机电一体化系统设计第5章执行元件的选择与设计OKppt课件

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1、华北电力大学Tuesday,June15,2021机电一体化系统设计机电一体化系统设计本章教学目的及要求本章教学目的及要求执行元件的作用、分类、特点及机电一体化执行元件的作用、分类、特点及机电一体化系统对其要求；系统对其要求；步进电机的特点与种类、任务原理；步进电机的特点与种类、任务原理；步进电机的性能目的及运转特性、驱动与控步进电机的性能目的及运转特性、驱动与控制；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。第五章第五章 执行元件的选择与设计执行元件的选择与设计 第五章第五章 执行元件的选择与设计执行元件的选择与

2、设计 第一节 执行元件的种类、特点 及根本要求 第二节 常用的控制用电动机第三节 直流(DC)与交流(AC)伺 服电动机及驱动 第四节 步进电动机及驱动附录： 伺服系统的设计第一节第一节执行元件的种类、执行元件的种类、特点及根本要求特点及根本要求n执行元件是机电一体化系统执行元件是机电一体化系统( (或产品或产品) )必不可少的必不可少的驱动部件，如数控机床的主轴转动、任务台的进驱动部件，如数控机床的主轴转动、任务台的进给运动以及工业机器人手臂的升降、回转和伸缩给运动以及工业机器人手臂的升降、回转和伸缩运动等所用驱动部件即执行元件。运动等所用驱动部件即执行元件。n 执行元件处于机电一体化系统的

3、机械运转机构与执行元件处于机电一体化系统的机械运转机构与微电子控制安装的接点联接部位的能量转换微电子控制安装的接点联接部位的能量转换元件。它能在微电子安装的控制下，将输入的各元件。它能在微电子安装的控制下，将输入的各种方式的能量转换为机械能，例如电动机、电磁种方式的能量转换为机械能，例如电动机、电磁铁、继电器、液动机、油气缸、内燃机等分铁、继电器、液动机、油气缸、内燃机等分别把输入的电能、液压能、气压能和化学能转换别把输入的电能、液压能、气压能和化学能转换为机械能。由于大多数执行元件已作为系列化商为机械能。由于大多数执行元件已作为系列化商品消费，故在设计机电一体化系统时，可作为规品消费，故在设

4、计机电一体化系统时，可作为规范件选用、外购。范件选用、外购。 一、执行元件的作用n1.作用：执行元件主要用来根据控制信息和指令，未来自电、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，并完成要求动作的能量转换安装，它在机电一体化系统中所处的位置参见以下图。二、执行元件的种类及特点二、执行元件的种类及特点根据运用能量的不同，可以将执行元件分为电气式、根据运用能量的不同，可以将执行元件分为电气式、液压式和气压式等几种类型。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，并用该电磁力驱式：是将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运转机构运动的。电动执行安装由于能

5、源容易获得，运动运转机构运动的。电动执行安装由于能源容易获得，运用方便，所以得到了广泛的运用。用方便，所以得到了广泛的运用。(2)液压式：是先将电能变换为液压能并用电磁阀改动压力液压式：是先将电能变换为液压能并用电磁阀改动压力油的压力和流向，从而使液压执行元件驱动运转机构运动，油的压力和流向，从而使液压执行元件驱动运转机构运动，包括液压油缸、液压马达等。具有体积小、输出功率大等包括液压油缸、液压马达等。具有体积小、输出功率大等特点。特点。(3)气压式：与液压式的原理一样，只是将介质由油改为气气压式：与液压式的原理一样，只是将介质由油改为气体，包括气缸和气动马达。特点是分量轻、价钱廉价。体，包括

6、气缸和气动马达。特点是分量轻、价钱廉价。(4)其它执行元件：与运用资料有关，如运用双金属片、外其它执行元件：与运用资料有关，如运用双金属片、外形记忆合金或压电元件形记忆合金或压电元件。执行元件的种类执行元件的种类三、对执行元件的根本要求1 1惯量小，量小，动力大。力大。 表征表征执行元件行元件惯量的性能目的：量的性能目的：m(m(直直线运运动、转动惯量量J J回回转运运动 表征表征输出出动力的性能目的：推力力的性能目的：推力F F、转矩矩T T、功率、功率P P对直直线运运动：a=F/ma=F/m；对回回转运运动：P=TP=T，=T/J=T/J。即加速度。即加速度a a与角加速度与角加速度表征

7、了表征了执行元件的加速性能。行元件的加速性能。 比功率：表征比功率：表征动力大小的力大小的综合目的，包含功率、加速性能与合目的，包含功率、加速性能与转速三种要素，即比功率速三种要素，即比功率P /=T2/JP /=T2/J2 2体体积小，分量小，分量轻: :用功率密度或比功率密度来用功率密度或比功率密度来评价价 功率密度功率密度P/GP/G；比功率密度；比功率密度(T2/J)/G(T2/J)/G，其中，其中G G为执行元行元件分量。件分量。3 3安装方便、便于安装方便、便于维修修维护。 最好不要最好不要维修，无刷修，无刷DCDC及及ACAC伺服伺服电机机走向无走向无维修修4 4易于易于实现自自

8、动化控制：主流是化控制：主流是电气式。其次是液气式。其次是液压式和气式和气压式式( (在在驱动接口中需求添加接口中需求添加电- -液或液或电- -气气变换环节) )。内燃机。内燃机定位运定位运动的微机控制的微机控制较难，故通常，故通常仅被用于交通运被用于交通运输机械。机械。第二节第二节机电系统常用的控制电动机机电系统常用的控制电动机n控制用电动机有力矩电动机、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。控制用电动机是电气伺服控制系统的动力部件，是将电能转换为机械能的一种能量转换安装。由于其可在很宽的速度和负载范围内进展延续、准确的控制，因此在各种机电一体化系统中得到

9、广泛运用。n控制用电动机有回转和直线驱动电动机，经过电压、电流、频率(包括指令脉冲)等控制，实现定速、变速驱动或反复起动、停顿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。机电一体化系统中常用的控制用电动机是指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电动机。 伺服系伺服系统定定义以挪以挪动部件的位置和速度部件的位置和速度 作作为控制量的自控制量的自动控制系控制系统. . 伺服系伺服系统的作用的作用: : 接受机接受机电安装安装发来的来的进给脉冲指令信号，脉冲指令信号，经过信号信号变换和和电压、功率放大由、功率放大由执行元件行元件( (伺服伺服电机机) )将其将其转换成角位移或直成角位移或

10、直线位移，位移，驱动运运动部件部件实现加工所需求的运加工所需求的运动. . 伺服系伺服系统是自是自动控制系控制系统的一的一类，它的，它的输出出变量通常是机械量通常是机械或位置的运或位置的运动，根本，根本义务是是实现执行机构行机构对给定指令的准确跟定指令的准确跟踪，即踪，即实现输出出变量的某种形状可以自量的某种形状可以自动、延、延续、准确地复、准确地复现输入指令信号的入指令信号的变化化规律。律。一、伺服系统概念一、伺服系统概念 二、伺服系二、伺服系统的根本的根本组成成 由以下由以下4 4部分部分组成：成： 控制器；控制器； 功率功率驱动安装；安装； 检测反响安装；反响安装； 伺服伺服电机机(M)

11、. (M). 例：数控机床伺服系统例：数控机床伺服系统伺服系统构造图伺服系统构造图1 1、开环伺服系统、开环伺服系统 (1) (1)组成：成：步步进电机；机； 驱动控制控制电路路( (控控制器制器).).1 1、开环伺服系统、开环伺服系统(2)(2)开开环伺服系伺服系统特点特点 没有位置和速度反响回路没有位置和速度反响回路; ; 设备投投资低，低，调试维修方便修方便; ; 精度差；精度差； 高速扭矩小高速扭矩小. .(3)(3)开开环伺服系伺服系统运用运用场所所 中、低档数控机床中、低档数控机床; ; 普通机床数控改造普通机床数控改造. .2、闭环与半闭环伺服系统、闭环与半闭环伺服系统(1)闭

12、环伺服系统组成表示图闭环伺服系统组成表示图 组成：成： 控制器；控制器； 功率功率驱动电路；路； 检测反响安装；反响安装； 伺服伺服电机机. . (2) (2)闭环伺服系伺服系统的特点的特点 精度高精度高 位置丈量没有中位置丈量没有中间环节，可，可经过闭环控制控制消除整个消除整个环内内传动链的全部累的全部累积误差差. . 闭环伺服系伺服系统的位置的位置检测安装安装在机床安装安装在机床的任的任务台上，台上，检测安装安装测出出实践位移量或者践位移量或者实践所践所处位置，并将丈量位置，并将丈量值反响反响给CNCCNC安装，与指安装，与指令令进展比展比较，求得差，求得差值，依此构成，依此构成闭环位置控

13、位置控制，直到差制，直到差值为零零. . 构造复构造复杂、调整困整困难 由于由于闭环系系统位置位置环内包含的机械内包含的机械传动部部件比件比较多多, ,因此因此闭环系系统构造复构造复杂、调整困整困难. . (3)(3)半闭环与闭环伺服系统区别半闭环与闭环伺服系统区别半半闭环位置位置检测 安装安装位置：安装安装位置：留意留意: :半半闭环位置位置检测安装安装位置安装安装位置在在滚珠珠丝杠或杠或电机机轴上上, ,而不是任而不是任务台上台上. .半开环系统半开环系统(3)(3)半闭环与闭环伺服系统区别半闭环与闭环伺服系统区别 精度精度较低低 传动链有一部分在位置有一部分在位置闭环以外，其以外，其传动

14、误差没有得到系差没有得到系统的的补偿，因此半，因此半闭环伺服系伺服系统的精度低于的精度低于闭环系系统. . 调整比整比较容易容易(4)(4)半半闭环和和闭环伺服系伺服系统运用运用场所所 留意留意: : 半半闭环系系统运用运用较多多, ,闭环系系统普通只用普通只用在精度要求在精度要求较高的大型数控机床上高的大型数控机床上. .图图6-3伺服电动机控制方式的根本方式伺服电动机控制方式的根本方式 为实现运动、功率为实现运动、功率/ /能量、控制运动方式能量、控制运动方式的转换，对伺服控制电动机提出了一些根的转换，对伺服控制电动机提出了一些根本要求。本要求。1 1性能密度大。即功率密度性能密度大。即功

15、率密度 Pw=P/G Pw=P/G 或比或比功率密度功率密度 Pbw=(T2/J)/G Pbw=(T2/J)/G 大。大。2 2快速性好。即加速转矩大、频响特性好。快速性好。即加速转矩大、频响特性好。3 3位置控制与速度控制精度高、调速范围位置控制与速度控制精度高、调速范围大、低速平稳性好、分辨率高以及振动噪大、低速平稳性好、分辨率高以及振动噪音小。音小。4 4能顺应频繁启动，可靠性高、寿命长。能顺应频繁启动，可靠性高、寿命长。5 5易于与计算机对接，实现计算机控制。易于与计算机对接，实现计算机控制。三、机电系统对伺服控制电动机的根本要求四、常用电动机的种类、特点及选用四、常用电动机的种类、特

16、点及选用n在机在机电一体化系一体化系统中运用两中运用两类电动机机, ,一一类为动力用力用电动机机, ,如感如感应式异步式异步电动机和同步机和同步电动机等机等; ;另一另一类为控制用控制用电动机机, ,如力矩如力矩电动机、脉冲机、脉冲电动机、开关磁阻机、开关磁阻电动机、机、变频调速速电动机和各种机和各种AC/DCAC/DC电动机等。机等。n不同的运用不同的运用场所，所，对控制用控制用电动机性能密度的要求也有所机性能密度的要求也有所不同。不同。对于起停于起停频率低率低( (如几十次分如几十次分) )，但要求低速平，但要求低速平稳和扭矩脉和扭矩脉动小，高速运小，高速运转时振振动、噪声小，在整个、噪声

