机电一体化原理及应用第三章ppt课件

1、3.13.1执行安装概述执行安装概述 执行元件是工业机器人、执行元件是工业机器人、CNCCNC机床、各种自动机械、信息处置计算机床、各种自动机械、信息处置计算机外围设备、办公室设备等机电一体化系统必不可少的驱动部件。机外围设备、办公室设备等机电一体化系统必不可少的驱动部件。 执行元件是处于机电一体化系统的机械执行机构与微电子控制安装执行元件是处于机电一体化系统的机械执行机构与微电子控制安装的接点部位的能量转换元件。它可以将输入的各种方式的能量转换为机的接点部位的能量转换元件。它可以将输入的各种方式的能量转换为机械能。械能。3.1.13.1.1执行元件的种类与特点执行元件的种类与特点根据运用能量

2、的不同，可将执行元件分为三类：根据运用能量的不同，可将执行元件分为三类：电气式：将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运转机构，包括控制电气式：将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运转机构，包括控制用电动机、静电电动机、磁致伸缩器件、压电元件、超声波电动机及电用电动机、静电电动机、磁致伸缩器件、压电元件、超声波电动机及电磁铁。磁铁。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装特性：可用商用电源，信号与动力的传送方向一样，操作简便，编程容特性：可用商用电源，信号与动力的传送方向一样，操作简便，编程容易，能实现定位伺服，易与易，能实现定位伺服，易与CPUCPU相接，动力

3、较大，无污染，但瞬时输出相接，动力较大，无污染，但瞬时输出功率大，过载差。功率大，过载差。气压式：采用紧缩空气作为任务介质，具有气源方便、本钱低、无走气压式：采用紧缩空气作为任务介质，具有气源方便、本钱低、无走漏污染、速度快等特性，但动作不够平稳、远间隔传输困难、任务噪声漏污染、速度快等特性，但动作不够平稳、远间隔传输困难、任务噪声大、难于伺服，由于空气粘性差，具有可紧缩性，故不能在定位精度较大、难于伺服，由于空气粘性差，具有可紧缩性，故不能在定位精度较高的场所运用。高的场所运用。液压式：先将电能变成液压能，并用电磁阀改动压力油的流向，从而液压式：先将电能变成液压能，并用电磁阀改动压力油的流向

4、，从而使液压执行元件驱动运转机构运动。具有输出功率大、速度快、动作平使液压执行元件驱动运转机构运动。具有输出功率大、速度快、动作平稳、可实现定位伺服等特性，但设备难于小型化，易走漏且有污染。稳、可实现定位伺服等特性，但设备难于小型化，易走漏且有污染。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装3.1.23.1.2机电一体化对执行元件的根本要求机电一体化对执行元件的根本要求1 1惯量小、动力大惯量小、动力大 表征执行元件惯量的性能目的：对直线运动为质量，对回转运动为表征执行元件惯量的性能目的：对直线运动为质量，对回转运动为转动惯量。表征输出动力的性能目的为推力、

5、转矩或功率。转动惯量。表征输出动力的性能目的为推力、转矩或功率。2 2体积小、分量轻体积小、分量轻 用单位分量所能到达的输出功率或比功率，即比功密度或功率密度用单位分量所能到达的输出功率或比功率，即比功密度或功率密度衡量。衡量。3 3便于维修、安装便于维修、安装4 4宜于微机控制。宜于微机控制。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装3.23.2常用控制用电动机及特性分析常用控制用电动机及特性分析3.2.1 3.2.1 常用控制用电动机常用控制用电动机1. 1.控制用电动机的定义控制用电动机的定义 电气式执行元件是机电系统的常用元件，由于控制用电动机可以在

6、电气式执行元件是机电系统的常用元件，由于控制用电动机可以在很宽的速度和负载范围内进展延续、准确的控制很宽的速度和负载范围内进展延续、准确的控制, ,因此在各种机电一体因此在各种机电一体化系统中得到广泛的运用。化系统中得到广泛的运用。 机电系统中常用两类电动机：一类是普通动力用电动机，如感应式机电系统中常用两类电动机：一类是普通动力用电动机，如感应式异步电动机和同步电动机等。另一类为控制用电动机，如力矩电动机、异步电动机和同步电动机等。另一类为控制用电动机，如力矩电动机、步进电动机和各种交直流伺服电动机。控制用电动机是电气伺服控制系步进电动机和各种交直流伺服电动机。控制用电动机是电气伺服控制系统

7、的动力部件，是将电能转换为机械能的一种能量转换安装。统的动力部件，是将电能转换为机械能的一种能量转换安装。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装控制用电动机是指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电动机。利用电控制用电动机是指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电动机。利用电压、电流、频率包括指令脉冲等控制方式，实现定速或变速驱压、电流、频率包括指令脉冲等控制方式，实现定速或变速驱动，反复启、停的增量驱动以及复杂驱动。它具有稳速运转性能，良好动，反复启、停的增量驱动以及复杂驱动。它具有

