第三章执行元件的选择与设计(2—XXXX)

反应式步进电动机环形脉冲分配方式表
环形分配方式 A-B-C-A-…
AB-BC-CA-AB-… A-AB-B-BC-C-CA-A-…
A-B-C-D-A-… AB-BC-CD-DA-AB-… A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A-…
A-B-C-D-E-A-… AB-BC-CD-DE-EA-AB-… AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EAB-AB-…
一、步进电动机的特点与种类 3)混合(HB-Hybrid)型
（a）. 磁极 用来在电机中产生磁场。
永磁式: 由永久磁铁做成。 励磁式: 磁极上绕线圈，线圈中通过直流电，
形成电磁铁。 励磁: 磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称
为励磁。 （b）. 转子(电枢)
由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。
电枢铁心：由硅钢片叠装而成。
机电一体化系统要素与人体组成要素
机电一体化系统 组成要素
控制器(计算机等) 执行元件
检测传感器 动力源 机构
人体 组成要素
大脑 驱动(操作) （肌肉伸缩） 五种感官 内脏提供能量
骨架
系统
（产品） 基 本 构 成
第一节 执行元件的种类、特点及基本要求
执行元件是机电一体化系统(或产品)必不 可少的驱动部件。
A-B-C-D-E-F-A-… AB-BC-CD-DE-EF-FA-AB-… ABC-BCD-CDE-DEF-EFA-FAB-ABC-… AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEF-EF-EFA-FA-FAB-AB…
对直线运动来说，设加速度为a，则推力 F = ma, a = F/m
对回转运动来说，设角速度为ω，角加速度为ε， 则P = ωT, ε=T/J, T=Jε。 ➢ 另一种表征动力大小的综合性指标是比功率。 它包含了功率、加速性能与转速三种因素，
即比功率= Pε/ω=T2/J。
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。
第三章 执行元件的选择与设计
第一节 执行元件的种类、特点及基本要求 第二节 常用的控制用电动机 第三节 直流(DC)与交流(AC)伺服电机及驱动 第四节 步进电机及驱动
第一节 执行元件的种类、特点及基本要求
机电一体化系统构成要素 机电一体化系统（产品）由: ➢ 机械系统(机构)、 ➢ 电子信息处理系统(计算机)、 ➢ 动力系统(动力源)、 ➢ 传感检测系统(传感器)、 ➢ 执行元件系统(如电动机) 五个子系统组成 。
二、步进电动机的工作原理
显然，单位时间内通入的电脉冲数越多， 即电脉冲频率越高，电动机转速就越高。如果 按A→C→B→A→…的顺序通电，步进电动机将沿 顺时针方向一步步地转动。从一相通电换接到 另一相通电称为一拍，每一拍转子转动一个步 距角。像上述的步进电动机，三相励磁绕组依 次单独通电运行，换接三次完成一个通电循环， 称为三相单三拍通电方式。
第一节 执行元件的种类、特点及基本要求
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，与液压式执行元件无什么区别。具 有代表性的气压执行元件有气缸、气压马达 等。
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，具有可压缩性， 故不能在定位精度较高的场合使用。
表3.1 执行元件的特点及优缺点
该元件是处于机电一体化系统的机械运行 机构与微电子控制装置的接点（连接）部位的 能量转换部件。它能在微电子装置的控制下， 将输入的各种形式的能量转换为机械能，例如 电动机、液动机、油（气缸）、内燃机等分别 把输入的电能、液压能、气压能和化学能转换 为机械能。
第一节 执行元件的种类、特点及基本要求
一、执行元件的种类及特点
电枢绕组：单个绕组元件组成。
一、步进电动机的特点与种类
