e
T
Tjmax
定子 转子
失调角示意图
p
p /2
p /2
p
e
Tjmax
矩－角特性曲线
厚
励 志 勤
德 达 理
工
（3）动态特性
动态特性参数：主要指动态稳定区、启动转矩、 矩－频特性、惯－频特性等。
动态稳定区：在步进电机从A相转换为B（或AB）
相通电，不产生丢步时的稳定工作区域θr。从
图中可以得出，步进电机工作的拍数越多，稳定
⑤易于与计算机实现对接。
厚
励 志 勤
德 达 理
工
（2）步进电动机的种类
① 种类 · 按转子构成分类： 可变磁组型（VR）步进电机 ——转子为导
磁体，也称反应式步进电机。 永磁型（PM）步进电机 ——转子为永磁铁。 混合型（HB-Hybrid）步进电机 ——转子
为导磁体和永磁铁的组合。 · 按定子绕组对数分类：
3.3.1 步进电动机的特点、种类、工作原理
（1）步进电动机的特点 ① 控制精度由步进角决定（
）。
② 抗干扰能力强，在电机电特性工作范围 内，不产生丢步或无法工作等现象。
③ 电机每转动一步进角，尽管存在一定的 转角误差，但电机转动360时，转角累计误 差将归零。
④ 控制性能好，不会产生“丢步 ”现象 （频繁启动、停止、变换）。
2．液压式执行元件
液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油 缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功 率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点
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， 与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大 的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可 压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。
主要分为：串行控制和并行控制两种方法
脉冲
环 方向控制 形
分 配 方式信号 器
功 率 放 大 电
步 进 电 机
路
步
相 驱
相动
相电 相路 相器
进 电 机 各 相 绕
组
串行控制方式
并行控制方式
3.4 直流（DC）伺服电动机及其驱动
厚
励 志 勤
德 达 理
工
3.4.1 直流（DC）伺服电动机工作原理
通过电刷和转换器产生的整流作用，使磁 场磁动势和电枢电流磁动势正交，从而产生 转动力矩。使用直流供电，实现速度和方向 调节控制，主要通过对直流电压/电流的大 小和方向进行调节来实现。
厚
励 志 勤
德 达 理
工
3.2.1 机电一体化系统 对伺服控制电动机的基本要求
为实现运动、功率/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。 （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。加速度大、响应特性好。 （3）位置控制与速度控制精度高、调速范围 大、低速平稳性好、分辨率高以及振动噪音小。 （4）能适应频繁启动，可靠性高、寿命长。 （5）易于与计算机对接，实现计算机控制。
（2）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速） （3）改变电枢回路电阻调速
典型直流伺服电动机控制数学模型
厚
励 志 勤
德 达 理
工
直流（DC）伺服电动机的特性
厚
励 志 勤
德 达 理
工
特点：具有较高的响应速度、精度和频率， 优良的控制特性等，但由于所用电刷和转换 器是使用寿命较低，需要定期更换。
3.4.2 直流（DC）伺服电动机的驱动
A
C1
B
2
4
B3
C
A
A
C1
B 4
B2
3C
A
A
C
4
B
1 2
3
B
C
A
厚
励 志 勤
德 达 理
工
3.3.2 步进电动机的运行特性与性能指标
（1）分辨率
主 要 指 步 进 角 =360º/znK 。 如 ： 0.6º/1.2º、 0.75º/1.5º、0.9º/1.8º、………。
（2）静态特性
主要指步进电机在稳态工作条件下的特性， 包括：矩—角特性、静转矩、静态稳定特性等。
t U
t
多路功率开关细分电路
厚
励 志 勤
德 达 理
iw w
工
单功率放大细分驱动电路
厚
励 志 勤
德 达 理
工
阶梯波控制信号的产生与放大方法
U
放大
t
细分环形 分配器
放大 加 放大 法
器
w
放大
iw