8、稳速运转性能，良好的加速、减速性能和伺服性能等动态性能以及频繁运用时的顺应性和便的加速、减速性能和伺服性能等动态性能以及频繁运用时的顺应性和便于维修性能。于维修性能。机电一体化系统对控制用电动机的根本要求：机电一体化系统对控制用电动机的根本要求：性能密度大。快速性好，即加速转矩大，频响特性好。位置控制性能密度大。快速性好，即加速转矩大，频响特性好。位置控制精度高、调速范围宽、低速运转平稳无爬行、分辨力高、振动噪声小。精度高、调速范围宽、低速运转平稳无爬行、分辨力高、振动噪声小。顺应起、停频繁的任务要求。可靠性高、寿命长。顺应起、停频繁的任务要求。可靠性高、寿命长。第三章第三章 机电一体化系统驱

9、动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装 不同的运用场所对控制用电动机的性能要求不同。比如：对于启停不同的运用场所对控制用电动机的性能要求不同。比如：对于启停频率低，但要求平稳和扭矩脉动小，高速运转时振动、噪声小，在整个频率低，但要求平稳和扭矩脉动小，高速运转时振动、噪声小，在整个调速范围内均可稳定运动的机械，如机器人的驱动系统，其功率密度是调速范围内均可稳定运动的机械，如机器人的驱动系统，其功率密度是主要目的，对于起停频率高，但不要求低速平稳性的产品，如高速打印主要目的，对于起停频率高，但不要求低速平稳性的产品，如高速打印机、绘图仪等，主要性能只表示高比功率。机、绘图仪等，主要性能只

10、表示高比功率。 在额定输出功率一样的条件下，交流伺服电动机的比功率最高，直在额定输出功率一样的条件下，交流伺服电动机的比功率最高，直流伺服电动机次之，步进电动机最低。流伺服电动机次之，步进电动机最低。2.2.控制用电动机的种类、特点及选用控制用电动机的种类、特点及选用第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装3.2.23.2.2

11、伺服电动机控制方式的根本方式伺服电动机控制方式的根本方式 伺服电动机的控制方式包括：开环、闭环和和半闭环三种根本控制伺服电动机的控制方式包括：开环、闭环和和半闭环三种根本控制方式。被控量为机械参数位移、速度、加速度、力和力矩等方式。被控量为机械参数位移、速度、加速度、力和力矩等 开环系统：没有检测反响安装的伺服系统。开环系统通常采用步进开环系统：没有检测反响安装的伺服系统。开环系统通常采用步进电动机作为伺服驱动安装，主要用于精度和速度要求不高的场所，如简电动机作为伺服驱动安装，主要用于精度和速度要求不高的场所，如简易数控机械、机械手、小型任务台、冲床自动送料安装和绕线机的同步易数控机械、机械手

12、、小型任务台、冲床自动送料安装和绕线机的同步运动等。运动等。 第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装 半闭环系统半闭环系统( (采用脉冲编码器采用脉冲编码器) )：丈量角位移，并从传动链中间部位：丈量角位移，并从传动链中间部位取出检测反响信号的伺服系统。由于这种系统只能补偿反响回路的系统取出检测反响信号的伺服系统。由于这种系统只能补偿反响回路的系统误差，其定位精度比闭环系统低，普通为误差，其定位精度比闭环系统低，普通为0.005-0.01mm0.005-0.01mm，但其构造简，但其构造简单、调试方便，广泛用于各种机电一体化设备，如数控机床和加工中心单、

13、调试方便，广泛用于各种机电一体化设备，如数控机床和加工中心的伺服进给系统。的伺服进给系统。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装 闭环系统：具有直接丈量系统输出反响安装的伺服系统。闭环系统闭环系统：具有直接丈量系统输出反响安装的伺服系统。闭环系统通常采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为伺服驱动安装，较少采通常采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为伺服驱动安装，较少采用步进电动机驱动。主要用于精度和速度高的精细、大型的机电一体化用步进电动机驱动。主要用于精度和速度高的精细、大型的机电一体化设备，如精度要求很高的镗铣床。设备，如精度要求很高的镗铣床。第三章

14、第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装 直流伺服电动机：通常采用延续的电压控制晶体管、晶闸管。主直流伺服电动机：通常采用延续的电压控制晶体管、晶闸管。主要特点是高呼应特性、高功率密度体积小、分量轻、可实现高精度要特点是高呼应特性、高功率密度体积小、分量轻、可实现高精度数字控制，接触换向部件电刷与换向器需维护，主要用于机器人、数字控制，接触换向部件电刷与换向器需维护，主要用于机器人、数控机械等。数控机械等。 交流伺服电动机：通常采用闭环的频率控制晶体管。具有高呼交流伺服电动机：通常采用闭环的频率控制晶体管。具有高呼应特性、高功率密度体积小、分量轻、可实现高精度数

