执行元件与驱动系统.ppt

华北电力大学Friday,August 18,2023,机电一体化系统设计,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统对其要求；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；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。,第3章 执行元件与驱动系统,3.1 执行元件的种类、特点及基本要求,执行元件是机电一体化系统(或产品)必不可少的驱动部件，如数控机床的主轴转动、工作台的进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。执行元件处于机电一体化系统的机械运行机构与微电子控制装置的接点（联接）部位的能量转换元件。它能在微电子装置的控制下，将输入的各种形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品生产，故在设计机电一体化系统时，可作为标准件选用、外购。,一、执行元件的作用,1.作用：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，它在机电一体化系统中所处的位置参见下图。,二、执行元件的种类及特点,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。(1)电气(磁)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。电动执行装置由于能源容易获得，使用方便，所以得到了广泛的应用。(2)液压式：是先将电能变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。(3)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，如使用双金属片、形状记忆合金或压电元件。,执行元件的种类,三、对执行元件的基本要求,（1）惯量小，动力大。表征执行元件惯量的性能指标：m(直线运动）、转动惯量J（回转运动）表征输出动力的性能指标：推力F、转矩T、功率P对直线运动：a=F/m；对回转运动：P=T，=T/J。即加速度a与角加速度表征了执行元件的加速性能。比功率：表征动力大小的综合指标，包含功率、加速性能与转速三种因素，即比功率P/=T2/J（2）体积小，重量轻:用功率密度或比功率密度来评价 功率密度P/G；比功率密度(T2/J)/G，其中G为执行元件重量。（3）安装方便、便于维修维护。最好不要维修，无刷DC及AC伺服电机走向无维修（4）易于实现自动化控制：主流是电气式。其次是液压式和气压式(在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节)。内燃机定位运动的微机控制较难，故通常仅被用于交通运输机械。,3.2 步进电动机的驱动控制,一、步进电动机的特点与种类 1.步进电动机的特点 步进电动机又称脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。输入一个电脉冲就转动一步，即每当电动机绕组接受一个电脉冲，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、频率以及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向，很容易用微机实现数字控制。,一、步进电动机的特点与种类,步进电动机具有以下特点：步进电动机的工作状态不易受各种干扰因素的影响(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，只要在它们的大小未引起步进电动机产生“丢步”现象之前，就不影响其正常工作；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；控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”。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。因此，步进电动机被广泛应用于开环控制的机电一体化系统，使系统简化，并可靠地获得较高的位置精度。,步进电动机与DC和AC伺服电动机相比其转矩、效率、精度、高速性比较差，但步进电动机具有低速时转矩大、速度控制比较简单、外形尺寸小等优点，所以在办公室自动化方面的打印机、绘图机、复印机等机电一体化产品中得到广泛使用，在工厂自动化方面也可代替低档的DC伺服电动机。