执行元件的分类及控制用电机的驱动
伺服电机的分类
伺服电机是自动控制系统和计算装置中广泛应用的一种执行元件，很多第一次接触到这个产品的朋友肯定一头雾水，不知道它到底是什么。
下面小编就给大家详细介绍一下到底伺服电机是什么东西以及它的分类。
伺服电动机（或称执行电动机）是自动控制系统和计算装置中广泛应用的一种执行元件。
其作用为把接受的电信号转换为电动机转轴的角位移或角速度。
按电流种类的不同，伺服电动机可分为直流和交流两大类。
一、交流伺服电动机结构和原理交流伺服电动机的定子绕组和单相异步电动机相似，它的定子上装有两个在空间相差90°电角度的绕组，即励磁绕组和控制绕组。
运行时励磁绕组始终加上一定的交流励磁电压，控制绕组上则加大小或相位随信号变化的控制电压。
转子的结构形式笼型转子和空心杯型转子两种。
笼型转子的结构与一般笼型异步电动机的转子相同，但转子做的细长，转子导体用高电阻率的材料作成。
其目的是为了减小转子的转动惯量，增加启动转矩对输入信号的快速反应和克服自转现象。
空心杯形转子交流伺服电动机的定子分为外定子和内定子两部分。
外定子的结构与笼型交流伺服电动机的定子相同，铁心槽内放有两相绕组。
空心杯形转子由导电的非磁性材料（如铝）做成薄壁筒形，放在内、外定子之间。
杯子底部固定于转轴上，杯臂薄而轻，厚度一般在0.2—0.8mm，因而转动惯量小，动作快且灵敏。
交流伺服电动机的工作原理和单相异步电动机相似，LL是有固定电压励磁的励磁绕组，LK是有伺服放大器供电的控制绕组，两相绕组在空间相差90°电角度。
如果IL与Ik 的相位差为90°，而两相绕组的磁动势幅值又相等，这种状态称为对称状态。
与单相异步电动机一样，这时在气隙中产生的合成磁场为一旋转磁场，其转速称为同步转速。
旋转磁场与转子导体相对切割，在转子中产生感应电流。
转子电流与旋转磁场相互作用产生转矩，使转子旋转。
如果改变加在控制绕组上的电流的大小或相位差，就破坏了对称状态，使旋转磁场减弱，电动机的转速下降。
新能源汽车电机驱动系统控制技术分析
新能源汽车电机驱动系统控制技术分析摘要：随着社会的发展，汽车已经成为了人们最主要的交通方式，随着科学技术的发展，新的能源汽车应运而生，它抛弃了传统的燃料和燃料，让汽车可以帮助人们更好的生活，也可以减少对环境的污染。
电机传动是新能源汽车的关键部件，对其进行优化和改进，可以有效地提升新能源汽车的质量，同时也可以通过优秀的电动机传动系统来提升企业在激烈的市场竞争中的核心竞争力。
关键词：新能源汽车；电机驱动系统；控制技术1.新能源汽车电机驱动系统控制技术概述新能源汽车的电机驱动系统中，电磁驱动器是实现电机驱动的关键部件，利用电机的转速来调整电机的转速，可以实现电机的驱动。
在永磁同步电动机中，三相的定子在一百二十度的角度上产生的磁场会在空气间隙内不停地转动，而由稀土永磁铁组成的正弦磁场可以维持转子的位置，当转子转动轴系与转动轴线系统重合时，定子磁场可以带动转子磁场转动，从而实现新型汽车电机的驱动控制器的解耦控制。
电动机的调速范围必须扩大，无论是恒功率区还是恒转距区都是一样，低速运行的横转距区可以在爬坡的时候有很大的转距来启动，而在高速度下的恒功率区低转距可以让新能源汽车在平台上快速地运行。
同时，新能源汽车还必须要有再生刹车的功能，这样才能让电池得到更多的电能，才能将新能源汽车的能量发挥到极致。
电机必须要能适应恶劣的环境，适合大规模的工厂制造，而且对电机的维护也很容易，而且价格也很便宜。
因此，用户在选购新能源汽车的电动机时，要考虑到电动机能否实现双向控制、电动机能否回收电能、刹车和再生能源。
2.新能源汽车电机驱动控制技术分类2.1直流电机驱动控制技术在新能源汽车的研制与生产中，首先被广泛采用的是直流电动机的驱动技术。
在晶闸管还没有研制出来之前，用电驱动的车辆，还得靠着机械来调整车速。
为了调节电动机电枢电压，采用了多组电池的串联数目。
很明显，这是一种比较死板、低效、不可靠的技术，而且在使用过程中，还会产生一些顿挫，影响到行车的舒适性和安全性。
电机控制器有哪些类型【大全】
电机无论其类型如何，都具有某种类型的控制器。
这些电机控制器的功能和复杂性可能有所不同，这主要取决于特定电机的功能。
电机控制机制的简单示例是将电机连接到其电源的常规开关。
该开关可以是手动控制器，也可以是连接到用于启动和停止电机的自动传感器的继电器。
根据电机的应用，控制器可能提供不同的功能。