15、字控制的特应特性、高功率密度体积小、分量轻、可实现高精度数字控制的特点。其中永磁同步型交流伺服电动机无接触换向部件，需求磁极位置检点。其中永磁同步型交流伺服电动机无接触换向部件，需求磁极位置检测器，可以用于音响和音像设备，计算机外围设备。感应型交流伺服电测器，可以用于音响和音像设备，计算机外围设备。感应型交流伺服电动机对定于电流的鼓励分量和转矩分量分别控制，可以运用于数控机械、动机对定于电流的鼓励分量和转矩分量分别控制，可以运用于数控机械、机器人等。机器人等。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装步进电动机：通常采用开环的频率控制晶体管。主要特点是转角与

16、步进电动机：通常采用开环的频率控制晶体管。主要特点是转角与控制脉冲数成比例，可构成直接的数字控制，有定位转矩，主要用于计控制脉冲数成比例，可构成直接的数字控制，有定位转矩，主要用于计算机外围设备，数控安装等。算机外围设备，数控安装等。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装3.33.3直流伺服电动机及其驱动直流伺服电动机及其驱动 直流伺服电动机经过电刷和换向器产生的整流作用，使磁场动势和电枢直流伺服电动机经过电刷和换向器产生的整流作用，使磁场动势和电枢电流磁动势正交，从而产生转矩。电流磁动势正交，从而产生转矩。 直流伺服电动机在构造上有传统式和低惯量型两大

17、类。宽调速直流伺服直流伺服电动机在构造上有传统式和低惯量型两大类。宽调速直流伺服电动机由于励磁便于调整，易于安装补偿绕组和换向极，可以在较宽速度电动机由于励磁便于调整，易于安装补偿绕组和换向极，可以在较宽速度范围内得到恒转速特性，因此在机电闭环伺服系统中运用较广。范围内得到恒转速特性，因此在机电闭环伺服系统中运用较广。1. 1.直流伺服电动机的主要特性直流伺服电动机的主要特性 反电势常数：表示了永磁磁场强度，即当电枢在磁场中按规定速度机反电势常数：表示了永磁磁场强度，即当电枢在磁场中按规定速度机械旋转时所产生的电压值；转矩常数：每安培电流能产生的转矩；械旋转时所产生的电压值；转矩常数：每安培电

18、流能产生的转矩； 机机械时间常数：施加一个阶跃电压时电动机电枢到达整个速度械时间常数：施加一个阶跃电压时电动机电枢到达整个速度63.2%63.2%时所需时所需的时间；的时间； 热时间常数：在额定电流时绕组温度上升初始变化率的函数。热时间常数：在额定电流时绕组温度上升初始变化率的函数。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装2

19、2直流伺服电动机调速方式直流伺服电动机调速方式第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装3 3直流伺服电动机特点与选用原那么直流伺服电动机特点与选用原那么 特点：输出力矩大、过载才干强、动态呼应好、低速运转平稳、易特点：输出力矩大、过载才干强、动态呼应好、低速运转平稳、易于调试。于调试。 选用原那么：根据负载条件选用电机，即根据负载转矩和负载惯量选用原那么：根据负载条件选用电机，即根据负载转矩和负载惯量来选择来选择: :随动系统要求伺服电机机电时间短，启动反转频率高。随动系统要求伺服电机机电时间短，启动反转频率高。短时任务制要求以较小体积分量输出较大转矩和功

20、率。短时任务制要求以较小体积分量输出较大转矩和功率。延续任务制要求电机寿命长。延续任务制要求电机寿命长。有恒转矩或恒功率要求系统，应思索电机恒转矩或恒功率。有恒转矩或恒功率要求系统，应思索电机恒转矩或恒功率。低速系统要思索电机的低速稳定性。低速系统要思索电机的低速稳定性。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装4 4直流伺服电动机的常用计算公式直流伺服电动机的常用计算公式第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装5 5运用举例运用举例火炮跟踪系统原理框图：火炮跟踪系统原理框图：阐明：包括位置和速度两种控制阐明：包括位置和

21、速度两种控制方式，其义务是使火炮转角与由方式，其义务是使火炮转角与由于轮径减速后的指令相等，用角于轮径减速后的指令相等，用角度差控制电机位置控制，用度差控制电机位置控制，用测速发电机的输出电压经反响控测速发电机的输出电压经反响控制电机转速速度控制稳定。制电机转速速度控制稳定。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装地震磁带记录仪电路表示图地震磁带记录仪电路表示图原理框图：原理框图：阐明：稳速电路要求电机寿命长、可靠、无火花、不产生无线电干扰，阐明：稳速电路要求电机寿命长、可靠、无火花、不产生无线电干扰，选用无刷直流电动机驱动，用测速发电机的输出电压与规范电

