第四章 機(jī)電一體化系統(tǒng)執(zhí)行元件的選擇及設(shè)計(jì)

1、n機(jī)電一體化系統(tǒng)機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品或產(chǎn)品)離不開離不開執(zhí)行元件為其提供動(dòng)力執(zhí)行元件為其提供動(dòng)力。如數(shù)控機(jī)床。如數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)、工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)以及工業(yè)機(jī)器人手臂升降、回轉(zhuǎn)和伸的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)、工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)以及工業(yè)機(jī)器人手臂升降、回轉(zhuǎn)和伸縮運(yùn)動(dòng)等所用驅(qū)動(dòng)部件縮運(yùn)動(dòng)等所用驅(qū)動(dòng)部件 .n在電子控制裝置控制下，在電子控制裝置控制下，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，例，例如電動(dòng)機(jī)、液動(dòng)機(jī)、氣缸、內(nèi)燃機(jī)、電磁鐵、繼電器等分別把輸入的如電動(dòng)機(jī)、液動(dòng)機(jī)、氣缸、內(nèi)燃機(jī)、電磁鐵、繼電器等分別把輸入的電能、液壓能、氣壓能和化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。電能、液壓能、氣壓能和化學(xué)能轉(zhuǎn)

2、換為機(jī)械能。n大多數(shù)執(zhí)行元件大多數(shù)執(zhí)行元件已作為系列化商品生產(chǎn)已作為系列化商品生產(chǎn)，故在設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)或，故在設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品時(shí)，可作為標(biāo)準(zhǔn)件選用、外購。產(chǎn)品時(shí)，可作為標(biāo)準(zhǔn)件選用、外購。一、執(zhí)行元件的種類及其特點(diǎn)一、執(zhí)行元件的種類及其特點(diǎn)1、種類種類日本松下交流伺服電機(jī)日本松下交流伺服電機(jī)產(chǎn)品一覽產(chǎn)品一覽 類別類別小慣量小慣量中慣量中慣量大慣量大慣量電電機(jī)機(jī)系系列列MSM(30750W)MSM(15KW)MDMMFM盤式MHM 匹匹配配驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)器器XX系列（小型MINAS）V系列（大型MINAS） 電電機(jī)機(jī)性性能能額定功額定功率率30W750W1KW5KW750W5KW400W4.

3、5KW500W5KW額定轉(zhuǎn)額定轉(zhuǎn)速速3000r/min3000r/min2000r/min2000r/min2000r/min最高轉(zhuǎn)最高轉(zhuǎn)速速5000r/min5000r/min3000r/min3000r/min3000r/min驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)器器性性能能電源電源單相100V（400W以下）三相200V三相200V三相200V三相200V三相200V直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)直線電機(jī)直線電機(jī)帶齒輪減速器的微特電機(jī)帶齒輪減速器的微特電機(jī)微型電機(jī)微型電機(jī) 電電 磁磁 鐵鐵油油 缸缸油油 馬馬 達(dá)達(dá)氣氣 缸缸氣氣 馬馬 達(dá)達(dá)形狀記憶合金支架形狀記憶合金支架2、特點(diǎn)特點(diǎn)（1）電氣執(zhí)行元件）電

4、氣執(zhí)行元件4控制用電機(jī)的性能除了要求控制用電機(jī)的性能除了要求穩(wěn)速運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)速運(yùn)轉(zhuǎn)性能以外，還要求性能以外，還要求加速、減速加速、減速性性能和能和伺服性能伺服性能等動(dòng)態(tài)性能以及頻繁使用時(shí)的適應(yīng)性和便于維修性能。等動(dòng)態(tài)性能以及頻繁使用時(shí)的適應(yīng)性和便于維修性能。4驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有位置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有位置(或速度或速度)反饋環(huán)節(jié)的叫反饋環(huán)節(jié)的叫閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)，沒有位置與速度，沒有位置與速度反饋環(huán)節(jié)的叫反饋環(huán)節(jié)的叫開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)4微量位移用器件（微驅(qū)動(dòng)研究簡(jiǎn)介）微量位移用器件（微驅(qū)動(dòng)研究簡(jiǎn)介）電磁鐵電磁鐵壓電驅(qū)動(dòng)器壓電驅(qū)動(dòng)器電熱驅(qū)動(dòng)器電熱驅(qū)動(dòng)器 納米級(jí)高精密微驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，能對(duì)細(xì)胞和染色體進(jìn)行“顯微手術(shù)”，并能用

5、在微電子、精密加工、光學(xué)微調(diào)整、通訊光纖對(duì)接等精度要求較高的領(lǐng)域 2、特點(diǎn)特點(diǎn)（2）液壓式執(zhí)行元件）液壓式執(zhí)行元件4主要包括執(zhí)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的油缸、回轉(zhuǎn)油缸、液壓馬達(dá)等，其中油缸占主要包括執(zhí)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的油缸、回轉(zhuǎn)油缸、液壓馬達(dá)等，其中油缸占絕大多數(shù)。（絕大多數(shù)。（電磁閥控制電磁閥控制）4一般的電一般的電液伺服系統(tǒng)，采用液伺服系統(tǒng)，采用電電液伺服閥控制液伺服閥控制油缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。油缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。4數(shù)字式液壓執(zhí)行元件，例如電數(shù)字式液壓執(zhí)行元件，例如電液伺服馬達(dá)和電液伺服馬達(dá)和電液步進(jìn)馬達(dá)，最大液步進(jìn)馬達(dá)，最大優(yōu)點(diǎn)是比純電磁式馬達(dá)力矩大，可以直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，力矩慣量?jī)?yōu)點(diǎn)是比純電磁式馬達(dá)力矩大，可以直接

