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1、机电一体化原理与应用机电一体化原理与应用第四章第四章机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4.1 4.1 典型载荷分析典型载荷分析载荷：载荷：执行机构设计计算的一项重要执行机构设计计算的一项重要原始数据原始数据。分类：摩擦载荷、惯性载荷以及各种分类：摩擦载荷、惯性载荷以及各种环境载荷等环境载荷等4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4.1.1 4.1.1 摩擦载荷摩擦载荷1 1、定义、定义 当两个物体间有相对运动或有相对运动的当两个物体间有相对运动或有相对运动的趋势时才产生摩擦载荷。它是两物体接趋势时才产生摩擦载荷。它是两物体接触面上存在的一种阻止运动的力或力矩。触面上存
2、在的一种阻止运动的力或力矩。2 2、分类、分类 静摩擦和动摩擦静摩擦和动摩擦 滚动摩擦和滑动摩擦滚动摩擦和滑动摩擦 干摩擦、半干摩擦、湿摩擦。干摩擦、半干摩擦、湿摩擦。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 3、摩擦力的计算、摩擦力的计算1）静摩擦力）静摩擦力按库仑摩擦定律得：按库仑摩擦定律得：fs一般在一般在0.10.3以上。以上。2）动摩擦力）动摩擦力f一般在一般在0.10.3以下。以下。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 3）干摩擦、半干摩擦）干摩擦、半干摩擦符合库仑定律。符合库仑定律。4）湿摩擦）湿摩擦湿摩擦与干摩擦的机理截然不同，但湿摩擦与干摩
3、擦的机理截然不同，但为了计算方便工程上仍沿用摩擦为了计算方便工程上仍沿用摩擦系数的概念。一般系数的概念。一般f=0.0120.10。5 5）滚动摩擦）滚动摩擦4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4 4、摩擦力矩、摩擦力矩摩擦力与其作用力臂的乘积即为摩擦摩擦力与其作用力臂的乘积即为摩擦力矩。力矩。5 5、减小摩擦载荷的措施、减小摩擦载荷的措施减小正压力、摩擦系数和作用力臂。减小正压力、摩擦系数和作用力臂。为了减小摩擦系数，可用滚动摩擦为了减小摩擦系数，可用滚动摩擦代替滑动摩擦，用湿摩擦代替干摩代替滑动摩擦，用湿摩擦代替干摩擦。擦。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体
4、化机电一体化 4.1.2 4.1.2 惯性载荷惯性载荷1 1、产生条件、产生条件 惯性载荷由于一定质量的物体具惯性载荷由于一定质量的物体具有加速度或角加速度才产生的。有加速度或角加速度才产生的。2 2、惯性载荷的计算、惯性载荷的计算1 1）回转运动惯性载荷的计算）回转运动惯性载荷的计算计算转动惯量、角速度、角加速计算转动惯量、角速度、角加速度等参数。度等参数。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 计算等效计算等效转动惯量：转动惯量：图中，图中，L L为低速轴，为低速轴，J JL L为转动惯量为转动惯量，h h为高速轴，传动比为为高速轴，传动比为：令令J Jlhlh为为J J
5、L L折算到高速轴折算到高速轴h h上的折算转动惯量上的折算转动惯量4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 若令效率为若令效率为100%100%，根据能量守，根据能量守恒得：恒得：则惯性力矩则惯性力矩M M为为 M=M=JJ4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2 2）移动物体惯性载荷的计算移动物体惯性载荷的计算 惯性力：惯性力：F=maF=ma4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 3 3、减小惯性力或惯性力矩的措施、减小惯性力或惯性力矩的措施 减小质量或转动惯量减小质量或转动惯量 减小质量的方法：减小质量的方法：采用减轻孔，采用空采用
6、减轻孔，采用空心薄壁结构，选比重小、强度高的材心薄壁结构，选比重小、强度高的材料等可减小质量。料等可减小质量。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 减小转动惯量的方法：减小转动惯量的方法：合理布合理布局回转部分的质量，使重心局回转部分的质量，使重心尽量靠近回转轴；尽量靠近回转轴；对于减速传动链，减小折算到对于减速传动链，减小折算到高速轴的转动惯量。高速轴的转动惯量。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4.1.3 4.1.3 环境载荷环境载荷环境载荷指除了摩擦载荷和惯性环境载荷指除了摩擦载荷和惯性载荷以外的载荷载荷以外的载荷露天作用的系统受到的风载荷，露
