第三章执行元件的选择与设计1

1、1第第 三三 章章 执行元件的选择与设计执行元件的选择与设计2 该元件是处于机电一体化系统的该元件是处于机电一体化系统的机械机械运行机构运行机构与与微电子控制装置微电子控制装置的的接点接点（联接）（联接）部位的能量转换元件。部位的能量转换元件。第一节第一节 执行元件的种类、特点及基本要求执行元件的种类、特点及基本要求3一、执行元件的种类及特点一、执行元件的种类及特点执行元件的特点执行元件的特点 表3-145 二、对执行元件的基本要求二、对执行元件的基本要求 1.1.惯量小、动力大：质量、转动惯量惯量小、动力大：质量、转动惯量2.2.体积小、重量轻：比功率体积小、重量轻：比功率3.3.便于维修、

2、安装：免维护便于维修、安装：免维护4.4.宜于微机控制：电动机宜于微机控制：电动机 液动式、气动式液动式、气动式 内燃机内燃机三、“伺服”的含义 Servomechanism “伺服伺服”词源于希腊语词源于希腊语“奴隶奴隶”的意思。的意思。伺服系统应用举例（1）液压仿形车床工作原理图液压仿形车床工作原理图 1.2.3.4节流口5工件6刀具7样件8触销9油缸10油泵伺服系统应用举例（2）机械手手臂伸缩运动的电液伺服系统原理图1电放大器 2电液伺服阀 3液压缸 4机械手手臂 5齿轮齿条机构 6电位器 7步进电机 四四. 伺服系统的定义：伺服系统的定义： (servomechanism)(servo

3、-system） 伺服系统是指实现输出变量精确地跟随或复现输入变量输入变量的控制系统。五、伺服电机伺服电机（伺服电机（servo motor ） 伺服电动机又称伺服电动机又称执行电动机执行电动机，在自动控，在自动控制系统中，制系统中，它的转矩和转速受信号电压精确它的转矩和转速受信号电压精确控制控制。l 当信号电压的大小和相位发生变化时，电动机的转速和转动当信号电压的大小和相位发生变化时，电动机的转速和转动方向将非常灵敏和准确地跟着变化。方向将非常灵敏和准确地跟着变化。l 当信号当信号消失消失时，转子能及时地停转。时，转子能及时地停转。伺服电机的分类伺服电机伺服电机交流伺服电机交流伺服电机直流伺

4、服电机直流伺服电机同步（同步（SM）型：）型：永磁永磁感应（感应（IM）型：）型：异步异步12 第二节第二节 常用的控制用电动机常用的控制用电动机 控制用电动机有力矩电动机、脉冲（步进）电动机、变控制用电动机有力矩电动机、脉冲（步进）电动机、变频调速电动机、开关磁阻电动机和各种频调速电动机、开关磁阻电动机和各种AC/DCAC/DC电动机等。电动机等。控制用电动机控制用电动机是是电气伺服控制系统电气伺服控制系统的动力部件，是将电能转的动力部件，是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。换为机械能的一种能量转换装置。 由于由于其其可在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确的可在很宽的速度和负载范围内进

5、行连续、精确的控制，因而在各种机电一体化系统中得到了广泛的应用。控制，因而在各种机电一体化系统中得到了广泛的应用。 13 控制用电动机控制用电动机有有回转和直线回转和直线驱动电动机，通过驱动电动机，通过电压、电流、电压、电流、频率频率( (包括指令脉冲包括指令脉冲) )等控制，实现定速、变速驱动或反复起动、等控制，实现定速、变速驱动或反复起动、停止的增量驱动以及复杂的驱动，而驱动精度随驱动对象的不停止的增量驱动以及复杂的驱动，而驱动精度随驱动对象的不同而不同。同而不同。14一、对控制用电动机的基本要求一、对控制用电动机的基本要求15 机电一体化系统或产品中常用的控制用电动机是指能机电一体化系统

6、或产品中常用的控制用电动机是指能提供正确运动或较复杂动作的提供正确运动或较复杂动作的伺服电动机伺服电动机。16伺服电动机控制方式的基本形式伺服电动机控制方式的基本形式17 二、二、 制用电动机的种类、特点及选用制用电动机的种类、特点及选用18 伺服电动机的特点及应用实例伺服电动机的特点及应用实例 19伺服电动机的性能比较伺服电动机的性能比较20 伺服电动机优缺点比较伺服电动机优缺点比较 2122232425位置控制26速度控制27转矩控制28三菱伺服驱动器三菱伺服驱动器MR-JE-100BMR-JE-100B1.1.主电路：交主电路：交- -直直- -交交2.2.控制电路：三环控制控制电路：三