17、小，在整个调速速范范围内均可内均可稳定运定运动的机械，如的机械，如NCNC任任务机械的机械的进给运运动、机器人的机器人的驱动系系统，其功率密度是主要的性能目的；，其功率密度是主要的性能目的；对于起停于起停频率高率高( (如数百次分如数百次分) )，但不特，但不特别要求低速平要求低速平稳性性的的产品，如高速打印机、品，如高速打印机、绘图机、打孔机、集成机、打孔机、集成电路路焊接接安装等主要的性能目的是高比功率。安装等主要的性能目的是高比功率。n在在额定定输出功率一出功率一样的条件下的条件下, ,交流伺服交流伺服电动机的比功率最机的比功率最高、高、 直流伺服直流伺服电动机次之、步机次之、步进电动机

18、最低。机最低。伺服电动机的性能比较伺服电动机优缺陷比较第三节第三节 直流直流DCDC与交流与交流ACAC伺服电动机及驱动伺服电动机及驱动n直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需求调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的运用。nn(一).直流伺服电动机原理、特点n1、任务原理：直流伺服电动机的构造由永磁体定子、线圈转子电枢、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，驱动转子转动。为了得到延续的旋转运动，就必需随着转子的转动角度不断改动电流方向，因此，必需有电刷和换向器。2特点：特点：有较高的呼应速度、精度和频率，优良有较高的呼应速度、精度和频率，优

19、良的控制特性等优点；的控制特性等优点；由于运用电刷和换向器，故寿命较低，由于运用电刷和换向器，故寿命较低，需求定期维修；需求定期维修；在位置控制和速度控制时，必需运用角在位置控制和速度控制时，必需运用角度传感器来实现闭环控制。度传感器来实现闭环控制。第三节第三节直流与交流伺服电动机及驱动直流与交流伺服电动机及驱动1. 1. 种类种类1 1小小惯惯量量直直流流伺伺服服电电动动机机：6060年年代代研研制制，其其电电枢枢无无槽槽，绕绕组组直直接接粘粘接接固固定定在在电电抠抠铁铁心心上上，因因此此转转动动惯惯量量小小、反反响响灵灵敏敏、动动态态特特性性好好，适适用用于于高高速速且且负负载载惯惯量量较

20、较小小的的场场所所，否否那那么么需需根根据据其其详详细细的的惯惯量量比比设设置置精精细细齿齿轮轮副副才才干干与与负负载载惯惯量量匹匹配配，添添加加了了本本钱。钱。2 2直直流流印印刷刷电电枢枢电电动动机机：是是一一种种盘盘形形伺伺服服电电动动机机，电电抠抠由由导导电电板板的的切切口口成成形形，裸裸导导体体的的线线圈圈端端部部起起整整流流子子作作用用，这这种种空空心心式式高高性性能能伺伺服服电电动动机机大大多多用用于于工工业业机机器器人人、小型小型NCNC机床及线切割机床上。机床及线切割机床上。3 3大大惯惯量量宽宽调调速速直直流流伺伺服服电电动动机机：7070年年代代研研制制胜胜利利。它它在在

21、构构造造上上采采取取了了一一些些措措施施，尽尽量量提提高高转转矩矩改改善善动动态态特特性性，既既具具有有普普通通直直流流电电动动机机的的各各项项优优点点，又又具具有有小小惯惯量量直直流流电电动动机机的的快快速速呼呼应应性性能能，易易与与较较大大的的惯惯性性负负载载匹匹配配，能能较较好好地地满满足足伺伺服服驱驱动动的的要要求求，因因此此在在数数控控机机床床、工工业业机机器器人人等等机机电电一体化产品中得到了广泛运用。一体化产品中得到了广泛运用。(二二)直流伺服电动机种类与选用直流伺服电动机种类与选用2.选用选用宽调速直流伺服电动机应根据负载条件来选择。宽调速直流伺服电动机应根据负载条件来选择。加

22、在电动机轴上的有两种负载，即负载转矩和惯加在电动机轴上的有两种负载，即负载转矩和惯性负载。性负载。根据负载情况，所选电机必需能满足以下条件：根据负载情况，所选电机必需能满足以下条件：1在整个调速范围内，其负载转矩应在电动机延在整个调速范围内，其负载转矩应在电动机延续额定转矩范围以内；续额定转矩范围以内；2任务负载与过载时间应在规定的范围以内；任务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；应使加速度与希望的时间常数一致；4等效惯性负载与电机的转子惯量相匹配。等效惯性负载与电机的转子惯量相匹配。(二)、直流伺服电动机种类与选用(三三)、直流伺服电动机的驱动、直流伺服电动机

23、的驱动n直流伺服电动机为直流供电，为调理电动机转速和方向,需求对其直流电压的大小和方向进展控制。目前常用晶体管脉宽调速驱动和晶闸管直流调速驱动两种方式。n晶闸管直流驱动SCR：主要经过调理触发安装控制晶体、闸管的触发延迟角来挪动触发脉冲的相位，从而改动整流电压的大小，使直流电动机电枢电压的变化易于平滑调速。由于晶闸管本身的任务原理和电源的特点，导通后是利用交流(50Hz)过零来封锁的，因此，在低整流电压时。其输出是很小的尖峰值(三相全波时每秒300个)的平均值，从而呵斥电流的不延续性。n采用脉宽调速驱动系统，开关频率高(20003000Hz)，伺服机构可以呼应的频带范围也较宽，与晶闸管相比，其

24、输出电流脉动非常小，接近于纯直流。日日本本法法纳纳克克(FANUC)公公司司消消费费的的用用于于工工业业机机器器人人、CNC机机床床、加加工工中中心心(MC)的的L系系列列(低低惯惯量量系系列列)、M系系列列(中中惯惯量量系系列列)和和H系系列列(大大惯惯量量系系列列直直流流伺伺服服电电动动机机。其其中中L系系列列适适宜宜于于频频繁繁起起动动、制制动动场场所所运运用用，M系系列列是是在在H系系列列的的根根底底上上开开展展起起来来的的，其其惯惯量量较较H系系列列小小，适适宜宜于于晶晶体体管管脉脉宽宽调调制制(PWM)驱驱动动，因因此此提提高高了了整整个个伺伺服服系系统统的的频频率率呼呼应应。而而

25、H系系列列是是大大惯惯量量控控制制用用电电动动机机，它它有有较较大大的的输输出出功功率率，采采用用六六相相全全波波晶晶闸闸管管整整流流驱驱动动。表表中中电电动动机机型型号号带带有有H标标志志(如如30MH)的的表表示示该该电电动动机机装装有有热热管管冷冷却却器器，该该电电动动机机的的有有效效尺尺寸寸与与不不带带热热管管冷冷却器的同型号的一样，但其额定转矩大。却器的同型号的一样，但其额定转矩大。二、二、交流交流(AC)伺服电动机及其驱动伺服电动机及其驱动n由由于于直直流流伺伺服服电电动动机机具具有有优优良良的的调调速速性性能能，因因此此长长期期以以来来，在在要要求求调调速速性性能能较较高高的的场

26、场所所，直直流流电电动动机机调调速速系系统统不不断断占占据据主主导导位位置置。但但直直流流伺伺服服电电动动机机构构造造上上存存在在机机械械整整流流子子、电电刷刷维维护护困困难难、造造价价高高、寿寿命命短短、运用环境遭到限制的缺陷。运用环境遭到限制的缺陷。n近近年年来来交交流流驱驱动动技技术术有有了了飞飞速速的的开开展展，它它具具有有巩巩固固耐耐用用、经经济济可可靠靠及及动动态态呼呼应应好好等等优优点点。因因此此，交交流流伺伺服服系系统统已已在在很很大大程程度度上取代了直流伺服系统。上取代了直流伺服系统。n交流伺服电动机包括同步型、感应型两种。交流伺服电动机包括同步型、感应型两种。二、二、交流交

27、流(AC)伺服电动机及其驱动伺服电动机及其驱动n在小功率伺服系统中，普通运用永磁在小功率伺服系统中，普通运用永磁式同步电动机，由于它有优良的动态式同步电动机，由于它有优良的动态性能，过载才干大等优点。性能，过载才干大等优点。n感应型交流伺服电动机构造简单，质感应型交流伺服电动机构造简单，质量轻，价钱低，可用做主轴电机。目量轻，价钱低，可用做主轴电机。目前的交流伺服驱动安装普通采用前的交流伺服驱动安装普通采用DSP的全数字化控制。的全数字化控制。n对交流伺服电动机的控制以矢量控制对交流伺服电动机的控制以矢量控制为根底。为根底。第四节第四节 步进电动机及其驱动步进电动机及其驱动一、步进电动机的特点

28、与种类一、步进电动机的特点与种类 1. 1. 步进电动机的特点步进电动机的特点 步步进进电电动动机机又又称称脉脉冲冲电电动动机机。它它是是将将电电脉脉冲冲信信号转换成机械角位移的执行元件。号转换成机械角位移的执行元件。输输入入一一个个电电脉脉冲冲就就转转动动一一步步，即即每每当当电电动动机机绕绕组组接接受受一一个个电电脉脉冲冲，转转子子就就转转过过一一个个相相应应的的步步距距角角。转转子子角角位位移移的的大大小小及及转转速速分分别别与与输输入入的的电电脉脉冲冲数数及及频频率率成成正正比比，并并在在时时间间上上与与输入脉冲同步。输入脉冲同步。只只需需控控制制输输入入电电脉脉冲冲的的数数量量、频频

29、率率以以及及电电动动机机绕绕组组通通电电相相序序即即可可获获得得所所需需的的转转角角、转转速速及及转向，很容易用微机实现数字控制。转向，很容易用微机实现数字控制。一、步进电动机的特点与种类一、步进电动机的特点与种类n步步进电动机具有以下特点：机具有以下特点：n步步进电动机的任机的任务形状不易受各种干形状不易受各种干扰要素的影响要素的影响(如如电源源电压的的动摇、电流的大小与波形的流的大小与波形的变化、温度等化、温度等)的影响，的影响，只需在它只需在它们的大小未引起步的大小未引起步进电动机机产生生“丢步景象之前，步景象之前，就不影响其正常任就不影响其正常任务；n步步进电动机的步距角有机的步距角有

30、误差，差，转子子转过一定步数以后也一定步数以后也会出会出现累累积误差，但差，但转子子转过一一转以后，其累以后，其累积误差差变为“零，因此不会零，因此不会长期期积累；累；n控制性能好控制性能好,在起在起动、停、停顿、反、反转时不易不易“丢步。步。n不需求不需求传感器感器进展反响，可以展反响，可以进展开展开环控制；控制；n缺陷是能量效率缺陷是能量效率较低。低。n因此，步因此，步进电动机被广泛运用于开机被广泛运用于开环控制的机控制的机电一体化一体化系系统，使系，使系统简化，并可靠地化，并可靠地获得得较高的位置精度。高的位置精度。步步进进电电动动机机与与DC和和AC伺伺服服电电动动机机相相比比其其转转

31、矩矩、效效率率、精精度度、高高速速性性比比较较差差，但但步步进进电电动动机机具具有有低低速速时时转转矩矩大大、速速度度控控制制比比较较简简单单、外外形形尺尺寸寸小小等等优优点点，所所以以在在办办公公室室自自动动化化方方面面的的打打印印机机、绘绘图图机机、复复印印机机等等机机电电一一体体化化产产品品中中得得到到广广泛泛运运用用，在在工工厂厂自自动动化化方方面面也也可可替替代代低低档档的的DC伺服电动机。伺服电动机。一、步进电动机的特点与种类一、步进电动机的特点与种类2 2、开、开环步步进伺服系伺服系统的任的任务原理原理 组成成: : 步步进电机机 驱动电路路l驱动速度：速度：进给脉冲的脉冲的频率

32、代表了率代表了驱动速度；速度；l位移量：脉冲的数量代表了位移量；位移量：脉冲的数量代表了位移量；l运运动方向：步方向：步进电机的各相通机的各相通电顺序来决序来决议；l留意：留意：l 由于开由于开环步步进式伺服系式伺服系统系系统没有反响没有反响检测环节，其精度主要由步，其精度主要由步进电机来决机来决议，速度也遭到步，速度也遭到步进电机性能的限制机性能的限制. .2、开环步进伺服系统的任务原理、开环步进伺服系统的任务原理步进电机接受驱动电路控制，将进给脉冲序步进电机接受驱动电路控制，将进给脉冲序列转换列转换成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并经过齿