它们帮助电机在低压条件下启动，允许多速或反向控制操作，防止过电流和过载故障以及执行多种其他功能。
一些复杂的电机控制设备还有助于有效地控制电机的速度和转矩，并且也可能是闭环控制系统的一部分，负责精确控制电机的位置。
不同类型的电机控制器有哪些电机控制器设备设计为以手动，自动或远程方式进行控制。
它们可用于启动或停止连接到机器的电机，也可用于其他目的。
这些控件根据其设计要运行的电机类型进行分类。
电机启动器只需将电子开关插入插座并打开电源按钮，即可启动小型电机。
但是，较大的电机需要电机启动器或承包商，电机启动器是用于为电机供电的专用开关单元。
通电后，直接在线启动器会立即将电机端子连接到电源。
包含两个直接在线电路的反向启动器也可以用于使电机沿任一方向旋转。
在中压电源上运行的超大型电机将电源断路器用作启动器元件。
降低电压的启动器在降低电压的情况下，可以使用两个或多个启动器来启动电机。
通过一系列电感或自耦变压器，可以在电机端子上提供较低的电压，从而有助于减小启动转矩和浪涌电流。
一旦电机达到其较高负载速度的一定比例，启动器就会自动将全电压电流传输到电机端子。
调速驱动器可调速驱动器也称为变速驱动器，是设备的统一组合，使操作员能够驱动并调整机械负载的运行速度。
这种驱动器包括速度控制器或功率转换器，一系列辅助设备和装置以及电机。
智能控制器智能电机控制设备使用高级微处理器来控制电机中使用的电子设备的功率。
这些控制器监视施加在电机上的负载，并使扭矩与记录的负载相对应。
这是通过降低交流端子的电压并同时降低电流来实现的，从而提高了能效，并降低了电机产生的噪声，振动和热量。
电动机的分类及用途
电动机的分类及用途电动机的分类及用途如下：1、控制电机控制电机主要是应用在精确的转速、位置控制上，在控制系统中作为“执行机构”。
可分成伺服电机、步进电机、力矩电机、开关磁阻电机、直流无刷电机等几类。
2、伺服电机伺服电机广泛应用于各种控制系统中，能将输入的电压信号转换为电机轴上的机械输出量，拖动被控制元件，从而达到控制目的。
一般地，伺服电机要求电机的转速要受所加电压信号的控制;转速能够随着所加电压信号的变化而连续变化;转矩能通过控制器输出的电流进行控制;电机的反映要快、体积要小、控制功率要小。
伺服电机主要应用在各种运动控制系统中，尤其是随动系统。
伺服电机有直流和交流之分，最早的伺服电机是一般的直流电机，在控制精度不高的情况下，才采用一般的直流电机做伺服电机。
当前随着永磁同步电机技术的飞速发展，绝大部分的伺服电机是指交流永磁同步伺服电机或者直流无刷电机。
3、步进电机所谓步进电机就是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构;更通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。
我们可以通过控制脉冲的个数来控制电机的角位移量，从而达到精确定位的目的;同时还可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
目前，比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。
步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。
但步进电机在控制精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统闭环控制的直流伺服电机;所以主要应用在精度要求不是特别高的场合。
由于步进电机具有结构简单、可靠性高和成本低的特点，所以步进电机广泛应用在生产实践的各个领域;尤其是在数控机床制造领域，由于步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以一直被认为是最理想的数控机床执行元件。
电动执行器基础知识
电动执行器基础知识一.执行器的定义执行器是自动控制系统中的执行机构和控制阀组合体。
它在自动控制系统中的作用是接受来自调节器发出的信号，以其在工艺管路的位置和特性，调节工艺介质的流量，从而将被空数控制在生产过程所要求的范围内。
二、执行器分类特点1、分类(1)执行器按所用驱动能源分为气动、电动和液压执行器三种。
(2)按输出位移的形式，执行器有转角型和直线型两种。
(3)按动作规律，执行器可分为开关型、积分型和比例型三类。
