机电一体化系统的执行元件——控制电动机

异步电动机、直流电动机等都是作为动力使用的， 其主要任务是能量的转换。
本章介绍的各种控制电机的主要任务是转换和 传递控制信号，能量的转换是次要的。
控制电机的种类很多，本章只讨论常用的几种: 步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机和直线电动 机。
各种控制电机有各自的控制任务：
如: 步进电动机将脉冲信号转换为角位移或线位移。
通常用执行元件的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率密度来评价执行元件体 积小、重量三轻、。对设伺执服行控元制件电的动重机量的为基G本，要功求率密度＝P/G， 比功为率实密现度运＝动、（功T2率/J/）能/量G、。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。
V、W三相控制绕组，故称三相步进电 动机。转子用硅钢片叠成或用软磁性 材料做成凸极结构，转子上无绕组— 反应式步进电机；若为永久磁铁—永 磁式步进电机。
2、工作原理
当通电顺序为U→V→W→U时，假设U相绕组首 先通电，气隙中产生一个沿U1U2轴线方向的磁场，由于磁 通总是沿着磁阻最小的路径闭合，于是产生磁拉力
三相双三拍运行（每次切换前后有两相绕组通电） 通电顺序： UV 相→VW 相→WU 相。
U1
U1
U1
V2
W2
V2
W2
V2
W2
W1
V1
U2
① UV 相通电
W1
V1
U2
② VW 相通电
W1
V1
U2
③ WU 相通电
※ 步距角： β = 30°
特点：力矩较大，定位精度高而不易失步。
转子每转一周所需的步数也为Nz步。
组轮流通电时，通过电磁力的吸引，步进电动机转子一
二、步进电动机的结构与工作原理
1、结构组成
主要由定子和转子构成，定子包括 定子铁芯和定子绕组。定子铁芯由硅钢 片叠压而成，定子绕组绕在定子铁芯6个 均匀分布的磁极上，在直径方向上相对 的两个磁极上的线圈串联在一起，构成 一相控制绕组。图示的步进电动机构成U、
3、小步距角
步进电机
3、小步距角步进电机
小步距角步进电机定子、转子展开图
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N相（即步进电动机运行的拍数）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：
式中，k是通电方式系数。当采用单相或双相通电方式时，k＝1； 当采用单双相轮流通电方式时，k＝2。可见，采用单双相轮流 通电方式还可使步距角减小一半。
使转子1、3两齿与U相绕组轴线U1U2对齐；然后U相断电， V相通电，气隙中产生一个沿V1V2轴线方向的磁场，产生 磁拉力使转子2、4两齿与V相绕组轴线V1V2对齐；这时转 子顺时针转了30°。随后V相断电，W相通电，根据同样 的道理，转子又顺时针转了30°。若再U相通电，W相断 电，那么转子再顺时针转30°。定子各相轮流通电一
次，转子转一个齿（或一个磁极）。步进电动机定子 绕组按U→V→W→U→V→W→U…依次轮流通电，步进电 动机转子就一步步地按顺时针方向旋转。
三相单三拍运行（每次切换前后只有一相绕组通电，其余 绕组断电）
通电顺序： U 相→V 相→W 相→U 相。
U1
一步
U1
两步
U1
V2
4
1
W2
V2
1
W2
V2
W2
3
2、工作原理
通电顺序为：U→W→V→U→…称为三相单三拍运行。
单： 是指每次只有一相定子的绕组通电；
“一拍”：从定子的一相绕组通电换接到另一相绕 组通电。每一拍转子转过一个步距角。
“三拍”：是指一个循环周期只换接了三次。 如 U→W→V
步进电动机三相单三拍运行时，由于切换时在一相绕 组断电而另一相绕组通电的交替时刻容易造成转子失步， 由单一绕组通电吸引转子也容易造成转子在平衡位置附近 产生振动，故运行稳定性差，所以实际中很少应用三相单 三拍方式。
压放大元件来转动。
2.按定子绕组的对数分为单相、两相、三相、四相、五相、六 相和八相等多种。
第一节 步进电动机及其控制
3.按转子的构成不同分类
（1）可变磁阻式（VR）步进电机：也称反应式步进电机，转 子为导磁体，无绕组。
特点：结构简单，工作可靠，运行频率高，步距角小，但励 磁电流大，断电后无定位转矩。
（4）具有自锁能力，一旦停止输入脉冲，只要维持绕组通 电，即可保持其固定位置。
（5）易于实现与计算机的接口。
基本结构
(1)定子上有6个齿， 其上分别缠有U、
V、W三相绕组，构 成三对磁极；
(2) 转子上则均匀分布
着4个齿。
V2 W1
