1、机电一体化系统执行元件机电一体化系统执行元件的选择与设计的选择与设计3.1 执行元件执行元件3.2 机电一体化系统（产品）常用的控制用电机机电一体化系统（产品）常用的控制用电机3.3 步进电动机及其驱动步进电动机及其驱动3.4 直流（直流（DC）伺服电动机及其驱动）伺服电动机及其驱动3.5 交流（交流（AC）伺服电动机及其驱动）伺服电动机及其驱动一、执行元件的种类及其特点一、执行元件的种类及其特点执执行行元元件件电磁式电磁式液压式液压式气动式气动式其它其它电动机电动机电磁阀及其它电磁阀及其它油缸油缸液压马达液压马达气缸气缸气压马达气压马达交流（交流（AC）伺服电动机）伺服电动机直流（直流（DC
2、）伺服电动机）伺服电动机步进电机步进电机其它电动机其它电动机双金属片双金属片形状记忆合金形状记忆合金压电元件压电元件与材料有关与材料有关种种类类优优 点点缺缺 点点电电气气式式操作简便；编程容易；能操作简便；编程容易；能实现定位伺服；响应快；实现定位伺服；响应快；易与易与CPU相接；体积小，相接；体积小，动力较大，无污染。动力较大，无污染。瞬时输出功率大；过载瞬时输出功率大；过载差；易受外部噪声影响。差；易受外部噪声影响。液液压压式式输出功率大，速度快，动输出功率大，速度快，动作平稳，可实现定位伺服；作平稳，可实现定位伺服；易与易与CPU相接，响应快相接，响应快设备难于小型化，液压设备难于小型
3、化，液压源或压力油要求严格，源或压力油要求严格，易泄漏且有污染。易泄漏且有污染。气气压压式式气源方便，成本低，无泄气源方便，成本低，无泄漏污染，速度快、操作比漏污染，速度快、操作比较简单较简单功率小，体积大，动作功率小，体积大，动作不够平稳；不易小型化，不够平稳；不易小型化，远距离传输困难，工作远距离传输困难，工作噪声大，难于伺服噪声大，难于伺服2、体积小，重量轻、体积小，重量轻JTP2 比功率比功率4、易于微机控制、易于微机控制3、便于维修、安装、便于维修、安装1、惯量小、动力大、惯量小、动力大机电一体化系统中的控制用电机：机电一体化系统中的控制用电机：是指能提供正确运动或较复杂是指能提供正
4、确运动或较复杂动作的伺服电动机。动作的伺服电动机。主轴电机主轴电机带制动器伺服电机带制动器伺服电机伺服电机伺服电机刀库刀具定位电机刀库刀具定位电机机械手旋转定位电机机械手旋转定位电机l开环控制方式开环控制方式l闭环控制方式闭环控制方式l半闭环控制方式半闭环控制方式指指令令输输入入运算处理电路运算处理电路驱动电路驱动电路步进步进电动机电动机滚珠丝杠滚珠丝杠执行机构执行机构指指令令输输入入滚珠丝杠滚珠丝杠执行机构执行机构运算处理电路运算处理电路驱动电路驱动电路伺服伺服电动机电动机速度传感器速度传感器位置检测传感器位置检测传感器（速度反馈）（速度反馈）（位置反馈）（位置反馈）指指令令输输入入运算处理
5、电路运算处理电路驱动电路驱动电路伺服伺服电动机电动机速度传感器速度传感器（速度反馈）（速度反馈）（位置反馈）（位置反馈）光栅光栅电电动动机机转转子子的的转转动动惯惯量量电电动动机机的的额额定定转转矩矩其其中中：比比功功率率功功率率密密度度 mNmNNGJTJTTdtdpGPP2 即功率密度和比功率大即功率密度和比功率大1、性能密度大、性能密度大比功率比功率高高低低交流伺服电动机交流伺服电动机直流伺服电动机直流伺服电动机步进电动机步进电动机 对于起停频率低，但要求低速对于起停频率低，但要求低速平稳的产品，其平稳的产品，其功率密度功率密度是主要的是主要的性能指标；反之，其主要性能指标性能指标；反之
6、，其主要性能指标是是高比功率高比功率。3、位置控制精度高、调速范围、位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳无爬行现象、宽、低速运行平稳无爬行现象、分辨率高、振动噪声小；分辨率高、振动噪声小；5、可靠性高、寿命长、可靠性高、寿命长力矩电动机力矩电动机脉冲电动机脉冲电动机变频调速电动机变频调速电动机开关磁阻电动机开关磁阻电动机各种各种AC/DC伺服电动机伺服电动机开环控制开环控制闭环控制闭环控制速度控制速度控制旋转磁场型旋转磁场型旋转电枢型旋转电枢型同步电机同步电机步进电机步进电机直流伺服电机直流伺服电机感应电机感应电机交流伺服交流伺服电动机电动机 步进电机是将步进电机是将电脉冲信号电脉冲信号转
