探讨电动式广义机构的设计与应用

电动式广义机构驱动元件采用各种电动机，电动机驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。

普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大。伺服电动机和步进电动机的输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制。

20世纪70年代以前是步进电机伺服系统的全盛时期，由于步进电机具有转矩大、惯性小、响应频率高、瞬间启动与急速停止的优越特性。通常不需要反馈就能对位移或速度进行精确控制；输出的转角或位移精度高，误差不会积累；控制系统结构简单，使其主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造。

20世纪70—80年，功率晶体管和晶体管脉宽调制驱动装置的出现，加速了直流伺服系统的性能提高和推广普及步伐，直流伺服电动机用直流供电，通过控制直流电压的大小和方向来实现对电动机转速和方向的调节，小惯量直流伺服电动机具有电枢回路时间常数小、调速范围宽、转向特性好的特点，在一部分频繁启动和快速定位的机床上迅速推广。大惯量宽调速直流伺服电动机，出于输出扭矩大，过载能力强，电机惯量与机床传动部件的惯量相当，可直接带动丝杠，易于控制与调整。

直流伺服的工作原理是建立在电磁力定律基础上的。与电磁转矩相关的是互相独立的两个变量主磁通与电枢电流，它们分别控制励磁电流与电枢电流，可方便地进行转矩与转速控制。直流伺服系统控制简单，调速性能优异，在数控机床的进给驱动中曾占据主导地位，直流伺服电动机的缺点是结构复杂、价格昂贵，电刷对防油、防尘要求严格，易磨损，需定期维护。

20世纪80年代以后，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，以及微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一。交流伺服电机和交流伺服控制系统有逐渐取代直流伺服系统之势。

（1）步进电动机

1）转动式步进电动机

步进电动机是一种将电脉冲信号转变为相应的直线位移或角位移的变换器。步进电动机，每当电动机绕组接收一个脉冲时，转子就转过一个相应的角度（称为步距）。低频运行时，明显可见电动机转轴是一步一步转动的，因此称为步进电动机。

步进电动机的角位移量与输入脉冲的个数严格成正比。在时间上与输入脉冲同步，因而只要控制输入脉冲的数量、频率和电动机绕组的相序，即可获得所需的转角、转速和转动方向。

常用的转动式步进电动机有3种。

①第一种为可变磁阻式（VR）步进电动机，也称为反应式步进电动机。其步进运行是由定子绕组通电激磁产生的反应力矩作用来实现的，因而也称反应式步进电动机。这类电动机结构简单，工作可靠，运行频率高，步距角小（0.75°～9°）。目前有些数控机床及工业机器人的控制都采用这类电动机。

②第二种为永磁型（PM）步进电动机，其转子采用永磁铁，在圆周上进行多极磁化，它的转动靠与定子绕组所产生的电磁力相互吸引或相斥来实现。这类电动机控制功率小、效率高、造价低。转子为永磁铁，因而在无励磁时也具有保持力，但由于转子极对数受磁钢加工限制，因而步距角较大（1.8°～18°），电动机频率响应较低，常使用在记录仪、空调机等速度较低的场合。

③第三种为混合型（HB）步进电动机，也称永磁反应式步进电动机。由于是永久磁铁，转子齿带有固定极性。这类电动机既具有VR型步距角小、工作频率高的特点，又有PM型控制功率小、无励磁时具有转矩定位的优点。其结构复杂，成本相对也高。

2）直线步进电动机

近年来，随着自动控制技术和微处理机应用的发展，希望有一种直线运动的高速、高精度、高可靠性的数字直线随动系统调节装置，来取代过去那种间接地由旋转运动转换而来的直线驱动方式，直线步进电动机则可满足这种要求。此外，直线步进电动机在不需要闭环控制的条件下，能够提供一定精度、可靠的位置和速度控制。这是直流电动机和感应电动机不能做到的。因此，直线步进电动机具有直接驱动、容易控制、定位精确等优点。

直线步进电动机的工作原理与转动式步进电动机相似，它们都是一种机电转换元件。只是直线步进电动机将输入的电脉冲信号转换成相应的直线位移而不是角度位移，即当在直线步进电动机上外加一个电脉冲时，会产生一步直线运动，其运动形式是直线步进的。