22、压比较实选用无刷直流电动机驱动，用测速发电机的输出电压与规范电压比较实现稳速。现稳速。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装张力控制系统原理框图：张力控制系统原理框图：阐明：将张力辊位置变化信号经过电位器转化为电信号，此信号经放大阐明：将张力辊位置变化信号经过电位器转化为电信号，此信号经放大后控制伺服电动机，使引力恒定。后控制伺服电动机，使引力恒定。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装3.43.4交流伺服电动机交流伺服电动机 交流伺服电动机检测同步型或感应型气隙磁场的大小和方向，用电力交流伺服电动机检测同步型或感

23、应型气隙磁场的大小和方向，用电力电子变换器替代整流子和电刷，并经过与气隙磁场方向一样的磁化电流和电子变换器替代整流子和电刷，并经过与气隙磁场方向一样的磁化电流和与气隙磁场方向垂直的有效电流控制其主磁通量和转矩。与气隙磁场方向垂直的有效电流控制其主磁通量和转矩。1 1交流伺服电动机主要特性交流伺服电动机主要特性 空载始动电压，机械特性非线性度，调理特性非线性度。空载始动电压，机械特性非线性度，调理特性非线性度。 交流伺服电动机的矢量控制原理：即设法在交流电动机上模拟直流电动交流伺服电动机的矢量控制原理：即设法在交流电动机上模拟直流电动机控制转矩的规律，以使交流电动机具机控制转矩的规律，以使交流电

24、动机具有同样产生及控制电磁转矩的才干。有同样产生及控制电磁转矩的才干。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装2 2交流伺服电动机控制方式交流伺服电动机控制方式幅值控制：经过改动控制电压大小控制电机特性转矩。控制电压和激磁电幅值控制：经过改动控制电压大小控制电机特性转矩。控制电压和激磁电压之间的相位角一直坚持电位角。压之间的相位角一直坚持电位角。相位控制：改动控制电压与励磁电压之间的相位角差，来改动电机转速、相位控制：改动控制电压与励磁电压之间的相位角差，来改动电机转速、转矩。控

25、制电压的幅值不变，但很少单独运用。转矩。控制电压的幅值不变，但很少单独运用。电容控制：将激磁绕组串联电容，接到稳压电源上，经过改动控制电压幅电容控制：将激磁绕组串联电容，接到稳压电源上，经过改动控制电压幅值，由于励磁回路电流的改动引起励磁绕组电压和电容上电压大小及相位角值，由于励磁回路电流的改动引起励磁绕组电压和电容上电压大小及相位角改动，实现复合控制。改动，实现复合控制。 幅值相位控制电动机的机械特性线性度较差，但有较大的输出功率，幅值相位控制电动机的机械特性线性度较差，但有较大的输出功率，而且不需附加复杂的移相设备就能在单相交流电源上获得控制电压和激磁电而且不需附加复杂的移相设备就能在单相

26、交流电源上获得控制电压和激磁电压的分相，因此最常用。压的分相，因此最常用。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装3 3交流伺服电机特点与选用原那么交流伺服电机特点与选用原那么 特点：可以实现高扭矩特点：可以实现高扭矩/ /惯量经，动态呼应好，运转平

27、稳。惯量经，动态呼应好，运转平稳。选用原那么要素：电源频率和电压动摇；放大器内阻抗；不同的控选用原那么要素：电源频率和电压动摇；放大器内阻抗；不同的控制方式；不同的有效信号系数。制方式；不同的有效信号系数。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装运用举例运用举例钢板厚度丈量安装钢板厚度丈量安装阐明：当两电离室的输出电压差阐明：当两电离室的输出电压差 ，控制伺服电动机转动来挪动，控制伺服电动机转动来挪动规范调理牌直到规范调理片与钢板厚度规范调理牌直到规范调理片与钢板厚度一样时，电动机停转，指示针示出钢板一样时，电动机停转，指示针示出钢板厚度。厚度。21uuu

28、第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装倒数计数安装倒数计数安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装机床增量运动控制系统机床增量运动控制系统阐明：纸带上信息经过读出器送出脉冲信号，与反响脉冲比较，再经阐明：纸带上信息经过读出器送出脉冲信号，与反响脉冲比较，再经D/AD/A转转换来控制电机带动刀架运动，与刀架相连的换来控制电机带动刀架运动，与刀架相连的A/DA/D转换器送回反响脉冲信号，转换器送回反响脉冲信号，当输入脉冲信号与反响脉冲信号差为零时，实际上加工误差为零。当输入脉冲信号与反响脉冲信号差为零时，实际上加工误