7、换成转换成机械角位移机械角位移 的执行元件。的执行元件。1、特点、特点 1）步进电机的工作状态不易受各种干）步进电机的工作状态不易受各种干扰因素的影响；扰因素的影响；2）步进电机的步距角有误差，但不会）步进电机的步距角有误差，但不会长期累积；长期累积；3）控制系统简单）控制系统简单（1）按运动方式分）按运动方式分 旋转式步进电机旋转式步进电机 直线式步进电机直线式步进电机l 三相步进电机三相步进电机l 四相步进电机四相步进电机l 五相步进电机五相步进电机l 六相步进电机六相步进电机l 可变磁阻（可变磁阻（VR）型）型l 永磁（永磁（PM）型）型l 混合（混合（HB）型）型又称为反应式步进电动机
8、；又称为反应式步进电动机；三相反应式步进电动机断面图三相反应式步进电动机断面图l步矩角小步矩角小l响应速度快响应速度快l结构简单结构简单l效率低效率低l噪声大噪声大转子采用永久磁铁转子采用永久磁铁定子定子转子转子绕组绕组l无励磁时具有保持力，可作定位驱无励磁时具有保持力，可作定位驱动；动；l励磁功率小、效率高、造价便宜；励磁功率小、效率高、造价便宜；l步距角较大；步距角较大；l步距角小步距角小l响应频率高响应频率高l励磁功率小励磁功率小l效率高效率高、下面以反应式步进电机为例说明步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。进电机的结构和工作原理。ABCIAIBIC定子定子转子转子
9、现以现以AB C A的通电顺序，使三相绕组的通电顺序，使三相绕组轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。ABCIAIBIC定子定子转子转子1 1、三相单三拍、三相单三拍 A相绕组通电，相绕组通电，B、C相相不通电。气隙产生以不通电。气隙产生以A-A为为轴线的磁场，而磁力线总是轴线的磁场，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，力图从磁阻最小的路径通过，故电动机转子受到一个反应故电动机转子受到一个反应转矩，在此转矩的作用下，转矩，在此转矩的作用下，转子必然转到左图所示位置：转子必然转到左图所示位置：1、3齿与齿与A、A极对齐。极对齐。CABBCA3412 同理，
10、同理，B相通电时，转子会转过相通电时，转子会转过30 角，角，2、4齿和齿和B、B 磁极轴线对齐；当磁极轴线对齐；当C相通电时，相通电时，转子再转过转子再转过30 角，角，1、3齿和齿和C、C磁极轴线磁极轴线对齐。对齐。CABBCA34121C342CABBA 按按AB C A 的顺序给的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过动起来。每一拍转过30(步距角步距角)，每个，每个通电循环周期通电循环周期(3拍拍)磁场在空间旋转了磁场在空间旋转了360而转子转过而转子转过90(一个齿距角一个齿距角)。2、三相六拍、三相六拍 按按AAB B BC
11、C CA的顺序给三相绕组轮流通电。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这种方式可以获得更精确的控制特性。特性。A相通电：相通电：转子转子1、3齿与齿与A、A 对齐。对齐。A、B相同时通电：相同时通电：A、A 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，齿，转子转过转子转过15，到达左图到达左图所示位置。所示位置。CABBCA3412CABBCA3412B 相通电：相通电：转子转子2、4齿与齿与B、B 对齐对齐,又转过又转过15。B、C相同时通电：相同时通电：C、C 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉磁极拉住住2、4齿，转子再齿，转子再转过转过15