7、天作用的系统受到的风载荷，高温作用下的温度载荷高温作用下的温度载荷外载荷外载荷的确定，要视具体情况而的确定，要视具体情况而定，有的可以从理论上进行推导，定，有的可以从理论上进行推导，有的需要借助于实验来测定。有的需要借助于实验来测定。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4.2 4.2 负载的力矩特性负载的力矩特性1 1、分析的目的、分析的目的为了选择电动机或其它原动机，为了选择电动机或其它原动机，使之满足功率的要求。使之满足功率的要求。2 2、确定设计载荷的方法、确定设计载荷的方法计算法、类比法和实测法。计算法、类比法和实测法。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体
8、化机电一体化 3 3、电动机克服负载力矩的两种典、电动机克服负载力矩的两种典型情况型情况一种为峰值力矩，它对应于电动一种为峰值力矩，它对应于电动机最严重的工作情况；机最严重的工作情况；一种为均方根力矩，它对应于电一种为均方根力矩，它对应于电动机长期连续地变载荷工作的情动机长期连续地变载荷工作的情况。况。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 1 1）负载的峰值力矩特性）负载的峰值力矩特性折算到电动机轴上的负载力矩为折算到电动机轴上的负载力矩为 折算到电动机轴上的负载峰值力折算到电动机轴上的负载峰值力矩是总传动比的函数。矩是总传动比的函数。4/22/2023机电学院机电学院 机
9、电一体化机电一体化 2 2）负载的均方根力矩特性）负载的均方根力矩特性折算到电动机轴上的均方根力矩为折算到电动机轴上的均方根力矩为M Mw w作用在负载轴上的瞬时风力矩；作用在负载轴上的瞬时风力矩；M Mf f作用在负载轴上的瞬时摩擦力作用在负载轴上的瞬时摩擦力L L负载轴的瞬时角速度；负载轴的瞬时角速度；T T载荷变化的周期载荷变化的周期i it t从电动机轴到负载轴的总传动比。从电动机轴到负载轴的总传动比。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4.34.3传动链的精度分析传动链的精度分析4.3.14.3.1传动精度的概念传动精度的概念传动链传动精度：传动链传动精度：传动
10、误差和空程误差传动误差和空程误差1 1、传动误差：、传动误差：指输入轴单向转动时，指输入轴单向转动时，输出轴转角的实际值相对于理论值的输出轴转角的实际值相对于理论值的变动量变动量4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2 2、空程误差：、空程误差：输入轴正向回转变输入轴正向回转变为反向回转时，输出轴在转角上为反向回转时，输出轴在转角上的滞后量。的滞后量。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4.3.24.3.2提高传动精度的结构措施提高传动精度的结构措施提高零部件本身的精度；提高零部件本身的精度；合
11、理设计传动链，减少零部件制合理设计传动链，减少零部件制造、装配误差对传动精度的影响；造、装配误差对传动精度的影响；采用消隙结构，以减少或消除空采用消隙结构，以减少或消除空程误差。程误差。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4.4 4.4 电动机传动（驱动）系统电动机传动（驱动）系统1 1、伺服电动机分类、伺服电动机分类交流电动机和直流电动机交流电动机和直流电动机2 2、比较、比较 交流电动机结构简单、价格便宜、交流电动机结构简单、价格便宜、维护工作量小，但起、制动及调维护工作量小，但起、制动及调速性能不如直流电动机
12、。速性能不如直流电动机。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 3 3、选择电动机原则、选择电动机原则1 1）不需调速机械）不需调速机械长期工作制、短时工作制和重复长期工作制、短时工作制和重复短时工作制的机械，应采用交流短时工作制的机械，应采用交流电机。电机。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 仅在某些操作特别频繁、交流仅在某些操作特别频繁、交流电动机在发热和起、制动特性电动机在发热和起、制动特性不能满足要求时，才考虑直流不能满足要求时，才考虑直流电动机。电动机。只需几级固定速度的机械，可采只需几级固定速度的机械，可采用多极交流电动机。用多极交流电动机。