33、轮和丝杠带开任务台挪动移，并经过齿轮和丝杠带开任务台挪动.3. 3. 步进电动机的种类步进电动机的种类(1)(1)按按转矩矩产生原理分生原理分 可可变磁阻磁阻(VR-Variable Reluctance),(VR-Variable Reluctance),也叫反响式也叫反响式步步进电动机机永磁永磁(PM-Permanent Magnet)(PM-Permanent Magnet)型型混合混合(HB-Hybrid)(HB-Hybrid)型型(2)(2)按按输出力矩大小分出力矩大小分 伺服式：伺服式：输出力矩小于出力矩小于1(Nm)1(Nm)只能只能驱动较小的小的负载, ,与液与液压扭矩放大器配

34、合扭矩放大器配合驱动较大的大的负载. . 功率式：功率式：输出力矩在出力矩在5 550Nm50Nm以上，可以以上，可以直接直接驱动机床任机床任务台等台等较大的大的负载. .n n (3) (3)按定子数分按定子数分n 单定子式；定子式； 双定子式；双定子式；n 三定子式；三定子式； 多定子式多定子式. .n (4) (4)按各相按各相绕组分布分分布分n 径向分相式：径向分相式：电机各相按机各相按圆周依次周依次陈列列; ;n 轴向分相式：向分相式：电机各相按机各相按轴向依次向依次陈列；列；n (5) (5) 按相数分按相数分n 三相；三相； 四相；四相；n 五相；五相； 六相六相. .3.步进电

35、动机的种类步进电动机的种类3.步进电动机的种类步进电动机的种类 1 1可变磁阻可变磁阻(VR-Variable Reluctance)(VR-Variable Reluctance)型型该类电动机由定子绕组产生的反响电磁力吸援用该类电动机由定子绕组产生的反响电磁力吸援用软磁钢制成的齿形转子作步进驱动，故又称反响软磁钢制成的齿形转子作步进驱动，故又称反响式步进电动机。其构造原理如下图。其定子式步进电动机。其构造原理如下图。其定子1 1与与转子转子2 2由铁心构成，没有永久磁铁，定子上嵌有由铁心构成，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，线圈，转子朝定子与转子之间磁阻

36、最小方向转动，并由此而得名可变磁型。并由此而得名可变磁型。 此类电动机的转子构造简单、转子直径小，有利此类电动机的转子构造简单、转子直径小，有利于高速呼应。由于于高速呼应。由于VRVR型步进电动机的铁心无极性，型步进电动机的铁心无极性，故不需改动电流极性，多为单极性励磁。故不需改动电流极性，多为单极性励磁。2) 2) 永磁永磁(PM-Permanent Magnet)(PM-Permanent Magnet)型型nPM型步进电动机的转子2采用永久磁铁、定子1采用软磁钢制成，绕组3轮番通电，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。其构造如下图。n这种电动机由于采用了永久磁铁，即使定

37、子绕组断电也能坚持一定转矩，故具有记忆才干，可用做定位驱动。nPM型电动机的特点是励磁功率小、效率高、造价低，因此需求量也大。由于转子磁铁的磁化间距遭到限制，难于制造，故步距角较大。与VR型相比转矩大，但转子惯量也较大。3) 3) 混合混合(HB-Hybrid)(HB-Hybrid)型型n该型步进电机不仅具有VR型步进电动机步距角小、呼应频率高的优点，而且还具有PM型步进电动机励磁功率小、效率高的优点。它的定子与VR型没有多大差别，只是在相数和绕组接线方面有其特殊的地方，例如，VR型普通都做成集中绕组的方式，每极上放有一套绕组，相对的两极为一相，而HB型步进电动机的定子绕组大多数为四相，而且每

38、极同时绕两相绕组或采用桥式电路绕一相绕组，按正反脉冲供电。nHB型的电动机由转子铁心的凸极数和定子的副凸极数决议步距角的大小，可制造出步距角较小(0.93.6)的电动机。永久磁铁也可磁化轴向的两极，可运用轴向各向异性磁铁制成高效电动机。常见步进电机外形构造二、二、(反响式反响式)步进电动机的任务原理步进电动机的任务原理步进电机的内部构造步进电机的内部构造. .步进电机驱动器步进电机驱动器 主要有以下主要有以下2 2部分部分: : 定子定子: : 铁心；心； 绕组. . 转子子. .二、步进电动机的任务原理二、步进电动机的任务原理以下图是一典型的径向三相反响式旋转步进电机构造原理图以下图是一典型

39、的径向三相反响式旋转步进电机构造原理图.定子定子: :定子上有定子上有6 6个均匀个均匀分布的磁极；分布的磁极；每个磁极上每个磁极上绕有励有励磁磁绕组. .两相两相对的磁极上的的磁极上的绕组串串联在一同，在一同，构成一相控制构成一相控制绕组. .构成三构成三对磁极磁极. .二、步进电动机的任务原理二、步进电动机的任务原理步步进电机可构机可构成成A A、B B、C C三三相控制相控制绕组. .定子的每个磁定子的每个磁极正极正对转子的子的圆弧面上都均弧面上都均匀分布着匀分布着5 5个小个小齿，齿与槽的与槽的宽度相等度相等. .二、步进电动机的任务原理二、步进电动机的任务原理 转子子: : 转子上无

40、子上无绕组，只需，只需均匀分布的均匀分布的4040个小个小齿，大小、大小、间距距与定子一与定子一样，齿间夹角角为9.9.二、步进电动机的任务原理二、步进电动机的任务原理三相定子磁极上的小三相定子磁极上的小齿在空在空间位置上与位置上与转子子依次依次错开开1/31/3个个齿距，距，请看上看上图. .当当A A相磁极上的小相磁极上的小齿与与转子上的小子上的小齿对齐时，B B相磁极上的小相磁极上的小齿刚好超前好超前( (或滞后或滞后)1/3)1/3齿. .即即3.3. C C相磁极上的小相磁极上的小齿超前超前( (或滞后或滞后)2/3)2/3个个齿，即，即6.6.二、步进电动机的任务原理二、步进电动机

41、的任务原理留意留意:转子上子上圆周均匀分周均匀分布着布着40个小个小齿;定子磁极上的小定子磁极上的小齿相相对转子小子小齿在空在空间位位置上置上依次依次错开开1/3个个齿距，距， (1) (1)步步进电机的通机的通电方式方式 通通电方法：方法： 各相各相轮番通番通电. .当某一相通当某一相通电时, ,其它相必需断其它相必需断电. . 定子有定子有3 3种通种通电方式方式: : 每种通每种通电方式都能方式都能变换轮回方向回方向. 3. 3种通种通电方式如下方式如下: : 单相相轮番通番通电; ; 双相双相轮番通番通电; ; 单、双相、双相轮番通番通电. . 单相相轮番通番通电( (三相三相单三拍三

42、拍) ) 顺时针轮回回 ABCA ABCA 逆逆时针轮回回 ACBA ACBA 完成一次通完成一次通电形状循形状循环, ,转子走子走3 3步步, ,称三拍称三拍. .故故对三相步三相步进电机来机来说，称此通，称此通电方式方式为三相三相单三拍三拍. .二、步进电动机的任务原理二、步进电动机的任务原理 双相双相轮番通番通电( (三相双三拍三相双三拍) ) 顺时针轮回回 ABBCCAAB ABBCCAAB 逆逆时针轮回回 BAACCBBA BAACCBBA 完成一次通完成一次通电形状循形状循环，转子仍走子仍走3 3步，也称三拍，步，也称三拍，但此但此时有两相通有两相通电. .故故对三相步三相步进电机

43、来机来说，称此通，称此通电方式方式为三相双三拍三相双三拍. . 单、双相、双相轮番通番通电( (三相六拍三相六拍) ) 顺时针轮回回 AABBBCCCAA AABBBCCCAA 逆逆时针轮回回 AACCCBBBAA AACCCBBBAA 完成一次通完成一次通电形状循形状循环，转子需走子需走6 6步，称六拍步，称六拍. .故故对三相步三相步进电机来机来说，称此通，称此通电方式方式为三相六拍三相六拍. .二、步进电动机的任务原理二、步进电动机的任务原理 步进电机的任步进电机的任务原理实践上是电务原理实践上是电磁铁的作用原理磁铁的作用原理. . 首先首先, ,让我们来让我们来看一下一个最简单看一下一

44、个最简单的步进电机的步进电机, ,也就是也就是只需只需4 4个齿的步进电个齿的步进电机机. . 二、步进电动机的任务原理二、步进电动机的任务原理 二、步进电机的任务原理二、步进电机的任务原理 三相三相单三拍三拍 顺时针转: : 按按顺序序 ABCAABCA通通电，由于在磁由于在磁场作用下作用下, ,转子子总是力是力图旋旋转到磁到磁阻最小的位置，故在阻最小的位置，故在这种情况下种情况下, ,转子必然子必然转到到图所示位所示位,1,1、3 3齿与与A A、AA极极对齐. .CABBCA3412 同理同理,B,B相通相通电时, ,转子会子会转过3030角，角，2 2、4 4齿与与BB、B B磁极磁极

45、轴线对齐；当；当C C相通相通电时，转子再子再转过3030角，角，1 1、3 3齿和和CC、C C磁极磁极轴线对齐. . 按按A AB B C C A A 的的顺序序给三相三相绕组轮番通番通电，转子便一步一步按子便一步一步按顺时针转动起来起来. .每一拍每一拍转过 30( 30(步距角步距角) )，每个通，每个通电循循环周期周期(3(3拍拍) )转过9090 ( (一个一个齿距角距角).).这种任务方式下这种任务方式下,三个绕组轮番通电一次为一个三个绕组轮番通电一次为一个循环周期循环周期,一个循环周期包括三个任务脉冲，所以称一个循环周期包括三个任务脉冲，所以称为为三相单三拍任务方式三相单三拍任

46、务方式. . 逆逆时针转: : 按按ACBAACBA顺序通序通电, ,首先首先给A A相通相通电, ,由于在由于在磁磁场作用下作用下, , 转子必然子必然转到右到右图所示位所示位,1,1、3 3齿与与A A、AA极极对齐. .CABBCA3412二、步进电动机的任务原理二、步进电动机的任务原理 同理,C相通电时,转子会转过30角， 2 ,4 齿与C、C磁极轴线对齐；当B相通电时，转子再转过30角，1、3齿和B、B磁极轴线对齐.二、步进电动机的任务原理二、步进电动机的任务原理 按按A AC CB BA A 的的顺序序给三相三相绕组轮番通番通电，转子便一步一步逆子便一步一步逆时针转动起来起来. .