7、环控制3.3.接口电路接口电路三环控制：三环控制：1.1.位置环位置环2.2.速度环速度环3.3.电流环电流环29MR-JE-100BMR-JE-100B外围设备的构成外围设备的构成交流电源输入：交流电源输入：L L1-31-3交流电源输出:UVW角编码器接口:CN2伺服放大器：CN1B伺服系统控制器：CN1AI/O通讯：CN3计算机通讯：CN5伺服控制原理 伺服马达与伺服驱动器之间的回授伺服马达与伺服驱动器之间的回授LOOP 1、电流LOOP 伺服马达在驱动时由于负载的关系而产生扭矩的缘故，使得流进马达的电流增大，一旦流进马达的电流过大时会造成马达烧毁的情形。为防止此一情形发生，在马达的输出

8、位置加入电流感测装置，当马达电流超过一定电流时，切断伺服驱动器以保护马达。伺服控制原理 伺服马达与伺服驱动器之间的回授伺服马达与伺服驱动器之间的回授LOOP 2、速度LOOP 此LOOP是用来检测马达的旋转速度是否依照指令旋转之用，相对于控制装置所提供之指令，速度LOOP控制马达的旋转速度。伺服控制原理 3、位置LOOP 此LOOP是用来检测由控制器所输出位置控制指令之后，伺服马达是否移动至指令位置。相对于位置指令值，当检测值过大或过小时，控制伺服马达移动其误差值的部份，达到定位之目的。依据不同的控制系统之需求，在驱动依据不同的控制系统之需求，在驱动器中有三种控制模式器中有三种控制模式可供选择

9、可供选择速度控制速度控制位置控制位置控制扭矩控制扭矩控制扭矩指令输入范围扭矩指令输入范围0 10V【正电压正电压CCW扭力扭力】0 额定扭力额定扭力扭矩控制扭矩控制依据输入电压的大小、达到控制马达输出扭力的目的。扭矩控制 扭矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为 例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm:如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不 转，大于2.5Nm时电机反转（通常在有重力负载情况下产生）。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对

10、应的地址的 数值来实现。应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如绕线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。 速度控制速度控制速度指令输入范围速度指令输入范围0 10V【正电压正电压CCW回转回转】0 额定转速额定转速依据输入电压的大小、达到控制马达输出转速的目的。速度模式 通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机

11、转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。 位置控制位置控制位置指令输入方式位置指令输入方式依据输入的脉波数目、达到控制马达定位的目的。CCW/CW脉冲列A/B相位脉冲列PulseDir位置控制 位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。应用领域如数控机床、印刷机械等等。 直流电机工作原理40主要内容 直流伺服电机直流伺服电机速度控制单元的

12、调速控制方式速度控制单元的调速控制方式调速的概念有两个方面的含义调速的概念有两个方面的含义: :1)1)改变电机转速：当给定速度变化时改变电机转速：当给定速度变化时, ,电机的速度电机的速度随之变化随之变化, ,并希望以最快的加减速达到新的给定速并希望以最快的加减速达到新的给定速度值；度值；2)2)当给定速度不变化时当给定速度不变化时, ,电机的速度保持稳定不变。电机的速度保持稳定不变。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制主要内容直流伺服电机速度控制单元的作用：直流伺服电机速度控制单元的作用：将将转速转速指令信号转换成指令信号转换成电电枢的电压值枢的电压值，达到速度

13、调节的目的。，达到速度调节的目的。直流电机速度控制单元调速方法：直流电机速度控制单元调速方法：1.1.晶闸管（可控硅）调速系统；晶闸管（可控硅）调速系统； 2.2.晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWM Pulse Width ModulatedPWM Pulse Width Modulated）调速系统。）调速系统。 直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式 需对直流电压的大小和方向进行控制需对直流电压的大小和方向进行控制43直流伺服电机的驱动直流伺服电机的驱动主要内容晶闸管调速系统晶闸管调速系统常用于大功率及要求不很高的直流伺服电机调速控制。常用于大功率

