执行元件的分类及控制用电机的驱动

特点： 使用方便，接口简单
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）
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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
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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
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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