機(jī)器人驅(qū)動(dòng)及控制

機(jī)器人被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，其研發(fā)、制造、應(yīng)用是衡量一個(gè)國(guó)家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。

2020年我國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)為全球貢獻(xiàn)了40%左右的份額，連續(xù)多年穩(wěn)坐世界最大機(jī)器人消費(fèi)國(guó)地位。

機(jī)器人是能夠自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)的機(jī)械裝置，它能夠取代或協(xié)助人類進(jìn)行某些工作，是人類社會(huì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的綜合性產(chǎn)物。緒論●學(xué)習(xí)目標(biāo)了解機(jī)器人的起源與發(fā)展簡(jiǎn)史掌握機(jī)器人的定義、特點(diǎn)與分類掌握工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成、主要技術(shù)參數(shù)01020304了解工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域1.1機(jī)器人的起源與發(fā)展簡(jiǎn)史“機(jī)器人”

最早出自于1920年捷克劇作家KarelCapek（卡雷爾

凱培克）的科幻劇本《羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人》。講述一個(gè)名為Robot的機(jī)器人能夠不吃飯、不知疲倦地工作。機(jī)器人僅存在于科幻小說(shuō)中，體現(xiàn)人們的一種愿望，希望能夠創(chuàng)造出一種機(jī)器來(lái)代替人們工作，尤其是那些重復(fù)枯燥的工作。《羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人》劇照現(xiàn)實(shí)的東西科幻文學(xué)作品玩具商店中的玩具人們印象中的機(jī)器人1.1.1機(jī)器人的起源2025/2/111.1機(jī)器人的起源與發(fā)展簡(jiǎn)史

1.1.2機(jī)器人發(fā)展簡(jiǎn)史機(jī)器人的起源最早可追溯到3000多年前。早在我國(guó)西周時(shí)期就流傳著藝妓（歌舞機(jī)器人）的故事。春秋時(shí)期的木鳥、東漢時(shí)期的記里鼓車、三國(guó)時(shí)期的木牛流馬等廣為人知的機(jī)械產(chǎn)品，也可以歸類到早期機(jī)器人的范疇。春秋時(shí)期的木鳥記里鼓車構(gòu)造根據(jù)史書記載復(fù)原的三國(guó)木牛圖2025/2/111.1機(jī)器人的起源與發(fā)展簡(jiǎn)史

1.1.2機(jī)器人發(fā)展簡(jiǎn)史日本江戶時(shí)代，出現(xiàn)了各式各樣的人偶。它們都有復(fù)雜機(jī)械傳動(dòng)裝置，用繩子，發(fā)條，木質(zhì)齒輪、凸輪轉(zhuǎn)軸等驅(qū)動(dòng)它們做出端茶送水，拉弓射箭，扇扇子，轉(zhuǎn)雨傘等動(dòng)作。多用于娛樂。端茶送水端茶送水內(nèi)部結(jié)構(gòu)拉弓射箭

2025/2/111.1機(jī)器人的起源與發(fā)展簡(jiǎn)史

美國(guó)約瑟夫·恩格爾伯格和喬治·德沃爾創(chuàng)造了世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人“unimate”。1961年，“unimate”正式在通用公司完成安裝，輔助汽車生產(chǎn)。1.1.2機(jī)器人發(fā)展簡(jiǎn)史約瑟夫·恩格爾伯格（美）JosephF·Engelberger研制出了世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人被譽(yù)為“機(jī)器人之父”喬治·德沃爾（美）GeorgeDevol第一臺(tái)可編程工業(yè)機(jī)器人的發(fā)明者成立世界上第一家機(jī)器人公司Unimation世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人unimate2025/2/111.1機(jī)器人的起源與發(fā)展簡(jiǎn)史

1.1.2機(jī)器人發(fā)展簡(jiǎn)史精確重復(fù)示教動(dòng)作無(wú)法感知環(huán)境無(wú)法向控制系統(tǒng)反饋信號(hào)一示教再現(xiàn)機(jī)器人通過(guò)傳感器感知外界環(huán)境向控制系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)根據(jù)編程邏輯進(jìn)行有限互動(dòng)感知機(jī)器人二智能機(jī)器人自主學(xué)習(xí)能力自主決策完成復(fù)雜任務(wù)三機(jī)器人的發(fā)展過(guò)程我國(guó)在1977年研制出第一臺(tái)通用型工業(yè)機(jī)器人JSS35，結(jié)構(gòu)與Unimate機(jī)器人相似，可用于工件上下料和搬運(yùn)，裝上不同的專用工具還可用于焊接、噴漆及打磨毛刺等。該機(jī)器人曾用于東風(fēng)汽車公司的點(diǎn)焊作業(yè)。JSS35機(jī)器人進(jìn)行汽車駕駛室點(diǎn)焊工藝試驗(yàn)2025/2/111.2機(jī)器人的定義、特點(diǎn)與分類

1.2.1機(jī)器人的定義和特點(diǎn)機(jī)器人的定義

機(jī)器人的動(dòng)作機(jī)構(gòu)具有類似于人或其他生物體的某些器官的功能。

機(jī)器人具有通用性，工作種類多樣，動(dòng)作程序靈活易變。

機(jī)器人具有不同程度的智能性，如記憶、感知、推理、決策、學(xué)習(xí)等。

機(jī)器人具有獨(dú)立性，完整的機(jī)器人系統(tǒng)在工作時(shí)可以不依賴于人的干預(yù)。機(jī)器人被認(rèn)定為是靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器，它接受人類指揮，可以運(yùn)行預(yù)先設(shè)定的程序，也可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則行動(dòng)，進(jìn)而協(xié)助或者取代人類工作。2025/2/111.2機(jī)器人的定義、特點(diǎn)與分類

1.2.1機(jī)器人的定義和特點(diǎn)機(jī)器人的定義

機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器。

機(jī)器人主要是指具備傳感器、智能控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)這三個(gè)要素的機(jī)械結(jié)構(gòu)。通用性適應(yīng)性可編程擬人化

針對(duì)不同的作業(yè)任務(wù)更換末端操作器（取料手、專用操作器、轉(zhuǎn)換器等），而不需要更換機(jī)器人本體。

通過(guò)傳感器感知外界環(huán)境確定自身位置，適應(yīng)不同的外界環(huán)境。

根據(jù)不同環(huán)境條件進(jìn)行編程，特別適合柔性制造系統(tǒng)。

結(jié)構(gòu)上類似人類行走、動(dòng)作等功能，通過(guò)控制器、傳感器來(lái)模擬人類的大腦和感官，有極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。2025/2/111.2機(jī)器人的定義、特點(diǎn)與分類

1.2.2機(jī)器人分類應(yīng)用場(chǎng)景工業(yè)機(jī)器人服務(wù)機(jī)器人特種機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人是用于工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置。服務(wù)機(jī)器人是指通過(guò)半自主或完全自主運(yùn)作，為人類提供幫助（不含工業(yè)性操作）的機(jī)器人。特種機(jī)器人在應(yīng)對(duì)地震、洪澇和極端天氣等自然災(zāi)害，以及礦難、火災(zāi)、安防等公共安全事件中，有極其重要的作用。2025/2/111.2機(jī)器人的定義、特點(diǎn)與分類

工業(yè)機(jī)器人分類手臂運(yùn)動(dòng)形式直角坐標(biāo)型：手臂沿三個(gè)直角坐標(biāo)系移動(dòng)。圓柱坐標(biāo)型：手臂可做升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動(dòng)作。球坐標(biāo)型：手臂可做回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮動(dòng)作。多關(guān)節(jié)型：手臂具有多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。

2025/2/111.2機(jī)器人的定義、特點(diǎn)與分類

工業(yè)機(jī)器人分類關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)類型串聯(lián)機(jī)器人串聯(lián)機(jī)器人關(guān)節(jié)軸之間相互影響，一個(gè)軸運(yùn)動(dòng)會(huì)改變其他關(guān)節(jié)軸的坐標(biāo)原點(diǎn)。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易控制、成本低、運(yùn)動(dòng)空間較大等優(yōu)點(diǎn)。并聯(lián)機(jī)器人包括動(dòng)平臺(tái)和定平臺(tái)兩部分，它們之間至少使用兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)鏈連接，以并聯(lián)的方式驅(qū)動(dòng)，具有兩個(gè)或兩個(gè)以上自由度。具有精度高、速度快、承載能力強(qiáng)、工作空間小等優(yōu)點(diǎn)。2025/2/111.3機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀產(chǎn)品

機(jī)器人作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代最具標(biāo)志性的工具，從浩瀚太空到萬(wàn)米深海，從工廠車間到田間地頭，從國(guó)之重器到百姓生活，正以燎原之勢(shì)飛速發(fā)展，逐漸成為衡量一個(gè)國(guó)家創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)志。2025/2/111.3機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀產(chǎn)品2023年，國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（IFR）發(fā)布的《世界機(jī)器人報(bào)告》顯示2022年全球工業(yè)機(jī)器人裝機(jī)量為55.3萬(wàn)套，同比增長(zhǎng)率為5%，2017-2022年均復(fù)合增長(zhǎng)率為7%。2017-2022年各大洲裝機(jī)量相比，亞洲均最高，其中2022年亞洲裝機(jī)量占比為73%，歐洲占比為15%，美洲占比為10%，亞洲市場(chǎng)最具潛力。工業(yè)機(jī)器人