定子
U1
转子
1
W2
4
2
3
V1
U2 步进电动机采用直流电源供电。当U、V、W三相绕
伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱动控制 对象；
直线电动机是一种将电能直接转换成直线运动机械能， 而不需要任何中间转换机构的传动装置。
第一节 概 述
一、功能： 执行元件是机电一体化系统的重要组成部分，用来 将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工 作。是一种能量变换元件。 机电一体化伺服系统要求执行元件具有转动惯量小， 输出动力大，便于控制，可靠性高和安装维护简便等特点。 二、伺执服行系元统件是的自种动类控制及系特统点的一类，它的输出变量通常是 机械根或据位使置用的能运量动的，它不的同根，本执任行务元是件实现主执要行分机为构电对磁给（定气指 ） 式、令 精的确液准地压确复式现跟和输踪气，入压即指式令实三信现大号输的出类变变型化量，的规如某律图。种所状示态。能够自动、连续、
2、液压式执行元件
液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转 油缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输 出功率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好 等特点。
各种执行元件的特点
3、气压式执行元件
气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外， 与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较 大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差且具 有比可功压率缩表性征，动故力不大能小在的定综位合精性度指要标求。较比高功的率场＝合使 Pε/用ω=。T2/J，P是功率，ω是转速，ε是加速度。
数字电路
流电路、放大电路等）
（TTL,COM
特点：注重电路的输入、
输出大小、相位关系
S等）
特点：注重电路的输入、输出的 逻辑关系
脉冲信号的波形及参数
在数字电路中，信号（电压和电流）是脉冲的。脉冲是一
种跃变信号,并且持续时间短暂。
矩形波 尖顶波
最常见的脉 冲波形
脉冲信号的部分参数：
脉冲周期T:相邻两个上升沿（或下降沿）的脉冲幅度的10％两点 之间的时间间隔。
例如，若z =40，三相单（双）三拍通电方式：
β =3º；
三相六拍通电方式： β =1.5º 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。
电子电路中的信号 模拟信号
时间上连续变化的
数字信号（脉冲信号）
时间和幅度都是跳变的
处理此类信号的 电路
处理此类信号的 电路
模拟电路（如整
电磁式
执
行
液压式
元
件
气动式
电动机
电磁铁及其它
油缸
液压马达 气缸 气压马达
交流(AC)伺服电机 直流(DC)伺服电机
步进电机 其它电机 双金属片
形状记忆合金
其它
与材料有关 常用执行元件的种类
压电原件
各种执行元件的特点
1、电气执行元件
电气执行元件主要是直流（DC）伺服电机、交 流（AC）伺服电机和步进电机。能实现定位伺服， 响应快，易于CPU接口，体积小，动力大，无污染。 对这些伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求 动态性能好，适合于频繁使用，便于维修等。
机电一体化系统的执行元件— —控制电动机
作业
1、以三相步进电机为例，画简图叙述其基 本工作原理。
2、三相步进电机不同通电方式有何特点？ 3、若用单片机控制三相步进电机，试说明 如何实现三相双三拍通电方式的软环分。 4、直流伺服电动机有何优点？其结构特点 是什么 ？ 5、画出直流伺服电机PWM双极性控制的T 形直流调压驱动电路，并叙述其基本原理 。
(3) 三相单－双六拍运行（单、双相通电交替出现）
通电顺序：U→UV →V→VW →W →WU →U。
U1
U1
U1
1
2
V2
4
1
W2
V2
W2
V2
W2
1
3
4

2
2
W1
3
V1
W1
V1
W1
V1
U2
6
U1
※步距角：U2 β = 15°
U1
U2
3
U1
V2
W2
V2
W2
V2
W2
W1
V1 5 W1
V1 4 W1
V1
U2
高电平 用1 表示
低电平 用0 表示
