机电一体化概论

两相鼠笼式异步伺服电动机，在励磁绕组U1U2 回路中串接 一个适当的电容C，调节电容C的大小使 和 相位差为 ，假设 超前
超前 为90°
在电机气隙中会产生顺时针方
U1U2、V1V2绕组轴线垂直为90° 向旋转磁场
旋转磁场转动
切割转子鼠笼铜条绕组
在绕组中产生感应电动势
。
形成转子电流
电流与磁场相互作用产生转矩
A相绕组通电， 定子AA` 与转子齿2、4相对
定子绕组如此的反复通入电 脉冲，转子就一步一步的逆时针 转动。
① 步距角：转子每前进一步转过的角度。
在一个通电循环内，改变三次通电方式，转子 前进了三步，转过 ，刚好转过一个转子齿距角。
② 齿距角：转子前进一个齿所对应的角度。
思考题 如何实现步进电动机的反转？
改变步进电动机的绕组通电顺序
4. 驱动单元 加到步进电机控制绕组上的电脉冲信号，是通过步进 电机的驱动单元提供的。
由计算机等控制器发出脉冲指令，送至变频信号源，由变频 信号源输出具有一定频率的脉冲串，脉冲串经环形脉冲分配器 按一定规律分配给三相电路，且保持三相脉冲间存在一定的相 位差，再经功率放大器将脉冲进行功率放大，从而驱动三相步 进电机动作。
打印头移动开环控制系统
闭环控制系统
操作者设定空调温度，此温度设定值与温度传感器检测到 的室温值相比较，产生的偏差值送至控制板处理，控制板发出 控制指令，驱动变频制冷压缩机中的直流无刷伺服电动机工作 ，从而使制冷压缩机启动，调节空调房间的室温。温度传感器 再次检测空调房间的室温，当室温基本达到预设值时，控制器 发出命令，使制冷压缩机停止工作。
，
当发送机输入的转子偏转机械角度为 ，接收机根据电磁感应现象使
转子偏转的机械角度为 ，此时接收机转子绕组产生交流感应电动势
， 经相敏放大器处理后转换成直流电压，再通过校正和功率放大，来驱
动直流伺服电动机，使直流伺服电动机带动接收机偏转，从而使 值逐渐
接近 ，直到
，这样就实现了位置系统的精确跟踪。
基本类型
三相反应式步进电动机为例：
定子由六个凸极组成，在相对的凸极上套有一相 能产生磁场的绕组，三相绕组的首端轮流接收电脉 冲信号，尾端连在一起；转子铁心上冲槽，不装有 绕组。
三相反应式步进电动机为例：
定子由六个凸极组成，在相对的凸极上套有一相 能产生磁场的绕组，三相绕组的首端轮流接收电脉 冲信号，尾端连在一起；转子铁心上冲槽，不装有 绕组。
变频空调温度闭环控制系统
3. 伺服与驱动单元的工作要求
在工作时应满足如下要求： （1）精度高 （2）惯量小 （3）稳定性好
4. 伺服与驱动单元的发展方向
发展方向主要为： （1）技术性能向高精度、高速度、智能化方向发展。 （2）单元规模将向高集成、体积小方向发展。 （3）控制信号将向数字化方向发展。
机电一体化概论
2.2 伺服与驱动单元
2.2.1 伺服与驱动单元基础 2.2.2 步进电机 2.2.3 伺服电机
2.2.1 伺服与驱动单元基础
伺服与驱动单元是将输入的其他形式能量转换成机
械能的装置，可以根据单元输入的控制指令，产生相 应的机械运动。
特点 ： 性能稳定
动作灵敏 控制精度高
雷达天线自动瞄准跟踪控制系统
本
机
串励
类 型
无刷直流伺服电
动机
无槽直流伺服电
按低惯量构成结 动机
基本结构与工作原理基本结构与工作原理
以永磁式直流伺服电动机为例。 伺服电机由定子和转子两部分构成。 定子部分是指电机中固定不动的部分，包括永久磁 铁（N极、S极）、电刷装置（A、B电刷）、机座、端 盖等。 转子部分是指电机中能够转动的部分，包括转子铁 心、转子绕组、换向器、轴、轴承等。为减小转动惯 量，将转子铁心做得细长些。
（4）调速范围大，调速平滑性好。
2. 基本结构
三相反应式步进电动机为例： 定子由六个凸极组成，在相对的凸极上套有一相 能产生磁场的绕组，三相绕组的首端轮流接收电脉 冲信号，尾端连在一起；转子铁心上冲槽，不装有 绕组。
定子
转子
三相反应式步进电动机为例：
定子由六个凸极组成，在相对的凸极上套有一相 能产生磁场的绕组，三相绕组的首端轮流接收电脉 冲信号，尾端连在一起；转子铁心上冲槽，不装有 绕组。