12、。CABBCA34123412CABBCA 三相反应式步进电动机的一个三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：通电循环周期如下：AAB B BC C CA，每个循环周期分，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过为六拍。每拍转子转过15（步距（步距角），角），一个通电循环周期一个通电循环周期(6拍拍)转子转子转过转过90 (齿距角齿距角)。3、三相双三拍三相双三拍 按按AB BC CA的顺序给三的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电组同时通电。与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电电循环周期也分为三拍。每拍转子转过循环周期
13、也分为三拍。每拍转子转过30 (步步距角距角)，一个通电循环周期一个通电循环周期(3拍拍)转子转过转子转过90(齿齿距角距角)。AB通电通电CABBCA3412BC通电通电3412CABBCACA通电通电CABBCA3412 实际采用的步进电机的步距角多为实际采用的步进电机的步距角多为3度和度和1.5度，步距角越小，机加工的精度越高。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，为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子图中转子40个齿，定子仍是个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁个磁极，但每个磁极上也有五个齿。极上也有五个齿。通电拍数相同时通电拍数相同时k=1；不
14、同时；不同时k=2mzk0360 通电系数通电系数转子齿数转子齿数励磁相数励磁相数其中其中 czmr:慢慢快快A-C-B-AA-B-C-A 步距角步距角 越小，分辨率越高越小，分辨率越高,系统的定位精度越高；系统的定位精度越高；1、分辨率、分辨率0.750/1.50、0.90/1.80、1/20、0.60/1.20、1.50/30等等常用的步矩角有：常用的步矩角有：稳定状态时的特性稳定状态时的特性1）矩角特性）矩角特性2）静转矩）静转矩3）静态稳定区）静态稳定区力矩力矩T定子定子转子转子失调角失调角 e转子转子 单相通电时的电磁转矩与失调角之单相通电时的电磁转矩与失调角之间的关系称为单相通电时
15、的矩角特性。间的关系称为单相通电时的矩角特性。静态稳定区静态稳定区T eTjmax-/2/2 0最大静态转矩最大静态转矩静态转矩越大，静态误差就越小静态转矩越大，静态误差就越小步进电机多相通电时的转矩步进电机多相通电时的转矩11.73221.732111.6181.618111.4141116543电机电机相数相数54321432132121同时通电同时通电相数相数maxjT合合成成转转矩矩系统的动态特性包括：系统的动态特性包括：动态稳定区动态稳定区 起动转矩起动转矩 矩矩-频特性频特性 最高连续运行频率最高连续运行频率 空载起动频率空载起动频率 惯惯-频特性等频特性等A B C e32 裕量
16、角裕量角 步进电动机从步进电动机从A相通电状态切相通电状态切换到换到B相通电状态时，不致引起丢相通电状态时，不致引起丢步的区域称为动态稳定区。步的区域称为动态稳定区。步进电动机在步进电动机在通电相数越多通电相数越多的运行方式下，其动态稳定区越接近的运行方式下，其动态稳定区越接近静态稳定区；裕量角静态稳定区；裕量角 r也越大，在运也越大，在运行中越不易丢步。行中越不易丢步。A B CTq eT A相与相与B矩角特性曲线之交点所对矩角特性曲线之交点所对应的转矩应的转矩Tq称为起动转矩；称为起动转矩；电机产生的电磁转矩电机产生的电磁转矩T负载力矩负载力矩TL,电机可正常起步。电机可正常起步。A B
