机电一体化系统执行元件的选择与设计
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机电一体化系统执行元件的选择与设 计
典型直流伺服电动机控制数学模型
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励 志 勤
德 达 理
工
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机电一体化系统执行元件的选择与设 计
直流（DC）伺服电动机的特性
• •
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励 志 勤
德 达 理
特点：具有较高的响应速度、精度和频率， 优良的控制特性等，但由于所用电刷和转换器 是使用寿命较低，需要定期更换。
离传输困难；噪 音大；难于伺服。
输出功率大，速度 设备难于小型化；
快、动作平稳，可 液压源和液压油
实现定位伺服控制； 要求严格；易产
易与计算机（CPU） 生泄露而污染环
连接。
境。
机电一体化系统执行元件的选择与设 计
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德 达 理
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3.1.2机电一体化系统对执行元件的基本要求
德 达 理
工
3.3.2 步进电动机的运行特性与性能指标
（1）分辨率
主 要 指 步 进 角 =360º/znK 。 如 ： 0.6º/1.2º 、 0.75º/1.5º、0.9º/1.8º、………。
（2）静态特性
主要指步进电机在稳态工作条件下的特性， 包括：矩—角特性、静转矩、静态稳定特性等 。
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压 要求操作人员技
式 术熟练。
优点
缺点
操作简便；编程容 瞬时输出功率大； 易；能实现定位伺 过载差；一旦卡 服控制；响应快、 死，会引起烧毁 易与计算机（CPU） 事故；受外界噪 连接；体积小、动 音影响大。 力大、无污染。
气源方便、成本低； 功率小、体积大、 无泄露而污染环境； 难于小型化；动 速度快、操作简便。 作不平稳、远距
混合型（HB-Hybrid）步进电机 ——转子为 导磁体和永磁铁的组合。
· 按定子绕组对数分类：
分为2相、 3相、 4相、 5相、 10相等步进电机 。
· 按定子绕组通电极性分类：
分为单极性和双极性步进机电电一机体化系。统执行元件的选择与设 计
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（3）步进电动机的工作原理
机电一体化系统执行元件的选择与设 计
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3.3 步进电动机与驱动
3.3.1 步进电动机的特点、种类、工作原理
（1）步进电动机的特点
① 控制精度由步进角决定（
）。
② 抗干扰能力强，在电机电特性工作范围内 ，不产生丢步或无法工作等现象。
③ 电机每转动一步进角，尽管存在一定的转 角误差，但电机转动360时，转角累计误差 将归零。
直流伺服电动机的调速控制如下图所示。
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机电一体化系统执行元件的选择与设 计
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直流电机的调速方式
由于直流伺服电机的机械特性方程为：
式中，UC —电枢控制电压；R —电枢回路电 阻；
Φ —每极磁通；Ce、Ct—分别为电动机
的结构常数。 由此，直流伺服电机的控制方式如下： （1）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速） （2）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速） （3）改变电枢回路电阻调速
运转转矩随频率的增加而降低，称矩－频特 性。
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•矩－角特性曲线族
机电一体化系统执行元件的选择与设 计
3.3.3 步进电机的驱动与控制
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步进电机的驱动电路：主要由脉冲分配器 和功率放大器两部份组成。
变频控制信号：主要有脉冲频率信号和方 向控制信号。
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机电一体化系统执行元件的选择与设 计
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执行元件的特点
•1. 电气执行元件
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
2．液压式执行元件
稳定工作区域θr越接近静态稳定工作区域θe，越
不容易丢步。
起动转矩Tq：两相（A、B）矩－角特性之交
点Tq表示步进电机单相励磁时所能带动的极限 负载转矩，与步进电机的相数和通电方式有关。
•矩－ 角 •特性 •曲线 机电一体化系统执行元件的选择与设
计
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进最电高机连连续续运运转转频时率所f能ma接x及受矩的－最频高特控性制：频步率 fmax，称最高连续运转频率；步进电机连续
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机电一体化系统执行元件的选择与设 计
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常用的步进电机细分驱动电路
功管工率V作T开的原关导理管通：V电T由d流1基~大V极T小开d5，的关即通电步断压进，U1电从~U机而5控线控制圈制多绕功路组放 电流的大小，实现对步进电机步进量的细分。
特点：功率开关管工作在开关状态，功耗 很低，但器件多、体积大。
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•多路功率开关细分电路 机电一体化系统执行元件的选择与设 计