29、差为零。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装4.4.交、直流伺服电动机的比较：交、直流伺服电动机的比较： 机械特性和调理特性直流伺服电动机为线性关系，且在不同电压机械特性和调理特性直流伺服电动机为线性关系，且在不同电压下，机械特性曲线是线互平行的直线，而两相交流伺服电动机的机械特下，机械特性曲线是线互平行的直线，而两相交流伺服电动机的机械特性和调理特性均呈非线性。性和调理特性均呈非线性。 体积、分量当输出功率一样时，两相交流伺服电动机比直流伺服体积、分量当输出功率一样时，两相交流伺服电动机比直流伺服电动机体积大分量重，两相交流伺服电动机适用于小功率系统

30、。电动机体积大分量重，两相交流伺服电动机适用于小功率系统。 第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装自转景象对于两相交流伺服电动机，假设参数选择不适当，或制造工自转景象对于两相交流伺服电动机，假设参数选择不适当，或制造工艺有缺陷，都会使电动机在单相形状下产生自转景象，而直流伺服电动艺有缺陷，都会使电动机在单相形状下产生自转景象，而直流伺服电动机无机无“自转景象。自转景象。电刷和换向器的滑动接触直流电动机有电刷和换向器，因电刷与换向电刷和换向器的滑动接触直流电动机有电刷和换向器，因电刷与换向器之间存在滑动接触，电刷的接触电阻不稳定，都会影响电动机的运转器之间

31、存在滑动接触，电刷的接触电阻不稳定，都会影响电动机的运转稳定性，两相交流伺服电动机构造简单，运转可靠，维护方便，适于不稳定性，两相交流伺服电动机构造简单，运转可靠，维护方便，适于不易检修的场所。易检修的场所。放大器安装直流伺服电动机通常由直流放大器供电，直流放大器有零放大器安装直流伺服电动机通常由直流放大器供电，直流放大器有零点漂移，将影响系统稳定性和精度。而交流控制较稳定。点漂移，将影响系统稳定性和精度。而交流控制较稳定。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装3.53.5步进

32、电动机及其驱动步进电动机及其驱动 步进电动机是将电脉冲信号变为相应直线或角位移的数字步进电动机是将电脉冲信号变为相应直线或角位移的数字/ /模拟变换模拟变换器，输出转矩为励磁电流和失调角函数。步进电动机主要用于数字控制器，输出转矩为励磁电流和失调角函数。步进电动机主要用于数字控制伺服系统的执行元件，输出的位移大小和输入脉冲个数成正比，时间上伺服系统的执行元件，输出的位移大小和输入脉冲个数成正比，时间上和脉冲同步，经过改动脉冲频率调理步进电动机的转速。和脉冲同步，经过改动脉冲频率调理步进电动机的转速。 1. 1.步进电动机的分类与任务原理步进电动机的分类与任务原理 分类：反响型分类：反响型步进运

33、转是由定子绕组通电激磁产生的反响力步进运转是由定子绕组通电激磁产生的反响力矩作用实现。构造简单，任务可靠，运转频率高，但转子阻尼小，噪声矩作用实现。构造简单，任务可靠，运转频率高，但转子阻尼小，噪声大，步距角大，步距角 之间。之间。 永磁型永磁型转动靠与定子绕组所产生的电磁力相互吸转动靠与定子绕组所产生的电磁力相互吸 引或相斥引或相斥来实现。控制功率小，效率高、价钱高，步距角来实现。控制功率小，效率高、价钱高，步距角 之间之间 。 1.5157.518第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装混合型混合型步距角小，任务频率高，无励磁时具有转矩定位特点。但步距

34、角小，任务频率高，无励磁时具有转矩定位特点。但构造复杂，步距角构造复杂，步距角 之间。之间。 0.363.6第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装 任务原理：步进电动机定子由六个均匀分布的磁极，每两个相对磁任务原理：步进电动机定子由六个均匀分布的磁极，每两个相对磁极组成一相，磁极上绕有励磁绕组。假定转子具有均匀分布的四个齿，极组成一相，磁极上绕有励磁绕组。假定转子具有均匀分布的四个齿，当三个磁极的绕组依次通电时，那么三对磁极依次产生磁场吸引转子转当三个磁极的绕组依次通电时，那么三对磁极依次产生磁场吸引转子转动。而步距角大小与通电方式和转子齿数有关。动。而

35、步距角大小与通电方式和转子齿数有关。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装步进电动机的通电方式：步进电动机的通电方式：第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装2.2.步进电动机的运转特性及性能目的步进电动机的运转特性及性能目的 1 1步距角步距角: :步进电动机每步所转过的角度，步距角的大小和电动机的步进电动机每步所转过的角度，步距角的大小和电动机的构造有关相数和转子齿数，还与激磁方式有关。，构造有关相数和转子齿数，还与激磁方式有关。，K K为通电方式系数，为通电方式系数，当相邻两次通电时的相数一样时，当相邻两次通电

