第3章 执行元件

第3章执行元件一、执行元件（驱动部件）三、步进电动机及其驱动二、常用的控制用电动机（伺服电动机）应用专题：步进电机发热问题讨论四、直流(DC)伺服电机及其驱动五、交流(AC)伺服电机及其驱动应用专题：步进电机和交流伺服电机性能比较执行元件接受控制器的指令，通过传动机构驱动执行机构实现某种特定的功能，如实现数控机床的主轴转动，工作台的进给运动及机器人手臂的升降、回转运动等。一、执行元件（驱动部件）大多数执行元件已作为系列化商品生产，故在设计机电一体化系统时，可作为标准件选用、外购。1执行元件种类根据使用能量的不同，可将执行元件分为电气式、液压式和气压式等类型。2对执行元件的基本要求

3电动执行元件

将电能转换成机械能以实现往复运动或回转运动的元件。电动执行元件的种类：常用的有直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机、电磁铁、继电器等。电动执行元件的特点：电动执行元件具有调速范围宽、灵敏度高、响应速度快、操作简单等，并能长期连续可靠地工作，易实现伺服控制。4液压执行元件

液压执行将液压能转换为机械能以实现往复运动或回转运动的执行元件。液压执行元件的种类：液压执行元件分为液压缸（直线往复运动）、液压马达(摆动液压马达或旋转液压马达)等。液压执行元件的特点：输出力矩大；机械刚性好，动态响应快；功率大，动作平稳，易实现伺服控制；难于小型化，易泄漏污染。制造工艺复杂、维护困难。

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，这些电-液式马达的最大优点是比电动机的转矩大，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。

5气动执行元件

将气体能转换成机械能以实现往复运动或回转运动的执行元件。气动元件的种类：实现往复直线运动的气动执行元件称为气缸；实现回转运动的称为气动马达。

气动元件的特点：操作简单，成本低；压缩空气清洁，结构简单易维护。动作不够平稳，不易小型化，气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度较高的场合使用。6执行元件的特点及优缺点1、控制用电动机种类主要有步进电动机、交流变频调速电动机、直流调速电动机。控制用电动机一般通过电压、电流、频率(包括指令脉冲)等进行控制，实现定速、变速驱动或反复起动、停止的复杂驱动。二常用的控制用电动机（伺服电动机）平板直线电机

步进电动机与驱动器直流伺服电机与驱动器驱动器电动机2、电动机控制方式的基本形式步进电动机的开环方式、其他电动机的半闭环方式和全闭环方式是控制用电动机的基本控制方式。闭环方式可得到比开环方式更精密的伺服控制。三、步进电动机及其驱动将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组的通电顺序，电动机即可获得所需的转角、转速及转向，很容易用微机实现数字控制。①工作状态不易受各种干扰因素(如电源电压的波动、电流的大小与波形的变化、温度等)的影响，只要在它们的大小未引起步进电动机产生“丢步”现象之前，就不影响其正常工作。②步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零”，因此不会长期积累；1、步进电动机特点：③控制性能比较好

步进电动机结构简单，制造容易，价格低廉。它的转子转动惯量小，动态响应快，易于起停，正反转和无级变速也容易实现。④其缺点主要表现在：低频时有振荡、速度不够均匀，在高速时输出转矩减小。步进电动机作为中、小功率的伺服电动机，在机电一体化传动系统中的应用非常广泛。有旋转式步进电动机，也有直线步进电动机；从励磁相数来分有三相、四相、五相、六相等步进电动机。就常用的旋转式步进电动机的转子结构来说，可将其分为以下三种：2、步进电动机的种类1)反应式（磁阻式）步进电动机的定子和转子不含永久磁铁，定子上绕有一定数量的绕组线圈，线圈轮流通电时，便产生一个旋转的磁场，吸引用软磁钢制成的齿形转子作步进驱动，绕组线圈一旦断电，磁场即消失，所以反应式步进电动机掉电后不自锁。此类电动机结构简单、材料成本低、驱动容易，定子和转子加工方便，步距角可以做得较小，但动态性能差一些，容易出现低频振荡现象，电动机温升较高。2)永磁式永磁式步进电动机的转子由永久磁钢制成，定子上的绕组线圈在换相通电时，不需要太大的电流，绕组断电时具有自锁能力。这种电动机的特点是动态性能好、输出转矩大、驱动电流小、电动机不易发热，但制造成本较高。由于转子受磁钢加工的限制，因而步距角较大，与之配套的驱动电源一般要求具有细分功能。3)混合式（永磁感应式）步进电动机的转子上嵌有永久磁钢，可以说是永磁型，但是从定子和转子的导磁体来看，又和反应式相似，所以是永磁式和反应式相结合的一种形式，故称为混合式。该类电动机的特点是输出转矩大、动态性能好、步距角小、驱动电源电流小、功耗低，但结构稍复杂，成本相对较高。因为混合式步进电动机的性能/价格比较高，所以目前得到了广泛的应用。三相两极步进电机三相四极步进电机3、步进电动机工作方式（三相四极步进电机为例）三相三拍工作方式：正向旋转A→B→C→A→步距角30º反向旋转A→C→B→A→(a)A相通电