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单功率放大细分驱动电路
机电一体化系统执行元件的选择与设 计
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阶梯波控制信号的产生与放大方法
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分先放大后叠加；先叠加后放大两种方法。
机电一体化系统执行元件的选择与设 计
机电一体化系统执行元件的选择与设 计
3.2.2 伺服控制电动机基本特性
• •
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无论动力用伺服控制电动机，还是控制用 伺服控制电动机，功率—转速—转矩的电特 性是电机重要的基本特性指标之一。
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• 对于伺服控制电机而言，恒转矩工作特 性是衡量电机调速性能的重要参数之一。
工
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3.2.1 机电一体化系统 对伺服控制电动机的基本要求
为实现运动、功率/能量、控制运动方式的转 换，对伺服控制电动机提出了一些基本要求。 （1）性能密度大。即功率密度 Pw=P/G 或比功 率密度 Pbw=(T2/J)/G 大。 （2）快速性好。加速度大、响应特性好。 （3）位置控制与速度控制精度高、调速范围 大、低速平稳性好、分辨率高以及振动噪音小 。 （4）能适应频繁启动，可靠性高、寿命长。 （5）易于与计算机对接，实现计算机控制。
当第一个脉冲通入A相时，磁通企图沿着磁 阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下， 转子的1、3齿要和A级对齐。当下一个脉冲 通入B相时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭 合，即2、4齿要和B级对齐，则转子就顺逆 时针方向转动一定的角度：
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机电一体化系统执行元件的选择与设 计
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机电一体化系统执行元件的选择与设 计
高低压功率放大器
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特点：具有高压驱动 ，电流增长速度快、 前沿变陡，电机的扭 矩和频率得到提高。
•特点：仅在脉冲开始时接通高 压电源，其余时间仅接通低压电 源供电。具有功效高、电流上升 率高、高速运转性能好，但波形 陡有时存在过冲现象，谐波丰富， 在低速运转时易产生振动。
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
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， 与液压式执行元件没有区别。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，故不能在定位精度要求较高的场合使用。
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CH250 管角定义与三相六拍工作状态的接线图
机电一体化系统执行元件的选择与设
计
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（2）功率放大器
功率放大器是实现控制信号与步进电机匹配的 重要组件。
常见的步进电机功率放大器的组成与特点如下 ：
· 单电压功率放大电路
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•特点：电路结构简单，但串联R2消耗能量降低放 大功率；电感较大使电路对脉冲反应较慢,输出波形 差。主要用于转速要求不高的小型步进电机控制。
失调角示意图
矩－角特性曲线 机电一体化系统执行元件的选择与设 计
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（3）动态特性
动态特性参数：主要指动态稳定区、启动转矩 、矩－频特性、惯－频特性等。
动态稳定区：在步进电机从A相转换为B（或
AB）相通电，不产生丢步时的稳定工作区域θr
。从图中可以得出，步进电机工作的拍数越多，
机电一体化系统执行元件的选择与设 计
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、
• •
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闭环控制三种。
励 志 勤
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如图所示数控机床伺服系统。
工
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• 它由控制器、被控对象、反馈测量装 置等部分组成。
机电一体化系统执行元件的选择与设 计
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④ 控制性能好，不会产生“丢步 ”现象（ 频繁启动、停止、变换）。
⑤易于与计算机实现对接。
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（①2）种步类进电动机的种类
· 按转子构成分类：
可变磁组型（VR）步进电机 ——转子为导磁 体，也称反应式步进电机。
永磁型（PM）步进电机 ——转子为永磁铁 。
软件分频——可充分利用计算机资源降低 硬件成本，可适用多相脉冲分配，但将占用 计算机运行时间，影响步进电机的运行速度 。
IC集成电路分频（DDT分频器）——灵活性 强，可搭接成任意通电顺序的环形分配器， 不站用计算机的工作时间。
机电一体化系统执行元件的选择与设 计
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• 专用环形分频器——使 用方便，接口简单，专业化 生产质量可靠，成本低等。 如：CH250三相绕组分频 器 ；L297和PMM8714两相 绕组分频器；PMM8713五 相绕组电机分频器等。
机电一体化系统执行元件的选择与设 计