17、C e TTL 电机产生的电磁转矩电机产生的电磁转矩T负载力矩负载力矩TL,电机无法启动。电机无法启动。TLTA B C e T 当电机所带负载当电机所带负载T TL LTTq q时，电时，电机可机可不失步的启动不失步的启动。转矩与控制频率之间的变化转矩与控制频率之间的变化关系称为矩关系称为矩-频特性。频特性。Td(N.m)f(Hz)电动机在连续运行状态下：电动机在连续运行状态下：Tf 步进电机在连续运行时所能接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受的最高控制频率称为最高运行频率，以率，以fmax表示；表示；Td(N.m)f(Hz)fmaxTL 在空载状态下，转子从静在空载
18、状态下，转子从静止状态能够不失步地启动时的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最大控制频率称为空载启动频率或突跳频率（率或突跳频率（fq）。）。A e TBC 电机可不失步的运行电机可不失步的运行1234A e TBC 4点落在点落在C相稳定区外，电机将不相稳定区外，电机将不能正常启动。能正常启动。1234 步进电机带动惯性负载时的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起跳频率与负载转动惯量之间的关系为惯关系为惯-频特性。频特性。一般讲，随着负载转动惯量的一般讲，随着负载转动惯量的增加，起跳频率也会降低。增加，起跳频率也会降低。定子绕组相数定子绕组相数BF ：反应
19、式：反应式BGY：混合式：混合式BY ：永磁式：永磁式电动机外径（电动机外径（mm）13001100015.640.755150BF00315004.90.753110BF004150070007.840.753110BF003空载启动空载启动频率频率(步步/s）空载运行空载运行频率频率(步步/s）最大静态最大静态转矩转矩(Nm)步距角步距角(0)相数相数 参数参数型号型号变频信号源变频信号源脉冲分配器脉冲分配器功率放大器功率放大器电机电机脉冲信号脉冲信号方向方向分配器电源分配器电源放大器电源放大器电源1、组成、组成 将计算机发出的从几赫兹到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
20、几万赫兹的频率信号转变为连续可调的脉冲信号。可调的脉冲信号。作用：作用：使电机绕组的通电顺序按一定使电机绕组的通电顺序按一定规律变化规律变化1）采用计算机软件利用查表）采用计算机软件利用查表程序来实现程序来实现2）采用小规模集成电路搭接）采用小规模集成电路搭接而成的脉冲分配器而成的脉冲分配器3）采用专用环形分配器器件）采用专用环形分配器器件软件环分软件环分硬件环分硬件环分01H1006A05H1015CA04H0014C06H0113BC02H0102B03H1101AB反反01H1000A正正转向转向代码代码ABC脉冲脉冲通电状态通电状态转向转向通过读取数据的顺序可控制电动机的转向；通过读取
21、数据的顺序可控制电动机的转向；通过控制脉冲的频率可控制电动机的转速。通过控制脉冲的频率可控制电动机的转速。软件环分驱动控制软件环分驱动控制 对于三相六拍环形分配器，每当接收到一个对于三相六拍环形分配器，每当接收到一个进给脉冲指令，环形分配器软件根据下表所示真进给脉冲指令，环形分配器软件根据下表所示真值表，按顺序及方向控制输出接口将值表，按顺序及方向控制输出接口将A、B、C的的值输出即可。值输出即可。CNC装置装置电源电源A相驱动相驱动B相驱动相驱动C相驱动相驱动CBAM 充分利用计算机软件资源，降低硬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件成本；对多相电机的脉冲分配具
