执行元件的分类及控制用电机的驱动

24
（3）按转子的结构分 可变磁阻（VR）型 永磁（PM）型 混合（HB）型
25
可变磁阻型（VR） 又称为反应式步进电动机；
三相反应式步进电动机断面图 26
特点： 步矩角小 响应速度快 结构简单 效率低 噪声大
27
永磁（PM）型 转子采用永久磁铁
绕组
定子
转子
28
特点：
无励磁时具有保持力，可作定位驱 动；
4）最高连续运行频率 步进电机在连续运行时所能接
受的最高控制频率称为最高运行频 率，以fmax表示；
64
Td(N.m) TL
fmax
f(Hz)
65
5）空载启动频率 在空载状态下，转子从静
止状态能够不失步地启动时的 最大控制频率称为空载启动频 率或突跳频率（fq）。
66
当启动频率较低时：
T A BC
18
二、控制用电机的种类 力矩电动机
开环控制 脉冲电动机 变频调速电动机 速度控制
闭环控制 开关磁阻电动机 各种AC/DC伺服电动机
19
控制用电机按工作原理可分为
旋转磁场型
同步电机 步进电机
旋转电枢型
直流伺服电机 感应电机
交流伺服 电动机
20
3.3 步进电机及其驱动
步进电机是将电脉冲信号转换成 机械角位移 的执行元件。
BC
3 1 1 0 06H
C
4 1 0 0 04H
CA
5 1 0 1 05H
正
A
6 0 0 1 01H
通过读取数据的顺序可控制电动机的转向；
通过控制脉冲的频率可控制电动机的转速。
76
电源
A相驱动
CNC A 装置 B
C
B相驱动 M
C相驱动
软件环分驱动控制
对于三相六拍环形分配器，每当接收到一个进 给脉冲指令，环形分配器软件根据下表所示真值表， 按顺序及方向控制输出接口将A、B、C的值输出即 可。
转矩，使转子转动。
IA A
定子
转子
IC
IB B
C
现以A→B → C → A的通电顺序，使三相绕组轮
流通入直流电流，观察转子的运动情况。
33
1、三相单三拍 “三相”指三相步进电机；“单”
指每次只能一相绕组通电；“三拍” 指通电三次完成一个通电循环。
34
A
B' 1 C'
42
C 3B A'
A相绕组通电，B、C相不 通电。气隙产生以A-A为轴 线的磁场，而磁力线总是力 图从磁阻最小的路径通过， 故电动机转子受到一个反应 转矩，在此转矩的作用下， 转子必然转到左图所示位置： 1、3齿与A、A′极对齐。
特点： 使用方便，接口简单
5
机电一体化系统所用的执行元件主要
是电气式，其次是液压式和气压式。
6
3.2 机电一体化系统常用的控制用电机 机电一体化系统中的控制用电机：
是指能提供正确运动或较复杂 动作的伺服电动机。
7
各种类型控制用电机
8
伺服电机在数控机床上的应用
带制动器伺服电机
刀库刀具定位电机
主轴电机
机械手旋转定位电机
伺服电机
第三章 机电一体化系统执行元件
的选择与设计
1
目录
3.1 执行元件 3.2 机电一体化系统（产品）常用的控制用电机 3.3 步进电动机及其驱动 3.4 直流（DC）伺服电动机及其驱动 3.5 交流（AC）伺服电动机及其驱动
2
3.1 执行元件
一、执行元件的种类及其特点
电磁式
电动机 电磁阀及其它
交流（AC）伺服电动机 直流（DC）伺服电动机
励磁功率小、效率高、造价便宜； 步距角较大；
29
混合（HB）型
30
特点：
步距角小 响应频率高 励磁功率小 效率高
31
二、步进电机工作原理
下面以反应式步进电机为例说明步进 电机的结构和工作原理。
IA A
定子
转子
IC C
IB B
32
由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，
因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻
37
2、三相六拍 按AAB B BC C CA
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。
38
A
B' 1 C'
42
C 3B A'
A
B'
C'
C
B
A'
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，到达左图 所示位置。
定子绕组相数 BF ：反应式 BGY：混合式 BY ：永磁式 电动机外径（mm）
70
反应式步进电机技术性能数据
参数 型号
相数
步距角 (0)
