机电一体化系统设计：第三章 执行元件的选择与设计

1、第三章 执行元件的选择与设计 第一节 执行元件的种类、特点及基本要求 第二节 常用的控制用电动机 第三节 步进电动机及驱动（）第四节 直流(DC)与交流(AC)伺服电动机及驱动 习题与思考题1执行元件的概念：是处于机电一体化系统的机械运行机构与微电子控制装置的接点（联接）部位的能量转换元件3.1 种类、特点及基本要求 22是机电一体化系统必不可少的驱动部件.处于系统的机械运行机构与微电子控制装置的接点（联接）部位的能量转换元件。在微电子装置的控制下，将输入的各种形式的能量转换为机械能，电动机、电磁铁、继电器、液动机、油（气缸）、内燃机等把输入的电能、液压能、气压能和化学能转换为机械能。大多数执

2、行元件已系列化商品生产，在机电一体化系统设计时，作为标准件直接选用、外购。 3.1 执行元件的种类、特点及基本要求3执行元件电动机44执行元件电动机56执行元件电动机6直线电机平台77直线电机平台88执行元件电动机9执行元件电动机10执行元件电动机11执行元件气压式12执行元件液压式1313电机执行元件的应用14液压执行元件的应用15液压执行元件的应用16压电驱动器17压电驱动器18压电驱动器193.1.1 执行元件的种类及特点 根据使用能量的不同，将执行元件分为电磁式、液压式和气压式等几种类型，如图所示将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构运动先将电能变换为液压能并用电磁阀改变压力油的流

3、向，从而使液压执行元件驱动运行机构运动其他执行元件与使用材料有关，如使用双金属片、形状记忆合金或压电元件20电气式执行元件 包括直流(DC)电动机、交流(AC)电动机、步进电动机、超声波电动机以及电磁铁等。电磁式的电动机和电磁铁，实用且易实现最为常用。要求：除稳速运转性能外，还要求具有良好的加速、减速性能和伺服性能等动态性能以及频繁使用时的适应性和便于维修性能。21驱动系统：由电源供给电力，经电力变换器变换后输送给电动机，使电动机作回转(或直线)运动，在微电子控制信号的控制下，驱动负载机械按所需要的要求运动。具有反馈环节的为闭环系统，没有反馈环节的为开环系统。另外，其他电气式执行元件中还有微量

4、位移用器件，电磁铁-由线圈和衔铁两部分组成，结构简单，是单向驱动，需用弹簧复位，用于实现两固定点间的快速驱动；电热驱动器-利用物体的热变形来驱动运行机构的直线位移，用控制电热器的加热电流来改变位移量，实现微量进给。22 液压式执行元件包括往复运动的油缸、回转油缸、液压马达等。目前，世界上已开发了各种数字式液压式执行元件，例如电-液伺服马达和电-液步进马达，优点：比电动机的转矩大，可以直接驱动运行机构，转矩/惯量比大，过载能力强，适合于重载的高加减速驱动。23 气压式执行元件与液压式执行元件相比除用压缩空气作工作介质外，无区别。气压执行元件：气缸、气压马达等。特点：可得到较大的驱动力、行程和速度

5、，由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度较高的场合使用。24表 3-1 执行元件的特点以及优缺点 种类特点优点缺点电气式 可用商业电源；信号与动力传送方向相同；有交流直流之分；注意使用电压和功率。 操作简便；编程容易；能实现定位伺服控制；响应快、易与计算机（CPU）连接；体积小、动力大、无污染。 瞬时输出功率大；过载差；一旦卡死，会引起烧毁事故；受外界噪音影响大。 气压式 气体压力源压力57Mpa；要求操作人员技术熟练。 气源方便、成本低；无泄露而污染环境；速度快、操作简便。 功率小、体积大、难于小型化；动作不平稳、远距离传输困难；噪音大；难于伺服。 液压式 液体压力源压力2080Mp

6、a；要求操作人员技术熟练。输出功率大，速度快、动作平稳，可实现定位伺服控制；易与计算机（CPU）连接。 设备难于小型化；液压源和液压油要求严格；易产生泄露而污染环境。 253.1.2 对执行元件的基本要求 1. 惯量小、动力大直线运动为质量m，回转运动为转 动惯量J；表征输出动力的性能指标为：推力F、转矩T或者功率P；对直线运动，加速度为a，则推理F=ma；对回转运动，设角速度为，角加速度为，则P= T, =T/J比功率-功率的时间变化率，是衡量电动机加速性能的一个重要指标，对于启停频率高的机械的重要衡量参数。包含了功率、加速性能和转速三种因素，即比功率=P / = T2/J262. 体积小、

7、重量轻功率密度-执行机构单位重量所能达到的输出功率 PG=P/G (W/N) 反映了电动机单位重量的输出功率，在电动机启停频率低，但是要求运行平稳和扭矩脉动较小的场合主要考虑这一性能指标。273. 便于维修、安装 最好不需要维修，无刷DC及AC伺服电动机就是走向无维修的一例。4. 宜于微机控制 最方便的是电气式执行元件。因此，执行元件的主流是电气式；其次是液压式和气压式(在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节)；内燃机定位运动的微机控制较难，故通常仅被用于交通运输机械。283.2 常用的控制用电动机 控制用电动机是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。可在很宽的速度和负载范围内进行连续、精

8、确的控制。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AC/DC电动机等。有回转和直线驱动电动机，通过电压、电流、频率(指令脉冲)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同而不同。常用控制用电动机指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电动机。29伺服电动机控制方式的基本形式30伺服电动机的特点及应用实例 313.2.1 对控制用电动机的基本要求性能密度大，即功率密度和比功率大，电动机的功率密度 PG=P/G，电动机的比功率式中: TN-电动机的额定转矩 Jm-电动机转子的转动惯量为实现运动、功率/能量、控制运动方式的转换，