(4)按输入控制信号，执行器分为可以输入空气压力信号、直流电流信号、电接点通断信号、脉冲信号等几类。
2、优点电动执行器的能源取用方便，动作灵敏，信号传输速度快，适合于远距离的信号传送，便于与电子计算机配合使用。
3、缺点电动执行器一般不适用与防火防爆的场合，而且结构复杂，价格贵。
单回路系统控制方框图操纵变局,（被控介质）被控变量单回路控制系统（简单控制系统）方框图三、结构原理以MD系列电动执行机构的整体式比例调节型为例。
MD系列电动执行机构以交流伺服电动机为驱动装置的位皿伺服机构，由配接的位置定位器PM-2控制板接受调节系统的4~20mA直流控制信号与位置发送器的位置反馈借号进行比较，比较后的信号偏差经过放大使功率级导通，电动机旋转驱动执行机构的输出件朝着减小这一偏差的方向移动（位置发送器不断将输出件的实际位置转变为电信号一位盈反馈信号送至位致定位器）直到偏差信号小于设定值为止。
此时执行机构的输出件就稳定在与输人信号相对应的位置上。
该系列角行程机构示意图如图1、直行程机构示意图如图2所示，其实际使用接线图如图3所示。
MD系列角行程调节电动执行机构由动力部件和位置定位器（PM-2控制板）两大部分组成。
其中动力部件主要由电动机、减速器、力矩行程限制器、开关控制箱、手轮和机械限位装置以及位置发送器等组成，其各部分作用简述如下：1、电动机：电动机是特种单相或三相交流异步电动机，具有高启动力矩、低启动电流和较小的转动惯量，因而有较好的伺服特性。
机械电子学-第6章 步进电动机的驱动与控制
认识步进电动机
功能 • 将电脉冲信号转换成转角或转速信号。 • 转角 ∝脉冲信号的个数； • 转速 ∝脉冲信号的频率。 • 转向取决于脉冲信号的相序
f
相
f N
通电脉冲频率 拍数
步进电动机的特点
2) 步距角
步进机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为步距角。
S
360 ZrN
N:一个周期的运行拍数 Zr：转子齿数
如：Zr=40 ,
N=3 时
S
360 40 3
3
1 单拍制
拍数：N=km m:相数 k=
整步
2 双拍制
半步
步距角不受各种干扰因素的影响。
步进电动机的特点
2) 步距角
步进电动机的特点
3) 转速
每输入一个脉冲，电机转过
S
360 ZrN
即转过整个圆周的1/(ZrN）, 也就是1/(ZrN）转
因此每分钟转过的圆周数，即转速为
n
60f ZrN
60f 360 360Z r N
s f
6
(r / min)
步进电动机的特点
4)误差不长期积累。 5）可实现数字信号的开环控制，控制系统廉价。 6）步进电机具有自锁能力
齿距角 为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿， 齿宽和齿槽和转子相同。
工作原理：假设是单三拍通电工作方式。
（1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含
120/9 = 13 1 齿 3
A 相和 C 相差240，含240/ 9 =26 2个齿。所以， A 相的转子、定子的五个小齿对齐时，3B 相、C 相不能 对齐，B相的转子、定子相差 1/3 个齿（3），C相的 转子、定子相差2/3个齿（6）。
电动执行器
• 二、根据生产工艺控制要求确定电动执行器的控制模式 • 电动执行器的控制模式一般分为开关型（开环控制）和调节型（闭 环控制）两大类。 • 1．开关型（开环控制） • 开关型电动执行器一般实现对阀门的开或关控制，阀门要么处于全 开位置，要么处于全关位置，此类阀门不需对介质流量进行精确控制。 • 开关型电动执行器因结构形式的不同还可分为分体结构和一体化结 构。选型时必需对此做出说明，不然经常会发生在现场安装时与控制 系统冲突等不匹配现像。 • a)分体结构（通常称为普通型）：控制单元与电动执行器分离，电 动执行器不能单独实现对阀门的控制，必需外加控制单元才能实现控 制，一般外部采用控制器或控制柜形式进行配套。 • 此结构的缺点是不便于系统整体安装，增加接线及安装费用，且容 易出现故障，当故障发生时不便于诊断和维修，性价比不理想。 • b)一体化结构（通常称为整体型）：控制单元与电动执行器封装成 一体，无需外配控制单元即可现实就地操作，远程只需输出相关控制 信息就可对其进行操作。 • 此结构的优点是方便系统整体安装，减少接线及安装费用，容易诊断 并排除故障。