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执行元件的特点以及优缺点
种类
特点
可用商业电源；
电 信号与动力传送 气 方向相同；有交 式 流直流之分；注
意使用电压和功 率。
气体压力源压力
气 5~7×Mpa；要 压 求操作人员技术 式 熟练。
液
液体压力源压力 20~80×Mpa；
机电一体化系统执行元 件的选择与设计
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2020/11/18
机电一体化系统执行元件的选择与设 计
第三章 机电一体化系统 执行元件的选择与设计
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第3.1节 执行元件
励 志 勤
德 达 理
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执行元件——是将控制信号转换成机 械运动和机械能量的转换元件。
3.1.1 执行元件的种类及特点
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步进电机驱动电路的组成
机电一体化系统执行元件的选择与设 计
一种四相步进电机驱动实用电路
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机电一体化系统执行元件的选择与设 计
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（1）环形脉冲分配器
由于步进电机的工作原理是各绕组必须按 一定的顺序通电变化才能正常工作（A B C A B ……；A AB B BC C CA A AB B ……），完成这种通电顺序变化规律 的部件称为环形脉冲分配器。实现脉冲环形 分配的方法主要有三种：• •厚源自励 志 勤德 达 理
工
（4）步进电机的微机控制
主要分为：串行控制和并行控制两种方法
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串行控制方式
并行控制方式
机电一体化系统执行元件的选择与设 计
3.4 直流（DC）伺服电动机及其驱动
3.4.1 直流（DC）伺服电动机工作原理
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通过电刷和转换器产生的整流作用，使磁 场磁动势和电枢电流磁动势正交，从而产生 转动力矩。使用直流供电，实现速度和方向 调节控制，主要通过对直流电压/电流的大 小和方向进行调节来实现。
（1）惯量小，动力大。 （2）体积小，重量轻。 （3）安装方便、便于维修维护。 （4）易于实现自动化控制。
3.2 机电一体化系统常用的控制电动机
常用伺服控制电动机 ： DC/AC电动机、力矩电动机、步进（脉冲 ）电动机、变频调速电动机、开关电磁电动 机以及其他电动机（直流或交流脉宽调速电 动机、电磁伸缩元件）等。
机电一体化系统执行元件的选择与设 计
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恒流源功率放大器
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机电一体化系统执行元件的选择与设 计
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（3）细分驱动电路
采用细分驱动电路的目的：整步运转或半 步运转基础上，不改变步进电机结构，提高 步进电机的运转、控制精度 。
细分驱动电路的基本工作原理 ：对每一控 制脉冲，细分使其电流逐步增加达到脉冲的 最 最大 小电 电流流（（I0m）ax），，从又而逐可步实减现少高达精到度脉运冲转的、 控制、分辨，以及提高步进精度。
典型直流伺服电动机控制数学模型
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机电一体化系统执行元件的选择与设 计
直流（DC）伺服电动机的特性
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特点：具有较高的响应速度、精度和频率， 优良的控制特性等，但由于所用电刷和转换器 是使用寿命较低，需要定期更换。
离传输困难；噪 音大；难于伺服。
输出功率大，速度 设备难于小型化；
快、动作平稳，可 液压源和液压油
实现定位伺服控制； 要求严格；易产
易与计算机（CPU） 生泄露而污染环
连接。
境。
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3.1.2机电一体化系统对执行元件的基本要求
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3.3.2 步进电动机的运行特性与性能指标
（1）分辨率
主 要 指 步 进 角 =360º/znK 。 如 ： 0.6º/1.2º 、 0.75º/1.5º、0.9º/1.8º、………。
（2）静态特性
主要指步进电机在稳态工作条件下的特性， 包括：矩—角特性、静转矩、静态稳定特性等 。
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压 要求操作人员技
式 术熟练。
优点
缺点
操作简便；编程容 瞬时输出功率大； 易；能实现定位伺 过载差；一旦卡 服控制；响应快、 死，会引起烧毁 易与计算机（CPU） 事故；受外界噪 连接；体积小、动 音影响大。 力大、无污染。
气源方便、成本低； 功率小、体积大、 无泄露而污染环境； 难于小型化；动 速度快、操作简便。 作不平稳、远距
混合型（HB-Hybrid）步进电机 ——转子为 导磁体和永磁铁的组合。
· 按定子绕组对数分类：
分为2相、 3相、 4相、 5相、 10相等步进电机 。
· 按定子绕组通电极性分类：
分为单极性和双极性步进机电电一机体化系。统执行元件的选择与设 计
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（3）步进电动机的工作原理
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3.3 步进电动机与驱动
3.3.1 步进电动机的特点、种类、工作原理
（1）步进电动机的特点
① 控制精度由步进角决定（
）。
② 抗干扰能力强，在电机电特性工作范围内 ，不产生丢步或无法工作等现象。
