機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)-第3章-執(zhí)行元件的選擇與設(shè)計(jì)[可修改版ppt]課件

1、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第3章 執(zhí)行元件的選擇與設(shè)計(jì)本章教學(xué)目標(biāo)及要求執(zhí)行元件的作用、分類、特點(diǎn)及機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)其要求；步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)與種類、工作原理；步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)及運(yùn)行特性、驅(qū)動(dòng)與控制；直流伺服電動(dòng)機(jī)的原理及其驅(qū)動(dòng)；交流伺服電動(dòng)機(jī)的原理及其驅(qū)動(dòng)。第三章 執(zhí)行元件的選擇與設(shè)計(jì) 第三章 執(zhí)行元件的選擇與設(shè)計(jì) 第一節(jié) 執(zhí)行元件的種類、特點(diǎn) 及基本要求 第二節(jié) 常用的控制用電動(dòng)機(jī)第三節(jié) 直流(DC)與交流(AC)伺 服電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng) 第四節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)附錄： 伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第一節(jié) 執(zhí)行元件的種類、 特點(diǎn)及基本要求執(zhí)行元件是機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)必不可少的驅(qū)動(dòng)部件，如數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)、工作

2、臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)以及工業(yè)機(jī)器人手臂的升降、回轉(zhuǎn)和伸縮運(yùn)動(dòng)等所用驅(qū)動(dòng)部件即執(zhí)行元件。 執(zhí)行元件處于機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)行機(jī)構(gòu)與微電子控制裝置的接點(diǎn)（聯(lián)接）部位的能量轉(zhuǎn)換元件。它能在微電子裝置的控制下，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，例如電動(dòng)機(jī)、電磁鐵、繼電器、液動(dòng)機(jī)、油（氣缸）、內(nèi)燃機(jī)等分別把輸入的電能、液壓能、氣壓能和化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。由于大多數(shù)執(zhí)行元件已作為系列化商品生產(chǎn)，故在設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)時(shí)，可作為標(biāo)準(zhǔn)件選用、外購(gòu)。 一、執(zhí)行元件的作用 1.作用：執(zhí)行元件主要用來(lái)根據(jù)控制信息和指令，將來(lái)自電、液壓、氣壓等各種能源的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)等方式機(jī)械能，并完成要求動(dòng)作的能量轉(zhuǎn)換裝

3、置，它在機(jī)電一體化系統(tǒng)中所處的位置參見下圖。二、執(zhí)行元件的種類及特點(diǎn) 根據(jù)使用能量的不同，可以將執(zhí)行元件分為電氣式、液壓式和氣壓式等幾種類型。 (1) 電氣(磁)式：是將電能變成電磁力，并用該電磁力驅(qū)動(dòng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的。電動(dòng)執(zhí)行裝置由于能源容易獲得，使用方便，所以得到了廣泛的應(yīng)用。 (2)液壓式：是先將電能變換為液壓能并用電磁閥改變壓力油的壓力和流向，從而使液壓執(zhí)行元件驅(qū)動(dòng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，包括液壓油缸、液壓馬達(dá)等。具有體積小、輸出功率大等特點(diǎn)。 (3)氣壓式：與液壓式的原理相同，只是將介質(zhì)由油改為氣體，包括氣缸和氣動(dòng)馬達(dá)。特點(diǎn)是重量輕、價(jià)格便宜。 (4)其它執(zhí)行元件：與使用材料有關(guān)，如使用雙金屬片

4、、形狀記憶合金或壓電元件 。 執(zhí)行元件的種類三、對(duì)執(zhí)行元件的基本要求（1）慣量小，動(dòng)力大。 表征執(zhí)行元件慣量的性能指標(biāo)：m(直線運(yùn)動(dòng)）、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J（回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)） 表征輸出動(dòng)力的性能指標(biāo)：推力F、轉(zhuǎn)矩T、功率P對(duì)直線運(yùn)動(dòng)：a=F/m；對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：P=T，=T/J。即加速度a與角加速度表征了執(zhí)行元件的加速性能。 比功率：表征動(dòng)力大小的綜合指標(biāo)，包含功率、加速性能與轉(zhuǎn)速三種因素，即比功率P /=T2/J（2）體積小，重量輕:用功率密度或比功率密度來(lái)評(píng)價(jià) 功率密度P/G；比功率密度(T2/J)/G，其中G為執(zhí)行元件重量。（3）安裝方便、便于維修維護(hù)。 最好不要維修，無(wú)刷DC及AC伺服電機(jī)走向無(wú)維修（4）

5、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制：主流是電氣式。其次是液壓式和氣壓式(在驅(qū)動(dòng)接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié))。內(nèi)燃機(jī)定位運(yùn)動(dòng)的微機(jī)控制較難，故通常僅被用于交通運(yùn)輸機(jī)械。第二節(jié) 機(jī)電系統(tǒng)常用的控制電動(dòng)機(jī)控制用電動(dòng)機(jī)有力矩電動(dòng)機(jī)、脈沖（步進(jìn)）電動(dòng)機(jī)、變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和各種AC/DC電動(dòng)機(jī)等?？刂朴秒妱?dòng)機(jī)是電氣伺服控制系統(tǒng)的動(dòng)力部件，是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。由于其可在很寬的速度和負(fù)載范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)、精確的控制，因而在各種機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用?？刂朴秒妱?dòng)機(jī)有回轉(zhuǎn)和直線驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，通過(guò)電壓、電流、頻率(包括指令脈沖)等控制，實(shí)現(xiàn)定速、變速驅(qū)動(dòng)或反復(fù)起動(dòng)、停止的增量驅(qū)動(dòng)以及復(fù)

6、雜的驅(qū)動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)精度隨驅(qū)動(dòng)對(duì)象的不同而不同。機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的控制用電動(dòng)機(jī)是指能提供正確運(yùn)動(dòng)或較復(fù)雜動(dòng)作的伺服電動(dòng)機(jī)。 伺服系統(tǒng)定義以移動(dòng)部件的位置和速度 作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng). 伺服系統(tǒng)的作用: 接受機(jī)電裝置發(fā)來(lái)的進(jìn)給脈沖指令信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)變換和電壓、功率放大由執(zhí)行元件(伺服電機(jī))將其轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移，驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)加工所需要的運(yùn)動(dòng). 伺服系統(tǒng)是自動(dòng)控制系統(tǒng)的一類，它的輸出變量通常是機(jī)械或位置的運(yùn)動(dòng)，根本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)給定指令的準(zhǔn)確跟蹤，即實(shí)現(xiàn)輸出變量的某種狀態(tài)能夠自動(dòng)、連續(xù)、精確地復(fù)現(xiàn)輸入指令信號(hào)的變化規(guī)律。 一、伺服系統(tǒng)概念 二、伺服系統(tǒng)的基本組成 由以下4部分組成

7、： 控制器； 功率驅(qū)動(dòng)裝置； 檢測(cè)反饋裝置； 伺服電機(jī)(M). 例：數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1、開環(huán)伺服系統(tǒng) (1)組成：步進(jìn)電機(jī)； 驅(qū)動(dòng)控制電路(控制器).1、開環(huán)伺服系統(tǒng)(2)開環(huán)伺服系統(tǒng)特點(diǎn) 沒(méi)有位置和速度反饋回路; 設(shè)備投資低，調(diào)試維修方便; 精度差； 高速扭矩小.(3)開環(huán)伺服系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合 中、低檔數(shù)控機(jī)床; 普通機(jī)床數(shù)控改造.2、閉環(huán)與半閉環(huán)伺服系統(tǒng) (1)閉環(huán)伺服系統(tǒng)組成示意圖 組成： 控制器； 功率驅(qū)動(dòng)電路； 檢測(cè)反饋裝置； 伺服電機(jī). (2)閉環(huán)伺服系統(tǒng)的特點(diǎn) 精度高 位置測(cè)量沒(méi)有中間環(huán)節(jié)，可通過(guò)閉環(huán)控制消除整個(gè)環(huán)內(nèi)傳動(dòng)鏈的全部累積誤差. 閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置檢測(cè)裝置安裝