13、4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2 2、需要调速的机械、需要调速的机械1 1）转速与功率之积。）转速与功率之积。转速与功率之积受换向器能力限制转速与功率之积受换向器能力限制目前一般认为直流电动机该值最大目前一般认为直流电动机该值最大为为10106 6kW.r/minkW.r/min，当接近或超过该当接近或超过该值宜采用交流电动机。值宜采用交流电动机。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2 2）飞轮力矩。）飞轮力矩。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 3 3）在环境恶劣场合，宜采用无换）在环境恶劣场合，宜采用无换向器、无火花、
14、易密闭的交流电动向器、无火花、易密闭的交流电动机机4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4)4)交、直流电动机调速性能差交、直流电动机调速性能差不多不多,但交流电动机的飞轮力但交流电动机的飞轮力矩小，响应速度要快一些。矩小，响应速度要快一些。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4.4.1 4.4.1 直流电动机直流电动机一、特点一、特点具有良好的调速特性具有良好的调速特性较大的起动转矩较大的起动转矩相对功率大相对功率大快速响应快速响应结构复杂结构复杂成本较高成本较高4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 二、分类二、分类 按激磁方式可
15、分为电磁式和永磁按激磁方式可分为电磁式和永磁式两种。式两种。电磁式的磁场由激磁绕组产生；电磁式的磁场由激磁绕组产生；永磁式的磁场由永久磁体产生。永磁式的磁场由永久磁体产生。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 三、直流伺服电动机的转矩特性三、直流伺服电动机的转矩特性电压方程：电压方程：转矩方程：转矩方程：4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 将将Ic代入转矩方程得：代入转矩方程得：4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4
16、/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 1 1）当）当m m0 0时，时，即电动机为堵转状态或起动状态，即电动机为堵转状态或起动状态，称称M Ms s为堵转转矩（起动转矩）为堵转转矩（起动转矩）4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2 2）M Mm m0 0时，时，即电动机为空载状态即电动机为空载状态称称0 0为空载转速为空载转速4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 调节特性：调节特性：mUeMm1Mm2Mm3=0调节特性也
17、为一调节特性也为一组平行直线组平行直线转矩一定，速度转矩一定，速度和电压成正比；和电压成正比；转矩越大，启动转矩越大，启动电压越大电压越大;Mm1 Mm2Mm34/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 四、总结四、总结1 1、直直流流伺伺服服电电动动机机的的转转矩矩特特性性是是一一组组斜斜率率相相同同的的直直线线。每每条条转转矩矩特特性性和和一一种种电电枢枢电电压压相相对对应应，与与轴轴的的交交点点是是该该电电枢枢电电压压下下的的理理想想空空载载角角速速度度，与与M Mm m轴轴的的交交点点则则是是该该电电枢枢电电压压下的启动转矩。下的启动转矩。4/22/2023机电学院机电学
18、院 机电一体化机电一体化 2 2、直直流流伺伺服服电电动动机机的的调调节节特特性性也也是是一一组组斜斜率率相相同同的的直直线线。每每条条调调节节特特性性和和一一种种电电磁磁转转矩矩相相对对应应，与与U Uc c轴轴的的交交点点是是启启动动时时的的电电枢枢电电压。压。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 3 3、调节特性的斜率为正，说明、调节特性的斜率为正，说明在一定的负载下，电动机转速随在一定的负载下，电动机转速随电枢电压的增加而增加；而转矩电枢电压的增加而增加；而转矩特性的斜率为负，说明在电枢电特性的斜率为负，说明在电枢电压不变时，电动机转速随负载转压不变时，电动机转速随
19、负载转矩增加而降低。矩增加而降低。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 五、选择电机应考虑的几点五、选择电机应考虑的几点1 1、要满足负载所需要的瞬时转、要满足负载所需要的瞬时转矩和转速，即能够克服峰值矩和转速，即能够克服峰值负载所需要的功率；负载所需要的功率；4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2 2、当电动机的工作周期可以与、当电动机的工作周期可以与其发热时间常数相比较，必其发热时间常数相比较，必须考虑电机的热定额问题。须考虑电机的热定额问题。通常用负载的均方根功率作通常用负载的均方根功率作为确定电动机发热功率的基为确定电动机发热功率的基础。础。4