9、对伺服控制电动机提出了一些基本要求。32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，低速运行稳定无爬行现象、分辨率高、振动噪声小适应起、停频繁的工作要求，可靠性高、寿命长易于与计算机对接，实现计算机控制。33二、控制用电动机的种类、特点及选用动力用电动机控制用电动机感应式异步电动机同步电动机力矩电动机脉冲电动机开关磁阻电动机变频调速电动机AC/DC电动机34 对于起停频率低(如几十次分)，但要求低速平稳和扭矩脉动小，高速运行时振动、噪声小，在整个调速范围内均可稳定运动的机械，如NC工作机械的进给运动、机器人的驱动系统，其功率密度是主要的性能指标；对于启停频率高(如数百次分)，

10、低速平稳性要求不高的产品，如高速打印机、绘图机、打孔机、集成电路焊接装置等主要的性能指标是高比功率。比功率由高到低依次为交流伺服电动机、直流伺服电动机和步进电动机 353.2.2 常用控制用电动机及特点控制用旋转电动机DC伺服电机步进电动机有槽芯电枢型、无槽铁芯电枢型、电枢型（无槽铁芯型和无铁芯型）同步(无刷DC伺服)电机感应电机(IM伺服)变磁阻型永磁型混合型AC伺服电动机36根据线圈的励磁特性来分类伺服电机DC伺服电机感应电机定子转子线圈中的电流均为直流一个线圈的电流时交流，另一个线圈的电流为直流两个线圈中的电流均交流同步电机37 表3-3 伺服电动机的特点及应用实例 38表3-4 伺服电

11、动机的性能比较39 表3-5 伺服电动机优缺点比较 4041414243443.3 步进电动机及其驱动3.3.1 步进电动机的特点与种类1.1 步进电动机将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。是一种专门用于速度和位置精确控制的特种电机，它旋转是以固定的角度（称为步距角）一步一步运行的，故称步进电机。原理：利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。451.2 步进电动机的特点来一个脉冲，转一个步距角。控制脉冲频率，可控制电机转速。改变脉冲顺序，改变转动方向。角位移量或线位移量与电脉冲数成正比。46基本术语步距角（步距）当输入

12、一个电脉冲时输出轴转过的固定的角度位移量与输入脉冲个数严格成正比，无误差累积各种运行特性由下列条件决定脉冲个数脉冲频率电动机各相绕组的接通次序广泛应用于数字控制系统472. 步进电动机的种类通常按励磁方式分为：反应式（VR-Variable Reluctance可变磁阻)型：转子无绕组，定、转子开小齿、步距小。永磁式（PM-Permanent Magnet）：转子的极数=每相定子极数，不开小齿，步距角较大，力矩较大。混合式(HB-Hybrid)：开小齿，混合反应式与永磁式优点：转矩大、动态性能好、步距角小。482. 步进电动机的种类 1）可变磁阻(VR-Variable Reluctance)

13、型其定子与转子没有永久磁铁，定子上嵌有线圈，转子朝定子与转子之间磁阻最小方向转动，并由此而得名可变磁型。49定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力。需要将气隙做得尽可能小，例如几个微米。制造成本高、效率低、转子的阻尼差、噪声大等缺点。制造材料费用低、结构简单、步距角小等特点。50 2) 永磁(PM-Permanent Magnet)型转子2采用永久磁铁、定子1采用软磁钢制成，绕组3轮流通电。定子每极的相数等于转子的极数不开小齿，大步距、大力矩SN51该电动机为了实现连续转动，若定子的激励相序不发生变化，则必须在180转角期间提供电流换向。由于采用了永久磁铁，即使定子绕组断电也能保持一定

14、转矩，故具有记忆能力，可用做定位驱动。特点:励磁功率小、效率高、造价低，因此需要量也大；由于转子磁铁的磁化间距受到限制，难于制造，故步距角较大；需要正负脉冲供电；与VR型相比转矩大，但转子惯量也较大523)混合(HB-Hybrid)型-永磁感应式步进电动机由转子（转子铁芯、永磁体、转轴、滚珠轴承），定子（绕组、定子铁芯），前后端盖等组成。最典型两相混合式步进电机的定子有8个大齿，40个小齿，转子有50个小齿。53特点具有VR型步进电动机步距角小、响应频率高的优点具有PM型步进电动机励磁功率小、效率高的优点由转子铁心的凸极数和定子的副凸极数决定步距角的大小，可制造出步距角较小(0.93.6)的电

15、动机。永久磁铁也可磁化轴向的两极，可使用轴向各向异性磁铁制成高效电动机。54齿对齐齿间差3齿间差355 步进电动机与DC和AC伺服电动机相比其转矩、效率、精度、高速性比较差，但步进电动机具有低速时转矩大、速度控制比较简单、外形尺寸小等优点，所以在办公室自动化方面的打印机、绘图机、复印机等机电一体化产品中得到广泛使用，在工厂自动化方面也可代替低档的DC伺服电动机。563.3.2 步进电动机的工作原理A 相通电，产生磁通，对转子产生磁拉力，使转子的1、3两个齿与定子的A相磁极对齐。磁通总是走磁阻最小的路径,由于磁力线的扭曲而产生拖动转矩。 定子-6个磁极，每2相相对磁极上有一相控制绕组 转子-装有