6、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，力矩慣量比大，過載能力強(qiáng)，比大，過載能力強(qiáng)，適合于重載的高加減速驅(qū)動(dòng)適合于重載的高加減速驅(qū)動(dòng)。2、特點(diǎn)特點(diǎn)（3）氣壓式執(zhí)行元件）氣壓式執(zhí)行元件4氣壓式執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作工作介質(zhì)外，與液壓式執(zhí)行元件無氣壓式執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作工作介質(zhì)外，與液壓式執(zhí)行元件無什么區(qū)別。什么區(qū)別。4氣壓驅(qū)動(dòng)雖可得到較大的驅(qū)動(dòng)力、行程和速度，但由于空氣粘性差，氣壓驅(qū)動(dòng)雖可得到較大的驅(qū)動(dòng)力、行程和速度，但由于空氣粘性差，具有可壓縮性，故不能在定位精度較高的場(chǎng)合使用。具有可壓縮性，故不能在定位精度較高的場(chǎng)合使用。1 1慣量小、動(dòng)力大慣量小、動(dòng)力大4表征慣量指標(biāo)：表征慣量指標(biāo)：a、J4表征動(dòng)力大小指標(biāo)

7、：表征動(dòng)力大小指標(biāo)：F、T、P4表征動(dòng)力大小綜合指標(biāo)：比功率表征動(dòng)力大小綜合指標(biāo)：比功率 比功率比功率= =P/=T2/J（kWs-1）2 2體積小、重量輕體積小、重量輕 用功率密度或比功率密度來評(píng)價(jià)這項(xiàng)指標(biāo)用功率密度或比功率密度來評(píng)價(jià)這項(xiàng)指標(biāo) (1) (1)功率密度功率密度P/ /G( (kWNkWN-1-1) )， (2) (2)比功率密度比功率密度 ( (T2 2/ /J)/)/G（kWskWs-1-1N N-1-1) )3 3便于維修、安裝便于維修、安裝 執(zhí)行元件最好不需要維修執(zhí)行元件最好不需要維修, ,例如交例如交/ /直流無刷伺服電機(jī)。直流無刷伺服電機(jī)。4 4宜于微機(jī)控制宜于微機(jī)控

8、制 機(jī)電一體化系統(tǒng)所用執(zhí)行元件的主流是電動(dòng)式，其次是液動(dòng)和氣動(dòng)式機(jī)電一體化系統(tǒng)所用執(zhí)行元件的主流是電動(dòng)式，其次是液動(dòng)和氣動(dòng)式。內(nèi)燃機(jī)運(yùn)動(dòng)的微機(jī)控制較難，故通常僅用于交通運(yùn)輸機(jī)械。內(nèi)燃機(jī)運(yùn)動(dòng)的微機(jī)控制較難，故通常僅用于交通運(yùn)輸機(jī)械。n它是將它是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。n工作可在工作可在很寬的速度和負(fù)載范圍很寬的速度和負(fù)載范圍內(nèi)受到連續(xù)而精確的控制，因而在內(nèi)受到連續(xù)而精確的控制，因而在各種機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。各種機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。n 控制用電機(jī)有回轉(zhuǎn)和直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過電壓、電流、頻率控制用電機(jī)有回轉(zhuǎn)和直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通

9、過電壓、電流、頻率(包括包括指令脈沖指令脈沖)等控制等控制，實(shí)現(xiàn)定速、變速驅(qū)動(dòng)或反復(fù)啟動(dòng)、停止的增量驅(qū)，實(shí)現(xiàn)定速、變速驅(qū)動(dòng)或反復(fù)啟動(dòng)、停止的增量驅(qū)動(dòng)以及復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)精度隨驅(qū)動(dòng)對(duì)象的不同而不同。動(dòng)以及復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)精度隨驅(qū)動(dòng)對(duì)象的不同而不同。n伺服電機(jī)控制方式的基本形式有三種。步進(jìn)電機(jī)的伺服電機(jī)控制方式的基本形式有三種。步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)方式開環(huán)方式、其它、其它電機(jī)的電機(jī)的半閉環(huán)方式半閉環(huán)方式和和全閉環(huán)方式全閉環(huán)方式是基本控制方式。閉環(huán)方式可得到是基本控制方式。閉環(huán)方式可得到比開環(huán)方式更精密的伺服控制。比開環(huán)方式更精密的伺服控制。 (1) 性能密度大性能密度大、即功率密度和比功率大；、即功