銷量穩(wěn)步增長(zhǎng)，亞洲市場(chǎng)最具潛力全球工業(yè)機(jī)器人年裝機(jī)量[千臺(tái)套]全球不同區(qū)域工業(yè)機(jī)器人年均裝機(jī)增長(zhǎng)量[千臺(tái)套]2025/2/111.3機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀產(chǎn)品2012年，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人裝機(jī)量近2.3萬(wàn)套，與其他國(guó)家相比占比為14%，2022年我國(guó)機(jī)器人全行業(yè)營(yíng)業(yè)收入超過(guò)1700億元，繼續(xù)保持兩位數(shù)增長(zhǎng)，其中工業(yè)機(jī)器人裝機(jī)量超過(guò)29萬(wàn)套，裝機(jī)量占全球比重超過(guò)50%，穩(wěn)居全球第一大市場(chǎng)，十年內(nèi)工業(yè)機(jī)器人裝機(jī)量增長(zhǎng)了11.6倍，與其他國(guó)家相比占比增加了38個(gè)百分點(diǎn)。工業(yè)機(jī)器人

銷量穩(wěn)步增長(zhǎng)，亞洲市場(chǎng)最具潛力2021年我國(guó)與其他國(guó)家工業(yè)機(jī)器人裝機(jī)量對(duì)比2022年我國(guó)與其他國(guó)家工業(yè)機(jī)器人裝機(jī)量對(duì)比2025/2/111.3機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀產(chǎn)品工業(yè)機(jī)器人

銷量穩(wěn)步增長(zhǎng)，亞洲市場(chǎng)最具潛力《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》到2025年我國(guó)成為全球機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新策源地、高端制造集聚地和集成應(yīng)用新高地；一批機(jī)器人核心技術(shù)和高端產(chǎn)品取得突破，整機(jī)綜合指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，關(guān)鍵零部件性能和可靠性達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品水平；機(jī)器人產(chǎn)業(yè)營(yíng)業(yè)收入年均增速超過(guò)20%；形成一批具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的領(lǐng)軍企業(yè)及一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、成長(zhǎng)性好的專精特新“小巨人”企業(yè)，建成3-5個(gè)有國(guó)際影響力的產(chǎn)業(yè)集群；制造業(yè)機(jī)器人密度實(shí)現(xiàn)翻番。2025/2/111.3機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀產(chǎn)品服務(wù)機(jī)器人

新一代人工智能興起，行業(yè)迎來(lái)快速發(fā)展新機(jī)遇根據(jù)中國(guó)電子學(xué)會(huì)數(shù)據(jù)2021年全球服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到172億美元，2017-2021年年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)27%；預(yù)計(jì)2022年全球服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到217億美元，市場(chǎng)規(guī)模將首次超過(guò)工業(yè)機(jī)器人，約占機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模的42%，2024年市場(chǎng)規(guī)模將有望增長(zhǎng)至290億美元。2017-2023年全球服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)電子學(xué)會(huì)、中商產(chǎn)業(yè)研究院整理。2025/2/111.3機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀產(chǎn)品服務(wù)機(jī)器人

新一代人工智能興起，行業(yè)迎來(lái)快速發(fā)展新機(jī)遇服務(wù)機(jī)器人主要包括家用服務(wù)機(jī)器人、公共服務(wù)機(jī)器人和醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人。2021年，家用服務(wù)機(jī)器人占比最高，達(dá)到65%；公共服務(wù)機(jī)器人占比次之，為25%；醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人占比最低，為10%。2021年我國(guó)服務(wù)機(jī)器人細(xì)分市場(chǎng)規(guī)模占比數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)電子學(xué)會(huì)、中商產(chǎn)業(yè)研究院整理。2025/2/111.3機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀產(chǎn)品服務(wù)機(jī)器人

新一代人工智能興起，行業(yè)迎來(lái)快速發(fā)展新機(jī)遇根據(jù)中國(guó)電子學(xué)會(huì)數(shù)據(jù)，2022年中國(guó)服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)量達(dá)到645.8萬(wàn)套，市場(chǎng)規(guī)模約為447.76億元。采摘、巡檢、物流、養(yǎng)老……服務(wù)機(jī)器人正加速與生產(chǎn)生活融合。2023年上半年，服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)量達(dá)到了353萬(wàn)套，同比增長(zhǎng)9.6%。隨著新興場(chǎng)景的進(jìn)一步拓展，預(yù)計(jì)2023年市場(chǎng)規(guī)模將有望突破500億元。2017-2023年我國(guó)服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)電子學(xué)會(huì)、中商產(chǎn)業(yè)研究院整理。2025/2/111.3機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀產(chǎn)品特種機(jī)器人

新興應(yīng)用持續(xù)涌現(xiàn)，各國(guó)相繼展開戰(zhàn)略布局隨著全球地區(qū)局勢(shì)復(fù)雜、極端天氣頻發(fā)等問(wèn)題日益凸顯，在軍事應(yīng)用、治安維護(hù)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、水下勘探和高空作業(yè)等高危場(chǎng)景中，特種機(jī)器人可以部分甚至全部替代人工作業(yè)，在安全性、時(shí)效性和保質(zhì)性等方面有效滿足需求。2025/2/111.3機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀產(chǎn)品特種機(jī)器人

新興應(yīng)用持續(xù)涌現(xiàn)，各國(guó)相繼展開戰(zhàn)略布局2017年以來(lái)，特種機(jī)器人產(chǎn)業(yè)規(guī)模年均增長(zhǎng)率全球達(dá)到21.7%，我國(guó)達(dá)到30.7%。特種機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模2022年全球超過(guò)100億美元，我國(guó)達(dá)到約153億元；2024年全球有望達(dá)到140億美元，我國(guó)預(yù)計(jì)達(dá)到247.6億元。全球特種機(jī)器人銷售額及增長(zhǎng)率我國(guó)特種機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模2025/2/111.3機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀技術(shù)

隨著研發(fā)水平不斷提升、工藝設(shè)計(jì)不斷創(chuàng)新以及新材料相繼投入使用，工業(yè)機(jī)器人正向著小型化、輕型化和柔性化的方向發(fā)展，類人精細(xì)化操作能力不斷增強(qiáng)。

隨著機(jī)器人易用性、穩(wěn)定性以及智能水平的提升，機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域逐漸由搬運(yùn)、焊接和裝配等操作型任務(wù)向加工型任務(wù)拓展，人機(jī)協(xié)作正在成為工業(yè)機(jī)器人研發(fā)的重要方向。工業(yè)機(jī)器人

輕型化、柔性化發(fā)展提速，人機(jī)協(xié)作不斷走向深入2025/2/111.3機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀技術(shù)

人工智能技術(shù)是服務(wù)機(jī)器人在下一階段獲得實(shí)質(zhì)性發(fā)展的重要引擎，正從感知智能向認(rèn)知智能加速邁進(jìn)。

智能服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品類型愈加豐富，由市場(chǎng)率先落地的掃地機(jī)器人、送餐機(jī)器人向情感機(jī)器人、陪護(hù)機(jī)器人、教育機(jī)器人等方向延伸，服務(wù)領(lǐng)域和服務(wù)對(duì)象不斷拓展。服務(wù)機(jī)器人

認(rèn)知智能取得一定進(jìn)展，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程持續(xù)加速2025/2/111.3機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀技術(shù)

隨著傳感技術(shù)、仿生與生物模型技術(shù)、生機(jī)電信息處理與識(shí)別技術(shù)不斷進(jìn)步，特種機(jī)器人已逐步實(shí)現(xiàn)“感知—決策—行為—反饋”的閉環(huán)工作流程，具備了初步的自主能力。

隨著特種機(jī)器人的智能性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性不斷增強(qiáng)，在軍事、防暴、消防、交通運(yùn)輸、安防監(jiān)測(cè)、空間探索等眾多領(lǐng)域都具有十分廣闊的應(yīng)用前景。特種機(jī)器人

結(jié)合感知技術(shù)與仿生等新型材料，智能性和適應(yīng)性不斷增強(qiáng)2025/2/111.4工業(yè)機(jī)器人的組成與技術(shù)參數(shù)