16、4个凸齿57B 相通电，B相磁极便产生磁通。由图b可以看出，这时转子2、4两个齿与B相磁极靠得最近，于是转子便沿着逆时针方向转过30，使转子2、4两个齿与定子B相磁极对齐。将电脉冲通入C相励磁绕组，C相磁极便产生磁通。由图C可以看出，这时转子1、3两个齿与C相磁极靠得最近，于是转子便沿着逆时针方向转过30 角，使转子1、3两个齿与定子C相磁极对齐。ABCA-三相单三拍5859通电方式取决于绕组的通电频率及绕组的通电方式单三拍、双三拍 六拍单：每次只有一相（单）绕组通电双：每次只有两相（双）绕组通电拍：通电次数，即从一种通电状态转换到另一种通电状态为一拍基本工作原理-电磁铁工作原理60每三次换接

17、为一个循环，每次一相绕组通电，三相单三拍六次转换为一个循环，有六种通电状态，三相六拍。A-B-C-A步距角为15每三次换接为一个循环，每次两相绕组通电，三相双三拍AB-BC-CA-ABA-AB-B-BC-C-CA-A步距角为3061三相单双六拍 AAB B BC C CA A CABBCA3412CABBCA3412A相通电:转子1、3齿和A相对齐。所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了15。（1）BB 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动。（2）AA 磁场继续对1、3齿有拉力。A、B相同时通电62CABBCA3412总之，每个循环周期，有六种通电状态，所

18、以称为三相六拍，步距角为15。B相通电:转子2、4齿和B相对齐，又转了15。63CABBCA3412BC通电CA通电CABBCA2341CABBCA2341C通电A通电64三相双三拍 ABBC CA ABAB通电CABBCA3412CABBCA3412BC通电65三相双三拍 ABBC CA ABAB通电CABBCA3412CA通电CABBCA432166步距角-步距角越小，所能达到的位置精度越高，通电类型定子相数n转子齿数z通电系数k步距角三相单三拍34130三相单双六拍34215三相双三拍3413067特征：转子外圆与定子内齿做成多齿的定子转子齿的齿宽和齿距相等，一般来说转子上齿数为40，定

19、子仍有6个磁极，每个磁极上加工5个小齿转子齿距为360 /40=9，齿宽、齿槽各为4.5 小步距角电动机的实现68A相通电时，定子A相的5个齿与转子齿对齐，此时，B相和A相空间差120度，当A相定子与转子齿对齐时，B、C相不能对齐，B相的转子与定子相差1/3个齿，C相定子与转子相差2/3个齿工作原理：单三拍通电工作方式C相和A相空间差240度，69A相断电，B相通电后，转子只需要转过1/3个齿(3度)，使B相定子齿与转子齿对齐；C相通电时，转子齿再转过3度若工作方式改为三相六拍，则每个通电脉冲转子只转过1.5度步进电机的转动方向由相序决定错齿是步进电机的转动原因70齿距 大小与通电方式和转子齿

20、数有关，其大小可用下式计算： 步距角360(z m) 式中 z-转子齿数； m-运行拍数，m=KN N：电动机的相数K1 单拍时2 双拍时 步距角71每输入一个脉冲，转子转过整个圆周的 1 /（ Zm ），也就是转过 1 /（Zm ）转，故转速为：转 速一台四相步进电动机，设其为四相八拍运行。转子上共有50个齿，计算n=1000r/min时，控制脉冲频率？7273分辨力最大输入力矩- 步进电机正常启动时的最大力矩最大输出力矩- 步进电机正常启动时力矩的范围内，最大输力矩最大启动领域- 步进电机正常启动时的最大力矩的范围最大输出领域- 步进电机正常启动时力矩的范围内，最大输出力矩范围最大驱动频率

21、 -步进电机能接受控制信号的的最大频率最大启动频率- 步进电机能启动, 停止, 正、反旋转的最大频率3.3.3 步进电动机的运行特性及性能指标741. 分辨力 在一个电脉冲作用下(即一拍)，电动机转子转过的角位移，即步距角。 越小，分辨力越高。常用的有0.751.5、0.91.8,1.53。3.3.3 步进电动机的运行特性及性能指标 2. 静态特性(最大静转矩、矩角特性、最大起动转矩)静转矩：步进电机处于稳定状态下的电磁转矩静态：步进电机的稳定状态(步进电机处于通电状态不变，转子保持不动的定位状态)75如果在电动机转子轴上加一负载TL，则转子齿的中心线与定子齿的中心线将错过一个电角度e才能重新

22、稳定下来。此时转子上的电磁转矩T1与负载转矩TL相等,定子齿轴线与转子齿轴线之间的夹角，称为失调角 e 。在空载状态下，给步进电动机某相通以直流电流时，转子齿的中心线与定子齿的中心线相重合，转子上没有转矩输出，e =0 ,此时为转子的初始稳定平衡位置。 tee转子76当e=0时转子齿轴线和定子齿轴线重合，此时定、转子齿之间虽有较大的吸力，但吸力垂直于转轴，故电机产生的转矩为0，如图所示。单相通电时，通电相齿会产生转矩，定子与转子对应齿所产生的转矩都是相同的，用一对定、转子齿的相对位置来表示，电机总的转矩等于通电相极下各个定子齿所产生的转矩之和。1e=0矩角特性77在外力的作用下，转动转子使e增