47、与与顺时针转动类似似每一拍每一拍转过30(30(步距角步距角) )，每个通，每个通电循循环周期周期(3(3拍拍) )转过90(90(一个一个齿距角距角).).二、步进电动机的任务原理二、步进电动机的任务原理 结论( (三相三相单三拍三拍):): 三相反响式步三相反响式步进电动机以运机以运转时, ,每每 个循个循环周期分周期分为3 3拍拍. . 每拍每拍转子子转过3030步距角步距角, ,一个通一个通电循循环周期周期 (3 (3拍拍) )转子子转过9090 ( (齿距角距角).). 留意留意: : 运运转不不稳定定, ,易失步易失步( (切切换瞬瞬间, ,各相都断各相都断电而没而没 有自有自锁转

48、矩矩) ) 精度低精度低. .与与单三拍相比三拍相比, ,六拍六拍驱动方式的步方式的步进角大角大. .二、步进电动机的任务原理二、步进电动机的任务原理 三相六拍三相六拍三相六拍三相六拍 按按按按A A A AABABABABB B B BBCBCBCBCC C C CCACACACA的的的的顺顺序序序序给给三相三相三相三相绕组轮绕组轮番通番通番通番通电电. . . .这这种方式可种方式可种方式可种方式可以以以以获获得更准确的控制特性得更准确的控制特性得更准确的控制特性得更准确的控制特性. . . .AAAA相通相通相通相通电电, , , ,转转子子子子1 1 1 1、3 3 3 3齿齿与与与与

49、A A A A、AAAA对齐对齐. . . .AAAA、B B B B一一一一样时样时通通通通电电,A,A,A,A、A A A A 磁极拉磁极拉磁极拉磁极拉住住住住1 1 1 1、3 3 3 3齿齿，B B B B、B B B B 磁极拉住磁极拉住磁极拉住磁极拉住2 2 2 2、4 4 4 4齿齿，转转子子子子转过转过15151515，到达右，到达右，到达右，到达右图图所示所示所示所示位置位置位置位置. . . .二、步进电动机的任务原理二、步进电动机的任务原理 B B 相通相通电，转子子2 2、4 4齿与与B B、B B 对齐, ,又又转过1515. . B B、C C一一样时通通电，C C

50、 、C C 磁极拉住磁极拉住1 1、3 3齿，B B、B B 磁极拉住磁极拉住2 2、4 4齿，转子再子再转过1515. .二、步进电动机的任务原理二、步进电动机的任务原理结论( (三相六拍三相六拍):): 三相反响式步三相反响式步进电动机以三相六拍运机以三相六拍运转时, ,每个每个 循循环周期分周期分为六拍六拍. . 每拍每拍转子子转过1515步距角步距角, ,一个通一个通电循循环周期周期(6(6拍拍) )转子子转过9090 ( (齿距角距角).).留意留意: : 精度高精度高. . 六拍六拍驱动方式的步方式的步进角更小角更小, ,更适用于更适用于 需求准确定位的控制系需求准确定位的控制系统

51、中中. . 运运转稳定定, ,不易失步不易失步( (切切换时, ,总有一相有一相坚持通持通电).).二、步进电动机的任务原理二、步进电动机的任务原理三相双三拍三相双三拍 按按AB AB BC BC CACA的的顺顺序序给给三相三相绕组轮绕组轮番番通通电电. .每拍有两相每拍有两相绕组绕组同同时时通通电电. .原理不在原理不在赘赘述述. .结论结论: : 与与单单三拍方式三拍方式类类似，双三拍似，双三拍驱动时驱动时每个通每个通电电循循 环环周期也分周期也分为为三拍三拍. .每拍每拍转转子子转过转过3030 ( (步距角步距角),), 一个通一个通电电循循环环周期周期(3(3拍拍) )转转子子转过

52、转过9090( (齿齿距角距角) )优优点点: : 两一两一样时样时通通电电, ,力矩大力矩大; ;切切换时换时 两一两一样时样时通通电电, ,运运转转平平稳稳, ,不易失步不易失步. .二、步进电动机的任务原理二、步进电动机的任务原理实践步践步进电机的任机的任务原理原理 我们在前面引见了我们在前面引见了转子上有转子上有4040个齿的步进个齿的步进电机的构造电机的构造. .由于其构造由于其构造比较复杂比较复杂, ,为分析方便为分析方便, ,我们将转子和定子沿圆我们将转子和定子沿圆周方向展开周方向展开, ,可以得到以可以得到以下图下图. . 二、步进电动机的任务原理二、步进电动机的任务原理l当当

53、A A相相绕组通通电时，转子的子的齿与定子与定子A A上的上的齿对齐；l当当A A相断相断电， B B相相绕组通通电时，转子的子的齿与定子与定子B B上的上的齿对齐，电机机转过3.3.l当定子当定子绕组按按A B C AA B C A顺序序轮番通番通电时, , 三三对磁磁极就依次极就依次产生磁生磁场，步，步进电机就不停的机就不停的转动. .l假假设通通电顺序改序改为A C B AA C B A步步进电机将沿相反方机将沿相反方向向转动. .l结论: :l 对于于转子上有子上有4040个小个小齿的三相的三相电机机l 三相双三拍三相双三拍: :定子通定子通电形状改形状改动一次一次转子子转过3.3.l

54、 三相六拍三相六拍: :定子通定子通电形状改形状改动一次一次转子子转过1.5.1.5.二、步进电动机的任务原理二、步进电动机的任务原理 (3) (3)任任务原理小原理小结 步步进电机每次机每次转过一个确定的角度一个确定的角度, ,即步距即步距角角； 式中：式中： m m为相数相数,k,k为通通电方式系数。方式系数。m m相相m m拍拍时( (如如单相或双相励磁相或双相励磁时，k=1k=1；m m相相2m2m拍拍时( (如如单双相双相励磁励磁时) )，k=2k=2；z z为转子子齿数数. . 经过改改动通通电顺序来改序来改动旋旋转方向；方向； 通通电形状的形状的变化化频率越高，率越高，转速就越高

55、速就越高. . 二、步进电动机的任务原理二、步进电动机的任务原理第第5章章执行元件的选择与设计执行元件的选择与设计 步进电动机的通电方式假设步进电动机绕组的每一次通断电操作称为一拍，每拍中只需一相绕组通电，其他绕组断电，那么这种通电方式称为单相通电方式。三相步进电动机的单相通电方式称为三相单三拍通电方式。 假设步进电动机通电循环的每拍中都有两相绕组通电，那么这种通电方式称为双相通电方式。三相步进电动机采用双相通电方式时，称为三相双三拍通电方式。 假设步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通电形状，那么这种通电方式称为单双相轮番通电方式。三相步进电动机采用单双相轮番通电方式时，每个通电循环中

56、共有六拍，因此又称为三相六拍通电方式。 第第5章章执行元件的选择与设计执行元件的选择与设计3三相反响式步三相反响式步进电进电机的三种运机的三种运转转方式：方式： 单单三拍三拍时时： ABC,ABC ABC,ABC第第5章章执行元件的选择与设计执行元件的选择与设计4 双三拍双三拍时时： 单单双拍即六拍双拍即六拍时时：ABBCCA,ABBCCA,ABBCCAABBCCAAABBBCAABBBCCCA,-ACCA,-AABBBCABBBCCCA CCA 第第5章章执行元件的选择与设计执行元件的选择与设计图6-14 不同通电方式时的矩频特性 由于采用单相通电方式任务时，步进电动机的矩频特性输出转矩与输

57、入脉冲频率的关系较差，在通电换相过程中，转子形状不稳定，容易失步，因此实践运用中较少采用。图6-14是某三相反响式步进电动机在不同通电方式下任务时的矩频特性曲线。显然，采用单双相轮番通电方式可使步进电动机在各种任务频率下都具有较大的负载才干。第第5章章执行元件的选择与设计执行元件的选择与设计通电方式不仅影响步进电动机的矩频特性，对步距角也有影响。一个m相步进电动机，如其转子上有z个小齿，那么其步距角可经过下式计算： (6-12) 式中，k是通电方式系数。当采用单相或双相通电方式时，k1；当采用单双相轮番通电方式时，k2。 可见，采用单双相轮番通电方式还可使步距角减小一半。步进电机的步距角决议了

58、系统的最小位移，步距角越小，位移的控制精度越高。 n步步进电机的主要特性机的主要特性n 主要特性有主要特性有5 5个：个：n 步距角与静步距角与静态步距步距误差；差；n 启启动频率率fq fq ；n 延延续运运转的最高任的最高任务频率；率；n 加减速特性；加减速特性；n 矩矩频特性与特性与动态转矩矩. . 三、步进电动机的运转特性及性能目的(1)(1)步距角与静步距角与静态步距步距误差差 步距角步距角数控机床中常用的反响式步数控机床中常用的反响式步进电机步距角机步距角为0.50.53,3,是决是决议开开环伺服伺服系系统脉冲当量的重要参数脉冲当量的重要参数. . 静静态步距步距误差差空空载时，实

59、际步距角与步距角与实践步距角之差践步距角之差, ,普通在普通在1010以内。但步以内。但步进电机的步距角机的步距角误差不整周累差不整周累积，即，即转子子转过一周后，又回到了开一周后，又回到了开场的位置。的位置。三、步进电动机的运转特性及性能目的三、步进电动机的运转特性及性能目的脉冲当量指对应于系统输入端的一个进给脉冲，系统输出端产生的转角或位移。(2)(2)启启动频率率fqfq fq fq 指在空指在空载情况下，步情况下，步进电机由静止机由静止形状忽然启形状忽然启动，并，并进入不入不丢步的正常运步的正常运转所所允允许的最高的最高频率率. .留意：留意： 启启动时步步进电机接到的指令脉冲机接到的

60、指令脉冲频率率应小于启小于启动频率率fq fq ，否那么将，否那么将产生失步生失步. . fqfq随随负载惯量增大而减小量增大而减小. .三、步进电动机的运转特性及性能目的三、步进电动机的运转特性及性能目的(3)(3)延延续运运转的最高任的最高任务频率率fmaxfmax fmax fmax指步指步进电机由静止形状忽然启机由静止形状忽然启动后后, ,保保 证延延续不不丢步运步运转的最高的最高频率率. . fmax fmax 是决是决议定子定子绕组通通电形状最高形状最高频率的率的参数参数. . fmax fmax决决议了步了步进电机最高机最高转速速. . fmax =(4 fmax =(410)

61、fq10) fq三、步进电动机的运转特性及性能目的三、步进电动机的运转特性及性能目的 由加减速特性曲由加减速特性曲线可以可以看出：看出： 启启动时速度必需逐速度必需逐渐上上升升; ; 停停顿时速度必需逐速度必需逐渐下下降降. . 上升和下降的上升和下降的时间不能不能过短，否那么会出短，否那么会出现失步和失步和超步景象超步景象. . (4) (4)加减速特性加减速特性f(t)f(t) f(t) f(t)描画步描画步进电机由静止机由静止任任务频率率静止静止的加减速的加减速过程中，定子程中，定子绕组通通电形状的形状的变化化频率率 f f 与与时间t t 的关系的关系. . 用加速用加速时间常数常数T

62、aTa和和TdTd来描画、衡量步来描画、衡量步进电机的升速和降速特性机的升速和降速特性. .(5)(5)矩频特性矩频特性M( f )M( f ) 与动态转矩与动态转矩 M( f ) M( f )是描画步进电是描画步进电机延续稳定运转时机延续稳定运转时, ,输出输出转矩与延续运转频率之转矩与延续运转频率之间的关系，请看右图间的关系，请看右图. . 动态转矩：特性曲动态转矩：特性曲线上每一个频率对应的线上每一个频率对应的转矩称为动态转矩转矩称为动态转矩. .留意留意: :动态转矩随延续运动态转矩随延续运转频率的上升而下降转频率的上升而下降. .三、步进电动机的运转特性及性能目的三、步进电动机的运转

63、特性及性能目的 矩矩频频特性：步特性：步进电进电机运机运转时转时，输输出出转转矩与矩与输输入脉冲入脉冲频频率的关系率的关系 高速高速时时，负载负载才干才干变变差，差，这这是其运用遭到限制的是其运用遭到限制的缘缘由之一由之一由由图图看出：看出：动态转动态转矩随脉冲矩随脉冲频频率的升高而降低率的升高而降低缘缘由：定子控制由：定子控制绕组绕组有一定的有一定的电电感量，回路有感量，回路有电电气气时间时间常数，常数，电电感感电电流流变变化化有一个有一个过过渡渡过过程，达不到程，达不到电电流流稳态值稳态值。第第5章章执行元件的选择与设计执行元件的选择与设计四、步进电动机的控制与驱动四、步进电动机的控制与驱

64、动步进电动机的电枢通断电次数和各相步进电动机的电枢通断电次数和各相通电顺序决议了输出角位移和运动通电顺序决议了输出角位移和运动方向，控制脉冲分配频率可实现步方向，控制脉冲分配频率可实现步进电动机的速度控制。进电动机的速度控制。 因此，步进因此，步进电机控制系统普通采用开环控制方电机控制系统普通采用开环控制方式。式。 以下图为开环步进电动机以下图为开环步进电动机控制系统框图，控制系统框图， 系统主要由环形分系统主要由环形分配器、配器、 功率驱动器、功率驱动器、 步进电动机步进电动机等组成。等组成。 第第5章章执行元件的选择与设计执行元件的选择与设计步步进电机的机的驱动控制控制功率功率功率功率放大