20、/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 1 1）若电动机在峰值力矩下，以）若电动机在峰值力矩下，以峰值转速不断地驱动负载，峰值转速不断地驱动负载，则电动机功率按下式估算：则电动机功率按下式估算：4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2 2）若电机长期连续工作在变载）若电机长期连续工作在变载荷之下时，比较合理的是按荷之下时，比较合理的是按负载均方根来估算电动机功负载均方根来估算电动机功率：率：4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 六、驱动电路六、驱动电路 直流电机为直流供电，为了调直流电机为直流供电，为了调节电机的节电机的转速和方向转速和方
21、向，需要，需要对对直流电压的大小和方向直流电压的大小和方向进进行控制。行控制。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 目前广泛采用的直流伺服电机目前广泛采用的直流伺服电机的的晶体管驱动晶体管驱动电路有：电路有：线性直流伺服放大器线性直流伺服放大器-小功率小功率脉宽调制放大器（脉宽调制放大器（PWMPWM）-大功大功率率;低转速低转速4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 1 1、线性直流伺服放大器、线性直流伺服放大器组成：组成：线性放大元件和功率输出线性放大元件和功率输出级。级。线性放大元件线性放大元件:电压放大电压放大功率输出级功率输出级:功率驱动功率驱动
22、两种输出形式两种输出形式:互补式输出和线性互补式输出和线性桥式输出桥式输出4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 V1V1和和V2V2的作用？的作用？如何实现电机正如何实现电机正反转？反转？二极管的作用？二极管的作用？4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 线性桥式输出线性桥式输出4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 两种输出方式的区别：两种输出方式的区别：1)1)互补式需要两个电源，且晶体互补式需要两个电源，且晶体管的额定电压必须大于两个外加管的额定电压必须大于两个外加电压之和；电压之和；2)2)桥式需要单个电源，且晶体管桥式需要单个电
23、源，且晶体管的额定电压就等于电源电压。的额定电压就等于电源电压。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 特点：特点：功率消耗较大，适用于功率比功率消耗较大，适用于功率比较小、电枢具有较高阻抗的较小、电枢具有较高阻抗的情况。情况。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2 2、脉宽调制放大器、脉宽调制放大器 1 1）特点：）特点：功率管工作在开关功率管工作在开关状态，管耗小状态，管耗小,通常用在大功通常用在大功率低转速的场合率低转速的场合.4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2 2）基本原理）基本原理：利用大功率晶体管的开关作用，利用大功
24、率晶体管的开关作用，将直流电源电压转换成一定频率将直流电源电压转换成一定频率的方波电压，加在直流电动机的的方波电压，加在直流电动机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，从控制，改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。而调节电机的转速。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 Pwm包括两步：a)直流电压转换为方波脉冲；b)功率放大4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 线性桥式输出线性桥式输出4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 电压、电
25、流波形的电路原理图4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化（1 1）当当U UABAB0 0时时，U Us s的的正正、负负脉脉宽宽相相等等，直直流流分分量量为为零零，V V1 1和和V V4 4的的导导通通时时间间与与V V2 2和和V V3 3的的导导通通时时间间相相等等，流流过过电电枢枢绕绕组组中中的的平平均均电电流流等等于于零零，电电动动机机不不转转。但但在在交交流流分分量量作作用用下下，电电动动机机在在停停止止位位置置处处微微振振，这这种种微微振振有有动动力力润润滑滑作作用用，可可消消除除电电动动机机启启动动时时的的静静摩摩擦擦，减小启动电压。减小启动电压。4/22/