23、加，磁力线被扭曲产生电磁转矩增加，与其平衡的外转矩也增大,当e = /2 (即1/4齿距角)时转矩最大1e= /2 T11e= /4 T11e= 0 T1矩角特性78继续增加e ，电磁转矩反而减小，与其平衡的外转矩也变小，直到e = 时，外转矩又为0。1e= 1e= /2 T11e= 3/4 T1矩角特性79当e时，电磁转矩改变方向，外转矩也改变方向，变为负值。当e= 3/2时，外转矩达到负的最大值。1e= T11e=5/4 1e = 3/2T1矩角特性80e继续增加，电磁转矩反向减小，与其平衡的外转矩也变小，直到e= 2时，外转矩又变成0值。转子转动一个齿距（ 2电角度）1e= 21e =

24、3/2T11e = 7/4T1矩角特性81由于步进电机所产生的转矩是与外转矩相平衡的，因此外转矩随失调角e变化的规律，就是步进电机产生的静态转矩T 随失调角e的变化规律。T = f（ e ）规律曲线，为电机的矩角特性。eT03/2/21e= /2 T1Teme矩角特性曲线82当e +时，转矩的方向与e角增加的方向相同，故取转矩为正值。83当e =90，静态转矩为最大值Tjmax表示了步进电动机承受负载的能力，是步进电动机的最主要性能指标之一。静态转矩越大，自锁力矩越大，静态误差就越小。当e 在-到的范围内时，若撤掉负载转矩TL，转子仍能回到初始稳定平衡位置，因此- e 的区域称为步进电动机的静

25、态稳定区域eT0-/2/2Tjmax84当e =90时，其静态转矩Tjmax为最大静转矩。Tj与e 之间的关系曲线大致为一条正弦曲线，该曲线称为矩-角特性曲线。静态转矩越大，自锁力矩越大，静态误差就越小。当e 在-到的范围内时，若撤掉负载转矩TL，转子仍能回到初始稳定平衡位置，因此- e 的区域称为步进电动机的静态稳定区域最大静转矩853. 动态特性步进电机的动态特性将直接影响到系统的快速响应性能和工作的可靠性在某一通电方式下，各相得矩-角特性综合称为矩-角特性曲线，如图(a)所示，每一曲线依次错开的角度为2/m(m为运行拍数)，当通电方式为三相三拍时，e =2/3;三相六拍时，e =/3(图

26、b所示)863. 动态特性动态稳定区：由图所示，步进电动机从A相通电状态切换到B相(或者AB相）通电状态时，不至引起丢步，该区域称为动态稳定区。由于每一条曲线依次错开一个电角度，故步进电动机在拍数越多的运行方式下，其动态稳定区越接近于静态稳定区，裕量r也就越大，运行中也就越不容易丢步。 87启动转矩 A 相与B 相矩-角特性曲线之交点所对应的转矩称为启动转矩，它表示步进电动机单相励磁时所能带动的极限负载转矩。启动转矩通常与步进电动机相数和通电方式有关，如下表所示。88 最高连续运行频率及矩-频特性 步进电动机在连续运行时所能接受的最高控制频率称为最高运行频率，以fmax表示。在连续运行状态下，

27、其电磁转矩随控制频率的升高而逐步下降步进电机运行时，输出转矩与输入控制频率之间的关系称为矩-频特性。在不同的控制频率下电动机所产生的转矩称为动态转矩。步进电动机矩频特性特 点下降曲线。以最大负载转矩（启动转矩）Tq为起点，随着控制脉冲频率增加，步进电动机的转速逐步升高、而带负载能力却下降89选用步进电动机时，应使实际应用的运行频率与负载转矩所对应的运行工作点位于运行矩频特性之下，才能保证步进电动机不失步地正常运行步进电动机矩频特性90矩-频特性及联系尺寸91 空载起动频率与惯-频特性 在空载状态下，转子从静止状态能够不失步地启动时的最大控制频率称为空载启动频率或控制突跳频率，当带载启动时，所允

28、许的起跳频率会大大下降，步进电动机带动惯性负载时的起跳频率与负载转动惯量之间的关系称为惯-频特性。负载转动惯量的增加，起跳频率降低。除惯性负载外，还有外负载转矩，则起动频率会进一步下降。一般来说，fmax远远大于启动频率，在高于最高连续运行频率时，电动机将产生失步现象。不同负载下，电机允许的最高连续运行频率不同，一般步进电动机说明书上都会指明控制最高连续运行频率和空载启动频率。92空载启动频率933.3.4 步进电动机技术指标实例94 反应式步进电动机技术性能数据95永磁感应式步进电动机技术性能数据(一)96 永磁感应式步进电动机技术性能数据(二)97信号输出顺序步进电机开环控制用于一般速度和

29、位置控制的电机983.3.4 步进电动机的驱动与控制驱动电源由脉冲分配器、功率放大器等组成，如下图所示。脉冲分配器功放电路三相步进电机负载功率电源分配器电源功放电路功放电路功率放大器步进脉冲方向信号ABC99驱动电源的组成驱动电源是将变频信号源送来的脉冲信号及方向信号按要求循环供给电动机各相绕组，以驱动电动机转子正反向旋转。变频信号源是可提供从几赫兹到几万赫兹的频率信号连续可调的脉冲信号发生器。因此，只要控制输入电脉冲的数量及频率就可精确控制步进电动机的转角及转速。试求：步进电机的转速（r/min）100100当方向电平为低时，脉冲分配器的输出按A-B-C的顺序循环产生脉冲。当方向电平为高时，