65、放大放大放大器器器器环环形形形形分配分配分配分配器器器器加减加减加减加减速速速速电电路路路路脉冲脉冲脉冲脉冲混合混合混合混合电电路路路路加减加减加减加减脉冲脉冲脉冲脉冲分配分配分配分配电电路路路路进给进给脉冲脉冲脉冲脉冲步步步步进电进电机机机机绕绕阻阻阻阻1.1.脉冲混合脉冲混合脉冲混合脉冲混合电电路路路路将脉冲将脉冲将脉冲将脉冲进给进给、手、手、手、手动进给动进给、手、手、手、手动动回原点、回原点、回原点、回原点、误误差差差差补偿补偿等信号等信号等信号等信号脉冲混合脉冲混合脉冲混合脉冲混合为为正向或正向或正向或正向或负负向脉冲向脉冲向脉冲向脉冲进给进给信号信号信号信号2.2.加减脉冲分配加减

66、脉冲分配加减脉冲分配加减脉冲分配电电路路路路在某向脉冲在某向脉冲在某向脉冲在某向脉冲总总数中减去反向位置数中减去反向位置数中减去反向位置数中减去反向位置补偿补偿脉冲数脉冲数脉冲数脉冲数正向反向加减送往第第5章章执行元件的选择与设计执行元件的选择与设计3.3.加减速加减速加减速加减速电电路路路路将将将将单单一方向的一方向的一方向的一方向的进给进给脉冲脉冲脉冲脉冲调调整整整整为为符合步符合步符合步符合步进电进电机加减速特性机加减速特性机加减速特性机加减速特性的脉冲，的脉冲，的脉冲，的脉冲，频频率的率的率的率的变变化要平化要平化要平化要平稳稳，加减速具有一定的，加减速具有一定的，加减速具有一定的，加

67、减速具有一定的时间时间常数。常数。常数。常数。4.4.环环形分配器形分配器形分配器形分配器未来自加减速未来自加减速未来自加减速未来自加减速电电路的路的路的路的单单一系列一系列一系列一系列进给进给脉冲脉冲脉冲脉冲转换转换成控制步成控制步成控制步成控制步进进电电机定子各相机定子各相机定子各相机定子各相绕绕阻通、断阻通、断阻通、断阻通、断电电的多路的多路的多路的多路电电平信号。平信号。平信号。平信号。5.5.功率放大器功率放大器功率放大器功率放大器将将将将环环形分配器形分配器形分配器形分配器输输出的出的出的出的mAmA级电级电流流流流进进展功率放大，普通由展功率放大，普通由展功率放大，普通由展功率放

68、大，普通由前置放大器和功率放大器前置放大器和功率放大器前置放大器和功率放大器前置放大器和功率放大器组组成。成。成。成。步步进电机的机的驱动控制控制第第5章章执行元件的选择与设计执行元件的选择与设计步进电动机的驱动电源组成步进电动机的驱动电源组成第第5章章执行元件的选择与设计执行元件的选择与设计第第5章章执行元件的选择与设计执行元件的选择与设计1 1环形脉冲分配器环形脉冲分配器步步进进电电动动机机在在一一个个脉脉冲冲的的作作用用下下，转转过过一一个个相相应应的的步步距距角角， 因因此此只只需需控控制制一一定定的的脉脉冲冲数数，即即可可准准确确控控制制步步进进电电动动机机转转过过的的相相应应的的角

69、角度度。但但步步进进电电动动机机的的各各绕绕组组必必需需按按一一定定的的顺顺序序通通电电才才干干正正确确任任务务，使使电电动动机机绕绕组组的的通通断断电电顺顺序序按按输输入入脉冲的控制而循环变化的过程称为环形脉冲分配。脉冲的控制而循环变化的过程称为环形脉冲分配。 实现环形分配的方法有三种：实现环形分配的方法有三种：一一种种是是计计算算机机软软件件分分配配， 采采用用查查表表或或计计算算的的方方法法使使计计算算机机的的三三个个输输出出引引脚脚依依次次输输出出满满足足速速度度和和方方向向要要求求的的环环形形分分配配脉脉冲冲信信号号。 这这种种方方法法能能充充分分利利用用计计算算机机软软件件资资源源

70、，减减少少硬硬件件本本钱钱， 尤尤其其是是多多相相电电动动机机的的脉脉冲冲分分配配更更能能显显示示出出这这种种分分配配方方法法的的优优点点。 但但由由于于软软件件运运转转会会占占用用计计算算机机的的运运转转时时间间， 因因此此会会使使插插补补运运算算的的总总时时间间添添加加， 从从而而影影响响步步进电动机的运转速度。进电动机的运转速度。 第第5章章执行元件的选择与设计执行元件的选择与设计软件脉冲分配软件脉冲分配 软件环形分配器的设计方法有很多，如查表法、比较法、移位存放器法等，它们各有特点，其中常用的是查表法。步序导电相工作状态数值（16进制）程序的数据表正转 反转 C B A TAB A0

71、0 101HTAB0 DB 01HAB0 1 103HTAB1 DB 03HB0 1 002HTAB2 DB 02HBC1 1 006HTAB3 DB 06HC1 0 004HTAB4 DB 04HCA1 0 105HTAB5 DB 05H第第5章章执行元件的选择与设计执行元件的选择与设计第二种是采用小规模集成电路搭接而成的脉冲分配器。第二种是采用小规模集成电路搭接而成的脉冲分配器。第第三三种种是是公公用用的的硬硬件件环环形形分分配配，采采用用数数字字电电路路搭搭建建或或公公用用的的环环形形分分配配器器件件将将延延续续的的脉脉冲冲信信号号经经电电路路处处置置后后输输出出环环形形脉脉冲冲。采采用

72、用数数字字电电路路搭搭建建的的环环形形分分配配器器通通常常由由分分立立元元件件如如触触发发器器、逻逻辑辑门门等等构构成成，特特点点是是体体积大，积大，本钱高，本钱高，可靠性差。可靠性差。公公用用的的环环形形分分配配器器目目前前市市面面上上有有很很多多种种，如如CMOS电电路路CH250即为三相步进电动机的公用环形分配器。即为三相步进电动机的公用环形分配器。第第5章章执行元件的选择与设计执行元件的选择与设计环形分配器CH250引脚图(a) 引脚功能； (b) 三相六拍线路图第第5章章执行元件的选择与设计执行元件的选择与设计CH250任务形状任务形状功率放大功率放大电路的作用路的作用功率放大功率放

73、大电路将路将环形形分配器分配器输出的脉冲信号放大，用足出的脉冲信号放大，用足够的功率的功率驱动步步进电机机. . 从从环形分配器来的形分配器来的进给控制信号的控制信号的电流只需流只需几毫安，而步几毫安，而步进电机的定子机的定子绕组需求几安培需求几安培电流流. .因此，需求因此，需求对从从环形分配器来的信号形分配器来的信号进展功展功率放大率放大. .每一相每一相绕组需求一个功率放大器需求一个功率放大器. . 步步进电动机所运用的功率放大机所运用的功率放大电路有路有电压型型和和电流型。流型。电压型又有型又有单电压型、双型、双电压型型( (高高低低压型。型。电流型中有恒流流型中有恒流驱动、斩波波驱动

74、等。等。2)功率放大电路功率放大电路2)2)功率放大电路功率放大电路n常见的步进电动机驱动电路有三种：常见的步进电动机驱动电路有三种：n(1单电源驱动电路单电压功率放大器。单电源驱动电路单电压功率放大器。这种电路采用单一电源供电，构造简单，本钱低，但电流这种电路采用单一电源供电，构造简单，本钱低，但电流波形差，效率低，输出力矩小，主要用于对速度要求不高波形差，效率低，输出力矩小，主要用于对速度要求不高的小型步进电动机的驱动。的小型步进电动机的驱动。n(2双电源驱动电路高低电压功率放大器。双电源驱动电路高低电压功率放大器。双电源驱动电路又称高、低压驱动电路，采用高压和低压双电源驱动电路又称高、低

75、压驱动电路，采用高压和低压两个电源供电。两个电源供电。n(3斩波限流驱动电路斩波恒流放大器。这斩波限流驱动电路斩波恒流放大器。这种电路采用单一高压电源供电，以加快电流上升速度，并种电路采用单一高压电源供电，以加快电流上升速度，并经过对绕组电流的检测，控制功放管的开和关，使电流在经过对绕组电流的检测，控制功放管的开和关，使电流在控制脉冲继续期间一直坚持在规定值上下。这种电路功率控制脉冲继续期间一直坚持在规定值上下。这种电路功率大，功耗小，效率高，目前运用最广。大，功耗小，效率高，目前运用最广。3细分驱动上述提到的步进电动机的各种功率放大电路都是采用环形分配器上述提到的步进电动机的各种功率放大电路

76、都是采用环形分配器芯片进展环形分配，控制电动机各相绕组的导通或截止，从而使电芯片进展环形分配，控制电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运动，步距角的大小只需两种，即整步任务或半步任动机产生步进运动，步距角的大小只需两种，即整步任务或半步任务。步距角已由步进电动机构造所确定。务。步距角已由步进电动机构造所确定。假设要求步进电动机有更小的步距角，更高的分辨率假设要求步进电动机有更小的步距角，更高的分辨率(即脉冲当即脉冲当量量)，或者为减小电动机振动、噪声等缘由，可以在每次输入脉冲切，或者为减小电动机振动、噪声等缘由，可以在每次输入脉冲切换时，只改动相应绕组中额定的一部分，那么电动机的合

77、成磁势也换时，只改动相应绕组中额定的一部分，那么电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分，转子的每步运转也只需步距角的一部分，只旋转步距角的一部分，转子的每步运转也只需步距角的一部分，绕组电流分成数个台阶，那么转子就以同样的次数转过一个步距角，绕组电流分成数个台阶，那么转子就以同样的次数转过一个步距角，这种将一个步距角细分成假设干步的驱动力法，称为细分驱动。这种将一个步距角细分成假设干步的驱动力法，称为细分驱动。细分驱动电路的特点：细分驱动电路的特点：不改动电动机构造参数的情况下，能使步距角减小，但细分后的齿不改动电动机构造参数的情况下，能使步距角减小，但细分后的齿距角精度不高，且驱动电源的构造

78、也相应复杂。距角精度不高，且驱动电源的构造也相应复杂。使步进电动机运转平稳，提高均匀性，并能减弱或消除振荡。使步进电动机运转平稳，提高均匀性，并能减弱或消除振荡。目前实现细分阶梯波供电的方法有：目前实现细分阶梯波供电的方法有：先放大后叠加，如图先放大后叠加，如图a所示。所示。先叠加后放大，如图先叠加后放大，如图b所示。所示。4步进电机的微机控制步进电机的微机控制n步进电动机的任务过程普通由控制器控制，控制器按照设计者的要求完成一定的控制过程，使驱动电源按照要求的规律驱动电动机运转。简单的控制过程可以用各种逻辑电路来实现，但线路复杂，控制方案难以改动。目前，主要采用单片机作为步进电动机的控制器进

79、展控制，很好地抑制了硬件逻辑线路控制器的缺陷。4.1步进电动机的开环控制步进电动机的开环控制n串行控制n具有串行控制功能的单片机系统与步进电动机驱动电源之间具有较少的连线。这种系统中，驱动电源中必需含有环形分配器，其功能框图如图3.25所示n并行控制并行控制n用微机系用微机系统的数条端口的数条端口线直接去控制步直接去控制步进电动机各相机各相驱动电路的方法称路的方法称为并行控制。在并行控制。在驱动电源内，也包含源内，也包含环形分配器，其功能必需由微机形分配器，其功能必需由微机系系统完成。系完成。系统实现脉冲分配器的功能又有两种脉冲分配器的功能又有两种方法：方法：n纯软件方法件方法软、硬件相、硬件

