《智能机电系统设计与开发》课件 第四章-驱动系统设计与开发

第四章驱动系统设计与开发4.1概述4.2常用驱动系统分类4.3步进电动机驱动系统原理及选用4.4直流伺服电动机驱动系统原理及选用4.5交流伺服电动机驱动系统原理及选用4.6驱动系统设计与开发项目实践4.1.1驱动系统组成和基本要求4.1概述

电驱动系统组成4.1.1驱动系统组成和基本要求4.1概述

（1）精度高（2）稳定性好（3）响应快（4）调速范围宽（5）低速大转矩（6）可靠性高（7）经济性好（8）集成性高4.1.2驱动系统设计的原则和内容4.1概述

（1）需求分析（2）软硬件设计（3）智能化设计（4）接口设计（5）标准化与模块化设计（6）电磁兼容性（7）法规和标准遵循（8）可靠性与维护性（9）测试与验证4.2常用驱动系统分类4.3步进电动机驱动系统原理及选用

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移的控制电动机，每输入一个电脉冲时，转子就转过一个相应的步距角。角位移由脉冲数控制；转速由脉冲频率控制；旋转方向由分配脉冲的相序控制。步进电动机具有以下特点：（1）在步进电动机的负载能力范围内，步进电动机的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，只要它们的大小未引起步进电动机产生“丢步”，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；

（3）控制性能好，通过改变脉冲频率的高低就可以在很大范围内调节步进电动机的转速，并能快速启动、制动和反转；（4）带负载惯量的能力不强，低速运行时可能会出现振动或共振现象，在高速运行时可能会失步；（5）制造成本较低，但无法适应高精度、高性能的应用场合。4.3步进电动机驱动系统原理及选用4.3.1步进电动机结构和工作原理按工作原理，步进电动机可以分为：1.可变磁阻式2.永磁式3.混合式4.3.1步进电动机结构和工作原理1.可变磁阻式三相可变磁阻式步进电动机工作原理简化单/双六拍通电方式工作原理图三相双三拍通电方式工作原理图4.3.1步进电动机结构和工作原理永磁型步进电动机的定子为凸极式，定子上有两相或多相绕组，转子采用永久磁铁，转子的极数与定子每相的极数相同，定子绕组通电时建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩。2.永磁式

4.3.1步进电动机结构和工作原理混合式步进电动机是将永磁式和可变磁阻式相结合的一种形式，转子沿轴向方向两两互相间隔些许距离排列，有若干对铁芯，铁芯外周制有小齿，每对铁心之间的间隙中会插入磁化方向为轴向的圆盘形强磁体，使得每对铁芯被磁化为N极和S极。3.混合式4.3.1步进电动机结构和工作原理混合式步进电动机工作原理3.混合式4.3.1步进电动机结构和工作原理两相混合式步进电动机的转矩矢量图两相混合式步进电动机4细分驱动电流波形图3.混合式

静态运行是指通电状态不变，电机处于稳定状态时的特性。空载时，转子处在小齿中心线与定子齿的中心线相重合位置，此时的转子位置叫初始稳定平衡位置。加负载转矩TL时，转子齿的中心线与定子齿的中心线将错过一个电角度θe（一个转子齿距对应2π电角度）。电磁转矩Tj=TL；Tj为静态转矩，θe为失调角。当θe=±90°时，静态转矩达到最大值Tjmax，当θe=0°或±180°时，静态转矩等于零。1.静态特性1231234.3.2步进电动机特性