1.4.1工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成機(jī)器人系統(tǒng)是由機(jī)器人、作業(yè)對(duì)象及環(huán)境共同構(gòu)成，包括機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和感知系統(tǒng)四大部分。工業(yè)機(jī)器人本體（機(jī)械系統(tǒng)）類似于人的臂部和手腕。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)被集成到控制柜中，多數(shù)會(huì)配備示教器或示教盒。機(jī)器人系統(tǒng)組成及各部分之間的關(guān)系2025/2/111.4工業(yè)機(jī)器人的組成與技術(shù)參數(shù)1.4.1工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成機(jī)械系統(tǒng)一般由機(jī)身、臂部、腕部和末端操作器構(gòu)成，配備上各種抓手與末端操作器后，可進(jìn)行各種抓取動(dòng)作和操作作業(yè)。機(jī)身臂部手腕末端操作器機(jī)器人結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，起支撐作用，通常固定在機(jī)器人操作平臺(tái)或者移動(dòng)機(jī)構(gòu)上。機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)是大臂和小臂的統(tǒng)稱，用于支撐手腕和手部，使手部中心點(diǎn)能夠按照特定的運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)。連接臂部和手爪的部分，用于調(diào)整手爪在空間的位置，更改手爪和所夾持工件的空間姿態(tài)。抓取機(jī)構(gòu)，用于抓取工件。根據(jù)抓取方式分為夾持類和吸附類，可進(jìn)一步細(xì)分為夾鉗式、彈簧夾持式、氣吸式、磁吸式等。關(guān)節(jié)由伺服系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制2025/2/111.4工業(yè)機(jī)器人的組成與技術(shù)參數(shù)1.4.1工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是指驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)各關(guān)節(jié)動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)裝置。是機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)，一般由驅(qū)動(dòng)裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分組成。驅(qū)動(dòng)器可以將電能、液壓能、氣壓轉(zhuǎn)換為機(jī)器人動(dòng)力，并且通過(guò)聯(lián)軸器、關(guān)節(jié)軸等部件帶動(dòng)連桿動(dòng)作。2025/2/111.4工業(yè)機(jī)器人的組成與技術(shù)參數(shù)1.4.1工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)用于控制機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位置、速度和加速度等參數(shù)，從而使機(jī)器人的抓手以指定的速度按照指定的軌跡到達(dá)目標(biāo)位置。該系統(tǒng)主要由控制器和控制軟件組成。開環(huán)控制系統(tǒng)機(jī)器人不具備信息反饋特征閉環(huán)控制系統(tǒng)機(jī)器人具備信息反饋特征控制系統(tǒng)控制器控制系統(tǒng)硬件部分決定了機(jī)器人性能優(yōu)劣控制軟件由人與機(jī)器人聯(lián)系的人機(jī)交互系統(tǒng)和控制算法等組成2025/2/111.4工業(yè)機(jī)器人的組成與技術(shù)參數(shù)1.4.1工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成感知系統(tǒng)作用是獲取機(jī)器人內(nèi)部和外部的環(huán)境信息，并把這些信息反饋給控制系統(tǒng)。內(nèi)部傳感器用于檢測(cè)各關(guān)節(jié)的位置、速度等變量，為閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)提供反饋信息。外部傳感器用于檢測(cè)機(jī)器人與周圍環(huán)境之間的距離、接近程度或接觸情況的狀態(tài)參量，引導(dǎo)機(jī)器人識(shí)別物體并做出相應(yīng)處理。2025/2/111.4工業(yè)機(jī)器人的組成與技術(shù)參數(shù)1.4.1工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。工作原理：控制系統(tǒng)發(fā)出動(dòng)作指令，控制驅(qū)動(dòng)器動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，使末端操作器到達(dá)空間某一位置和實(shí)現(xiàn)某一姿態(tài)，實(shí)施一定的作業(yè)任務(wù)。末端操作器在空間的實(shí)時(shí)位姿由感知系統(tǒng)反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)把實(shí)際位姿與目標(biāo)位姿相比較，發(fā)出下一個(gè)動(dòng)作指令，如此循環(huán)，直到完成作業(yè)任務(wù)為止。2025/2/111.4工業(yè)機(jī)器人的組成與技術(shù)參數(shù)1.4.2工業(yè)機(jī)器人技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)是機(jī)器人制造商在產(chǎn)品供貨時(shí)所提供的技術(shù)數(shù)據(jù)。技術(shù)參數(shù)反映了機(jī)器人可勝任的工作、具有的最高操作性能等情況，是選擇、設(shè)計(jì)和應(yīng)用機(jī)器人時(shí)必須考慮的數(shù)據(jù)。自由度定位精度和重復(fù)定位精度工作空間承載能力最大工作速度工業(yè)機(jī)器人技術(shù)參數(shù)2025/2/111.4工業(yè)機(jī)器人的組成與技術(shù)參數(shù)自由度示意圖1.4.2工業(yè)機(jī)器人技術(shù)參數(shù)自由度指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，不含末端操作器的開合自由度。機(jī)器人一個(gè)自由度對(duì)應(yīng)一個(gè)關(guān)節(jié)或一個(gè)軸。自由度表示機(jī)器人動(dòng)作靈活程度的參數(shù)，自由度越多，機(jī)器人越靈活，但結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜、控制難度也就越大，所以機(jī)器人自由度要根據(jù)用途設(shè)計(jì)，一般為3~6個(gè)。2025/2/111.4工業(yè)機(jī)器人的組成與技術(shù)參數(shù)1.4.2工業(yè)機(jī)器人技術(shù)參數(shù)定位精度指機(jī)器人末端操作器的實(shí)際位置與目標(biāo)位置之間的偏差。重復(fù)定位精度指在同一環(huán)境、同一條件、同一目標(biāo)動(dòng)作和同一命令下，機(jī)器人連續(xù)重復(fù)運(yùn)動(dòng)若干次時(shí)，其位置的分散情況，是關(guān)于精度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。因重復(fù)定位精度不受工作載荷變化的影響，常用重復(fù)定位精度作為衡量示教再現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人水平的重要指標(biāo)。2025/2/111.4工業(yè)機(jī)器人的組成與技術(shù)參數(shù)1.4.2工業(yè)機(jī)器人技術(shù)參數(shù)工業(yè)機(jī)器人選型時(shí)所說(shuō)的工作空間指未安裝末端操作器時(shí)機(jī)器人手臂末端所能到達(dá)的工作區(qū)域。而實(shí)際應(yīng)用中涉及的工作空間指末端操作器所能到達(dá)的工作區(qū)域，并且隨著末端操作器的不同而不同，它決定機(jī)器人能否到達(dá)指定位置完成工作任務(wù)。機(jī)器人工作空間2025/2/111.4工業(yè)機(jī)器人的組成與技術(shù)參數(shù)1.4.2工業(yè)機(jī)器人技術(shù)參數(shù)承載能力指機(jī)器人在工作空間內(nèi)任何位置上以任意姿態(tài)所能承受的最大重量。承載能力不僅取決于負(fù)載的重量，而且與機(jī)器人運(yùn)行速度和加速度的大小和方向有關(guān)。通常情況下，承載能力確定為考慮機(jī)器人末端操作器重量的前提下高速運(yùn)行時(shí)的承載能力。2025/2/111.4工業(yè)機(jī)器人的組成與技術(shù)參數(shù)1.4.2工業(yè)機(jī)器人技術(shù)參數(shù)最大工作速度是衡量機(jī)器人工作效率的指標(biāo)之一，不同生產(chǎn)廠家、不同型號(hào)的機(jī)器人其最大工作速度不同，且最大工作速度的含義也不同。有的廠家指工業(yè)機(jī)器人主要自由度上最大的穩(wěn)定速度，有的廠家指手臂末端最大的合成速度，通常會(huì)在技術(shù)參數(shù)中加以說(shuō)明。2025/2/111.5工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用碼垛根據(jù)搬運(yùn)物件特點(diǎn)，在保持形狀和物件性質(zhì)不變的基礎(chǔ)上，進(jìn)行高效分類搬運(yùn)。焊接

汽車制造行業(yè)是應(yīng)用最廣泛的行業(yè)，在焊接難度、焊接數(shù)量和焊接質(zhì)量等方面有著人工焊接無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。裝配安裝精度高、靈活性大和耐用程度高。常用于電子零件、汽車精細(xì)部件的安裝。探測(cè)深空（探月、探火）、深地（地球深部礦物資源、能源資源的勘探）、深海（深海資源勘探）和高危（核污染區(qū)域、有毒區(qū)域和高危未知區(qū)域）領(lǐng)域進(jìn)行探測(cè)。2025/2/11本章小結(jié)機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)工業(yè)機(jī)器人機(jī)器人根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景，可分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人和特種機(jī)器人三大類。由機(jī)器人和作業(yè)對(duì)象及環(huán)境共同構(gòu)成的，包括機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和感知系統(tǒng)四大部分。工業(yè)機(jī)器人本體（機(jī)械系統(tǒng)）類似于人的臂部和手腕。控制系統(tǒng)是機(jī)器人的控制核心，依據(jù)已有的編程指令和傳感器信息，完成指定運(yùn)動(dòng)或者決策。自由度、定位精度、重復(fù)定位精度、工作空間、承載能力及最大工作速度等。

2025/2/11第2章機(jī)器人步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制●學(xué)習(xí)目標(biāo)了解步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和性能要求掌握反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理了解混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理掌握步進(jìn)電動(dòng)機(jī)基本特點(diǎn)掌握反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特性掌握步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方法了解步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在六自由度切削機(jī)器人中的應(yīng)用01020304050607

機(jī)器人并不像人靠肌肉收縮和彈性產(chǎn)生力，把機(jī)器人“解剖”后，發(fā)現(xiàn)每個(gè)機(jī)器人都有外來(lái)的“動(dòng)力來(lái)源和精密的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)”，產(chǎn)生力并傳遞力。

電動(dòng)機(jī)是最常見的動(dòng)力源之一。工業(yè)機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)處的電動(dòng)機(jī)都用于驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，為手臂提供準(zhǔn)確的角度。

對(duì)工業(yè)機(jī)器人動(dòng)作速度和精度的要求實(shí)際上就是對(duì)電動(dòng)機(jī)響應(yīng)速度和控制精度的要求。2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)概述

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動(dòng)機(jī)。每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)改變一次勵(lì)磁狀態(tài)，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步，若不改變勵(lì)磁狀態(tài)，則保持一定位置而靜止。

輸出的角（線）位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖的頻率成正比。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)精度高、慣性小，不丟步的情況下運(yùn)行，步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累，特別適用于開環(huán)數(shù)字控制的定位系統(tǒng)。2025/2/112.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及性能要求

2.2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定子由定子鐵心和控制繞組組成。由專門電源輸入脈沖信號(hào)，輸入的脈沖信號(hào)對(duì)多個(gè)定子繞組輪流進(jìn)行勵(lì)磁而產(chǎn)生磁場(chǎng)。定子繞組的個(gè)數(shù)稱為相數(shù)。轉(zhuǎn)子用硅鋼片疊成或用軟磁性材料做成凸極結(jié)構(gòu)。凸極的個(gè)數(shù)稱為齒數(shù)。定子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖步進(jìn)電機(jī)安裝位置2025/2/112.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及性能要求

2.2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按結(jié)構(gòu)分類2025/2/112.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及性能要求

反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同分為單段式和多段式兩種。

單段式又稱徑向分相式，目前廣泛使用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多采用這種結(jié)構(gòu)。