10、率密度和比功率大； 功率密度功率密度P/G(WN-1)， 比功率密度比功率密度TN2/Jm（Ws-1) (2) 快速性好快速性好，即加速轉(zhuǎn)矩大，頻響特性好；，即加速轉(zhuǎn)矩大，頻響特性好； (3) 位置控制精度高、調(diào)速范圍寬、低速運(yùn)行平穩(wěn)無爬行現(xiàn)位置控制精度高、調(diào)速范圍寬、低速運(yùn)行平穩(wěn)無爬行現(xiàn)象、分辯率高、振動(dòng)噪聲??；象、分辯率高、振動(dòng)噪聲??； (4) 適應(yīng)啟、停頻繁的工作要求適應(yīng)啟、停頻繁的工作要求； (5) 可靠性高、壽命長(zhǎng)可靠性高、壽命長(zhǎng)。n對(duì)于啟停頻率低對(duì)于啟停頻率低( (如幾十次分如幾十次分) )，但要求低速平穩(wěn)和扭矩脈動(dòng)小，但要求低速平穩(wěn)和扭矩脈動(dòng)小、高速運(yùn)行時(shí)振動(dòng)、噪聲小，在整個(gè)調(diào)速

11、范圍內(nèi)均可穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的、高速運(yùn)行時(shí)振動(dòng)、噪聲小，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)均可穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的機(jī)械，如機(jī)械，如NCNC工作機(jī)械的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其工作機(jī)械的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其功率密功率密度是主要的性能指標(biāo)度是主要的性能指標(biāo)；n對(duì)于啟停頻率高對(duì)于啟停頻率高( (如數(shù)百次分如數(shù)百次分) )，但不特別要求低速平穩(wěn)性的產(chǎn)，但不特別要求低速平穩(wěn)性的產(chǎn)品，如高速打印機(jī)、繪圖機(jī)、打孔機(jī)、集成電路焊接裝置等品，如高速打印機(jī)、繪圖機(jī)、打孔機(jī)、集成電路焊接裝置等主要主要的性能指標(biāo)是高比功率的性能指標(biāo)是高比功率。n在額定輸出功率相同的條件下，在額定輸出功率相同的條件下，交流伺服電機(jī)的比功率最高交流伺服電機(jī)的比

12、功率最高，依，依次為步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)。次為步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)。1 1、直流伺服電機(jī)的特性及選用、直流伺服電機(jī)的特性及選用（1 1）特點(diǎn)）特點(diǎn)電樞大多為永久磁鐵磁場(chǎng)；電樞大多為永久磁鐵磁場(chǎng)；直流伺服電機(jī)具有較高的響應(yīng)速度、精度和頻率，優(yōu)良的控制直流伺服電機(jī)具有較高的響應(yīng)速度、精度和頻率，優(yōu)良的控制特性等優(yōu)點(diǎn)。特性等優(yōu)點(diǎn)。由于使用電刷和整流子，故壽命較低，需要定期維修。由于使用電刷和整流子，故壽命較低，需要定期維修。（2 2）選用）選用 寬調(diào)速直流伺服電機(jī)應(yīng)寬調(diào)速直流伺服電機(jī)應(yīng)根據(jù)負(fù)載條件來選擇根據(jù)負(fù)載條件來選擇。加在電機(jī)軸上的有兩。加在電機(jī)軸上的有兩種負(fù)載即

13、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載慣量。當(dāng)選用電機(jī)時(shí)，必須正確地計(jì)算負(fù)載種負(fù)載即負(fù)載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載慣量。當(dāng)選用電機(jī)時(shí)，必須正確地計(jì)算負(fù)載，必須確認(rèn)電機(jī)能，必須確認(rèn)電機(jī)能滿足下列條件滿足下列條件：在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，其在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)在電機(jī)連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍以內(nèi)；應(yīng)在電機(jī)連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍以內(nèi)；工作負(fù)載與過載時(shí)間工作負(fù)載與過載時(shí)間應(yīng)在規(guī)定的范圍以內(nèi)；應(yīng)在規(guī)定的范圍以內(nèi)；應(yīng)使加速度與希望的應(yīng)使加速度與希望的時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)一致。如果可能，加減速應(yīng)選取相同的時(shí)一致。如果可能，加減速應(yīng)選取相同的時(shí)間常數(shù)。間常數(shù)。慣性負(fù)載值慣性負(fù)載值對(duì)電機(jī)靈敏度和快速移動(dòng)時(shí)間有很大影響。對(duì)電機(jī)靈敏度和快速移動(dòng)時(shí)間有很大影響。如

14、果負(fù)載慣量達(dá)到轉(zhuǎn)子慣量的三倍，靈敏度要受到影響，必須避免使用如果負(fù)載慣量達(dá)到轉(zhuǎn)子慣量的三倍，靈敏度要受到影響，必須避免使用這種慣性負(fù)載。這種慣性負(fù)載。直流伺服電機(jī)為直流供電，為調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向，需要對(duì)其直流電壓直流伺服電機(jī)為直流供電，為調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向，需要對(duì)其直流電壓的大小和方向進(jìn)行控制。的大小和方向進(jìn)行控制。（1 1）可控硅（晶閘管）直流（）可控硅（晶閘管）直流（SCRSCR）驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)方式通過通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置控制可控硅的開放角調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置控制可控硅的開放角( (控制電壓之大小控制電壓之大小) )來移動(dòng)觸發(fā)脈來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，從而改變整流電壓的大小使直流電機(jī)電樞電壓的變化易平?jīng)_的