22、有更大的优点；大的优点；缺点：缺点：易影响电机的运行速度易影响电机的运行速度 灵活性大，可搭接任意相灵活性大，可搭接任意相任意通电顺序的环形分配器，且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工作时不占用计算机的工作时间.缺点：缺点：可靠性差可靠性差特点：特点：使用方便，接口简单使用方便，接口简单三相硬件环形分配器的驱动控制三相硬件环形分配器的驱动控制CNC装置装置电源电源环形环形分配器分配器A相驱动相驱动B相驱动相驱动C相驱动相驱动FULL/HALF方向信号方向信号时钟信号时钟信号M作用：作用：将从环行分配器输出的毫将从环行分配器输出的毫安级的电流放大到可以驱动步安级的电流放大
23、到可以驱动步进电动机运转的电流。进电动机运转的电流。电流型电流型电压型电压型恒流驱动恒流驱动斩波驱动斩波驱动单电压型单电压型双电压型双电压型 前置放大前置放大En结构简单结构简单;输出脉冲波形差，输出功率低；输出脉冲波形差，输出功率低；主要用于对速度要求不高的小型步主要用于对速度要求不高的小型步进电机。进电机。单稳单稳 延时延时前置放大前置放大前置放大前置放大高高压压建建流流，低低压压稳稳流流 高速运行性能好，但低高速运行性能好，但低速运行时振动较大速运行时振动较大;适用于较高频率的驱动上，适用于较高频率的驱动上，功耗小，效率高，但发热大。功耗小，效率高，但发热大。电机的输出加大，运行频电机的
24、输出加大，运行频率得到提高。率得到提高。U1U2U1U2 TU电电枢枢电电压压f1f2TLTd(N.m)f(Hz)步进电机的矩频特性曲线步进电机的矩频特性曲线特点：特点：低频时低压供电，高频时高压供电；低频时低压供电，高频时高压供电；要求给绕组供电的电源有较高的电要求给绕组供电的电源有较高的电压。压。l步矩角越小，系统的精度越高步矩角越小，系统的精度越高l步矩角由电机的结构所确定步矩角由电机的结构所确定 将一个步距角细分成若干将一个步距角细分成若干步的驱动方式称为细分驱动。步的驱动方式称为细分驱动。将绕组中的矩形电流波改将绕组中的矩形电流波改成阶梯电流波。成阶梯电流波。细分前后的一步角位移波形
25、图细分前后的一步角位移波形图tIml在不改变电动机结构参数的情况在不改变电动机结构参数的情况下，能使步距角减少；下，能使步距角减少；l细分后的步距角精度不高，功率细分后的步距角精度不高，功率驱动电路也相应复杂；驱动电路也相应复杂；l采用多路功率开关器件；采用多路功率开关器件；l将开关的控制脉冲信号进行叠加将开关的控制脉冲信号进行叠加l控制方式（脉冲分配的方式）控制方式（脉冲分配的方式）l速度的控制速度的控制运行速度控制运行速度控制加减速控制加减速控制（1）控制方式）控制方式 串行控制串行控制 并行控制并行控制8031P1.0P1.1P1.2CP脉冲脉冲方向信号方向信号方式信号方式信号 环形分配
26、器环形分配器功率放大电路功率放大电路步进电机步进电机1 1）单片机系统与步进电机驱动）单片机系统与步进电机驱动电源之间具有较少的连线电源之间具有较少的连线2 2）驱动电源中必须含有环行分）驱动电源中必须含有环行分配器配器 用微机系统的数个端口直接控用微机系统的数个端口直接控制步进电动机各相驱动电路的方法制步进电动机各相驱动电路的方法称为并行控制；称为并行控制；8031P1.0P1.1P1.2P1.3驱动器驱动器ABCD1）结构简单，速度较慢；）结构简单，速度较慢；2）环形分配功能由软件完成，）环形分配功能由软件完成，且其并行控制功能必须由微机且其并行控制功能必须由微机系统完成。系统完成。1）纯
27、软件方法）纯软件方法 即完全用软件来实现相序即完全用软件来实现相序的分配，直接输出各相导通或的分配，直接输出各相导通或截止的信号。截止的信号。通过专门设计的一种编程器接通过专门设计的一种编程器接口，计算机向接口输入简单形式口，计算机向接口输入简单形式的代码数据，而接口输出的是步的代码数据，而接口输出的是步进电动机各相导通或截止的信号。进电动机各相导通或截止的信号。控制步进电机的运行速度，实控制步进电机的运行速度，实际上就是控制系统发出时钟脉冲的际上就是控制系统发出时钟脉冲的频率或换相的周期。频率或换相的周期。进给脉冲频率进给脉冲频率f定子绕组通定子绕组通电电/断电状态变化频率断电状态变化频率f