14、及要求不很高的直流伺服电机调速控制。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制速度速度调节器调节器电流电流调节器调节器触发脉冲触发脉冲发生器发生器可控硅可控硅整流器整流器电流反馈电流反馈速度反馈速度反馈电流检测电流检测编码器编码器电机电机UR+-UfIfIR+-E1ES控制回路：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。 主回路： 可控硅整流放大器等。晶闸管调速系统 速度环：速度调节（PI），作用：好的静态、动态特性。 电流环：电流调节(P或PI)。作用：加快响应、启动、低频稳定等。 触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。 可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使

15、电机转动。 控制控制回路回路主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。速度环：速度调节，作用：好的静态、动态特性。速度环：速度调节，作用：好的静态、动态特性。电流环：电流调节，作用：系统快速性、稳定性改善。电流环：电流调节，作用：系统快速性、稳定性改善。触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角触发角前移前移或后移或后移。晶闸管调节电路主回路主回路由大功率晶闸管构成的三相全控桥式反并接可逆电路，分成二大部分（由大功率晶闸管构成的三相全控桥式反并接可逆电路，分成二大部分（ 和和 ），每部

16、分内按三相桥式连接，二组反并接，分别实现正转），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，分别实现正转 和反转。和反转。462791113581210ABCMUMUDKMKM+-各有一个可控硅同时导通，形成回路。各有一个可控硅同时导通，形成回路。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制原理原理 ： 三相整流器，由三相整流器，由二个半波整流电路二个半波整流电路组成。每部分内又分成组成。每部分内又分成共阴极组（共阴极组（1 1、3 3、5 5）和共阳极组（）和共阳极组（2 2、4 4、6 6）。为构成回路，这）。为构成回路，这二组中必须各有一个二组中必须各有一个可可控硅同时导通。

17、控硅同时导通。 1 1、3 3、5 5在正半周导通，在正半周导通， 2 2、4 4、6 6在负半周导通。在负半周导通。每组内（即每组内（即二相间二相间）触发脉冲相位相差）触发脉冲相位相差120120，每相内二个触发脉冲相差，每相内二个触发脉冲相差180180。按管号排列，触发脉冲的顺序：。按管号排列，触发脉冲的顺序：1-2-3-4-5-61-2-3-4-5-6，相邻之间相位差，相邻之间相位差6060。为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通，或已截止的相再次导通或已截止的相再次导通，采，采用双脉冲控制。既每个触发脉冲在导通用双脉冲控制。既每个触发脉冲在导通606

18、0后，在补发一个辅助脉冲；也后，在补发一个辅助脉冲；也可以采用宽脉冲控制，宽度大于可以采用宽脉冲控制，宽度大于6060，小于，小于120120。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 只要改变可控只要改变可控硅触发角（即改变硅触发角（即改变导通角），就能改导通角），就能改变可控硅的整流输变可控硅的整流输出电压，从而改变出电压，从而改变直流伺服电机的转直流伺服电机的转速。速。 触发脉冲触发脉冲提前，提前，增大增大整流输出电压整流输出电压；触发脉冲触发脉冲延后，减延后，减小小整流输出电压整流输出电压。uacbcaba)b)c)d)135 tub246bcatttt1 1

19、3 3 5 5 1 1 3 3 6 2 2 4 4 6 6 2 2 4 1352461201201806013246060562.2.脉宽调制器脉宽调制器作用：将作用：将电压量电压量转换成可由控制信号调节的转换成可由控制信号调节的矩形脉冲矩形脉冲，为，为功率晶体管的基极提供一个宽度可由速度指令信号调节的功率晶体管的基极提供一个宽度可由速度指令信号调节的脉宽电压。脉宽电压。组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放大器。大器。原理：以三角波发生器为例介绍原理：以三角波发生器为例介绍 7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其

20、速度控制R1+12VUSCR1R3R2+-12VU S rU -U USrSr 速度指令转化过速度指令转化过 来的直流电压来的直流电压U U- - 三角波三角波U USCSC- - 脉宽调制器的输出（脉宽调制器的输出（U US rS r+ +U U）调制波形图调制波形图ttU U S rS r +U +U +U S roo-U S rttU US rS r为正时为正时U USrSr为负时为负时U U S rS r +U +U ttU USrSr为为0 0时时调制出正负脉宽一样调制出正负脉宽一样方波平均电压为方波平均电压为0 0调制出脉宽较宽的调制出脉宽较宽的波形平均电压为正波形平均电压为正调制