36、时的相数一样时，K K1 1否那么否那么K=2K=2。将每相轮番循环通电一次所包含的通电形状数目称为将每相轮番循环通电一次所包含的通电形状数目称为“拍数。所以三相拍数。所以三相步进电动机运转方式就有三种通电方式：三相单三拍，即步进电动机运转方式就有三种通电方式：三相单三拍，即A-B-C-DA-B-C-D，每次，每次只需一相通电，转子在平衡位置易产生振荡，换相时容易失步，普通不采只需一相通电，转子在平衡位置易产生振荡，换相时容易失步，普通不采用；三相双三拍，即用；三相双三拍，即AB-BC-CA-ABAB-BC-CA-AB，比第一种转子力矩大、静态误差小、，比第一种转子力矩大、静态误差小、定位精度

37、高，而且一直至少有一相通电，不会产生失步；三相六拍，定位精度高，而且一直至少有一相通电，不会产生失步；三相六拍，A-A-AB-B-BC-C-CA-AAB-B-BC-C-CA-A，一直至少有一相通电，运转稳定，不易产生失步。，一直至少有一相通电，运转稳定，不易产生失步。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装2 2步距角精度：实际与实践步距角之差，主要受电动机制造精步距角精度：实际与实践步距角之差，主要受电动机制造精度影响。步距误差不会累积。度影响。步距误差不会累积。 最高延续任务频率额定形状下逐渐升速，所能到达的不丢步的最最高延续任务频率额定形状下逐渐升速

38、，所能到达的不丢步的最高延续任务频度。高延续任务频度。3 3静态特性：步进电动机在稳定形状的特性，包括静转矩、矩角特静态特性：步进电动机在稳定形状的特性，包括静转矩、矩角特性、静态稳定区。步进电动机的静态转矩愈大，自锁力矩越大，静态误性、静态稳定区。步进电动机的静态转矩愈大，自锁力矩越大，静态误差愈小。差愈小。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装4 4动态特性：动态稳定区步进电动机从动态特性：动态稳定区步进电动机从A A相通电形状切换到相通电形状切换到B B相相或或ABAB相通电形状时，不引起失步的区域称为动态稳定区。起动转矩相通电形状时，不引起失步的

39、区域称为动态稳定区。起动转矩表示步进电动机单相励磁时所能带动的极限负载转矩、最高延续运表示步进电动机单相励磁时所能带动的极限负载转矩、最高延续运转频率及矩转频率及矩频特性、空载起动频率与惯频特性、空载起动频率与惯频特性。频特性。3.3.步进电动机驱动与控制步进电动机驱动与控制 步进电动机运转特性与配套运用驱动电源有关，驱动电源系统框图与步进电动机运转特性与配套运用驱动电源有关，驱动电源系统框图与功能如图示：功能如图示：第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装 阐明：驱动电路主要由脉冲发生器，环形分配器和功率放大器三部阐明：驱动电路主要由脉冲发生器，环形分配

40、器和功率放大器三部分组成。主要功能是：按一定顺序接通和关断步进电动机的控制绕组，分组成。主要功能是：按一定顺序接通和关断步进电动机的控制绕组，使其按要求启动、运转和停顿；供应步进电动机足够的功率、使其带动使其按要求启动、运转和停顿；供应步进电动机足够的功率、使其带动负载；提高步进电动机的快速性和平稳性。负载；提高步进电动机的快速性和平稳性。单单- -电压型：电压型：第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装高低电压切换型：高低电压切换型：第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装带电流检测型：带电流检测型：第三章第三章 机

41、电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装调频调压型：调频调压型：第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装载波恒流型：载波恒流型：第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装4.4.步进电动机的微机控制：步进电动机的微机控制：第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机

42、电一体化系统驱动技术和执行安装5.5.步进电动机的特点与选用原那么步进电动机的特点与选用原那么 特点：不易受干扰，步距角有误差，但不长期积累，控制性能好。特点：不易受干扰，步距角有误差，但不长期积累，控制性能好。选用原那么：保证步进电动机的输出扭矩大于负载所需扭矩。计算选用原那么：保证步进电动机的输出扭矩大于负载所需扭矩。计算机械系统的负载惯量和产品所要求的启动频率与步进电动机相匹配，最机械系统的负载惯量和产品所要求的启动频率与步进电动机相匹配，最高延续任务频率满足产品快速挪动的要求。步距角和机械系统相匹配，高延续任务频率满足产品快速挪动的要求。步距角和机械系统相匹配，得到所需的脉冲当量。得到

43、所需的脉冲当量。步骤：选择类型步骤：选择类型 选择所需步距角选择所需步距角 选择最大静转矩选择最大静转矩 确定运转频率确定运转频率 求等效转动惯量综合决议求等效转动惯量综合决议第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装例如：线切割机床控制系统原理框图：例如：线切割机床控制系统原理框图： 阐明：纸带程序指令经光电输入机、控制器、方向环形分配器及功阐明：纸带程序指令经光电输入机、控制器、方向环形分配器及功率放大器分别送入两个方向步进电动机，二者协调运动以切割规定外形率放大器分别送入两个方向步进电动机，二者协调运动以切割规定外形工件，变频电路自动调理控制器发出脉冲

