《动力系统设计》PPT课件.ppt

第3章 动力系统设计3.1 动力元件的种类和主要特性3.2 动力元件的选择与计算教学目标1.了解常用的动力元件及特性2.掌握动力元件的选择与计算方法3.1 动力元件的种类和主要特性 动力元件（执行元件）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（联接）部位的能量转换元件。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、电磁铁、继电器、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。电机电机机械执行部件机械执行部件A相、B相C相、f、nCNC插补指令插补指令脉冲频率脉冲频率f脉冲个数脉冲个数n换算换算脉冲环形脉冲环形分配变换分配变换功率功率放大放大电机电机3.1.1 执行元件的种类及特点执执行行元元件件电磁式电磁式液压式液压式气压式气压式其它其它电动机电动机电磁铁及其它电磁铁及其它交流交流(AC)(AC)伺服电动机伺服电动机直流直流(DC)(DC)伺服电动机伺服电动机步进电动机步进电动机其它电动机其它电动机油缸油缸液压马达液压马达气缸气缸气动马达气动马达与材料有关与材料有关压电元件压电元件形状记忆合金形状记忆合金双金属片双金属片(1)电气式执行元件电气式执行元件包括控制用电动机(步进电动机、Dc和Ac伺服电动机)、静电电动机、磁致伸缩器件、压电元件、超声波电动机以及电磁铁等。要求：v稳速运转性能；v具有良好的加速、减速性能；v伺服性能等动态性能；v频繁使用时的适应性；v便于维修性能。电气式执行元件中微量位移用器件：电磁铁是由线圈和衔铁两部分组成，结构简单，由于是单向驱动，故需用弹簧复位，用于实现两固定点间的快速驱动；压电驱动器是利用压电晶体的压电效应来驱动运行机构作微量位移的；电热驱动器是利用物体(如金属棒)的热变形来驱动运行机构的直线位移，用控制电热器(电阻)的加热电流来改变位移量，由于物体的线膨胀量有限，位移量当然很小，可用在机电一体化产品中实现微量进给。(2)液压式执行元件液压式执行元件主要包括往复运动的油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸占绝大多数。新型数字式液压式执行元件，例如电-液伺服马达和电-液步进马达最大优点是：比电动机的转矩大，可以直接驱动运行机构；转矩/惯量比大，过载能力强，适合于重载的高加减速驱动。电-液式马达在强力驱动和高精度定位时性能好，而且使用方便。(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。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。3.1.2 对执行元件的基本要求（1）惯量小，动力大。惯量小，动力大。表征执行元件惯量的性能指标：表征执行元件惯量的性能指标：m(直线运动）、转动惯量直线运动）、转动惯量J（回转运动）（回转运动）表征输出动力的性能指标：推力表征输出动力的性能指标：推力F、转矩、转矩T、功率、功率P对直线运动：对直线运动：a=F/m；对回转运动：；对回转运动：P=T，=T/J。即加速度。即加速度a与角加速度与角加速度表征了执行元件的加速性能。表征了执行元件的加速性能。比功率比功率：表征动力大小的综合指标表征动力大小的综合指标，包含功率、加速性能与，包含功率、加速性能与转速三种因素，即比功率转速三种因素，即比功率P/=T2/J3.1.2 对执行元件的基本要求（2）体积小，重量轻:用功率密度或比功率密度来评价 功率密度P/G；比功率密度(T2/J)/G，其中G为执行元件重量。（3）安装方便、便于维修维护。最好不要维修，无刷DC及AC伺服电机走向无维修（4）易于实现自动化控制：主流是电气式。其次是液压式和气压式(在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节)。内燃机定位运动的微机控制较难，故通常仅被用于交通运输机械。机机电系系统常用的控制常用的控制电动机机控制用电动机有力力矩矩电动机机、脉脉冲冲（步步进）电动机机、变频调速速电动机机、开开关关磁磁阻阻电动机机和和各各种种AC/DCAC/DC电动机机等。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广泛应用。