28、 步进电机步进电机转速转速 工作台的进给速度工作台的进给速度V。V=60f软件延时法占用软件延时法占用CPU时间时间定时器法是通过设置定时时定时器法是通过设置定时时间常数的方法来实现。间常数的方法来实现。软件延时法和定时器法软件延时法和定时器法恒速恒速f起点起点时间时间终点终点时间时间t升速升速减速减速低速低速 要求升速、减速过程最短要求升速、减速过程最短,恒速恒速时间尽量长，且恒速度最大时间尽量长，且恒速度最大方法：方法：微机用定时器中断方式来微机用定时器中断方式来控制电机变速时，实际上就是控制电机变速时，实际上就是不断改变定时器装载值的大小。不断改变定时器装载值的大小。步进电机有步距角（涉
29、及到相数）、步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。来了。确定电机类型。确定电机类型。（2）根据系统精度的要求粗选步距角）根据系统精度的要求粗选步距角。13001100015.640.755150BF00315004.90.753110BF004150070007.840.753110BF003空载启动空载启动频率频率(步步/s）空载运空载运行频率行频率(步步/s）最大静态最大静态转矩转矩(Nm)步距角步距角(0)相数相数 参数参数型号型号反应式步进电机技术性能
30、数据反应式步进电机技术性能数据（3）减速比的确定。）减速比的确定。360Li步距角步距角()L丝杠导程丝杠导程(mm)脉冲当量脉冲当量(mm/脉冲脉冲)1）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量轴上的惯量Jt。2）计算电机负载转矩）计算电机负载转矩 电动机的负载转矩在各种工作情况下电动机的负载转矩在各种工作情况下是不同的，如快速空载起动时所需转矩、是不同的，如快速空载起动时所需转矩、快速进给时所需的转矩、最大切削负载时快速进给时所需的转矩、最大切削负载时所需力矩等。所需力矩等。对于数控机床常用快速空载起动力对于数控机床常用快速空载起动力矩作为选择步进电
31、动机的依据。矩作为选择步进电动机的依据。注意：注意：启动转矩是步进电机能启动转矩是步进电机能带动负载的极限转矩。带动负载的极限转矩。（5）根据电机的通电情况计算出）根据电机的通电情况计算出电机的最大静态转矩电机的最大静态转矩Tjmax；反应式步进电动机反应式步进电动机Tq/Tjmax系数系数0.9510.7070.86610860.8090.7070.5543通电方式通电方式543电机相数电机相数maxjqTT13001100015.640.755150BF00315004.90.753110BF004150070007.840.753110BF003空载启动空载启动频率频率(步步/s）空载运
32、空载运行频率行频率(步步/s）最大静态最大静态转矩转矩(Nm)步距角步距角(0)相数相数 参数参数型号型号反应式步进电机技术性能数据反应式步进电机技术性能数据1）响应特性的检验）响应特性的检验45.0max mLjLJJTT等效负载转矩等效负载转矩步进电机的最大静态转矩步进电机的最大静态转矩步进电机的转动惯量步进电机的转动惯量等效转动惯量等效转动惯量2）根据电机的矩频特性曲线验）根据电机的矩频特性曲线验算电机在最大工作频率下的转算电机在最大工作频率下的转动力矩是否能带动负载运行。动力矩是否能带动负载运行。T最大静止转矩最大静止转矩输出转矩（失步转矩）输出转矩（失步转矩）脉冲频率脉冲频率fTdm
33、f 若步进电动机以频率若步进电动机以频率f 运行，它运行，它所拖动的负载转矩必须小于所拖动的负载转矩必须小于Tdm，否，否则会导致失步。则会导致失步。)(601000Hzvf 式中：式中：v-进给速度（进给速度（m/min)-脉冲当量（脉冲当量（mm)f-步进电动机工作频率步进电动机工作频率 根据根据vc和和vm求出切削进给时求出切削进给时的最大工作频率的最大工作频率fc和快速进给时和快速进给时的最大工作频率的最大工作频率fm;T最大静止转矩最大静止转矩输出转矩（失步转矩）输出转矩（失步转矩）脉冲频率脉冲频率fTdmf 若有若有Tc Tdmc和和Tm Tdmm,就就表示电动机是能满足要求的，否