21、出脉宽较窄的调制出脉宽较窄的波形平均电压为负波形平均电压为负7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制主要内容PWM调速控制系统调速控制系统 利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频率的成一定频率的方波电压方波电压，加到直流电动机的电枢上；，加到直流电动机的电枢上；通过调整控制方波通过调整控制方波脉冲宽度脉冲宽度来改变电枢的平均电压，来改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。从而调节电机的转速。 控制电路简单，不需附加关断电路，开关特性好。控制电路简单，不需附加关断电路，开关特性好。 广泛应用中、小功率直流伺服系统。广泛

22、应用中、小功率直流伺服系统。周期不变周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压平均直流电压Ut周期不变周期不变7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制主要内容MUtttTonTEaIaUEaUaVDIa-+直流电机电压的平均值直流电机电压的平均值: : aonTaaETTETU01T脉冲周期，脉冲周期， Ton导通时间导通时间7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制脉宽调制（脉宽调制（PWMPWM）系统组成：）系统组成：主要内容主要内容速度速度调节器调节器电流反馈电流反馈脉宽脉宽调制调制基极基极驱动驱动功功放放振荡器振荡器 电流电流调节

23、器调节器M M速速度度指指令令 三相交流电三相交流电整流整流速度反馈速度反馈U UsrsrU USCSCU UU Ub b7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制5657双向调速用双向调速用正负脉冲和导正负脉冲和导通率改变？通率改变？3） 开关功率放大器主回路：可逆主回路：可逆H型双极式型双极式PWM 开关功率放大器开关功率放大器电路图电路图: 由四个大功率晶体管由四个大功率晶体管 （GTR）T 1 、T 2 、T 3 、T4 及四个续流二极管组成的桥及四个续流二极管组成的桥 式电路。式电路。H型：型： 又分为又分为双极式、单极双极式、单极式和受限单极式和受限单极式三种

24、。式三种。Ub1、 Ub2、Ub3Ub4 为调制器为调制器输出，经脉冲输出，经脉冲分配、基极驱分配、基极驱动转换过来的动转换过来的脉冲电压。分脉冲电压。分别加到别加到T1 、T2、T3 、T4的基极。的基极。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3tUS -USUdUABOtUb1Ub 4Ub2Ub3OOttt1Tidid1id2id1id2OOOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub 4Ub2、Ub 3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2工作原理：工作原理： T1 和和T4 同时导通和关断，其基极驱动电压同时导通和关断，其基极驱动电压Ub

25、1= Ub4。T2和和T3同同 时导通和关断，基极驱动电压时导通和关断，基极驱动电压Ub2= Ub3 = Ub1。以正脉冲较宽为例，。以正脉冲较宽为例， 既正转时。既正转时。 负载较重时：负载较重时：电动状态：电动状态：当当0t t1时，时， Ub1、Ub4为正，为正， T1 和和T4 导通；导通；Ub2、Ub3 为负为负， T2和和T3截止。电机端电压截止。电机端电压UAB=US，电枢电流电枢电流id= id1，由，由US T1 T4 地。地。续流维持电动状态：续流维持电动状态：在在t1 t T时，时， Ub1、Ub4为负为负， T1 和和T4截止；截止； Ub2、Ub3 变正，但变正，但T

26、2和和T3并不能立即导通，因为在并不能立即导通，因为在电枢电感储能的电枢电感储能的 作用下作用下，电枢电流电枢电流id= id2，由，由D2 D3续流续流，在，在D2、 D3 上的压降使上的压降使T2 、 T3的的c-e极承受反压不能导通。极承受反压不能导通。 UAB=-US。接着再变到接着再变到电动状态、续流电动状态、续流 维持电动状态维持电动状态反复进行，如上面左图。反复进行，如上面左图。 负载较轻时：负载较轻时： 反接制动状态，电流反向：反接制动状态，电流反向： 状态中，在负载较轻时，则状态中，在负载较轻时，则id小，小，续流续流 电流很快衰减到零，即电流很快衰减到零，即t =t2 时时