控制用电动机有回转和直线驱动电动机，通过电压、电流、频率(包括指令脉冲)等控制，实现定速、变速驱动或反复起动、停止的增量驱动以及复杂的驱动，而驱动精度随驱动对象的不同而不同。机电一体化系统中常用的控制用电动机是指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电动机。伺服系统定义伺服系统定义以移动部件的以移动部件的位置位置和和速度速度作为控作为控制量的自动控制系统制量的自动控制系统.伺服系统的作用伺服系统的作用:接受机电装置发来的进给脉冲指令信号，经过信号变换和电接受机电装置发来的进给脉冲指令信号，经过信号变换和电压、功率放大由执行元件压、功率放大由执行元件(伺服电机伺服电机)将其转换成角位移或直将其转换成角位移或直线位移，驱动运动部件实现加工所需要的运动线位移，驱动运动部件实现加工所需要的运动.伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变量通常是伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变量通常是机械机械或位置的运动或位置的运动，根本任务根本任务是实现执行机构对给定指令的准确跟是实现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态能够自动、连续、精确地复现踪，即实现输出变量的某种状态能够自动、连续、精确地复现输入指令信号的变化规律。输入指令信号的变化规律。一、伺服系统一、伺服系统（一）概念（一）概念 （二（二)、伺服系统的基本组成、伺服系统的基本组成 由以下由以下4 4部分组成：部分组成：控制器；控制器；功率驱动装置；功率驱动装置；检测反馈装置；检测反馈装置；伺服电机伺服电机(M).(M).例：数控机床伺服系统例：数控机床伺服系统伺服系统结构图伺服系统结构图1 1、开环伺服系统、开环伺服系统(1)组成：步进电机；驱动控制电路(控制器).1 1、开环伺服系统、开环伺服系统(2)(2)开环伺服系统特点开环伺服系统特点 没有位置和速度反馈回路没有位置和速度反馈回路;设备投资低，调试维修方便设备投资低，调试维修方便;精度差；精度差；高速扭矩小高速扭矩小.(3)(3)开环伺服系统应用场合开环伺服系统应用场合 中、低档数控机床中、低档数控机床;普通机床数控改造普通机床数控改造.2、闭环与半与半闭环伺服系伺服系统 (1)闭环伺服系统组成示意图闭环伺服系统组成示意图 组成：组成：控制器；控制器；功率驱动电路；功率驱动电路；检测反馈装置；检测反馈装置；伺服电机伺服电机.(2)(2)闭环伺服系统的特点闭环伺服系统的特点 精度高精度高 位置测量没有中间环节，可通过闭环控制位置测量没有中间环节，可通过闭环控制消除整个环内传动链的全部累积误差消除整个环内传动链的全部累积误差.闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上，检测装置测出实际位移量或者实的工作台上，检测装置测出实际位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给际所处位置，并将测量值反馈给CNCCNC装置，与指装置，与指令进行比较，求得差值，依此构成闭环位置控令进行比较，求得差值，依此构成闭环位置控制，直到差值为零制，直到差值为零.结构复杂、调整困难结构复杂、调整困难 由于闭环系统位置环内包含的机械传动部由于闭环系统位置环内包含的机械传动部件比较多件比较多,因此闭环系统结构复杂、调整困难因此闭环系统结构复杂、调整困难.(3)(3)半闭环与闭环伺服系统区别半闭环与闭环伺服系统区别半闭环位置检测半闭环位置检测 装置安装位置：装置安装位置：注意注意:半闭环位置检测半闭环位置检测装置安装位置装置安装位置在滚珠在滚珠丝杠或电机轴上丝杠或电机轴上,而而不是工作台上不是工作台上.半开环系统(3)(3)半闭环与闭环伺服系统区别半闭环与闭环伺服系统区别 精度较低精度较低 传动链有一部分在位置闭环以外，其传传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差没有得到系统的补偿，因而半闭环动误差没有得到系统的补偿，因而半闭环伺服系统的精度低于闭环系统伺服系统的精度低于闭环系统.调整比较容易调整比较容易(4)(4)半闭环和闭环伺服系统应用场合半闭环和闭环伺服系统应用场合 注意注意:半闭环系统应用较多半闭环系统应用较多,闭环系统一般只闭环系统一般只用在精度要求较高的大型数控机床上用在精度要求较高的大型数控机床上.