最大静态 空载运行 空载启动
转矩
频率
频率
(Nm) (步/s） (步/s）
110BF003 3
0.75
7.84
7000
1500
110BF004 3
0.75
4.9
1500
43
实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5 度，步距角越小，机加工的精度越高。
为产生小步距角，定、转子都做成多齿的， 图中转子40个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁 极上也有五个齿。
44
步距角计算公式：
3600
其中:
mzk
m 励磁相数
zr 转子齿数 c 通电系数
通电拍数相同时k=1；不同时k=2
74
实现的方法有：
软件环分
硬件环分
1）采用计算机软件利用查表 程序来实现
2）采用小规模集成电路搭接 而成的脉冲分配器
3）采用专用环形分配器器件
75
采用计算机软件利用查表程序来实现
转向 通电状态 脉冲 C B A 代码 转向
A
0 0 0 1 01H 反
AB
1 0 1 1 03H
B
2 0 1 0 02H
23
14
e
电机可不失步的运行
67
启动频率太高
T
A
2
B3
C
14
e
4点落在C相稳定区外，电机将不 能正常启动。
68
6）惯-频特性
步进电机带动惯性负载时的 起跳频率与负载转动惯量之间的 关系为惯-频特性。
一般讲，随着负载转动惯量的增 加，起跳频率也会降低。
69
4、步进电动机技术指标实例
×× ×× ××
39
A
B'
C'
C
B
A'
A
B'
C'
C
B
A'
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。
40
三相反应式步进电动机的一个通 电循环周期如下：AAB B BC C CA，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)。
T
AB C TL
T
e
电机产生的电磁转矩T<负载力矩TL,电 机无法启动。
60
Tq表明步进电机单相励磁所
能带动的极限负载转矩
61
当电机所带负载TL<Tq时，电机 可不失步的启动。
62
3）矩-频特性 转矩与控制频率之间的变化
关系称为矩-频特性。
Td(N.m)
f(Hz)
电动机在连续运行状态下： f T 63
35
A
B'
C'
C
B
A'
A
B'
C'
C
B
A'
同理，B相通电时，转子会转过30角，2、
4齿和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。
36
按AB C A ……的顺序给三相 绕组轮流通电，转子便一步一步转动起 来。每一拍转过30°(步距角)，每个通电 循环周期(3拍)磁场在空间旋转了360°而 转子转过90°(一个齿距角)。
执 液压式 行 元 件
气动式
油缸 液压马达
气缸
步进电机 其它电动机
双金属片
气压马达
形状记忆合金
其它
与材料有关
压电元件
3
执行元件的优缺点
种 类
优点
缺点
操作简便；编程容易；能
电 气 式
实现定位伺服；响应快； 易与CPU相接；体积小，
动力较大，无污染。
瞬时输出功率大；过载 差；易受外部噪声影响。
液 压
输出功率大，速度快，动 设备难于小型化，液压 作平稳，可实现定位伺服； 源或压力油要求严格，
交流伺服电动机
高
直流伺服电动机
比功率
步进电动机
低
15
对于起停频率低，但要求低速平
稳的产品，其功率密度是主要的性
能指标；反之，其主要性能指标是
高比功率。
16
2、快速性好 3、位置控制精度高、调速范围宽、
低速运行平稳无爬行现象、分 辨率高、振动噪声小；
17
4、适应启、停频繁的工作要求； 5、可靠性高、寿命长
77
优点：
充分利用计算机软件资源，降低硬 件成本；对多相电机的脉冲分配具有更 大的优点；
缺点：
易影响电机的运行速度
78
采用小规模集成电路搭接而成的脉冲分配器
79
优点： 灵活性大，可搭接任意相任
意通电顺序的环形分配器，且工 作时不占用计算机的工作时间. 缺点：
可靠性差
80
采用专用环形分配器器件
45
磁极数越多，转子齿数越多，步距角就越小。
五相轴向分相反应式步进电机。
46
电机的转速取决于绕组与电源接通或 断开的变化频率；
慢
快
47
电机的转动方向取决于绕组通电的顺序；