,一、步进电动机的特点与种类,2、开环步进伺服系统的工作原理 组成:步进电机 驱动电路,驱动速度：进给脉冲的频率代表了驱动速度；位移量：脉冲的数量代表了位移量；运动方向：步进电机的各相通电顺序来决定；注意：由于开环步进式伺服系统系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制.,2、开环步进伺服系统的工作原理 步进电机接受驱动电路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动.,3.步进电动机的种类,(1)按转矩产生原理分 可变磁阻(VR-Variable Reluctance),也叫反应式步进电动机永磁(PM-Permanent Magnet)型混合(HB-Hybrid)型(2)按输出力矩大小分 伺服式：输出力矩小于1(Nm)只能驱动较小的负载,与液压扭矩放大器配合驱动较大的负载.功率式：输出力矩在550Nm以上，可以直接驱动机床工作台等较大的负载.,(3)按定子数分 单定子式；双定子式；三定子式；多定子式.(4)按各相绕组分布分 径向分相式：电机各相按圆周依次排列;轴向分相式：电机各相按轴向依次排列；(5)按相数分 三相；四相；五相；六相.,3.步进电动机的种类,3.步进电动机的种类,1）可变磁阻(VR-Variable Reluctance)型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转子作步进驱动，故又称反应式步进电动机。其结构原理如图所示。其定子1与转子2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，并由此而得名可变磁型。此类电动机的转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。由于VR型步进电动机的铁心无极性，故不需改变电流极性，多为单极性励磁。,2)永磁(PM-Permanent Magnet)型,PM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轮流通电，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。其结构如图所示。这种电动机由于采用了永久磁铁，即使定子绕组断电也能保持一定转矩，故具有记忆能力，可用做定位驱动。PM型电动机的特点是励磁功率小、效率高、造价低，因此需要量也大。由于转子磁铁的磁化间距受到限制，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)混合(HB-Hybrid)型,该型步进电机不仅具有VR型步进电动机步距角小、响应频率高的优点，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型一般都做成集中绕组的形式，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。HB型的电动机由转子铁心的凸极数和定子的副凸极数决定步距角的大小，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，可使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、(反应式)步进电动机的工作原理,步进电机的内部构造.步进电机驱动器,主要有以下2部分:定子:铁心；绕组.转子.,二、步进电动机的工作原理,下图是一典型的径向三相反应式旋转步进电机结构原理图.,定子:定子上有6个均匀分布的磁极；每个磁极上绕有励磁绕组.两相对的磁极上的绕组串联在一起，构成一相控制绕组.形成三对磁极.,二、步进电动机的工作原理,步进电机可构成A、B、C三相控制绕组.定子的每个磁极正对转子的圆弧面上都均匀分布着5个小齿，齿与槽的宽度相等.,二、步进电动机的工作原理,转子:转子上无绕组，只有均匀分布的40个小齿，大小、间距与定子相同，齿间夹角为9.,二、步进电动机的工作原理,三相定子磁极上的小齿在空间位置上与转子依次错开1/3个齿距，请看上图.当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B相磁极上的小齿刚好超前(或滞后)1/3齿.即3.C相磁极上的小齿超前(或滞后)2/3个齿，即6.,二、步进电动机的工作原理,注意:转子上圆周均匀分布着 40个小齿;定子磁极上的小齿相对 转子小齿在空间位置上 依次错开1/3个齿距，,(1)步进电机的通电方式 通电方法：各相轮流通电.当某一相通电时,其它相必须断电.定子有3种通电方式:每种通电方式都能变换轮回方向.3种通电方式如下:单相轮流通电;双相轮流通电;单、双相轮流通电.单相轮流通电(三相单三拍)顺时针轮回 ABCA 逆时针轮回 ACBA 完成一次通电状态循环,转子走3步,称三拍.