t
细分环形 分配器
加 法 放大 器
w
分先放大后叠加；先叠加后放大两种方法。
厚
励 志 勤
德 达 理
工
（4）步进电机的微机控制
快、动作平稳，可 液压源和液压油
实现定位伺服控制； 要求严格；易产
易与计算机（CPU） 生泄露而污染环
连接。
境。
3.1.2机电一体化系统对执行元件的基本要求
（1）惯量小，动力大。 （2）体积小，重量轻。 （3）安装方便、便于维修维护。 （4）易于实现自动化控制。
3.2 机电一体化系统常用的控制电动机
常用伺服控制电动机 ： DC/AC电动机、力矩电动机、步进（脉冲） 电动机、变频调速电动机、开关电磁电动机 以及其他电动机（直流或交流脉宽调速电动 机、电磁伸缩元件）等。
常用伺服控制电动机的控制方式
主要有：开环控制、半闭环控制、
厚
励 志 勤
德 达 理
闭环控制三种。 如图所示数控机床伺服系统。
工
它由控制器、被控对象、反馈测量装置 等部分组成。
交流伺服电机 直流伺服电机
执
液压式
行
元
件 气压式
油缸 液压马达 气缸 气压马达
步进电机 其他电机 双金属片 状态记忆金属
其他
与材料有关
压电元件
执行元件的特点
1. 电气执行元件
电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流 （AC）伺服电机、步进电机以及电磁铁等。对这些 伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性 能好，适合于频繁使用，便于维修等
软件分频——可充分利用计算机资源降低 硬件成本，可适用多相脉冲分配，但将占用 计算机运行时间，影响步进电机的运行速度。
IC集成电路分频（DDT分频器）——灵活性 强，可搭接成任意通电顺序的环形分配器， 不站用计算机的工作时间。
厚
励 志 勤
德 达 理
工
专用环形分频器——使用 方便，接口简单，专业化生
工
3.3.3 步进电机的驱动与控制
步进电机的驱动电路：主要由脉冲分配器 和功率放大器两部份组成。
变频控制信号：主要有脉冲频率信号和 方向控制信号。
变频信号
方向信号
脉冲 分配器
功率 放大器
步进电机驱动电路的组成
厚
励 志 勤
德 达 理
工
一种四相步进电机驱动实用电路
0.1μ f
或 0.1μ f
0.1μ f
德 达 理
工
最高连续运转频率fmax及矩－频特性：步
进电机连续运转时所能接受的最高控制频率
fmax，称最高连续运转频率；步进电机连续
运转转矩随频率的增加而降低，称矩－频特 性。
T Tjmax
p
p /3
Tq
r
Tjmax
T Tjmax
Tq
p
p
e
p /3
r
Tjmax
p
e
矩－角特性曲线族
厚
励 志 勤
德 达 理
1）直流电动机的脉宽调速电路原理
τ
τ
2）直流电动机的方向控制电路
厚
励 志 勤
德 达 理
工
d
b
a
厚
励 志 勤
德 达 理
工
直流PMW调速驱动电路
直流电机 PWM调速电路
晶闸管驱动
直流电机 PWM调速电路
H桥驱动
厚
励 志 勤
德 达 理
工
3.5 交流（AC）伺服电动机及其驱动
方 向 控 制
步进脉冲输出
定时器引 脚布局
引脚布局
引脚布局
步进脉冲
7486
7476
线圈 线圈 线圈 线圈
厚
励 志 勤
德 达 理
工
（1）环形脉冲分配器
由于步进电机的工作原理是各绕组必须按 一定的顺序通电变化才能正常工作（A B C A B ……；A AB B BC C CA A AB B ……），完成这种通电 顺序变化规律的部件称为环形脉冲分配器。 实现脉冲环形分配的方法主要有三种：
工作区域θr越接近静态稳定工作区域θe，越不
容易丢步。
起动转矩Tq：两相（A、B）矩－角特性之交点
Tq表示步进电机单相励磁时所能带动的极限负载 转矩，与步进电机的相数和通电方式有关。
T Tjmax
p
p /3
Tq
r
Tjmax
T Tjmax
Tq
p
p
e
p /3
r
Tjmax
矩－角
特性
p
e 曲线族
厚
励 志 勤
分为2相、 3相、 4相、 5相、 10相等步进电机。 · 按定子绕组通电极性分类： 分为单极性和双极性步进电机。
厚
励 志 勤
德 达 理
工
（3）步进电动机的工作原理
当第一个脉冲通入A相时，磁通企图沿着磁 阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下， 转子的1、3齿要和A级对齐。当下一个脉冲通 入B相时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭合， 即2、4齿要和B级对齐，则转子就顺逆时针方 向转动一定的角度：