80、相结方法方法nn并行控制方案的并行控制方案的n功能框功能框图如下如下图5)步进电动机速度控制步进电动机速度控制控制步进电动机的运转速度，实践上就控制步进电动机的运转速度，实践上就是控制系统发出脉冲的频率或者换相的是控制系统发出脉冲的频率或者换相的周期。系统可以用两种方法确定脉冲的周期。系统可以用两种方法确定脉冲的周期频率：周期频率：软件延时软件延时定时器定时器软件延时的方法是经过调用延时子程序软件延时的方法是经过调用延时子程序的方法实现的，它占用的方法实现的，它占用CPU时间。定时时间。定时器方法是经过设置定时时间常数的方法器方法是经过设置定时时间常数的方法来实现。来实现。n步步进电动机的加减

81、速控制机的加减速控制n在点位控制在点位控制过程中，运程中，运转速度需求有速度需求有一个一个“加速恒速减速低恒速停加速恒速减速低恒速停顿的加减速的加减速过程。点位控制的加减速程。点位控制的加减速过程程如下如下图。点-位控制的加减速过程5)步进电动机速度控制步进电动机速度控制n升速规律普通可有两种选择：一是按照直线规律升速，二是按指数规律升速。按直线规律升速时加速度为恒值，因此要求步进电动机产生的转矩为恒值。从电动机本身的矩-频特性来看，在转速不是很高的范围内，输出的转矩可根本以为恒定。但实践上电动机转速升高时，输出转矩将有所下降，如按指数规律升速，加速度是逐渐下降的，接近电动机输出转矩随转速变化

82、的规律。n用微机对步进电动机进展加减速控制，实践上就是改动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,实践上就是不断改动定时器装载值的大小。5)步进电动机速度控制步进电动机速度控制n普通用离散方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，系统运转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，提高系统呼应速度。系统在执行升降速的控制过程中，对加减速的控制还需预备以下数据：加减速的斜率；升速过程的总步数；恒速运转总步数；减速运转的总步数。n

83、对升降速过程的控制有多种方法，软件编程也非常灵敏，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敏。4.2)步进电动机的闭环控制步进电动机的闭环控制闭环控制是直接或间接地检测转子的位置和速度，经过反响和适当的处置，自动给出驱动的脉冲列。采用闭环控制，不仅可以获得准确的位置精度和速度控制，而且扩展步进电动机的运用领域。采用光电编码器检测的闭环控制系统框图如下图。五、步进电机参数设计五、步进电机参数设计1 1、脉冲当量、脉冲当量：步：步进电进电机每接受一个脉冲机每接受一个脉冲时时，任，任务务台走台走过过的位移的位移单单位位为为 mm/pulse mm/pulse=

84、 0.001 0.0010.0025 0.0025 精精细细机床机床0.0050.0050.01 0.01 数控机床数控机床 0.1 0.10.15 0.15 普通机床普通机床角脉冲当量角脉冲当量：就是步距角：就是步距角(/pulse)(/pulse)当当经过经过中中间传动间传动安装安装时时，角脉冲当量，角脉冲当量为为：M驱动器驱动器指令脉冲指令脉冲如以下如以下图图，步，步进电进电机机经过丝经过丝杠螺母副杠螺母副带带开任开任务务台运台运动时动时，其脉冲当量，其脉冲当量为为：Z1Z2设计时设计时，先根据运，先根据运动动精度精度选选定定，再根据，再根据负载负载确定步确定步进电进电机的参数机的参数，

85、并，并选选定定丝丝杠的杠的导导程程p,p,计计算出算出传动传动比比i i后，最后后，最后设计传动齿轮设计传动齿轮的各参数等。的各参数等。 2 2、最大静、最大静转转矩矩TmaxTmax与相数、拍数与相数、拍数普通根据普通根据 TL TL303050%50%TmaxTmax选择选择TmaxTmax其中其中TLTL为为把把负载负载折合到步折合到步进电进电机机轴轴的的负载负载力矩，假力矩，假设设相数、拍数相数、拍数较较多，可多，可选选0.50.5，否那么，否那么选选0.30.3，思索控制回路的复，思索控制回路的复杂杂和和经济经济程度，普通取相数程度，普通取相数较较少的。少的。3 3、最高运、最高运转

86、频转频率与速度关系率与速度关系. .根据任根据任务务台的最高速度台的最高速度vmaxvmax选择选择步步进电进电机最高运机最高运转频转频率率fmaxfmax由由得得留意量留意量纲纲：vmax (m/min) vmax (m/min) 4 4、转动惯转动惯量与加减速性能量与加减速性能步步进电进电机的加减速性能与机的加减速性能与转动惯转动惯量所量所产产生的生的惯惯性力矩有关性力矩有关惯惯性力矩：性力矩：转动惯转动惯量和角加速度越大，步量和角加速度越大，步进电进电机的启机的启动频动频率越低，加减速性能越差，率越低，加减速性能越差，越容易失步。越容易失步。经过经过减小步距角和减小减小步距角和减小转动惯

87、转动惯量改善启量改善启动动、加减速性能、加减速性能5 5、电电机机负载转负载转矩矩计计算算作用在步作用在步进电进电机机轴轴的的总总的的负载转负载转矩按下式矩按下式计计算：算：6 6、等效、等效转动惯转动惯量的量的计计算算其中：其中：JmJm是是电电机机轴轴本身的本身的转动惯转动惯量量Kg.m2Kg.m2JdJd是系是系统统折算到折算到电电机机轴轴的的总总的的转动惯转动惯量量Kg.m2Kg.m2是是电电机启机启动动、制、制动时动时的角加速度的角加速度rad/s2rad/s2F F 作用在任作用在任务务台的摩擦力台的摩擦力N NFWFW作用在任作用在任务务台的外力台的外力N N伺服系伺服系统传动链

88、统传动链的的总总效率取效率取0.70.850.70.85 丝丝杠螺母杠螺母预紧时预紧时的的传动传动效率取效率取0.90.9F0F0丝丝杠螺母杠螺母预紧时预紧时的力的力N N P P是是丝丝杠螺距杠螺距mmmmi i是是总传动总传动比比 根本公式根本公式圆圆柱体柱体其中：其中： Jd Jd的的计计算算对对上上图图所示的的系所示的的系统统，折算到，折算到电电机机轴轴的的转动惯转动惯量量JdJd由几部分由几部分组组成：成： 电电机机轴轴的的转动惯转动惯量量JmJm 齿轮齿轮Z1Z1的的转动惯转动惯量量JZ1JZ1 齿轮齿轮Z2Z2的的转动惯转动惯量量JZ2JZ2和和丝丝杠的杠的转动惯转动惯量量JSJ

89、S折算到折算到电电机机轴轴的的转动惯转动惯量量 任任务务台折算到台折算到电电机机轴轴的的转动惯转动惯量量对对于直于直线线挪挪动动的任的任务务台，折算到台，折算到丝丝杠杠轴轴的的转动惯转动惯量量为为：丝丝杠杠轴轴折算到折算到电电机机轴轴的的转动惯转动惯量量为为：因此，折算到因此，折算到电电机机轴轴的等效的等效转动惯转动惯量量JdJd为为：对对于于齿轮齿齿轮齿条条传动传动的任的任务务台，折算到台，折算到驱动轴驱动轴的的转动惯转动惯量量为为：对对于于带传动带传动的任的任务务台，折算到台，折算到驱动轴驱动轴的的转动惯转动惯量量为为：R R为齿轮为齿轮分度分度圆圆半径半径为驱动轴为驱动轴的角速度的角速度

90、v v为为任任务务台的速度台的速度补充补充(自学自学)：伺服系统设计伺服系统设计n一、方案设计一、方案设计n二、伺服系统稳态设计二、伺服系统稳态设计n三、伺服系统动态设计三、伺服系统动态设计n在进展系统方案设计时，需求思索以下方面的问题：在进展系统方案设计时，需求思索以下方面的问题：n1系统闭环与否确实定系统闭环与否确实定n当系统负载不大，精度要求不高时，可思索开环当系统负载不大，精度要求不高时，可思索开环控制；反之，当系统精度要求较高或负载较大时，控制；反之，当系统精度要求较高或负载较大时，开环系统往往满足不了要求，这时要采用闭环或半开环系统往往满足不了要求，这时要采用闭环或半闭环控制系统。

91、闭环控制系统。n普通情况下，开环系统的稳定性不会有问题，设计普通情况下，开环系统的稳定性不会有问题，设计时仅思索满足精度方面的要求即可，并经过合理的时仅思索满足精度方面的要求即可，并经过合理的构造参数匹配，使系统具有尽能够好的动态呼应特构造参数匹配，使系统具有尽能够好的动态呼应特性。性。一、方案设计一、方案设计2执行元件的选择执行元件的选择选择执行元件时应综合思索负载才干、调速范围、选择执行元件时应综合思索负载才干、调速范围、运转精度、可控性、可靠性以及体积、本钱等多运转精度、可控性、可靠性以及体积、本钱等多方面的要求。方面的要求。普通来讲，对于开环系统可思索采用步进电动机、普通来讲，对于开环

92、系统可思索采用步进电动机、电液脉冲马达和伺服阀控制的液压缸和液压马达电液脉冲马达和伺服阀控制的液压缸和液压马达等，应优先选用步进电动机。等，应优先选用步进电动机。对于中小型的闭环系统可思索采用直流伺服电动机、对于中小型的闭环系统可思索采用直流伺服电动机、交流伺服电动机，对于负载较大的闭环伺服系统交流伺服电动机，对于负载较大的闭环伺服系统可思索选用伺服阀控制的液压马达等。可思索选用伺服阀控制的液压马达等。一、方案设计一、方案设计3传动机构方案的选择传动机构方案的选择传动机构是执行元件与执行机构之间的一个衔接传动机构是执行元件与执行机构之间的一个衔接安装，用来进展运动和力的变换与传送。在伺服安装，

93、用来进展运动和力的变换与传送。在伺服系统中，执行元件以输出旋转运动和转矩为主，系统中，执行元件以输出旋转运动和转矩为主，而执行机构那么多为直线运动。而执行机构那么多为直线运动。用于将旋转运动转换成直线运动的传动机构主要有用于将旋转运动转换成直线运动的传动机构主要有齿轮齿条和丝杠螺母等。前者可获得较大的传动齿轮齿条和丝杠螺母等。前者可获得较大的传动比和较高的传动效率，所能传送的力也较大，但比和较高的传动效率，所能传送的力也较大，但高精度的齿轮齿条制造困难，且为消除传动间隙高精度的齿轮齿条制造困难，且为消除传动间隙而构造复杂；后者因构造简单、制造容易而运用而构造复杂；后者因构造简单、制造容易而运用

94、广泛。广泛。一、方案设计一、方案设计4控制系统方案的选择控制系统方案的选择控制系统方案的选择包括微型机、步进电动机控控制系统方案的选择包括微型机、步进电动机控制方式、驱动电路等的选择。常用的微型机有单制方式、驱动电路等的选择。常用的微型机有单片机、单板机、工业控制微型机等，其中单片机片机、单板机、工业控制微型机等，其中单片机由于在体积、本钱、可靠性和控制指令功能等许由于在体积、本钱、可靠性和控制指令功能等许多方面的优越性，在伺服系统的控制中得到了广多方面的优越性，在伺服系统的控制中得到了广泛的运用。泛的运用。一、方案设计一、方案设计n系统方案确定后，应进展方案实施的详细化设系统方案确定后，应进

95、展方案实施的详细化设计，即各环节设计，通常称为稳态设计。计，即各环节设计，通常称为稳态设计。n其内容主要包括执行元件规格确实定、系统构造其内容主要包括执行元件规格确实定、系统构造的设计、系统惯量参数的计算以及信号检测、转的设计、系统惯量参数的计算以及信号检测、转换、放大等环节的设计与计算。换、放大等环节的设计与计算。n稳态设计要满足系统输出才干目的的要求。稳态设计要满足系统输出才干目的的要求。二、伺服系统稳态设计二、伺服系统稳态设计1.负载的等效换算负载的等效换算为了便于系统运动学、动力学的分析与计算，可为了便于系统运动学、动力学的分析与计算，可将负载运动部件的转动惯量等效地变换到执行元将负载