徑向磁路多段式的定子、轉(zhuǎn)子鐵心沿電動(dòng)機(jī)軸向按相數(shù)分段，每一段定子鐵心的磁極上均放置同一相控制繞組。

定子上裝有磁極（大齒），每個(gè)磁極的極弧上有許多小齒。磁極大齒成對(duì)出現(xiàn)，每個(gè)磁極上都有控制繞組，每相控制繞組由放在徑向相對(duì)的兩個(gè)磁極上的集中控制繞組串聯(lián)而成。

轉(zhuǎn)子沿圓周均勻沖有小齒，而且轉(zhuǎn)子上小齒的齒距=定子磁極上小齒的齒距。轉(zhuǎn)子上沒有繞組。2025/2/112.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及性能要求

永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

定子上有突出的磁極，磁極上裝有控制繞組。轉(zhuǎn)子上安裝有永久磁鋼制成的磁極，轉(zhuǎn)子極數(shù)與定子極數(shù)相同。

永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：

步距角大

起動(dòng)頻率比較低（轉(zhuǎn)速不一定低）

控制功率小

有定位轉(zhuǎn)矩

有較強(qiáng)的內(nèi)阻尼力矩2025/2/112.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及性能要求

混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，具有反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距小、運(yùn)行頻率高的特點(diǎn)，還具有永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)消耗功率小的優(yōu)點(diǎn)，是目前發(fā)展較快的一種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、安裝方便、免維護(hù)、噪聲小和成本低。2025/2/112.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及性能要求

2.2.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)性能要求

在一定速度范圍內(nèi)，在脈沖信號(hào)控制下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能迅速起動(dòng)、正/反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)及在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。

每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的位移量小且準(zhǔn)確、均勻，即要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距小、步距精度高、不丟步或越步，以保證系統(tǒng)精度。

輸出轉(zhuǎn)矩大，可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。2025/2/112.3反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理

反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是根據(jù)磁阻性質(zhì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，遵循磁通總是沿磁阻最小路徑閉合的原理，由磁拉力形成驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

定子鐵心為凸極式，共有3對(duì)（三相）6個(gè)磁極，不帶小齒，磁極上繞有控制繞組，相對(duì)兩個(gè)磁極的繞組串聯(lián)，組成一相控制繞組。轉(zhuǎn)子為凸極結(jié)構(gòu)，有4個(gè)均勻分布的齒，沒有繞組。2025/2/112.3反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理

2.3.1通電方式分析

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有單相輪流通電、雙相輪流通電和單、雙相輪流通電三種通電方式。“單”是指每次切換前后只有一相繞組通電，“雙”是指每次切換前后有兩相繞組通電。定子勵(lì)磁繞組每改變一次通電狀態(tài)，稱為一拍。三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理圖2025/2/112.3反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理

三相單三拍通電

A相通電，B、C相不通電，轉(zhuǎn)子齒1、3的軸線向定子A極軸線對(duì)齊，轉(zhuǎn)子只受徑向力，無(wú)切向力，轉(zhuǎn)矩為零，被鎖定在這個(gè)位置。通電順序?yàn)锳—B—Ｃ—Ａ

B相通電，定子B極軸線使最靠近的轉(zhuǎn)子齒2、4軸線向其對(duì)齊，轉(zhuǎn)子在空間順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°。

C相通電，定子C極軸線使最靠近的轉(zhuǎn)子齒1、3軸線向其對(duì)齊，轉(zhuǎn)子在空間順時(shí)針再旋轉(zhuǎn)30°。

轉(zhuǎn)子齒與齒的角度稱齒距角，4個(gè)齒，一個(gè)齒距角為90°。

轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角，一個(gè)步距角為30°。2025/2/112.3反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理

三相單三拍通電

通電順序改為A—Ｃ—B—A時(shí)，轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針方向一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)。

改變通電順序即改變轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向。2025/2/112.3反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理

三相雙三拍通電

若按ABBCCA順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時(shí)通電。

與單三拍相似，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)。AB通電CA'BB'C'A3412BC通電3412CA'BB'C'ACA通電CA'BB'C'A3412

電動(dòng)機(jī)改變狀態(tài)時(shí)，總有一相繞組持續(xù)通電，起電磁阻尼作用，工作平穩(wěn)，三相單三拍時(shí)因沒有這種阻尼，轉(zhuǎn)子到達(dá)新的平衡位置后會(huì)產(chǎn)生振蕩，穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如雙三拍通電。2025/2/112.3反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理

三相單雙六拍通電

按三相單雙六拍AABBBCC

CA順序給三相繞組輪流通電，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)。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)上圖所示位置。

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

。2025/2/112.3反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理

在微型或小型機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用中常需要較小的步距角如3°、1.5°等，因此電動(dòng)機(jī)的定子磁極和轉(zhuǎn)子鐵心加工成多齒形。它定子上有3對(duì)磁極，每對(duì)磁極上繞有一相繞組，定子磁極上帶有小齒，轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其步距角可以做到很小。2.3.2小步距角步進(jìn)電動(dòng)機(jī)2025/2/112.4混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理

定子、轉(zhuǎn)子都有小齒，轉(zhuǎn)子永磁體分兩段，軸向勵(lì)磁，且左、右轉(zhuǎn)子相互錯(cuò)開半個(gè)齒距。當(dāng)一段鐵心的齒與定子某相極下的齒對(duì)齊時(shí)，另一段鐵心的齒便與該極下的槽對(duì)齊。

轉(zhuǎn)子由兩段鐵心和夾在中間的永磁體組成。轉(zhuǎn)子鐵心一段為N極，另一段為S極。永磁磁路也是軸向的，從轉(zhuǎn)子N極端到定子I端，軸向到定子的II端、轉(zhuǎn)子S極端，經(jīng)磁體閉合。

定子有兩對(duì)磁極，磁極下有小齒，每一對(duì)磁極上繞有一相繞組，通電時(shí)這兩個(gè)磁極極性相反。2.4.1兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)2025/2/112.4混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理

混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是在永磁磁場(chǎng)和變磁阻原理共同作用下工作。

若轉(zhuǎn)子永磁體沒有充磁，只給定子控制繞組通電和定子繞組不通電，僅有轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)作用，電動(dòng)機(jī)均不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。只有轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)與定子磁場(chǎng)相互作用，電動(dòng)機(jī)才會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。

在轉(zhuǎn)子永磁體充磁且有某一相通電的情況下，轉(zhuǎn)子就有使通電相磁路的磁阻為最小的穩(wěn)定平衡位置，而混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子異極性的磁極下磁阻最小，同極性的磁極下磁阻最大。2.4.1兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理

2025/2/112.4混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理

兩相單四拍通電兩相單四拍運(yùn)行是在U、V兩相繞組內(nèi)按UVU-V-U順序通入正、反方向電流。U相繞組正向通電V相不通電，建立UU’為軸線的磁場(chǎng)。此時(shí)U相磁極為S極，U’為N極。U相磁極與N段轉(zhuǎn)子齒軸線重合，與S段轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開1/2齒距。此時(shí)，V相磁極與轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開1/4齒距。在U相斷電V相繞組正向通電，建立以VV’為軸線的磁場(chǎng)。此時(shí)V相磁極為S極V’為N極，轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過(guò)1/4齒距，V相磁極與N段轉(zhuǎn)子齒軸線重合，與S段轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開1/2齒距。在V相斷電U相繞組反向通電，建立以UU’為軸線的磁場(chǎng)。此時(shí)U相磁極為N極U’為S極，轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針方向再次轉(zhuǎn)過(guò)1/4齒距，

到達(dá)U相磁極與S段轉(zhuǎn)子齒軸線重合，并與N段轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開1/2齒距。2025/2/112.4混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理

兩相單四拍通電兩相單四拍運(yùn)行是在U、V兩相繞組內(nèi)按UVU-V-U順序通入正、反方向電流。在U相斷電V相繞組反向通電，建立以VV’為軸線的磁場(chǎng)。此時(shí)V相磁極為N極V’為S極，轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過(guò)1/4齒距，

到達(dá)V相磁極與S段轉(zhuǎn)子齒軸線重合，并與N段轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開1/2齒距。

連續(xù)不斷地按UVU-V-U的順序分別給各相繞組通電，每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子就沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過(guò)1/4齒距，且循環(huán)通電一次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)1個(gè)齒距。若改變通電順序，以UV-U-VU的順序給各相繞組通電，就可改變轉(zhuǎn)向，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。2025/2/112.4混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理

兩相雙四拍通電兩相雙四拍按UVU-VU-V-UV-UV順序給U、V兩相繞組同時(shí)正向通電U、V兩相繞組同時(shí)正向通電，建立以UV兩相磁極幾何中線為軸線的磁場(chǎng)。此時(shí)U、V兩磁極都為S極。U、V兩磁極和U’V’兩磁極與N段轉(zhuǎn)子齒軸線分別錯(cuò)開1/8齒距和3/8齒距，與S段分別錯(cuò)開3/8齒距和1/8齒距。U-V、U-V-、UV-

通電分析類似。

兩相雙四拍運(yùn)行按UVU-VU-V-UV-UV順序通電，電動(dòng)機(jī)沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，且每改變一次通電狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)1個(gè)步距角（即1/4齒距角）。

若按UVUV-U-V-U-VUV順序通電，按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

與單四拍運(yùn)行方式相比，雙四拍運(yùn)行方式因兩相繞組同時(shí)通電，所以產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩較大，帶負(fù)載能力更強(qiáng)。2025/2/112.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)基本特點(diǎn)

1.每相脈沖信號(hào)頻率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，每相控制繞組不是恒定通電，而是通過(guò)環(huán)形分配器按一定規(guī)律控制驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)通和關(guān)斷，給各相繞組輪流通電。