故对三相步进电机来说，称此通电方式为三相单三拍.,二、步进电动机的工作原理,双相轮流通电(三相双三拍)顺时针轮回 ABBCCAAB 逆时针轮回 BAACCBBA 完成一次通电状态循环，转子仍走3步，也称三拍，但此时有两相通电.故对三相步进电机来说，称此通电方式为三相双三拍.单、双相轮流通电(三相六拍)顺时针轮回 AABBBCCCAA 逆时针轮回 AACCCBBBAA 完成一次通电状态循环，转子需走6步，称六拍.故对三相步进电机来说，称此通电方式为三相六拍.,二、步进电动机的工作原理,步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理.首先,让我们来看一下一个最简单的步进电机,也就是只有4个齿的步进电机.,二、步进电动机的工作原理,二、步进电机的工作原理,三相单三拍 顺时针转:按顺序 ABCA通电，由于在磁场作用下,转子总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种情况下,转子必然转到图所示位,1、3齿与A、A极对齐.,同理,B相通电时,转子会转过30角，2、4齿与B、B磁极轴线对齐；当C相通电时，转子再转过30角，1、3齿和C、C磁极轴线对齐.,按AB C A 的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步按顺时针转动起来.每一拍转过 30(步距角)，每个通电循环周期(3拍)转过90(一个齿距角).,这种工作方式下,三个绕组轮流通电一次为一个循环周期,一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为,三相单三拍工作方式.,逆时针转:按ACBA顺序通电,首先给A相通电,由于在磁场作用下,转子必然转到右图所示位,1、3齿与A、A极对齐.,二、步进电动机的工作原理,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、步进电动机的工作原理,按ACBA 的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步逆时针转动起来.与顺时针转动相似每一拍转过30(步距角)，每个通电循环周期(3拍)转过90(一个齿距角).,二、步进电动机的工作原理,结论(三相单三拍):三相反应式步进电动机以运行时,每 个循环周期分为3拍.每拍转子转过30（步距角）,一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角).注意:运行不稳定,易失步(切换瞬间,各相都断电而没 有自锁转矩)精度低.与单三拍相比,六拍驱动方式的步进角大.,二、步进电动机的工作原理,三相六拍 按AABBBCCCA的顺序给三相绕组轮流通电.这种方式可以获得更精确的控制特性.A相通电,转子1、3齿与A、A对齐.A、B相同时通电,A、A 磁极拉住1、3齿，B、B 磁极拉住2、4齿，转子转过15，到达右图所示位置.,二、步进电动机的工作原理,B 相通电，转子2、4齿与B、B 对齐,又转过15.B、C相同时通电，C、C 磁极拉住1、3齿，B、B 磁极拉住2、4齿，转子再转过15.,二、步进电动机的工作原理,结论(三相六拍):三相反应式步进电动机以三相六拍运行时,每个 循环周期分为六拍.每拍转子转过15（步距角）,一个通电循环周期(6拍)转子转过90(齿距角).注意:精度高.六拍驱动方式的步进角更小,更适用于 需要精确定位的控制系统中.运行稳定,不易失步(切换时,总有一相保持通电).,二、步进电动机的工作原理,三相双三拍 按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通电.每拍有两相绕组同时通电.原理不在赘述.结论:与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循 环周期也分为三拍.每拍转子转过30(步距角),一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)优点:两相同时通电,力矩大;切换时 两相同时通电,运行平稳,不易失步.,二、步进电动机的工作原理,实际步进电机的工作原理,我们在前面介绍了转子上有40个齿的步进电机的结构.由于其结构比较复杂,为分析方便,我们将转子和定子沿圆周方向展开,可以得到下图.,二、步进电动机的工作原理,当A相绕组通电时，转子的齿与定子A上的齿对齐；当A相断电，B相绕组通电时，转子的齿与定子B上的齿对齐，电机转过3.,当定子绕组按A B C A顺序轮流通电时,三对磁极就依次产生磁场，步进电机就不停的转动.若通电顺序改为A C B A步进电机将沿相反方向转动.结论:对于转子上有40个小齿的三相电机 三相双三拍:定子通电状态改变一次转子转过3.三相六拍:定子通电状态改变一次转子转过1.5.,二、步进电动机的工作原理,(3)工作原理小结 步进电机每次转过一个确定的角度,即步距角；式中：m为相数,k为通电方式系数。