图 伺服电动机控制方式的基本形式 为实现运动、功率为实现运动、功率/能量、控制运动方式的转能量、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。换，对伺服控制电动机提出了一些基本要求。（1）性能密度大性能密度大。即功率密度。即功率密度 Pw=P/G 或比或比功率密度功率密度 Pbw=(T2/J)/G 大。大。（2）快速性好快速性好。即加速转矩大、频响特性好。即加速转矩大、频响特性好。（3）位位置置控控制制与与速速度度控控制制精精度度高高、调调速速范范围围大大、低低速速平平稳稳性性好好、分分辨辨率率高高以以及及振振动动噪噪音小。音小。（4）能适应频繁启动能适应频繁启动，可靠性高、寿命长。，可靠性高、寿命长。（5）易于与计算机对接易于与计算机对接，实现计算机控制。，实现计算机控制。（二）、（二）、机电系统对伺服控制电动机的基本要求机电系统对伺服控制电动机的基本要求 二、常用电动机的种类、特点及二、常用电动机的种类、特点及选用选用在机电一体化系统中使用两类电动机在机电一体化系统中使用两类电动机,一类为一类为动力用电动动力用电动机机,如感应式异步电动机和同步电动机等如感应式异步电动机和同步电动机等;另一类为另一类为控制用控制用电动机电动机,如力矩电动机、脉冲电动机、开关磁阻电动机、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变频调速电动机和各种AC/DCAC/DC电动机等。电动机等。不不同同的的应应用用场场合合，对对控控制制用用电电动动机机性性能能密密度度的的要要求求也也有有所所不同：不同：对对于于起起停停频频率率低低(如如几几十十次次分分)，但但要要求求低低速速平平稳稳和和扭扭矩矩脉脉动动小小，高高速速运运行行时时振振动动、噪噪声声小小，在在整整个个调调速速范范围围内内均均可可稳稳定定运运动动的的机机械械，如如NCNC工工作作机机械械的的进进给给运运动动、机机器器人人的驱动系统，其的驱动系统，其功率密度功率密度是主要的性能指标；是主要的性能指标；对对于于起起停停频频率率高高(如如数数百百次次分分)，但但不不特特别别要要求求低低速速平平稳稳性性的的产产品品，如如高高速速打打印印机机、绘绘图图机机、打打孔孔机机、集集成成电电路路焊接装置等主要的性能指标是焊接装置等主要的性能指标是高比功率高比功率。在在额额定定输输出出功功率率相相同同的的条条件件下下,交交流流伺伺服服电电动动机机的的比比功功率率最高、最高、直流伺服电动机次之、步进电动机最低。直流伺服电动机次之、步进电动机最低。伺服电动机优缺点比较 步进电动机及其驱动步进电动机及其驱动一、步进电动机的特点与种类一、步进电动机的特点与种类 1.1.步步进电动机的特点机的特点 步步进电动机机又又称称脉脉冲冲电动机机。它它是是将将电脉脉冲冲信号信号转换成成机械角位移机械角位移的的执行元件。行元件。输入入一一个个电脉脉冲冲就就转动一一步步，即即每每当当电动机机绕组接接受受一一个个电脉脉冲冲，转子子就就转过一一个个相相应的的步步距距角角。转子子角角位位移移的的大大小小及及转速速分分别与与输入入的的电脉脉冲冲数数及及频率率成成正正比比，并并在在时间上上与与输入脉冲同步入脉冲同步。只只要要控控制制输入入电脉脉冲冲的的数数量量、频率率以以及及电动机机绕组通通电相相序序即即可可获得得所所需需的的转角角、转速速及及转向向，很容易用微机，很容易用微机实现数字控制。数字控制。一、步进电动机的特点与种类一、步进电动机的特点与种类步步进电动机具有以下特点：机具有以下特点：步步进电动机机的的工工作作状状态不不易易受受各各种种干干扰因因素素的的影影响响(如如电源源电压的的波波动、电流流的的大大小小与与波波形形的的变化化、温温度度等等)的的影影响响，只只要要在在它它们的的大大小小未未引引起起步步进电动机机产生生“丢步步”现象象之之前前，就不影响其正常工作；就不影响其正常工作；步步进电动机机的的步步距距角角有有误差差，转子子转过一一定定步步数数以以后后也也会会出出现累累积误差差，但但转子子转过一一转以以后后，其其累累积误差差变为“零零”，因此不会，因此不会长期期积累累；控制性能好控制性能好,在起在起动、停止、反、停止、反转时不易不易“丢步步”。不需要不需要传感器感器进行反行反馈，可以，可以进行开行开环控制；控制；缺点是能量效率缺点是能量效率较低。低。因此，步因此，步进电动机被广泛机被广泛应用于用于开开环控制的机控制的机电一体化一体化系系统，使系，使系统简化，并可靠地化，并可靠地获得得较高的位置精度。高的位置精度。