8、在機(jī)床的工作臺(tái)上，檢測(cè)裝置測(cè)出實(shí)際位移量或者實(shí)際所處位置，并將測(cè)量值反饋給CNC裝置，與指令進(jìn)行比較，求得差值，依此構(gòu)成閉環(huán)位置控制，直到差值為零. 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)整困難 由于閉環(huán)系統(tǒng)位置環(huán)內(nèi)包含的機(jī)械傳動(dòng)部件比較多,因此閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)整困難. (3)半閉環(huán)與閉環(huán)伺服系統(tǒng)區(qū)別半閉環(huán)位置檢測(cè) 裝置安裝位置：注意:半閉環(huán)位置檢測(cè)裝置安裝位置在滾珠絲杠或電機(jī)軸上,而不是工作臺(tái)上.半開環(huán)系統(tǒng)(3)半閉環(huán)與閉環(huán)伺服系統(tǒng)區(qū)別 精度較低 傳動(dòng)鏈有一部分在位置閉環(huán)以外，其傳動(dòng)誤差沒(méi)有得到系統(tǒng)的補(bǔ)償，因而半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低于閉環(huán)系統(tǒng). 調(diào)整比較容易(4)半閉環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合 注意: 半閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)

9、用較多,閉環(huán)系統(tǒng)一般只用在精度要求較高的大型數(shù)控機(jī)床上.圖6-3 伺服電動(dòng)機(jī)控制方式的基本形式 為實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)、功率/能量、控制運(yùn)動(dòng)方式的轉(zhuǎn)換，對(duì)伺服控制電動(dòng)機(jī)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。即加速轉(zhuǎn)矩大、頻響特性好。（3）位置控制與速度控制精度高、調(diào)速范圍大、低速平穩(wěn)性好、分辨率高以及振動(dòng)噪音小。（4）能適應(yīng)頻繁啟動(dòng)，可靠性高、壽命長(zhǎng)。（5）易于與計(jì)算機(jī)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。三、機(jī)電系統(tǒng)對(duì)伺服控制電動(dòng)機(jī)的基本要求 四、常用電動(dòng)機(jī)的種類、特點(diǎn)及選用在機(jī)電一體化系統(tǒng)中使用兩類電動(dòng)機(jī),一類為動(dòng)力用電動(dòng)機(jī),如感應(yīng)

10、式異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)等;另一類為控制用電動(dòng)機(jī),如力矩電動(dòng)機(jī)、脈沖電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)和各種AC/DC電動(dòng)機(jī)等。不同的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)控制用電動(dòng)機(jī)性能密度的要求也有所不同。對(duì)于起停頻率低(如幾十次分)，但要求低速平穩(wěn)和扭矩脈動(dòng)小，高速運(yùn)行時(shí)振動(dòng)、噪聲小，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)均可穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的機(jī)械，如NC工作機(jī)械的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其功率密度是主要的性能指標(biāo)；對(duì)于起停頻率高(如數(shù)百次分)，但不特別要求低速平穩(wěn)性的產(chǎn)品，如高速打印機(jī)、繪圖機(jī)、打孔機(jī)、集成電路焊接裝置等主要的性能指標(biāo)是高比功率。在額定輸出功率相同的條件下,交流伺服電動(dòng)機(jī)的比功率最高、 直流伺服電動(dòng)機(jī)次之、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

11、最低。伺服電動(dòng)機(jī)的性能比較 伺服電動(dòng)機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)比較 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 (一).直流伺服電動(dòng)機(jī)原理、特點(diǎn)1、工作原理：直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)由永磁體定子、線圈轉(zhuǎn)子（電樞）、電刷和換向器組成，磁場(chǎng)中的線圈通入電流時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電磁力，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。為了得到連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，就必須隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度不斷改變電流方向，因此，必須有電刷和換向器。第三節(jié) 直流與交流伺服電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)2 特點(diǎn)： 有較高的響應(yīng)速度、精度和頻率，優(yōu)良的控制特性等優(yōu)點(diǎn)； 由于使用電刷和換向器，故壽命較低，需要定期維修； 在位置控制和速度控

12、制時(shí)，必須使用角度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。第三節(jié) 直流與交流伺服電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)1. 種類（1）小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)：60年代研制，其電樞無(wú)槽，繞組直接粘接固定在電摳鐵心上，因而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、反應(yīng)靈敏、動(dòng)態(tài)特性好，適用于高速且負(fù)載慣量較小的場(chǎng)合，否則需根據(jù)其具體的慣量比設(shè)置精密齒輪副才能與負(fù)載慣量匹配，增加了成本。（2）直流印刷電樞電動(dòng)機(jī)：是一種盤形伺服電動(dòng)機(jī)，電摳由導(dǎo)電板的切口成形，裸導(dǎo)體的線圈端部起整流子作用，這種空心式高性能伺服電動(dòng)機(jī)大多用于工業(yè)機(jī)器人、小型NC機(jī)床及線切割機(jī)床上。（3）大慣量寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)：70年代研制成功。它在結(jié)構(gòu)上采取了一些措施，盡量提高轉(zhuǎn)矩改善動(dòng)態(tài)特性，既具有一般直

13、流電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，又具有小慣量直流電動(dòng)機(jī)的快速響應(yīng)性能，易與較大的慣性負(fù)載匹配，能較好地滿足伺服驅(qū)動(dòng)的要求，因此在數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等機(jī)電一體化產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。(二)直流伺服電動(dòng)機(jī)種類與選用 2.選用 寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)根據(jù)負(fù)載條件來(lái)選擇。加在電動(dòng)機(jī)軸上的有兩種負(fù)載，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩和慣性負(fù)載。 根據(jù)負(fù)載情況，所選電機(jī)必須能滿足下列條件：（1）在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)在電動(dòng)機(jī)連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍以內(nèi)；（2）工作負(fù)載與過(guò)載時(shí)間應(yīng)在規(guī)定的范圍以內(nèi)；（3）應(yīng)使加速度與希望的時(shí)間常數(shù)一致；（4）等效慣性負(fù)載與電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量相匹配。(二)、直流伺服電動(dòng)機(jī)種類與選用(三)、直流伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)直

14、流伺服電動(dòng)機(jī)為直流供電，為調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和方向,需要對(duì)其直流電壓的大小和方向進(jìn)行控制。目前常用晶體管脈寬調(diào)速驅(qū)動(dòng)和晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)兩種方式。晶閘管直流驅(qū)動(dòng)（SCR）：主要通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置控制晶體、閘管的觸發(fā)延遲角來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，從而改變整流電壓的大小，使直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓的變化易于平滑調(diào)速。由于晶閘管本身的工作原理和電源的特點(diǎn)，導(dǎo)通后是利用交流(50Hz)過(guò)零來(lái)關(guān)閉的，因此，在低整流電壓時(shí)。其輸出是很小的尖峰值(三相全波時(shí)每秒300個(gè))的平均值，從而造成電流的不連續(xù)性。采用脈寬調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，開關(guān)頻率高(20003000Hz)，伺服機(jī)構(gòu)能夠響應(yīng)的頻帶范圍也較寬，與晶閘管相比，其輸出電流脈