按三相雙三拍運(yùn)行的環(huán)形分配器有1路輸入，輸出有U、V、W三路，起始時(shí)U、V有電壓，則輸入1個(gè)控制脈沖信號(hào)后，就變?yōu)閂、W有電壓，再輸入1個(gè)控制脈沖信號(hào)，則變?yōu)閃、U有電壓，再輸入1個(gè)控制脈沖信號(hào)，又變?yōu)閁、V有電壓。

環(huán)形分配器輸出的各路控制脈沖信號(hào)，經(jīng)各自的放大器放大后送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一步步地轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。2025/2/112.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)基本特點(diǎn)

1.每相脈沖信號(hào)頻率

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每循環(huán)1次所包含的通電狀態(tài)數(shù)稱為狀態(tài)數(shù)或拍數(shù)。

狀態(tài)數(shù)等于相數(shù)稱為單拍制分配方式（三相單三拍），等于相數(shù)的兩倍稱為雙拍制分配方式（三相六拍）。

同一臺(tái)電動(dòng)機(jī)可有多種分配方式，但不管哪種分配方式，每循環(huán)1次，控制電脈沖的個(gè)數(shù)總等于拍數(shù)N，而加在每相繞組上的脈沖電壓或電流個(gè)數(shù)為1，因而控制脈沖信號(hào)頻率f

是每相脈沖電壓或電流頻率fp

的N倍，即2025/2/112.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)基本特點(diǎn)

2.齒距角和步距角

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每輸入1個(gè)電脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角θb。

轉(zhuǎn)子相鄰兩齒間的夾角稱為齒距角θt。

ZR為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。

減小步距角：①增加拍數(shù)，即增加相數(shù)和采用雙拍制。但是相數(shù)越多，電源即電機(jī)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。②增加轉(zhuǎn)子齒數(shù)。

N為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)1個(gè)齒距所需要的拍數(shù)，N=Km；m為電動(dòng)機(jī)的相數(shù)；K為通電系數(shù)，相數(shù)=拍數(shù)，K=1，否則K=2。2025/2/112.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)基本特點(diǎn)

3.齒距角誤差不會(huì)長(zhǎng)期累積

由于定、轉(zhuǎn)子的齒距分度或氣隙不均勻，實(shí)際步距角和理論步距角之間存在偏差，即步距角誤差。

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一定步數(shù)，步距角會(huì)產(chǎn)生累積誤差，但是每轉(zhuǎn)1周都有固定的步數(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)1周后又恢復(fù)到原來(lái)位置，累積誤差將變?yōu)榱恪?/p>

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角只有周期性誤差，而無(wú)累積誤差。2025/2/112.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)基本特點(diǎn)

4.轉(zhuǎn)速

每輸入1個(gè)脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度是整個(gè)圓周角的1/(ZRN)即轉(zhuǎn)過(guò)1/(ZRN)圈，因此每分鐘轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過(guò)的圓周數(shù)，即轉(zhuǎn)速為

轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)，而與電壓、負(fù)載和溫度等因素?zé)o關(guān)。

改變通電順序，即改變定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的方向，就可控制電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

f為控制脈沖的頻率。

脈沖頻率f一定時(shí)，步距角越小，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越低，輸出功率越小。2025/2/112.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)基本特點(diǎn)5.自鎖能力

當(dāng)控制脈沖停止輸入，而讓最后一個(gè)脈沖控制的繞組繼續(xù)通電時(shí)，電動(dòng)機(jī)可以保持在固定位置上，即停在最后一個(gè)脈沖控制的角位移的終點(diǎn)位置上。這樣步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)停車時(shí)轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確定位。

一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用三相六拍運(yùn)行方式，轉(zhuǎn)子齒數(shù)ZR為40，脈沖頻率f為800Hz。試求解以下問(wèn)題：

寫出一個(gè)循環(huán)的通電順序。

求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角。

求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每秒轉(zhuǎn)過(guò)的角度。2025/2/112.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)基本特點(diǎn)

寫出一個(gè)循環(huán)的通電順序。因?yàn)椴捎昧巳嗔倪\(yùn)行方式，所以通電順序?yàn)閁

UV

V

VW

W

WU

U

或U

UW

W

WV

V

VU

U

求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角。三相六拍運(yùn)行步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角為

求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

或

求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每秒轉(zhuǎn)過(guò)的角度?；?025/2/112.6反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特性

2.6.1靜態(tài)特性當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組按一定順序通入控制脈沖時(shí)，轉(zhuǎn)子就一步步地轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)控制脈沖停止時(shí)，若某相繞組仍通入幅值不變的直流電，轉(zhuǎn)子將固定在某一位置保持不動(dòng)，稱為靜止?fàn)顟B(tài)。靜止?fàn)顟B(tài)下即使有小的擾動(dòng)，轉(zhuǎn)子偏離此位置，也會(huì)在磁力的作用下恢復(fù)原位。

初始穩(wěn)定平衡位置空載情況下，控制繞組中通以直流電時(shí)轉(zhuǎn)子的最后穩(wěn)定平衡位置，即定子、轉(zhuǎn)子齒軸線重合的位置。此處電磁轉(zhuǎn)矩（即靜轉(zhuǎn)矩）為零。

單相通電2025/2/112.6反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特性

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子偏離初始穩(wěn)定平衡位置的電角度。

不改變通電狀態(tài)，控制繞組電流不變時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)靜轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子失調(diào)角的變化規(guī)律，即。2.失調(diào)角3.矩角特性

為時(shí)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩2025/2/112.6反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特性

2.6.2動(dòng)態(tài)特性

連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)

當(dāng)控制脈沖頻率達(dá)到一定數(shù)值之后，頻率再升高，步進(jìn)電機(jī)因受到定子繞組電感影響，負(fù)載能力下降。

控制脈沖頻率升高，步進(jìn)電機(jī)鐵心中渦流迅速增加，熱損耗和阻轉(zhuǎn)矩使輸出功率和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩下降。

動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩

運(yùn)行矩頻特性

在一定控制脈沖頻率范圍內(nèi)，隨頻率升高，功率和轉(zhuǎn)速都相應(yīng)提高，超出該范圍，隨頻率升高轉(zhuǎn)矩下降，帶載能力也逐漸下降，到某一頻率后，就帶不動(dòng)任何負(fù)載，而且只要受到一個(gè)很小的擾動(dòng)，就會(huì)振蕩、失步以致停轉(zhuǎn)。2025/2/112.6反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特性

控制電源脈沖頻率連續(xù)提高時(shí)，在一定負(fù)載下，步進(jìn)電機(jī)能正常連續(xù)運(yùn)行（不丟步、不失步）所能加到的最高頻率稱為最高連續(xù)運(yùn)行頻率或最高跟蹤頻率。

最高連續(xù)運(yùn)行頻率與負(fù)載有關(guān)，分空載運(yùn)行頻率和額定負(fù)載運(yùn)行頻率，且空載大于額定。

最高連續(xù)運(yùn)行頻率

高頻振蕩

反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在脈沖電壓的頻率相當(dāng)高的情況下，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的振蕩現(xiàn)象。因?yàn)榇藭r(shí)控制繞組內(nèi)電流產(chǎn)生振蕩，相應(yīng)地使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)不均勻，以致失步。但脈沖頻率若快速越過(guò)這一頻段，電動(dòng)機(jī)仍能繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，這一現(xiàn)象稱為高頻振蕩。2.6.2動(dòng)態(tài)特性

連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)2025/2/112.6反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特性

在給定驅(qū)動(dòng)電源的條件下，負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一定時(shí)，啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，作用在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的加速轉(zhuǎn)矩（電磁轉(zhuǎn)矩-負(fù)載轉(zhuǎn)矩）就越小，電動(dòng)機(jī)就越不易啟動(dòng)，當(dāng)有較低的脈沖頻率時(shí)電動(dòng)機(jī)才可能啟動(dòng)。

啟動(dòng)頻率隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大呈下降趨勢(shì)。

啟動(dòng)矩頻特性2.6.2動(dòng)態(tài)特性

啟動(dòng)狀態(tài)2025/2/112.6反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特性

在給定驅(qū)動(dòng)電源的條件下，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的關(guān)系。

隨轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大，在一定的脈沖周期內(nèi)轉(zhuǎn)子加速過(guò)程將變慢，難于趨向平衡。要電機(jī)啟動(dòng)，也需要較長(zhǎng)脈沖周期使電機(jī)加速，即要求降低脈沖頻率。

啟動(dòng)頻率隨轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大呈下降趨勢(shì)。

啟動(dòng)慣頻特性2.6.2動(dòng)態(tài)特性

啟動(dòng)狀態(tài)2025/2/112.6反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特性

電機(jī)正常啟動(dòng)時(shí)（不丟步、不失步）所能施加的最高控制頻率。是衡量步進(jìn)電機(jī)快速性能的重要指標(biāo)。

啟動(dòng)頻率比連續(xù)運(yùn)行頻率低。

增大電機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩；減小轉(zhuǎn)動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；增加拍數(shù)，減小步距角，均可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)頻率的提高。

啟動(dòng)頻率2.6.2動(dòng)態(tài)特性

啟動(dòng)狀態(tài)2025/2/112.7步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制

2.7.1驅(qū)動(dòng)控制器步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)外加控制脈沖，按環(huán)形分配器分配方式，控制各相繞組導(dǎo)通或截止，從而產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。

步進(jìn)電機(jī)工作性能除取決于自身性能因素外，還取決于驅(qū)動(dòng)器性能優(yōu)劣。

步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成一個(gè)整體，統(tǒng)稱為步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，其運(yùn)行性能是電動(dòng)機(jī)本體和驅(qū)動(dòng)器兩者配合所反映出來(lái)的綜合效果。