步进电动机与DC和AC伺服电动机相比其转矩、效率、精度、高速性比较差，但步进电动机具有低速时转矩大、速度控制比较简单、外形尺寸小等优点，所以在办公室自动化方面的打印机、绘图机、复印机等机电一体化产品中得到广泛使用，在工厂自动化方面也可代替低档的DC伺服电动机。一、步进电动机的特点与种类一、步进电动机的特点与种类2 2、开环步进伺服系统的工作原理、开环步进伺服系统的工作原理 组成组成:步进电机步进电机 驱动电路驱动电路步进电机接受驱动电路控制，将进给脉冲序列转换成为具有步进电机接受驱动电路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动带动工作台移动.l驱动速度：驱动速度：进给脉冲的频率代表了驱动速度；进给脉冲的频率代表了驱动速度；l位移量：位移量：脉冲的数量代表了位移量；脉冲的数量代表了位移量；l运动方向运动方向：步进电机的各相通电顺序来决定；：步进电机的各相通电顺序来决定；注意：注意：由于由于开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统系统没有反馈检系统没有反馈检测环节，其测环节，其精度主要由步进电机来决定精度主要由步进电机来决定，速，速度也受到步进电机性能的限制度也受到步进电机性能的限制.2、开环步进伺服系统的工作原理、开环步进伺服系统的工作原理 3.3.步步进电动机的种机的种类(1)(1)按转矩产生原理分按转矩产生原理分 可可变磁阻磁阻(VR-Variable Reluctance),也叫反也叫反应式步式步进电动机机永磁永磁(PM-Permanent Magnet)型型混合混合(HB-Hybrid)型型(2)(2)按输出力矩大小分按输出力矩大小分 伺服式伺服式：输出力矩小于：输出力矩小于1(1(Nm)只能只能驱动较小的负载驱动较小的负载,与液压扭矩放大器配合驱与液压扭矩放大器配合驱动较大的负载动较大的负载.功率式：功率式：输出力矩在输出力矩在5 550N50Nm m以上，以上，可以直接驱动机床工作台等较大的负载可以直接驱动机床工作台等较大的负载.(3)(3)按定子数分按定子数分 单定子式；单定子式；双定子式；双定子式；三定子式；三定子式；多定子式多定子式.(4)(4)按各相绕组分布分按各相绕组分布分 径向分相式：电机各相按圆周依次排列径向分相式：电机各相按圆周依次排列;轴向分相式：电机各相按轴向依次排列；轴向分相式：电机各相按轴向依次排列；(5)(5)按相数分按相数分 三相；三相；四相；四相；五相；五相；六相六相.3.步步进电动机的种机的种类3.步进电动机的种类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。其结构原理如图所示。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型。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型步进电动机的铁心无极性，故不需改变电流极性，多为单极性励磁。2)永磁(PM-Permanent Magnet)型PM型步进电动机的转子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。3)3)混合混合(HB-Hybrid)(HB-Hybrid)型型该型步进电机不仅具有VR型步进电动机步距角小、响应频率高的优点，而且还具有PM型步进电动机励磁功率小、效率高的优点。它的定子与VR型没有多大差别，只只是是在在相相数数和和绕组接接线方方面面有有其其特特殊殊的的地地方方，例如，VR型一般都做成集中绕组的形式，每极上放有一套绕组，相对的两极为一相，而HB型型步步进电动机机的的定定子子绕组大大多多数数为四四相相，而而且且每每极极同同时绕两两相相绕组或或采采用用桥式式电路路绕一相一相绕组，按正反脉冲供，按正反脉冲供电。HB型的电动机由转子子铁心心的的凸凸极极数数和和定定子子的的副副凸凸极极数数决决定定步步距距角角的的大大小小，可制造出步距角较小(0.93.6)的电动机。永久磁铁也可磁化轴向的两极，可使用轴向各向异性磁铁制成高效电动机。常见步进电机外形构造二、二、(反应式反应式)步步进电动机的工作原理机的工作原理步进电机的内部构造步进电机的内部构造.步进电机驱动器步进电机驱动器 主要有以下主要有以下2 2部分部分:定子定子:铁心；铁心；绕组绕组.转子转子.二、步二、步进电动机的工作原理机的工作原理下图是一典型的径向三相反应式旋转步进电机结构原理图.