(b)A、B相通电

(c)C相通电

(d)B、C相通电步进电动机通电方式三相六拍工作方式：正向旋转A→AB→B→BC→C→CA→A→步距角15º反向旋转A→AC→C→CB→B→BA→A→步进电动机说明书通常给出下述一些主要参数及特性曲线，以供设计者作为选用步进电动机的依据：4、步进电动机的主要参数及特性1）步距误差空载时实测的步距角与理论的步距角之差，它反映了步进电动机角位移的精度。由于步进电动机主要用于开环控制系统，这一误差无法测量和补偿，因而在选用步进电动机时，应分析它对整个伺服系统精度的影响。2）最大静转矩（保持转矩）是指步进电动机在通电状态下，使转子离开平衡位置时的极限转矩值。它反映了步进电动机承受外加转矩的特性。是步进电动机最重要的参数之一。反映了低速运行时的负载能力。步进电动机的输出转矩与运行频率有关。一般来说，随着运行频率的升高，输出转矩逐渐下降。输出转矩与频率的关系称作矩频特性。步进电动机的矩频特性有两种，一种是起动矩频特性，另一种是运行矩频特性。在图中，虚线为步进电动机的起动矩频特性，实线为运行矩频特性。3）矩频特性步进电动机的矩频特性4)步进运行和低频振荡

当输入脉冲频率很低时，脉冲周期如大于步进电动机的过渡过程时间，步进电动机就会处于一步一停的运行状态，这种运行状态称为步进运行。步进电动机都有较低的固有频率，当步进运行频率与该固有频率相等或接近时，就会产生共振，使步进电动机振荡不前，这种现象称为低频振荡。必须避免低频振荡的现象发生。采用的方法有两种，一种是使运行频率避开固有频率附近的共振区，二是当前一方法不允许时，可通过调节步进电动机上的阻尼器来改变固有频率。分别是指步进电动机每相绕组所允许施加的最大电源电压和流过的最大电流。实际应用的相电压或相电流如果大于允许值，可能会导致步进电动机绕组被击穿或因过热而烧毁。但比允许值小得太多，步进电动机的性能又不能充分发挥出来。因而设计或选择步进电动机的驱动电源时，应充分考虑这两个电气参数。