控制器組成

控制器由脈沖發(fā)生器、脈沖分配器和功率放大器組成。2025/2/112.7步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制

驅(qū)動(dòng)控制器的相數(shù)、電壓、電流和通電方式都要滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的要求。

驅(qū)動(dòng)控制器的頻率要滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)頻率和連續(xù)運(yùn)行頻率的要求。

能最大限度地抑制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)。

成本低，效率高，安裝和維護(hù)方便。

對(duì)驅(qū)動(dòng)控制器的要求2.7.1驅(qū)動(dòng)控制器2025/2/112.7步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制2.7.2功率驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上是一種脈沖功率放大電路，使脈沖具有一定功率驅(qū)動(dòng)能力。由于功率放大器的輸出直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)繞組，因此，功率放大電路的性能對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能影響很大。單電壓限流型驅(qū)動(dòng)電路高低壓切換型驅(qū)動(dòng)電路PWM（脈寬調(diào)制）型驅(qū)動(dòng)電路細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路2025/2/112.7步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制2.7.2功率驅(qū)動(dòng)電路

單電壓限流型驅(qū)動(dòng)電路

L是電動(dòng)機(jī)繞組，VT是無(wú)觸點(diǎn)電子開關(guān)，C加速電容，VD在晶體管VT截止時(shí)起續(xù)流和保護(hù)作用，防止晶體管截止瞬間繞組產(chǎn)生的反電勢(shì)使晶體管擊穿。

缺點(diǎn)：R上有功率消耗。

只用于動(dòng)態(tài)性能要求不高的小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。2025/2/112.7步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制2.7.2功率驅(qū)動(dòng)電路

高低壓切換型驅(qū)動(dòng)電路

高壓供電，用于快速提升電流，低壓供電，用于維持穩(wěn)態(tài)電流。

Ub1低壓脈沖，Ub2高壓脈沖。

t1-t2，高壓加到電機(jī)繞組上，使電流迅速上升，t2時(shí)刻，低壓維持。

優(yōu)點(diǎn)：功率損耗小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。2025/2/112.7步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制2.7.2功率驅(qū)動(dòng)電路

PWM（脈寬調(diào)制）型驅(qū)動(dòng)電路

步進(jìn)信號(hào)為高電平，VT2導(dǎo)通，比較器輸出高電平，恒頻斬波脈寬調(diào)制信號(hào)V1控制D觸發(fā)器輸出高電平，VT1導(dǎo)通。比較器輸出低電平，D觸發(fā)器被復(fù)位，輸出低電平，VT1關(guān)斷。

恒頻脈寬調(diào)制功率放大電路實(shí)際上是一個(gè)電流負(fù)反饋控制電路。

恒頻脈寬調(diào)制功率放大電路具有很好的高頻特性，穩(wěn)定的電流輸出，有效地減少了電機(jī)噪聲，同時(shí)還降低了功耗。2025/2/112.7步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制2.7.2功率驅(qū)動(dòng)電路

細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路

細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制又稱為微步距控制，把步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角減小，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)近似勻速運(yùn)動(dòng)，在任何位置準(zhǔn)確停步。

實(shí)現(xiàn)階梯波電流的方法：①順序脈沖發(fā)生器形成等幅等寬脈沖，用脈沖放大器進(jìn)行放大，繞組疊加。適用于中、大功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

順序脈沖發(fā)生器形成等幅等寬脈沖，用加法器合成后經(jīng)過(guò)功率放大器進(jìn)行放大。適用于微、小型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。2025/2/112.8步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在六自由度切削機(jī)器人中的應(yīng)用2.8.1應(yīng)用概述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)因具有低速大轉(zhuǎn)矩、定位精度高、控制簡(jiǎn)單、無(wú)累積誤差、可靠性高和成本低的優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)器人領(lǐng)域特別是在低轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩工況下步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是機(jī)器人最理想的驅(qū)動(dòng)源。使步距角和機(jī)械系統(tǒng)相匹配，便于得到所需的脈沖當(dāng)量。正確計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)矩頻特性滿足機(jī)械負(fù)載要求。估算負(fù)載慣量和機(jī)器人起動(dòng)頻率，使之與步進(jìn)電機(jī)慣性頻率特性相匹配。合理確定脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比。

機(jī)器人對(duì)步進(jìn)電機(jī)選型遵循的原則2.8步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在六自由度切削機(jī)器人中的應(yīng)用2.8.2應(yīng)用案例切削機(jī)器人主要由機(jī)身（腰部）、臂部（大臂、小臂）、腕部以及末端操作器（電主軸）組成，是具有六個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的串聯(lián)機(jī)器人。在加工過(guò)程中切削不同表面形狀工件，要求機(jī)器人有足夠靈活的腕部，到達(dá)空間任意位置、完成各種姿態(tài)的動(dòng)作。

運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件及位置檢測(cè)裝置選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和編碼器。

反饋運(yùn)動(dòng)件實(shí)際參數(shù)，接收到的參數(shù)信息與理論參數(shù)對(duì)比，若到達(dá)了理論位置，運(yùn)動(dòng)軸PC不發(fā)出脈沖信號(hào)，否則發(fā)出控制指令，直到運(yùn)動(dòng)軸到達(dá)理論位置，降低步進(jìn)電機(jī)到機(jī)械執(zhí)行器間的傳動(dòng)誤差。2.8步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在六自由度切削機(jī)器人中的應(yīng)用2.8.2應(yīng)用案例

控制系統(tǒng)上位機(jī)采用PC，下位機(jī)采用可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制卡。

按功能分為主控制器單元、底層控制器單元和伺服系統(tǒng)單元。

主控制器單元由PC組成，運(yùn)動(dòng)機(jī)械手控制主程序。

底層控制器單元控制機(jī)械手的位置和速度。

伺服單元由步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制器組成，是機(jī)械手的動(dòng)力源。

可編程控制器采用運(yùn)動(dòng)控制卡，控制電機(jī)執(zhí)行各種運(yùn)動(dòng)指令，滿足各運(yùn)動(dòng)精度要求。本章小結(jié)電機(jī)步距角步進(jìn)電機(jī)控制矩角特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將電脈沖信號(hào)變換為相應(yīng)的角/線位移。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出的角/線位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速/線速度與輸入的脈沖頻率成正比。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由專門電源供給電脈沖。每輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度為步距角，它由轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運(yùn)動(dòng)拍數(shù)所決定。矩角特性上的轉(zhuǎn)矩最大值（即最大靜轉(zhuǎn)矩）表示電機(jī)承受負(fù)載的能力，一般通過(guò)增加相數(shù)的方式來(lái)提高轉(zhuǎn)矩大小。是步進(jìn)電機(jī)最主要的性能指標(biāo)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)外加控制脈沖，按環(huán)形分配器決定的分配方式，控制步進(jìn)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)。

2025/2/11第3章機(jī)器人直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制●學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)和勵(lì)磁方式掌握直流伺服電機(jī)工作原理了解直流伺服電機(jī)技術(shù)參數(shù)掌握直流伺服電機(jī)控制方式和特性掌握直流伺服電機(jī)動(dòng)態(tài)特性了解常見特種伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)了解直流伺服電機(jī)在足球機(jī)器人中的應(yīng)用01020304050607

伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)又稱隨動(dòng)系統(tǒng)，是用來(lái)精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過(guò)程的反饋控制系統(tǒng)。

很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機(jī)械位移或速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)。作用是使輸出的機(jī)械位移/轉(zhuǎn)角準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移/轉(zhuǎn)角。3.1概述伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件。將輸入的電壓信號(hào)變換成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度，來(lái)驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。輸入的電壓信號(hào)又稱為控制信號(hào)或控制電壓。改變控制電壓可改變伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。伺服電動(dòng)機(jī)定義伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)良好的調(diào)速性能、較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及快速響應(yīng)交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便。2025/2/113.1概述

調(diào)速范圍廣。電機(jī)轉(zhuǎn)速隨控制電壓的變化能在更寬范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。

機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性線性化。線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性利于提高機(jī)器人動(dòng)態(tài)精度。

無(wú)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。在控制電壓為零時(shí)能自行停轉(zhuǎn)。

響應(yīng)速度快。轉(zhuǎn)速能隨控制電壓的改變而迅速變化。

可承受高強(qiáng)度工作環(huán)境，需要進(jìn)行頻繁換向和加減速運(yùn)行，可承受短時(shí)的數(shù)倍過(guò)載。

體積小，重量輕，使用壽命長(zhǎng)，方便配合機(jī)器人的體形。工業(yè)機(jī)器人對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的基本要求2025/2/113.2直流伺服電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)和勵(lì)磁方式

3.2.1基本結(jié)構(gòu)

直流伺服電機(jī)有永磁式和電磁式兩種類型。

電磁式直流伺服電機(jī)按勵(lì)磁方式分為他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)四種。

由定子（固定部分）和轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)部分）兩大部分組成。定、轉(zhuǎn)子之間存在氣隙。

定子用來(lái)安裝磁極和電機(jī)自身的支撐，包括定子鐵心、勵(lì)磁繞組、機(jī)殼、端蓋和電刷裝置等。

轉(zhuǎn)子用來(lái)感應(yīng)電勢(shì)和實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，稱為電樞，包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器和軸等。2025/2/113.2直流伺服電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)和勵(lì)磁方式