34、表示电动机是能满足要求的，否则就是不能满足要求的。则就是不能满足要求的。伺服电动机的作用是驱动控制对象。伺服电动机的作用是驱动控制对象。被控对象的转距和转速受信号电压控制，被控对象的转距和转速受信号电压控制，信号电压的大小和极性改变时，电动机信号电压的大小和极性改变时，电动机的转动速度和方向也跟着变化。的转动速度和方向也跟着变化。1、特性、特性 直流伺服电动机具有较高的响直流伺服电动机具有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制应速度、精度和频率，优良的控制特性，但寿命较低，需定期维修。特性，但寿命较低，需定期维修。（1）小惯量直流伺服电机）小惯量直流伺服电机（2）大惯量直流伺服电机）大惯量直流
35、伺服电机特点：特点：转动惯量小，反应灵敏，动态特性好转动惯量小，反应灵敏，动态特性好 适用于高速且负载惯量小的场合适用于高速且负载惯量小的场合结构特点：转子扁而粗，其长径比仅为结构特点：转子扁而粗，其长径比仅为0.2侧磁极侧磁极主磁极主磁极软钢极靴软钢极靴调速范围宽，低速运行平稳调速范围宽，低速运行平稳;负载特性硬，过载能力强负载特性硬，过载能力强;反应速度快，动态特性好；反应速度快，动态特性好；体积大，寿命有一定限制。体积大，寿命有一定限制。最大转矩限制最大转矩限制电机最高转速限制电机最高转速限制电动机温度限制电动机温度限制速度（速度（r/min)转矩转矩(N.m)debac加加/减速区减速
36、区断断续续工工作作区区连续连续工作区工作区b和和e为转矩与转速乘积等于某一定值时得到的。为转矩与转速乘积等于某一定值时得到的。1）在整个调速范围内，其负载转矩应在）在整个调速范围内，其负载转矩应在电机连续额定转矩范围内；电机连续额定转矩范围内；2）工作负载与过载时间应在规定的范围内；）工作负载与过载时间应在规定的范围内；4）负载惯量必须不大与电动机转子惯）负载惯量必须不大与电动机转子惯量的三倍量的三倍1、控制原理、控制原理RaLaUaULRLLLIL直流伺服电动机结构原理图直流伺服电动机结构原理图电枢电枢激磁激磁Ia)1()1(0aaaaaaLamUIRnUIRkIUn 直流伺服电机的机械特性
37、曲线直流伺服电机的机械特性曲线Ua0.8Ua0.6Ua0.4UanTO由由机械特性可知：机械特性可知：(1)一定负载转矩下，当磁通一定负载转矩下，当磁通 不变时，不变时，Ua n。(2)Ua=0时，电机立即停转。时，电机立即停转。(3)改变电枢电压的极性，电动机反转。改变电枢电压的极性，电动机反转。l 改变电枢电压改变电枢电压l 改变励磁电流改变励磁电流LakIUn 0l电流太小，输出转矩小，无法电流太小，输出转矩小，无法带动负载；带动负载；l电流太大，导致磁通量过饱和，电流太大，导致磁通量过饱和，电机发热，输出功率下降电机发热，输出功率下降l这种调速方法调速范围窄，调这种调速方法调速范围窄，
38、调速特性软。速特性软。具有恒转矩的调速特性，机具有恒转矩的调速特性，机械特性好，调速范围宽，因此这械特性好，调速范围宽，因此这种调速方法得到广泛的应用。种调速方法得到广泛的应用。2、常用的电枢电压调速方法、常用的电枢电压调速方法 晶体管脉宽调理驱动晶体管脉宽调理驱动 晶闸管直流调速驱动控制晶闸管直流调速驱动控制三相桥式反并联整流电路三相桥式反并联整流电路 调节晶闸管的触发延迟角来移动触发脉冲的调节晶闸管的触发延迟角来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的大小。相位，从而改变整流电压的大小。v调速范围小，只有调速范围小，只有1:81:10v低速时机械特性软。低速时机械特性软。1）工作原理）工作原