27、（见（见上面右图上面右图），），id=0。在在t2 T 区段区段， T2 、T3 在在US 和反电动势和反电动势E的共同作用下的共同作用下导通导通，电枢电流反向，电枢电流反向，id= id3 由由US T3 T2 地。电机处于地。电机处于反接制动状态。反接制动状态。 电枢电感储能维持电流反向：电枢电感储能维持电流反向：在在T t3区段时，驱动脉冲极性改变，区段时，驱动脉冲极性改变， T2 、T3截止，因截止，因电枢电感维持电流，电枢电感维持电流， id= id4，由，由D4 D1。电机正转、反转、停止：电机正转、反转、停止： 由正、负由正、负驱动电压脉冲宽窄而定。驱动电压脉冲宽窄而定。 当当正

28、正脉冲较宽时，既脉冲较宽时，既t1 T/2，平均电压为正，电机正转；平均电压为正，电机正转； 当当正正脉冲较窄时，既脉冲较窄时，既t1 T/2 ，平均电压为负，电机反转；平均电压为负，电机反转； 如果正、负如果正、负脉冲宽度相等，脉冲宽度相等，t1=T/2 ，平均电压为零，电机停转。平均电压为零，电机停转。电机速度的改变：电机速度的改变： 电枢上的电枢上的平均平均电压电压UAB越大，转速越高。它是由越大，转速越高。它是由驱动电压脉冲宽度驱动电压脉冲宽度 决定的。决定的。双极性双极性：由以上分析表明：由以上分析表明： 可逆可逆H型双极式型双极式PWM开关功率放大器，无论负载是重还是轻、开关功率放

29、大器，无论负载是重还是轻、电机是正转还是反转，电机是正转还是反转，加在电枢上的电压极性在一个开关周期内，都加在电枢上的电压极性在一个开关周期内，都在在US和和 US之间变换一次，故称为之间变换一次，故称为双极性双极性。61 控制回路：控制回路： 速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三角波发生器；脉宽调制器和基极驱动电路。角波发生器；脉宽调制器和基极驱动电路。 区别：区别： 与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节 器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。 6

30、364656667伺服电动机与驱动器伺服电动机与驱动器驱动器驱动器电动机电动机需求分析要点需求分析要点 如何了解实际需求,即我们需要掌握那些要点才能使我们能够提供准确的系统应用设计? 1.轴控数 2.轴功率,扭力计算所需参数 3.系统精度与速度要求 4.功能要求 一般的功能要求包含: 参数设置 状态监控 显示要求需求分析要点 5.马达惯量,转速,变比(了解传动元件,如丝杆,同步带之变比) 6.输入输出点数量,类型,模拟量要特别关注. 7.同步要求 8.动作过程的描述如何选定伺服马达（如何选定伺服马达（13 ） 马达选用考虑因素 1、负载机构 2、动作模式 3、负载速度 4、定位精度 5、使用环

31、境w马达选用的规格w1、马达容量（W）w2、马达额定转速（rpm）w3、额定扭矩及最大扭矩（N m）w4、转子惯量（kg ）w5、是否需要刹车（制动器）w6、体积、重量、尺寸如何选定伺服马达如何选定伺服马达（23 ） 减速机构的影响 1、转速：NM = Nt R 2、扭力：TL = T （1R） 3、惯量（GD）：GD L = GD L （1R）如何选定伺服马达如何选定伺服马达（33 ）1、负载扭力 加速扭力马达最大扭力 连续实效负载扭力马达额定扭力 消耗回生电力驱动器内回生容量 负载扭力马达额定扭力2、负载惯性矩35倍马达转子惯性矩3、最大移动速度马达最大转速4、负载率在85以下5、马达的扭

32、矩特性编码器选用 假设PE=2500(p/rev) 丝杆导距PB=20mm 减速比R=1则机械位置解析度(Resolution) =(PB*(1/R)/(PE*4)=0.002(mm) 负载所需扭矩，使步进电负载所需扭矩，使步进电机的矩机的矩- -频特性有频特性有余量余量（转矩匹配转矩匹配） 计算机械系统计算机械系统负载惯量负载惯量和机械系统所需求的和机械系统所需求的启动频率启动频率，并使之与步进电机惯，并使之与步进电机惯- -频特性相频特性相匹配，并有一定的匹配，并有一定的余量余量（惯量匹配惯量匹配） 步距角与机械系统相匹配，得到要求的分辨步距角与机械系统相匹配，得到要求的分辨力（力（精度匹