伺服放大器有两种模式: A. 一种为执行机构本身的控制板上带有伺服放大器功 能，结构紧凑，不需占有仪表盘后空间，安装及调试较为 简单（即电子一体化）。 B. 另一种为单独放置的位置定位器，安装于仪表盘后， 这是一种较为传统的应用方法，检修及更换较为容易（即 分立式比例调节型）。
三、电动执行器的分类
电动执行器
一、基本信息 二、电动执行机构的组成 三、电动执行器的分类 四、电动执行器的选型 五、电动执行器优缺点 六、常见故障分析和讨论
一、基本信息
• 电动执行器又叫电动执行机构 • 电动执行机构联接上各种阀体，就形成了各种调 节阀。 阀体的种类较多：有直通阀、蝶阀、球阀、闸阀 等等。 电动执行机构+各种阀体就形成了另一类产品—— 电动调节阀（还可细分成：电动调节直通阀，电 动调节蝶阀，电动调节球阀等等）。 所以习惯上电动执行器就指电分析和讨论
机电一体化系统第三章执行元件
一、 特点
1、稳定性好 2、可控性好 3、响应迅速 4、控制功率低，损耗小 5、转矩大
补偿绕组(c)
励磁绕组 (f) ia
Fr Ua Fc Uf
电枢绕组(a)
直流伺服电动机的结构与一般的电机结构相似，也是 由定子、转子和电刷等部分组成，在定子上有励磁绕组 和补偿绕组，转子绕组通过电刷供电。由于转子磁场和 定子磁场始终正交，因而产生转矩使转子转动。
步进电机驱动电源
Hale Waihona Puke 四、步进电动机的功率放大1．单电压功率放大电路
此电路的优点是电路结构简单，不足 之处是Rc消耗能量大，电流脉冲前后 沿不够陡，在改善了高频性能后，低 频工作时会使振荡有所增加，使低频 特性变坏。
2．高低电压功率放大电路
电源U1为高电压，电源大约为80～150V， U2为低电压电源，大约为5～20V。在绕组 指令脉冲到来时，脉冲的上升沿同时使VT1 和VT2导通。由于二极管VD1的作用，使绕组 只加上高电压U1，绕组的电流很快达到规定 值。到达规定值后，VT1的输入脉冲先变成 下降沿，使VT1截止，电动机由低电压U2供 电，维持规定电流值，直到VT2输入脉冲下 降沿到来VT2截止。 不足之处是在高低压衔接处的电流波形在顶 部有下凹，影响电动机运行的平稳性。
步进电机驱动电源总结
作用：对控制脉冲进行功率放大，以使步进电机获 得足够大的功率驱动负载运行。 1、步进电机是用脉冲供电，且按一定工作方式轮 流作用于各相励磁线圈上。 2、步进电机正反转是靠给各相励磁线圈通电顺序 变化来实现的。 3、速度控制是靠改变控制脉冲的频率实现的。 4、在通电脉冲内使励磁线圈的电流能快速建立， 而在断电时电流能快速消失。
伺服电机控制方式
伺服电机比较
产品名称回转电动执行机构
产品名称回转电动执行机构1. 简介回转电动执行机构是一种电动执行机构，用于控制或驱动设备在水平或垂直方向上的旋转运动。
该机构具有高效、可靠、精确控制等特点，广泛应用于各个工业领域。
2. 结构和工作原理回转电动执行机构主要由电动机、减速器、转轴和控制系统等部分组成。
•电动机：回转电动执行机构使用电动机作为驱动源，常见的电动机有直流电动机和交流电动机。
•减速器：电动机的输出轴通过减速器连接到转轴上，减速器的作用是降低电动机的转速并增加输出扭矩。
•转轴：转轴是回转电动执行机构的核心部件，它与需要进行旋转运动的设备相连。
•控制系统：回转电动执行机构通常配备有控制系统，可以实现对转速、方向和位置的精确控制。
回转电动执行机构的工作原理如下：1.当电机运转时，通过减速器将电机的高速旋转转换为低速高扭矩的转轴运动。
2.控制系统接收操作者的指令，并将指令传递给电动机。
3.电动机依据控制系统的指令，以特定的速度和方向转动转轴。
4.转轴和设备相连，将旋转运动传递给设备。
3. 应用领域回转电动执行机构被广泛应用于各个工业领域，包括但不限于以下几个方面：3.1 自动化生产线回转电动执行机构常常用于自动化生产线上，用于控制工件在生产过程中的旋转运动。
它可以实现对工件的精确定位和角度调整，提高生产线的生产效率和质量。
3.2 机械设备回转电动执行机构可以应用于各种机械设备中，如机械臂、旋转平台等。
它可以控制设备在水平或垂直方向上的旋转运动，实现设备的多方向操作和精确定位。
3.3 包装与装配在包装与装配行业中，回转电动执行机构能够实现产品的旋转、翻转和定位等操作，提高包装和装配的效率和精度。
3.4 雷达和天线雷达和天线需要进行360度的旋转扫描，回转电动执行机构可以实现对雷达和天线的平稳旋转，并实时调整角度和方向。