15、動(dòng)非常小，接近于純直流。日本法納克(FANUC)公司生產(chǎn)的用于工業(yè)機(jī)器人、CNC機(jī)床、加工中心(MC)的L系列(低慣量系列)、M系列(中慣量系列)和H系列(大慣量系列直流伺服電動(dòng)機(jī)）。其中L系列適合于頻繁起動(dòng)、制動(dòng)場(chǎng)合應(yīng)用，M系列是在H系列的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其慣量較H系列小，適合于晶體管脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動(dòng)，因而提高了整個(gè)伺服系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。而H系列是大慣量控制用電動(dòng)機(jī)，它有較大的輸出功率，采用六相全波晶閘管整流驅(qū)動(dòng)。表中電動(dòng)機(jī)型號(hào)帶有H標(biāo)志(如30MH)的表示該電動(dòng)機(jī)裝有熱管冷卻器，該電動(dòng)機(jī)的有效尺寸與不帶熱管冷卻器的同型號(hào)的相同，但其額定轉(zhuǎn)矩大。二、 交流(AC)伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)由于

16、直流伺服電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，因此長(zhǎng)期以來(lái)，在要求調(diào)速性能較高的場(chǎng)合，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)主導(dǎo)地位。 但直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上存在機(jī)械整流子、電刷維護(hù)困難、造價(jià)高、壽命短、應(yīng)用環(huán)境受到限制的缺點(diǎn)。近年來(lái)交流驅(qū)動(dòng)技術(shù)有了飛速的發(fā)展，它具有堅(jiān)固耐用、經(jīng)濟(jì)可靠及動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)。因此，交流伺服系統(tǒng)已在很大程度上取代了直流伺服系統(tǒng)。 交流伺服電動(dòng)機(jī)包括同步型、感應(yīng)型兩種。二、 交流(AC)伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)在小功率伺服系統(tǒng)中，一般使用永磁式同步電動(dòng)機(jī)，因?yàn)樗袃?yōu)良的動(dòng)態(tài)性能，過(guò)載能力大等優(yōu)點(diǎn)。感應(yīng)型交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，價(jià)格低，可用做主軸電機(jī)。目前的交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置一般采用DSP的全

17、數(shù)字化控制。 對(duì)交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制以矢量控制為基礎(chǔ)。第四節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)與種類 1. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。輸入一個(gè)電脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即每當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組接受一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時(shí)間上與輸入脈沖同步。只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電動(dòng)機(jī)繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，很容易用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)與種類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有以下特點(diǎn)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素的影響(如電源電壓的波動(dòng)、電流的

18、大小與波形的變化、溫度等)的影響，只要在它們的大小未引起步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生“丟步”現(xiàn)象之前，就不影響其正常工作；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一定步數(shù)以后也會(huì)出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一轉(zhuǎn)以后，其累積誤差變?yōu)椤傲恪?，因此不?huì)長(zhǎng)期積累；控制性能好,在起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)時(shí)不易“丟步”。不需要傳感器進(jìn)行反饋，可以進(jìn)行開環(huán)控制；缺點(diǎn)是能量效率較低。 因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用于開環(huán)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，并可靠地獲得較高的位置精度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與DC和AC伺服電動(dòng)機(jī)相比其轉(zhuǎn)矩、效率、精度、高速性比較差，但步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大、速度控制比較簡(jiǎn)單、外形尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，所以在辦公室自動(dòng)化方面的打印機(jī)

19、、繪圖機(jī)、復(fù)印機(jī)等機(jī)電一體化產(chǎn)品中得到廣泛使用，在工廠自動(dòng)化方面也可代替低檔的DC伺服電動(dòng)機(jī)。一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)與種類2、開環(huán)步進(jìn)伺服系統(tǒng)的工作原理 組成: 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)速度：進(jìn)給脈沖的頻率代表了驅(qū)動(dòng)速度；位移量：脈沖的數(shù)量代表了位移量；運(yùn)動(dòng)方向：步進(jìn)電機(jī)的各相通電順序來(lái)決定；注意： 由于開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)系統(tǒng)沒(méi)有反饋檢測(cè)環(huán)節(jié)，其精度主要由步進(jìn)電機(jī)來(lái)決定，速度也受到步進(jìn)電機(jī)性能的限制.2、開環(huán)步進(jìn)伺服系統(tǒng)的工作原理 步進(jìn)電機(jī)接受驅(qū)動(dòng)電路控制，將進(jìn)給脈沖序列轉(zhuǎn)換成為具有一定方向、大小和速度的機(jī)械轉(zhuǎn)角位移，并通過(guò)齒輪和絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng).3. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類(1)按轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理分 可

20、變磁阻(VR-Variable Reluctance),也叫反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)永磁(PM-Permanent Magnet)型混合(HB-Hybrid)型(2)按輸出力矩大小分 伺服式：輸出力矩小于1(Nm)只能驅(qū)動(dòng)較小的負(fù)載,與液壓扭矩放大器配合驅(qū)動(dòng)較大的負(fù)載. 功率式：輸出力矩在550Nm以上，可以直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)等較大的負(fù)載. (3)按定子數(shù)分 單定子式； 雙定子式； 三定子式； 多定子式. (4)按各相繞組分布分 徑向分相式：電機(jī)各相按圓周依次排列; 軸向分相式：電機(jī)各相按軸向依次排列； (5) 按相數(shù)分 三相； 四相； 五相； 六相.3. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類3. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類 1）

21、可變磁阻(VR-Variable Reluctance)型該類電動(dòng)機(jī)由定子繞組產(chǎn)生的反應(yīng)電磁力吸引用軟磁鋼制成的齒形轉(zhuǎn)子作步進(jìn)驅(qū)動(dòng)，故又稱反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其結(jié)構(gòu)原理如圖所示。其定子1與轉(zhuǎn)子2由鐵心構(gòu)成，沒(méi)有永久磁鐵，定子上嵌有線圈，轉(zhuǎn)子朝定子與轉(zhuǎn)子之間磁阻最小方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并由此而得名可變磁型。 此類電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)子直徑小，有利于高速響應(yīng)。由于VR型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的鐵心無(wú)極性，故不需改變電流極性，多為單極性勵(lì)磁。2) 永磁(PM-Permanent Magnet)型PM型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子2采用永久磁鐵、定子1采用軟磁鋼制成，繞組3輪流通電，建立的磁場(chǎng)與永久磁鐵的恒定磁場(chǎng)相互吸引與排斥產(chǎn)生轉(zhuǎn)

22、矩。其結(jié)構(gòu)如圖所示。這種電動(dòng)機(jī)由于采用了永久磁鐵，即使定子繞組斷電也能保持一定轉(zhuǎn)矩，故具有記憶能力，可用做定位驅(qū)動(dòng)。PM型電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是勵(lì)磁功率小、效率高、造價(jià)低，因此需要量也大。由于轉(zhuǎn)子磁鐵的磁化間距受到限制，難于制造，故步距角較大。與VR型相比轉(zhuǎn)矩大，但轉(zhuǎn)子慣量也較大。3) 混合(HB-Hybrid)型該型步進(jìn)電機(jī)不僅具有VR型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角小、響應(yīng)頻率高的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有PM型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁功率小、效率高的優(yōu)點(diǎn)。它的定子與VR型沒(méi)有多大差別，只是在相數(shù)和繞組接線方面有其特殊的地方，例如，VR型一般都做成集中繞組的形式，每極上放有一套繞組，相對(duì)的兩極為一相，而HB型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子繞組大