44、频率，以控制电机速度，到达工件，变频电路自动调理控制器发出脉冲频率，以控制电机速度，到达间隙不变的目的。间隙不变的目的。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装例如：数控机床的闭环控制例如：数控机床的闭环控制阐明：输入安装首先沿计数器预置一个值对应于任务台应到达的一个阐明：输入安装首先沿计数器预置一个值对应于任务台应到达的一个位置，当计数器内数不为零时，经过门电路控制步进电动机旋转，相位置，当计数器内数不为零时，经过门电路控制步进电动机旋转，相应地检测反响元件发出的反响脉冲，当反响脉冲中数等于指令脉冲数时，应地检测反响元件发出的反响脉冲，当反响脉冲中数等于

45、指令脉冲数时，门电路封锁，任务台停顿。门电路封锁，任务台停顿。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行机电一体化系统驱动技术和执行安装安装3.6 3.6 控制用电动机的选用计算控制用电动机的选用计算第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三

46、章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装3.73.7伺服驱动及运用分析伺服驱动及运用分析3.7.13.7.1伺服系统机械部件设计的普通方法伺服系统机械部件设计的普通方法 伺服系统是指

47、以机械参数位移、速度、加速度、力和力矩等作为伺服系统是指以机械参数位移、速度、加速度、力和力矩等作为被控量的一种类型的自动控制系统。被控量的一种类型的自动控制系统。1 1伺服系统的分类伺服系统的分类 按驱动方式分为电气、液压和气动伺服。按驱动方式分为电气、液压和气动伺服。 按控制原理分为：开环、全闭环和和半闭环三种根本控制原理。按控制原理分为：开环、全闭环和和半闭环三种根本控制原理。 开环系统：没有检测反响安装的伺服系统。开环系统通常采用步进电动开环系统：没有检测反响安装的伺服系统。开环系统通常采用步进电动机作为伺服驱动安装，主要用于精度和速度要求不高的场所，如简易数控机作为伺服驱动安装，主要

48、用于精度和速度要求不高的场所，如简易数控机械、机械手、小型任务台、冲床自动送料安装和绕线机的同步运动等。机械、机械手、小型任务台、冲床自动送料安装和绕线机的同步运动等。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装半闭环系统半闭环系统( (采用脉冲编码器采用脉冲编码器) )：丈量角位移，并从传动链中间部位取出检：丈量角位移，并从传动链中间部位取出检测反响信号的伺服系统。由于这种系统只能补偿反响回路的系统误差，其测反响信号的伺服系统。由于这种系统只能补偿反响回路的系统误差，其定位精度比闭环系统低，普通为定位精度比闭环系统低，普通为0.005-0.01mm0.005

49、-0.01mm，但其构造简单、调试方，但其构造简单、调试方便，广泛用于各种机电一体化设备，如数控机床和加工中心的伺服进给系便，广泛用于各种机电一体化设备，如数控机床和加工中心的伺服进给系统。统。闭环系统：具有直接丈量系统输出反响安装的伺服系统。闭环系统通常采闭环系统：具有直接丈量系统输出反响安装的伺服系统。闭环系统通常采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为伺服驱动安装，较少采用步进电用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为伺服驱动安装，较少采用步进电动机驱动。主要用于精度和速度高的精细、大型的机电一体化设备，如精动机驱动。主要用于精度和速度高的精细、大型的机电一体化设备，如精度要求很高的镗铣床。度

50、要求很高的镗铣床。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装按运动控制方式分类按运动控制方式分类 第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装其特点简述如下：其特点简述如下：位置控制：它是指转角位置或直线挪动位置的控制。位置控制按数控原位置控制：它是指转角位置或直线挪动位置的控制。位置控制按数控原理分为点位控制理分为点位控制(PTP)(PTP)和延续轨迹控制和延续轨迹控制(CP)(CP)。 点位控制是点到点的定位控制，它既不控制点与点之间的运动轨迹

51、，也点位控制是点到点的定位控制，它既不控制点与点之间的运动轨迹，也不在此过程中进展加工或丈量。如数控钻床、冲床、镗床、丈量机和点焊不在此过程中进展加工或丈量。如数控钻床、冲床、镗床、丈量机和点焊工业机器人等。工业机器人等。 延续轨迹控制又分为直线控制和轮廓控制。直线控制是指任务台相对工延续轨迹控制又分为直线控制和轮廓控制。直线控制是指任务台相对工具以一定速度沿某个方向的直线运动具以一定速度沿某个方向的直线运动( (单独或双轴联动单独或双轴联动) )，在此过程中要进展，在此过程中要进展加工或丈量。如数控镗铣床、大多数加工中心和弧焊工业机器人等。加工或丈量。如数控镗铣床、大多数加工中心和弧焊工业机