m相m拍时(如单相或双相励磁时，k=1；m相2m拍时(如单双相励磁时)，k=2；z为转子齿数.通过改变通电顺序来改变旋转方向；通电状态的变化频率越高，转速就越高.,二、步进电动机的工作原理,步进电动机的通电方式如果步进电动机绕组的每一次通断电操作称为一拍，每拍中只有一相绕组通电，其余绕组断电，则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。如果步进电动机通电循环的每拍中都有两相绕组通电，则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。如果步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通电状态，则这种通电方式称为单双相轮流通电方式。三相步进电动机采用单双相轮流通电方式时，每个通电循环中共有六拍，因而又称为三相六拍通电方式。,3,三相反应式步进电机的三种运行方式：,单三拍时：ABC,ABC,4,双三拍时：,单双拍（即六拍）时：,ABBCCA,ABBCCA,AABBBCCCA,-AABBBCCCA,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工作时，步进电动机的矩频特性（输出转矩与输入脉冲频率的关系）较差，在通电换相过程中，转子状态不稳定，容易失步，因而实际应用中较少采用。图6-14是某三相反应式步进电动机在不同通电方式下工作时的矩频特性曲线。显然，采用单双相轮流通电方式可使步进电动机在各种工作频率下都具有较大的负载能力。,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，则其步距角可通过下式计算：(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；当采用单双相轮流通电方式时，k2。可见，采用单双相轮流通电方式还可使步距角减小一半。步进电机的步距角决定了系统的最小位移，步距角越小，位移的控制精度越高。,步距角：在一个电脉冲作用下（即一拍），电机转子转过的角位移称为步距角。步距角越小，分辨力越高。最常见的步距角有：0.6o/1.2o、0.75o/1.5o、0.90o/1.8o、1o/2o、1.5o/3o等。静态特性：步进电动机的静态特性是指它在稳定状态时的特性，包括静转矩、矩角特性及静态稳定区。,三、步进电动机的运行特性及性能指标,三、步进电动机的运行特性及性能指标,在空载状态下，给步进电动机某相通以直流电流，转子齿的中心线与定子齿的中心线相重合，转子上没有转矩输出，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TL，则转子齿的中心线与定子齿的中心线将错过一个角度e才能重新稳定下来。此时转子上的电磁转距Tj与负载转矩TL相等。该Tj为静态转矩，e为失调角，当e=90o，其静态转矩Tjmax为最大静转矩。静态转矩越大，自锁力矩越大，静态误差就越小。,一般产品说明书中标示的最大静转矩就是指在额定电流下的Tjmax。Tj与e之间的关系大致为一条正弦曲线，该曲线被称做矩角特性曲线。静当失调角e在-到的范围内，若去掉负载转子TL，转子仍能回到初始稳定平衡位置。因此，在-e的区域称为步进电动机的静态稳定区。,三、步进电动机的运行特性及性能指标,动态特性参数：主要指动态稳定区、启动转矩、矩频特性、惯频特性等。动态稳定区：在步进电机从A相转换为B（或AB）相通电，不产生丢步时的稳定工作区域r。从图中可以得出，步进电机工作的拍数越多，稳定工作区域r越接近静态稳定工作区域e，越不容易丢步。起动转矩Tq：两相（A、B）矩角特性之交点Tq表示步进电机单相励磁时所能带动的极限负载转矩，与步进电机的相数和通电方式有关。,三、步进电动机的运行特性及性能指标,(3)空载起动频率及惯-频特性 空载起动频率：步进电机在空载情况下能够正常起动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常起动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，起动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即起动频率较低，然后按一定加速度升到所需要的高频（电机转速从低速升到高速）。否则，步进电机将无法起动，并常伴有啸叫声。,三、步进电动机的运行特性及性能指标,惯-频特性：指步进电动机带动纯惯性负载起动时，起动频率与转动惯量之间的关系。一般讲，随着负载转动惯量的增加，起动频率也会降低。一般来讲，除了惯性负载，还有外负载转矩，则起动频率还会进一步降低。上图所示为某步进电机起动时的惯-频特性曲线，选用步进电动机时，应使实际应用的起动频率与负载转动惯量所对应的运行工作点位于惯-频特性之下，才能保证步进电动机不失步地正常起动。