机电一体化系统设计第3章：执行元件的分类及控制用电机的驱动a.ppt

1、第三章第三章机电一体化系统执行元件机电一体化系统执行元件的选择与设计的选择与设计第三章第三章 机电一体化系统执行元件的选机电一体化系统执行元件的选择与设计择与设计 一、本章教学目标及要求一、本章教学目标及要求 执行元件的作用、分类、特点及机电一体化系执行元件的作用、分类、特点及机电一体化系统对其要求；统对其要求；步进电机的特点与种类、工作原理；步进电机的特点与种类、工作原理；步进电机的性能指标及运行特性、驱动与控制；步进电机的性能指标及运行特性、驱动与控制；直流伺服电动机的原理及其驱动；直流伺服电动机的原理及其驱动；交流伺服电动机的原理及其驱动。交流伺服电动机的原理及其驱动。本章教学重点：步进

2、电机工作原理及驱动控制，直本章教学重点：步进电机工作原理及驱动控制，直流、交流伺服电机选用及控制。流、交流伺服电机选用及控制。本章教学难点：步进电机、直流、交流伺服电机控本章教学难点：步进电机、直流、交流伺服电机控制。制。第一节执行元件的作用、分类及机电一体化系统第一节执行元件的作用、分类及机电一体化系统对其基本要求对其基本要求 作用：作用：执行元件主要用来根据控制信息和指令，执行元件主要用来根据控制信息和指令，将来自电、液压、气压等各种能源的能量转换将来自电、液压、气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式机械能，并完成成旋转运动、直线运动等方式机械能，并完成要求动作的能量转换装置，

3、它在机电一体化系要求动作的能量转换装置，它在机电一体化系统中所处的位置参见下图。统中所处的位置参见下图。一、执行元件分类一、执行元件分类 根据使用能量的不同，可以将执行元件分根据使用能量的不同，可以将执行元件分为电气式、液压式和气压式等几种类型。为电气式、液压式和气压式等几种类型。(1)电气电气(磁磁)式：是将电能变成电磁力，并用式：是将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构运动的。电动执行装置该电磁力驱动运行机构运动的。电动执行装置由于能源容易获得，使用方便，所以得到了广由于能源容易获得，使用方便，所以得到了广泛的应用。泛的应用。(2)液压式：是先将电能变换为液压能并用液压式：是先将电能变

4、换为液压能并用电磁阀改变压力油的压力和流向，从而使液压电磁阀改变压力油的压力和流向，从而使液压执行元件驱动运行机构运动，包括液压油缸、执行元件驱动运行机构运动，包括液压油缸、液压马达等。具有体积小、输出功率大等特点。液压马达等。具有体积小、输出功率大等特点。(3)气压式：与液压式的原理相同，只是气压式：与液压式的原理相同，只是将介质由油改为气体，包括气缸和气动将介质由油改为气体，包括气缸和气动马达。特点是重量轻、价格便宜。马达。特点是重量轻、价格便宜。(4)其它执行元件：与使用材料有关，如其它执行元件：与使用材料有关，如使用双金属片、形状记忆合金或压电元使用双金属片、形状记忆合金或压电元件件。

5、一、执行元件分类一、执行元件分类交流伺服电机交流伺服电机直流伺服电机直流伺服电机步进电机步进电机其它电机其它电机双金属片双金属片形状记忆合金形状记忆合金压电元件压电元件电磁铁及其它电磁铁及其它电动机电动机油缸油缸液压马达液压马达气缸气缸气压马达气压马达执行元件执行元件电磁式电磁式液压式液压式气压式气压式其它其它与材料有关与材料有关二、执行元件的特点与性能二、执行元件的特点与性能 1.电气执行元件：电气执行元件：优点：优点：以电源为能源，在大多数情况下容易得到；以电源为能源，在大多数情况下容易得到；容易控制；容易控制；可靠性、稳定性与环境适应性好；可靠性、稳定性与环境适应性好；与计算机等控制装置

6、的接口简单；与计算机等控制装置的接口简单；缺点：缺点：为了实现一定的旋转运动或直线运动，经常要为了实现一定的旋转运动或直线运动，经常要使用齿轮等传动部件；使用齿轮等传动部件；过载能力差，容易受载荷影响，不慎被过载能力差，容易受载荷影响，不慎被“卡住卡住”时甚至会烧毁；时甚至会烧毁；获得大功率比较困难；获得大功率比较困难；二、执行元件的特点与性能二、执行元件的特点与性能 2.液压执行元件：液压执行元件：优点：优点：输出功率大；输出功率大；功率密度大，可以减小执行元件的体积；功率密度大，可以减小执行元件的体积；刚度高，能够实现高速、高精度的位置刚度高，能够实现高速、高精度的位置控制；控制；缺点：缺

7、点：液压油源和进油、回油管路等附属设备液压油源和进油、回油管路等附属设备占空间，使设备难于小型化。占空间，使设备难于小型化。对油的要求（杂质、温度等）严格；对油的要求（杂质、温度等）严格；易泄露且有污染；易泄露且有污染；二、执行元件的特点与性能二、执行元件的特点与性能 3.气压执行元件：气压执行元件：优点：优点：气源方便、成本低；气源方便、成本低；无泄漏污染；无泄漏污染；速度快、操作比较简单；速度快、操作比较简单；利用空气的可压缩性可实现缓冲控制；利用空气的可压缩性可实现缓冲控制；缺点：缺点：由于空气的可压缩性，高精度伺服控制由于空气的可压缩性，高精度伺服控制比较困难；比较困难；虽然撞停等简单

8、动作速度较高，但在任虽然撞停等简单动作速度较高，但在任意位置上停止的速度很慢；意位置上停止的速度很慢；能量效率低能量效率低,噪声大。噪声大。三、机电一体化系统对执行元件的基本要求三、机电一体化系统对执行元件的基本要求1、惯量小、动力大、惯量小、动力大JTP2 比功率比功率 加速度表征执行元件的加速性能；另一表征加速度表征执行元件的加速性能；另一表征动力大小的综合性指标为比功率（功率的时动力大小的综合性指标为比功率（功率的时间变化率）间变化率）,它包含了功率、加速性能与转它包含了功率、加速性能与转速三种因素。速三种因素。2、体积小，重量轻、体积小，重量轻 通常用执行元件单位重量所能达到的输通常用

9、执行元件单位重量所能达到的输出功率或比功率，即用功率密度或比功出功率或比功率，即用功率密度或比功率密度来评价这项指标。设执行元件的率密度来评价这项指标。设执行元件的重量为重量为G，则功率密度，则功率密度P/G，比功率，比功率密度密度T2/J/G 3、便于维修、安装、便于维修、安装 4、易于微机控制、易于微机控制四、执行装置的基本动作原理四、执行装置的基本动作原理 1.电气式执行元件的动作原理电气式执行元件的动作原理 直流电机等电气式执行元件都是由电磁力驱直流电机等电气式执行元件都是由电磁力驱动运行机构运动的，基本工作原理相同。如图动运行机构运动的，基本工作原理相同。如图3.1所示，直流伺服电动

10、机由永磁体定子、线所示，直流伺服电动机由永磁体定子、线圈转子（电枢）、电刷和换向器组成，磁场中圈转子（电枢）、电刷和换向器组成，磁场中的线圈通入电流时，就会产生电磁力，驱动转的线圈通入电流时，就会产生电磁力，驱动转子转动。子转动。电气式执行元件的动作原理电气式执行元件的动作原理 为了得到连续的旋转运动，就必须随着为了得到连续的旋转运动，就必须随着转子的转动角度不断改变电流方向，因转子的转动角度不断改变电流方向，因此，必须有电刷和换向器。至于交流感此，必须有电刷和换向器。至于交流感应电机是在线圈内产生感应电流，再产应电机是在线圈内产生感应电流，再产生电磁力进行工作的。电机所产生的转生电磁力进行工

11、作的。电机所产生的转矩与通过的电流大小成正比；矩与通过的电流大小成正比；2.液（气）压式液（气）压式执行元件的动作原理执行元件的动作原理 液压式和气压式执行元件是用一定压力的液压式和气压式执行元件是用一定压力的油或气体推动活塞或叶片产生直线运动或旋转油或气体推动活塞或叶片产生直线运动或旋转运动。运动。利用阀门等调整液（气）体的流量，就可利用阀门等调整液（气）体的流量，就可以控制速度，而且可以在很大范围内调整。以控制速度，而且可以在很大范围内调整。3.2 机电一体化系统常用的控制用电机机电一体化系统常用的控制用电机 控制用电机是将电能转换成机械能的一种控制用电机是将电能转换成机械能的一种能量转换

12、装置。能量转换装置。包括：力矩电动机、脉冲电动机、变频调包括：力矩电动机、脉冲电动机、变频调速电动机、开关磁阻电动机和各种速电动机、开关磁阻电动机和各种AC/DC电动机等。电动机等。一、控制用电机的控制方式与优点一、控制用电机的控制方式与优点 图图3.4为控制用电动的基本控制形式。目标运为控制用电动的基本控制形式。目标运动不同，电动机及其控制方式也不同。步进电动不同，电动机及其控制方式也不同。步进电动机的开环方式、其它电动机的半闭环方式和动机的开环方式、其它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。全闭环方式是控制用电动机的基本控制方式。闭环方式比开环方式的伺服控制精度高。闭

13、环方式比开环方式的伺服控制精度高。伺服（随动）伺服（随动）servo：系统由如此几种设备：系统由如此几种设备组成，它们可以连续地监测系统的实际信息组成，它们可以连续地监测系统的实际信息（位置、速度、加速度等），把这些信息与理（位置、速度、加速度等），把这些信息与理想的给定信号相比较，然后做出适当的必要的想的给定信号相比较，然后做出适当的必要的调整以使差值为最小。调整以使差值为最小。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异步电动机内部结构异步电动机内部结构 普通电机可正反转，但不能调速普通电机可正反转，但不能调速 普通电机普通电机+微电子控制微电子控制=控制用电机控制用电机 方

14、便调速方便调速 异步电机转速表达式：异步电机转速表达式：调速方法：调速方法：改变电源频率改变电源频率f 改变转差率改变转差率s 改变磁极对数改变磁极对数p 直流伺服电动机的机械特性方程为：直流伺服电动机的机械特性方程为：式中，式中，一电枢控制电压；一电枢控制电压；一电枢回路电一电枢回路电阻；阻；每极磁通；每极磁通；、分别为电动机的分别为电动机的结构常数。结构常数。由上式知，直流伺服电动机的控制方式如下：由上式知，直流伺服电动机的控制方式如下：（1）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速）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）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速（3）改

15、变电枢回路电阻调速）改变电枢回路电阻调速 常用的是前面常用的是前面2种调速方式。种调速方式。二、机电一体化系统对控制用电机的基二、机电一体化系统对控制用电机的基 本要求本要求1、性能密度大、性能密度大 即功率密度和比功率大即功率密度和比功率大电电动动机机转转子子的的转转动动惯惯量量电电动动机机的的额额定定转转矩矩其其中中：比比功功率率功功率率密密度度 mNmNNGJTJTTdtdpGPP2 2、快速性好，加减速扭矩大，频率特性好；、快速性好，加减速扭矩大，频率特性好；3、位置控制精度高、调速范围宽、低速运、位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳无爬行现象、分辨率高、振动噪行平稳无爬行现象、分

16、辨率高、振动噪声小；声小；4、适应启、停频繁的工作要求；、适应启、停频繁的工作要求；5、可靠性高、寿命长、可靠性高、寿命长三、控制用电机的种类、特点及选用三、控制用电机的种类、特点及选用 机电一体化系统（或产品）使用两类电机电一体化系统（或产品）使用两类电动机：动力用电动机和控制用电动机。动机：动力用电动机和控制用电动机。动力用电动机：感应式异步电动机和同动力用电动机：感应式异步电动机和同步电动机等；步电动机等；控制用电动机：力矩电动机、脉冲电动控制用电动机：力矩电动机、脉冲电动机、开关磁阻电动机和变频调速电动机机、开关磁阻电动机和变频调速电动机和各种和各种AC/DC电动机等。电动机等。不同的

17、应用场合，对控制电动机的性能密不同的应用场合，对控制电动机的性能密度的要求不同：度的要求不同：对于起停频率低，但要求低速平稳和扭对于起停频率低，但要求低速平稳和扭矩脉动小，高速运行时振动、噪声小，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行的机械，在整个调速范围内均可稳定运行的机械，其功率密度是主要的性能指标；其功率密度是主要的性能指标；对于起停频率高，但不特别要求低速平对于起停频率高，但不特别要求低速平稳性的产品，其主要性能指标是高比功稳性的产品，其主要性能指标是高比功率。率。控制用电机按工作原理可分为控制用电机按工作原理可分为旋转磁场型旋转磁场型旋转电枢型旋转电枢型同步电

18、机同步电机步进电机步进电机直流电机直流电机感应电机感应电机伺服电机特点及应用实例伺服电机特点及应用实例伺服电动机优缺点比较伺服电动机优缺点比较DCDC伺服电动机伺服电动机优点：优点：停电时可制动停电时可制动 控制器简单控制器简单 小容量的成本低小容量的成本低 功率速度高功率速度高 无铁心形的不存在齿槽效应转矩无铁心形的不存在齿槽效应转矩缺点：缺点：需对整流子维护需对整流子维护 不能在高速大力矩下工作不能在高速大力矩下工作 产生磨耗有粉尘产生磨耗有粉尘同步（同步（SM）型伺服电动机）型伺服电动机优点：优点：停电时可制动停电时可制动 可高速大力矩工作可高速大力矩工作 耐环境性好，无需维修耐环境性好

19、，无需维修 小形轻量小形轻量 功率速度高功率速度高缺点：缺点：无自启动功能；无自启动功能；电动机与控制器需一一对应电动机与控制器需一一对应 控制器较复杂控制器较复杂感应（感应（IM）型）型AC伺服电动机伺服电动机优点：优点：耐环境性好，无需维修；耐环境性好，无需维修；可高速大转矩工作；可高速大转矩工作；大容量下效率良好；大容量下效率良好；结构坚固；结构坚固；缺点：缺点：在小容量下工作效率低在小容量下工作效率低 温度特性差；温度特性差；停电时不能制动；停电时不能制动；控制器较复杂控制器较复杂3.3 步进电机及其驱动步进电机及其驱动 步进电机又称步进电机又称脉冲脉冲电机。它是将电脉冲信号转换电机。

20、它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。每当输入一个电脉冲成机械角位移的执行元件。每当输入一个电脉冲时，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移时，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、频率以及电机绕组通电相序即可电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。获得所需的转角、转速及转向。步进电机的步进电机的转角转角与输入的与输入的电脉冲数电脉冲数成正比成正比 步进电机的步进电机的转速转速与

21、输入的与输入的电脉冲频率电脉冲频率成正比成正比 步进电机的步进电机的转向转向与输入的与输入的电脉冲的顺序电脉冲的顺序成正比。成正比。3.3.1 步进电动机的特点、种类、工作原理步进电动机的特点、种类、工作原理（1）步进电动机的特点）步进电动机的特点 工作状态不易受各种干扰因素工作状态不易受各种干扰因素(如电压波动、电流如电压波动、电流大小与波形变化、温度等大小与波形变化、温度等)的影响；的影响；步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以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，其累积误差变为误差变为“零零

22、”；由于可以直接用数字信号控制，与微机接口由于可以直接用数字信号控制，与微机接口比较比较容易；容易；控制性能好控制性能好,在起动、停止、反转时不易在起动、停止、反转时不易“丢步丢步”；不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制；不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制；缺点是能量效率较低。缺点是能量效率较低。（2）步进电动机的种类）步进电动机的种类 （1）按运动方式分）按运动方式分 旋转式步进电机和直线式步进电机旋转式步进电机和直线式步进电机 （2）按转子构成分类：）按转子构成分类：可变磁阻型（可变磁阻型（VR）步进电机）步进电机 转子为导磁体，转子为导磁体，也称反应式步进电机。也称反应式步进电机。

23、永磁型（永磁型（PM）步进电机）步进电机 转子为永磁铁。转子为永磁铁。混合型（混合型（HB-Hybrid）步进电机）步进电机 转子为导磁转子为导磁体和永磁铁的组合。体和永磁铁的组合。（3）按定子绕组对数分类：）按定子绕组对数分类：分为分为2相、相、3相、相、4相、相、5相、相、10相等相等步进电机。步进电机。（4）按定子绕组通电极性分类：）按定子绕组通电极性分类：分为单极性和双极性步进电机。分为单极性和双极性步进电机。（1）可变磁阻）可变磁阻(VR-VariableReluctance)结构原理：该类电动机由定子绕组产生的反应结构原理：该类电动机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制成的齿形

24、转子作步进驱电磁力吸引用软磁钢制成的齿形转子作步进驱动，故又称作反应式步进电动机。其结构原理动，故又称作反应式步进电动机。其结构原理如图如图3.5定子定子1上嵌有线圈，转子上嵌有线圈，转子2朝定子与转朝定子与转子之间磁阻最小方向转动，并由此而得名可变子之间磁阻最小方向转动，并由此而得名可变磁阻型。磁阻型。（1）可变磁阻）可变磁阻(VR-VariableReluctance)可变磁阻步进电机的特点：可变磁阻步进电机的特点：v反应式电动机的定子与反应式电动机的定子与转子均不含永久磁铁，故无转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力；励磁时没有保持力；v需要将气隙作得尽可能需要将气隙作得尽可能小，例如

25、几个微米；小，例如几个微米；v结构简单，运行频率高，结构简单，运行频率高，可产生中等转矩，步距角小可产生中等转矩，步距角小（0.099）v制造材料费用低；制造材料费用低；v有些数控机床及工业机有些数控机床及工业机器人上使用。器人上使用。（2）永磁）永磁(PM-PermanentMagnet)型型（3）混合）混合(HB-Hybrid)型型 结构原理：结构原理：这类电机是这类电机是PM式和式和VR式的复合形式。其定式的复合形式。其定子与子与VR类似，表面制有小齿，转子由永磁铁类似，表面制有小齿，转子由永磁铁和铁心构成，同样切有小齿，为了减小步距角和铁心构成，同样切有小齿，为了减小步距角可以在结构上

26、增加转子和定子的齿数。其结构可以在结构上增加转子和定子的齿数。其结构如图如图3.7所示。所示。混合式步进电机特点混合式步进电机特点:HB兼有兼有PM和和VR式步进电机的特点：式步进电机的特点：步距角可以做得较小步距角可以做得较小(0.93.6)；无励磁时具有保持力；无励磁时具有保持力；可以产生较大转矩，应用较广。可以产生较大转矩，应用较广。（4）步进电动机的工作原理）步进电动机的工作原理 拍拍:从一相通电换接到另一相通电称为一拍。从一相通电换接到另一相通电称为一拍。三相单三拍：通电方式三相单三拍：通电方式A-B-C-A，步距角为，步距角为30度度 三相双三拍：通电方式三相双三拍：通电方式ABB

27、CCAAB，步，步距角为距角为30 三相六拍：通电方式三相六拍：通电方式AABBBCCCAA，步距角为，步距角为l5（4）步进电动机的工作原理）步进电动机的工作原理 尽管步进电机种类很多，其基本原理实质尽管步进电机种类很多，其基本原理实质都是一致的。现以三相反应式步进电机为例，都是一致的。现以三相反应式步进电机为例，说明其工作原理说明其工作原理:在步进电机定子上有三对磁在步进电机定子上有三对磁极，上面绕有励磁绕组，分别称为极，上面绕有励磁绕组，分别称为A A相、相、B B相和相和C C相。转子上带有等距小齿（图中有四个齿）相。转子上带有等距小齿（图中有四个齿）,如果先将如果先将A A相加上电脉

28、冲，则有：相加上电脉冲，则有：AABBCC1234如果将如果将B B相加上电脉冲，则有：相加上电脉冲，则有：(b)B相通电转子逆时针旋转30。AABBCC1234(a)A相通电如果再将C相加上电脉冲，则有：AABBCC1234(c)C相通电转子逆时针旋转30。AABBCC1234(b)B相通电转子逆时针旋转30。AABBCC1234(a)A相通电这种三相励磁绕组依次单独通电，切换这种三相励磁绕组依次单独通电，切换三次为一个循环，称为三相单三拍通电三次为一个循环，称为三相单三拍通电方式。由于每次只有一相磁极通电，易方式。由于每次只有一相磁极通电，易在平衡位置附近发生振荡，而且在各相在平衡位置附近

29、发生振荡，而且在各相磁极通电切换的瞬间，电机失去自锁力，磁极通电切换的瞬间，电机失去自锁力，容易造成失步。为改善其工作性能，可容易造成失步。为改善其工作性能，可采用三相六拍的通电方式，其通电方式采用三相六拍的通电方式，其通电方式及通电顺序为及通电顺序为AABBBCCCAA或者或者AACCCBBBAA。这种通电方式当由这种通电方式当由A相通电转为相通电转为AB相共同相共同通电时，转子磁极将同时受到通电时，转子磁极将同时受到A相与相与B相的吸相的吸引，它就停在引，它就停在AB两相磁极中间，这时它转过两相磁极中间，这时它转过的角度是的角度是15。这种通电方式在切换时，始终。这种通电方式在切换时，始终

30、有一相磁极不断电，故而工作较稳定，且在相有一相磁极不断电，故而工作较稳定，且在相同频率下，每相导通的时间增加，平均电流增同频率下，每相导通的时间增加，平均电流增加，从而可以提高电磁转矩、启动频率及连续加，从而可以提高电磁转矩、启动频率及连续运行频率等特性。运行频率等特性。显然，通入脉冲频率越高，电机的转速就越高，显然，通入脉冲频率越高，电机的转速就越高，且电机每步转过的角度越小，所能达到的位置且电机每步转过的角度越小，所能达到的位置精度也越高。精度也越高。步进电机通电方式步进电机通电方式:*单相轮流通电方式单相轮流通电方式，在这种通电方式下工作的步，在这种通电方式下工作的步进电机，每次只有一相

31、通电，稳定性较差，容易失步。进电机，每次只有一相通电，稳定性较差，容易失步。对一个定子为对一个定子为m m相，转子有相，转子有Z Z个齿的步进电机，步进电个齿的步进电机，步进电机一转所需的步数为机一转所需的步数为mZmZ步。这种通电分配方式叫步。这种通电分配方式叫m m相单相单m m状态状态。例如：一个三相步进电机（例如：一个三相步进电机（A A、B B、C C三相绕组）三相绕组）通电顺序为：通电顺序为：A B C A A B C A ，逆时，逆时针旋转。针旋转。通电顺序为：通电顺序为：A C B A A C B A ，顺时，顺时针旋转。针旋转。对应每个指令脉冲，转子转动一个固定角度对应每个指

32、令脉冲，转子转动一个固定角度，称为称为步距角步距角。上述通电方式也称为上述通电方式也称为三相单三拍三相单三拍通电方式。通电方式。*双相轮流通电方式双相轮流通电方式，对三相步进电机来说，其，对三相步进电机来说，其通电次序为通电次序为ABBCCAABBCCA。由于两相通电，力矩就大。由于两相通电，力矩就大些，定位精度高而不易失步。步进电机每转步数亦些，定位精度高而不易失步。步进电机每转步数亦为为mZmZ步。这种通电分配方式叫步。这种通电分配方式叫m m相双相双m m状态状态。例：一个三相步进电机（例：一个三相步进电机（A A、B B、C C三相绕组）三相绕组）通电顺序为：通电顺序为：AB BC C

33、A AB BC CA ，逆时，逆时针旋转。针旋转。通电顺序为：通电顺序为：AB CA BC AB CA BC ，顺时，顺时针旋转。针旋转。上述通电方式也称为上述通电方式也称为三相双三拍三相双三拍通电方式。因通电方式。因为此通电方式在通、断电切换过程中，始终有一相为此通电方式在通、断电切换过程中，始终有一相保持通电状态，所以工作比较平稳。保持通电状态，所以工作比较平稳。*单双相轮流通电方式单双相轮流通电方式：对三相步进电机来说，其：对三相步进电机来说，其通电次序为通电次序为AABBBCCCAAABBBCCCA。这时步进电机一。这时步进电机一转所需步数为转所需步数为2mZ2mZ步。这种通电分配方式

34、叫步。这种通电分配方式叫m m相相2m2m状态状态。例：一个三相步进电机（例：一个三相步进电机（A A、B B、C C三相绕组）三相绕组）通电顺序为：通电顺序为：A AB B BC C CA A AB B BC C CA ，逆时针旋转。逆时针旋转。通电顺序为：通电顺序为：A CA C BC B AB A CA C BC B AB ，顺时针旋转。顺时针旋转。上述通电方式也称为上述通电方式也称为三相单双六拍三相单双六拍通电方式。其通电方式。其步距角减少一半。步距角减少一半。3.3.2、步进电机的运行特性及性能指标、步进电机的运行特性及性能指标1、分辨率、分辨率 步距角步距角 越小，分辨率越高；越小

35、，分辨率越高；2、静态特性、静态特性 稳定状态时的特性稳定状态时的特性1）矩角特性）矩角特性2）静转矩）静转矩3）静态稳定区）静态稳定区3.3.2 步进电动机的运行特性与性能指步进电动机的运行特性与性能指标标（1）分辨率分辨率主要指步距角主要指步距角=360/znK。如：。如：0.6/1.2、0.75/1.5、0.9/1.8、。步距角步距角步进电机每接受一个脉冲，转子所转过的角度，步进电机每接受一个脉冲，转子所转过的角度，称为步距角。它是决定开环伺服系统脉冲当量的重要称为步距角。它是决定开环伺服系统脉冲当量的重要参数。参数。式中式中步距角；步距角；n定子励磁绕组的相数；定子励磁绕组的相数；z转

36、子齿数；转子齿数；k通电方式系数，单拍时，通电方式系数，单拍时，k=1；双；双拍时，拍时，k2。znko/360 由于步进电机应用在机床上一般是通过减速器由于步进电机应用在机床上一般是通过减速器和丝杠副带动工作台移动，所以步进电机的步距角和丝杠副带动工作台移动，所以步进电机的步距角 对应工作台的移动量便是工作台的最小单位运动，对应工作台的移动量便是工作台的最小单位运动，也称也称脉冲当量脉冲当量（mm/脉冲）脉冲），脉冲当量可由下式，脉冲当量可由下式计算：计算：360S式中：式中：S S 丝杠基本导程（丝杠基本导程（mmmm）步进电机步距角步进电机步距角 传动比传动比当进给当进给脉冲脉冲频率为频

37、率为f（HzHz）时，则工作台的进给速度）时，则工作台的进给速度V V（mm/mm/脉冲）脉冲）可表示为：可表示为：fV60 例：步进电机转子有例：步进电机转子有80个齿，采用三相六拍驱个齿，采用三相六拍驱动方式，经丝杠螺母传动副驱动工作台作直线动方式，经丝杠螺母传动副驱动工作台作直线运动，丝杠的导程为运动，丝杠的导程为5mm，传动比为，传动比为3，工作，工作台移动最大速度为台移动最大速度为6mm/s。求：。求：步进电机的步距角。步进电机的步距角。工作点的脉冲当量。工作点的脉冲当量。步进电机的最高工作频率。步进电机的最高工作频率。（2）静态特性）静态特性 静态特性：步进电动机的静态特性是指静态

38、特性：步进电动机的静态特性是指它在稳定状态时的特性，包括矩它在稳定状态时的特性，包括矩-角特性、角特性、静转矩等。静转矩等。在空载状态下，给步进电动机某相通在空载状态下，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，转子上没有转矩输齿的中心线相重合，转子上没有转矩输出出,此时的位置为转子初始稳定平衡位置。此时的位置为转子初始稳定平衡位置。如果在电动机转子轴上加一负载转矩如果在电动机转子轴上加一负载转矩TL，定子与转子之间将有一角位移定子与转子之间将有一角位移e(见图见图3.11)，称为失调角。此时转子上的电磁，称为失调角。此时转子上的电

39、磁转矩与负载转矩相等，称为静态转矩转矩与负载转矩相等，称为静态转矩Tj。静态转矩越大，静态误差就越小静态转矩越大，静态误差就越小M eMjmax-/2/2 0静态稳定区静态稳定区（2）静态特性）静态特性（3）动态特性）动态特性 步进电机的动态特性将直接影响到系统的快速步进电机的动态特性将直接影响到系统的快速响应及工作的可靠性。在某一通电方式下，各响应及工作的可靠性。在某一通电方式下，各相的矩相的矩-角特性总和为矩角特性总和为矩-角特性曲线族，每一角特性曲线族，每一曲线依次错开的电角度为曲线依次错开的电角度为e2/m，m为运行为运行拍数。拍数。1）动态稳定区）动态稳定区A B C e32 裕量角

40、裕量角 A相与相与B矩角特性曲线之交点所对应的转矩矩角特性曲线之交点所对应的转矩Tq称为起动转矩；称为起动转矩；Tq表明步进电机单相励磁所能带动的极限负表明步进电机单相励磁所能带动的极限负载转矩载转矩2）启动转矩）启动转矩TqA B CTq eTA B C e T 电机产生的电磁转矩电机产生的电磁转矩T负载力矩负载力矩TLTL当电机所带负载当电机所带负载TLTq时，电机可不失步的时，电机可不失步的启动。启动。A B C e TTLT电机产生的电磁转矩电机产生的电磁转矩T负载力矩负载力矩TL,电机无电机无法启动。法启动。3）最高连续运行频率及矩）最高连续运行频率及矩-频特性频特性 步进电机在连续

41、运行时所能接受的最高步进电机在连续运行时所能接受的最高控制频率称为控制频率称为最高运行频率最高运行频率，以，以fmax表示；表示；它比最高启动频率大许多，因它不需克它比最高启动频率大许多，因它不需克服惯性力矩。它代表着步进电机的最高服惯性力矩。它代表着步进电机的最高转速。目前世界最高值可达转速。目前世界最高值可达7000rmin。步进电机的矩步进电机的矩-频特性频特性Td(N.m)f(Hz)电动机在连续运行状态下，其电磁转矩随控电动机在连续运行状态下，其电磁转矩随控制频率的升高而逐步下降；制频率的升高而逐步下降；转矩与控制频率之间的变化关系称为矩转矩与控制频率之间的变化关系称为矩-频特频特性。

42、性。4）空载启动频率与惯）空载启动频率与惯-频特性频特性 在空载状态下，转子从静止状态能够不在空载状态下，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失步地启动时的最大控制频率称为空载空载启动频率或突跳频率启动频率或突跳频率（fq）。）。当启动频率较低时：当启动频率较低时：电机可不失步的运行电机可不失步的运行A B C e T1234启动频率太高启动频率太高 4点落在点落在C相稳定区外，电机将不能正常相稳定区外，电机将不能正常启动。启动。A B C e T1234 步进电机带动惯性负载时的起跳频率与步进电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为惯负载转动惯量之间的关系为惯-频

43、特性。频特性。一般讲，随着负载转动惯量的增加，起一般讲，随着负载转动惯量的增加，起跳频率也会降低。跳频率也会降低。（4）步进电机的型号表示方法）步进电机的型号表示方法 不同生产厂家的步进电机型号表示方法也不尽不同生产厂家的步进电机型号表示方法也不尽相同，举例如下：相同，举例如下：(5)、步进电机的选用步骤、步进电机的选用步骤（1）根据系统精度的要求粗选步距角）根据系统精度的要求粗选步距角。（2）计算出整个系统加载到电机轴的力矩）计算出整个系统加载到电机轴的力矩Tq（3）根据电机的通电情况计算出电机的最大）根据电机的通电情况计算出电机的最大静态转矩静态转矩Tjmax,（4）根据）根据 和和Tjm

44、ax选定电机型号选定电机型号（5）根据电机的矩频特性曲线验算电机在最）根据电机的矩频特性曲线验算电机在最大工作频率下的转动力矩是否能带动负载运大工作频率下的转动力矩是否能带动负载运行。行。（6）最后根据系统的安装条件最终确定电机）最后根据系统的安装条件最终确定电机型号。型号。13001100015.640.755150BF00315004.90.753110BF004150070007.840.753110BF003空载启动空载启动频率频率(步步/s）空载运行空载运行频率频率(步步/s）最大静态最大静态转矩转矩(Nm)步距角步距角(0)相数相数 参数参数型号型号反应式步进电机技术性能数据反应式

45、步进电机技术性能数据三、步进电机的驱动与控制三、步进电机的驱动与控制 微机或数控装置等送来的脉冲信号及方向信号应按要微机或数控装置等送来的脉冲信号及方向信号应按要求的配电方式自动循环地供给电动机各相绕组，以驱求的配电方式自动循环地供给电动机各相绕组，以驱动电动机转子正反向旋转。只要控制输入电脉冲的数动电动机转子正反向旋转。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量及频率就可精确控制步进电动机的转角及转速。三、步进电机的驱动与控制三、步进电机的驱动与控制变频信号源变频信号源脉冲分配器脉冲分配器功率放大器功率放大器电机电机脉冲信号脉冲信号方向方向分配器电源分配器电源放大器电

46、源放大器电源步进电机的驱动包括脉冲分配器和功率放大器等步进电机的驱动包括脉冲分配器和功率放大器等 1、环形脉冲分配器、环形脉冲分配器 步进电机的各相绕组必须按一定的顺序通步进电机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作，（环形）脉冲分配器就电才能正常工作，（环形）脉冲分配器就是实现该功能的。使电机绕组的通电顺序是实现该功能的。使电机绕组的通电顺序按一定规律变化按一定规律变化实现的方法有：实现的方法有：软环分：软环分：采用计算机软件利用查表程序来采用计算机软件利用查表程序来实现。实现。以下图所示的微机控制三相步进电以下图所示的微机控制三相步进电机为例，对其软环分状态进行详细介绍。机为例，对其软

47、环分状态进行详细介绍。可将表中状态代码可将表中状态代码0lH、03H、02H、06H、04H、05H列入程序数据表中，通过软件可顺次在数据列入程序数据表中，通过软件可顺次在数据表中提取数据并通过输出接口输出即可，通过正表中提取数据并通过输出接口输出即可，通过正向顺序读取和反向顺序读取可控制电动机进行正向顺序读取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。电动机的转速。优点优点：充分利用计算机软件资源，降低硬：充分利用计算机软件资源，降低硬件成本；对多相电机的脉冲分配具有更件成本；对多相电机的脉冲分配具有更大的

48、优点；大的优点；缺点：缺点：易影响电机的运行速度易影响电机的运行速度2）采用小规模集成电路搭接而成的脉冲分配器）采用小规模集成电路搭接而成的脉冲分配器优点：优点：灵活性大，可搭接任意相任意通电顺序灵活性大，可搭接任意相任意通电顺序的环形分配器，且工作时不占用计算机的环形分配器，且工作时不占用计算机的工作时间的工作时间缺点：缺点：可靠性差可靠性差3）采用专用环形分配器器件）采用专用环形分配器器件 使用方便，接口简单使用方便，接口简单 图为市售的图为市售的CH250即为一种三相步进电动机专即为一种三相步进电动机专用环形分配器。它可以实现三相步进电动机的用环形分配器。它可以实现三相步进电动机的各种环

49、形分配（双三拍，单六拍等），使用方各种环形分配（双三拍，单六拍等），使用方便、接口简单。图便、接口简单。图3.16为为CH250的管脚图，图的管脚图，图b为三相六拍接线图。为三相六拍接线图。J3r、J3L两端子是三相双三拍的控制端，两端子是三相双三拍的控制端，J6r、J6L是三相六拍的控制端，三相双三拍工作时，是三相六拍的控制端，三相双三拍工作时，若若J3r“1”，而，而J3L“0”，则电机正转；若，则电机正转；若J3r“0”，J3L“1”，则电机反转；三相六，则电机反转；三相六拍供电时，若拍供电时，若J6r“1”，J6L“0”，则电机，则电机正转；若正转；若J6r“0”，J6L“1”，电机反

50、转。，电机反转。R2是双三拍的复位端，是双三拍的复位端，R1是六拍的复位端，使是六拍的复位端，使用时，首先将其对应复位端接入高电平，使其用时，首先将其对应复位端接入高电平，使其进入工作状态，然后换接到工作位置。进入工作状态，然后换接到工作位置。CL端是端是时钟脉冲输入端，时钟脉冲输入端，EN是时钟脉冲允许端，用以是时钟脉冲允许端，用以控制时钟脉冲的允许与否。当脉冲控制时钟脉冲的允许与否。当脉冲CP由由CL端端输入，只有输入，只有EN端为高电平时，时钟脉冲的上升端为高电平时，时钟脉冲的上升沿才起作用。沿才起作用。CH250也允许以也允许以EN端作脉冲端作脉冲CP的输入端，此时，只有的输入端，此时