23、多數(shù)為四相，而且每極同時(shí)繞兩相繞組或采用橋式電路繞一相繞組，按正反脈沖供電。HB型的電動(dòng)機(jī)由轉(zhuǎn)子鐵心的凸極數(shù)和定子的副凸極數(shù)決定步距角的大小，可制造出步距角較小(0.93.6)的電動(dòng)機(jī)。永久磁鐵也可磁化軸向的兩極，可使用軸向各向異性磁鐵制成高效電動(dòng)機(jī)。常見步進(jìn)電機(jī)外形構(gòu)造 二、(反應(yīng)式)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 主要有以下2部分: 定子: 鐵心； 繞組. 轉(zhuǎn)子.二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理下圖是一典型的徑向三相反應(yīng)式旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖.定子:定子上有6個(gè)均勻分布的磁極；每個(gè)磁極上繞有勵(lì)磁繞組.兩相對(duì)的磁極上的繞組串聯(lián)在一起，構(gòu)成一相控制繞組.形成三對(duì)磁極.二、步進(jìn)

24、電動(dòng)機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)可構(gòu)成A、B、C三相控制繞組.定子的每個(gè)磁極正對(duì)轉(zhuǎn)子的圓弧面上都均勻分布著5個(gè)小齒，齒與槽的寬度相等.二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 轉(zhuǎn)子: 轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組，只有均勻分布的40個(gè)小齒，大小、間距與定子相同，齒間夾角為9.二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理三相定子磁極上的小齒在空間位置上與轉(zhuǎn)子依次錯(cuò)開1/3個(gè)齒距，請(qǐng)看上圖.當(dāng)A相磁極上的小齒與轉(zhuǎn)子上的小齒對(duì)齊時(shí)，B相磁極上的小齒剛好超前(或滯后)1/3齒.即3. C相磁極上的小齒超前(或滯后)2/3個(gè)齒，即6.二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理注意:轉(zhuǎn)子上圓周均勻分布著 40個(gè)小齒;定子磁極上的小齒相對(duì) 轉(zhuǎn)子小齒在空間位置上 依次錯(cuò)開1/3個(gè)齒距，

25、 (1)步進(jìn)電機(jī)的通電方式 通電方法： 各相輪流通電.當(dāng)某一相通電時(shí),其它相必須斷電. 定子有3種通電方式: 每種通電方式都能變換輪回方向. 3種通電方式如下: 單相輪流通電; 雙相輪流通電; 單、雙相輪流通電. 單相輪流通電(三相單三拍) 順時(shí)針輪回 ABCA 逆時(shí)針輪回 ACBA 完成一次通電狀態(tài)循環(huán),轉(zhuǎn)子走3步,稱三拍.故對(duì)三相步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，稱此通電方式為三相單三拍.二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 雙相輪流通電(三相雙三拍) 順時(shí)針輪回 ABBCCAAB 逆時(shí)針輪回 BAACCBBA 完成一次通電狀態(tài)循環(huán)，轉(zhuǎn)子仍走3步，也稱三拍，但此時(shí)有兩相通電.故對(duì)三相步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，稱此通電方式為三相雙三拍

26、. 單、雙相輪流通電(三相六拍) 順時(shí)針輪回 AABBBCCCAA 逆時(shí)針輪回 AACCCBBBAA 完成一次通電狀態(tài)循環(huán)，轉(zhuǎn)子需走6步，稱六拍.故對(duì)三相步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，稱此通電方式為三相六拍.二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 步進(jìn)電機(jī)的工作原理實(shí)際上是電磁鐵的作用原理. 首先,讓我們來(lái)看一下一個(gè)最簡(jiǎn)單的步進(jìn)電機(jī),也就是只有4個(gè)齒的步進(jìn)電機(jī). 二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 二、步進(jìn)電機(jī)的工作原理 三相單三拍 順時(shí)針轉(zhuǎn): 按順序 ABCA通電，由于在磁場(chǎng)作用下,轉(zhuǎn)子總是力圖旋轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置，故在這種情況下,轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到圖所示位,1、3齒與A、A極對(duì)齊.CABBCA3412 同理,B相通電時(shí),轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)30

27、角，2、4齒與B、B磁極軸線對(duì)齊；當(dāng)C相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過(guò)30角，1、3齒和C、C磁極軸線對(duì)齊. 按AB C A 的順序給三相繞組輪流通電，轉(zhuǎn)子便一步一步按順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái).每一拍轉(zhuǎn)過(guò) 30(步距角)，每個(gè)通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)過(guò)90 (一個(gè)齒距角). 這種工作方式下, 三個(gè)繞組輪流通電一次為一個(gè)循環(huán)周期, 一個(gè)循環(huán)周期包括三個(gè)工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式. 逆時(shí)針轉(zhuǎn): 按ACBA順序通電,首先給A相通電,由于在磁場(chǎng)作用下, 轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到右圖所示位,1、3齒與A、A極對(duì)齊.CABBCA3412二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 同理,C相通電時(shí),轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)30角， 2 ,4 齒與C、C磁極軸線對(duì)齊

28、；當(dāng)B相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過(guò)30角，1、3齒和B、B磁極軸線對(duì)齊.二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 按ACBA 的順序給三相繞組輪流通電，轉(zhuǎn)子便一步一步逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái).與順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)相似每一拍轉(zhuǎn)過(guò)30(步距角)，每個(gè)通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)過(guò)90(一個(gè)齒距角).二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 結(jié)論(三相單三拍): 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以運(yùn)行時(shí),每 個(gè)循環(huán)周期分為3拍. 每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)30（步距角）,一個(gè)通電循環(huán)周期 (3拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90 (齒距角). 注意: 運(yùn)行不穩(wěn)定,易失步(切換瞬間,各相都斷電而沒(méi) 有自鎖轉(zhuǎn)矩) 精度低.與單三拍相比,六拍驅(qū)動(dòng)方式的步進(jìn)角大.二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 三相六拍 按AABBBCC

29、CA的順序給三相繞組輪流通電.這種方式可以獲得更精確的控制特性.A相通電,轉(zhuǎn)子1、3齒與A、A對(duì)齊.A、B相同時(shí)通電,A、A 磁極拉住1、3齒，B、B 磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)15，到達(dá)右圖所示位置.二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 B 相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒與B、B 對(duì)齊,又轉(zhuǎn)過(guò)15. B、C相同時(shí)通電，C 、C 磁極拉住1、3齒，B、B 磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過(guò)15.二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理結(jié)論(三相六拍): 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以三相六拍運(yùn)行時(shí),每個(gè) 循環(huán)周期分為六拍. 每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)15（步距角）,一個(gè)通電循環(huán)周期(6拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90 (齒距角).注意: 精度高. 六拍驅(qū)動(dòng)方式的步進(jìn)角更小,

30、更適用于 需要精確定位的控制系統(tǒng)中. 運(yùn)行穩(wěn)定,不易失步(切換時(shí),總有一相保持通電).二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理三相雙三拍 按AB BC CA的順序給三相繞組輪流通電.每拍有兩相繞組同時(shí)通電.原理不在贅述.結(jié)論: 與單三拍方式相似，雙三拍驅(qū)動(dòng)時(shí)每個(gè)通電循 環(huán)周期也分為三拍.每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)30 (步距角), 一個(gè)通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90(齒距角)優(yōu)點(diǎn): 兩相同時(shí)通電,力矩大;切換時(shí) 兩相同時(shí)通電,運(yùn)行平穩(wěn),不易失步.二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理實(shí)際步進(jìn)電機(jī)的工作原理 我們?cè)谇懊娼榻B了轉(zhuǎn)子上有40個(gè)齒的步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu).由于其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,為分析方便,我們將轉(zhuǎn)子和定子沿圓周方向展開,可以得到下圖.