Tj与θe大致为正弦曲线，称为矩角特性曲线。

-π＜θe＜π时，去掉负载转矩TL，转子仍能回到初始稳定平衡位置。因此，-π＜θe＜π的区域称为步进电动机的静态稳定区。

矩角特性曲线上的静态转矩最大值（Tjmax）表示步进电动机承受负载的能力，与磁路结构、绕组匝数和通入的电流大小等因素有关，是步进电动机最主要的性能指标之一，步进电动机的技术数据中都会给出最大静转矩。4.3.2步进电动机特性矩角特性曲线4.3.2步进电动机特性电机长度电机型号电机接口额定电流静力矩绕组电阻绕组电感定位力矩转子惯量电机质量单出轴P=插座，L=引线ANmΩmHmNmgcm2kg25.3mmMS17HD5P4027P0.270.2042505200.15MS17HD5P4070P0.70.216.28.3MS17HD5P4100P10.213.14MS17HD5P4150P1.50.201.251.5634.3mmMS17HD4P4040P0.40.34305112380.21MS17HD4P4065P0.650.328.715.4MS17HD4P4100P10.334.27.5MS17HD4P4150P1.50.321.72.939.8mm1StackMS17HD2P4040P0.40.48245615570.28MS17HD2P4100P10.483.98.9MS17HD2P4150P1.50.501.984.3MS17HD2P4200P20.481.042.248.3mm2StackMS17HD6P4050P0.50.67245325820.36MS17HD6P4100P10.634.911.5MS17HD6P4150P1.50.622.24.9MS17HD6P4200P20.631.32.962.8mm3StackMS17HDBP4100P10.825.614.6301230.6MS17HDBP4150P1.50.8837.7MS17HDBP4200P20.831.493.8表4-1MS17HD系列2相混合式步进电动机技术数据表动态特性是指步进电动机在运行过程中的特性，它直接影响系统工作的可靠性和系统的快速反应，包括（1）单步运行状态（2）连续运行状态，2.动态特性4.3.2步进电动机特性这种特性受驱动电路特性的影响，因此，步进电动机一般跟驱动器配对使用，以获得最佳的动态特性。动态特性是指步进电动机在运行过程中的特性，它直接影响系统工作的可靠性和系统的快速反应，包括单步运行状态和连续运行状态，这种特性受驱动电路特性的影响，因此，步进电动机一般跟驱动器配对使用，以获得最佳的动态特性。2.动态特性4.3.2步进电动机特性动态稳定区4.3.2步进电动机特性（1）单步运行状态

单步运行状态是指步进电动机在单相或多相通电状态下，仅改变一次通电状态的运行方式，或输入脉冲频率非常低，以致加第二个脉冲前，前一步已经走完，转子运行已经停止的运行状态。

步进电动机在单步运行时所能带动的最大负载可由相邻两条矩角特性交点所对应的电磁转矩Tst来确定，Tst称为最大负载能力，也称为启动转矩。4.3.2步进电动机特性（1）单步运行状态

实际上，在负载转矩小于启动转矩的条件下，当一个输入脉冲施加到步进电动机上,电机向新的平衡位置移动时，会因为转子的转动惯量而在平衡位置附近做微小的振荡，经过一定的稳定时间之后才能稳定在平衡位置，如图所示。因此，步进电动机容易产生振动和噪声。当脉冲连续输入时，转子的旋转往往会出现超前或滞后。如果转子的旋转无法跟上输入脉冲信号，就会出现失步现象。4.3.2步进电动机特性（2）连续运行状态

当步进电动机在输入脉冲频率较高，其周期比转子振荡过渡过程时间还短时，转子做连续的旋转运动，这种运行状态称为连续运转状态。4.3.3步进电动机驱动原理步进电动机的性能是由电机和驱动电源（也叫驱动器）共同确定，步进电动机的驱动电源应满足下述要求。(1)驱动电源的相数、通电方式、电压和电流都应满足步进电动机的控制要求；

(2)驱动电源要满足启动频率和运行频率的要求；(3)能在较宽的频率范围内实现对步进电动机的控制；(4)能最大限度地抑制步进电动机的振荡；(5)工作可靠，对工业现场的各种干扰有较强的抑制作用；(6)成本低、效率高，安装和维护方便。4.3.3步进电动机驱动原理

驱动电源是将来自控制系统或信号源送来的脉冲信号及方向信号按要求的分配方式自动地循环供给电机各相绕组，以驱动电机转子正反向旋转。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。步进电动机的驱动器=环形脉冲分配器+功率放大器4.3.3步进电动机驱动原理1.脉冲分配器