参数及特性还与通电方式及驱动电源的性能有关，当步进电动机选定后，通电方式及驱动电源的选择将是发挥步进电动机性能的关键。5)最大相电压和最大相电流厂家提供的步进电动机起动频率，是指步进电动机空载时的极限起动频率，电动机带载后，起动频率要下降。实际起动频率主要取决于负载的转动惯量，二者之间的关系可以用起动惯频特性曲线来描述。7)连续运行频率的选择步进电动机起动后，不失步地连续升速，所能达到的最高频率，称作连续运行频率。厂家提供的极限运行频率，是指电动机在空载时的最高运行频率。实际连续运行频率需要根据负载转矩的大小，从矩频特性曲线上查找。6)起动频率的选择5、步进电机的驱动与控制开环步进电动机控制系统框图如果三相步进电动机绕组为a、b、c，则三相三拍、三相六拍、三相双三拍的通电顺序分别为（正转）abcaabbbcccaabbcca环形分配器硬件环形分配器（脉冲分配器—数字电路）软件环形分配器如果三相步进电动机绕组为a、b、c，则三相三拍\三相六拍\双三拍的通电顺序分别为（正转）abcaabbbcccaabbcca软件环形分配器接口硬件环形分配器接口6、步进电机驱动电源单电压驱动单电压驱动（3相功放）高、低压双电压驱动电路高、低压双电压驱动电路斩波恒流驱动电路基本步距角的大小只有两种，即整步或半步工作（如三相三拍，三相六拍工作方式：1.5°/0.75°）。步距角已由步进电动机结构所确定。如果要求步进电动机有更小的转角（实际步距角）或者为减小电动机振动、噪声等原因，可以在每次脉冲切换时，不将绕组电流全部通入或切除，而是只改变相应绕组中额定电流的一部分，电动机转过的每步运动也只是基本步距角的一部分。绕组电流不再是一个方波，而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除。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。这样将一个步距角细分成若干步的驱动方法被称为细分驱动。7、步进电机的细分驱动细分驱动的特点：在不改动电动机结构参数的情况下，可使运行平稳，提高匀速性，减弱或消除振荡。但细分后的步距角精度并未提高，功率放大驱动电路也相应复杂。如要求运行速度较高，脉冲频率选择不当，步进电机或者不能正常启动，或者由于惯性不能准确地移到新的位置，即发生失步或过冲现象。在步进电机开环控制系统中，如何防止失步或过冲是步进电机开环控制系统能否正常运行的关键。8、步进电机的升降速控制如要求步进电动机运行速度低，运行脉冲频率低于它本身的起动频率时，步进电动机可以用运行频率直接起动，并以该频率连续运行；停止的时候，可以从运行频率直接降到零速，无需升降频控制。步进电动机常用的升降频控制方法有以下三种：

L1L2L3恒速段步进电机的直线升降频控制1）直线升降频

以恒定的加速度进行升降，平稳性好，适用在速度变化较大的快速定位方式中。加速时间虽然长，但软件实现比较简单升降频控制常用方法：指数曲线升降频2）指数曲线升降频

是从步进电动机的运行矩频特性出发，根据转矩随频率的变化规律推导出来的。它符合步进电动机加减速过程的运动规律，能充分利用步进电动机的有效转矩，快速响应好，升降时间短。抛物线升降频3）抛物线升降频

将直线升降频和指数曲线升降频融为一体，充分利用步进电动机低速时的有效转矩，使升降速的时间大大缩短，同时又具有较强的跟踪能力，这是一种比较好的方法。专用运动控制芯片可以自动进行升降速计算应用专题：步进电机发热问题讨论步进电机作为一种数字式执行元件，在运动控制系统中得到广泛的应用，但步进电机工作时有较大的发热，这种现象是否正常？实际上，发热是步进电机的一个普遍现象，但怎样的发热程度才算正常，以及如何尽量减小步进电机发热？步进电机内部都是由铁芯和绕组线圈组成的。绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这就是我们常说的铜损。1、步进电机为什么会发热铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小与材料，电流，电压，频率有关，这叫铁损。铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效率。如果电流不是标准的直流或正弦波，产生谐波损耗。步进电机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低，电流一般比较大，且谐波成分高，电流频率也随转速而变化，因而步进电机普遍存在发热情况，且情况比一般交流电机严重。

2、步进电机发热的合理范围电机发热允许到什么程度？主要取决于电机内部绝缘等级。内部绝缘性能在高温下（130度以上）才会被破坏。所以，步进电机表面温度在70-80度都是正常的。简单的温度测量方法是用点温计。也可以粗略判断：用手可以触摸1-2秒以上，不超过60度；用手只能碰一下，大约在70-80度；滴几滴水迅速气化，则90度以上了。3、步进电机发热随速度变化铜损的发热情况就与速度相关。低速时一般发热高，高速时发热低。低速下，采用恒流驱动技术时，电流会维持相对恒定，以保持恒力矩输出。速度高到一定程度，电机内部反电势升高，电流将逐步下降，力矩也会下降。铁损发热占的比例较小，变化的情况也复杂，而电机总发热是二者之和。

4、发热对电机的影响电机正常发热一般不会影响电机的寿命。但是，严重的发热会带来一些负面影响。如电机内部各部分热膨胀系数不同导致结构应力的变化和内部气隙的微小变化，会影响电机的动态响应，高速会容易失步。有些设备不允许电机的过度发热，如医疗器械和高精度的测试设备等。因此对电机的发热应当进行必要的控制。5、如何减少电机的发热