31、二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理當(dāng)A相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子的齒與定子A上的齒對(duì)齊；當(dāng)A相斷電， B相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子的齒與定子B上的齒對(duì)齊，電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)3.當(dāng)定子繞組按A B C A順序輪流通電時(shí), 三對(duì)磁極就依次產(chǎn)生磁場(chǎng)，步進(jìn)電機(jī)就不停的轉(zhuǎn)動(dòng).若通電順序改為A C B A步進(jìn)電機(jī)將沿相反方向轉(zhuǎn)動(dòng).結(jié)論: 對(duì)于轉(zhuǎn)子上有40個(gè)小齒的三相電機(jī) 三相雙三拍:定子通電狀態(tài)改變一次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)3. 三相六拍:定子通電狀態(tài)改變一次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)1.5.二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 (3)工作原理小結(jié) 步進(jìn)電機(jī)每次轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)確定的角度,即步距角； 式中： m為相數(shù),k為通電方式系數(shù)。m相m拍時(shí)(如單相或雙相勵(lì)磁時(shí)，k=1；m相2m拍時(shí)(如

32、單雙相勵(lì)磁時(shí))，k=2；z為轉(zhuǎn)子齒數(shù). 通過(guò)改變通電順序來(lái)改變旋轉(zhuǎn)方向； 通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)速就越高. 二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電方式如果步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的每一次通斷電操作稱為一拍，每拍中只有一相繞組通電，其余繞組斷電，則這種通電方式稱為單相通電方式。三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單相通電方式稱為三相單三拍通電方式。 如果步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電循環(huán)的每拍中都有兩相繞組通電，則這種通電方式稱為雙相通電方式。三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用雙相通電方式時(shí)，稱為三相雙三拍通電方式。 如果步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電循環(huán)的各拍中交替出現(xiàn)單、雙相通電狀態(tài)，則這種通電方式稱為單雙相輪流通電方式。三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用單雙相輪流通電方式時(shí)

33、，每個(gè)通電循環(huán)中共有六拍，因而又稱為三相六拍通電方式。 3三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的三種運(yùn)行方式： 單三拍時(shí)： ABC,ABC4 雙三拍時(shí)： 單雙拍（即六拍）時(shí)：ABBCCA,ABBCCAAABBBCCCA,-AABBBCCCA 圖6-14 不同通電方式時(shí)的矩頻特性 由于采用單相通電方式工作時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性（輸出轉(zhuǎn)矩與輸入脈沖頻率的關(guān)系）較差，在通電換相過(guò)程中，轉(zhuǎn)子狀態(tài)不穩(wěn)定，容易失步，因而實(shí)際應(yīng)用中較少采用。圖6-14是某三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在不同通電方式下工作時(shí)的矩頻特性曲線。顯然，采用單雙相輪流通電方式可使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在各種工作頻率下都具有較大的負(fù)載能力。通電方式不僅影響步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻

34、特性，對(duì)步距角也有影響。一個(gè)m相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，如其轉(zhuǎn)子上有z個(gè)小齒，則其步距角可通過(guò)下式計(jì)算： (6-12) 式中，k是通電方式系數(shù)。當(dāng)采用單相或雙相通電方式時(shí)，k1；當(dāng)采用單雙相輪流通電方式時(shí)，k2。 可見，采用單雙相輪流通電方式還可使步距角減小一半。步進(jìn)電機(jī)的步距角決定了系統(tǒng)的最小位移，步距角越小，位移的控制精度越高。 步進(jìn)電機(jī)的主要特性 主要特性有5個(gè)： 步距角與靜態(tài)步距誤差； 啟動(dòng)頻率fq ； 連續(xù)運(yùn)行的最高工作頻率； 加減速特性； 矩頻特性與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩. 三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo)(1)步距角與靜態(tài)步距誤差 步距角數(shù)控機(jī)床中常用的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)步距角為0.53,是決定開環(huán)伺服系統(tǒng)

35、脈沖當(dāng)量的重要參數(shù). 靜態(tài)步距誤差空載時(shí)，理論步距角與實(shí)際步距角之差,一般在10以內(nèi)。但步進(jìn)電機(jī)的步距角誤差不整周累積，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一周后，又回到了開始的位置。三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo)脈沖當(dāng)量指對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)輸入端的一個(gè)進(jìn)給脈沖，系統(tǒng)輸出端產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角或位移。(2)啟動(dòng)頻率fq fq 指在空載情況下，步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然啟動(dòng)，并進(jìn)入不丟步的正常運(yùn)行所允許的最高頻率.注意： 啟動(dòng)時(shí)步進(jìn)電機(jī)接到的指令脈沖頻率應(yīng)小于啟動(dòng)頻率fq ，否則將產(chǎn)生失步. fq隨負(fù)載慣量增大而減小.三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo)(3)連續(xù)運(yùn)行的最高工作頻率fmax fmax指步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然啟動(dòng)后,保 證連續(xù)

36、不丟步運(yùn)行的最高頻率. fmax 是決定定子繞組通電狀態(tài)最高頻率的參數(shù). fmax決定了步進(jìn)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速. fmax =(410) fq三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo) 由加減速特性曲線可以看出： 啟動(dòng)時(shí)速度必須逐漸上升; 停止時(shí)速度必須逐漸下降. 上升和下降的時(shí)間不能過(guò)短，否則會(huì)出現(xiàn)失步和超步現(xiàn)象. (4)加減速特性f(t) f(t)描述步進(jìn)電機(jī)由靜止工作頻率靜止的加減速過(guò)程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率 f 與時(shí)間t 的關(guān)系. 用加速時(shí)間常數(shù)Ta和Td來(lái)描述、衡量步進(jìn)電機(jī)的升速和降速特性.(5)矩頻特性M( f ) 與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩 M( f )是描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行

37、頻率之間的關(guān)系，請(qǐng)看右圖. 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩：特性曲線上每一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩.注意:動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運(yùn)行頻率的上升而下降.三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo)矩頻特性：步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩與輸入脈沖頻率的關(guān)系 高速時(shí)，負(fù)載能力變差，這是其應(yīng)用受到限制的原因之一由圖看出：動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨脈沖頻率的升高而降低原因：定子控制繞組有一定的電感量，回路有電氣時(shí)間常數(shù)，電感電流變化有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，達(dá)不到電流穩(wěn)態(tài)值。四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電樞通斷電次數(shù)和各相通電順序決定了輸出角位移和運(yùn)動(dòng)方向，控制脈沖分配頻率可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制。 因此，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)一般采用開環(huán)控制方式。 下圖為開環(huán)

38、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖， 系統(tǒng)主要由環(huán)形分配器、 功率驅(qū)動(dòng)器、 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等組成。 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制功率放大器環(huán)形分配器加減速電路脈沖混合電路加減脈沖分配電路進(jìn)給脈沖步進(jìn)電機(jī)繞 阻1. 脈沖混合電路 將脈沖進(jìn)給、手動(dòng)進(jìn)給、手動(dòng)回原點(diǎn)、誤差補(bǔ)償?shù)刃盘?hào)脈沖混合為正向或負(fù)向脈沖進(jìn)給信號(hào)2. 加減脈沖分配電路 在某向脈沖總數(shù)中減去反向位置補(bǔ)償脈沖數(shù)正向反向加減送往3. 加減速電路 將單一方向的進(jìn)給脈沖調(diào)整為符合步進(jìn)電機(jī)加減速特性的脈沖，頻率的變化要平穩(wěn)，加減速具有一定的時(shí)間常數(shù)。4. 環(huán)形分配器 將來(lái)自加減速電路的單一系列進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換成控制步進(jìn)電機(jī)定子各相繞阻通、斷電的多路電平信號(hào)。5. 功率放大器

39、 將環(huán)形分配器輸出的mA級(jí)電流進(jìn)行功率放大，一般由前置放大器和功率放大器組成。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源組成1）環(huán)形脈沖分配器步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在一個(gè)脈沖的作用下，轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的步距角， 因此只要控制一定的脈沖數(shù)，即可精確控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的相應(yīng)的角度。但步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各繞組必須按一定的順序通電才能正確工作，使電動(dòng)機(jī)繞組的通斷電順序按輸入脈沖的控制而循環(huán)變化的過(guò)程稱為環(huán)形脈沖分配。 實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配的方法有三種：一種是計(jì)算機(jī)軟件分配， 采用查表或計(jì)算的方法使計(jì)算機(jī)的三個(gè)輸出引腳依次輸出滿足速度和方向要求的環(huán)形分配脈沖信號(hào)。 這種方法能充分利用計(jì)算機(jī)軟件資源，減少硬件成本， 尤其是多相電動(dòng)機(jī)的脈沖

40、分配更能顯示出這種分配方法的優(yōu)點(diǎn)。 但由于軟件運(yùn)行會(huì)占用計(jì)算機(jī)的運(yùn)行時(shí)間， 因而會(huì)使插補(bǔ)運(yùn)算的總時(shí)間增加， 從而影響步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度。 軟件脈沖分配 軟件環(huán)形分配器的設(shè)計(jì)方法有很多，如查表法、比較法、移位寄存器法等，它們各有特點(diǎn)，其中常用的是查表法。步序?qū)щ娤喙ぷ鳡顟B(tài)數(shù)值（16進(jìn)制）程序的數(shù)據(jù)表正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) C B A TAB A0 0 101HTAB0 DB 01HAB0 1 103HTAB1 DB 03HB0 1 002HTAB2 DB 02HBC1 1 006HTAB3 DB 06HC1 0 004HTAB4 DB 04HCA1 0 105HTAB5 DB 05H第二種是采用小規(guī)模集成

41、電路搭接而成的脈沖分配器。第三種是專用的硬件環(huán)形分配， 采用數(shù)字電路搭建或?qū)Ｓ玫沫h(huán)形分配器件將連續(xù)的脈沖信號(hào)經(jīng)電路處理后輸出環(huán)形脈沖。 采用數(shù)字電路搭建的環(huán)形分配器通常由分立元件（如觸發(fā)器、 邏輯門等）構(gòu)成， 特點(diǎn)是體積大， 成本高， 可靠性差。 專用的環(huán)形分配器目前市面上有很多種， 如CMOS電路CH250即為三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的專用環(huán)形分配器。 環(huán)形分配器CH250引腳圖(a) 引腳功能； (b) 三相六拍線路圖CH250工作狀態(tài)功率放大電路的作用功率放大電路將環(huán)形分配器輸出的脈沖信號(hào)放大，用足夠的功率驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī). 從環(huán)形分配器來(lái)的進(jìn)給控制信號(hào)的電流只有幾毫安，而步進(jìn)電機(jī)的定子繞組需要幾安培

42、電流.因此，需要對(duì)從環(huán)形分配器來(lái)的信號(hào)進(jìn)行功率放大.每一相繞組需要一個(gè)功率放大器. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所使用的功率放大電路有電壓型和電流型。電壓型又有單電壓型、雙電壓型(高低壓型）。電流型中有恒流驅(qū)動(dòng)、斬波驅(qū)動(dòng)等。2)功率放大電路2)功率放大電路常見的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路有三種： (1） 單電源驅(qū)動(dòng)電路（單電壓功率放大器）。這種電路采用單一電源供電，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但電流波形差，效率低，輸出力矩小，主要用于對(duì)速度要求不高的小型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。 (2）雙電源驅(qū)動(dòng)電路（高低電壓功率放大器）。雙電源驅(qū)動(dòng)電路又稱高、低壓驅(qū)動(dòng)電路，采用高壓和低壓兩個(gè)電源供電。 (3）斬波限流驅(qū)動(dòng)電路（斬波恒流放大器）。這種電

43、路采用單一高壓電源供電，以加快電流上升速度，并通過(guò)對(duì)繞組電流的檢測(cè)，控制功放管的開和關(guān)，使電流在控制脈沖持續(xù)期間始終保持在規(guī)定值上下。這種電路功率大，功耗小，效率高，目前應(yīng)用最廣。 3）細(xì)分驅(qū)動(dòng) 上述提到的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各種功率放大電路都是采用環(huán)形分配器芯片進(jìn)行環(huán)形分配，控制電動(dòng)機(jī)各相繞組的導(dǎo)通或截止，從而使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，步距角的大小只有兩種，即整步工作或半步工作。步距角已由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)所確定。 如果要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有更小的步距角，更高的分辨率(即脈沖當(dāng)量)，或者為減小電動(dòng)機(jī)振動(dòng)、噪聲等原因，可以在每次輸入脈沖切換時(shí)，只改變相應(yīng)繞組中額定的一部分，則電動(dòng)機(jī)的合成磁勢(shì)也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分，

44、轉(zhuǎn)子的每步運(yùn)行也只有步距角的一部分，繞組電流分成數(shù)個(gè)臺(tái)階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的次數(shù)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，這種將一個(gè)步距角細(xì)分成若干步的驅(qū)動(dòng)力法，稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng)。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)：不改變電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，能使步距角減小，但細(xì)分后的齒距角精度不高，且驅(qū)動(dòng)電源的結(jié)構(gòu)也相應(yīng)復(fù)雜。使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，提高均勻性，并能減弱或消除振蕩。目前實(shí)現(xiàn)細(xì)分階梯波供電的方法有：先放大后疊加，如圖a所示。先疊加后放大，如圖b所示。 3）細(xì)分驅(qū)動(dòng)對(duì)控制繞組中的電流進(jìn)行細(xì)分，把步距角細(xì)分成若干步完成CLK4）步進(jìn)電機(jī)的微機(jī)控制 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程一般由控制器控制，控制器按照設(shè)計(jì)者的要求完成一定的控制過(guò)程，使驅(qū)動(dòng)電源按照要

45、求的規(guī)律驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。簡(jiǎn)單的控制過(guò)程可以用各種邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，但線路復(fù)雜，控制方案難以改變。目前，主要采用單片機(jī)作為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制器進(jìn)行控制，很好地克服了硬件邏輯線路控制器的缺點(diǎn)。4.1） 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制串行控制 具有串行控制功能的單片機(jī)系統(tǒng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源之間具有較少的連線。這種系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電源中必須含有環(huán)形分配器，其功能框圖如圖3.25所示 并行控制 用微機(jī)系統(tǒng)的數(shù)條端口線直接去控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路的方法稱為并行控制。在驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)，也包含環(huán)形分配器，其功能必須由微機(jī)系統(tǒng)完成。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)脈沖分配器的功能又有兩種方法：純軟件方法軟、硬件相結(jié)方法 并行控制方案的功能框圖如圖所示

46、5) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度控制 控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度，實(shí)際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出脈沖的頻率或者換相的周期。系統(tǒng)可以用兩種方法確定脈沖的周期（頻率）：軟件延時(shí)定時(shí)器 軟件延時(shí)的方法是通過(guò)調(diào)用延時(shí)子程序的方法實(shí)現(xiàn)的，它占用CPU時(shí)間。定時(shí)器方法是通過(guò)設(shè)置定時(shí)時(shí)間常數(shù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速控制 在點(diǎn)位控制過(guò)程中，運(yùn)行速度需要有一個(gè)“加速恒速減速低恒速停止”的加減速過(guò)程。點(diǎn)位控制的加減速過(guò)程如圖所示。點(diǎn)-位控制的加減速過(guò)程5) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度控制升速規(guī)律一般可有兩種選擇：一是按照直線規(guī)律升速，二是按指數(shù)規(guī)律升速。按直線規(guī)律升速時(shí)加速度為恒值，因此要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為恒值。從電動(dòng)機(jī)本身的矩-頻

47、特性來(lái)看，在轉(zhuǎn)速不是很高的范圍內(nèi)，輸出的轉(zhuǎn)矩可基本認(rèn)為恒定。但實(shí)際上電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩將有所下降，如按指數(shù)規(guī)律升速，加速度是逐漸下降的，接近電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。 用微機(jī)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行加減速控制，實(shí)際上就是改變輸出步進(jìn)脈沖的時(shí)間間隔。升速時(shí)使脈沖串逐漸加密，減速時(shí)使脈沖串逐漸稀疏。微機(jī)用定時(shí)器中斷的方式來(lái)控制電動(dòng)機(jī)變速時(shí),實(shí)際上就是不斷改變定時(shí)器裝載值的大小。 5) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度控制一般用離散辦法來(lái)逼近理想的升降速曲線。為了減少每步計(jì)算裝載值的時(shí)間，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就把各離散點(diǎn)的速度所需的裝載值固化在系統(tǒng)的EPROM中，系統(tǒng)運(yùn)行中用查表方法查出所需的裝載值，從而大大減少占用CP

48、U時(shí)間，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。系統(tǒng)在執(zhí)行升降速的控制過(guò)程中，對(duì)加減速的控制還需準(zhǔn)備下列數(shù)據(jù)：加減速的斜率；升速過(guò)程的總步數(shù)；恒速運(yùn)行總步數(shù)；減速運(yùn)行的總步數(shù)。 對(duì)升降速過(guò)程的控制有多種方法，軟件編程也十分靈活，技巧很多。此外，利用模擬數(shù)字集成電路也可實(shí)現(xiàn)升降速控制，但是實(shí)現(xiàn)起來(lái)較復(fù)雜且不靈活。4.2) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制 閉環(huán)控制是直接或間接地檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和速度，通過(guò)反饋和適當(dāng)?shù)奶幚?，自?dòng)給出驅(qū)動(dòng)的脈沖列。 采用閉環(huán)控制，不僅可以獲得精確的位置精度和速度控制，而且擴(kuò)大步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。 采用光電編碼器檢測(cè)的閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖所示。五、步進(jìn)電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)1、脈沖當(dāng)量：步進(jìn)電機(jī)每接受一個(gè)脈沖時(shí)

49、，工作臺(tái)走過(guò)的位移單位為 mm/pulse= 0.0010.0025 精密機(jī)床0.0050.01 數(shù)控機(jī)床 0.10.15 一般機(jī)床角脈沖當(dāng)量：就是步距角(/pulse)當(dāng)通過(guò)中間傳動(dòng)裝置時(shí)，角脈沖當(dāng)量為：M驅(qū)動(dòng)器指令脈沖如下圖，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)絲杠螺母副帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其脈沖當(dāng)量為：Z1Z2設(shè)計(jì)時(shí)，先根據(jù)運(yùn)動(dòng)精度選定，再根據(jù)負(fù)載確定步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)，并選定絲杠的導(dǎo)程p,計(jì)算出傳動(dòng)比i后，最后設(shè)計(jì)傳動(dòng)齒輪的各參數(shù)等。 2、最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax與相數(shù)、拍數(shù)一般根據(jù) TL（3050%）Tmax選擇Tmax其中TL為把負(fù)載折合到步進(jìn)電機(jī)軸的負(fù)載力矩，若相數(shù)、拍數(shù)較多，可選0.5，否則選0.3，考慮控制回路

50、的復(fù)雜和經(jīng)濟(jì)程度，一般取相數(shù)較少的。3、最高運(yùn)行頻率與速度關(guān)系.根據(jù)工作臺(tái)的最高速度vmax選擇步進(jìn)電機(jī)最高運(yùn)行頻率fmax由得注意量綱：vmax (m/min) 4、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與加減速性能步進(jìn)電機(jī)的加減速性能與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所產(chǎn)生的慣性力矩有關(guān)慣性力矩：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角加速度越大，步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率越低，加減速性能越差，越容易失步。通過(guò)減小步距角和減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量改善啟動(dòng)、加減速性能5、電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算作用在步進(jìn)電機(jī)軸的總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩按下式計(jì)算：6、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算其中：Jm是電機(jī)軸自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.m2）Jd是系統(tǒng)折算到電機(jī)軸的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.m2）是電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)的角加速度（rad/s2）F

51、作用在工作臺(tái)的摩擦力（N）FW作用在工作臺(tái)的外力（N）伺服系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的總效率（取0.70.85） 絲杠螺母預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率（取0.9）F0絲杠螺母預(yù)緊時(shí)的力（N） P是絲杠螺距（mm）i是總傳動(dòng)比 基本公式圓柱體其中： Jd的計(jì)算對(duì)上圖所示的的系統(tǒng)，折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jd由幾部分組成： 電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm 齒輪Z1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JZ1 齒輪Z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JZ2和絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JS折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 工作臺(tái)折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)于直線移動(dòng)的工作臺(tái)，折算到絲杠軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：絲杠軸折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：因此，折算到電機(jī)軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jd為：對(duì)于齒輪齒條傳動(dòng)的工作臺(tái)，折算到驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)

52、慣量為：對(duì)于帶傳動(dòng)的工作臺(tái)，折算到驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：R為齒輪分度圓半徑為驅(qū)動(dòng)軸的角速度v為工作臺(tái)的速度補(bǔ)充(自學(xué)) ： 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、方案設(shè)計(jì)二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)三、伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)在進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮以下方面的問(wèn)題：1系統(tǒng)閉環(huán)與否的確定 當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載不大，精度要求不高時(shí)，可考慮開環(huán)控制；反之，當(dāng)系統(tǒng)精度要求較高或負(fù)載較大時(shí)，開環(huán)系統(tǒng)往往滿足不了要求，這時(shí)要采用閉環(huán)或半閉環(huán)控制系統(tǒng)。一般情況下，開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性不會(huì)有問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮滿足精度方面的要求即可，并通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配，使系統(tǒng)具有盡可能好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。一、方案設(shè)計(jì)2執(zhí)行元件的選擇 選擇執(zhí)行元件時(shí)應(yīng)綜合考慮負(fù)載能力、調(diào)

53、速范圍、運(yùn)行精度、可控性、可靠性以及體積、成本等多方面的要求。一般來(lái)講，對(duì)于開環(huán)系統(tǒng)可考慮采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、電液脈沖馬達(dá)和伺服閥控制的液壓缸和液壓馬達(dá)等，應(yīng)優(yōu)先選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。對(duì)于中小型的閉環(huán)系統(tǒng)可考慮采用直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)，對(duì)于負(fù)載較大的閉環(huán)伺服系統(tǒng)可考慮選用伺服閥控制的液壓馬達(dá)等。一、方案設(shè)計(jì)3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案的選擇 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是執(zhí)行元件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的一個(gè)連接裝置，用來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和力的變換與傳遞。在伺服系統(tǒng)中，執(zhí)行元件以輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩為主，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)則多為直線運(yùn)動(dòng)。用于將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有齒輪齒條和絲杠螺母等。前者可獲得較大的傳動(dòng)比和較高的傳動(dòng)效率，所能傳遞的力

54、也較大，但高精度的齒輪齒條制造困難，且為消除傳動(dòng)間隙而結(jié)構(gòu)復(fù)雜；后者因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易而應(yīng)用廣泛。一、方案設(shè)計(jì)4控制系統(tǒng)方案的選擇 控制系統(tǒng)方案的選擇包括微型機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制方式、驅(qū)動(dòng)電路等的選擇。常用的微型機(jī)有單片機(jī)、單板機(jī)、工業(yè)控制微型機(jī)等，其中單片機(jī)由于在體積、成本、可靠性和控制指令功能等許多方面的優(yōu)越性，在伺服系統(tǒng)的控制中得到了廣泛的應(yīng)用。 一、方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)方案確定后，應(yīng)進(jìn)行方案實(shí)施的具體化設(shè)計(jì)，即各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，通常稱為穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)。其內(nèi)容主要包括執(zhí)行元件規(guī)格的確定、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)慣量參數(shù)的計(jì)算以及信號(hào)檢測(cè)、轉(zhuǎn)換、放大等環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與計(jì)算。穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)要滿足系統(tǒng)輸出能力指標(biāo)的要求。二、

55、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)1. 負(fù)載的等效換算 為了便于系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的分析與計(jì)算，可將負(fù)載運(yùn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等效地變換到執(zhí)行元件的輸出軸上，并計(jì)算輸出軸承受的轉(zhuǎn)矩(回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))或力(直線運(yùn)動(dòng))。例如：二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì) 如圖所示系統(tǒng)中，由m個(gè)移動(dòng)部件和n個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件組成。mi、Vi和Fi分別為移動(dòng)部件的質(zhì)量(kg)、運(yùn)動(dòng)速度(ms)和所承受的負(fù)載力(N)；Jj、nj和Tj分別為轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kgm2)、轉(zhuǎn)速(rmin或rads)和所承受負(fù)載力矩(Nm)。(1) 系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 的計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)能的總和為 二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)設(shè)等效到執(zhí)行元件輸出軸上的總動(dòng)能為根據(jù)動(dòng)能不變的原則，有 ，系統(tǒng)

56、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為式中 為執(zhí)行元件輸出軸的轉(zhuǎn)速(rads) 二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)(2) 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 設(shè)上述系統(tǒng)在時(shí)間內(nèi)克服負(fù)載所作的功的總和為執(zhí)行元件輸出軸在時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)角為 ，則執(zhí)行元件所作的功為由于 ，所以執(zhí)行元件輸出軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)2. 執(zhí)行元件功率的匹配(1)系統(tǒng)執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)矩匹配 設(shè)機(jī)床工作臺(tái)的伺服進(jìn)給運(yùn)動(dòng)軸所采用電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 (r/min)是所需最大轉(zhuǎn)速，其額定轉(zhuǎn)矩 (Nm)應(yīng)大于所需要的最大轉(zhuǎn)矩，即應(yīng)大于等效到電機(jī)輸出軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 與克服慣性負(fù)載所需要的轉(zhuǎn)矩 ( 為電機(jī)加減速時(shí)的角加速度，rad/s2)之和。即電機(jī)軸上的總負(fù)載力矩為考慮機(jī)械傳動(dòng)效率，

57、則二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)(2) 系統(tǒng)執(zhí)行元件的功率匹配 上述可知，在計(jì)算等效負(fù)載力矩和等效負(fù)載慣量時(shí)，需要知道電機(jī)的某些參數(shù)。在選擇電機(jī)時(shí)，常先進(jìn)行預(yù)選，然后再進(jìn)行必要的驗(yàn)算。預(yù)選電機(jī)的估算功率P可由下式確定式中 電機(jī)的最高角速度(rad/s)； 電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速(r/min)； 考慮電機(jī)的功率富裕系數(shù)，一般取 1.22，對(duì)于小功率伺服系統(tǒng)可達(dá)2.5。二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)3. 減速器傳動(dòng)比的計(jì)算及分配 減速器傳動(dòng)比應(yīng)滿足驅(qū)動(dòng)部件與負(fù)載之間的位移、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。不但要求傳動(dòng)構(gòu)件要有足夠的強(qiáng)度，還要求其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡量小，以便在獲得同一加速度時(shí)所需轉(zhuǎn)矩小，即在同一驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，其加速

58、度響應(yīng)為最大。以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例，其傳動(dòng)比可按下式計(jì)算：式中 為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角(o)； 為絲杠導(dǎo)程(mm)； 為工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的脈沖當(dāng)量(mm)。 如計(jì)算出的值較小，可采用同步齒形帶或一級(jí)齒輪傳動(dòng)，否則應(yīng)采用多級(jí)齒輪傳動(dòng)。選擇齒輪傳動(dòng)級(jí)數(shù)時(shí)，一方面應(yīng)使齒輪總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與電動(dòng)機(jī)軸上主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值較小，另一方面還要避免因級(jí)數(shù)過(guò)多而使結(jié)構(gòu)復(fù)雜。傳動(dòng)級(jí)數(shù)一般可按下圖來(lái)選擇。二 、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì) 齒輪傳動(dòng)級(jí)數(shù)確定之后，為了緊湊傳動(dòng)結(jié)構(gòu)以及提高傳動(dòng)精度和動(dòng)態(tài)特性，通常是根據(jù)重量最輕或等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小或輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小的原則進(jìn)行各級(jí)傳動(dòng)比的分配。一般可按下圖來(lái)分配各級(jí)傳動(dòng)比，且應(yīng)使各級(jí)傳動(dòng)比按傳動(dòng)順

59、序逐級(jí)增加。二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)4. 信號(hào)檢測(cè)、轉(zhuǎn)換及放大和電源等裝置的選擇與設(shè)計(jì) 執(zhí)行元件與傳動(dòng)系統(tǒng)確定之后，要考慮信號(hào)檢測(cè)、轉(zhuǎn)換和放大裝置以及校正補(bǔ)償裝置的選擇與設(shè)計(jì)的問(wèn)題，同時(shí)還要考慮相鄰環(huán)節(jié)的連接、信號(hào)的有效傳遞、輸入與輸出的阻抗匹配等，以保證各個(gè)環(huán)節(jié)在各種條件下協(xié)調(diào)工作，系統(tǒng)整體上達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。 概括起來(lái)，主要考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)1.檢測(cè)傳感裝置的精度、靈敏度、反應(yīng)時(shí)間等性能參數(shù)要合適，這是保證系統(tǒng)整體精度的前提條件；2.信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路盡量選用商品化的產(chǎn)品，要有足夠的輸入輸出通道，與傳感器輸出阻抗和放大器的輸入阻抗要匹配； 3. 放大器應(yīng)具有足夠的放大倍數(shù)和

60、線性范圍，其特性應(yīng)穩(wěn)定可靠；4.功率輸出級(jí)的技術(shù)參數(shù)要滿足執(zhí)行元件的要求； 5.電源的設(shè)計(jì)，一是要考慮到放大器各放大級(jí)的不同需要，二是要考慮到動(dòng)力電源穩(wěn)定性能和抗干擾性能。二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)例： 己知：拖板重量W=2000N，拖板與貼塑導(dǎo)軌之間的摩擦因數(shù)u=0.06車削時(shí)最大切削負(fù)載Fs=2150N(與運(yùn)動(dòng)方向相反)，y向切削分力Fy=2Fz=300N(垂直于導(dǎo)軌）,要求刀具切削時(shí)的進(jìn)給速度：V=10500mm/min，快速行程速度：V0=3000mm/min，滾珠絲杠名義直徑D0=32mm,導(dǎo)程：p=6mm，絲杠總長(zhǎng)l=1400mm拖板最大行程1150mm，定位精度0.01mm，