,三、步进电动机的运行特性及性能指标,最高连续运行频率及矩-频特性,最高运行频率：步进电动机在连续运行时所能接受的最高控制频率，用fmax表示。矩-频特性：电动机在连续运行状态下，其电磁转矩随控制脉冲频率的升高而逐步下降，这种转矩与控制频率之间的变化关系称为矩-频特性。在不同控制频率下，电动机所产生的转矩称为动态转矩。,矩频特性：步进电机运行时，输出转矩与输入脉冲频率的关系,高速时，负载能力变差，这是其应用受到限制的原因之一,由图看出：动态转矩随脉冲频率的升高而降低原因：定子控制绕组有一定的电感量，回路有电气时间常数，电感电流变化有一个过渡过程，达不到电流稳态值。,由加减速特性曲线可以看出：启动时速度必须逐渐上升;停止时速度必须逐渐下降.上升和下降的时间不能过短，否则会出现失步和超步现象.,(4)加减速特性f(t)f(t)描述步进电机由静止工作频率静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率 f 与时间t 的关系.,用加速时间常数Ta和Td来描述、衡量步进电机的升速和降速特性.,四、步进电动机的驱动与控制步进电动机的运行特性与配套使用的驱动电源（驱动器）有密切关系。驱动电源由脉冲分配器、功率放大器等组成，如下图所示。驱动电源是将变频信号源(微机或数控装置等)送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动地循环供给电动机各相绕组，以驱动电动机转子正反向旋转。变频信号源是可提供从几赫兹到几万赫兹的频率信号连续可调的脉冲信号发生器。因此，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。,步进电动机的驱动电源组成,步进电机的驱动控制,功率放大器,环形分配器,加减速电路,脉冲混合电路,加减脉冲分配电路,进给脉冲,步进电机绕 阻,1.脉冲混合电路 将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等信号脉冲混合为正向或负向脉冲进给信号2.加减脉冲分配电路 在某向脉冲总数中减去反向位置补偿脉冲数,正向,反向,加,减,送往,3.加减速电路 将单一方向的进给脉冲调整为符合步进电机加减速特性的脉冲，频率的变化要平稳，加减速具有一定的时间常数。4.环形分配器 将来自加减速电路的单一系列进给脉冲转换成控制步进电机定子各相绕阻通、断电的多路电平信号。5.功率放大器 将环形分配器输出的mA级电流进行功率放大，一般由前置放大器和功率放大器组成。,步进电机的驱动控制,（1）环形脉冲分配器 步进电动机在一个脉冲的作用下，转过一个相应的步距角，因此只要控制一定的脉冲数，即可精确控制步进电动机转过的相应的角度。但步进电动机的各绕组必须按一定的顺序通电才能正确工作，使电动机绕组的通断电顺序按输入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：一种是计算机软件分配（软环分），采用查表或计算的方法使计算机的三个输出引脚依次输出满足速度和方向要求的环形分配脉冲信号。这种方法能充分利用计算机软件资源，减少硬件成本，尤其是多相电动机的脉冲分配更能显示出这种分配方法的优点。但由于软件运行会占用计算机的运行时间，因而会使插补运算的总时间增加，从而影响步进电动机的运行速度。,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、移位寄存器法等，它们各有特点，其中常用的是查表法。,第二种是采用小规模集成电路搭接而成的脉冲分配器。第三种是专用的硬件环形分配，采用数字电路搭建或专用的环形分配器件将连续的脉冲信号经电路处理后输出环形脉冲。采用数字电路搭建的环形分配器通常由分立元件（如触发器、逻辑门等）构成，特点是体积大，成本高，可靠性差。专用的环形分配器目前市面上有很多种，如CMOS电路CH250即为三相步进电动机的专用环形分配器。,环形分配器CH250引脚图(a)引脚功能；(b)三相六拍线路图,CH250工作状态,功率放大电路的作用功率放大电路将环形分配器输出的脉冲信号放大，用足够的功率驱动步进电机.从环形分配器来的进给控制信号的电流只有几毫安，而步进电机的定子绕组需要几安培电流.因此，需要对从环形分配器来的信号进行功率放大.每一相绕组需要一个功率放大器.步进电动机所使用的功率放大电路有电压型和电流型。电压型又有单电压型、双电压型(高低压型）。电流型中有恒流驱动、斩波驱动等。,（2）功率放大电路,（2）功率放大电路,常见的步进电动机驱动电路有三种：(1）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，结构简单，成本低，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的小型步进电动机的驱动。