（2）步距值不受外界干扰因素影响。步进电机的 输出角位移与脉冲数成正比；单位时间内输入 的脉冲个数越多，脉冲频率越高，转过的角度 累积值越大，转速越快，电机转速与脉冲频率 成正比。
（3）步距误差不长期积累。步进电机每转一步所转 过的实际步距值与理论步距值间会有一些误差。 随步数增加，总会有一定的误差累积，但每转 一圈的累积误差却为零。
转子以小于旋转磁场的转速转动。
思考题
若将控制电压信号Uc撤掉，两相异步伺服电
动机能否停止转动 ？
不能停止转动。 此现象称为“自转”。此时异步伺服电动机就不受控制信号的 控制，所以必须消除“自转”现象。方法是增大转子导条的电阻 值。
驱动方法
将电源电压 经90°分相电路分解成控制电压 和励磁 电压 ，且保持两者相位差为90°，将 送给定子励磁绕组 ，同时将 送至交流调压器改变其幅值大小，然后提供给定子 控制绕组，从而调节交流伺服电机的幅值驱动。驱动单元由 90°分相电路和交流调压器构成。
直流电流经换向片、电刷 流入绕组abcd
载流导体在N、S极形成磁场中受到电磁力作用 N极下导体ab所受作用力F 方向向左
根据左手定则判断 S极下导体cd所受作用力F 方向向右
绕组abcd逆时针方向转动
换向片转动
绕组abcd的电流方向改变 转子沿同一方向转动
带动控制对象旋转
思考题
若将控制电压信号Uc撤掉，直流伺服电动机
3. 工作原理 三相反应式步进电动机，通电方式为三相单三拍 A-Leabharlann Baidu-C-A，其工作过程如下：
当A相断电，只有B相绕 组通入电脉冲时，在绕组上 也产生电磁力，在电磁力作 用下，转子齿2、4被吸引， 从而逆时针方向转过一个角 度，与定子凸极B`B相对。
B相绕组通电， 定子BB` 与转子齿4、2相对
3. 工作原理 三相反应式步进电动机，通电方式为三相单三拍 A-B-C-A，其工作过程如下：
高 输出恒力矩
信号 （全数字式） （额定转速内）
强
闭环 控制
步进电 电脉冲
机
信号
低
输出力矩随 转速升高而
下降
弱
开环 控制
伺服电机按所接电流种类的不同，可 分为直流伺服电动机和交流伺服电动机 两种类型。
伺服电动机与普通直流、交流电动机相比，除 具有转子惯性小、响应快、过载能力强、可靠性好 等特点之外，其最大特点是输出转矩和转速变化 由控制电压信号控制，即：
（3）伺服元件
将输入的各种形式能量转换成机械能，以带 动系统产生机械动作。在机电一体化系统中，常 采用直流伺服电动机、交流伺服电动机和步进电 动机作为伺服元件 。
2. 伺服与驱动单元分类
（1）按系统输入能源不同： 可分为电气、液压和气动三种类型
电气伺服与驱动单元
将电气系统中的电磁 能转换成机械能的一种能 量转换装置，由直流伺服 电动机、步进电动机、交 流伺服电动机等伺服元件 构成。
2.2.2 步进电机
步进电机是一种机电执行元件，其作用是将 电脉
冲信号转换成相应角位移或直线位移信号。当输入一 个电脉冲信号时，步进电机就转过一个角度，脉冲依 次地输入，电机就一步步地转动。由于步进电机输入 的是电脉冲信号，所以又称为脉冲电动机。
反应式步进电动机
混合式步进电动机
1. 特点
（1）由于输入信号的特殊性，使其易于与计算机 通信，可直接实现数字控制。
2.交流伺服电动机
交流伺服电动机将输入的交流电压信号转 换成轴上的转速或转角信号。
同步伺服电动机 按转速是否变化 异步伺服电动机
鼠笼式伺服电动机（形状上像装老鼠的
按转子结构
笼子） 空心杯形伺服电动机（形状上像喝水的 杯子）
基本结构与工作原理
以两相鼠笼式异步伺服电动机为例，由定子和转子构成。 定子主要由定子铁心和嵌放在铁心中的两个空间轴线相互垂直 的绕组 、 组成；转子主要由转子铁心和转子鼠笼铜条绕组 组、 成。为了使电机的转动惯量小，响应灵敏，通常将转子做得细 长。
液压伺服与驱动单元 将液压系统中的压力能转换成机械能的一种 能量转换装置，其包括液压马达和液压缸等伺服 元件。
气动伺服与驱动单元
将压缩空气的压力能转换成机械能的一种能量 转换装置，其包括气缸和气动马达等伺服元件。
