步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构.doc

1、步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通 过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为 100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。伺服电机工作原理1.伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到 1 个脉冲，就会旋转 1 个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，

2、所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到 0.001mm。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。 无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相

3、。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。 2.交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。 3.伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的 U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。 什么是伺服电机？有几种类型？工作特点是什么？ 答：伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系

4、统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降， 请问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别？ 答：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。 永磁交流伺服电动机 20 世纪 80 年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展

5、方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90 年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有： 无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。 定子绕组散热比较方便。 惯量小，易于提高系统的快速性。 适应于高速大力矩工作状态。 同功率下有较小的体积和重量。 自从德国 MANNESMANN 的 Rexroth 公司的Indramat 分部在 1978 年汉诺威贸易博览会上正式推出 MAC 永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段

6、。到 20 世纪 80 年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行，分别称为摪胧只瘮或抟旌鲜綌、撊只瘮的永磁交流伺服系统。 到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。 日本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器，其中 D 系列

7、适用于数控机床（最高转速为 1000r/min，力矩为 0.252.8N.m），R 系列适用于机器人（最高转速为 3000r/min，力矩为 0.0160.16N.m）。之后又推出M、F、S、H、C、G 六个系列。20 世纪 90 年代先后推出了新的 D 系列和 R系列。由旧系列矩形波驱动、8051 单片机控制改为正弦波驱动、80C、154CPU 和门阵列芯片控制，力矩波动由 24降低到 7，并提高了可靠性。这样，只用了几年时间形成了八个系列（功率范围为 0.056kW）较完整的体系，满足了工作机械、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机等的不同需要。

8、 以生产机床数控装置而著名的日本法那克（Fanuc）公司，在 20 世纪 80 年代中 期也推出了 S 系列（ 13 个规格）和 L 系列（5 个规 格）的永磁交流伺服电动机。L 系列 有较小的转动惯量和机械时间常数，适用于要求特别快速响应的位置伺服系统。 日本其他厂商，例如：三菱电动机（HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS、HC-RFS 和 HC-UFS 系列）、东芝精机（SM 系列）、大隈铁工所(BL 系列）、三洋电气（BL 系列）、立石电机（S 系列）等众多厂商也 进入了永磁交流伺服系统的竞争行列。 德国力士乐公司（Rexroth）的 Indramat 分部的 MAC系列交流伺服电动

9、机共有 7 个机座号 92 个规格。 德国西门子（Siemens）公司的 IFT5 系列三相永磁交流伺服电动机分为标准型和短型两大类，共 8个机座号 98 种规格。据称该系列交流伺服电动机与相同输出力矩的直流伺服电动机 IHU 系列相比，重量只有后者的 12，配套的晶体管脉宽调制驱动器 6SC61 系列，最多的可供 6 个轴的电动机控制。 德国博世（BOSCH）公司生产铁氧体永磁的 SD 系列（17 个规格）和稀土永磁的 SE 系列（8 个规格）交流伺服电动机和 Servodyn SM 系列的驱动控制器。 美国著名的伺服装置生产公司 Gettys 曾一度作为 Gould 电子公司一个分部（Mo

10、tion Control Division），生产 M600 系列的交流伺服电动机和 A600 系列的伺服 驱动器。后合并到 AEG，恢复了 Gettys 名称，推出 A700 全数字化的交流伺服系统。 美国 A-B（ALLEN-BRADLEY）公司驱动分部生产 1326 型铁氧体永磁交流伺服电动机和 1391 型交流 PWM 伺服控制器。电动机包括 3 个机座号共 30 个规格。 I.D.（Industrial Drives）是美国著名的科尔摩根（Kollmorgen）的工业驱动分部，曾生产 BR-210、BR-310、BR-510 三个系列共 41 个规格的无刷伺服电动机和 BDS3 型伺

11、服驱动器。自 1989 年起推出了全新系列设计的掺鹣盗袛（Goldline）永磁交流伺服电动机，包括 B（小惯量）、M（中惯量）和 EB（防爆型）三大类，有 10、20、40、60、80 五种机座号，每大类有 42 个规格，全部采用钕铁硼永磁材料，力矩范围为 0.84111.2N.m，功率范围为 0.5415.7kW。配套的驱动器有 BDS4（模拟型）、BDS5（数字型、含位置控制）和 Smart Drive（数字型）三个系列，最大连续电流 55A。Goldline系列代表了当代永磁交流伺服技术最新水平。 爱尔兰的 Inland 原为Kollmorgen 在国外的一个分部，现合并到 AEG，以

12、生产直流伺服电动机、直流力矩电动机和伺服放大器而闻名。生产 BHT1100、2200、3300 三种机座号共 17 种规格的 SmCo 永磁交流伺服电动机和八种控制器。 法国 Alsthom集团在巴黎的 Parvex 工厂生产 LC 系列（长型）和 GC 系列（短型） 交流伺服电动机共 14 个规格，并生产 AXODYN 系列驱动器。 原苏联为数控机床和机器人伺服控制开发了两个系列的交流伺服电动机。其中 By 系列采用铁氧体永磁，有两个机座号，每个机座号有 3 种铁心长度，各有两种绕组数据，共 12 个规格，连续力矩范围为 735N.m。2By 系列采用稀土永磁，6 个机座号 17 个规格，力

13、矩范围为 0.1170N.m，配套的是 3 型控制器。 近年日本松下公司推出的全数字型 MINAS 系列交流伺服系统，其中永磁交流伺服电动机有 MSMA 系列小惯量型，功率从 0.035kW，共 18 种规格；中惯量型有 MDMA、MGMA、MFMA 三个系列，功率从 0.754.5kW，共 23种规格,MHMA 系列大惯量电动机的功率范围从 0.55kW，有 7 种规格。 韩国三星公司近年开发的全数字永磁交流伺服电动机及驱动系统，其中FAGA 交流伺服电动机系列有CSM、CSMG、CSMZ、CSMD、CSMF、CSMS、CSMH、CSMN、CSMX 多种型号，功率从 15W 5kW。 现在常

14、采用（ Powerrate）这一综合指标作为伺服电动机的品质因数，衡量对比各种交直流伺服电动机和步进电动机的动态响应性能。功率变化率表示电动机连续（额定）力矩和转子转动惯量之比。 按功率变化率进行计算分析可知，永磁交流伺服电动机技术指标以美国 I.D 的 Goldline 系列为最佳，德国 Siemens 的 IFT5 系列次之。 伺服电机原理 一、交流伺服电动机 交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差 90的绕组，一个是励磁绕组 Rf，它始终接在交流电压 Uf 上；另一个是控制绕组 L，联接控制信号电压 Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动

15、机。 交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转” 现象和快速响 应的性能，它与普通 电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅 0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。 交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动

16、。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。 交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点： 1、起动转矩大 由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图 3 中曲线 1 所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线 2 相比，有明显的区别。它可使临界转差率 S0 1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的

17、特点。 2、运行范围较广 3、无自转现象 正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性（T1S1 、T2S2 曲线）以及合成转矩特性（TS 曲线） 交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。当电源频率为 50Hz，电压有 36V、110V、220、380V；当电源频率为 400Hz，电压有 20V、26V、36V、115V 等多种。 交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重，所以只适用于 0.5-100W 的小功率控制系统。