26、2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化（2 2）当）当U UABAB00时，时，U Us s的正脉宽大于负脉的正脉宽大于负脉宽，直流分量宽，直流分量U U1 1大于零，大于零，V V1 1和和V V4 4的导的导通时间长于通时间长于V V2 2和和V V3 3的导通时间，流过的导通时间，流过绕组中的电流平均值大于零，电动绕组中的电流平均值大于零，电动机正转，且随着机正转，且随着U U1 1增加，转速增加。增加，转速增加。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化（3 3）当当U UABAB00时时，UsUs的的直直流流分分量量U1U1小小于于零零，电电枢枢绕绕组组中中的的
27、电电流流平平均均值值也也小小于于零零，电电动动机机反反转转，且且反反转转转转速速随着随着U1U1减小而增加。减小而增加。（4 4）当当V1V1和和V4V4或或V2V2和和V3V3始始终终导导通通时时，电动机在最高转速下正转或反转。电动机在最高转速下正转或反转。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 锯齿波发生器锯齿波发生器比较比较放大放大器器延时延时作用作用延时延时作用作用反相反相4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4.4.2 4.4.2 交流电动机交流电动机一、特点一、特点1 1）结构简单、体积小、重量轻；）结构简单、体积小、重量轻；2 2）转子惯量小
28、，启动快，动态）转子惯量小，启动快，动态性能好；性能好；4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 3 3）调速范围宽，可达）调速范围宽，可达1 1：10105 5；4 4）输出功率和转矩较小；机械）输出功率和转矩较小；机械特性和调节特性的线性度不特性和调节特性的线性度不及直流伺服电动机好，其效及直流伺服电动机好，其效率也较直流伺服电动机低。率也较直流伺服电动机低。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 二、分类二、分类 普通交流伺服电动机常用的普通交流伺服电动机常用的转子转子绕组绕组有有鼠笼鼠笼转子和转子和空心杯空心杯转子两转子两种。种。4/22/2023机电
29、学院机电学院 机电一体化机电一体化 1 1、鼠笼转子交流伺服电机的特点、鼠笼转子交流伺服电机的特点优点：优点：单位输入功率具有的起动转矩较大单位输入功率具有的起动转矩较大;激磁电流较小激磁电流较小;在相同性能指标时，体积和重量要比空心杯在相同性能指标时，体积和重量要比空心杯转子交流伺服电动机来得小转子交流伺服电动机来得小;转子机械强度高，能在较恶劣的条件下可靠转子机械强度高，能在较恶劣的条件下可靠地工作。地工作。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 缺点：缺点：转子转动惯量较大，低转子转动惯量较大，低速运行时也不够平稳速运行时也不够平稳4/22/2023机电学院机电学院 机
30、电一体化机电一体化 4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2 2、空心杯转子交流伺服电机的特点、空心杯转子交流伺服电机的特点优点：优点：转子转动惯量小转子转动惯量小;转矩波动小转矩波动小;运转平稳，噪音小运转平稳，噪音小缺点：缺点：激磁电流较大激磁电流较大;体积和重量也较大体积和重量也较大;转子机械强度较差。转子机械强度较差。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 空心杯转子结构图空心杯转子结构图1-1-空心杯转子；空心杯转子；2-2-外定子；外定子；3-3-内内定子；定子；4-4-机壳；机壳；5-
31、5-端盖端盖 4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 三、交流伺服电动机的转矩三、交流伺服电动机的转矩-转速特性转速特性普通异步电机普通异步电机伺服电动机伺服电动机4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 交流伺服电机的输出转矩为交流伺服电机的输出转矩为4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 交流伺服电机的转矩交流伺服电机的转矩-转速特性转速特性4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 四、交流伺服电机的调速四、交流伺服电机的调速1 1、转速公式的推导、转速公式的推导以