4. 优势回转电动执行机构相比传统机械执行机构具有以下几个优势：•精确控制：回转电动执行机构可以通过调整电机的转速和方向来实现对旋转角度的精确控制。
汽车常用执行器
A
B'
C' B
A'
C
总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称 为三相六拍，步距角为15。
3）三相双三拍
三相绕组的通电顺序为： AB BC CA AB 共三拍。
A
B'
A C' B
B'
C'
C
A'
C
A'
B
AB通电
BC通电
A
B'
C' B
A'
C
工作方式为三相双三 拍时，每通入一个电 脉冲，转子也是转 30，即 S = 30。
缺点：步进电动机效率低，且必须专用电源供电，
负载能力不强，运行中易发生震荡和共振。
种类：
有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步 进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子 上没有励磁线圈。
应用：
步进机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动 绘图仪等设备中都得到应用。
下面以反应式步进电机为例说明步进电通入脉冲电流；三 相之间接成星型；
转子极上不放置绕组；齿 距角为90度；
三相反应式步进电动机有三种运行方式： （1）三相单三拍运行 （2）三相双三拍运行 （3）三相单、双六拍运行 “三相” — 指步进电机的相数； “单” — 指每次只给一相绕组通电； “双”则是每次同时给二相绕组通电 “三拍” — 指通电三次完成一个循环；
A
B'
4 1 3 A' 2
C'
B
C
A相通电，转子1、3齿和A相对齐。
A、B相同时通电
A
B'
C' B
A'
伺服电缸的分类
伺服电缸的分类伺服电缸的分类伺服电缸是一种可实现精确位置控制的电动执行器。
根据不同的特点和用途，伺服电缸可以分为以下几类：1. 传动方式分类•螺杆传动型伺服电缸：使用螺杆作为传动元件，将旋转运动转变为线性运动。
螺杆传动型伺服电缸结构简单、速度稳定，适用于需要高精度定位和负载较小的应用。
•皮带传动型伺服电缸：采用皮带驱动，可实现长行程和高速运动。
皮带传动型伺服电缸具有运动平稳、噪音低等优点，被广泛应用于自动化装配线、包装机械等领域。
•齿轮传动型伺服电缸：使用齿轮传动系统，具备较高的负载能力和抗冲击能力。
齿轮传动型伺服电缸适用于承载大负荷、工作环境要求恶劣的场合，如重工业生产线等。
2. 结构形式分类•杆式伺服电缸：传动装置与杆的一端连接，通过伺服电机的控制使杆的运动实现定位控制。
杆式伺服电缸结构简单，易于安装和维护，适用于对安装空间要求较高的场合。
•轴式伺服电缸：传动装置与电缸的到轴的中轴线平行，通过控制电机实现准确的线性运动。
轴式伺服电缸结构紧凑，适用于行程较短、空间受限的应用场景。
3. 控制方式分类•开环控制型伺服电缸：采用开环控制方式，无反馈装置，控制精度相对较低。
开环控制型伺服电缸适用于不要求高精度定位的应用，成本较低。
•闭环控制型伺服电缸：通过反馈装置，实现闭环控制，具有较高的位置和速度控制精度。
闭环控制型伺服电缸广泛应用于需要精确定位和反复重复运动的场合。
4. 功能特性分类•多轴联动型伺服电缸：可同时控制多个伺服电缸，实现复杂的运动轨迹，广泛应用于自动化生产线等需要多点定位的场合。
•合成器型伺服电缸：集成了伺服电机、控制器和执行器于一体的伺服系统，具有安装简便、集成度高等优点，适用于对空间要求较高的场合。
5. 应用领域分类•工业自动化领域：伺服电缸被广泛应用于工业机械、自动化流水线等领域，用于实现精准的装配、搬运、包装等工序。
•航空航天领域：伺服电缸在飞机、卫星等航空航天器件中发挥重要作用，用于实现舵面、襟翼、起落架等部件的控制。
第3章 机电一体化系统的执行元件的选择与设计
二、对执行元件的基本要求
1. 惯量小、动力大
11
2.体积小、重量轻 既要缩小执行元件的体积、减轻重量，同时又要增大其动力，故通常用
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 率密度来评价这项指标。设执行元件的重量为G，则
当t=T/6时，U相电流为正，由U1端流向U2端，V相电流为负，由V2端 流向V1端，W相电流为零所形成的磁场，也是一个两极磁场，但N、S极的 轴线在空间顺时针方向转了60°。