定子定子:定子上有定子上有6 6个均匀分个均匀分布的磁极；布的磁极；每个磁极上绕有励磁每个磁极上绕有励磁绕组绕组.两相对的磁极上的绕两相对的磁极上的绕组串联在一起，构成组串联在一起，构成一相控制绕组一相控制绕组.形成形成三对磁极三对磁极.二、步二、步进电动机的工作原理机的工作原理步进电机可构步进电机可构成成A A、B B、C C三相三相控制绕组控制绕组.定子的每个磁定子的每个磁极正对转子的极正对转子的圆弧面上都均圆弧面上都均匀分布着匀分布着5 5个小个小齿，齿与槽的齿，齿与槽的宽度相等宽度相等.二、步二、步进电动机的工作原理机的工作原理 转子转子:转子上无绕组，转子上无绕组，只有均匀分布只有均匀分布的的4040个小齿，个小齿，大小、间距与大小、间距与定子相同，齿定子相同，齿间夹角为间夹角为9 9.二、步二、步进电动机的工作原理机的工作原理三相定子磁极上的小齿在空间位置上与转子依次错三相定子磁极上的小齿在空间位置上与转子依次错开开1/31/3个齿距，请看上图个齿距，请看上图.当当A A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B B相磁相磁极上的小齿刚好超前极上的小齿刚好超前(或滞后或滞后)1/3)1/3齿齿.即即3.3.C C相磁极上的小齿超前相磁极上的小齿超前(或滞后或滞后)2/3)2/3个齿，即个齿，即6.6.二、步二、步进电动机的工作原理机的工作原理注意:转子上圆周均匀分布着40个小齿;定子磁极上的小齿相对转子小齿在空间位置上依次错开1/3个齿距，(1)(1)步进电机的通电方式步进电机的通电方式 通电方法：通电方法：各相轮流通电各相轮流通电.当某一相通电时当某一相通电时,其它相必须断电其它相必须断电.定子有定子有3 3种通电方式种通电方式:每种通电方式都能变换每种通电方式都能变换轮回方向轮回方向.3 3种通电方式如下种通电方式如下:单相轮流通电单相轮流通电;双相轮流通电双相轮流通电;单、双相轮流通电单、双相轮流通电.单相轮流通电单相轮流通电(三相单三拍三相单三拍)顺时针轮回顺时针轮回 ABCAABCA 逆时针轮回逆时针轮回 ACBAACBA 完成一次通电状态循环完成一次通电状态循环,转子走转子走3 3步步,称三拍称三拍.故对故对三相步进电机来说，称此通电方式为三相单三拍三相步进电机来说，称此通电方式为三相单三拍.二、步二、步进电动机的工作原理机的工作原理 双相轮流通电双相轮流通电(三相双三拍三相双三拍)顺时针轮回顺时针轮回 ABBCCAABABBCCAAB 逆时针轮回逆时针轮回 BAACCBBABAACCBBA 完成一次通电状态循环，转子仍走完成一次通电状态循环，转子仍走3 3步，也称三拍，步，也称三拍，但此时有两相通电但此时有两相通电.故对三相步进电机来说，称此故对三相步进电机来说，称此通电方式为通电方式为三相双三拍三相双三拍.单、双相轮流通电单、双相轮流通电(三相六拍三相六拍)顺时针轮回顺时针轮回 AABBBCCCAAAABBBCCCAA 逆时针轮回逆时针轮回 AACCCBBBAAAACCCBBBAA 完成一次通电状态循环，转子需走完成一次通电状态循环，转子需走6 6步，称六拍步，称六拍.故对三相步进电机来说，称此通电方式为三相六拍故对三相步进电机来说，称此通电方式为三相六拍.二、步二、步进电动机的工作原理机的工作原理 步进电机的工作步进电机的工作原理实际上是原理实际上是电磁铁电磁铁的作用原理的作用原理.首先首先,让我们来看让我们来看一下一个最简单的步一下一个最简单的步进电机进电机,也就是只有也就是只有4 4个齿的步进电机个齿的步进电机.二、步二、步进电动机的工作原理机的工作原理 二、步进电机的工作原理二、步进电机的工作原理 三相单三拍三相单三拍 顺时针转顺时针转:按顺序按顺序 ABCAABCA通电，通电，由于在磁场作用下由于在磁场作用下,转子总是力图旋转到磁阻转子总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种情最小的位置，故在这种情况下况下,转子必然转到图所转子必然转到图所示位示位,1,1、3 3齿与齿与A A、AA极极对齐对齐.CABBCA3412 同理同理,B,B相通电时相通电时,转子会转过转子会转过3030 角，角，2 2、4 4齿与齿与B B、B B磁极轴线对齐；当磁极轴线对齐；当C C相通电时，转相通电时，转子再转过子再转过3030 角，角，1 1、3 3齿和齿和C C、C C磁极轴线对磁极轴线对齐齐.这种工作方式下,三个绕组轮流通电一次为一个循环周期,一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式.