32、三相异步电动机为例。以三相异步电动机为例。当三相交流电动机的三相对称绕组当三相交流电动机的三相对称绕组A A、B B、C C中通以三相正弦平衡交流电时，中通以三相正弦平衡交流电时，在电机的气隙中产生旋转磁场，旋转在电机的气隙中产生旋转磁场，旋转同步转速为同步转速为4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 电磁感应作用电磁感应作用,转子转速为转子转速为:转差率为转差率为:旋转磁场的同步转速和电动机旋转磁场的同步转速和电动机转速之差与同步转速的比值转速之差与同步转速的比值4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 1）电动机起动瞬间）电动机起动瞬间:（转差率最大）（转
33、差率最大）2）转子最大转速：）转子最大转速：3）4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2 2、交流电机调速的方式、交流电机调速的方式改变极对数改变极对数p p；调节转差率调节转差率s s；改变供电电源频率改变供电电源频率f f；4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4.4.3 4.4.3 步进电机步进电机一、定义一、定义步进电机：将步进电机：将电脉冲信号电脉冲信号转换成机转换成机械械角位移角位移或或线位移线位移的执行元件。每的执行元件。每外加一个脉冲信号，就运动一步。外加一个脉冲信号，就运动一步。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化
34、4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 二、特点二、特点1 1、直接实现数字控制，且控制性能好；、直接实现数字控制，且控制性能好；2 2、通过采用开环方式对位置或速度进、通过采用开环方式对位置或速度进行控制；行控制；3 3、位置误差不会积累；、位置误差不会积累；4 4、具有自锁能力保持转矩、具有自锁能力保持转矩4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 三、分类三、分类根据根据结构和工作原理结构和工作原理的不同，步进电机可的不同，步进电机可分为：分为：永磁式、变磁阻式和混合式永磁式、变磁阻式和混合式三种。三种。1 1、永磁式、永磁式结构：结构：转子由一对或多对极
35、的星形永久磁转子由一对或多对极的星形永久磁铁组成，定子极上相应有两相或多相控制铁组成，定子极上相应有两相或多相控制绕组。绕组。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 特点：特点：控制功率小，效率高；控制功率小，效率高；造价便宜；步距角造价便宜；步距角一般为一般为7.57.51818；断电后有定位转断电后有定位转矩；矩；4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2 2、变磁阻式（反应式）、变磁阻式（反应式）结构：结构：转子和定子均由铁心组成。转子和定子均由铁心组成。定子有若干对磁极，磁极上有控制定子有若干
36、对磁极，磁极上有控制绕组，每个磁极上均匀分布若干矩绕组，每个磁极上均匀分布若干矩形小齿。形小齿。转子的圆柱上均布小齿转子的圆柱上均布小齿。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 特点：特点：结构简单，但转子阻尼结构简单，但转子阻尼差，噪音大，步距角一般为差，噪音大，步距角一般为1.51.51515之间。之间。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 3 3、混合式、混合式结构：结构：定子结构与反应式相似，定子结构与反应式相似，磁极上有控制绕组。转子由环磁极上有控制绕组。转子由环形永久磁铁构成。形永久磁铁
37、构成。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 特点：特点：步距角一般为步距角一般为0.90.93.63.6之间；效率高；断电后之间；效率高；断电后有定位转矩；转子直径大，有定位转矩；转子直径大，不利于高速响应不利于高速响应 4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 四四.工作原理工作原理 1)基本工作原理就是电磁铁工作原理。ABC4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 a)a)A A相相通通电电，B B、C C相相不不通通电电，