定子鐵心和勵(lì)磁繞組

小容量直流伺服電機(jī)定子鐵心將磁極和磁軛連為一體，用0.35-0.5mm厚的電工鋼片的沖片疊壓而成。機(jī)殼由鋁合金澆鑄而成。

勵(lì)磁繞組由銅線繞制而成，包上絕緣材料后套在磁極上。當(dāng)勵(lì)磁繞組通以直流電時(shí)，產(chǎn)生磁通，形成N、S極。

上述勵(lì)磁方式稱為電磁式。定子磁極還可以用永磁體制成，稱為永磁式。2025/2/113.2直流伺服電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)和勵(lì)磁方式

電樞鐵心和電樞繞組

電樞鐵心用0.35-0.5mm厚的電工鋼片的沖片疊壓而成。鐵心上的槽放置繞組，電樞鐵心也是主磁通磁路的組成部分。為減少鐵心的渦流損耗，鐵心沖片兩面要有絕緣層。

絕緣銅導(dǎo)線嵌入槽中，兩端按照一定規(guī)律接到換向器上組成電樞繞組。2025/2/113.2直流伺服電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)和勵(lì)磁方式

換向器和電刷

換向器是由許多換向片（銅片）疊裝而成。換向片之間用塑料或云母絕緣，各換向片和元件相連。換向器有金屬套筒式換向器和塑料換向器。

電刷放在電刷座中，用彈簧將它壓在換向器上，和換向器有良好的滑動(dòng)接觸。

電刷和換向器的作用是將電樞繞組中的交變電勢(shì)轉(zhuǎn)換成電刷間的直流電勢(shì)。2025/2/113.2直流伺服電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)和勵(lì)磁方式

3.2.2勵(lì)磁方式

直流伺服電機(jī)按勵(lì)磁繞組與電樞繞組不同的連接方式分他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)四種。2025/2/113.3直流伺服電動(dòng)機(jī)工作原理

3.3.1工作原理概述

加在直流伺服電機(jī)上的直流電源，借助換向器和電刷，使直流電機(jī)電樞線圈中流過(guò)的電流方向交變，電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向恒定不變，確保直流伺服電機(jī)以確定方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。2025/2/113.3直流伺服電動(dòng)機(jī)工作原理

3.3.2感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩

電動(dòng)機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)子線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線，線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。式中Ea電樞電動(dòng)勢(shì)；φ一對(duì)磁極磁通；n電樞旋轉(zhuǎn)速度；Ke電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)。

電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈中有電流，則處于磁場(chǎng)中的線圈導(dǎo)體必然會(huì)受到電磁力的作用。式中T電樞繞組電磁轉(zhuǎn)矩；φ一對(duì)磁極磁通；Km轉(zhuǎn)矩常數(shù)電磁轉(zhuǎn)矩T與每極磁通量φ和電樞電流Ia的乘積成正比。2025/2/113.4直流伺服電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)和運(yùn)行特點(diǎn)

3.4.1技術(shù)參數(shù)

額定功率：電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)的輸出功率。

額定電壓：額定狀態(tài)下運(yùn)行，勵(lì)磁繞組和電樞控制繞組上應(yīng)加的電壓額定值。

額定電流：額定電壓下，驅(qū)動(dòng)負(fù)載為額定功率時(shí)繞組中的電流。

額定轉(zhuǎn)速：額定電壓下，輸出額定功率時(shí)的轉(zhuǎn)速。調(diào)速范圍一般在額定轉(zhuǎn)速以下。

額定轉(zhuǎn)矩：電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩。

最大轉(zhuǎn)矩：電動(dòng)機(jī)在短時(shí)間內(nèi)輸出的最大轉(zhuǎn)矩，反映了電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)過(guò)載能力。最大轉(zhuǎn)矩一般可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的5-10倍。2025/2/113.4直流伺服電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)和運(yùn)行特點(diǎn)3.4.2運(yùn)行特點(diǎn)

穩(wěn)定性好

可控性好

響應(yīng)迅速

直流伺服電機(jī)具有較硬的機(jī)械特性，能夠在較寬的速度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。

直流伺服電機(jī)具有線性調(diào)節(jié)作用，通過(guò)控制電樞電壓大小和極性，可控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。當(dāng)電樞電壓為零時(shí)，由于轉(zhuǎn)子慣量小，電機(jī)能立即停止。

直流伺服電機(jī)具有較大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，控制信號(hào)輸入、增加、減小或消失的瞬間，電機(jī)能夠快速起動(dòng)、增速、減速或停止。2025/2/11

3.5直流伺服電動(dòng)機(jī)控制方法和運(yùn)行特性3.5.1控制方式

電樞回路中的電壓平衡方程式為

改變電樞電壓Ua和改變勵(lì)磁磁通φ都可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。控制方式：

電樞控制控制電樞電壓Ua（永磁式直流伺服電機(jī)）

磁場(chǎng)控制控制磁通φ將式代入上式，可得出電樞電流Ia表示式為：進(jìn)一步變換可得：2025/2/113.5直流伺服電動(dòng)機(jī)控制方法和運(yùn)行特性3.5.2運(yùn)行特性

直流伺服電機(jī)運(yùn)行特性指機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。由轉(zhuǎn)速公式：將式代入上式，可得：機(jī)械特性指直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T之間的關(guān)系曲線，即n=f(T)轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性。

機(jī)械特性n0理想空載轉(zhuǎn)速。k機(jī)械特性的斜率，表示電機(jī)機(jī)械特性的硬度，即電磁轉(zhuǎn)矩變化所引起的轉(zhuǎn)速變化程度。2025/2/113.5直流伺服電動(dòng)機(jī)控制方法和運(yùn)行特性

機(jī)械特性

當(dāng)電機(jī)的電樞電壓及磁通均為額定值（即U=UN，φ=φN），且電樞回路沒有外接電阻時(shí)的機(jī)械特性稱為固有機(jī)械特性，又稱自然特性。方程式為：

人為機(jī)械特性

固有機(jī)械特性需滿足三個(gè)條件，即U=UN，φ=φN和電樞回路沒有外接電阻。改變其中任何一個(gè)條件，都會(huì)使電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性發(fā)生變化。人為機(jī)械特性是指通過(guò)改變這些參數(shù)所得到的機(jī)械特性。2025/2/113.5直流伺服電動(dòng)機(jī)控制方法和運(yùn)行特性

電樞回路串接附加電阻

機(jī)械特性方程式為：

與固有特性相比，人為機(jī)械特性特點(diǎn)：

理想空載轉(zhuǎn)速相同

轉(zhuǎn)速降變大，即特性變軟。Rad越大，特性越軟。

電樞回路串接附加電阻時(shí)的人為機(jī)械特性可用于直流伺服電機(jī)的啟動(dòng)及調(diào)速。2025/2/113.5直流伺服電動(dòng)機(jī)控制方法和運(yùn)行特性

改變電樞電壓

機(jī)械特性方程式為：

與固有特性相比，人為機(jī)械特性特點(diǎn)：

理想空載轉(zhuǎn)速隨電壓變化而變化，特性斜率不變。

轉(zhuǎn)速降不變，較串電阻時(shí)的人為機(jī)械特性硬。

降低電壓，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低。

不同電樞電壓的人為機(jī)械特性曲線均在固有機(jī)械特性曲線之下調(diào)節(jié)。

改變電樞電壓時(shí)的人為機(jī)械特性常用于需要平滑調(diào)速的場(chǎng)合。2025/2/113.5直流伺服電動(dòng)機(jī)控制方法和運(yùn)行特性

改變磁通

機(jī)械特性方程式為：

與固有特性相比，人為機(jī)械特性特點(diǎn)：

理想空載轉(zhuǎn)速隨磁通減弱而上升。

轉(zhuǎn)速降增加（減弱磁通），機(jī)械特性變軟。

特性曲線上移且變軟（減弱磁通）。

減弱磁通可用于平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大。2025/2/113.5直流伺服電動(dòng)機(jī)控制方法和運(yùn)行特性

繪制機(jī)械特性曲線

他勵(lì)直流伺服電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性都是直線。繪制固有機(jī)械特性曲線時(shí)，常選擇理想空載點(diǎn)（0，n0）和額定工作點(diǎn)（TN，nN）這兩個(gè)特殊點(diǎn)。

計(jì)算電樞電阻

計(jì)算電樞電阻

計(jì)算理想空載轉(zhuǎn)速

計(jì)算額定電磁轉(zhuǎn)矩2025/2/113.5直流伺服電動(dòng)機(jī)控制方法和運(yùn)行特性

例題

固有機(jī)械特性

一臺(tái)他勵(lì)直流伺服電動(dòng)機(jī)，PN=10kW，UN=220V，IN=50A，nN=1500r/min，額定負(fù)載，求解以下問(wèn)題：

固有機(jī)械特性。

電樞回路串電阻Rad=0.4Ω時(shí)人為機(jī)械特性和轉(zhuǎn)速nRN。

電源電壓降低為110V時(shí)的人為機(jī)械特性和轉(zhuǎn)速。

減弱磁通φ=0.8φN時(shí)的人為機(jī)械特性和轉(zhuǎn)速

。2025/2/113.5直流伺服電動(dòng)機(jī)控制方法和運(yùn)行特性

串電阻時(shí)的人為機(jī)械特性和轉(zhuǎn)速

電壓降低時(shí)的人為機(jī)械特性和轉(zhuǎn)速

計(jì)算額定電磁轉(zhuǎn)矩

固有機(jī)械特性2025/2/113.5直流伺服電動(dòng)機(jī)控制方法和運(yùn)行特性上述四步對(duì)應(yīng)的機(jī)械特性曲線

減弱磁通時(shí)的人為機(jī)械特性和轉(zhuǎn)速2025/2/113.5直流伺服電動(dòng)機(jī)控制方法和運(yùn)行特性

調(diào)節(jié)特性

調(diào)節(jié)特性：電動(dòng)機(jī)在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n隨電樞電壓Ua變化的關(guān)系。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL保持不變時(shí)，電機(jī)軸上總阻轉(zhuǎn)矩Ts=TL+T0也保持不變，電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)