(2）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，采用高压和低压两个电源供电。(3）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，并通过对绕组电流的检测，控制功放管的开和关，使电流在控制脉冲持续期间始终保持在规定值上下。这种电路功率大，功耗小，效率高，目前应用最广。,（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芯片进行环形分配，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，步距角的大小只有两种，即整步工作或半步工作。步距角已由步进电动机结构所确定。如果要求步进电动机有更小的步距角，更高的分辨率(即脉冲当量)，或者为减小电动机振动、噪声等原因，可以在每次输入脉冲切换时，只改变相应绕组中额定的一部分，则电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分，转子的每步运行也只有步距角的一部分，绕组电流分成数个台阶，则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若干步的驱动力法，称为细分驱动。细分驱动电路的特点：不改变电动机结构参数的情况下，能使步距角减小，但细分后的齿距角精度不高，且驱动电源的结构也相应复杂。使步进电动机运行平稳，提高均匀性，并能减弱或消除振荡。,（3）细分驱动,采用细分驱动电路的目的：整步运转或半步运转基础上，不改变步进电机结构，提高步进电机的运转、控制精度。细分驱动电路的基本工作原理：对每一控制脉冲，细分使其电流逐步增加达到脉冲的最大电流（Imax），又逐步减少达到脉冲的最小电流，从而可实现高精度运转、控制、分辨，以及提高步进精度。,目前实现细分阶梯波供电的方法有：先放大后叠加，如图a所示。先叠加后放大，如图b所示。,（4）步进电机的微机控制,步进电动机的工作过程一般由控制器控制，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行。简单的控制过程可以用各种逻辑电路来实现，但线路复杂，控制方案难以改变。目前，主要采用单片机作为步进电动机的控制器进行控制，很好地克服了硬件逻辑线路控制器的缺点。,4.1）步进电动机的开环控制,串行控制 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，驱动电源中必须含有环形分配器，其功能框图如图所示,并行控制 用微机系统的数条端口线直接去控制步进电动机各相驱动电路的方法称为并行控制。在驱动电源内，也包含环形分配器，其功能必须由微机系统完成。系统实现脉冲分配器的功能又有两种方法：纯软件方法软、硬件相结方法 并行控制方案的功能框图如图所示,（5）步进电动机速度控制 控制步进电动机的运行速度，实际上就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（频率）：软件延时定时器 软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法实现的，它占用CPU时间。定时器方法是通过设置定时时间常数的方法来实现。,（6）步进电动机的加减速控制 在点位控制过程中，运行速度需要有一个“加速恒速减速低恒速停止”的加减速过程。点位控制的加减速过程如图所示。,点-位控制的加减速过程,五、步进电机参数设计（补充）,1、脉冲当量：步进电机每接受一个脉冲时，工作台走过的位移,单位为 mm/pulse,=,0.0010.0025 精密机床,0.0050.01 数控机床,0.10.15 一般机床,角脉冲当量：就是步距角(/pulse),当通过中间传动装置时，角脉冲当量为：,如下图，步进电机通过丝杠螺母副带动工作台运动时，其脉冲当量为：,Z1,Z2,设计时，先根据运动精度选定，再根据负载确定步进电机的参数，并选定丝杠的导程p,计算出传动比i后，最后设计传动齿轮的各参数等。,2、最大静转矩Tmax与相数、拍数,一般根据 TL（3050%）Tmax选择Tmax其中TL为把负载折合到步进电机轴的负载力矩，若相数、拍数较多，可选0.5，否则选0.3，考虑控制回路的复杂和经济程度，一般取相数较少的。,3、最高运行频率与速度关系,.根据工作台的最高速度vmax选择步进电机最高运行频率fmax,由,得,注意量纲：,vmax(m/min),4、转动惯量与加减速性能,步进电机的加减速性能与转动惯量所产生的惯性力矩有关,惯性力矩：,转动惯量和角加速度越大，步进电机的启动频率越低，加减速性能越差，越容易失步。