33、配精度匹配）117 四、步进电动机的驱动与控制四、步进电动机的驱动与控制( (开环开环) )118119120上升沿下降沿1212.2.功率放大器功率放大器（1 1）能提供较快的电流上升和下降速度，使）能提供较快的电流上升和下降速度，使电流波形电流波形尽量尽量接近接近矩形矩形，（2 2）具有供截止期间）具有供截止期间释放电流流通的回路释放电流流通的回路，以降低绕组两端的，以降低绕组两端的反电动势反电动势，加快电流衰减，续流回路；，加快电流衰减，续流回路；（3 3）功耗低，效率高）功耗低，效率高要求要求信号脉冲几毫安绕组电流几安到几十安；频繁换相时，绕组通断电时的反电动势，造成“直流不直”。作用

34、作用1221231243. 3. 细分驱动细分驱动 如果要求步进电动机有更小的步距角或者为减小电动机振动、如果要求步进电动机有更小的步距角或者为减小电动机振动、噪声等原因，可以在噪声等原因，可以在每次输入脉冲切换时每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全，不是将绕组电流全部通入或切除，而是部通入或切除，而是只改变相应绕组中额定电流的一部分只改变相应绕组中额定电流的一部分，则，则电动机转过的电动机转过的每步运动每步运动也只有也只有步距角的一部分步距角的一部分。 这里绕组电流这里绕组电流不是一个方波，而是阶梯波不是一个方波，而是阶梯波，额定电流是台，额定电流是台阶式的投入或切除，阶式的投入或切除，电流

35、分成多少个台阶，则转子就以同样的电流分成多少个台阶，则转子就以同样的个数转过一个步距角个数转过一个步距角。这样将一个步距角细分成若干步的驱动这样将一个步距角细分成若干步的驱动方法被称为方法被称为细分驱动细分驱动。 细分驱动的特点是：在不改动电动机结构参数的情况下，细分驱动的特点是：在不改动电动机结构参数的情况下，能使步距角减小。能使步距角减小。细分之后的步距角叫做细分之后的步距角叫做步进角步进角，但细分后的但细分后的步进角步进角精度不高精度不高，功率放大驱动电路也相应复杂；能使步进电，功率放大驱动电路也相应复杂；能使步进电动机运行平稳、提高匀速性，并能减弱或消除振荡。动机运行平稳、提高匀速性，

36、并能减弱或消除振荡。125126步进电动机的微机控制步进电动机的微机控制（串行、并行控制示意）（串行、并行控制示意）127点点- -位控制的加减速过程位控制的加减速过程步进脉冲频率128129升速规律升速规律1 1、线性升速：加速度恒定、转矩恒定、线性升速：加速度恒定、转矩恒定2 2、指数升速：加速度减小，接近步进电机输出转矩、指数升速：加速度减小，接近步进电机输出转矩- -速度规律速度规律1303、用离散办法离散办法来逼近理想的升降速曲线 为了减少每步计算装载值的时间，系统设计时就把各离散点的速度所需的装载值固化在系统的EPROM中，系统运行中用查表方法查出所需的装载值，从而大大减少占用CP

37、U时间，提高系统响应速度。系统在执行升降速的控制过程中，对加减速的控制还需准备下列数据：加减速的斜率；升速过程的总步数；恒速运行总步数；减速运行的总步数。 对升降速过程的控制有多种方法，软件编程也十分灵活，技巧很多。此外，利用模拟数字集成电路也可实现升降速控制，但是实现起来较复杂且不灵活。131DIR（direction）为方向信号，在单脉冲控制时，它是来负责电机正转反转CP(control pulse)、PLS(pulse)是脉冲信号，有时还会被称为PUL(pulse)关于这个CW和CCW呢一般是用于双脉冲的，CW（clockwise）是正传脉冲，CCW（counterclockwise）是

38、反转脉冲。一般的驱动器可以单、双脉冲共有，所以一般都用DIR和PUL来注明。EN(enable)和FREE为使能信号或脱机信号，就是说这个信号有时，电机会自己断电，但驱动器不会断电。 另：不同的厂家不同的标注，有的驱动器上面还有ALM(alarm)，这个为报警信号。关于+-呢，一般来说PUL-、DIR-、EN-都接所对应的信号，PUL+DIR+ENA+就接+5V的电源就可以了。步进电机使用的缩写步进电机使用的缩写132步进电动机与交流伺服电动机的性能比较133 两相步进电机步距角为1.8； 三相混合式步进电机及驱动器，可以细分控制来实现步距角为1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.