96、运动部件的转动惯量等效地变换到执行元件的输出轴上，并计算输出轴接受的转矩件的输出轴上，并计算输出轴接受的转矩(回转运回转运动动)或力或力(直线运动直线运动)。例如：例如：二、伺服系统稳态设计二、伺服系统稳态设计n如下图系统中，由m个挪动部件和n个转动部件组成。mi、Vi和Fi分别为挪动部件的质量(kg)、运动速度(ms)和所接受的负载力(N)；Jj、nj和Tj分别为转动部件的转动惯量(kgm2)、转速(rmin或rads)和所接受负载力矩(Nm)。n(1)系统等效转动惯量的计算n系统运动部件动能的总和为二、伺服系统稳态设计二、伺服系统稳态设计n设等效到执行元件输出轴上的总动能为设等效到执行元件

97、输出轴上的总动能为n根据动能不变的原那么，有根据动能不变的原那么，有，系统等效转动，系统等效转动惯量为惯量为n式中式中为执行元件输出轴的转速为执行元件输出轴的转速(rads)二、伺服系统稳态设计二、伺服系统稳态设计n(2)等效负载转矩的计算等效负载转矩的计算n设上述系统在时间内抑制负载所作的功的总和设上述系统在时间内抑制负载所作的功的总和为为n执行元件输出轴在时间内的转角为执行元件输出轴在时间内的转角为，那，那么执行元件所作的功为么执行元件所作的功为n由于由于，所以执行元件输出轴所接受的负载转，所以执行元件输出轴所接受的负载转矩为矩为二、伺服系统稳态设计二、伺服系统稳态设计n2.执行元件功率的

98、匹配执行元件功率的匹配n(1)系统执行元件的转矩匹配系统执行元件的转矩匹配n设机床任务台的伺服进给运动轴所采用电机的额设机床任务台的伺服进给运动轴所采用电机的额定转速定转速(r/min)是所需最大转速，其额定转矩是所需最大转速，其额定转矩(Nm)应大于所需求的最大转矩，即应大于等效到电应大于所需求的最大转矩，即应大于等效到电机输出轴上的负载转矩机输出轴上的负载转矩与抑制惯性负载所需求与抑制惯性负载所需求的转矩的转矩(为电机加减速时的角加速度，为电机加减速时的角加速度，rad/s2)之和。之和。n即电机轴上的总负载力矩为即电机轴上的总负载力矩为n思索机械传动效率，那么思索机械传动效率，那么二、伺

99、服系统稳态设计二、伺服系统稳态设计n(2)系系统执行元件的功率匹配行元件的功率匹配n上述可知，在上述可知，在计算等效算等效负载力矩和等效力矩和等效负载惯量量时，需求知道需求知道电机的某些参数。在机的某些参数。在选择电机机时，常先，常先进展展预选，然后再，然后再进展必要的展必要的验算。算。预选电机的估算功率机的估算功率P可由下式确定可由下式确定n式中式中电机的最高角速度机的最高角速度(rad/s)；电机的最机的最高高转速速(r/min)；思索思索电机的功率富有系数，普机的功率富有系数，普通取通取1.22，对于小功率伺服系于小功率伺服系统可达可达2.5。二、伺服系统稳态设计二、伺服系统稳态设计二、

100、伺服系统稳态设计二、伺服系统稳态设计n3.减速器传动比的计算及分配减速器传动比的计算及分配n减速器传动比应满足驱动部件与负载之间的位减速器传动比应满足驱动部件与负载之间的位移、转速和转矩的关系。不但要求传动构件要有移、转速和转矩的关系。不但要求传动构件要有足够的强度，还要求其转动惯量尽量小，以便在足够的强度，还要求其转动惯量尽量小，以便在获得同一加速度时所需转矩小，即在同一驱动功获得同一加速度时所需转矩小，即在同一驱动功率时，其加速度呼应为最大。以步进电动机为例，率时，其加速度呼应为最大。以步进电动机为例，其传动比可按下式计算：其传动比可按下式计算：n式中式中为步进电动机步距角为步进电动机步距

101、角(o)；为丝杠导程为丝杠导程(mm)；为任务台运动的脉冲当量为任务台运动的脉冲当量(mm)。n如计算出的值较小，可采用同步齿形带或一级如计算出的值较小，可采用同步齿形带或一级齿轮传动，否那么应采用多级齿轮传动。选择齿齿轮传动，否那么应采用多级齿轮传动。选择齿轮传动级数时，一方面应使齿轮总转动惯量与电轮传动级数时，一方面应使齿轮总转动惯量与电动机轴上自动齿轮的转动惯量的比值较小，另一动机轴上自动齿轮的转动惯量的比值较小，另一方面还要防止因级数过多而使构造复杂。传动级方面还要防止因级数过多而使构造复杂。传动级数普通可按以下图来选择。数普通可按以下图来选择。二二、伺服系统稳态设计、伺服系统稳态设计

102、n齿轮传动级数确定之后，为了紧凑传动构造以齿轮传动级数确定之后，为了紧凑传动构造以及提高传动精度和动态特性，通常是根据分量最及提高传动精度和动态特性，通常是根据分量最轻或等效转动惯量最小或输出轴转角误差最小的轻或等效转动惯量最小或输出轴转角误差最小的原那么进展各级传动比的分配。普通可按以下图原那么进展各级传动比的分配。普通可按以下图来分配各级传动比，且应使各级传动比按传动顺来分配各级传动比，且应使各级传动比按传动顺序逐级添加。序逐级添加。二、伺服系统稳态设计二、伺服系统稳态设计n4.信号检测、转换及放大和电源等安装的选择与信号检测、转换及放大和电源等安装的选择与设计设计n执行元件与传动系统确定

103、之后，要思索信号检执行元件与传动系统确定之后，要思索信号检测、转换和放大安装以及校正补偿安装的选择与测、转换和放大安装以及校正补偿安装的选择与设计的问题，同时还要思索相邻环节的衔接、信设计的问题，同时还要思索相邻环节的衔接、信号的有效传送、输入与输出的阻抗匹配等，以保号的有效传送、输入与输出的阻抗匹配等，以保证各个环节在各种条件下协调任务，系统整体上证各个环节在各种条件下协调任务，系统整体上到达设计目的。到达设计目的。n概括起来，主要思索以下几个方面的问题：概括起来，主要思索以下几个方面的问题：二、伺服系统稳态设计二、伺服系统稳态设计n1.检测传感安装的精度、灵敏度、反响时间等性能参检测传感安

104、装的精度、灵敏度、反响时间等性能参数要适宜，这是保证系统整体精度的前提条件；数要适宜，这是保证系统整体精度的前提条件；n2.信号转换接口电路尽量选用商品化的产品，要有足信号转换接口电路尽量选用商品化的产品，要有足够的输入输出通道，与传感器输出阻抗和放大器够的输入输出通道，与传感器输出阻抗和放大器的输入阻抗要匹配；的输入阻抗要匹配；n3.放大器应具有足够的放大倍数和线性范围，其特放大器应具有足够的放大倍数和线性范围，其特性应稳定可靠；性应稳定可靠；n4.功率输出级的技术参数要满足执行元件的要求；功率输出级的技术参数要满足执行元件的要求；n5.电源的设计，一是要思索到放大器各放大级的不同电源的设计

105、，一是要思索到放大器各放大级的不同需求，二是要思索到动力电源稳定性能和抗干扰性需求，二是要思索到动力电源稳定性能和抗干扰性能。能。二、伺服系统稳态设计二、伺服系统稳态设计稳态设计实例：稳态设计实例：n己知：拖板分量己知：拖板分量W=2000N，拖板与贴塑导轨之，拖板与贴塑导轨之间的摩擦因数间的摩擦因数u=0.06车削时最大切削负载车削时最大切削负载Fs=2150N(与运动方向相反与运动方向相反)，y向切削分力向切削分力Fy=2Fz=300N(垂直于导轨垂直于导轨,要求刀具切削时要求刀具切削时的进给速度：的进给速度：V=10500mm/min，快速行程速，快速行程速度：度：V0=3000mm/m

106、in，滚珠丝杠名义直径，滚珠丝杠名义直径D0=32mm,导程：导程：p=6mm，丝杠总长，丝杠总长l=1400mm拖板最大行程拖板最大行程1150mm，定位精度，定位精度0.01mm，试选择适宜的步进电机，并检查其启，试选择适宜的步进电机，并检查其启动特性和任务速度。动特性和任务速度。(1)(1)脉冲当量的脉冲当量的脉冲当量的脉冲当量的选择选择: : 初步初步初步初步选择选择三相步三相步三相步三相步进电进电机的步距角机的步距角机的步距角机的步距角为为0.750/1.500.750/1.50，三相，三相，三相，三相六拍控制六拍控制六拍控制六拍控制时时步距角步距角步距角步距角为为0.7500.75

107、0，每，每，每，每转转其脉冲数其脉冲数其脉冲数其脉冲数为为根据脉冲当量根据脉冲当量根据脉冲当量根据脉冲当量的定的定的定的定义义，可以得到中可以得到中可以得到中可以得到中间齿轮传动间齿轮传动比比比比i i为为：当当当当时时，由公式：，由公式：，由公式：，由公式：设计大小大小齿轮为：Z1=20Z2=25m=2mm脉冲当量指对应于系统输入端的一个进给脉冲，系统输出端产生的转角或位移。(2)等效惯量的计算：等效惯量的计算：n1)滚珠丝杠的惯量：滚珠丝杠的惯量：2)2)齿轮齿轮的的的的惯惯量：量：量：量：求得：求得：求得：求得：3)3)拖板的运拖板的运拖板的运拖板的运动惯动惯量量量量转转化化化化动电动电

108、机机机机轴轴的的的的转动惯转动惯量：量：量：量：4)4)总总的等效的等效的等效的等效转动惯转动惯量量量量负载负载：(3)等效负载的计算：等效负载的计算：1)1)折算到折算到折算到折算到电电机机机机轴轴上的摩擦上的摩擦上的摩擦上的摩擦转转矩矩矩矩2)2)空空空空载时载时折算到折算到折算到折算到电电机机机机轴轴上的最大附加上的最大附加上的最大附加上的最大附加转转矩矩矩矩3)3)空空空空载时载时折算到折算到折算到折算到电电机机机机轴轴上的最大加速度上的最大加速度上的最大加速度上的最大加速度转转矩矩矩矩初步初步初步初步选择电选择电机机机机为为110BYG260B110BYG260B，其，其，其，其电电

109、机机机机轴转动惯轴转动惯量量量量为为：其矩其矩其矩其矩频频特性曲特性曲特性曲特性曲线见线见以下以下以下以下图图由由由由图图可得可得可得可得电电机的最大静机的最大静机的最大静机的最大静转转矩矩矩矩Mjmax=9.5NmMjmax=9.5Nm延延延延续续运运运运转频转频率率率率为为fm=1600Hzfm=1600Hz，求加速度求加速度求加速度求加速度转转矩矩矩矩为为Mamax(Mamax(按在按在按在按在0.03s0.03s之内加速到最大空之内加速到最大空之内加速到最大空之内加速到最大空行程速度行程速度行程速度行程速度3000mm/min3000mm/min计计算算算算) )(a)(a)快速启快速

110、启快速启快速启动时动时的启的启的启的启动转动转矩：矩：矩：矩：(b)(b)最大切削最大切削最大切削最大切削时时所需所需所需所需转转矩矩矩矩McMc：(c)(c)快速快速快速快速进给时进给时所需所需所需所需转转矩矩矩矩MkMk：综综上，上，上，上，应该应该以快速启以快速启以快速启以快速启动时动时所需的所需的所需的所需的转转矩作矩作矩作矩作为选择电为选择电机机机机的根据的根据的根据的根据(4)(4)动态动态效核效核效核效核1)1)转动惯转动惯量效核：量效核：量效核：量效核：适宜适宜适宜适宜2)2)最大最大最大最大带惯带惯量启量启量启量启动频动频率：率：率：率：3)3)最大空最大空最大空最大空载载启