混合(HB-Hybrid)型例
混合 型步 进电 动机
一、步进电动机的特点与种类
混合式步进电机在永磁和变磁阻原理
共同作用下，输出转矩大，步距角小，结 构复杂，成本高。
一、步进电动机的特点与种类 3. 步进电机的型号表示
BF
反应式：BF 永磁式: BY 混合式: BYG
励磁绕组相数或代号 反应式步进电机 电动机外径（mm)
二、步进电动机的工作原理
其定子有六个均 匀分布的磁极，每两 个相对磁极组成一相， 即有三相，磁极上绕 有励磁绕组。
转子具有均匀分 布的四个齿，当A、B、 C三个磁极的绕组依 次通电时，三对磁极 依次产生磁场吸引转 子转动。
三相反应式步进电机
二、步进电动机的工作原理
气 5~7×Mpa；要求 无泄露而污染环境； 难于小型化；动作
压 操作人员技术熟练。 速度快、操作简便。 不平稳、远距离传
式
输困难；噪音大；
难于伺服。
液
液体压力源压力 20~80×Mpa；要
输出功率大，速度快、 设备难于小型化； 动作平稳，可实现定 液压源和液压油要
压 求操作人员技术熟 位伺服控制；易与计 求严格；易产生泄
一、步进电动机的特点与种类
1. 步进电动机的特点
步进电动机的驱动需要结合数字技术、计算 机技术和电力电子技术。
步进电动机被广泛应用于需要精确定位和定 速的控制系统中，例如数控机床、绘图仪器、复 印机、打印机、机器人等领域。
步进电动机
脉冲分配 器和功放
XY操作台
恒流泵
打印机
激光排版
切线机
幻灯机
第一节 执行元件的种类、特点及基本要求
1. 电气式执行元件
电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、 交流（AC）伺服电机、步进电机以及电磁铁等。 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。
第一节 执行元件的种类、特点及基本要求
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。
二、步进电动机的工作原理
如上图a所示，如果先将电脉冲加到A相励 磁绕组，定子A相磁极就产生磁通，并对转子产 生磁拉力，使转子的1、3两个齿与定子的A相磁 极对齐。而后再将电脉冲通入B相励磁绕组，B 相磁极便产生磁通。由图b可以看出，这时转子 2、4两个齿与B相磁极靠得最近，于是转子便沿 着逆时针方向转过30° 角，使转子2、4两个齿 与定子B相磁极对齐。如果按照A→B→C→A的顺 序通电，转子则沿反时针方向一步步地转动， 每步转过30°，这个角度就叫步距角。
一、步进电动机的特点与种类
1）可变磁阻(VR-Variable Reluctance)型
该类电动机由定子绕组产生的反应电磁 力吸引用软磁钢制成的齿形转子作步进驱动， 故又称反应式步进电动机。 此类电动机利用磁阻转矩转动，结构简单， 步距角小，性价比高，应用广泛，但动态性差。
一、步进电动机的特点与种类
设执行元件的重量为G，则 功率密度为 P/G。 比功率密度为 (T2/J)/G 。
4. 宜于微机控制
根据这个要求，用微机控制最方便的是电气式 执行元件。
第二节 常用的控制用电动机
控制用电动机有力矩电动机、脉冲 （步进）电动机、变频调速电动机、开关磁 阻电动机和各种AC/DC电动机等。
控制用电动机是电气伺服控制系统的 动力部件，是将电能转换为机械能的一种能 量转换装置。由于其可在很宽的速度和负载 范围内进行连续、精确的控制，因而在各种 机电一体化系统中得到了广泛的应用。
式 练。
算机（CPU）连接。 露而污染环境。
第一节 执行元件的种类、特点及基本要求
二、对执行元件的基本要求
➢ 1. 惯量小、动力大 ➢ 2. 体积小、重量轻 ➢ 3. 便于维修、安装 ➢ 4. 宜于微机控制
1. 惯量小、动力大
➢ 表征执行元件惯量的性能指标：
对直线运动为质量 m，对回转运动为转动惯量J。 ➢ 表征输出动力的性能指标为推力（F）、转矩（T） 或功率（P）。
种类
特点
优点
缺点
可用商业电源；信 操作简便；编程容易； 瞬时输出功率大；
电 号与动力传送方向 能实现定位伺服控制； 过载差；一旦卡死，
气 相同；有交流直流 响应快、易与计算机 会引起烧毁事故；