15、相位，從而改變整流電壓的大小使直流電機(jī)電樞電壓的變化易平滑調(diào)速。滑調(diào)速。由于可控硅本身的工作原理和電源的特點(diǎn)，導(dǎo)通后是利用交流由于可控硅本身的工作原理和電源的特點(diǎn)，導(dǎo)通后是利用交流(50(50Hz)Hz)過過零來關(guān)閉的，因此，在零來關(guān)閉的，因此，在低整流電壓時(shí)，其輸出是很小的尖峰值的平均值低整流電壓時(shí)，其輸出是很小的尖峰值的平均值，從而造成電流的不連續(xù)性。，從而造成電流的不連續(xù)性。（2 2）脈寬調(diào)制（）脈寬調(diào)制（PWMPWM）直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)方式直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)方式 采用脈寬調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其開關(guān)頻率高采用脈寬調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其開關(guān)頻率高( (通常達(dá)通常達(dá)20003000Hz) )，伺伺服機(jī)構(gòu)能夠響應(yīng)的頻

16、帶范圍也較寬，服機(jī)構(gòu)能夠響應(yīng)的頻帶范圍也較寬，與可控硅相比其輸出電流脈動(dòng)非常與可控硅相比其輸出電流脈動(dòng)非常小，接近于純直流。小，接近于純直流。1 1、交流伺服電機(jī)基本原理、交流伺服電機(jī)基本原理 同步同步( (SM) )和感應(yīng)和感應(yīng)( (IM) )型伺服電機(jī)稱為交流伺服電機(jī)。型伺服電機(jī)稱為交流伺服電機(jī)。 其基本原理是檢測(cè)其基本原理是檢測(cè)SMSM型和型和IMIM型的氣隙磁場(chǎng)的大小和方向，用電力電子型的氣隙磁場(chǎng)的大小和方向，用電力電子變換器代替整流子和電刷，并通過與氣隙磁場(chǎng)方向相同的磁化電流和與氣變換器代替整流子和電刷，并通過與氣隙磁場(chǎng)方向相同的磁化電流和與氣隙磁場(chǎng)方向垂直的隙磁場(chǎng)方向垂直的有效電流

17、來控制其主磁通量和轉(zhuǎn)矩有效電流來控制其主磁通量和轉(zhuǎn)矩。2 2、同步電機(jī)控制原理、同步電機(jī)控制原理采用永久磁鐵磁場(chǎng)的同步電機(jī)采用永久磁鐵磁場(chǎng)的同步電機(jī)不需要磁化電流控制，只要檢測(cè)磁鐵不需要磁化電流控制，只要檢測(cè)磁鐵轉(zhuǎn)子的位置即可。轉(zhuǎn)子的位置即可。這種交流伺服電機(jī)這種交流伺服電機(jī)也叫做無刷直流伺服電機(jī)也叫做無刷直流伺服電機(jī)( (如如SM型伺服電機(jī)型伺服電機(jī)) )。由于不需要磁化電流控制故由于不需要磁化電流控制故比比IM型伺服電機(jī)容易控制型伺服電機(jī)容易控制。轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理與直流伺服電機(jī)相同轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理與直流伺服電機(jī)相同。日 本 山 洋 伺 服 系 統(tǒng)P5系列30W-1000W同步型超小型、高轉(zhuǎn)速、低價(jià)

18、位組合日 本 三 菱 伺 服 系 統(tǒng)新一代伺服電機(jī)MR-J2-super系列 n它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。n特點(diǎn)是輸入一個(gè)電脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即每當(dāng)電機(jī)繞組接特點(diǎn)是輸入一個(gè)電脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即每當(dāng)電機(jī)繞組接受一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的步距角。受一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的步距角。n轉(zhuǎn)子的角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及其轉(zhuǎn)子的角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及其頻率成正比，并在時(shí)間上與輸入脈沖同步。頻率成正比，并在時(shí)間上與輸入脈沖同步。n很容易用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。很容易用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。n步進(jìn)電機(jī)具有以下特點(diǎn)

19、：步進(jìn)電機(jī)具有以下特點(diǎn)： 步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素(如電源電壓的波動(dòng)、電流的大小與波形的變?nèi)珉娫措妷旱牟▌?dòng)、電流的大小與波形的變化、溫度等化、溫度等)的影響；的影響；H步進(jìn)電機(jī)的步距角有誤差，步進(jìn)電機(jī)的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會(huì)出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)數(shù)以后也會(huì)出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)以后，其累積誤差為以后，其累積誤差為“零零”，不會(huì)長(zhǎng)期積累，不會(huì)長(zhǎng)期積累。H控制性能好。控制性能好。在起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)時(shí)不易在起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)時(shí)不易“丟步丟步”。因此，步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于開環(huán)。因此，步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于開環(huán)結(jié)構(gòu)的機(jī)