减少发热，就是减少铜损和铁损。完对两绕组电机，能用串联的电机就不用并联电机。但是这往往与力矩和高速的要求相抵触。对于已经选定的电机，则应充分利用驱动器的自动半流控制功能和脱机功能，前者在电机处于静态时自动减少电流，后者干脆将电流切断。另外，细分驱动器电流波形接近正弦，谐波少，电机发热也会较少

减少铁损的办法不多，高压驱动的电机虽然会带来高速特性的提升，但也带来发热的增加。所以应当选择合适的驱动电压等级，兼顾高速性，平稳性和发热，噪音等指标。直流电动机比交流电动机结构复杂，由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需要定期维修。但直流电动机调速性能较好和起动转矩较大，对调速要求较高或者需较大起动转矩的机械往往采用直流电动机驱动。直流电机的优点：

(1)调速性能好,调速范围广,易于平滑调节。

(2)起动、制动转矩大,易于快速起动、停车。

(3)易于控制。应用:(1)轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿山竖井提升机以及起重设备等调速范围大的大型设备。(2)用蓄电池做电源的地方，如电动汽车等四、直流(DC)伺服电机及驱动1、直流伺服电机特点直流电机按照励磁方式分

具有较高的响应速度、精度，优良的控制特性等优点。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。常用直流伺服电动机驱动器电动机宽调速直流伺服电动机20世纪70年代研制成功。它在结构上采取措施，提高转矩，改善动态特性。既具有一般直流电动机的各项优点，又具有小惯量直流电动机的快速响应性能，易与较大的惯性负载匹配，能较好地满足伺服驱动的要求。在数控机床、工业机器人等机电一体化产品中得到了广泛应用。根据负载条件来选择宽调速直流伺服电机加在电动机轴上的有两种负载，即负载转矩和负载惯量。当选用电动机时，必须正确地计算负载，即必须确认电动机能满足下列条件：①在整个调速范围内，其负载转矩应在电动机连续额定转矩范围以内；②工作负载与过载时间应在规定的范围以内；③应使加速度与希望的时间常数一致。一般讲，由于负载转矩起减速作用，如果可能，加、减速应选取相同的时间常数。惯性负载值对电动机灵敏度和快速移动时间有很大影响。对于大的惯性负载，当指令速度变化时，电动机达到指令速度需要的时间长些。如果负载惯量达到转子惯量的三倍，灵敏度要受到影响，当负载惯量比转子惯量大三倍时响应时间将降低很多，而当惯量大大超过时，伺服放大器就不能在正常条件范围内调整，必须避免使用这种惯性负载。

2、直流伺服电动机的主要技术参数(1)额定功率电动机轴上输出功率的额定值，即电动机在额定状态下运行时的输出功率。在额定功率下允许电动机长期连续运行而不致过热。如果电动机在超过额定功率条件下运行，将发生过热，长期过载工作则有烧坏电动机的危险。(2)额定电压是指电动机运行在额定状态下，励磁绕组和电枢控制绕组上应加的电压额定值。(3)额定电流是指电动机在额定电压下，驱动负载为额定功率时绕组中的电流。额定电流一般就是电动机长期连续运行所允许的最大电流。(4)额定转速有时也称最高转速，是指电动机在额定电压下，输出额定功率时的转速。直流伺服电动机的调速范围一般在额定转速以下。(5)额定转矩是指电动机在额定状态下运行时的输出转矩。(6)最大转矩是指电动机在短时间内可输出的最大转矩，它反映了电动机的瞬时过载能力。(7)机械时间常数τj和电磁时间常数τd

分别反映了直流伺服电动机两个过渡过程时间的长短。τj通常小于20ms，τd

通常小于5ms，两者之比通常大于3，因而通常可将直流伺服电动机近似地看成是一阶惯性环节。

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。目前常用晶体管脉宽调制驱动和晶闸管直流调速驱动两种方式。3、直流伺服电动机的驱动电路脉宽调制（PWM）？PWM（PulseWidthModulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。PWM（脉宽调制）控制的基本原理面积等效原理（PWM控制技术的重要理论基础）：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节上时，其效果基本相同（冲量即指窄脉冲的面积）。