输入的电脉冲可由数字控制器或微处理机来提供。

直线电动机由于结构上的改变，从而具有一系列优点。

①结构简单，在需要直线运动的场合，采用直线电动机即可实现直接传动，而不需要一套将旋转运动转换成直线运动的中间转换机构，总体结构简化，体积小。

②应用范围广，适应性强。

③反应速度快，灵敏度高，随动性好。

④额定值高，直线电动机冷却条件好，特别是长次级接近常温状态，因此线负荷和电流密度都可以取得很高。

⑤有精密定位和自锁的能力。

⑥工作稳定可靠，寿命长。

（2）直流电动机(www.xing528.com)

直流电动机具有良好的调速特性、较大的起动转矩，以及功率大和快速响应等优点。尽管其结构复杂、成本较高，但其在机电控制系统中作为执行元件还是获得了广泛的应用。

直流伺服电动机按激磁方式可分为电磁式和永磁式两种。电磁式的磁场由激磁绕组产生，永磁式的磁场由永磁体产生。电磁式直流伺服电动机被普遍使用，特别是大功率驱动中更为常用（100W以上）。永磁式直流伺服电动机由于有尺寸小、质量轻、效率高、出力大、结构简单等优点而越来越被重视，目前永磁式直流伺服电动机产品仅限于较小的功率范围内。

（3）交流伺服电动机

交流伺服电动机是一种受输入信号控制并作快速响应的电动机，其控制精度高，运转平稳，在其额定转速范围内都能输出额定转矩，过载能力强，控制性能可靠，响应迅速。

因此，交流伺服电动机广泛应用于自动控制系统、自动监测系统和计算装置、增量运动控制系统以及家用电器中。常见的交流伺服电动机有两类：一类为永磁式交流同步伺服电动机；另一类为笼型交流异步伺服电动机。

1）永磁式交流同步伺服电动机

该类电动机的定子装有三相绕组，转子为一定极对数的永久磁体，在电动机输出轴上装有检测电动机转速和转子位置的无刷反馈装置。电动机的三相交流电源由PWM变频器供给，可在很宽的范围内实现无级变频调速。为使变频电源与电网隔离，可采用隔离式适配变压器。

永磁式同步电动机伺服系统具有以下特点。

①电动机的转速不受负载变化的影响，稳定性极高。

②调速范围极大，可达10 000∶l或更高。

③在整个调速范围内，电动机的转矩和过载能力保持不变。

④可做步进方式运行，而且步距角可自由选择。

2）笼型交流异步伺服电动机

电动机的结构和工作原理与普通笼型异步电动机基本相同，但在它的轴端装有编码器，还可以配选制动器。该类电动机的速度调节由矢量控制和PWM变频技术实现，所以它具有调速范围宽、转矩脉动小、低速运行平稳和噪声低等特点。交流伺服驱动系统具有调速范围宽、响应速度快和运行平稳等特点，其调速比可达10 000∶1，适用于机床的进给驱动和其他伺服装置。

（4）伺服电动机控制方式

伺服电动机控制方式的基本形式有3种，根据目标动作不同，电动机及控制方式也不同。步进电动机的开环方式、其他电动机的半闭环方式和全闭环方式是基本控制方式。

1）步进电动机拖动的开环系统（见图5.11）

在此系统中，执行元件是步进电机，它受驱动控制线路的控制，将代表进给脉冲的电平信号直接转换为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。只要控制指令脉冲的数量、频率和通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称为开环系统。由于该系统没有反馈检测环节，因此，系统的位移精度较低。

图5.11　开环系统

2）闭环系统

闭环系统如图5.12所示，该系统与开环系统的区别是：位置检测装置测出机床实际工作台的实际位移，并转换成电信号，与数控装置发出的指令位移信号进行比较，当两者不等时有一差值，伺服放大器将其放大后，用来控制伺服电机带动机床工作台运动，直到差值为零时停止运动。闭环进给系统在结构上比开环伺服系统复杂、成本也高，且调试和维修较难，但系统有更高的精度、更快的速度和更大的驱动功率。

图5.12　闭环系统

3）半闭环系统（见图5.13）

图5.13　半闭环系统

半闭环系统检测元件装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路中传动链的部分误差，因此，其精度比闭环系统要差一些。但是它的结构及其调试比闭环系统简单，且造价低。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作为一个整体时，则无须考虑位置检测装置的安装问题。