111、启启启动频动频率：率：率：率：4)4)最大任最大任最大任最大任务频务频率：率：率：率：n分析、设计伺服系统的方法主要包括时域法和频分析、设计伺服系统的方法主要包括时域法和频域法，域法，n在时间领域中，利用解微分方程和根轨迹法来在时间领域中，利用解微分方程和根轨迹法来研讨控制系统性能的方法，统称为时域法。研讨控制系统性能的方法，统称为时域法。n频率呼应频率呼应(频率特性频率特性)是系统在遭到不同频率的是系统在遭到不同频率的正弦信号作用时，描画系统的稳态输出和输入间正弦信号作用时，描画系统的稳态输出和输入间关系的数学模型，它即能反映系统的稳态性能，关系的数学模型，它即能反映系统的稳态性能，同时也包

112、含了系统的动态性能。其优点是不需求同时也包含了系统的动态性能。其优点是不需求把输出量变化全过程计算出来，就能分析系统中把输出量变化全过程计算出来，就能分析系统中各个参量与系统性能的关系，在工程实际中运用各个参量与系统性能的关系，在工程实际中运用广泛。广泛。三、伺服系统动态设计三、伺服系统动态设计开开环控制的伺服系控制的伺服系统设计实例例 机械系机械系统设计分析分析举例例知：步知：步进电机最大静机最大静转矩矩Ts=10NmTs=10Nm，步，步距角距角=1.5=1.5，电动机机轴转动惯量量Jm=1.810-3kgm2Jm=1.810-3kgm2，采用五相双五拍，采用五相双五拍通通电控制方式。控制

113、方式。滚动丝杠直径杠直径d=45mmd=45mm，导程程p=6mmp=6mm，丝杠杠最小拉最小拉压长度度lmin=400mmlmin=400mm，最大拉，最大拉压长度度lmax=1400mmlmax=1400mm，丝杠杠长度度L=2440mmL=2440mm，丝杠支承杠支承轴向向刚度度KB=1.96108N/mKB=1.96108N/m，丝杠杠螺母螺母间的接触的接触刚度度KN=1.02109N/mKN=1.02109N/m。任任务台及刀架台及刀架质量量m=300kgm=300kg，导轨摩擦系数摩擦系数=0.2=0.2，最大，最大轴向向载荷荷Fwmax=4900NFwmax=4900N。要求：系

114、要求：系统脉冲当量脉冲当量p=0.005mmp=0.005mm，空，空载启启动时间t=25mst=25ms，最大，最大进给速度速度max=1.2m/minmax=1.2m/min，定位精度，定位精度0.01mm0.01mm。1 1、减速器、减速器传动比比计算算按最小按最小惯量条件：减速器采用量条件：减速器采用2 2级传动，i1=2i1=2，i2=2.5i2=2.5；齿轮齿数数为z1=20z1=20，z2=40z2=40，z3=20z3=20，z4=50z4=50；模数；模数m=2mmm=2mm，齿宽b=20mmb=20mm。2 2、电动机机轴上上总当量当量负载转动惯量量计算算其中：其中：齿轮的

115、等效直径取的等效直径取为分度分度圆直径，直径，丝杠的等效直径杠的等效直径为43mm43mm总当量当量负载转动惯量：量：3 3、惯性匹配性匹配验算算4 4、步、步进电机机负载才干校才干校验步步进电动机机轴上的上的总惯量量空空载启启动时，电动机机轴上的上的惯性性转矩矩电动机机轴上的当量摩擦上的当量摩擦转矩矩设伺服伺服进给传动链的的总效率取效率取为=0.8=0.8设滚动丝杠螺母副的杠螺母副的预紧力力为最大最大轴向向载荷的荷的1/31/3，那么因，那么因预紧力而引起的、折力而引起的、折算到算到电动机机轴上的附加摩擦上的附加摩擦转矩矩为任任务台上的最大台上的最大轴向向载荷折算到荷折算到电动机机轴上的上的

116、负载转矩矩为空空载启启动时电动机机轴上的上的总负载转矩矩为在最大外在最大外载荷下任荷下任务时，电动机机轴上的上的总负载转矩矩为 查得空得空载启启动时所需所需电动机最大机最大静静转矩矩为： 在最大外在最大外载荷下任荷下任务时，所需，所需电动机最大静机最大静转矩矩为： 步步进电动机不能正常启机不能正常启动，故需重，故需重选电机或将启机或将启动时间适当延伸。适当延伸。5 5、系、系统刚度度计算算丝杠最小、最大拉杠最小、最大拉压刚度度为： 假假设丝杠杠轴向支承向支承经过预紧并忽略并忽略轴承座和螺母座承座和螺母座刚度的影响，按下表可度的影响，按下表可求得求得丝杠螺母机构的杠螺母机构的综合拉合拉压刚度：度

117、：丝杠最低改杠最低改动刚度度为：6 6、固有、固有频率率计算算丝杠杠质量量为：丝杠任杠任务台的最低固有台的最低固有频率率为： 折算到折算到丝杠杠轴上系上系统的的总当量当量转动惯量量为：系系统的最低扭振固有的最低扭振固有频率率为：系系统动态特性特性较好。好。7 7、死区、死区误差差计算算设齿轮传动和和丝杠螺母机构分杠螺母机构分别采取了采取了消隙和消隙和预紧措施，那么由摩擦力引起的措施，那么由摩擦力引起的最大反向死区最大反向死区误差差为：较难满足足单脉冲脉冲进给的要求。的要求。8 8、系、系统刚度度变化引起的定位化引起的定位误差差计算算 由由丝杠螺母机构杠螺母机构综合拉合拉压刚度的度的变化所引起的

118、最大定位化所引起的最大定位误差：差：系系统刚度度满足定位精度要求。足定位精度要求。总目目录1简述机述机电一体化系一体化系统的的执行元件分行元件分类及特点。及特点。2简述机述机电一体化系一体化系统对执行元件的根本要求？行元件的根本要求？3简述控制用述控制用电动机的功率密度及比功率的定机的功率密度及比功率的定义。5简述直流伺服述直流伺服电动机控制方式的根本方式？机控制方式的根本方式？7简述伺服述伺服电动机控制的根本方式是什么？机控制的根本方式是什么？8简述步述步进电动机具有哪些特点？机具有哪些特点？9简述步述步进电动机的种机的种类及其特点。及其特点。10简述步述步进电动机的任机的任务原理。原理。1

119、1简述步述步进电动机步距角的机步距角的计算方法。算方法。12简述步述步进电动机的机的环行分配方式。行分配方式。13简述步述步进电动机的运机的运转特性。特性。15简述步述步进电动机机驱动电源的功率放大源的功率放大电路原理。路原理。习题与思索题实验二实验二步进电机控制实验步进电机控制实验MSC51一、实验要求一、实验要求用用8255扩展端口控制步进电机，编写程序扩展端口控制步进电机，编写程序输出脉冲序列到输出脉冲序列到8255的的PA口，控制电口，控制电机正转、反转，加速，减速。机正转、反转，加速，减速。二、实验目的二、实验目的1了解步进电机控制的根本原理。了解步进电机控制的根本原理。2掌握控制步

120、进电机转动的编程方法。掌握控制步进电机转动的编程方法。3了解单片机控制外部设备的常用电路。了解单片机控制外部设备的常用电路。三、实验安装：伟福三、实验安装：伟福Lab2000单片机实验单片机实验安装。安装。经过经过P1口输出脉冲信号控制口输出脉冲信号控制步进电机的运转也可。步进电机的运转也可。四、实验电路连线框图n8255控制的原理请参阅。五、实验阐明n步进电机驱动原理是经过对每相线圈中电流的顺序切换来使电机作步进式旋转。切换是经过单片机输出脉冲信号来实现的。所以调理脉冲信号的频率便可以改动步进电机的转速，改动各相脉冲的先后顺序，可以改动电机的旋转方向。步进电机的转速应由慢到快逐渐加速。n电机

121、驱动方式可以采用双四拍(ABBCCDDAAB)方式，也可以采用单四拍(ABCDA)方式，或单、双八拍(AABBBCCCDDDAA)方式。各种任务方式的时序图如下：高电平有效n上图中表示的脉冲信号是高有效，但实践控制时公共端是接在VCC上的，所以实践控制脉冲是低有效。8255的PA口输出的脉冲信号经MC1413或ULN2019A倒相驱动后，向步进电机输出脉冲信号序列。8051单片机也可以经过P1口输出脉冲信号控制步进电机的运转。也可以经过实验仪上的波形发生器来产生脉冲序列来控制步进电机的运转。六、实验程序框图8255A可编程并行口芯片n可编程通用接口芯片8255A有三个八位的并行I/O口，它有三

122、种任务方式。本实验采用的是方式0：PA，PC口输出，PB口输入。很多I/O实验都可以经过8255来实现。n8255的CS/接地址译码/CS0，那么命令字地址为8003H，PA口地址为8000H，PB口地址为8001H，PC口地址为8002H。数据线、读/写控制、地址线、复位信号板上已接好。附参考程序：modeequ082hcontrlequ08003hctlequ08000hAstepequ01hBstepequ02hCstepequ04hDstepequ08hdly_cequ60horg0hstep:mova,#modemovdptr,#contrlmovxdptr,amovdptr,#80

123、02hmova,#0movxdptr,amovdly_c,#10hjmploop1;单单/双八拍任务方式双八拍任务方式loop:movdptr,#ctlmova,#Astepmovxdptr,acalldelaymova,#Astep+Bstepmovxdptr,acalldelaymova,#Bstepmovxdptr,acalldelaymova,#Bstep+Cstepmovxdptr,acalldelaymova,#Cstepmovxdptr,acalldelaymova,#Cstep+Dstepmovxdptr,acalldelaymova,#Dstepmovxdptr,acalld

124、elaymova,#Dstep+Astepmovxdptr,acalldelaymova,dly_cdeca;提高转速提高转速cjnea,#1,nn1;最快速度最快速度incann1:movdly_c,aljmpLoop;双四拍任务方式双四拍任务方式loop1:movdptr,#ctlmova,#Astep+Bstepmovxdptr,acalldelaymova,#Bstep+Cstepmovxdptr,acalldelaymova,#Cstep+Dstepmovxdptr,acalldelaymova,#Dstep+Astepmovxdptr,acalldelaymova,dly_cdec

125、acjnea,#2,nn2incann2:movdly_c,ajmploop1;单四拍任务方式单四拍任务方式loop2:movdptr,#ctlmova,#Dstepmovxdptr,acalldelaymova,#Cstepmovxdptr,acalldelaymova,#Bstepmovxdptr,acalldelaymova,#Astepmovxdptr,acalldelaymova,dly_cdecacjnea,#3,nn3incann3:movdly_c,ajmploop2delay:movr6,dly_cdd1:movr7,#0djnzr7,$djnzr6,dd1retend关于P

126、1口的运用nP1口是准双向口。它作为输出口时与普通的双向口运用方法一样。由准双向口构造可知当P1口用为输入口时，必需先对它置“1。假设不先对它置“1，读入的数据是不正确的。n设计用MCS-51单片机控制四相八拍步进电机反向走一步的环形分配器子程序，列出环形分配表。知输出信号从P1口的低四位输出，P1口的高四位全置“1。程序参考：2100MOVDPTR，#2200HMOVR0，#00LOOP：MOVA，R0MOVCA，A+DPTRMOVP1，ALCALL1000INCR0CJNER0，#08H，LOOP2200DBF9H，F8H，FCH，F4H，F6H，F2H，F3H，F1H1000：MOVR3，#FFDT1：MOVR4，#FFDT2：DJNZR4，DT2DJNZR3，DT1RET