30、脉冲分配器的输出按A-C-B的顺序循环产生脉冲。 1. 环形脉冲分配器使电动机绕组的通电顺序按一定规律变化的部分称为脉冲分配器（环形脉冲分配器）。101实现环形分配的方法有三种：一种采用计算机软件,软环分小规模集成电路搭建环行分配器、专用环形分配器102103103104表中为三相六拍分配状态，可将表中状态代码0lH、03H、02H、06H、04H、05H列入程序数据表中, 依次在数据表中读取并通过输出端口输出即可，通过正向和反向顺序读取可控制电动机进行正反转。通过控制读取一次数据的时间间隔可控制电动机的转速。1051. 专用环形分配器器件CH250为一种三相步进电动机专用环形分配器,可以实现

31、三相步进电动机的各种环形分配，使用方便、接口简单。下图为CH250的管脚图、图b为三相六拍接线图。106106CH250工作状态A、B、C三个输出端，当输入端CL或EN加上时钟脉冲后，输出波形将符合三相反应式步进电动机的要求。若采用CL脉冲输入端时，是上升沿触发，同时EN为使能端，EN1时工作，EN0时禁止。采用EN作时钟端，则下降沿触发，此时CL为使能端，CL0时工作，CL1时禁止。R和R*分别为双三拍运行和六拍运行的复位端。当R加上正脉冲，ABC的状态为110，而R*加上正脉冲后，ABC的状态为100，以避免ABC出现000或111非法状态。 J3r、J3L是双向双三拍的控制端，三相双三拍

32、工作时， J3r=1，J3L=0，电动机正转， J3r=0，J3L=1，电机反转。J6r、J6L是三相六拍的控制端，三相六拍供电时， J6r=1，J6L=0，电机正转， J6r=0，J6L=1，电机反转。107108三相六拍：AB B BC C CA A 108109三相双三拍：ABBC CA AB 1092. 功率放大器又称为驱动电路，作用是将脉冲发生器的输出脉冲进行功率放大，给步进电机相绕组提供足够的电流驱动电机正常工作。要求：提供足够的幅值；前后沿较陡的励磁电流；功率小，效率高；运行稳定可靠，便于维修而且成本低电压型和电流型电压型又有单电压型、双电压型电流型中有恒流驱动、斩波驱动110单

33、电压功率放大电路放大器输入端直接与环形脉冲分配器相连，输出至步进电机的三相。无脉冲输入时，3DK4, 3DD15均截止，绕组无电流，电动机不转。A相得电时，电动机转动一步，当脉冲依次加到三相输入端时，三组放大器分别驱动不同绕组，电动机连续转动二极管VD起续流作用，功放管截止时，储存在绕组中的能量通过VD续流泄放，保护功放管；限流电阻R，限制通过绕组的电流不超过其额定值，520环形分配器输出ABC步进电机的A相步进电机的B相步进电机的C相111电路结构简单，限流电阻R消耗能量，降低了放大器功率，绕组电感较大，电路对脉冲电流的反应较慢，输出的脉冲波形差、功率低。主要用于对速度要求不高的小型步进电动

34、机中112高低压功率放大电路无脉冲输入时，VT1,VT2,VT3,VT4均截止，绕组无电流，电机不转。脉冲截止后， VT1,VT2, VT3,VT4截止，储存在W中的能量通过18电阻和VD2放电， 电阻的作用是减小放电回路的时间常数，改善电流后沿的波形该电路采用高压驱动，电流增长快，脉冲前沿变陡，电动机的转矩和运行频率提高。主要用于混合式或永磁式步进电机，不仅可以控制相绕组电流的导通和截止，还可以控制相电流的方向，故称之为双极性驱动电路有脉冲输入时， VT1,VT2, VT4导通，VT2饱和导通时，变压器TI的一次电流急剧增加，在变压器二次侧感生一个电压使得VT3导通，的高压经高压管VT3加到

35、绕组W上，使得电流迅速上升，当VT2进入稳定状态时，TI 一次侧电流暂时恒定无磁通量变化，二次侧感生电压为零，VT3截止。步进电机A相环形分配器输出ABC113输入低电平时，VF2截止， VT1导通，单稳态电路VF1不触发，绕组无电流通过输入脉冲信号时，低压管VF2导通，脉冲上升沿使4528触发，6输出低电平，VT1截止，VF1导通，A点电位高于12V，VD5截止，绕组有高压电流，4528单稳态电路定时结束，6输出高电平，高压管VF1截止，低压工作；高压工作时间由RC参数决定114脉冲开始触发的一瞬间接通高压电源，低压运行供电，故效率高，电流的上升率高，故电机的高速运行性能好电流上升波形陡，容

36、易产生过冲，因此谐波成分丰富，电机运行过程中振动较大。115达林顿管ULN2003ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN 达林顿管组成。恒流源功率放大电路该电路的特点如下：每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出可以在高负载电流并行运行。116恒流源功率放大电路特点：电流的大小取决于恒流源的恒流值，当发射极电阻减小时，恒流值增大；电阻增大时，恒流值减小。由于恒流源的

37、动态电阻很大，故绕组可在较低的电压下取得较高的电流上升率。在较低的电压上有一定的上升率，因而可以用在较高的频率驱动上。电源电压较低，功耗小，效率高但是恒流源管工作在放大区，管压降较大，功耗大，所以必须对恒流源管采用较大的散热片散热。117斩波恒流功率放大电路如图3-17，直接采用大功率的MOS场效应管作为功放管该电路去掉了限流电阻，效率提高，并利用高压给W储能，波形前沿得到改善，使步进电机的输出加大，运行效率提高步进电机绕组中的电流保持在额定值附近并且类此锯齿状波形，如图3-18c所示118调频调压功放电路基本原理：当步进电机工作在低频时，供电电压降低，当运行在高频段时，供电电压也升高，即供电