效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

将图1a、b、c、d所示的脉冲作为输入，加在图2a所示的R-L电路上，设其电流i(t)为电路的输出，图2b给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形。

图1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

图2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

面积等效原理举例将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽度为

/N，但幅值顶部大小按正弦规律变化的脉冲序列组成的。把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，这就是PWM波形。脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（SinusoidalPWM）波形。PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种，由直流电源产生的PWM波通常都是等幅PWM波。基于等效面积原理，PWM波形还可以等效成其他所需要的波形。

用PWM波代替正弦半波用PWM波代替正弦半波

PWM晶体管功率放大器由两部分组成，一部分是电压—脉宽变换器，另一部分是开关功率放大器，其结构如图所示。4.PWM晶体管功率放大器的工作原理当输入一个直流控制电压U时就可得到一定宽度与U成比例的脉冲方波电压，给伺服电动机电枢回路供电。通过改变脉冲宽度来改变电枢的平均电压，使直流电动机平滑调速。用PWM波代替直流电压（控制电机转速）

！其作用是根据控制信号对脉冲宽度进行调制，用变化的脉冲信号去控制大功率晶体管的导通时间，实现对电枢绕组电压的控制。电压—脉宽变换器由三角波发生器、加法器和过零比较器组成。三角波发生器用于产生一定频率的三角波UT，该三角波经加法器与输入的指令信号UI相加，产生信号Ui+UT，然后送入过零比较器。(1)电压—脉宽变换器PWM调制电路（电压-脉宽变换器）作用是对电压—脉宽变换器输出的信号Us进行放大，输出具有足够功率的信号，以驱动直流伺服电动机。开关功率放大器常采用大功率晶体管构成。根据各晶体管基极所加的控制电压决定导通时间。(2)开关功率放大器

分同步和异步（异步也称感应型电动机）交流伺服电动机。五、交流(AC)伺服电动机及其驱动交流伺服电动机由于其电机结构坚固，制造容易，价格低廉，因而具有很好的发展前景。式中，ns为同步转速，单位r/min；p为极对数；f1为交流电源的频率。同步转速：1、交流(AC)伺服电动机特点交流伺服系统结构图

1—驱动器，2—交流伺服电动机，3—位置和速度检测装置交流伺服系统结构图交流电机的控制技术较为复杂，所需的电力电子调速系统要求也较高。直到近二十年时间，随着电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统才得到迅速的发展，其应用已在逐步取代传统的直流传动系统。

和直流伺服电动机相比，交流伺服电动机没有换向器和电刷，避免了换向火花的产生；转子的惯量可以做得很小，动态响应好；在同样体积下，输出功率可比直流电动机提高10%～70%；同时又可获得和直流伺服电动机相同的调速性能。和直流伺服电动机比较（1）直接交-交变频电路单相交交变频电路原理图和输出电压波形

为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对

角进行调制。在半个周期内让P组

角按正弦规律从90°减到0°或某个值，再增加到90°，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增至最高，再减到零。另外半个周期对N组进行同样的控制。uo由若干段电源电压拼接而成，在uo的一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。输出频率受输入电源频率的制约！2、交流变频调速系统urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud单相桥式PWM逆变电路（2）交-直-交变频电路交直交变频器（VariableVoltageVariableFrequency，简称VVVF电源）是由AC/DC、DC/AC两类基本的变流电路组合形成，又称为间接交流变流电路，最主要的优点是输出频率不再受输入电源频率的制约。IGBT--绝缘栅双极晶体管（PWM控制方式）同步型伺服电动机控制框图（张书）同步型伺服电动机控制框图步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。应用专题：步进电机和交流伺服电机性能比较由于制造成本低，步进电动机的步距角通常做得比较大。两相混合式步进电机步距角一般为1.8°/0.9°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°/0.36°。三相反应式多为1.5°/0.75°也有一些高性能的步进电机步距角更小。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0.09°；1.控制精度不同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17位编码器的电机而言，电机转一圈，由217=131072组二进数表示，即每组当量为360°/131072=9.89秒，是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。

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动器性能有关，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。当步进电机低速工作时，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。2.低频特性不同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，且具有共振抑制功能，系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。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下降，其最高工作转速一般不超过1000r/min。（一般在300～600RPM）。

3.矩频特性不同交流伺服电机为恒转矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩。