执行装置及其驱动技术.

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1、机电一体化技术 第3章 执行装置及其驱动技术 第3章 执行装置及其驱动技术 执行装置是一种功率器件，它接收来自于控制器发出的各 种电信号命令，将这些信号进行功率放大并产生大功率驱 动信号，驱动对象按照一定的速度和位移运动。 伺服电动机的控制有速度控制和位置控制两种。 运动控制的实现是伺服驱动装置将给定的指令变为机械运 动的过程，和传统机械相比较，它具有功率小、精确定位 和连续调速等特点。 3.1 步进电动进电动 机及其驱动驱动 步进电机也称为脉冲电动机，它是一种将电脉冲信号转变 为角位移或线位移的执行电动机。 步进电机具有以下的特点： （1）步距角不受各种干扰因素的干扰。 （2）旋转角正比于输

2、入脉冲个数，速度正比于脉冲频率 。 （3）易于实现正反转、停止等控制. （4）精度高，无累积误差。 （5）具有很好的可靠性和寿命。 （6）由于采用脉冲控制，所以易于用计算机直接控制， 特别适合于开环控制当中，并且具有控制简单，价格低廉 等优点，有时将步进电机也称为数字电动机。 3.1.1 步进电动机的分类和原理 1.步进电动机的分类 步进电动机由带有绕组的定子和转子构成。根据其产生转矩的方式 分为永磁式步进电动机、可变磁阻式步进电动机和混合式步进电动 机3种基本类型。 永磁式步进电动机的转子由永久磁铁制成，如图3-1（a）所示。定 子绕组通电后产生磁场，依靠该磁场和转子的磁场相互吸引或者排 斥

3、来实现运转。它在断电情况下具有保持位置的特性，但是永磁式 步进电动机转矩较小，主要应用于打印机、小型医疗设备和仪器仪 表当中。 3.1.1 步进电动机的分类和原理 可变磁阻式步进电动机也称为反应式步进电动机，其转子 为一个带槽铁芯，如图3-1（b）所示。定子绕组通电后产 生了磁场，磁场吸引铁芯运行（铁芯总是处在磁场中磁阻 最小的位置）。可变磁阻式步进电动机转矩中等，但因为 转子没有磁性，所以在断电情况下不具有位置保持特性。 混合式步进电动机综合了永磁式步进电动机和可变磁阻式 步进电动机的特点，如图3-1（c）所示。混合式步进电动 机的转子也是由永久磁铁制成的，但是转子和定子上都有 很多径向齿槽

4、，其原理和永磁式步进电动机相同。混合式 步进电动机具有步距角小、转矩大、断电保持等优点，目 前应用最为广泛。 3.1.1 步进电动机的分类和原理 图3-1 步进电动机种类 3.1.1 步进电动机的分类和原理 2.步进电动机的工作原理 如图3-2所示为常见的三相反应式步进电动机的剖面图，定子上均 匀分布着6个绕组，其中每两个串联构成一相，三相分别为A、B、 C相。转子由铁芯构成，上面均匀分布着4个相位相差/2的转子齿 。 图3-2 反应式步进电动机剖面图 3.1.1 步进电动机的分类和原理 如图3-3所示为三相反应式步进电动机工作原理示意图。首先，假设 转子齿2-4在未通电的情况下是与定子的B-

5、B对齐的。A相通电产生磁场 ，吸引最靠近A相的转子齿1-3转动,转子转动一定的角度后，转子齿1-3 与A-A对齐，见图3-3（a）。然后，将A相断电，给C相通电，同样， 在C相的磁场作用下，最为靠近C向的转子齿2-4转动与C-C对齐，见 图3-3（b）。再将C相断电，给B相通电，则转子齿1-3与B-B对齐， 见图3-3（c）。 图3-3 步进电动机的工作原理 3.1.1 步进电动机的分类和原理 当给A、C、B三相轮流通电后，转子转过了一个转子齿的角度 ，这种单相通电方式，称为单拍方式。假定按照ACBA顺序 通电，转子正向转动，当通电顺序改变为ABCA时，转子反 向转动，但转动角度不变。 步进电

6、动机也可以使用双拍通电方式，即ABBCCA方式， 其转动和单拍方式相同，但是定位角度在两相的中间位置。 另外，还可以使用单双拍通电，即AABBBCCCAA的 通电方式，该方式需要6拍才能转过一个转子齿的角度，控制更为 精细，称为混合拍。 3.1.2 步进电动机的参数及性能指标 1.步距角及步距角精度 步距角是指给步进电动机输入一个脉冲后步进电动机所转过的角度。通常在步 进电动机的参数表中给出两个步距角，它们分别是全步和半步方式下的步距角 。由前面的叙述可知，对于一个m相的步进电动机，用全步方式走过m步后刚好 转过一个转子齿，而用半步方式则需要2m步。因此，步距角为 2.最大静转矩 当给步进电动

7、机的某一相通直流电时，转子齿将与该相对齐。在不改变通电状态 的情况下，定子锁住转子的力矩称为静转矩T。如果在电动机轴上加上一个外转 矩,电动机将转动一个角度,使外转矩与电磁转矩平衡，这个角度称为失调角 ，用电角度表示。 3.1.2 步进电动机的参数及性能指标 当步进电动机的控制绕组通电状态变化一个循环时，转子刚好转过一齿 ，则一个转子齿对应的电角度为2。如图3-4所示，当定子齿与转子齿对 齐（失调角=0）或定子齿位于两转子齿正中间（=）时，静转矩 T=0；而在其他位置时，静转矩T均不为零。 图3-4 步进电动机的转矩和转角 3.1.2 步进电动机的参数及性能指标 当失调角=/2时,静转矩T将达

8、到最大值，称为最大静转矩Tjmax。当失调角在 之间时，转子在电磁转矩的作用下将会回到稳定位置。静转矩T和失调角 的关系为 最大静转矩反映了步进电动机的带负载能力和带负载时的启动能力。 如图3-5所示为步进电动机的矩角特性。 图3-5 步进电动机的矩角特性 3.1.2 步进电动机的参数及性能指标 3.矩频特性和惯频特性 矩频特性是指输出转矩与输入频率的关系。随着运行频率增加，步 进电动机的输出转矩会下降。矩频特性图就是反映转矩和频率之间 关系的曲线，如图3-6（a）所示。频率与转动惯量之间的关系称为 惯频特性。惯频特性也是步进电动机的重要特性之一，分为启动惯 频特性和运行惯频特性。如图3-6(

9、b)所示为启动惯频特性。 图3-6 步进电动机的矩频特性和惯频特性 3.1.2 步进电动机的参数及性能指标 4.启动频率和运行频率 启动频率是指步进电动机在带动一定负载（转矩和 转动惯量）时，不失步启动的最高频率。运行频率 则是指步进电动机不失步运行的最高频率。它们都 和负载有关，要根据矩频特性和惯频特性选择应用 。运行频率应高于启动频率，这是因为启动时需要 进行加速，只有给步进电动机足够长的加速时间才 能不失步。 3.1.3 步进电动机的驱动 1.脉冲分配器 脉冲分配器也称为环形分配器，它的主要功能是将来源于控制器的脉冲串按一定 的规律轮流分配给各相功率放大器，然后由各相功率放大器放大脉冲信

10、号驱动步 进电动机运行，控制分配的顺序就可以实现转速的控制。如图3-7所示为环形分 配器工作原理，环形分配器把输入的脉冲逐次分配给A、B、C相，脉冲1分配给 A相后，脉冲2就分配给了B相，然后将脉冲3分配给C相，再把脉冲4分配给A相 ，依次轮流分配。 图3-7 环形分配器工作原理 3.1.3 步进电动机的驱动 2.功率放大器 步进电动机要带动负载运动，必须先输入一定的电功率，这就需要 相电流达到一定值。环形分配器输出的相脉冲信号微弱，不可能直 接驱动步进电动机运转，所以必须使用功率放大器。功率放大器有 很多形式，要根据步进电动机的运行要求和激励电流大小来进行选 择和设计。 步进电动机的运行性能

11、不仅与电动机自身特性有关，而且与驱动电 路紧密相关。驱动电路的输出可以使用三极管、MOS管和晶闸管等 ，使用三极管居多。驱动电路的输出极结构对步进电动机的性能影 响很大，根据输出极的结构，步进电动机的驱动电路可分为单电压 驱动电路、双电压驱动电路、恒流斩波驱动电路、调频调压驱动电 路和细分驱动电路几种类型。 3.1.3 步进电动机的驱动 1）单电压驱动电路 单电压驱动电路应用较早，是一种最为简单的电路形式，如图3- 8所示。环形分配器分配来的脉冲输入到三极管的基极上，当为 高电平时，三极管导通，电流流入绕组L；当为低电平时，三极 管截止。 图3-8 单电压驱动电路 3.1.3 步进电动机的驱动

12、 2）双电压驱动电路 如图3-9所示，高低压电路中有 两个电源，即高电压VH和低电 压VL。当脉冲信号输入时，一 路信号进入VT1的基极，使VT1 导通；同时，另一路脉冲信号经 过单稳延时或者微分电路后变为 一个窄脉冲，使VT2也同时导通 。由于VH大于VL，高电压进入 绕组L中；当窄脉冲很快结束后 ，VT2截止，VT1继续导通，此 时高电压无法进入绕组，而低电 压通过D1后进入了绕组L中。 图3-9 双电压驱动电路 3.1.3 步进电动机的驱动 3）恒流斩波驱动电路 为了弥补双电压驱动电路中 低电压供电时造成的电流波 形的不足，需要采用恒流斩 波驱动电路。恒流斩波驱动 电路是在低电压供电时电

13、流 相对恒定的电路，如图3-10 所示。 图3-10 恒流斩波驱动电路 3.1.3 步进电动机的驱动 4）调频调压驱动电路 调频调压驱动电路是一种供电电压随 着脉冲频率变化的供电电路，在低频 段使用低电压供电，随着频率的升高 ，供电电压也越来越高，由此来消除 低频段的振荡和高频段的转矩。如图3 -11所示为调频调压驱动电路，脉冲输 入一路通过环形分配器送入放大器， 另外一路经过F/V变换电路后和锯齿波 进入比较器，形成了占空比和F/V的电 压成正比的脉冲信号。该脉冲信号经 过电阻R2后控制开关管的导通和截止的 时间，从而控制了供电电压的大小。L1 和C构成了滤波电路，作用是将高频供 电电压滤波

14、成为直流电，而D2是L1和C 的泄放二极管。 图3-11 调频调压驱动电路 3.1.3 步进电动机的驱动 5）细分驱动电路 如图3-12所示，将A相和B相的供电 分为4个阶段。当A相电流不变时，将 B相的电流分为4个阶段逐步增加，则 每给B相增加一个阶段的电流，步进 电动机将转过一个角度，当加上4个 阶段电流后，A相和B相电流相同， 转子齿经过4步后转过了半步方式的 一个步距角，相当于把步距角进行了 4次细分。同样，在B相电流不变时， 将A相电流分4步降低到零，转子又 经过了4步转过了一个步距角。如此 重复，每一个步距角需要走4步。 图3-12 细分驱动波形图 3.1.3 步进电动机的驱动 细

15、分驱动电路可以 使用单片机的D/A 转换和专用电路两 种方式实现，如8 位D/A转换理论上 可实现256步细分 。而细分驱动电路 则有很多种，如图 3-13所示为用集成 驱动芯片 PBL3717A组成的 步进电动机细分驱 动电路。 图3-13 步进电动机细分驱动电路 3.2 直流伺服电动机及其驱动 直流伺服电动机是应用最为广泛的执行电动机，具有速度 高、体积小、质量轻、效率高和转矩大等优良特性。其速 度可以通过调节输入电压来控制，且调节范围很宽，适用 于各种控制系统。直流伺服电动机广泛地应用于机器人、 数控机床等计算机数字控制系统。 直流伺服电动机主要由定子和转子两大部分组成。定子的 主要作用

16、是产生磁场和作为电动机的机械支承。它由主磁 板、换向极、机座、端盖、轴承、电刷装置等组成。转子 是机械能和直流电能相互转换的枢纽。它由电枢铁芯、电 枢绕组、换向器、转轴、风扇等组成。直流伺服电动机原 理与普通直流电动机相同。 3.2.1 各种不同的直流伺服电动机 1.小惯量直流伺服电动机 无槽电枢伺服电动机如图3-14（a）所示。它将绕组固定在无槽的电枢铁芯上，以避免 在电枢铁芯上开槽，使电枢可以做到很小，从而实现了降低转动惯量的目的。空心杯伺 服电动机结构如图3-14（b）所示，它在固定的铁芯上安装有类似于杯子的转子，同时 ，为了保证磁阻小，在空心杯转子内放置了固定内定子。因为转子很轻，所以转动惯量 也很小。盘形电枢伺服电动机如图3-14（c）所示。采用盘状的电枢，它的定子磁铁位 于盘形电枢的平面两侧，电枢绕组可以是印制或者用导线绕制。因为电枢的质量极小， 所以转动惯量很小。 图3-14 小惯量直流伺服电动机 3.2.1 各