脉冲分配器(也称环形分配器)的主要作用是根据运行指令把脉冲信号按一定的逻辑关系分配到步进电动机每一相的功率放大器上。（1）硬环分（2）软环分硬件环分由数字逻辑电路构成，一般放在驱动器的内部，其优点是分配脉冲速度快，不占用CPU的时间，缺点是不易实现变拍驱动，增加的硬件电路降低了驱动器的可靠性。软件环分由控制系统用软件编程来实现，能降低硬件成本，提高系统的可靠性，易于实现变拍驱动，尤其是对多相的脉冲分配具有更大的优点。但由于软环分占用计算机的运行时间，易影响步进电动机的运行速度。（1）硬环分CNC装置电源环形分配器A相驱动B相驱动C相驱动FULL/HALFDIRCLKM硬件环形分配驱动与数控装置的连接方向控制信号4.3.3步进电动机驱动原理CH250是国产三相反应式步进电动机环形分配器专用集成电路芯片，通过控制端的不同接法可组成三相双三拍和三相六拍的工作方式。ABCABC4.3.3步进电动机驱动原理（1）硬环分编制不同的环形分配程序，直接驱动步进电动机各绕组的通、断电。可使线路简化，成本下降，可灵活地改变步进电动机的控制方案。8255PA0PA1PA2PA3PA4PA5放大器X向

步进电动机ABC110A0D4.3.3步进电动机驱动原理（2）软环分四相双四拍步进电动机软环分10ABPA0PA1PA2…中间电路X向电动机0C01ABPA0PA1PA2…中间电路X向电动机1C11ABPA0PA1PA2…中间电路X向电动机0C00ABPA0PA1PA2…中间电路X向电动机1C01ABPA0PA1PA2…中间电路X向电动机0C10ABPA0PA1PA2…中间电路X向电动机1C①②③④⑤⑥A01AB03B02BC06C04CA054.3.3步进电动机驱动原理三相六拍步进电动机软环分（2）软环分4.3.3步进电动机驱动原理两个三相六拍步进电动机软环分改变进给脉冲频率f→改变步进电动机转速硬件环分：控制CP的频率。软件环分：控制相邻两次软件环分状态之间的延时。A01AB03B02BC06C04CA05ABC4.3.3步进电动机驱动原理（3）步进电动机的速度控制4.3.3步进电动机驱动原理2.功率放大器

由于脉冲分配器输出的电流只有几毫安，而步进电动机的驱动电流较大，如CH250脉冲分配器的输出电流大约为200-400μA，如鸣志42基座电机MS17HD5P4100-000每相绕组额定电流为1A。因此，脉冲分配器输出的电流必须经功率放大器将脉冲电流进行放大才能驱动步进电动机。

（1）单电压功率放大电路（2）高低压切换型功率放大电路（3）斩波恒流功率放大电路（4）双极性功率放大器4.3.3步进电动机驱动原理（1）单电压功率放大电路4.3.3步进电动机驱动原理（2）高低压切换型功率放大电路4.3.3步进电动机驱动原理（3）斩波恒流功率放大电路ABCA’B’C’ABCA’B’C’ABCA’B’C’反应式步进电动机转子不是永久磁铁，每相电流一个方向即可，即单极性驱动。4.3.3步进电动机驱动原理（4）双极性功率放大器永磁性步进电动机：假设转子顺时针旋转，黄色箭头代表相电流产生的磁力线方向为了转子连续旋转，下一步Ａ相绕组如何通电？可见绕组需要正反向电流。4.3.3步进电动机驱动原理（4）双极性功率放大器4.3.3步进电动机驱动原理（4）双极性功率放大器脉冲分配器+功率放大器=步进电动机驱动器4.3.3步进电动机驱动原理4.3.4步进电动机选用4.3.4步进电动机选用步进电动机的计算和选型步骤如下：(1)根据丝杠导程，步进电动机的步距角，脉冲当量等运动参数，计算减速比i；(2)根据机械系统结构，计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq；(3)计算不同工况下加在步进电动机转轴上的等效转矩Teq；(4)取其中最大的等效负载转矩，作为确定步进电动机最大静转矩的依据，初选步进电动机；(5)根据运行矩频特性、起动惯频特性等，对初选的步进电动机进行校核。4.3.4步进电动机选用方法几种工况下电机轴上的负载转矩空载起动T负=T惯+T摩快进运行T负=T摩负载匀速运行T负=T切+T摩负载加速运行T负=T切+T摩+T惯T惯不知道怎么办？先按已经算出来的T切和T摩初步选择电机（忽略T惯）然后根据选出的电机计算T惯最后验算电机是否满足要求。不满足要求，重选一个稍大一点的电机再验算,直至满足要求。数值最大计算举例已知进给系统移动部件总质量M=50kg，沿运动方向的总负载力FL=200N，摩擦系数0.1；齿轮轴部件I的转动惯量J=5*10-4kgm2

；齿数Z=20，模数为1mm。脉冲当量取为0.01mm，工进速度为VA工＝60mm／min、快进速度取为VA快＝3.6m／min，试选用合适的步进电动机。解

（工进）

（快进）

1）选电机计算举例计算举例计算举例计算举例计算举例若选用110系列步进电动机，设脉冲当量取为0.01mm工进速度为VA工＝60mm／min，f工进=60/0.01/60脉冲/秒=100Hz快进速度取为VA快＝3.6m／min，f快进=3600/0.01/60脉冲/秒=6000Hz验算合格计算举例2）选驱动器4.4.1有刷直流电动机结构和工作原理

直流伺服驱动系统包括直流伺服电机和配套的驱动器。

图4-33a为有刷直流电动机（DC）基本结构，主要包括壳体、永磁体定子、缠绕在铁心上的绕组转子（也叫电枢）、电刷和换向器，当在电刷两端的接线端子上通以直流电压时，转子就连续地旋转。铁心上的多圈绕组是为了增大电磁转矩，并减少其波动。由励磁线圈代替代替永磁体定子的有刷直流电动机是他励型的，通常用于大功率的工业设备中。一般的智能机电系统属于中小功率范畴，通常采用永磁体作为定子，二者工作原理类似。图4-33b为应用在机器人，航模上的微型有刷直流电动机。4.4.1有刷直流电动机结构和工作原理4.4.1有刷直流电动机结构和工作原理1.有槽型

将电枢线圈缠绕在铁芯绕组槽内，绕组槽数最小为3，槽数越多，电机运转越平稳，转子结构也越复杂。在模型电机中，最常见的是转子有3个槽的电枢，其次是转子有5槽、7槽、9槽的电枢。在工业电机中，绕组槽数较多，通常有十几个到几十个。图4-35为3槽和12槽的电枢。有刷直流电动机按电枢结构可以分为有槽型、无槽型、无铁芯（空心杯）型和盘型等。4.4.1有刷直流电动机结构和工作原理3.空心杯型在无槽型电枢中，线圈固定在电枢铁心的表面，铁心和线圈作为整体一起旋转。铁芯只是用来稳定和加大磁通量的，实际上可以固定铁芯，只旋转线圈。这种旋转的线圈往往被绕成杯状，因此，这种电机又被称为空心杯电机，由于铁芯不转，所以转子转动惯量较小。2.无槽型

为了减少齿槽转矩和转矩脉动，这种电机直接放弃了槽结构，而是选择了直接将电枢线圈缠绕在平滑的铁心表面，用环树脂固化成型并与铁心粘结在一起，因为线圈需要承受施加于它的电磁力和旋转时自然会产生的离心力，所以对缠绕的强度有一定要求。4.4.1有刷直流电动机结构和工作原理4.盘型

盘形电枢的特点是电枢的直径远大于长度，电枢有效导体沿径向排列，定转子间的气隙为轴向平面气隙，主磁通沿轴向通过气隙，如图4-37所示。圆盘中电枢绕组可以是印制绕组或绕线式绕组，后者功率比前者大。4.4.2有刷直流电动机的特性1.等效电路4.4.2有刷直流电动机的特性2.机械特性4.4.2有刷直流电动机的特性3.调节特性4.4.2有刷直流电动机的特性4.动态特性

过渡过程主要由机械惯性引起，因此，为了推导方便，假定电机在空载状态下完成过渡过程，即TL=0，并忽略粘性摩擦,即D=04.4.2有刷直流电动机的特性4.动态特性令则转速二阶常微分方程4.4.2有刷直流电动机的特性4.动态特性转速二阶常微分方程用同样的方法，可以得到过渡过程中电枢电流Ia随时间变化的规律。a）4τd

≤

τj

b）4τd＞τj4.4.2有刷直流电动机的特性4.动态特性当τd＜＜τj时，τd可以忽略不计4.4.2有刷直流电动机的特性4.动态特性拉氏变换4.4.2有刷直流电动机的特性4.动态特性通常系统黏性阻尼系数D较小，电感La相对于电枢电阻Ra较小，可以将其忽略4.4.2有刷直流电动机的特性4.动态特性机械时间常数负载转矩引起的电机转速变化程度反拉氏变换得到的

与时域分析得到的一样

4.4.2有刷直流电动机的特性4.动态特性为阶跃信号时，相对于呈现一阶滞后特性为阶跃信号时，相对于呈现一阶滞后特性4.4.2有刷直流电动机的特性4.动态特性空载状态下有刷直流电机频域输入输出关系4.4.3有刷直流伺服电机驱动原理

有刷直流电动机，虽然施加电压就可以旋转，但智能机电系统经常要实现启动/停止、加速/减速、正转/反转、定速/变速等十分精细的运转，这就需要对对外加电压的大小和方向进行实时控制。具有控制功能的直流电动机叫做直流伺服电机，它通常需要与驱动电路（驱动器）配合使用。

中小功率的有刷直流电动机通常使用PWM改变加在电枢上的电压来进行控制，PWM（PulseWidthModulation，脉冲宽度调制）通过对一系列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)，它的理论基础是面积等效原理。面积相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。图

形状不同而面积相同的各种窄脉冲e)单位脉冲d(t)tOa)矩形c)三角形d)正弦半波tOtOtOf(t)直流电机近似为惯性环节效果基本相同环节的输出响应波形基本相同f(t)f(t)f(t)b)矩形tOf(t)4.4.3有刷直流伺服电机驱动原理1.面积等效原理大功率晶体管工作于开关状态，开关周期T恒定，改变开关导通时间τ使电机两端得到宽度随τ变化的电压脉冲，按照面积等效原理，得到等效平均电压，从而调节电机的转速。平均电压：4.4.3有刷直流伺服电机驱动原理μ∈(0~1)2.转速开环控制4.4.3有刷直流伺服电机驱动原理直流伺服电机的H桥PWM变换器2.转速开环控制4.4.3有刷直流伺服电机驱动原理直流伺服电机的H桥PWM变换器ton>T/2,

Ud>0，电动机正转。ton<T/2,Ud<0，电动机反转。ton=T/2,Ud=0，电动机停止。2.转速开环控制4.4.3有刷直流伺服电机驱动原理3.转速闭环控制4.4.3有刷直流伺服电机驱动原理3.转速闭环控制a）变换前的系统框图b）变换后的系统框图图4-53有刷直流伺服电机速度闭环控制系统框图机械时间常数和机械特性变为4.4.3有刷直流伺服电机驱动原理3.转速闭环控制4.4.3有刷直流伺服电机驱动原理4.舵机控制常用舵机SG904.4.3有刷直流伺服电机驱动原理4.舵机控制舵机控制信号脉冲宽度与位置对应关系4.4.4有刷直流伺服电机选用

有刷直流伺服电机的特性明显优于步进电动机，尤其是采用闭环控制的有刷直流电动机，在额定电压和额定负载转矩内，转速基本可以保持恒定，因此其选择过程不必像步进电动机那样复杂，主要考虑以下四个方面：（1）连续工作扭矩<伺服电机额定扭矩（2）瞬时最大扭矩<伺服电机最大扭矩

（3）惯量比<电机规定的惯量比（4）连续工作速度<电机额定转速

有刷直流伺服电机的选择原则是，首先根据工况正确地计算电机轴的负载转矩、转速和功率等，然后按其中某一个或几个计算结果，根据供应商或生产商的样本或网站中提供的技术参数，初选一个电机，然后对其余指标进行校核。4.4.4有刷直流伺服电机选用电机参数DCU17025G06DCU17025G12DCU17025G18DCU17025G24额定电压（V）6121824空载转速（rpm）10400104001070011400空载电流（mA）12.38.26.33.5名义转速（rpm）7310752078008260最大连续转矩（mNm）3.693.903.883.89最大连续电流（A）0.6860.3650.2500.195堵转转矩（mNm）12.4714.1614.4714.91堵转电流（A）2.271.290.910.73最大效率（%）86838487端电阻（Ω）2.69.319.832.7端电感（mH）0.0680.2720.6000.900转矩常数（mNm/A）5.4910.9815.9220.32速度常数（rpm/V）1740870600470速度/转矩斜率（rpm/mNm）837737746756机械时间常数（ms）5.965.805.795.91转子惯量（gcm2）0.6800.7520.7410.7464.4.4有刷直流伺服电机选用

