转差率（转差率S S）的关系称为电动机的机械特性）的关系称为电动机的机械特性 两相交流伺服电动机本身有阻尼转矩（例如：磨擦

52、转矩和两相交流伺服电动机本身有阻尼转矩（例如：磨擦转矩和 附加转矩），它对小功率电动机影响较大，所以，两相交流伺附加转矩），它对小功率电动机影响较大，所以，两相交流伺 服电动机在对称状态下的空载转速服电动机在对称状态下的空载转速n n0 0比一般异步电动机要低得比一般异步电动机要低得 多，不同步状态下的空载转速更低。多，不同步状态下的空载转速更低。 机电一体化剖析 性能特点性能特点 转矩转矩T T和转速和转速n n（转差率（转差率S S）的关系称为）的关系称为 电动机的机械特性。电动机的机械特性。 实验得出：实验得出： 转子电阻大小不同的异步电动机机械特性转子电阻大小不同的异步电动机机械特性

53、不同，不同， 转子电阻越大，机械特性下垂转子电阻越大，机械特性下垂 正常运转的伺服电动机，只要失去控制电正常运转的伺服电动机，只要失去控制电 压，电机立即停止运转。压，电机立即停止运转。 当伺服电动机失去控制电压后，它处于单当伺服电动机失去控制电压后，它处于单 相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个 相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生 的两个转矩特性（的两个转矩特性（T1T1S1S1、T2T2S2S2曲线）以曲线）以 及合成转矩特性（及合成转矩特性（T TS S曲线）如图曲线）如图4 4所示，与所示，与 普通的单相

54、异步电动机的转矩特性（图中普通的单相异步电动机的转矩特性（图中TT S S曲线）不同。这时的合成转矩曲线）不同。这时的合成转矩T T是制动转是制动转 矩，从而使电动机迅速停止运转。矩，从而使电动机迅速停止运转。 机电一体化剖析 当当U Uj j=0 =0 控制电压为零，单向供电控制电压为零，单向供电 ，单向激励，单向激励 也实现了在运转过程中，一旦控制信号消失以后自行制动，使转子迅也实现了在运转过程中，一旦控制信号消失以后自行制动，使转子迅 速停止转动。速停止转动。 转子电阻越大，机械特性越接近于直线，但堵转转矩和最大输出功率也转子电阻越大，机械特性越接近于直线，但堵转转矩和最大输出功率也 越

55、小，效率也越低。越小，效率也越低。 大的转子电阻和下垂的机械特性是两相交流伺服电动机与一般异步电动大的转子电阻和下垂的机械特性是两相交流伺服电动机与一般异步电动 机的本质区别。机的本质区别。 当当U Uj j=0 =0 控制电压为零，单向供电控制电压为零，单向供电 ， 单向激励单向激励 用对称分量法可以分解成一对幅值相等、用对称分量法可以分解成一对幅值相等、 以相同转速向相反方向旋转的以相同转速向相反方向旋转的F FA A和和F FB B。它们。它们 分别产生转矩分别产生转矩T TA A和和T TB B，T TA A 和 和T TB B的合成转矩的合成转矩T T在在 二、四象限，二、四象限，T

56、 T是正时是正时n n是负，是负，T T是负时是负时n n是正。是正。 所以所以T T是制动转矩。制动转矩保证了单相供电是制动转矩。制动转矩保证了单相供电 不产生自转现象；不产生自转现象； 机电一体化剖析 图是伺服电动机单图是伺服电动机单 相运行时的机械特性曲相运行时的机械特性曲 线。线。 负载一定时，负载一定时， 控制电压控制电压UcUc愈高，愈高， 转速也愈高，转速也愈高， 在控制电压一定在控制电压一定 时，负载增加，转速下时，负载增加，转速下 降。降。 机电一体化剖析 运行特点运行特点 由于两相交流伺服电动机控制绕组所接受的电压（幅值或由于两相交流伺服电动机控制绕组所接受的电压（幅值或

57、相位）是根据偏差信号而变化的，控制电压常处于非额定状态。相位）是根据偏差信号而变化的，控制电压常处于非额定状态。 所以两相经常是不对称的。所以两相经常是不对称的。 处于不对称状态下的两相绕组产生的磁势，或是幅值不同处于不对称状态下的两相绕组产生的磁势，或是幅值不同 或是相位差不为或是相位差不为90900 0。 两相不对称程度越大，正序磁场越小，负责磁场会越大，堵两相不对称程度越大，正序磁场越小，负责磁场会越大，堵 转转矩和空载转速会更低。转转矩和空载转速会更低。 一般异步电动机经常运行在对称状态下，不对称状态属于故一般异步电动机经常运行在对称状态下，不对称状态属于故 障运行；而两相交流伺服电动

58、机是靠不同程度的不对称运行来障运行；而两相交流伺服电动机是靠不同程度的不对称运行来 达到控制目的。这是两相交流伺服电动机在运行上与一般异步达到控制目的。这是两相交流伺服电动机在运行上与一般异步 电动机的根本区别。电动机的根本区别。 机电一体化剖析 交流伺服系统的发展和展望交流伺服系统的发展和展望 1 1、 拖动系统的发展趋势是用交流伺服驱动取拖动系统的发展趋势是用交流伺服驱动取 替传统的液压、直流和步进调速驱动，以便使系统性替传统的液压、直流和步进调速驱动，以便使系统性 能达到一个全新的水平，包括更短的周期、更高的生能达到一个全新的水平，包括更短的周期、更高的生 产率、更好的可靠性和更长的寿命

59、。产率、更好的可靠性和更长的寿命。 因此，交流伺服这样一种扮演重要支柱技术角色因此，交流伺服这样一种扮演重要支柱技术角色 的自动控制系统，在许多高科技领域得到了非常广泛的自动控制系统，在许多高科技领域得到了非常广泛 的应用，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集的应用，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集 成电路制造、办公自动化设备、雷达和各种军用武器成电路制造、办公自动化设备、雷达和各种军用武器 随动系统、以及柔性制造系统（随动系统、以及柔性制造系统（FMSFMSFlexible Flexible Manufacturing SystemManufacturing System）等。）等。

60、 机电一体化剖析 交流伺服系统的发展和展望交流伺服系统的发展和展望 2 2、伺服系统的发展紧密地与伺服电动机的不同发展阶段相联系，伺、伺服系统的发展紧密地与伺服电动机的不同发展阶段相联系，伺 服电动机至今已有五十多年的发展历史，经历了三个主要发展阶段：服电动机至今已有五十多年的发展历史，经历了三个主要发展阶段： 第一个发展阶段（第一个发展阶段（2020世纪世纪6060年代以前），此阶段是以步进电动机驱动年代以前），此阶段是以步进电动机驱动 的液压伺服马达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代，伺服系统的的液压伺服马达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代，伺服系统的 位置控制为开环系统。位置控