式 之分；注意使用电 （CPU）连接；体积 受外界噪音影响大。
压和功率。
小、动力大、无污染。
气体压力源压力 气源方便、成本低； 功率小、体积大、
步进电动机
脉冲分配 器和功放
二、步进电动机的工作原理
步距角的大小与通电方式和转子齿数 有关，其大小可用下式计算：
步距角a＝360°／(z m)
式中:z-转子齿数； m-运行拍数，通常等于相数或相数
整数倍，即m=KN (N为电动机的相数，单拍 时K＝1，双拍时K＝2)。
相数 3 3 3 4 4 4 5 5 5 6 6 6 6
可变磁阻(VR-Variable Reluctance)型
可变磁阻 型步进电
动机
一、步进电动机的特点与种类
结构： 其定子1与转子2
由铁心构成，没有 永久磁铁，定子上 嵌有线圈，转子朝 定子与转子之间磁 阻最小方向转动， 并由此而得名（可 变磁阻型）。
一、步进电动机的特点与种类
2) 永磁(PM-Permanent Magnet)型
一、步进电动机的特点与种类
2. 步进电动机的种类
➢ 按运转方式分：有旋转式步进电机和直线式步 进电机；
➢ 按励磁相数来分：有三相、四相、五相、六相 等步进电机。
➢ 按转子结构来说，分为三种：
反应式(VR，Variable Reluctance） 永磁式(PM，Permanent Magnet) 混合式(HB,Hybrid)
还有一种是按三相六拍通电方式工作的步进电动机，即 按照A→AB→B→BC→C→CA→A→…顺序通电，换接六次完成 一个通电循环。这种通电方式的步距角为l5°，如下图所示。
三相步进电动机具有三相单三拍、三相六拍和三 相双三拍运行状态。
“三相”：步进电动机具有三相定子绕组。
“单、双”：每次只有一相（单）或两相（双）绕
步进电动机称为脉冲电动机，是数字控 制系统中的一种执行元件。
其作用是：将脉冲电信号转换为角位移 或直线位移。
一、步进电动机的Hale Waihona Puke Baidu点与种类
1. 步进电动机的特点 步进电动机角位移与输入的脉冲数k成正比。 步进电动机转速与输入的脉冲频率成正比。具有 同步特性。
n Tem
n f
k
步进电动机
脉冲分配 器和功放
第二节 常用的控制用电动机 图3.2 伺服电机控制方式的基本形式
第二节 常用的控制用电动机
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。如图所示数控机床伺服系统。
它由控制器、被控对象、反馈测量装置 等部分组成。
第四节 步进电动机及其驱动
一、步进电动机的特点与种类 1. 步进电动机的特点
二、步进电动机的工作原理
步进电动机的工作原理是磁通总是走磁阻最 小的路径,由于磁力线的扭曲而产生拖动转矩。
三相反应式步进电动机按通电方式的不同，每 步转动不同的角度。下面以三相单三拍为例，说明 其工作原理。
二、步进电动机的工作原理
二、步进电动机的工作原理
如果使两相励磁绕组同时通电，即按 AB→BC→CA→AB→…顺序通电，这种通电方式称为三相双三 拍，其步距角仍为30°。
根据使用能量的不同，可以将执行元件 分为电磁式、液压式和气压式等几种类型。
电磁式：是将电能变成电磁力，并用该电 磁力驱动机械运动机构运动的。
液压式：是先将电能变换为液压能并用电 磁阀改变压力油的流向，从而使液压执行元件 驱动运行机构运动。
气压式：与液压式的原理相同，只是将介 质由油改为气体而已。
第一节 执行元件的种类、特点及基本要求 一、执行元件的种类及特点
结构： 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。
一、步进电动机的特点与种类
2) 永磁(PM-Permanent Magnet)型 永磁式步进电机用永久磁铁作为电
机的定子或转子，电磁阻尼大，步距角 大，启动频率低，功率小。
组通电 。 “三拍”：每三次换接为一个循环。有三种通电状态。
A-B-C-A…… “六拍”：每六次换接为一个
循环。有六种通电状态。
A-AB-B-BC-C-CA-A……
原理动画
二、步进电动机的工作原理
步进电动机工作时，每相绕组不是恒定的通电， 而是由专门的驱动电源供给，通过“环形分配器” 按一定规律轮流通电。这种通电方式称为“分配方 式”。