38、电压随着步进电机转速的增加而升高。解决了低频运行时，绕组中容易蓄积过多的能量而引起电机的低频振动和噪声保证了高频运行时，电动机绕组电流值，避免了随工作频率的升高而电枢绕组电流降低，从而降低电机的输出转矩的问题1193. 细分驱动步距角只有整步工作或半步，由步进电动机结构所确定。电磁力的大小与绕组的通电电流有关当通电相电流阶梯型上升或下降时，所产生的磁场合力会使得转子有一个新的平衡位置，新的平衡位置在原来的步距角之内。120特点：在不改动电动机结构参数的情况下，步距角减小；电机机运行平稳，降低了电机的振动和噪声。实现方法：采用多路功率开关器件将开关控制脉冲信号进行叠加1211）采用多路功率开关器

39、件VT1,VT2,VT3,VT4,VT5共采用5个功率晶体管作为开关器件，在绕组上升过程中，按顺序导通，每导通一个，高压管都要跟着导通，绕组中电流上升一个台阶，步进电机跟着转动一小步1222）开关控制脉冲信号进行叠加与放大方法 分先放大后叠加；先叠加后放大两种方法。 123将前述控制信号进行叠加，叠加后的阶梯信号控制接在绕组的功率晶体管上，并使功率晶体管工作在放大状态基极b上加的是阶梯型变化的信号，因此通过绕组中的电流也是将诶提变化的，实现细分。功率管工作中放大状态，因此功耗大，电源的利用率低，但是器件少。124125步进电动机的微机控制 (串行、并行控制示意)具有串行功能的单片机系统与步进电

40、机驱动电源之间，具有较少的连线将信号送入步进电机的环形分配器主电路用微型计算机系统的几个端口直接去控制步进电动机各相驱动电路的方法。驱动电源中环形分配器由计算机来完成，可以用纯软件法实现也可用软硬件结合的方法126点位控制的加减速过程127如果启动时一次将速度上升到给定速度，起动频率可能超过极限起动频率，造成电动机失步如果到达终点时，突然停下来，由于惯性作用，步进电动机会发生过冲，影响到位置控制精度如果升降速过慢，不会产生失步和过冲，但是影响了执行机构的工作效率因此，对于步进电动机的加减速有严格的要求，保证在不失步和过冲的前提下，用最短时间移动到指定位置步进电动机的速度控制128步进电机的运行

41、速度取决于绕组的通电频率，控制运行速度实际是控制系统发出的脉冲的频率或者换相周期。软件延时每次换相后，调用一个延时子程序，延时结束后，再执行换相子程序。通过改变延时的实践长度即可改变脉冲的频率，调节电机转速采用定时器将电机换相子程序放在定时器中断服务程序中，定时器溢出中断实现电机换相，通过改变定时器定时时间常数，实现电机速度控制129按照直线规律升速步进电机的加减速过程按指数规律升速加速度恒定，要求电机的转矩为恒值。从电动机本身的矩-频特性来看，转速不是很高的范围内，转矩可基本认为恒定；但转速升高时，输出转矩将有所下降加速度是逐渐下降的，接近电动机输出转矩随转速变化的规律130用微机对步进电动

42、机进行加减速控制，实际上就是改变输出步进脉冲的时间间隔。升速时使脉冲串逐渐加密，减速时使脉冲串逐渐稀疏。微机用定时器中断的方式来控制电动机变速时,实际上就是不断改变定时器装载值的大小。 一般用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CPU时间，提高系统响应速度。131132步进电动机闭环控制132步进电机驱动系统设计步进电机28-BYJ-48，5VDC，四相电机设计四相单四拍控制开环直流电机驱动系统设计一般直流电机，无反馈元件PWM调速133133134

43、134 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。1353.4 直流（DC）与交流（AC）伺服电动机及驱动调速性能好: 调速范围广，易于平滑调节。起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。易于控制。直流电机的优点：应用：轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具。1363.4 直流

44、（DC）与交流（AC）伺服电动机及驱动1. 转子（又称电枢）由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。转子结构常见的是在有槽铁心内铺设绕组。铁芯由冲压成的硅钢片一类材料迭压而成；换向机构:换向环和电刷构成，电流通过电刷及换向片引入到绕组中。 2.定子永磁式：由永久磁铁做成。励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中通过直流电，形成电磁铁。3.4.1.1 直流伺服电动机的结构137励磁式直流电动机结构励磁：磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称为励磁。138在主磁极上有励磁绕组，绕组通电后就会在两个主磁极间产生主磁场。直流电动机模型的定子有一对主磁极，安装在机座上，机座也叫磁轭，是主磁极磁力线的通路。磁极与磁轭都是

45、用导磁良好的钢铁制成。139直流电机转子也称为电枢，电枢铁芯由导磁良好的硅钢片叠成，铁芯圆周均匀分布18个槽，用来嵌放电枢绕组。电枢铁芯直径比主磁极间距离略小点。140把绕制好的电枢绕组嵌入电枢槽内，每个绕组都有一对引出线。141换向器有18个铜制换向片，成圆筒形，固定在一个绝缘套筒上，换向片间留有缝隙，相互绝缘。两个角度展示换向器的外观。142把换向器安装在电枢转轴上，把电枢绕组的引出线按规律焊接在换向片上。143为散去电机发出的热量，还要在电枢转轴上安装风扇。144本模型有两个主磁极，故有两个电刷组，每个电刷组由两个电刷构成电刷组固定在电刷座上，构成电刷装置。电枢绕组通过电刷供电，电刷 的