39、09、0.072、0.036，兼容了两相和五相步进电机的步距角。 交流伺服电动机的控制精度由电动机后端的编码器保证。 如对带标准2500线编码器的电动而言，驱动器内部采用4倍频率技术，则其脉冲当量脉冲当量为360/10000=0.036 ； 对于带17位编码器的电动机而言，驱动器每接收217 =131072个脉冲电动机转一圈，即其脉冲当量为360/131072=0.00274658，是步距角为1.8的步进电机脉冲当量的1/655。1.控制精度不同1342.低频特性不同 两相混合式步进电动机在低速运转时易出现低频振动现象。交流伺服电动机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现低频振动现象。3.矩频特

40、性不同 步进电动机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高速是会急剧下降。交流伺服电动机为恒力矩输出，即在额定转速（如3000RPM）以内，都能输出额定转矩。4.过载能力不同 步进电动机一般不具有过载能力，而交流伺服电动机有较强的过载能力，一般最大转矩可为额定转矩的3倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。 步进电动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动机，便出现了力矩浪费的现象。1355.运行性能不同 步进电动机的控制为开环控制开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象；停止时如转速过高，易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升

41、、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制闭环控制，内部构成位置环和速度环，一般不会出现丢步或过冲现象，控制性能更为可靠。6.速度响应性能不同 步进电动机从静止加速到工作速度（一般为几百RPM）需要200400ms。交流伺服驱动系统的加速性能较好，从静止加速到工作速度（如3000RPM），一般仅需几毫秒，可用于快速启动的控制场合。7.效率指标不同 步进电动机的效率比较低，一般60%以下。交流伺服电机的效率比较高，一般80%以上。因此步进电动机的温升也比交流伺服电机的高。交流伺服与步进电机系统选型比较步进电机系统步进电机系统伺服电机系统伺服电机系统力矩范围中小力矩（一般在20Nm以下）小、中、大，全

42、范围速度范围低（一般在2000RPM以下，大力矩电机小于1000RPM）高（可达5000RPM），直流伺服电机更可达12万转/分控制方式主要是位置控制多样化智能化的控制方式，位置/转速/转矩方式平滑性低速时有振动（但用细分型驱动器则可明显改善）好，运行平滑精度一般较低，细分型驱动时较高高（具体要看反馈装置的分辨率） 矩频特性高速时，力矩下降快力矩特性好，特性较硬过载特性过载时会失步可310倍过载(短时)反馈方式大多数为开环控制，也可接编码器，防止失步闭环方式，编码器反馈编码器类型无光电型旋转编码器（增量型/绝对值型），旋转变压器型响应速度一般快耐振动好一般（旋转变压器型可耐振动）温升运行温度高

43、一般维护性基本可以维护较好价格低较高交流伺服电机与变频电机的区别变频电机伺服电机 低频启动力矩小大速度范围低（一般在3000RPM以下，大于3000RPM时应考虑电机的特殊设计）高（可达5000RPM），直流伺服电机更可达12万转/分控制方式一般为开环多样化智能化的控制方式，位置/转速/转矩方式精度低高过载特性低可310倍过载(短时)转矩控制原理上不可能适用，可控制静止转矩响应特性低高加减速特性差好温升高低响应速度一般高伺服系统设计伺服系统设计一、方案设计一、方案设计二、伺服系统稳态设计二、伺服系统稳态设计三、伺服系统动态设计三、伺服系统动态设计一、方案设计一、方案设计在进行系统方案设计时，需

44、要考虑以下方面的问题：在进行系统方案设计时，需要考虑以下方面的问题：1系统闭环与否的确定系统闭环与否的确定 当系统负载不大，精度要求不高时，可考虑开环控制；反之，当系统精度要求较当系统负载不大，精度要求不高时，可考虑开环控制；反之，当系统精度要求较高或负载较大时，开环系统往往满足不了要求，这时要采用闭环或半闭环控制系高或负载较大时，开环系统往往满足不了要求，这时要采用闭环或半闭环控制系统。一般情况下，开环系统的统。一般情况下，开环系统的稳定性不会有问题稳定性不会有问题，设计时仅，设计时仅考虑满足精度考虑满足精度方面的方面的要求即可，并通过合理的结构参数匹配，使系统具有尽可能好的动态响应特性。要

