伺服驱动装置

♠ 转子齿数越多，步距角 θb 越小 ♠ 定子相数越多，步距角 θb 越小 ♠ 通电方式的节拍越多，步距角 θb 越小
1
2 A
360 ° θb = m* Z * C
A 1 2
4 式中：m －定子相数 3 Z － 转子齿数 A C －通电方式 C = 1 单相轮流通电、双相轮流通电方式 C = 2 单、双相轮流通电方式
A—AB—B—BC—C—CA、 --A—AB—B—BC —C—CA …

360 360 1 . 5 m k Z 3 2 40
二、步进电机的性能参数
1、齿距角α z：转子相邻两齿的夹角。 360 Z：转子的齿数 Z Z 2、步距角α ：步进电机每接受一个脉冲，转子转过一个固定
度；齿轮、丝杠等传动元件的精度以及系统的 摩擦、阻尼等特性。
• 特点：结构简单，调试、维修方便，成本低廉， 但精度较差，一般用于经济型数控设备。
②闭环伺服系统
•其驱动装置主要是直流、交流伺服电机以及电 液伺服阀、液压伺服马达等。
☆ 与开环系统最主要的区别是：
在执行部件上安装有检测装置，检测执 行部件的实际位移，反馈到输入端，并与输 入指令进行比较，求得误差，依此构成闭环 控制。
缺点
气压伺服驱动装置 气压驱动装置是采用压缩空气作为 动力的驱动装置，价格低廉。 利用汽缸可以实 现高速直线运动
优点
利用空气的可压缩性容易 实现力控制和缓冲控制
无火灾危险和环境污染
系统结构简单，价格低
气压伺服驱动装置 任意位置上停止 的动作速度很慢
缺点 由于空气的可压缩，高精 度的位置控制和速度控制 都比较困难 能量效率较低
C
1 2
C
B
1
B
30° B
A
2
B
C
B
30 °
单段反应式步进电机的工作原理 —— 四转子齿
定子通电顺序： A→B→C→A 转子旋转方向： 逆时针 步距角：
B A
A
B
1 4 3
2
1 4 3 A
30°
2
θb = 30°
30°
C
1 2
A
2 1 3
B
3
C
C
4
4
A
步距角：
步进电机的定子绕组每改变一次通电状态，转子转过 的角度称步距角。 A
双相轮流通电（M相双M拍）
单双相轮流通电（M相2M拍）
单段反应式步进电机的工作原理 —— 两转子齿
定子通电顺序： A→B→C→A 转子旋转方向： 顺时针 步距角：
A 1
A B
1 2
2 A
B
A C B 2 C A 1
θb = 60°
2 1
C
60°
单段反应式步进电机的工作原理 —— 两转子齿
定子通电顺序: A→C→B→A 转子旋转方向： 逆时针 步距角：
M
f
矩频特性曲线图
电气伺服驱动装置 电气驱动装置是将电能变成电磁力， 并用该电磁力驱动运动机构运动。 电源容易得到
电机容易控制
优点
可靠性、稳定性和环 境适应性好 与计算机等控制装置 的接口简单
电气伺服驱动装置
容易受载荷的影响
获得大功率比较困难 缺点
在多数情况下，为了实 现一定的旋转运动或直 线运动，需要使用齿轮 等运动传递和变换机构
电机1
电机2
单段反应式步进电机的工作原理 —— 定子的通电方式
单相轮流通电（M相单M拍） 顺时针轮回 A→B→C→A
逆时针轮回
顺时针轮回 逆时针轮回 顺时针轮回 逆时针轮回
A→C→B→A
AB→BC→CA→AB BA→AC→CB→BA A→AB→B→BC→C→CA→A A→AC→C→CB→B→BA→A
电机转动的工作原理
电机 运转
三相步进电机的三种运行方式：
三相单三拍：A—B—C、—A—B—C…