46、主要成份是石墨，导电良好且润滑。电刷固定在电刷座握内，由弹簧片压向换向器。145把电枢插入定子主磁极间在电机两侧装上端盖（剖面），端盖上有轴承，支持电枢的旋转。电刷装置也固定在端盖上。146在电机端盖上有散热通风孔，在机座上有出线盒。147（2） 直流电机的额定值 直流电机的额定值主要有下列几项：（1）额定功率：是指电机的输出功率，对发电机系指出线端输出的电功率。对电动机系指转轴上输出的机械功率。单位为W或kW。（2）额定电压：是指在额定工作条件下，电机出线端的平均电压。对于电动机是指输入额定电压，对于发电机是指输出额定电压。单位为V。（3）额定电流：是指电机在额定电压下，运行于额定功率时的电

47、流值。单位为A。（4）额定转速：是指对应于额定电压、额定电流、电机运行于额定功率时所对应的转速。单位为rmin。（5）额定转矩：是在额定电压、额定负载下，电动机转轴上产生的电磁转矩称为电动机的额定转矩。单位为N.M。148149二十世纪60年代研制出了小惯量直流伺服电动机，其电枢无槽，绕组直接粘接固定在电枢铁心上，因而转动惯量小、反应灵敏、动态特性好，适用于高速且负载惯量较小的场合，否则需根据其具体的惯量比设置精密齿轮副才能与负载惯量匹配，增加了成本。直流印刷电枢电动机是一种盘形伺服电动机，电枢由导电板的切口成形，导体的线圈端部起换向器作用，这种空心式高性能伺服电动机大多用于工业机器人、小型N

48、C机床及线切割机床上。1502. 直流伺服电动机的工作原理导体ab,cd中通入图中所示方向的电流，根据电磁力定律，可以判断载流导体ab,cd 在磁场中受力方向，形成逆时针方向电磁力矩，线圈逆时针旋转。NS+-nabcdABFF当线圈转动180o ,导体cd处于N极下，电流由c到d，S极下导体电流由b到a ，导体受力仍然是逆时针方向。NS+-nabcdABFF电枢连续旋转，通过电刷和转换器产生的整流作用，导体ab、cd中电流的方向不断变化，交替在N极和S极下受电磁力作用，从而使得电动机按一定的方向连续旋转。151由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转。注意：换向片和电源固定联接，线

49、圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。152直流伺服电动机的特性及选用优点:具有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性不足：由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需要定期维修典型产品：宽调速直流伺服电动机3.特 点153结构特点：励磁便于调整，易于安排补偿绕组和换向极，电动机的换向性能得到改善，成本低,可以在较宽的速度范围内得到恒转速特性永久磁铁的宽调速直流伺服电动机的结构A、不带制动器B、带制动器日本FANUC公司生产的L系列(低惯量系列)、M系列和H系列直流伺服电动

50、机154宽调速直流伺服电动机154155宽调速直流伺服电动机155156宽调速直流伺服电动机156L系列(低惯量系列)H系列(大惯量系列）M系列(中惯量系列)日本法纳克(FANUC)适合于频繁起动、制动场合应用H系列是大惯量控制用电动机，它有较大的输出功率，采用六相全波晶闸管整流驱动在H系列的基础上发展起来的，其惯量较H系列小，适合于晶体管脉宽调制(PWM)驱动，因而提高了整个伺服系统的频率响应。1574.直流电机的调速方式由于直流伺服电机的机械特性方程为：式中，UC 电枢控制电压； R 电枢回路电阻； 每极磁通； Ce、Ct分别为电动机的结构常数。158由此，直流伺服电机的控制方式如下：（1

51、）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速）（2）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速）（3）改变电枢回路电阻调速159 直流伺服电动机为直流供电，为调节电动机转速和方向,需要对其直流电压的大小和方向进行控制。驱动方式：晶闸管直流调速驱动通过调节触发装置控制晶闸管的触发延迟角(控制电压的大小)来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的大小，使直流电动机电枢电压的变化易于平滑调速。晶体管脉宽调速驱动(PWM)5. 直流伺服电动机的驱动160脉冲宽度调制Pulse Width Modulation（PWM）晶体管半导体三极管，Transistor晶闸管晶体闸流管，可控硅整流器，称可控硅，Thyristor161

52、161伺服电动机与驱动器驱动器电动机162163（1）晶体管直流脉宽调制驱动(PWM)工作原理在给定供电电压U，由控制脉冲信号控制晶体管VT的通断，使直流电动机得到脉冲驱动信号，改变脉冲控制信号的每一周通电时间，就可改变直流电动机的平均工作电压Ua达到调速的目的；改变供电压和续流二极管的极性，便可改变直流电动机的转向。1641）直流电动机的脉宽调速电路原理a) 控制原理图 b)电压时间关系图电子控制高频开关进行直流斩波直流165 设开关K周期性地闭合、断开，在一个周期T内，闭合的时间是，断开的时间是T-。若外加电源电压U为常数，则电源加到电机电枢上的电压波形将是一个方波列，高度为U，宽度为。则

53、一个周期内电压的平均值为： 166 式中 称为导通率，又称占空系数。当T 不变时，只要连续地改变就可以连续地使Ua 由0U，从而达到连续改变电机转速之目的。实际应用时，通常采用大功率管代替开关S，其开关频率一般为2000Hz，比电动机的机械时间常数小很多，所以一般不会引起电动机的转速脉动，常选用的开关频率为5002500Hz。167A 功能1 正转0 停止B 功能1 反转0 停止1682）直流电动机的方向控制电路如果在VT1和VT3的基极上加以正脉冲的同时，在VT2和VT4的基极上加负脉冲，这时VT1和VT3导通，VT2和VT4截止设此时电动机的转向为正向。如果在晶体管VT1和VT3的基极上加