A-C-B-A
A-B-C-A 48
电机转过的角度取决于通电的次数。
49
三、步进电机的运行特性及性能指标
1、分辨率 步距角越小，分辨率越高,
150BF003 5
0.75
15.64
11000
1300
wk.baidu.com
71
四、步进电机的驱动与控制
1、组成
脉冲信号
变
脉
频
冲
信
分
号
配
源 方向 器
功
率 放 大
电 机
器
分配器电源
放大器电源
72
2、变频信号源 将计算机发出的从几赫兹到
几万赫兹的频率信号转变为连续 可调的脉冲信号。
73
3、环形脉冲分配器 作用： 使电机绕组的通电顺序按一定 规律变化
系统的定位精度越高；
常用的步矩角有： 0.750/1.50、 0.90/1.80、 1/20、 0.60/1.20、 1.50/30等
50
2、静态特性 稳定状态时的特性 1）矩角特性 2）静转矩 3）静态稳定区
51
单相通电时的矩角特性
定子
转子
失调角e
力矩T
单相通电时的电磁转矩与失调角之
间的关系称为单相通电时的矩角特性。 52
的运行方式下，其动态稳定区越接近 静态稳定区；裕量角r也越大，在运 行中越不易丢步。
57
2）启动转矩Tq
T AB C
Tq
e
A相与B矩角特性曲线之交点所对应 的转矩Tq称为起动转矩；
58
当负载转矩TL<Tq时：
T AB C
TL
e
电机产生的电磁转矩T>负载力矩TL,电 机可正常起步。
59
当负载转矩TL>Tq时：
运 算 处
输理
入电
路
驱
动
伺服
电
电动机
路
（速度反馈） 速度传感器
（位置反馈）
光栅
13
一、机电一体化系统对控制用电机的基本要求
1、性能密度大
即功率密度和比功率大
功率密度PG
P G
比功率
dp dt
TN
TN2 Jm
其中：TN 电动机的额定转矩
Jm
电动机转子的转动惯量 14
在额定输出功率相同的条件下：
Tj max
54
3、动态特性 系统的动态特性包括：
• 动态稳定区 • 起动转矩 • 矩-频特性 • 最高连续运行频率 • 空载起动频率 • 惯-频特性等
55
1）动态稳定区
AB C
2 3
e
裕量角
步进电动机从A相通电状态切 换到B相通电状态时，不致引起丢 步的区域称为动态稳定区。
56
步进电动机在通电相数越多
单相通电时的矩角特性
T
最大静态转矩
Tjmax
-
0 /2
-/2
e
静态稳定区
静态转矩越大，静态误差就越小 53
提高最大静态转矩可采用多相通电方法
步进电机多相通电时的转矩
电机 相数
3
4
5
6
同时通电 相数
121
2
31
2
3 41 2 3 4 5
合成转矩 1 1 1 1.414 1 1 1.618 1.618 1 1 1.732 2 1.732 1
41
3、 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。
42
A
B'
C'
C
B
A'
A
B'
C'
C
B
A'
A
B'
C'
C
B
A'
AB通电
BC通电
CA通电
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)。
式 易与CPU相接，响应快 易泄漏且有污染。
气源方便，成本低，无泄
气 压 式
漏污染，速度快、操作比 较简单
功率小，体积大，动作 不够平稳；不易小型化， 远距离传输困难，工作 噪声大，难于伺服 4
二、机电一体化系统对执行元件的基本要求 1、惯量小、动力大
比功率 P T 2 J
2、体积小，重量轻
3、便于维修、安装 4、易于微机控制
21
一、步进电机的特点与种类 1、特点
1）步进电机的工作状态不易受各种干 扰因素的影响； 2）步进电机的步距角有误差，但不会 长期累积； 3）控制系统简单
22
2、步进电机的种类
（1）按运动方式分
➢ 旋转式步进电机 ➢ 直线式步进电机
23
（2）按励磁相数分 三相步进电机 四相步进电机 五相步进电机 六相步进电机
9
伺服电动机控制方式有： 开环控制方式 闭环控制方式 半闭环控制方式
10
开环控制
指 令
运 算 处
驱 动
输理 电
入电 路
路
执行机构
步进 电动机
滚珠丝杠
11
半闭环控制
指 令
运 算 处
输理
入电
路
执行机构
驱
动
伺服
电
电动机
路
滚珠丝杠
（速度反馈） 速度传感器
（位置反馈）
位置检测传感器
12
闭环控制
指 令