45、求即可，并通过合理的结构参数匹配，使系统具有尽可能好的动态响应特性。2执行元件的选择执行元件的选择 选择执行元件时应综合考虑选择执行元件时应综合考虑负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性以负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成本及体积、成本等多方面的要求。一般来讲，对于等多方面的要求。一般来讲，对于开环系统开环系统可考虑采用步进电动机、可考虑采用步进电动机、电液脉冲马达和伺服阀控制的液压缸和液压马达等，应优先选用步进电动机。对电液脉冲马达和伺服阀控制的液压缸和液压马达等，应优先选用步进电动机。对于中小型的于中小型的闭环系统闭环系统可考虑采用直流伺服电动机、交流伺服电动机

46、，对于可考虑采用直流伺服电动机、交流伺服电动机，对于负载较负载较大的闭环伺服系统大的闭环伺服系统可考虑选用伺服阀控制的可考虑选用伺服阀控制的液压马达液压马达等。等。3 3传动机构方案的选择传动机构方案的选择 传动机构是执行元件与执行机构之间的一个连接装置，用来进行运动和力传动机构是执行元件与执行机构之间的一个连接装置，用来进行运动和力的变换与传递。在伺服系统中，执行元件以输出的变换与传递。在伺服系统中，执行元件以输出旋转运动和转矩旋转运动和转矩为主，而执为主，而执行机构则多为行机构则多为直线运动直线运动。用于将旋转。用于将旋转运动转换运动转换成直线运动的传动机构主要有成直线运动的传动机构主要有

47、齿轮齿条齿轮齿条和和丝杠螺母丝杠螺母等。前者可获得较大的传动比和较高的传动效率，所能等。前者可获得较大的传动比和较高的传动效率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿条制造困难，且为消除传动间隙而结构传递的力也较大，但高精度的齿轮齿条制造困难，且为消除传动间隙而结构复杂；后者因结构简单、制造容易而应用广泛。复杂；后者因结构简单、制造容易而应用广泛。4 4控制系统方案的选择控制系统方案的选择 控制系统方案的选择包括微型机、步进电动机控制方式、驱动电路等的选控制系统方案的选择包括微型机、步进电动机控制方式、驱动电路等的选择。常用的微型机有单片机、单板机、工业控制微型机等，其中择。常用的微型机有单片机

48、、单板机、工业控制微型机等，其中单片机单片机由于由于在体积、成本、可靠性和控制指令功能等许多方面的优越性，在伺服系统的在体积、成本、可靠性和控制指令功能等许多方面的优越性，在伺服系统的控制中得到了广泛的应用。控制中得到了广泛的应用。 系统方案确定后，应进行方案实施的具体化设计，即各环节设计，通系统方案确定后，应进行方案实施的具体化设计，即各环节设计，通常称为常称为稳态设计稳态设计。其内容主要包括执行元件规格的确定、系统结构的设计、。其内容主要包括执行元件规格的确定、系统结构的设计、系统惯量参数的计算以及信号检测、转换、放大等环节的设计与计算。系统惯量参数的计算以及信号检测、转换、放大等环节的设

49、计与计算。稳态稳态设计要满足系统输出能力指标的要求。设计要满足系统输出能力指标的要求。1. 负载的等效换算负载的等效换算 为了便于系统运动学、动力学的分析与计算，可将负载运动部件的转动惯量为了便于系统运动学、动力学的分析与计算，可将负载运动部件的转动惯量等效地变换到执行元件的输出轴上，并计算输出轴承受的转矩等效地变换到执行元件的输出轴上，并计算输出轴承受的转矩(回转运动回转运动)或或力力(直线运动直线运动)。例如：如图所示系统中，由例如：如图所示系统中，由m个移动部件和个移动部件和n个转动部件组成。个转动部件组成。mi、Vi和和Fi分别分别为移动部件的质量为移动部件的质量(kg)、运动速度、运动速度(ms)和所承受的负载力和所承受的负载力(N)；Jj、nj和和Tj分别为转动部件的转动惯量分别为转动部件的转动惯量(kgm2)、转速、转速(rmin或或rads)和所承受负载和所承受负载力矩力矩(Nm)。二