39、理MUUaVDSIa-+UaU 1TtUa1脉冲宽度越大，电枢电压越大脉冲宽度越大，电枢电压越大tUaT 2Ua2UUTUdtTUa 01式中：式中：-导通率，又称占空系数导通率，又称占空系数当当T不变时：不变时：UUa010从从电电枢枢电电压压从从 开关频率高（通常达到开关频率高（通常达到23KHz）调速范围宽；调速范围宽；电枢电流脉动小；电枢电流脉动小；电流波形系数只有电流波形系数只有1.0011.03，输出电输出电流接近纯直流流接近纯直流;动态特性好。动态特性好。v不能承受高的峰值电流；不能承受高的峰值电流；v大功率晶体管性能不够稳定，且大功率晶体管性能不够稳定，且价钱较贵。价钱较贵。项
40、目项目SCR方式方式PWM方式方式速度环速度环调节误差调节误差0.1%0.01%0.03%迟滞时间迟滞时间3ms0响应频率响应频率1030Hz普通电机：普通电机：100H小惯量电机：小惯量电机：500Hz电机电压电机电压50250V位置环位置环 位置回路增益位置回路增益 1030 1/s普通电机：普通电机：100 1/s小惯量电机：小惯量电机：500 1/s三、应用三、应用 直流伺服电机的特性较交流伺直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。通常应用于功率稍大服电机硬。通常应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置的系统中，如随动系统中的位置控制等。控制等。直流伺服电机输出功率一般为直流伺服电机输出
41、功率一般为1-600W。一、交流伺服电动机的种类和结构特点一、交流伺服电动机的种类和结构特点1、分类、分类1）同步型（）同步型（SM）（无刷直流伺服电动机）（无刷直流伺服电动机）2）感应型（）感应型（IM）（笼型感应电动机）（笼型感应电动机）空心杯形转子伺服电动机结构空心杯形转子伺服电动机结构 结构结构功率因数功率因数效率效率体积体积同步型同步型复杂复杂大大高高小小异步型异步型简单简单小小低低大大 交流伺服电动机就是一台两相交流异步电交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差机。它的定子上装有空间互差9090 的的两个绕组：两个绕组：励磁绕组和控制绕组，其结构如图所示。励磁
42、绕组和控制绕组，其结构如图所示。励磁绕组励磁绕组控制绕组控制绕组杯形转子杯形转子内定子内定子励磁绕组串联电容励磁绕组串联电容C,是为了产生两相旋转磁场。是为了产生两相旋转磁场。适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近相位差接近90,从而产生所需的旋转磁场。从而产生所需的旋转磁场。放放大大器器检检测测元元件件2U2I+U+控制绕组控制绕组励磁绕组励磁绕组UCU1I1U+1UCU1I1U若有控制电压加在控制绕组上，且励若有控制电压加在控制绕组上，且励磁电流磁电流 和控制绕组电流和控制绕组电流 不同相时，因不同相时，因此便产生两相旋转磁场。在旋转
43、磁场的作此便产生两相旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。用下，转子便转动起来。1I2I应用：应用：交流伺服电机的输出功率一般为交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，电源频率分，电源频率分50Hz、400Hz等多种。等多种。它的应用很广泛，如用在自动控制、温它的应用很广泛，如用在自动控制、温度自动记录等系统中。度自动记录等系统中。1、SM伺服电动机伺服电动机 又称为无刷直流伺服电动机又称为无刷直流伺服电动机 只要检测磁铁转子的位置即可获得对只要检测磁铁转子的位置即可获得对电机的控制。电机的控制。fPn60 转子的转速：转子的转速：P-定子的极对数定子的极对数f-定子旋转磁场的转速。定子旋转磁场的转速。2、采用矢量控制方式对电机进行控制。采用矢量控制方式对电机进行控制。)1(60SPfn 转子的转速：转子的转速：P-定子的极对数定子的极对数f-定子旋转磁场的转速定子旋转磁场的转速S-转差率转差率%10011 nnnSn1-定子磁场的转速定子磁场的转速X2XmI1I2ImU1Im-I2Im-I2I1-I2/I1/