20、電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，并可結(jié)構(gòu)的機(jī)電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，并可靠地獲得較高的位置精度靠地獲得較高的位置精度。(1)可變磁阻型可變磁阻型(vR型型 variable)H定子定子1與轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子2由鐵芯構(gòu)成，由鐵芯構(gòu)成，沒有沒有 永久磁鐵永久磁鐵，定子上嵌有線圈，定子上嵌有線圈H轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)子直徑小轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)子直徑小，有，有 利于高速響應(yīng)。利于高速響應(yīng)。H鐵芯無極性，常有吸引力，故鐵芯無極性，常有吸引力，故不需不需 改變電流極性，多為單極性勵(lì)磁改變電流極性，多為單極性勵(lì)磁。H無勵(lì)磁時(shí)沒有保持力無勵(lì)磁時(shí)沒有保持力。H需要將氣隙作得盡可能小需要將氣隙作得盡可能小，幾個(gè)微米。，幾個(gè)微米。H

21、制造制造成本高、效率低、轉(zhuǎn)子的阻尼差、成本高、效率低、轉(zhuǎn)子的阻尼差、 噪聲大噪聲大等缺點(diǎn)。等缺點(diǎn)。H制造材料費(fèi)用低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、步距角小制造材料費(fèi)用低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、步距角小。(2) 永磁型永磁型(PM型型 Permonent Magnet Type）H轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵、定子采用軟磁鋼制成轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵、定子采用軟磁鋼制成，繞組，繞組3輪流通電，建立的磁場(chǎng)與永久磁輪流通電，建立的磁場(chǎng)與永久磁鐵的恒定磁場(chǎng)相互吸引與排斥產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。鐵的恒定磁場(chǎng)相互吸引與排斥產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。H由于采用了永久磁鐵，即使定于繞組由于采用了永久磁鐵，即使定于繞組 斷電也能保持一定轉(zhuǎn)矩?cái)嚯娨材鼙３忠欢ㄞD(zhuǎn)矩，故具有記憶，故具有記憶 能力

22、，可用作定位驅(qū)動(dòng)。能力，可用作定位驅(qū)動(dòng)。H特點(diǎn)是特點(diǎn)是勵(lì)磁功率小、效率高、造價(jià)便宜勵(lì)磁功率小、效率高、造價(jià)便宜， 因此需要量也大。因此需要量也大。H由于轉(zhuǎn)子磁鐵的磁化間距受到限制，由于轉(zhuǎn)子磁鐵的磁化間距受到限制，難難 于制造，故步距角較大于制造，故步距角較大。H與與VR型相比型相比轉(zhuǎn)矩大，但轉(zhuǎn)子慣量也較大轉(zhuǎn)矩大，但轉(zhuǎn)子慣量也較大。(3)混合型混合型(HB型一型一Hybrid Type)H轉(zhuǎn)子上嵌有永久磁鐵轉(zhuǎn)子上嵌有永久磁鐵，故可以說是水磁型步進(jìn)電機(jī)但，故可以說是水磁型步進(jìn)電機(jī)但從定子從定子和轉(zhuǎn)子的導(dǎo)磁體來看，又和可變磁阻型相似和轉(zhuǎn)子的導(dǎo)磁體來看，又和可變磁阻型相似，故稱為混合型步，故稱為混合型

23、步進(jìn)電機(jī)。進(jìn)電機(jī)。H具有具有VR型步進(jìn)電機(jī)型步進(jìn)電機(jī)步距角小、響應(yīng)頻率高步距角小、響應(yīng)頻率高的優(yōu)點(diǎn)，還具有的優(yōu)點(diǎn)，還具有PM型步進(jìn)電機(jī)型步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁功率小、效率高勵(lì)磁功率小、效率高的優(yōu)點(diǎn)是一種很的優(yōu)點(diǎn)是一種很有發(fā)展前途有發(fā)展前途的步進(jìn)電機(jī)。的步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)與比和步進(jìn)電機(jī)與比和AC伺服電機(jī)相比、其伺服電機(jī)相比、其轉(zhuǎn)矩、效率、精度、高速性比較差轉(zhuǎn)矩、效率、精度、高速性比較差但步進(jìn)電機(jī)具有但步進(jìn)電機(jī)具有低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大，速度低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大，速度控制比較簡(jiǎn)單，外形尺寸小控制比較簡(jiǎn)單，外形尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。等優(yōu)點(diǎn)。在在辦公室自動(dòng)化方面辦公室自動(dòng)化方面的打印機(jī)、繪圖的打印機(jī)、繪圖機(jī)、復(fù)印機(jī)等機(jī)電一體化產(chǎn)品中得到