38、转转子子齿齿1 1、3 3与与A A相相定定子子齿齿对齐，转子齿对齐，转子齿2 2、4 4与与B B、C C相在不同方向上错开相在不同方向上错开3030 b)b)A A相相断断电电，B B相相通通电电，转转子子齿齿2 2、4 4与与B B相相定定子子齿齿对对齐齐，顺时针旋转顺时针旋转3030。c)c)B B相断电，相断电，C C相通电相通电，同理转子顺时针旋转，同理转子顺时针旋转3030。d)d)通通电电顺顺序序为为A AB BC CA A时时，转转子子顺顺时时针针旋旋转转。如如改改为为A AC CB BA A时，转子反向（逆时针）转动。时，转子反向（逆时针）转动。e)e)电电流流换换接接三三
39、次次，磁磁场场转转一一周周，转转子子前前进进一一个个齿齿距距角角（9090 ）。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 l按ABCA方式通电，称为三相单三拍运行（）。l按AABBBCCCAA方式通电，称为三相六拍运行（）。注：步距角注：步距角 太大。太大。2)通电方式 以三相电机为例的通电方式单三拍、三相六拍及双三拍等。“单”每次只有一相绕组通电；“双”每次有两相绕组通电；“拍”通电次数（即从一种通电状态转到另一种通电状态）。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 ABC三相六拍工作方式：三相六拍工作方式：4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一
40、体化 4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 ABC三相双三拍工作方式三相双三拍工作方式4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 五、步进电机的运行性能五、步进电机的运行性能1 1、步距角和静态步距误差、步距角和静态步距误差1 1）步距角）步距角定义：定义：每输入一个脉冲信号，转子转每输入一个脉冲信号，转子转过的角度。过的角度。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 公式：公式：m m：控制绕组的相数；：控制绕组的相数；z zr r：转子齿数；：转子齿数；C C：通电方式系数，单三拍或
41、双三拍时：通电方式系数，单三拍或双三拍时C=1C=1，单、双六拍，单、双六拍C=2C=2。步距角越小，分辨力越高，但当脉步距角越小，分辨力越高，但当脉冲频率不变时，转子速度下降。冲频率不变时，转子速度下降。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2 2）静态步距误差：由于定子、）静态步距误差：由于定子、转子的齿距分度不均匀，定转子转子的齿距分度不均匀，定转子间气隙不均匀或铁心分段时的错间气隙不均匀或铁心分段时的错位误差，使位误差，使实际步距角和理论步实际步距角和理论步距角之间存在偏差距角之间存在偏差，称为静态步，称为静态步距角误差距角误差4/22/2023机电学院机电学院 机
42、电一体化机电一体化 2 2、静特性、静特性静特性指标：静特性指标：稳定状态时的特性，包稳定状态时的特性，包括矩角特性、静转矩及静态稳定区等。括矩角特性、静转矩及静态稳定区等。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 静止状态：静止状态：当步进电动机得到连续控当步进电动机得到连续控制脉冲时，各相绕组按预定通电方制脉冲时，各相绕组按预定通电方式轮流通电，转子便一步步转动。式轮流通电，转子便一步步转动。当控制脉冲停止时，某些相绕组仍通当控制脉冲停止时，某些相绕组仍通入恒定不变的电流，这时转子将固入恒定不变的电流，这时转子将固定于最后一步的位置上保持不动。定于最后一步的位置上保持不动。
43、矩角特性：矩角特性：静止状态下，转子的转矩静止状态下，转子的转矩与转角之间的关系，即静态转矩与与转角之间的关系，即静态转矩与失调角之间的关系失调角之间的关系4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 静转矩：静转矩：静止状态下的转矩静止状态下的转矩不改变通不改变通电状态，只有某相绕组在额定电压作用电状态，只有某相绕组在额定电压作用下转子所受到的电磁转矩。下转子所受到的电磁转矩。转角：转角：转子偏离零位后的角度，通常称转子偏离零位后的角度，通常称失调角。失调角。零位：零位：通电相定子齿与转子齿对齐的位通电相定子齿与转子齿对齐的位置。置。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化