,通过减小步距角和减小转动惯量改善启动、加减速性能,5、电机负载转矩计算,作用在步进电机轴的总的负载转矩按下式计算：,6、等效转动惯量的计算,其中：,Jm是电机轴自身的转动惯量（Kg.m2）,Jd是系统折算到电机轴的总的转动惯量（Kg.m2）,是电机启动、制动时的角加速度（rad/s2）,F 作用在工作台的摩擦力（N）,FW作用在工作台的外力（N）,伺服系统传动链的总效率（取0.70.85）,丝杠螺母预紧时的传动效率（取0.9）,F0丝杠螺母预紧时的力（N）,P是丝杠螺距（mm）,i是总传动比,基本公式,圆柱体,其中：,Jd的计算,对上图所示的的系统，折算到电机轴的转动惯量Jd由几部分组成：,电机轴的转动惯量Jm,齿轮Z1的转动惯量JZ1,齿轮Z2的转动惯量JZ2和丝杠的转动惯量JS折算到电机轴的转动惯量,工作台折算到电机轴的转动惯量,对于直线移动的工作台，折算到丝杠轴的转动惯量为：,丝杠轴折算到电机轴的转动惯量为：,因此，折算到电机轴的等效转动惯量Jd为：,对于齿轮齿条传动的工作台，折算到驱动轴的转动惯量为：,对于带传动的工作台，折算到驱动轴的转动惯量为：,R为齿轮分度圆半径,为驱动轴的角速度,v为工作台的速度,3.3 直流（DC）与交流（AC）伺服电动机及驱动,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，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。(一).直流伺服电动机原理、特点1、工作原理：直流伺服电动机的结构由永磁体定子、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，因此，必须有电刷和换向器。,2 特点：有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性等优点；由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需要定期维修；在位置控制和速度控制时，必须使用角度传感器来实现闭环控制。,3.3 直流与交流伺服电动机及驱动,1.种类（1）小惯量直流伺服电动机：60年代研制，其电枢无槽，绕组直接粘接固定在电抠铁心上，因而转动惯量小、反应灵敏、动态特性好，适用于高速且负载惯量较小的场合，否则需根据其具体的惯量比设置精密齿轮副才能与负载惯量匹配，增加了成本。（2）直流印刷电枢电动机：是一种盘形伺服电动机，电抠由导电板的切口成形，裸导体的线圈端部起整流子作用，这种空心式高性能伺服电动机大多用于工业机器人、小型NC机床及线切割机床上。（3）大惯量宽调速直流伺服电动机：70年代研制成功。它在结构上采取了一些措施，尽量提高转矩改善动态特性，既具有一般直流电动机的各项优点，又具有小惯量直流电动机的快速响应性能，易与较大的惯性负载匹配，能较好地满足伺服驱动的要求，因此在数控机床、工业机器人等机电一体化产品中得到了广泛应用。,(二)直流伺服电动机种类与选用,2.选用 宽调速直流伺服电动机应根据负载条件来选择。加在电动机轴上的有两种负载，即负载转矩和惯性负载。根据负载情况，所选电机必须能满足下列条件：（1）在整个调速范围内，其负载转矩应在电动机连续额定转矩范围以内；（2）工作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；（4）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)、直流伺服电动机的驱动,直流伺服电动机为直流供电，为调节电动机转速和方向,需要对其直流电压的大小和方向进行控制。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。晶闸管直流驱动（SCR）：主要通过调节触发装置控制晶体、闸管的触发延迟角来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的大小，使直流电动机电枢电压的变化易于平滑调速。由于晶闸管本身的工作原理和电源的特点，导通后是利用交流(50Hz)过零来关闭的，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，从而造成电流的不连续性。采用脉宽调速驱动系统，开关频率高(20003000Hz)，伺服机构能够响应的频带范围也较宽，与晶闸管相比，其输出电流脉动非常小，接近于纯直流。,二、交流(AC)伺服电动机及其驱动,由于直流伺服电动机具有优良的调速性能，因此长期以来，在要求调速性能较高的场合，直流电动机调速系统一直占据主导地位。但直流伺服电动机结构上存在机械整流子、电刷维护困难、造价高、寿命短、应用环境受到限制的缺点。近年来交流驱动技术有了飞速的发展，它具有坚固耐用、经济可靠及动态响应好等优点。因此，交流伺服系统已在很大程度上取代了直流伺服系统。交流伺服电动机包括同步型、感应型两种。