24、機(jī)、復(fù)印機(jī)等機(jī)電一體化產(chǎn)品中得到廣泛使用廣泛使用。在。在工廠自動(dòng)化方面也可代工廠自動(dòng)化方面也可代替低檔的替低檔的DC伺服電機(jī)伺服電機(jī)。 （1）三相單三拍通電方式）三相單三拍通電方式 A-B-C-A，步距角步距角30度度 （2）三相雙三拍通電方式）三相雙三拍通電方式 AB-BC-CA-AB ，步距角步距角30度度 （3）三相六拍通電方式）三相六拍通電方式 A-AB-B-BC-C-CA-A 步距角步距角15度度步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的步距角越小步距角越小，意味著它所能達(dá)到，意味著它所能達(dá)到的的位置精度越高位置精度越高。通常的步矩角是。通常的步矩角是1.5度或度或0.75度；度；為此需要為此需要將轉(zhuǎn)子做

25、成多極式將轉(zhuǎn)子做成多極式的，并在的，并在定子磁定子磁極上制成小齒極上制成小齒步距角的大小與步距角的大小與通電方式和轉(zhuǎn)子齒數(shù)有關(guān)通電方式和轉(zhuǎn)子齒數(shù)有關(guān)，其大小可用下式計(jì)算其大小可用下式計(jì)算 a360（zm） 式中式中 z轉(zhuǎn)子齒數(shù)，轉(zhuǎn)子齒數(shù)，mKN (N為電機(jī)的為電機(jī)的相數(shù)，單拍時(shí)相數(shù)，單拍時(shí)K1，雙拍時(shí)，雙拍時(shí)K3)。(1)分辨力分辨力在一個(gè)電脈沖作用下在一個(gè)電脈沖作用下(即一拍即一拍)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移，即步距角角位移，即步距角 。 越小，分辨力越高。最越小，分辨力越高。最常用的有常用的有0.61.2、0.751.5、0.91.8、12、1.53等。等。(2)(2)靜態(tài)待性

26、靜態(tài)待性( (穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的特性穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的特性) ) 靜轉(zhuǎn)矩靜轉(zhuǎn)矩 矩矩- -角待性角待性 靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)(2)(2)靜態(tài)特性靜態(tài)特性( (穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的特性穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的特性) )(3)(3)動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)步進(jìn)電機(jī)在拍數(shù)越多的運(yùn)行方式下，其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定步進(jìn)電機(jī)在拍數(shù)越多的運(yùn)行方式下，其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)就越接近于靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)，裕量角也就越大，在區(qū)就越接近于靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)，裕量角也就越大，在運(yùn)行中也就越不易丟步。運(yùn)行中也就越不易丟步。(3)(3)動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩起動(dòng)轉(zhuǎn)矩TqTq它表示步進(jìn)電機(jī)單相勵(lì)磁時(shí)所能帶動(dòng)的極限負(fù)載轉(zhuǎn)矩。起動(dòng)它表示步進(jìn)電機(jī)單相勵(lì)磁時(shí)所能帶動(dòng)的極限負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

27、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩通常與步進(jìn)電機(jī)相數(shù)和通電方式有關(guān)，如表轉(zhuǎn)矩通常與步進(jìn)電機(jī)相數(shù)和通電方式有關(guān)，如表3 37 7。(3)(3)動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 最高連續(xù)運(yùn)行頻率及矩最高連續(xù)運(yùn)行頻率及矩- -頻特性頻特性4步進(jìn)電機(jī)在連續(xù)運(yùn)行時(shí)所能接受的最高控步進(jìn)電機(jī)在連續(xù)運(yùn)行時(shí)所能接受的最高控制頻率被稱為制頻率被稱為最高運(yùn)行頻率最高運(yùn)行頻率，以，以fmax表示。表示。4電機(jī)在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下，其電磁轉(zhuǎn)矩隨控電機(jī)在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下，其電磁轉(zhuǎn)矩隨控制頻率的升高而逐步下降。這種轉(zhuǎn)矩與控制頻率的升高而逐步下降。這種轉(zhuǎn)矩與控制頻率之間的變化關(guān)系稱為制頻率之間的變化關(guān)系稱為矩矩- -頻特性。頻特性。4在不同控制頻率下電機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為在

28、不同控制頻率下電機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。(3)(3)動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性空載起動(dòng)頻率與慣空載起動(dòng)頻率與慣- -頻特性頻特性4在空載狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)能夠不失在空載狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)能夠不失步地起動(dòng)時(shí)的最大控制頻率稱為步地起動(dòng)時(shí)的最大控制頻率稱為空載起動(dòng)空載起動(dòng)頻率。頻率。4當(dāng)帶載起動(dòng)時(shí)，所允許的起跳控制頻率會(huì)當(dāng)帶載起動(dòng)時(shí)，所允許的起跳控制頻率會(huì)大大下降。大大下降。4帶動(dòng)慣性負(fù)載時(shí)的起跳頻率與負(fù)載慣量之帶動(dòng)慣性負(fù)載時(shí)的起跳頻率與負(fù)載慣量之間的關(guān)系稱間的關(guān)系稱慣慣- -頻特性。頻特性。(4)(4)型號(hào)表示方法型號(hào)表示方法n步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性與配套使用的驅(qū)動(dòng)電源有密切關(guān)系。步進(jìn)電機(jī)的