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步进电动机转子转速的计算：
一个步距角β → 转 (1 / zN ) 圈，
脉冲频率为 f → 每秒转 ( f / zN ) 圈。
如果脉冲的频率为 f Hz， β 的单位为度， 则转速（r/min)为：
N－定子绕组的相数（即步进电动机运行的拍数），
N也表示输入的脉冲数目。
结论
♠ 控制输入给步进电机的脉冲数目N可以 控制步进电机的角位移θ。
θ＝Nβ ♠ 控制输入给步进电机的脉冲的频率可以控制 步进电机的转速 。
60 f n= zN
♠ 控制步进电机定子绕组的通电顺序可以控制 步进电机的转动方向 。
四、步进电机的主要性能指标
脉冲频率f:单位时间的脉冲数，f=1/T
0.9A
脉冲幅度 A
脉冲上升沿 tr
脉冲下降沿 tf
脉冲宽度 tp 脉冲周期 T
0.5A
0.1A
tp
tr
A tf
T
实际的矩形波
正脉冲
5V 0V
0V 5V
脉冲信号变化后的电 平值比初始电平值高
脉冲信号的逻 辑状态
负脉冲
5V 0V
0V 5V
脉冲信号变化后的电 平值比初始电平值低
第一节 步进电动机及其控制
步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲 信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉
冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段
距离。
步进电动机的分类
1.按工作方式的不同分为功率式是伺服式两种。
⑴ 功率式：其输出转矩较小，能直接带动较大负载。⑵ 伺服式： 输出转矩较小，只能直接带动较小的负载，对于大负载需通过液
（2）永磁式（PM）步进电机：转子为永久磁铁。 特点：控制功率小，效率高，造价低，断电后有定位转矩，
但步距角大。
（3）混合式（HB-Hybrid）步进电机：转子上置有磁钢，作
用原理及性能相当于永磁式和反应式的结合。 特点：步距角小，工作频率高，控制功率小。但结构复
杂，成本高。
目前以反应式步进电动机应用最多。
三、对伺服控制电动机的基本要求
（2）快速性好 加速度大、响应特性好。 （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）易于与计算机接口，实现计算机控制。
四、常用伺服控制电动机的控制方式
主要有：开环控制、半闭环控制、闭环控制三种。
其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率 越高，转子的转速越高。
（4）角位移量与电脉冲数成正比。
2、步进电机的独特优点
（1）控制性能好，起动、停止、换向及其它任何 运动形式的改变，可在若干个脉冲内完成。
（2）步距角不易受各种干扰因素的影响，抗干扰能 力强。
（3）误差不长期积累，电机每转动一步距角，尽管 存在一定的转角误差，但电机转动360º时，转角累计误 差将归零。
4
2
1
4
2
2
W1
3
V1
W1
3
V1
W1
V1
U2 ① U 相通电
U2 ② V 相通电
U2
③ W 相通电
三步
对于定子为N相、转子有z个齿的步进电机，转子每 转一周所需的步数为Nz
2、工作原理
转子顺时针旋转一步所对应的角度称为步距角β＝ 30°。
电流换接三次，磁场旋转一周，转子转过一个磁距的位置，一
个磁距所对应的角度称为齿距角（4个齿，90度）。若要反向， 通电顺序为：U→W→V→U
U2
U2
步进电动机的转子每转一周所需的步数也为2Nz步。
3、小步距角步进电机
以上讨论的步进电
U1
动机其步距角都比较大，
往往不能满足传动设备
V2
W2
对精度的要求。为了减
小步距角，实际应用中
的步进电动机通常将定
子的每一个磁极分成许
W1
V1
多小齿，转子也由许多
小齿组成。且定子
U2
和转子的齿宽、齿距相等。当U相定子小齿与转子小齿 对正时，V相和W相定子上的齿则处于错开状态，如图 所示，是一种小步距角结构形式的三相反应式步进电动机。
第一节 步进电动机及其控制
一、概述
1、步进电动机简介
步进电动机是一种将电脉冲信号—>角位移的执行元 件, 其特点如下：
（1）步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，它
的转子便转过一个确定的角度，即步距角。
（2）改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋
转方向随之改变。 （3）步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越快，