,二、交流(AC)伺服电动机及其驱动,在小功率伺服系统中，一般使用永磁式同步电动机，因为它有优良的动态性能，过载能力大等优点。感应型交流伺服电动机结构简单，质量轻，价格低，可用做主轴电机。目前的交流伺服驱动装置一般采用DSP的全数字化控制。对交流伺服电动机的控制以矢量控制为基础。,3.4 控制用电动机性能比较,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装置。由于其可在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确的控制，因而在各种机电一体化系统中得到广泛应用。控制用电动机有回转和直线驱动电动机，通过电压、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、停止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。,伺服系统定义以移动部件的位置和速度 作为控制量的自动控制系统.,伺服系统的作用:接受机电装置发来的进给脉冲指令信号，经过信号变换和电压、功率放大由执行元件(伺服电机)将其转换成角位移或直线位移，驱动运动部件实现加工所需要的运动.,伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变量通常是机械或位置的运动，根本任务是实现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态能够自动、连续、精确地复现输入指令信号的变化规律。,一、伺服系统概念,二、伺服系统的基本组成 由以下4部分组成：控制器；功率驱动装置；检测反馈装置；伺服电机(M).,例：数控机床伺服系统,伺服系统结构图,1、开环伺服系统,(1)组成：步进电机；驱动控制电路(控制器).,1、开环伺服系统,(2)开环伺服系统特点 没有位置和速度反馈回路;设备投资低，调试维修方便;精度差；高速扭矩小.(3)开环伺服系统应用场合 中、低档数控机床;普通机床数控改造.,2、闭环与半闭环伺服系统(1)闭环伺服系统组成示意图,组成：控制器；功率驱动电路；检测反馈装置；伺服电机.,(2)闭环伺服系统的特点 精度高 位置测量没有中间环节，可通过闭环控制消除整个环内传动链的全部累积误差.闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上，检测装置测出实际位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给CNC装置，与指令进行比较，求得差值，依此构成闭环位置控制，直到差值为零.结构复杂、调整困难 由于闭环系统位置环内包含的机械传动部件比较多,因此闭环系统结构复杂、调整困难.,(3)半闭环与闭环伺服系统区别,半闭环位置检测 装置安装位置：注意:半闭环位置检测装置安装位置在滚珠丝杠或电机轴上,而不是工作台上.,半开环系统,(3)半闭环与闭环伺服系统区别,精度较低 传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差没有得到系统的补偿，因而半闭环伺服系统的精度低于闭环系统.调整比较容易(4)半闭环和闭环伺服系统应用场合 注意:半闭环系统应用较多,闭环系统一般只用在精度要求较高的大型数控机床上.,图6-3 伺服电动机控制方式的基本形式,为实现运动、功率/能量、控制运动方式的转换，对伺服控制电动机提出了一些基本要求。（1）性能密度大。即功率密度 Pw=P/G 或比功率密度 Pbw=(T2/J)/G 大。（2）快速性好。即加速转矩大、频响特性好。（3）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音小。（4）能适应频繁启动，可靠性高、寿命长。（5）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基本要求,四、常用电动机的种类、特点及选用,在机电一体化系统中使用两类电动机,一类为动力用电动机,如感应式异步电动机和同步电动机等;另一类为控制用电动机,如力矩电动机、脉冲电动机、开关磁阻电动机、变频调速电动机和各种AC/DC电动机等。不同的应用场合，对控制用电动机性能密度的要求也有所不同。对于起停频率低(如几十次分)，但要求低速平稳和扭矩脉动小，高速运行时振动、噪声小，在整个调速范围内均可稳定运动的机械，如NC工作机械的进给运动、机器人的驱动系统，其功率密度是主要的性能指标；对于起停频率高(如数百次分)，但不特别要求低速平稳性的产品，如高速打印机、绘图机、打孔机、集成电路焊接装置等主要的性能指标是高比功率。在额定输出功率相同的条件下,交流伺服电动机的比功率最高、直流伺服电动机次之、步进电动机最低。,伺服电动机的性能比较,伺服电动机优缺点比较,补充(自学)：伺服系统设计,一、方案设计二、伺服系统