29、運(yùn)行特性與配套使用的驅(qū)動(dòng)電源有密切關(guān)系。n驅(qū)動(dòng)電源由脈沖分配器、功率放大器組成，驅(qū)動(dòng)電源由脈沖分配器、功率放大器組成，n控制輸入電脈沖的數(shù)量和頻率就可精確控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角和控制輸入電脈沖的數(shù)量和頻率就可精確控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角和速度。速度。(1)(1)環(huán)形脈沖分配器環(huán)形脈沖分配器 方法有三種方法有三種4方法一方法一：采用計(jì)算機(jī)軟件利用查表或計(jì)算方法來：采用計(jì)算機(jī)軟件利用查表或計(jì)算方法來進(jìn)行脈沖的環(huán)形分配，簡(jiǎn)稱軟環(huán)分。進(jìn)行脈沖的環(huán)形分配，簡(jiǎn)稱軟環(huán)分。方法二方法二：是采用小規(guī)模集成電路搭接而成的三相六：是采用小規(guī)模集成電路搭接而成的三相六拍環(huán)形脈沖分配器拍環(huán)形脈沖分配器。方法三方法三：采用專用環(huán)形分配

30、器器件。如市售：采用專用環(huán)形分配器器件。如市售的的CH250CH250即為一種三相步進(jìn)電機(jī)專用環(huán)形分即為一種三相步進(jìn)電機(jī)專用環(huán)形分配器。它可以實(shí)現(xiàn)三相步進(jìn)電機(jī)的各種環(huán)形配器。它可以實(shí)現(xiàn)三相步進(jìn)電機(jī)的各種環(huán)形分配，使用方便、接口簡(jiǎn)單。分配，使用方便、接口簡(jiǎn)單。(2)(2)功率放大器功率放大器n從計(jì)算機(jī)輸出口或從環(huán)形分配器輸出的信號(hào)脈沖電流一般從計(jì)算機(jī)輸出口或從環(huán)形分配器輸出的信號(hào)脈沖電流一般只有幾個(gè)毫安，不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，必須只有幾個(gè)毫安，不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，必須采用功率放采用功率放大器將脈沖電流進(jìn)行放大，使其增大到幾至十幾安培大器將脈沖電流進(jìn)行放大，使其增大到幾至十幾安培，從，從而驅(qū)動(dòng)步

31、進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。n為使電流盡快衰減，并釋放反電動(dòng)勢(shì)，必須為使電流盡快衰減，并釋放反電動(dòng)勢(shì)，必須增加適當(dāng)?shù)睦m(xù)增加適當(dāng)?shù)睦m(xù)流電路流電路。n步進(jìn)電機(jī)功率放大器類型步進(jìn)電機(jī)功率放大器類型功率放大電路功率放大電路電壓型電壓型電流型電流型有恒流驅(qū)動(dòng)有恒流驅(qū)動(dòng)單電壓型單電壓型雙電壓型雙電壓型斬波驅(qū)動(dòng)斬波驅(qū)動(dòng)n單電壓功率放大電路單電壓功率放大電路n單電壓功率放大電路單電壓功率放大電路n單電壓功率放大電路單電壓功率放大電路n單電壓功率放大電路單電壓功率放大電路n幾點(diǎn)說明幾點(diǎn)說明H電路中與繞組并聯(lián)的二極管分別起續(xù)流作用，即在功放管電路中與繞組并聯(lián)的二極管分別起續(xù)流作用，即在功放管截止時(shí)，使儲(chǔ)存在繞

32、組中的能量通過二極管形成續(xù)流回路截止時(shí)，使儲(chǔ)存在繞組中的能量通過二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護(hù)功放管。泄放，從而保護(hù)功放管。H與繞組與繞組W W串聯(lián)的電阻串聯(lián)的電阻R R為限流電阻，限制通過繞組的電流超為限流電阻，限制通過繞組的電流超過其額定值，以免電機(jī)發(fā)熱厲害甚至被燒壞。阻值一般在過其額定值，以免電機(jī)發(fā)熱厲害甚至被燒壞。阻值一般在5 52020歐姆范圍內(nèi)選取。歐姆范圍內(nèi)選取。H電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。HR R串在大電流回路中，要消耗能量，使放大器功率降低。串在大電流回路中，要消耗能量，使放大器功率降低。H由于繞組電感由于繞組電感L L較大，電路對(duì)脈沖電流的反應(yīng)較饅，因此，較大，電路對(duì)脈

33、沖電流的反應(yīng)較饅，因此，輸出脈沖波形差、輸出功率低。輸出脈沖波形差、輸出功率低。H這種放大器主要用于對(duì)速度要求不高的小型步進(jìn)電機(jī)這種放大器主要用于對(duì)速度要求不高的小型步進(jìn)電機(jī)。n高低壓功率放大電路高低壓功率放大電路n高低壓功率放大電路高低壓功率放大電路n高低壓功率放大電路高低壓功率放大電路n特點(diǎn)特點(diǎn)H高低壓功率放大電路由于僅在脈沖開始的一瞬高低壓功率放大電路由于僅在脈沖開始的一瞬間接通高壓電源，其余的時(shí)間均由低壓供電，間接通高壓電源，其余的時(shí)間均由低壓供電，故效率很高，故效率很高，H由于電流上升率高，故高速運(yùn)行性能好，由于電流上升率高，故高速運(yùn)行性能好，H由于電流波形陡，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生過沖，故諧