（2）按系统控制方式不同，分为开环控制系统和 闭环控制系统。
开环控制系统
当操作者在计算机中给出打印指令，即输入控制信号，打印 机的字车步进电机驱动电路工作，驱动字车步进电机，使载有打 印头的字车移动到需要打印位置，并通过打印头电磁铁的吸合或 释放来控制打印针击打色带，从而完成文件打印。
5. 应用领域与实例
数控钻床
制袋机
教学机器人
应用实例: 应用二维绘图仪在绘图纸上绘制出一个“好”字。
首先在计算机的编程软件中编写一段程序，下载存入 驱动卡的单片机中，使其发出变频脉冲信号，送至驱 动单元，驱动 轴、 轴的步进电机动作，从而带动绘 图工作台与绘图笔相对移动，这样在绘图纸上“好”字 就勾勒出来。
三相反应式步进电动机为例：
定子由六个凸极组成，在相对的凸极上套有一相 能产生磁场的绕组，三相绕组的首端轮流接收电脉 冲信号，尾端连在一起；转子铁心上冲槽，不装有 绕组。
3. 工作原理 三相反应式步进电动机，通电方式为三相单三拍 A-B-C-A，其工作过程如下：
当只有A相绕组通入电脉冲 时，在绕组周围会产生磁场， 载流导体在磁场中产生电磁力 ，在电磁力作用下，转子齿1、 3被吸引，从而转过一个角度， 与定子凸极相对，即定子凸极 AA`与转子齿1、3相对。
（1）控制电压信号的有 或无
（2）控制电压信号的极 性 （3）控制电压信号的大 小
控制 控制 控制
伺服电机的启动或停 止
伺服电机的转向
伺服电机的转速大小
1. 直流伺服电动机
直流伺服电动机将输入的直流电压信号转 换成轴上的转速或转角信号。
永磁直流伺服电动机
按传统的励磁方
他励
基
式
电磁直流伺服电动 并励
简化的电机结构：N、S永久磁铁作磁极，转子铁心省略
未画，在铁心槽里嵌放转子绕组，假设转子绕组只有一匝线 圈abcd构成。将转子绕组的首尾两端分别焊在两个半圆形的 铜质换向片上，在换向片上下分别安置两个静止不动的电刷A 和B，电刷与换向片是摩擦接触的。在电刷A、B间连接控制 电压信号
当电刷A接电源 +极 电刷B接电源 -极
能否停止转动 ？
Uc撤掉 无电流I 无力F 停转
驱动方法
将直流控制信号直接进行电压和功率放大，驱动直流伺服电动机。
通常直流伺服电动机采用专门的驱动模块，例如用L165集成 电路构成直流伺服放大器。
应用领域与实例
直流位置伺服控制系统，由自整角机、相敏放大器、校正装 置、功率放大器、直流伺服电机等元件组成。
1. 伺服与驱动单元组成
伺服与驱动单元基本组成
（1）控制元件
系统反馈信号与给定的输入信号和指令进行比 较，将得到的偏差信号送给驱动元件处理，一般由 电子电路或微处理器构成。
（2）驱动元件
将控制元件的输出信号进行变换和放大，以驱动 伺服元件工作，是单元正常运行的前提和保证。在机 电一体化系统中，常采用各种电力电子器件构成驱动 电路。
3. 工作原理 三相反应式步进电动机，通电方式为三相单三拍 A-B-C-A，其工作过程如下：
当只有A相绕组通入电脉冲 时，在绕组周围会产生磁场， 载流导体在磁场中产生电磁力 ，在电磁力作用下，转子齿1、 3被吸引，从而转过一个角度， 与定子凸极相对，即定子凸极 AA`与转子齿1、3相对。
A相绕组通电， 定子AA` 与转子齿1、3相对
当B相断电，只有C相绕组 通入电脉冲，在绕组电磁力作 用下，转子齿3、1被吸引，从 而逆时针方向转过一个角度， 与定子凸极CC`相对。
C相绕组通电， 定子CC` 与转子齿3、1相对
三相反应式步进电动机，通电方式为三相单三拍 A-B-C-A，其工作过程如下：
当C相断电，A相绕组又重 新通入电脉冲时，在电磁力作 用下，转子齿2、4被吸引，从 而逆时针方向转过一个角度， 与定子凸极AA`相对。
二维绘图仪伺服与驱动单元实物图
2.2.3 伺服电机
伺服电机是一种机电执行元件，其作用是将输入
的电压信号转换成轴上的转速信号或转角信号， 从而带动控制对象动作。
SZ系列直流伺服电机
BL(3)系列交流伺服电机
伺服电机与步进电机性能比较
伺服电 机
控制方 式
控制精度
矩频特性
过 载 运行 能 性能 力
连续电 压