当被控对象作频繁启动、制动或负载周期性变化时，还需检查电机是否过热，为此需计算一个周期内电机转矩的均方根值，并且应使此均方根值小于电机的额定转矩。T为工作循环周期，T1、T2、...、Tn分别为一个工作循环中加在电机轴上的不同转矩，t1、t2、...、tn分别为一个工作循环中不同转矩对应的工作时长4.4.4有刷直流伺服电机选用

在有些应用场合，要求有良好的快速响应特性，随着控制信号的变化，电机应在较短的时间内完成必需的动作。如数控机床需要具有良好的快速响应特性才能保证加工精度和表面质量。电机的响应特性与负载惯量比息息相关。表4-7部分智能机电系统的惯量比推荐范围类型惯量比N推荐范围高速贴片机≤1数控机床、关节机器人≤(2~5)大型机械≤304.4.5

无刷直流伺服电机驱动原理

无刷直流电动机（BrushlessDCservomotor，BLDC）是由有刷直流电动机发展而来的，其转矩产生机理与有刷直流电动机相同，只是为了消除电刷和机械换向器，在无刷直流电动机中通常将永磁体和电枢绕组反装，即转子是永磁体，定子是多相电枢绕组，多采用三相，三相绕组可以接成三角形或星形，星形比较常用。此外，就电机整体结构而言，又分为内转子式和外转子式。4.4.5

无刷直流伺服电机驱动原理

转子旋转时，定子绕组的各线圈边将轮流经过N极和S极，为了使定子绕组中的电流方向能随其线圈边所在处的磁场极性交替变化，需要使用开关控制器和位置传感器组成换相装置，位置传感器检测转子磁极空间位置，确定电枢绕组各线圈边所在处磁场的极性，据此控制开关器件的通断，进而控制电枢绕组的导通情况及绕组电流的方向。4.4.5

无刷直流伺服电机驱动原理

定子绕组感应电动势和绕组电流波形。为了突出主要问题分析中做如下假定：①气隙磁场仅由转子上的永磁体建立，所产生的气隙磁密在永磁体中央所覆盖的120°范围内保持恒定，在N、S极两永磁体之间线性变化;②直流侧电流恒定；③绕组电流的换相是瞬间完成的。由图可见，无刷直流电机的反电势、绕组电流都非常接近方波。4.4.6

无刷直流伺服电机选用

根据负载和转速要求，按照生产厂家提供的技术参数，选择合适的型号并进行校验。4.4.6

无刷直流伺服电机选用交流电机一般都为三相异步型同步型（1）交流同步电机：转子由永磁材料制成，随着定子旋转磁场的变化，转子也做相应频率的速度变化，而且转子速度等于定子速度，所以称“同步”。（2）交流异步电机：转子由感应线圈和铁心材料构成。定子产生旋转磁场，磁场切割转子的感应线圈，转子线圈产生感应电流，转子产生感应磁场追随定子旋转磁场的变化，但转子的磁场变化永远小于定子磁场的变化。4.5

交流伺服驱动系统原理及选用4.5.1

交流同步电动机结构和工作原理VSVS脉冲编码器转子定子接线盒定子三相绕组定子由电工钢片叠制而成，定子绕组通常为三相，采用三相正弦波电流供电，产生旋转磁场，转子由永久磁钢构成磁极，同轴连接检测转子磁极位置的光电编码器。因效率高，体积小，多用在进给伺服系统

假设每相绕组只有一个线匝，分别嵌放在定子内圆周的6个凹槽之中。现将三相绕组A、B、C的末端X、Y、Z相连，首端A、B、C接三相正弦交流电源。电流的正方向规定为从首端流向末端，且A相绕组的电流作为参考正弦量，即iA的初相位为零。工作原理4.5.1交流同步电动机结构和工作原理三相交流电产生旋转磁场，nr＝ns＝60f4.5.1交流同步电动机结构和工作原理4.5.1交流同步电动机结构和工作原理只要改变交流伺服电机的供电频率f

，即可改变电机转速，所以交流伺服电机调速应用最多的是变频调速。主要环节是：提供变频电源的变频器，常用交—直—交变频。4.5.1交流同步电动机结构和工作原理主要内容先将交流电整流成直流电，然后将直流电压变成矩形脉冲波电压，矩形脉冲波的基波是所需的变频电压。该调频方式所得交流电的波动小，调频范围比较宽，调节线性度好。SPWM（正弦波PWM）变频器是目前应用最广、最基本的一种交—直—交型电压型变频器，在交流调速系统中获得广泛应用。交—直—交变频：4.5.3交流伺服电机的驱动uωtuOOωtD7D8D9D10D11D12T1T2T3T4T5T6uauaububucuciBiAiCSPWM变压变频器调制原理（以单相为例）正弦脉宽调制（SPWM）波形:

正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波。等效原理：把正弦波分成n等分，每一区间面积用与其相等的等幅不等宽的矩形面积代替。每相正弦波的正负半周均如此处理。由于脉冲频率很高，通常为25kHz，绕组电感起平滑作用，所以绕组电流基本上三相正弦波。4.5.3交流伺服电机的驱动4.5.1

交流同步电动机结构和工作原理三相正弦脉冲宽度调制(SPWM)4.5.1

交流同步电动机结构和工作原理三相正弦脉冲宽度调制(SPWM)交流同步电机位置伺服系统结构框图定子和转子都由铁心与绕组组成，绕组一般为三相，定子绕组通以电流产生旋转磁场，转子有线绕式和鼠笼式两种构造。转速受负载的变化影响较大，但成本低，多用在主轴伺服系统。4.5.2交流感应电动机结构和工作原理4.5.2交流感应电动机结构和工作原理

ns—同步转速f—交流电源频率（定子供电频率）s—转差率，s=(ns－nr)/nsp—极对数4.5.2交流感应电动机结构和工作原理4.5.3交流伺服电动机选用

交流伺服电机在体积相同时输出功率比直流电动机高10%到70%，容量更大、供电电压更高，能够实现更高的转速和更强的过载能力。在智能机电系统中越来越受到青睐，并逐渐取代直流电动机成为主流选择。

电机型号

MS1H1-05B30CB10B30CB20B30CB40B30CB55B30CB75B30CB10C30CB机座(mm)40406060808080额定功率

(kW)0.050.10.20.40.550.751.0额定电压

(V)220220220220220220220额定转矩(N·m)0.160.320.641.271.752.393.18最大转矩

(N·m)0.561.122.244.456.138.3711.13额定电流

(A)1.31.31.52.53.94.46.2最大电流

(A)4.74.75.89.81516.924额定转速

nN(rpm)3000300030003000300030003000最高转速

nmax(rpm)7000700070007000700070007000转矩系数(N·m/A)0.150.260.460.530.490.580.46转子转动惯量

(kg·cm2)，括号内数指带抱闸电机0.026(0.028)0.041(0.043)0.094(0.106)0.145(0.157)0.55(/)0.68(0.071)0.82(0.87)表4-9

汇川MS1H1低惯量、小容量电机技术参数4.5.3交流伺服电动机选用

同直流伺服电机的选择过程一样，选择交流伺服电机也主要根据系统连续工作扭矩、瞬时最大扭矩、惯量比和连续工作速度等参数，对照生产厂商提供的样本参数表挑选符合要求的交流伺服电机及驱动器。

现代交流伺服驱动器通常配备有多种通信接口，如RS-232、RS-485、以太网、CAN总线和EtherCAT等，这些接口使得驱动器能够轻松地与各种上位机系统、工业计算机或自动化控制系统进行无缝集成4.5.3交流伺服电动机选用4.5.3交流伺服电动机选用连续工作扭矩<伺服电机额定扭矩瞬时最大扭矩<伺服电机最大扭矩惯量比<电机规定的惯量比连续工作速度<电机额定转速4.5.3交流伺服电动机选用4.6.1驱动系统设计与开发项目实践28BYJ-48是价格低廉的小型5线4相步进电动机，广泛应用于家用电器、汽车电子、安防设备、智能家居和教育DIY项目上。“28”表示电机壳的外径是28mm，“BYJ”三个字母分别表示步进、永磁和减速，“48”表示电机绕组有4相，可以工作在8拍模式。4.6.1步进电动机拆装实践请准备一个28BYJ-48或其他型号的步进减速电机，对其进行拆装，观察里面的定子绕组结构和转子结构，计算其步距角，分析其齿轮减速的传动比。对照本章的知识，深刻理解步进电动机的结构特点。注意：（1）操作前需要将电源断开，避免电击事故。（2）使用专业的工具和材料，提前准备。（3）拆卸时不要用力过大，以免损坏电机内