34、波由于電流波形陡，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生過沖，故諧波成分豐富，電機(jī)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)較大尤其在低速成分豐富，電機(jī)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)較大尤其在低速運(yùn)行時(shí)）。運(yùn)行時(shí)）。n高低壓功率放大電路（采用單穩(wěn)觸發(fā)器）高低壓功率放大電路（采用單穩(wěn)觸發(fā)器）n恒流源功率放大電路恒流源功率放大電路n恒流源功率放大電路恒流源功率放大電路n恒流源功率放大電路恒流源功率放大電路n恒流源功率放大電路特點(diǎn)恒流源功率放大電路特點(diǎn)H是在較低的電壓上，有一定的上升率因而可用在較是在較低的電壓上，有一定的上升率因而可用在較高頻率的驅(qū)動(dòng)上。高頻率的驅(qū)動(dòng)上。H由于電源電壓較低，功耗將減小，效率有所提高。由于電源電壓較低，功耗將減小，效率有所提高。H由于恒流源管工

35、作在放大區(qū)，管壓降較大，功耗很大由于恒流源管工作在放大區(qū)，管壓降較大，功耗很大，故必須注意對(duì)恒流源管采用較大的散熱片散熱。，故必須注意對(duì)恒流源管采用較大的散熱片散熱。n斬波恒流功率放大電路斬波恒流功率放大電路nVF1、VF2為開關(guān)管。為開關(guān)管。nT為為VFl的驅(qū)動(dòng)管。的驅(qū)動(dòng)管。nCP為比較器。為比較器。nD1,D2兩極反相驅(qū)動(dòng)器，兩極反相驅(qū)動(dòng)器，nY與非門。與非門。n斬波恒流功率放大電路斬波恒流功率放大電路H該電路由于去掉了限流電阻，效率顯著提高。該電路由于去掉了限流電阻，效率顯著提高。H利用高壓給利用高壓給W W儲(chǔ)能，波形的前沿得到了改善，可儲(chǔ)能，波形的前沿得到了改善，可使步進(jìn)電機(jī)的輸出加大

36、，運(yùn)行頻率得以提高。使步進(jìn)電機(jī)的輸出加大，運(yùn)行頻率得以提高。n調(diào)頻調(diào)壓功放電路調(diào)頻調(diào)壓功放電路H前述的各種功放電路都是為前述的各種功放電路都是為保證繞組電流有較好保證繞組電流有較好的上升沿和幅值的上升沿和幅值而設(shè)計(jì)的，從而有效地提高了步而設(shè)計(jì)的，從而有效地提高了步進(jìn)電機(jī)的工作頻率。進(jìn)電機(jī)的工作頻率。H但在低頻運(yùn)行時(shí)，會(huì)給繞組中注入過多的能量則但在低頻運(yùn)行時(shí)，會(huì)給繞組中注入過多的能量則引起電機(jī)的低頻振蕩和噪聲。為解決此問題，使引起電機(jī)的低頻振蕩和噪聲。為解決此問題，使產(chǎn)生了調(diào)頻調(diào)壓功放電路。產(chǎn)生了調(diào)頻調(diào)壓功放電路。H基本原理是當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)，供電電壓基本原理是當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)，供電

37、電壓降低，當(dāng)運(yùn)行在高頻段時(shí)，供電電壓也升高降低，當(dāng)運(yùn)行在高頻段時(shí)，供電電壓也升高。n調(diào)頻調(diào)壓功放電路調(diào)頻調(diào)壓功放電路n上述各種功率放大電路都是安裝環(huán)形分配器決定的分配方式，步上述各種功率放大電路都是安裝環(huán)形分配器決定的分配方式，步距角的大小只有兩種，即距角的大小只有兩種，即整步工作或半步工作整步工作或半步工作。步距角已由步進(jìn)。步距角已由步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)所確定。電機(jī)結(jié)構(gòu)所確定。n如果要求步進(jìn)電機(jī)有更小的步距角或者為減小電機(jī)振動(dòng)、噪聲等如果要求步進(jìn)電機(jī)有更小的步距角或者為減小電機(jī)振動(dòng)、噪聲等原因，可以在每次輸入脈沖切換時(shí)，不是將繞組電流全部通入或原因，可以在每次輸入脈沖切換時(shí)，不是將繞組電流全部通入或切除，而是只改變相應(yīng)繞組中額定的一部分，則電機(jī)轉(zhuǎn)子的每步切除，而是只改變相應(yīng)繞組中額定的一部分，則電機(jī)轉(zhuǎn)子的每步運(yùn)動(dòng)也只有步距角的一部分。運(yùn)動(dòng)也只有步距角的一部分。n將一個(gè)步距角細(xì)分成若干步的驅(qū)動(dòng)方法稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng)將一個(gè)步距角細(xì)分成若干步的驅(qū)動(dòng)方法稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng)。n細(xì)分驅(qū)動(dòng)的細(xì)