③ 电机每转动一步进角，尽管存在一定的转 角误差，但电机转动360时，转角累计误差 将归零。
直流伺服电动机的调速控制如下图所示。
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直流电机的调速方式
由于直流伺服电机的机械特性方程为：
式中，UC —电枢控制电压；R —电枢回路电 阻；
Φ —每极磁通；Ce、Ct—分别为电动机
的结构常数。 由此，直流伺服电机的控制方式如下： （1）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速） （2）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速） （3）改变电枢回路电阻调速
运转转矩随频率的增加而降低，称矩－频特 性。
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•矩－角特性曲线族
机电一体化系统执行元件的选择与设 计
3.3.3 步进电机的驱动与控制
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步进电机的驱动电路：主要由脉冲分配器 和功率放大器两部份组成。
变频控制信号：主要有脉冲频率信号和方 向控制信号。
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执行元件的特点
•1. 电气执行元件
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
2．液压式执行元件
稳定工作区域θr越接近静态稳定工作区域θe，越
不容易丢步。
起动转矩Tq：两相（A、B）矩－角特性之交
点Tq表示步进电机单相励磁时所能带动的极限 负载转矩，与步进电机的相数和通电方式有关。
•矩－ 角 •特性 •曲线 机电一体化系统执行元件的选择与设
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进最电高机连连续续运运转转频时率所f能ma接x及受矩的－最频高特控性制：频步率 fmax，称最高连续运转频率；步进电机连续
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常用的步进电机细分驱动电路
功管工率V作T开的原关导理管通：V电T由d流1基~大V极T小开d5，的关即通电步断压进，U1电从~U机而5控线控制圈制多绕功路组放 电流的大小，实现对步进电机步进量的细分。
特点：功率开关管工作在开关状态，功耗 很低，但器件多、体积大。
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•多路功率开关细分电路 机电一体化系统执行元件的选择与设 计
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单功率放大细分驱动电路
机电一体化系统执行元件的选择与设 计
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阶梯波控制信号的产生与放大方法
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分先放大后叠加；先叠加后放大两种方法。
机电一体化系统执行元件的选择与设 计
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3.2.2 伺服控制电动机基本特性
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无论动力用伺服控制电动机，还是控制用 伺服控制电动机，功率—转速—转矩的电特 性是电机重要的基本特性指标之一。
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• 对于伺服控制电机而言，恒转矩工作特 性是衡量电机调速性能的重要参数之一。
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3.2.1 机电一体化系统 对伺服控制电动机的基本要求
为实现运动、功率/能量、控制运动方式的转 换，对伺服控制电动机提出了一些基本要求。 （1）性能密度大。即功率密度 Pw=P/G 或比功 率密度 Pbw=(T2/J)/G 大。 （2）快速性好。加速度大、响应特性好。 （3）位置控制与速度控制精度高、调速范围 大、低速平稳性好、分辨率高以及振动噪音小 。 （4）能适应频繁启动，可靠性高、寿命长。 （5）易于与计算机对接，实现计算机控制。
当第一个脉冲通入A相时，磁通企图沿着磁 阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下， 转子的1、3齿要和A级对齐。当下一个脉冲 通入B相时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭 合，即2、4齿要和B级对齐，则转子就顺逆 时针方向转动一定的角度：
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高低压功率放大器
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特点：具有高压驱动 ，电流增长速度快、 前沿变陡，电机的扭 矩和频率得到提高。
•特点：仅在脉冲开始时接通高 压电源，其余时间仅接通低压电 源供电。具有功效高、电流上升 率高、高速运转性能好，但波形 陡有时存在过冲现象，谐波丰富， 在低速运转时易产生振动。
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
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， 与液压式执行元件没有区别。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，故不能在定位精度要求较高的场合使用。
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CH250 管角定义与三相六拍工作状态的接线图
机电一体化系统执行元件的选择与设
计
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（2）功率放大器
功率放大器是实现控制信号与步进电机匹配的 重要组件。
常见的步进电机功率放大器的组成与特点如下 ：
· 单电压功率放大电路