转子转动
直流电
同 步 电 机
永磁型（SM）
励磁型（IM）
同步电机将永磁体或励磁线圈装在转子上，定子上装有绕组。三相 交流电流通过定子绕组，在定子上产生旋转磁场。旋转磁场与转子磁场 相互作用驱动转子转动。
12
第二节 常用的控制用电动机
电动式的执行元件由于 其操作简单、编程容易、易 于实现计算机控制，因此电 动机在机电一体化中应用的 最为广泛。
一、 电动机的种类、特点及选用
在机电一体化系统(或产品)中使用两类电动机,一类为一般的动力 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，下图为常用电动机的适用范围。
42
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 步进电机的铁心无极性，故不需改变电流极性，因此多为单极性励磁。
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2)永磁型(PM-Permanent Magnet)
永磁（PM）型步进电机的转子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。其结构如右图所 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。
7.2 步进电机及其驱动控制系统
C N C 主要内容7.2 步进电机及其驱动控制系统主要内容：•步进电机的原理；•主要性能参数；•步进驱动的特点；•驱动控制：环形分配器，功放电路。
要求：在掌握原理基础上，注重围绕应用了解各型电机的特点、性能参数、功放电路。
主要内容定义：步进电机是一种脉冲控制的执行元件，将电脉冲转化为角位移。
每给步进电机输入一个脉冲，其转轴就转过一个角度，称为步距角。
✓脉冲数量----位移量；✓脉冲频率----电机转速；✓脉冲相序----方向。
组成：由步进电机驱动电源和步进电机组成，没有反馈环节，属于开环位置控制系统。
7.2.1 步进电机概述主要内容优点：结构简单，价格便宜，工作可靠；缺点：–容易失步（尤其在高速、大负载时），影响定位精度；–在低速时容易产生振动；–细分技术的应用，明显提高了定位精度，降低了低速振动。
应用：要求一般的开环伺服驱动系统，如经济型数控机床、和电加工机床、计算机的打印机、绘图仪等设备。
步进电动机的分类按运动方式分：旋转式、直线运动式、平面运动式和滚切运动式。
按工作原理分：反应式(磁阻式)、电磁式、永磁式、混合式。
按结构分：单段式(径向式)、多段式(轴向式)，印刷绕组式。
按相数分：三相、四相、五相、六相和八相等。
按使用频率分：高频步进电动机和低频步进电动机。
(1) 反应式步进电动机极与极之间的夹角为60°，每个定子磁极上均匀分布了五个齿，齿槽距相等，齿距角为9°。
转子铁心上无绕组，只有均匀分布的40个齿，齿槽距相等，齿距角为360°/40＝9°。
单段式的结构：三相反应式步进电动机。
定子铁心上有六个均匀分布的磁极，沿直径相对两个极上的线圈串联，构成一相励磁绕组。
特点：转子无绕组，定转子开小齿、步距小；应用最广。
7.2 步进电机及其驱动控制系统C N C(2) 永磁式步进电动机工作原理：转子或定子一方具有永久磁钢，另一方有软磁材料制成，由绕组轮流通电产生的磁场与永久磁钢相互作用，产生转矩是转子转动。
气动元件的分类及应用
气动元件的分类及应用气动元件是指利用压缩空气作为动力源的一种元件，广泛应用于自动化控制系统中。
根据其功能和特性不同，气动元件可以分为执行元件、控制元件和驱动元件等多种类型。
下面将分别介绍气动元件的分类及应用。
1. 执行元件执行元件主要用于实现机械运动的执行任务，包括气缸、气动电机和液压缸等。
其中，气缸是最常见的执行元件，它通过压缩空气的作用产生力和运动，广泛应用于各种机械设备的运动控制中。
气缸的工作方式主要有单作用气缸和双作用气缸两种，前者只有一个工作方向，而后者既可以有压力作用方向，也可以有压力消除方向。
气动电机利用压缩空气的动力实现旋转运动，广泛应用于自动化机械设备的转动控制中。
液压缸则是利用液压油的作用产生力和运动，主要应用于需要大力输出和长行程运动的场合。
2. 控制元件控制元件主要用于调节和控制气动系统的流量、压力和方向，包括节流阀、安全阀、方向控制阀和逻辑元件等。