按按A AB B C C A A 的的顺序给三相绕组轮流通电，顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步按转子便一步一步按顺时针转顺时针转动动起来起来.每一拍转过每一拍转过 30(30(步距角步距角)，每个通电，每个通电循环周期循环周期(3(3拍拍)转过转过9090 (一个齿距角一个齿距角).).逆时针转逆时针转:按按ACBAACBA顺顺序通电序通电,首先首先给给A A相通相通电电,由于在磁场作用由于在磁场作用下下,转子必然转到右转子必然转到右图所示位图所示位,1,1、3 3齿与齿与A A、AA极对齐极对齐.CABBCA3412二、步二、步进电动机的工作原理机的工作原理 同理同理,C C相通电时相通电时,转子会转过转子会转过3030 角，角，2 2 ,4,4 齿与齿与C C、C C磁极轴线对齐；磁极轴线对齐；当当B B相通电时相通电时，转子再转过，转子再转过3030 角，角，1 1、3 3齿和齿和B B、B B磁极轴线对齐磁极轴线对齐.二、步二、步进电动机的工作原理机的工作原理 按ACBA 的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步逆时针转动起来.与顺时针转动相似每一拍转过30(步距角)，每个通电循环周期(3拍)转过90(一个齿距角).二、步二、步进电动机的工作原理机的工作原理 结论结论(三相单三拍三相单三拍):三相反应式步进电动机运行时三相反应式步进电动机运行时,每个循环周期分每个循环周期分为为3 3拍拍.每拍转子转过每拍转子转过3030（步距角）（步距角）,一个通电循环周一个通电循环周期期 (3(3拍拍)转子转过转子转过9090 (齿距角齿距角).).注意注意:运行不稳定运行不稳定,易失步易失步(切换瞬间切换瞬间,各相都断电而没各相都断电而没 有自锁转矩有自锁转矩)精度低精度低.单三拍单三拍与六拍驱动方式六拍驱动方式相比步进角大步进角大.二、步二、步进电动机的工作原理机的工作原理 三相六拍三相六拍三相六拍三相六拍 按按A AABABB BBCBCC CCACA的顺序的顺序给三相绕组轮流通电给三相绕组轮流通电.这种方式可这种方式可以获得更精确的控制特性以获得更精确的控制特性.AA相通电相通电,转子转子1 1、3 3齿与齿与A A、A A对对齐齐.AA、B B相同时通电相同时通电,A A、A A 磁极拉磁极拉住住1 1、3 3齿，齿，B B、B B 磁极拉住磁极拉住2 2、4 4齿，转子转过齿，转子转过1515，到达右图所示到达右图所示位置位置.二、步二、步进电动机的工作原理机的工作原理 BB 相通电，相通电，转子转子2 2、4 4齿齿与与B B、B B 对齐对齐,又转过又转过1515.BB、C C相同时通电，相同时通电，C C 、C C 磁极拉住磁极拉住1 1、3 3齿，齿，B B、B B 磁极拉住磁极拉住2 2、4 4齿，转子再齿，转子再转过转过1515.二、步二、步进电动机的工作原理机的工作原理结论结论(三相六拍三相六拍):):三相反应式步进电动机以三相六拍运行时三相反应式步进电动机以三相六拍运行时,每个每个 循环周期分为六拍循环周期分为六拍.每拍转子转过每拍转子转过1515（步距角）（步距角）,一个通电循环周一个通电循环周期期(6(6拍拍)转子转过转子转过9090 (齿距角齿距角).).注意注意:精度高精度高.六拍驱动方式的步进角更小六拍驱动方式的步进角更小,更适用于更适用于 需要精确定位的控制系统中需要精确定位的控制系统中.运行稳定运行稳定,不易失步不易失步(切换时切换时,总有一相保持通电总有一相保持通电).).二、步二、步进电动机的工作原理机的工作原理三相双三拍三相双三拍 按按AB AB BC BC CACA的顺序给三相绕组轮流通电的顺序给三相绕组轮流通电.每拍有两相绕组同时通电每拍有两相绕组同时通电.原理不在赘述原理不在赘述.结论结论:与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循循 环周期也分为三拍环周期也分为三拍.每拍转子转过每拍转子转过3030 (步距角步距角),),一个通电循环周期一个通电循环周期(3(3拍拍)转子转过转子转过9090(齿距角齿距角)优点优点:两相同时通电两相同时通电,力矩大力矩大;两相同时通电两相同时通电,运行平稳运行平稳,不易失步不易失步.二、步二、步进电动机的工作原理机的工作原理实际步进电机的工作原理 我们在前面介绍了转子上有40个齿的步进电机的结构.