調(diào)節(jié)特性為一上翹的直線。調(diào)節(jié)特性與橫軸交點(diǎn)Ua0稱為始動(dòng)電壓，是電機(jī)處在待動(dòng)而未動(dòng)的臨界狀態(tài)時(shí)的控制電壓。

Ua0∝Ts，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，始動(dòng)電壓越高?？刂齐妷簭牧愕経a0電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，稱為死區(qū)。負(fù)載越大，死區(qū)也越大。2025/2/113.5直流伺服電動(dòng)機(jī)控制方法和運(yùn)行特性

調(diào)節(jié)特性

當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速很低時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)不均勻，出現(xiàn)時(shí)快、時(shí)慢，甚至?xí)簳r(shí)停轉(zhuǎn)現(xiàn)象，稱為低速運(yùn)轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性。產(chǎn)生原因：

電樞齒槽影響。低速時(shí)，反電勢(shì)平均值很小，電樞齒槽效應(yīng)引起電勢(shì)脈動(dòng)增大，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)明顯。

電刷接觸壓降影響。低速時(shí)，控制電壓很低，電刷和換向器間的接觸壓降不穩(wěn)定，影響電樞上電壓，導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定。

電刷和換向器之間摩擦影響。低速時(shí)，電刷和換向器間的摩擦轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，造成電機(jī)初始阻轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，導(dǎo)致總阻轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定。

低速運(yùn)轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性在控制系統(tǒng)中造成誤差。當(dāng)要求電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，必須在控制線路中采取措施，使其轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，或者選用低速穩(wěn)定性好的直流力矩電動(dòng)機(jī)。2025/2/113.6直流伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性

調(diào)節(jié)特性：電動(dòng)機(jī)在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n隨電樞電壓Ua變化的關(guān)系。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL保持不變時(shí)，電機(jī)軸上總阻轉(zhuǎn)矩Ts=TL+T0也保持不變，電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)

Ua0∝Ts，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，始動(dòng)電壓越高。控制電壓從零到Ua0電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，稱為死區(qū)。負(fù)載越大，死區(qū)也越大。

動(dòng)態(tài)特性:電樞控制下，電樞繞組上加階躍電壓，電機(jī)轉(zhuǎn)速和電樞電流隨時(shí)間變化的規(guī)律。這是處在過(guò)渡過(guò)程中的動(dòng)態(tài)問(wèn)題。

當(dāng)電機(jī)工況發(fā)生變化時(shí)，總存在著一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，即由一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)變化到另一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，需要經(jīng)歷一段時(shí)間才能完成。

產(chǎn)生過(guò)渡過(guò)程原因主要是電動(dòng)機(jī)中存在著機(jī)械和電磁兩種慣性。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和電感是產(chǎn)生機(jī)械過(guò)渡過(guò)程和電磁過(guò)渡過(guò)程的主要因素。

電磁過(guò)渡過(guò)程所需時(shí)間比機(jī)械過(guò)渡過(guò)程短得多，許多場(chǎng)合，只考慮機(jī)械過(guò)渡過(guò)程，忽略電磁過(guò)渡過(guò)程。2025/2/113.6直流伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性其解為：

3.6.1過(guò)渡過(guò)程分析

研究電動(dòng)機(jī)過(guò)渡過(guò)程，是將過(guò)渡過(guò)程中的物理規(guī)律用微分方程表示。過(guò)渡過(guò)程中，電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電勢(shì)：動(dòng)態(tài)電壓平衡方程式：轉(zhuǎn)矩平衡方程式：上式化簡(jiǎn)整理：大多數(shù)情況下，特別是放大器內(nèi)阻與電樞繞組相串聯(lián)時(shí)，則有τm遠(yuǎn)大于τd，τd忽略不計(jì)，上式簡(jiǎn)化為：τm為機(jī)電時(shí)間常數(shù)，τd為電磁時(shí)間常數(shù)，n0為理想空載轉(zhuǎn)速。

2025/2/113.6直流伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性

3.6.1過(guò)渡過(guò)程分析

機(jī)電時(shí)間常數(shù)τm：電動(dòng)機(jī)空載狀態(tài)下，勵(lì)磁繞組加額定勵(lì)磁電壓，電樞加階躍額定控制電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速?gòu)牧闵仙嚼硐肟蛰d轉(zhuǎn)速的63.2%所需要的時(shí)間。3τm為過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。

3.6.2機(jī)電時(shí)間常數(shù)與電動(dòng)機(jī)參數(shù)的關(guān)系

電機(jī)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間的長(zhǎng)短主要由機(jī)電時(shí)間常數(shù)τm來(lái)決定。

機(jī)電時(shí)間常數(shù)τm與旋轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J、電樞回路電阻Ra成正比。

機(jī)電時(shí)間常數(shù)表示了電機(jī)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間的長(zhǎng)短，反映了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨信號(hào)變化的快慢程度，是伺服電機(jī)一項(xiàng)重要的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。一般直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)在十幾毫秒到幾十毫秒之間。2025/2/113.7特種直流伺服電動(dòng)機(jī)

直流伺服電動(dòng)機(jī)因具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍廣、機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性線性度好、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛的應(yīng)用。

但是，因直流伺服電動(dòng)機(jī)存在轉(zhuǎn)子鐵心且鐵心有齒和槽，具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、機(jī)電時(shí)間常數(shù)大和靈敏度差，低速轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大、轉(zhuǎn)動(dòng)不平穩(wěn)，換向火花大、壽命短和無(wú)線電干擾大等性能上的缺陷，其應(yīng)用受到一定的限制。直流伺服電動(dòng)機(jī)克服上述缺點(diǎn)直流力矩電動(dòng)機(jī)低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)2025/2/113.7特種直流伺服電動(dòng)機(jī)

3.7.1直流力矩電動(dòng)機(jī)

基本結(jié)構(gòu)

力矩電機(jī)是一種能低速運(yùn)轉(zhuǎn)并產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩的控制電機(jī)。能和負(fù)載直接相連，帶動(dòng)負(fù)載在堵轉(zhuǎn)或遠(yuǎn)低于空載轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)。

具有反應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動(dòng)小、能在低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行、機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性線性度好等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于在位置伺服系統(tǒng)和低速伺服系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。

直流力矩電動(dòng)機(jī)工作原理和普通直流伺服電動(dòng)機(jī)相同。

一般直流伺服電動(dòng)機(jī)為減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，大部分做成細(xì)長(zhǎng)的圓柱形。而直流力矩電動(dòng)機(jī)為能在相同體積和電樞電壓下，產(chǎn)生比較大的轉(zhuǎn)矩和較低的轉(zhuǎn)速，一般做成圓盤狀。2025/2/11

3.7特種直流伺服電動(dòng)機(jī)

基本特點(diǎn)

轉(zhuǎn)矩大

從直流電機(jī)基本工作原理可知，每根導(dǎo)體所受的電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩為電磁轉(zhuǎn)矩為N電樞繞組總的導(dǎo)體數(shù)；D電樞鐵心直徑。

式中近似為常數(shù)，電磁轉(zhuǎn)矩T與直徑D近似呈正比例關(guān)系。

轉(zhuǎn)速低

外加電壓與感應(yīng)電勢(shì)相等，列平衡方程式即

式中不變情況下，理想空載轉(zhuǎn)速n0與直徑D成反比例。

其他條件相同，增大電動(dòng)機(jī)直徑，減小軸向長(zhǎng)度，有利于增加電機(jī)轉(zhuǎn)矩和降低空載轉(zhuǎn)速。2025/2/113.7特種直流伺服電動(dòng)機(jī)2025/2/11

3.7.2低慣量型直流伺服電動(dòng)機(jī)

杯形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)

與傳統(tǒng)直流伺服電機(jī)相比，低慣量型直流伺服電機(jī)具有時(shí)間常數(shù)小、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。

低慣量型直流伺服電機(jī)主要形式有杯形電樞直流伺服電機(jī)、盤形電樞直流伺服電機(jī)和無(wú)槽電樞直流伺服電機(jī)。

空心杯轉(zhuǎn)子可由單個(gè)線圈，沿圓柱面排列成杯形或直接繞成導(dǎo)線杯，再用環(huán)氧樹脂熱固化定型，也可采用印制繞組。

外定子裝有永久磁鋼，內(nèi)定子由軟磁材料制成起磁軛作用。空心杯電樞直接裝在電機(jī)軸上，在內(nèi)、外定子間氣隙中旋轉(zhuǎn)。磁阻大，磁通勢(shì)利用率低。常用高性能永磁材料作磁極。3.7特種直流伺服電動(dòng)機(jī)2025/2/11

杯形電樞直流伺服電機(jī)機(jī)械慣性小，控制靈敏度高，無(wú)控制死區(qū)，體積可做得非常小且重量輕。但堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩小，目前它的容量還不能做得很大，是一種微型伺服電動(dòng)機(jī)。

杯形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)性能特點(diǎn)低慣量靈敏度高損耗小，效率高力矩波動(dòng)小，低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低換向性能好，壽命長(zhǎng)

杯形電樞直流伺服電機(jī)大多應(yīng)用于高精度的自動(dòng)控制系統(tǒng)及測(cè)量裝置等設(shè)備中。3.7特種直流伺服電動(dòng)機(jī)2025/2/11

盤形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)

盤形電樞特點(diǎn)：電樞直徑遠(yuǎn)大于長(zhǎng)度，電樞有效導(dǎo)體沿徑向排列，定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙為軸向平面氣隙，主磁通沿軸向通過(guò)氣隙。圓盤中電樞繞組可以是印制繞組或