节流阀可以通过调整流通截面积来改变气体流量，实现对气动系统的流量调节；安全阀则用于保护气动系统，当压力超过预设值时，安全阀会自动打开排放压力。
方向控制阀主要用于控制气缸的工作方向，通过控制阀芯的移动来实现气缸的正转、反转和停止等动作。
逻辑元件包括与门、或门、非门等，用于实现气动系统的逻辑控制。
3. 驱动元件驱动元件主要用于提供压缩空气作为动力源，包括压缩空气源、压力调节阀和管路连接件等。
压缩空气源是气动系统的动力来源，一般采用空压机或氮气瓶提供气源。
压力调节阀用于调节气动系统的工作压力，保证系统的安全和稳定工作。
管路连接件则用于连接不同的气动元件和管路，保证气体的流通和传输。
气动元件由于其特点如工作可靠、运行速度快、输出力矩大以及价格较低等优势，被广泛应用于自动化控制系统中。
其主要应用领域包括以下几个方面：1. 工业自动化气动元件在工业自动化领域中得到广泛应用，用于各种生产设备的运动控制，如机床、输送设备、装配线和机器人等。
气缸、压力控制和方向控制阀等气动元件能够实现快速、稳定的运动，提高生产效率和质量。
电动执行机构简介
（五）、电动执行机构用途：
电动执行机构可以与变送器，调节器等仪表 配套使用，它以电源为动力， 接受4~20mA DC或0~10mA DC信号，将此转换成与输入 信号相对应的直线 位移，自动地操纵阀门等 调节机构，完成自动调节任务，或者配用电 动操作 器实现远方手动控制，可广泛应用于 发电厂、钢铁厂、化工、轻工等工业总 门的 调节系统中。
接触式霍尔传感器、非接触式编码器。减速器输出轴的转角位移与位置发送器 的输出电流呈线性关系。
伺服放大器：（控制元件）伺服放大器是由电器元件组成的电子线路板构成
电动执行机构的指令信号与阀位反馈信号的比较放大靠这些电子线路板的 运行来实现。
（三）、电动执行机构控制方式：
当电动执行器切换开关放在“自动”位置时，即处在连续调节控制状态。 当电动执行器切换开关放在“手动”位置时，即处在手动远方控制状态，操 作时只要将旋 转切换开关分别拔到“开”或“关”的位置，执 行机构输出轴就可以上行或下行，在运动过 程中观察电动操作器上的阀位开度 表，到所 需控制阀位开度时，立即松开切换开关即可。
常见进口电动执行机构有英国ROTORK的IQ系列、德国SIPOS5flash、德国EMG的DMC系列、德国AUMA的SA系列等等。
（三）、电动执行机构的分类
按输出位移分为三类 角行程，输出力矩和90°转角，用于控制蝶阀、球阀、百叶阀、风门、旋塞阀、挡板阀 等。 直行程，输出推力和直线位移，用于单、双座调节阀、套筒阀、高温高压给水阀、减温 水调节阀。 多回转，输出力矩和超过360°的转动，用于控制各类闸板阀、截止阀、高温高压阀、 减温水阀及需要多圈转动的其他调节阀。
电动执行机构的简介
目录
一、电动执行机构的概述 二、电动执行机构工作原理、结构及作用 三、常用电动执行机构简介 四、电动执行器的故障与维修
控制电机的种类
•
同时， 控制电机的使用范围很广， 从地下、
水面、 海洋到高空、 太空以至原子能反应堆等地方都 在使用， 而且工作环境条件常常十分复杂， 如高温、 低温、 盐雾、 潮湿、 冲击、 振动、 辐射等， 这就要 求电机在各种恶劣的环境条件下仍能准确、 可靠地工 作。
•
另外，很多使用场合(尤其在航空航天技术中使
用)还要求控制电机体积小、重量轻、耗电少，所以我
们常见到的控制电机很多都是体积很小的微电机。像
电子手表中用的步进电动机，直径只有6 mm，长度为
4 mm左右， 耗电仅几微瓦，重量只有十几克。
图 1 - 7 旋转变压器的控制特性
2 控制电机的特点
•
人们在日常的工作和生活中也经
常要用到电机， 例如电灯所用的电是由
发电机发出的， 抽水机要用电动机来带
动， 工厂里车床要用电动机才能旋转，
手电钻里装的也是电机。 这些电机与上
面研究的控制电机有些什么不同呢?
•
从所举的例子中可以看出， 日
常生活和工作中遇到的电机一般是作为
是将电信号转换成轴上的角位移或角速度以及直线位 移和线速度， 并带动控制对象运动。
•
理想的直流伺服电动机和交流伺服电动机的转
速与控制信号的关系如图 1-3 所示， 转速和控制电压
的关系成正比关系， 而转速的方向由控制电压的极性
来决定。 步进电动机的转速与脉冲电压的频率成正比，
如图 1 - 4 所示。
控制电机的种类
•
控制电机的种类很多， 除了自
整角机、 直流伺服电动机和测速发电机