由于其结构比较复杂,为分析方便,我们将转子和定子沿圆周方向展开,可以得到下图.二、步二、步进电动机的工作原理机的工作原理l当当A A相绕组通电相绕组通电时，转子的齿与定子时，转子的齿与定子A A上的齿对齐；上的齿对齐；l当当A A相断电，相断电，B B相绕组通电相绕组通电时，转子的齿与定子时，转子的齿与定子B B上上的齿对齐，电机转过的齿对齐，电机转过3.3.l当定子绕组按当定子绕组按A A B B C C A A顺序轮流通电时顺序轮流通电时,三对磁三对磁极就依次产生磁场，步进电机就不停的转动极就依次产生磁场，步进电机就不停的转动.l若通电顺序改为若通电顺序改为A A C C B B A A步进电机将沿相反方向步进电机将沿相反方向转动转动.结论结论:对于转子上有对于转子上有4040个小齿的三相电机个小齿的三相电机 三相双三拍三相双三拍:定子通电状态改变一次转子转过定子通电状态改变一次转子转过3.3.三相六拍三相六拍:定子通电状态改变一次转子转过定子通电状态改变一次转子转过1.5.1.5.二、步二、步进电动机的工作原理机的工作原理(3)(3)工作原理小结工作原理小结 步进电机每次转过一个确定的角度步进电机每次转过一个确定的角度,即步距角即步距角；二、步二、步进电动机的工作原理机的工作原理式中：式中：m m为为相数相数,k,k为为通电方式系数通电方式系数。m m相相m m拍时拍时(如单相如单相或双相励磁时，或双相励磁时，k=1k=1；m m相相2m2m拍时拍时(如单双相励磁时如单双相励磁时)，k=2k=2；z z为为转子齿数转子齿数.通过改变通电顺序来改变旋转方向；通过改变通电顺序来改变旋转方向；通电状态的变化频率越高，转速就越高通电状态的变化频率越高，转速就越高.直流直流（DCDC）与交流与交流（ACAC）伺服电动机及驱动伺服电动机及驱动直流电动机具有良好的起、制具有良好的起、制动性能，宜性能，宜于在大范于在大范围内平滑内平滑调速速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖力拖动领域中得到了广泛的应用。(一一).直流伺服直流伺服电动机原理、特点机原理、特点1、工作原理工作原理：直流伺服直流伺服电动机的机的结构由永构由永磁体定子、磁体定子、线圈圈转子（子（电枢）、枢）、电刷和刷和换向器向器组成，磁成，磁场中的中的线圈通入圈通入电流流时，就，就会会产生生电磁力，磁力，驱动转子子转动。为了得到了得到连续的旋的旋转运运动，就必，就必须随着随着转子的子的转动角度不断改角度不断改变电流方向，因此，流方向，因此，必必须有有电刷和刷和换向器向器。2 特点：特点：有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性等优点；由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需要定期维修；在位置控制和速度控制时，必须使用角度传感器来实现闭环控制。直流与交流伺服直流与交流伺服电动机及机及驱动1.1.种类种类（1）小小惯量量直直流流伺伺服服电动机机：60年年代代研研制制，其其电枢枢无无槽槽，绕组直直接接粘粘接接固固定定在在电抠铁心心上上，因因而而转动惯量量小小、反反应灵灵敏敏、动态特特性性好好，适适用用于于高高速速且且负载惯量量较小小的的场合合，否否则需需根根据据其其具具体体的的惯量量比比设置置精精密密齿轮副副才才能能与与负载惯量匹配，增加了成本。量匹配，增加了成本。（2）直直流流印印刷刷电枢枢电动机机：是是一一种种盘形形伺伺服服电动机机，电抠由由导电板板的的切切口口成成形形，裸裸导体体的的线圈圈端端部部起起整整流流子子作作用用，这种种空空心心式式高高性性能能伺伺服服电动机机大大多多用用于于工工业机机器器人人、小小型型NC机床及机床及线切割机床上。切割机床上。（3）大大惯量量宽调速速直直流流伺伺服服电动机机：70年年代代研研制制成成功功。它它在在结构构上上采采取取了了一一些些措措施施，尽尽量量提提高高转矩矩改改善善动态特特性性，既既具具有有一一般般直直流流电动机机的的各各项优点点，又又具具有有小小惯量量直直流流电动机机的的快快速速响响应性性能能，易易与与较大大的的惯性性负载匹匹配配，能能较好好地地满足足伺伺服服驱动的的要要求求，因因此此在在数数控控机机床床、工工业机机器器人人等等机机电一体化一体化产品中得到了广泛品中得到了广泛应用。用。(二二)直流伺服直流伺服电动机种机种类与与选用用 2.