52、器人等。 轮廓控制是控制两个或两个以上坐标轴挪动的瞬时位置与速度，经过联轮廓控制是控制两个或两个以上坐标轴挪动的瞬时位置与速度，经过联动构成一个平面或空间的轮廓曲线或曲面。如数控铣床、车床等。动构成一个平面或空间的轮廓曲线或曲面。如数控铣床、车床等。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装速度控制和加速度控制：速度控制既可单独运用如保送机、任务台、速度控制和加速度控制：速度控制既可单独运用如保送机、任务台、主轴和卷绕机等这样的机械速度控制，也可与位置控制结合成为双回路控主轴和卷绕机等这样的机械速度控制，也可与位置控制结合成为双回路控制，但主回路是位置控制，

53、速度控制造为反响校正，可以改善系统的动态制，但主回路是位置控制，速度控制造为反响校正，可以改善系统的动态径能，如各种数控机械的双回路伺服系统；加速度控制普通不能单独运用，径能，如各种数控机械的双回路伺服系统；加速度控制普通不能单独运用，通常与位置环、速度环结合构成三环控制系统。例如，高速列车的刹车控通常与位置环、速度环结合构成三环控制系统。例如，高速列车的刹车控制系统，利用速度和加速度反响校正确定列车至停车点的间隔制系统，利用速度和加速度反响校正确定列车至停车点的间隔( (输入输入) )，其被，其被控量是实践停车位置。控量是实践停车位置。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化

54、系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装第三章第三章 机电一体化系统驱动

55、技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装同步控制：同步控制是两轴或两轴以上的速度或位置的同步运动控制。同步控制：同步控制是两轴或两轴以上的速度或位置的同步运动控制。比如平行物料传送带、整列绕线机、大型印刷机的多轴平行传动等，有的比如平行物料传送带、整列绕线机、大型印刷机的多轴平行传动等，有的除了同时起动、还要求位置同步，其同步精度要求较高。除了同时起动、还要求位置同步，其同步精度要求较高。力和力矩控制：塑料薄膜、锡带、布和纸张等卷取机是恒定张力控制；力和力矩控制：塑料薄膜、锡带、布和纸张等卷取机是恒定张力控制；自动组装机的拧紧螺母以及自动钻孔等场所，应采用力矩与位置同步控制。自动组装机的

56、拧紧螺母以及自动钻孔等场所，应采用力矩与位置同步控制。 第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装2.2.伺服系统的根本要求伺服系统的根本要求 伺服系统的根本要求是系统的输出能迅速而准确地呼应指令输入的变伺服系统的根本要求是系统的输出能迅速而准确地呼应指令输入的变化，即稳定性、快速性、精度、灵敏度和抗干扰性。化，即稳定性、快速性、精度、灵敏度和抗干扰性。 稳定性要求系统在其任务范围内是稳定、可靠的稳定性要求系统在其任务范围内是稳定、可靠的; ; 精度要求比较经济地到达给定精度要求精度要求比较经济地到达给定精度要求; ;快速性要求系统输出呼应指令快速性要求系统

57、输出呼应指令输入的速度要快输入的速度要快; ; 灵敏度要求系统对多数变化的灵敏度要小灵敏度要求系统对多数变化的灵敏度要小, ,即系统性能不因参数变化而遭即系统性能不因参数变化而遭到太大的影响到太大的影响; ; 抗干扰性要求系统应具有良好的抗外部负载干扰和高频噪声的才干等。抗干扰性要求系统应具有良好的抗外部负载干扰和高频噪声的才干等。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装详细可以将伺服系统的技术要求归纳为以下几方面详细可以将伺服系统的技术要求归纳为以下几方面: : 对系统根底性能的要求对系统根底性能的要求, ,包括系统稳态和动态性能包括系统稳态和动态性能;

58、 ;对系统任务体制、可对系统任务体制、可靠性、运用寿命等方面要求；对系统需顺应的任务环境条件：如温度、湿靠性、运用寿命等方面要求；对系统需顺应的任务环境条件：如温度、湿度、抗振动冲击等要求；对系统体积、容量和构造外型、安装特点等方面度、抗振动冲击等要求；对系统体积、容量和构造外型、安装特点等方面的限制；对系统制造本钱、运转经济性和能源条件等要求。的限制；对系统制造本钱、运转经济性和能源条件等要求。第三章第三章 机电一体化系统驱动技术和执行安装机电一体化系统驱动技术和执行安装3.7.23.7.2伺服系统动力学的设计方法伺服系统动力学的设计方法 伺服系统设计可分为伺服传动系统的动力学方法和控制实际方法。前者伺服系统设计可分为伺服传动系统的动力学方法和控制实际方法。前者是在普通机械设计根底上进展的，其目的是确定伺服电动机的型号以及电是在普通机械设计根底上进展的，其目的是确定伺服电动机的型号以及电动机与机械系统的参数相互匹配，但不计算控制电路参数和动态