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•特点：电路结构简单，但串联R2消耗能量降低放 大功率；电感较大使电路对脉冲反应较慢,输出波形 差。主要用于转速要求不高的小型步进电机控制。
失调角示意图
矩－角特性曲线 机电一体化系统执行元件的选择与设 计
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（3）动态特性
动态特性参数：主要指动态稳定区、启动转矩 、矩－频特性、惯－频特性等。
动态稳定区：在步进电机从A相转换为B（或
AB）相通电，不产生丢步时的稳定工作区域θr
。从图中可以得出，步进电机工作的拍数越多，
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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、
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闭环控制三种。
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德 达 理
如图所示数控机床伺服系统。
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• 它由控制器、被控对象、反馈测量装 置等部分组成。
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④ 控制性能好，不会产生“丢步 ”现象（ 频繁启动、停止、变换）。
⑤易于与计算机实现对接。
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（①2）种步类进电动机的种类
· 按转子构成分类：
可变磁组型（VR）步进电机 ——转子为导磁 体，也称反应式步进电机。
永磁型（PM）步进电机 ——转子为永磁铁 。
软件分频——可充分利用计算机资源降低 硬件成本，可适用多相脉冲分配，但将占用 计算机运行时间，影响步进电机的运行速度 。
IC集成电路分频（DDT分频器）——灵活性 强，可搭接成任意通电顺序的环形分配器， 不站用计算机的工作时间。
机电一体化系统执行元件的选择与设 计
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• 专用环形分频器——使 用方便，接口简单，专业化 生产质量可靠，成本低等。 如：CH250三相绕组分频 器 ；L297和PMM8714两相 绕组分频器；PMM8713五 相绕组电机分频器等。
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执行元件的特点以及优缺点
种类
特点
可用商业电源；
电 信号与动力传送 气 方向相同；有交 式 流直流之分；注
意使用电压和功 率。
气体压力源压力
气 5~7×Mpa；要 压 求操作人员技术 式 熟练。
液
液体压力源压力 20~80×Mpa；
机电一体化系统执行元 件的选择与设计
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机电一体化系统执行元件的选择与设 计
第三章 机电一体化系统 执行元件的选择与设计
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第3.1节 执行元件
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德 达 理
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执行元件——是将控制信号转换成机 械运动和机械能量的转换元件。
3.1.1 执行元件的种类及特点
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步进电机驱动电路的组成
机电一体化系统执行元件的选择与设 计
一种四相步进电机驱动实用电路
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机电一体化系统执行元件的选择与设 计
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（1）环形脉冲分配器
由于步进电机的工作原理是各绕组必须按 一定的顺序通电变化才能正常工作（A B C A B ……；A AB B BC C CA A AB B ……），完成这种通电顺序变化规律 的部件称为环形脉冲分配器。实现脉冲环形 分配的方法主要有三种：• •厚源自励 志 勤德 达 理
工
（4）步进电机的微机控制
主要分为：串行控制和并行控制两种方法
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串行控制方式
并行控制方式
机电一体化系统执行元件的选择与设 计
3.4 直流（DC）伺服电动机及其驱动
3.4.1 直流（DC）伺服电动机工作原理
• •
厚
励 志 勤
德 达 理
工
通过电刷和转换器产生的整流作用，使磁 场磁动势和电枢电流磁动势正交，从而产生 转动力矩。使用直流供电，实现速度和方向 调节控制，主要通过对直流电压/电流的大 小和方向进行调节来实现。
（1）惯量小，动力大。 （2）体积小，重量轻。 （3）安装方便、便于维修维护。 （4）易于实现自动化控制。
3.2 机电一体化系统常用的控制电动机
常用伺服控制电动机 ： DC/AC电动机、力矩电动机、步进（脉冲 ）电动机、变频调速电动机、开关电磁电动 机以及其他电动机（直流或交流脉宽调速电 动机、电磁伸缩元件）等。
机电一体化系统执行元件的选择与设 计
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恒流源功率放大器
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机电一体化系统执行元件的选择与设 计
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（3）细分驱动电路
采用细分驱动电路的目的：整步运转或半 步运转基础上，不改变步进电机结构，提高 步进电机的运转、控制精度 。
细分驱动电路的基本工作原理 ：对每一控 制脉冲，细分使其电流逐步增加达到脉冲的 最 最大 小电 电流流（（I0m）ax），，从又而逐可步实减现少高达精到度脉运冲转的、 控制、分辨，以及提高步进精度。