选用用 宽调速直流伺服速直流伺服电动机机应根据根据负载条件条件来来选择。加在。加在电动机机轴上的有两种上的有两种负载，即，即负载转矩矩和和惯性性负载。根据根据负载情况，所情况，所选电机必机必须能能满足下列足下列条件：条件：（1）在整个）在整个调速范速范围内，其内，其负载转矩矩应在在电动机机连续额定定转矩范矩范围以内；以内；（2）工作）工作负载与与过载时间应在在规定的范定的范围以以内；内；（3）应使加速度与希望的使加速度与希望的时间常数一致；常数一致；（4）等效）等效惯性性负载与与电机的机的转子子惯量相匹配。量相匹配。(二)、直流伺服电动机种类与选用(三三)、直流伺服、直流伺服电动机的机的驱动直流伺服电动机为直流供电，为调节电动机转速和方向,需要对其直流电压的大小和方向进行控制。目前常用晶体管脉晶体管脉宽调速速驱动和晶晶闸管管直流直流调速速驱动两种方式。晶晶闸管直流管直流驱动（SCR）：）：主要通主要通过调节触触发装置控制晶体、装置控制晶体、闸管的触管的触发延延迟角来移角来移动触触发脉冲的相位，从而改脉冲的相位，从而改变整流整流电压的大小，使直的大小，使直流流电动机机电枢枢电压的的变化易于平滑化易于平滑调速。速。由于晶闸管本身的工作原理和电源的特点，导通后是利用交流(50Hz)过零来关闭的，因此，在低整流电压时，其输出是很小的尖峰值(三相全波时每秒300个)的平均值，从而造成电流的不连续性。采用脉采用脉宽调速速驱动系系统，开关开关频率高率高(20003000Hz)，伺服机构能，伺服机构能够响响应的的频带范范围也也较宽，与晶，与晶闸管相比，其管相比，其输出出电流脉流脉动非常非常小，接近于小，接近于纯直流直流。日日本本法法纳克克(FANUC)公公司司生生产的的用用于于工工业机机器器人人、CNC机机床床、加加工工中中心心(MC)的的L系系列列(低低惯量量系系列列)、M系系列列(中中惯量量系系列列)和和H系系列列(大大惯量系列直流伺服量系列直流伺服电动机）。机）。其中：其中：L系列适合于系列适合于频繁起繁起动、制、制动场合合应用，用，M系系列列是是在在H系系列列的的基基础上上发展展起起来来的的，其其惯量量较H系系列列小小，适适合合于于晶晶体体管管脉脉宽调制制(PWM)驱动，因因而而提提高高了了整整个个伺伺服服系系统的的频率响率响应。H系系列列是是大大惯量量控控制制用用电动机机，它它有有较大大的的输出功率，采用六相全波晶出功率，采用六相全波晶闸管整流管整流驱动。表中电动机型号带有H标志(如30MH)的表示该电动机装有热管冷却器，该电动机的有效尺寸与不带热管冷却器的同型号的相同，但其额定转矩大。二、二、交流交流(AC)伺服伺服电动机及其机及其驱动由由于于直直流流伺伺服服电动机机具具有有优良良的的调速速性性能能，因因此此长期期以以来来，在在要要求求调速速性性能能较高高的的场合合，直直流流电动机机调速速系系统一一直直占占据据主主导地地位位。但但直直流流伺伺服服电动机机结构构上上存存在在机机械械整整流流子子、电刷刷维护困困难、造造价价高高、寿寿命命短短、应用用环境受到限制的缺点境受到限制的缺点。近年来交流近年来交流驱动技技术有了有了飞速的速的发展，它展，它具有具有坚固耐用、固耐用、经济可靠及可靠及动态响响应好等好等优点。因此，点。因此，交流伺服系交流伺服系统已在很大程度已在很大程度上取代了直流伺服系上取代了直流伺服系统。交流伺服交流伺服电动机包括机包括同步型、感同步型、感应型型两种。两种。二、二、交流交流(AC)伺服伺服电动机及其机及其驱动在小功率伺服系在小功率伺服系统中，一般使用中，一般使用永磁式永磁式同同步步电动机机，因，因为它有它有优良的良的动态性能，性能，过载能力大等能力大等优点。点。感感应型型交流伺服交流伺服电动机机结构构简单，质量量轻，价格低，可用做主价格低，可用做主轴电机。目前的交流伺机。目前的交流伺服服驱动装置一般采用装置一般采用DSP的全数字化控制。的全数字化控制。对交流伺服交流伺服电动机的控制以机的控制以矢量控制矢量控制为基基础。3.2 动力元件的选择与计算3.2.1 概述设计机电系统时，选用何种形式的动力元件主要从以下三个方面进行分析比较:分析系统的负载特性和要求，包括系统的载荷特性、工作制度、结构布置和工作环境等;分析动力元件本身的机械特性，包括动力元件的功率、转矩、转速等特性，以及动力元件所能适应的工作环境，应使动力元件的机械特性与系统的负载特性相匹配;进行经济性的比较，当同时可用多种类型的动力元件进行驱动时，经济性的分析是必不可少的，包括能源的供应和消耗，动力元件的制造、运行和维修成本的对比等。根据各类动力元件的特点，选择时可