44、机电一体化 步进电机的静态稳定区：步进电机的静态稳定区：去掉负载后转子能回到零位的区域去掉负载后转子能回到零位的区域4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 当转子处于静止状态时，若转子上没有当转子处于静止状态时，若转子上没有任何强制作用，则稳定平衡点是座标原任何强制作用，则稳定平衡点是座标原点。如果在外力矩作用下使转子离开平点。如果在外力矩作用下使转子离开平衡点，那么只要失调角在衡点，那么只要失调角在-+-+或或-时，时，转子就趋向前一齿后一齿的平衡点运动，转子就趋向前一齿后一齿的平衡点运动，而离开了正确的平衡点，所以而离开了正确的平衡点，所以-+区域称作静稳定区。区域称作静
45、稳定区。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 3 3、动特性、动特性步进运行状态时的动特性步进运行状态时的动特性若控制绕组通电脉冲的时间间隔大于步若控制绕组通电脉冲的时间间隔大于步进电机机电过渡过程时间，这时电动进电机机电过渡过程时间，这时电动机为步进运行状态，机为步进运行状态，即电脉冲即电脉冲由由A A相切换到相切换到B B相，转子转过一相，转子转过一个步距角，但整个过程将是一个振荡个步距角，但整个过程将是一个振荡的过程。的过程。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4/22/2023机电学院机
46、电学院 机电一体化机电一体化 连续运行时的动特性连续运行时的动特性动态转矩：动态转矩：步进电机在连续运行状态下步进电机在连续运行状态下工作时，电动机所产生的转矩。工作时，电动机所产生的转矩。动特性：动特性：矩频特性、动稳定区、工作频矩频特性、动稳定区、工作频率。率。矩频特性矩频特性表示步进电机的最大动态转矩和脉冲频表示步进电机的最大动态转矩和脉冲频率的关系。率的关系。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 转矩和频率近似转矩和频率近似反比反比对应于某一频率，对应于某一频率，当负载转矩小于当负载转矩小于它在该频率的最它在该频率的最大动态转矩时电大动态转矩时电机才能正常运转机才能
47、正常运转4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 动稳定区动稳定区步进电机从一种通电状态切换到另一种步进电机从一种通电状态切换到另一种通电状态时，不至引起失步的区域。通电状态时，不至引起失步的区域。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 工作频率工作频率定义：指步进电机按照指令的要求，进行定义：指步进电机按照指令的要求，进行不失步工作时的最大脉冲频率。不失步工作时的最大脉冲频率。失步包括丢步和越步。失步包括丢步和越步。分类：步进电机的工作频率分为：起动频分类：步进电机的工作频率分为：起动频率、制动频率及
48、连续工作频率。率、制动频率及连续工作频率。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 六、步进电机的驱动电路六、步进电机的驱动电路组成：组成：变频信号源、脉冲分配器、功率变频信号源、脉冲分配器、功率放大器。放大器。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 1 1、变频信号源：、变频信号源：能发出几能发出几HZHZ到到202030KHz30KHz的连续可变信号发生器。的连续可变信号发生器。2 2、脉冲分配器、脉冲分配器作用：作用：把脉冲信号按一定的逻辑关系加把脉冲信号按一定的逻辑关系加到功率放大器上，使步进电
49、机按一定的到功率放大器上，使步进电机按一定的方式工作。方式工作。脉冲分配器电路：脉冲分配器电路：用普通集成电路实现；用专用集成电路用普通集成电路实现；用专用集成电路实现；用微机实现实现；用微机实现4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 1 1）普通集成电）普通集成电路组成的三相六路组成的三相六拍脉冲分配器电拍脉冲分配器电路路4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2 2）专用集成电路）专用集成电路CH250CH250、PMM8713PMM8713等。等。采用专用集成电路采用专用集成电路有利于降低系统成有利于降低系统成本和提高系统的可本和提高系统的可靠性，而且
50、使用维靠性，而且使用维护方便。护方便。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 3 3）微机控制）微机控制用软件来实现脉冲分配器功能，由并用软件来实现脉冲分配器功能，由并行口送励磁信号去驱动电路。行口送励磁信号去驱动电路。特点：特点：功能灵活，微机负担加重。功能灵活，微机负担加重。微机和专用集成芯片组成控制系统微机和专用集成芯片组成控制系统特点：特点：可减轻微机的负担，组成多功能可减轻微机的负担，组成多功能的步进电机驱动电路。的步进电机驱动电路。4/22/2023机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4/22/2023