54、负脉冲，在VT2和VT4的基极上加正脉冲，则VT2和VT4导通，VT1和VT3截止，电流沿+90VcVT2 bMdVT4a0V的路径流通，电流反向，电动机反向旋转。 为使电动机实现双向调速，多采用下图所示桥式电路，其工作原理与线性放大桥式电路相似。 如果改变加到VT1和VT3、VT2和VT4这两组管子基极上控制脉冲的正负和导通率，就可以改变电动机的转向和转速。169 为使电动机实现双向调速，多采用下图所示桥式电路，其工作原理与线性放大桥式电路相似。170171172173174VT1 VT2 VT3 VT4 功能 1 0 0 1 正转 0 1 1 0 反转 1 1 0 0 抱闸 0 0 1 1

55、 抱闸174整流电路晶体管直流调速驱动（PWM）175晶体管直流调速驱动（PWM）桥式整流电路176177桥式整流电路晶体管直流调速驱动（PWM）177178晶体管直流调速驱动（PWM）178直流PMW调速驱动电路直流电机PWM调速电路晶闸管驱动直流电机PWM调速电路H桥驱动1793.4.2 直流无刷电动机结构由定子、转子、位置传感器及换向电路组成 本体包括定子和永久磁钢转子。定子有三相对称分布绕组，转子磁钢为两极或者多极结构；传感器检测转子位置，为电子换向器提供换相信号无刷永磁电动机晶体管开关180无刷电机结构与传统的直流电机主要区别在于： 无刷电机具有旋转的永磁转子和固定的电磁绕组； 有刷

56、电机具有旋转的电枢绕组和固定的永磁定子。本质上可看作是一台用电子换相装置取代机械换相装置的直流电机。181传感器：检测转子位置。控制器：为电子换相电路提供正确的换相信息，来控制电子换相电路中的功率开关管的开关状态。保证电机各相按正确顺序导通，在空间形成跳跃式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。1821FT5系列采用霍尔开关作为位置检测器,安装在电动机尾部机座上三个霍尔开关；转子上有带磁性条的感应盘，并随转子在霍尔开关槽内旋转。当磁性条与霍尔开关对应时，霍尔开关便发出信号，该信号反映了转子转过的角度，经控制电路处理后对定子三相绕组进行换向控制，实现了电子换向器的功能。西门子1FT5系列交流伺

57、服电动机U、V、W三相电源霍尔开关和测速发电机信号光电编码器信号183采用电力电子逆变器和转子位置检测器，代替了换向器和电刷，其驱动原理和直流电动机相同。为确保逆变器中的VT1VT6按顺序通断，需用转子位置传感器实时检测转子位置信息给换向逻辑控制及驱动电路，输出ub1ub6驱动电压给VT1VT6大功率晶体管。PNUdcVT1VT2VT3VT5VT6VT4主电路及控制电路184换向逻辑控制-iV、+iWVT6、VT51 1 03003606-iU、+iWVT4、VT51 0 12403005-iU、+iVVT4、VT31 0 01802404+iV、-iWVT3、VT20 1 11201803+

58、iU、-iWVT1、VT20 1 0601202+iU、-iVVT1、VT6 0 0 1 0601绕组电流功率管导通HU HV HW转子角度状态绕组电流的改变是通过转子位置检测器（霍尔开关）、换向控制逻辑及驱动电路和逆变器共同配合来完成的。转子每转过60 ，转子位置检测元件即获得一组逻辑信号，经驱动电路放大后，驱动VT1VT6大功率晶体管逻辑导通，从而生成U、V、W三相交流方波电流，实现两相绕组换流。185三相绕组通入的方波电流具有双极性、方波宽度为120电角度的特性，三相绕组电流每隔60改变一次。例如：三相绕组方波驱动电流在状态， VT1和VT6导通，绕组U、V相导通（红色虚线）。电流流向为

59、：P极VT1U相绕组V相绕组VT6N极。在状态，VT1和VT2导通，绕组U、W相导通在状态，VT3和VT2导通，绕组V、W相导通（蓝色虚线）。电流流向为：P极VT3V相绕组W相绕组VT2N极。186根据无刷直流电机的换相原理可知，电机各相电流要根据当前的转子位置来确定，即各绕组的相电压与位置传感器的输出值有严格的对应关系。本电机中三个霍尔传感器用于检测转子位置，控制器通过霍尔传感器的信号控制各功率管的通断。霍尔传感器与各相相电压之间的关系187无刷直流电动机速度控制，就是将合适的定子绕组与直流电源导通，对导通相进行PWM脉宽调制，进而影响磁场强度，改变转动力矩，调整速度大小PNUdcVT1VT

60、2VT3VT5VT6VT4188交流伺服驱动系统组成伺服电机伺服驱动器采用电流型脉宽调制（PWM）三相逆变器、电流环为内环、速度环为外环的多环闭环控制系统交流伺服系统分类感应型交流伺服系统(IM)同步型交流伺服系统(SM)正弦波电流驱动的永磁交流伺服系统矩形波电流驱动的无刷直流伺服系统3.4.3 交流(AC)伺服电动机及其驱动1891.伺服电动机在进给驱动中的应用1903.4.3 交流(AC)伺服电动机及其驱动原理：检测气隙磁场的大小和方向，用电力电子变换器代替整流子和电刷，通过与气隙磁场方向相同的磁化电流和方向垂直的有效电流来控制其主磁通量和转矩。 永磁同步型不需要磁化电流控制，只要检测磁铁