外， 还有交流伺服电动机、 交流测速发
电机、 旋转变压器、 无刷直流电动机、
步进电动机等。 根据它们在自动控制(功率元件)
《控制步进电机》课件
contents
目录
• 步进电机简介 • 步进电机控制系统 • 步进电机驱动器 • 步进电机的控制策略 • 步进电机的应用案例
01
步进电机简介
步进电机的定义与工作原理
步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的执行元件。
工作原理：步进电机内部通常有多个相位的线圈，当给这些线圈按照一定的顺序 通电时，电机内部的转子会按照通电的顺序和方向进行旋转，从而输出旋转的机 械能。
03
步进电机驱动器
步进电机驱动器的种类与选择
种类
根据步进电机的工作原理和应用需求 ，步进电机驱动器可分为单极性驱动 器和双极性驱动器。
选择
选择合适的步进电机驱动器需要考虑 电机的规格、工作电压、电流以及控 制精度等因素。
步进电机驱动器的原理与工作方式
原理
步进电机驱动器通过控制脉冲信号的 频率和数量，来控制步进电机的转动 速度和角度。
步进电机在医疗器械中的应用
1 2
医疗设备驱动
步进电机在医疗器械中作为驱动部件，如医学影 像设备、手术机器人等。
高精度要求
步进电机的高定位精度和控制精度，满足医疗器 械对精确度的极高要求。
3
安全可靠性
步进电机稳定可靠的特性，确保医疗器械在使用 过程中的安全性和可靠性。
THANKS FOR WATCHING
04
步进电机的控制策略
步进电机的速度控制
速度控制
通过调节输入到步进电机的脉冲频率，可以控制步进电机的转速 。
动态响应
步进电机具有快速动态响应特性，能够实现高精度的速度控制。
调速范围
步进电机可以在较大的调速范围内实现平滑的速度调节。
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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
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
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
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
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：
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
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
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
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
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。
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；
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)。
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
×× ×× ××
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：
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)。
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
150BF003 5
0.75
15.64
11000
1300
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
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
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