360 360 3 mk Z 3 1 40
三相双三拍：
AB—BC—CA, —AB—BC—CA…

360 360 m k Z 3 1 40 3
三相六拍：
在控制信号传递路线上，以 执行元件 作为接口。 在反馈信号传递路线上，以 传感器 作为接口。
伺服驱动技术概述
执行装置及其分类 直流电机 交流电机 步进电机 直线电机 液压油缸 液压执行装置 液压马达 气缸 气动执行装置
电动执行装置
执行装置
气动马达
基本要求：
调速范围Rn大： 位移精度要高： 定位准确，重复定位误差小；
3、交流伺服电机
具有直流伺服电机的全部优点 输出转矩高，转速受负载的变化影响较小
无接触换向器件，维护方便
常见步进电机外形构造
步进电机内部结构
步进电机内部结构
步进电机分类
按照力矩产生原理分类 —— 激磁式 反应式 混合式
反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩 激磁式：定、转子均有激磁绕组（或转子用永久磁钢），由电 磁力矩实现步进运行
各执行装置的性能比较
比较项目 输出功率 /重量比 快速响应特性 简单动作速度 控制特性 减速机构 占用空间 使用环境 可靠性 防暴性能 价格 电气式 液压式 气动式
小
中~20Hz 慢 良好 需要 小 良好 良好 差 一般
大
大~100Hz 一般 一般 不需要 大 差 差 一般 贵
中
小~10Hz 快 差 不需要 大 良好 一般 良好 便宜
机电一体化系统设计 第五章
伺服驱动装置
人造肌肉与人的臂膀比较 “强悍”的17岁女中学生
现年17岁的美国女中学生潘娜・菲尔森，3月8日在美国 航天局喷气推进实验室举行的一场国际竞赛中，连续与3 个具有人造肌肉臂膀的机器人比赛掰腕子，都取得胜利。 由于具有人造肌肉的机器人还处于初步研制阶段，最有力 的机器人也不过坚持了30秒钟就败下阵来。
步进电机（Stepping Motor）
直流伺服电机(DC Servo Motor)
交流伺服电机(AC Servo Motor)
三种电机驱动的特点： 1、步进电机
转角与数字脉冲成比例，可构成直接数字控制； 可构成廉价的开环系统； 控制系统控制较简单。
2、直流伺服电机
响应速度快、功率密度大； 可实现高精度的数字控制； 需用换向器件，且应及时维护更换。
电机 同步性
速比能达到1：10 000以上，低速平稳。
跟随误差小，系统动态性能要好（即运动 过程中，实际输出值和理想值的差值小）。 伺服系统的工作稳定性要好：
抗干扰能力强，速度均匀、平稳，低速不
易出现爬行，工作可靠。
基本要求：
良好的动态特性：
响应时间在几十毫秒至200毫秒以内。
体积小、质量轻： 即要求体积小又要求输出功率大。 便于维修和安装： 要求维修量少甚至不需要维修。 计算机控制 主要是电气式，其次是液压式和气压式
伺服系统的分类
按其调节原理类：
①开环伺服系统
☆ 由数控系统发出的指令脉冲，经功率放大器后，使
伺服电机转动，通过齿轮副、丝杠螺母副驱动执行部件。
☆开环伺服系统是最简单的伺服系统，无位置反馈环节。
• 控制脉冲的数量、频率等，便可控制执行件运 动的位移、速度和运动方向。
• 系统精度主要取决于——步进电机的角位移精
越步：转过的齿距数多于脉冲数；
5、矩频特性与动态转矩
矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时输出转
矩与连续运行频率之间的关系。
该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。
当步进电机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐
增加，则电动机所能带动的负载转矩将逐渐下降。 在使用时，要考虑动态转矩随连续运行频率的上 升而下降的特点。
五定子径向分相反应式步进电机
步进电机伺服驱动
一、步进电机的工作原理
一种能将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移
的变换器。
特点：(1) 来一个脉冲，转一个步距角。
(2) 控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3) 改变脉冲顺序，就可改变电机转向。
应用：
由于其调速性、灵活性和准确性好，常应用在运 动轨迹复杂、精度要求高的中小型机电设备中。
的角度。

360 mk Z
m：定子绕组相数 k：通电状态系数 K=1 三相单拍或双拍 K=2 三相六拍
3、最大启动转矩 ： 步进电机在启动时，能带动的最大负载，如步进电 机的负载转矩超过此值，则电机不能启动。 其值越大， 则承载能力越强。
4、最高运行频率fmax：
步进电机不失步运行时，输入脉冲的最高频率。 失步 丢步：转过的齿距数少于脉冲数；
C A
A 1
1 2
C
2 A
A
1
60°
2
B
B
60 °
A
1
2
θb = 60°
C
B
单段反应式步进电机的工作原理 —— 两转子齿
定子通电顺序：
A
1 2
A
B
60
AB→BC→CA→AB
转子旋转方向： 顺时针 步距角：
B
C
1 2
B
°
B
A
C
A
A
60°
60°
B
C
1
2
θb = 60°
1
A B C
A B
2
C
单段反应式步进电机的工作原理 —— 两转子齿
定子通电顺序： BA→AC→CB→BA 转子旋转方向： 逆时针 步距角：
60
A C 60° A
1 2
A B
1 2
A
B
C
B
θb = 60°
A
°
A