2.4 运动控制系统

运动控制是指在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动。由于运动控制的动力源多数来自于电动机，因此，运动控制指通过对电动机电压、电流、频率等输入量的控制，实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，使机械机构按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。

现代运动控制技术是机电一体化的核心技术，其涉及电机学、电力电子技术、微电子技术、计算机控制技术、控制理论、信号检测与处理技术等多门学科。现代工业生产对运动控制系统提出了日益复杂的要求，科学技术的快速发展为研制和生产各类新型运动控制装置提供了支撑与保障。现代运动控制系统广泛存在于机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等领域。

2.4.1 基于PLC的运动控制系统结构组成与分类

1.运动控制系统结构组成

运动控制系统种类多样。典型的现代运动控制系统的硬件由上位计算机、运动控制器、功率驱动装置、电动机、执行机构、传感器反馈检测装置等部分组成。运行控制系统结构组成如图2.8所示。

图2.8中，运动控制器通常由具有运动控制功能的PLC担任，其主要任务是根据上位控制系统的决策命令、预先设定的控制策略、运动控制要求和传感器的反馈信号进行逻辑、数学运算，将分析、计算所得出的控制命令以数字脉冲信号或模拟电压信号的形式送到电动机驱动器中，驱动器进行功率变换后驱动电动机运转，电动机通过传动机构带动机械机构运动，完成期望的机械运动。执行电动机种类和规格型号繁多，常见类型有步进电动机、直流电动机、交流伺服电动机、直线电动机等。

2.运动控制系统分类

运动控制系统分类方法较多，各种分类方法从不同角度诠释运动控制系统。

（1）按照控制形式分类

运动控制系统按照控制形式分类为开环控制和闭环控制。其中，闭环控制又分为单闭环控制和多闭环控制。

（2）按照执行电动机的类型分类

用直流电动机驱动机械机构的系统为直流传动系统，用交流电动机驱动机械机构的系统为交流传动系统。

（3）按照被控物理量分类

以转速为被控量的系统为调速系统，以角位移或直线位移为被控量的系统为随动系统。

（4）按照驱动方式分类

运动控制系统按照驱动方式分为电气控制、液压控制和气动控制。

随着工业生产中机电一体化设备的复杂化和控制性能要求的提高，现代运动系统正朝着高性能、智能化、柔性化、网络化和数字化的方向发展。提高运动控制系统的性能主要从提高电动机制造工艺、优化逆变器硬件组成、选择高精度的检测元件和改进驱动控制策略等几个方面进行，这使运动控制系统具有了高精度、高速度、高效率、高可靠性等能力。

2.4.2 交流伺服驱动器

在机电一体化的运动控制系统中，输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为伺服系统。伺服系统通常由伺服驱动器和执行电动机构成。当伺服电动机接入电源起动运行，伺服驱动器就对伺服电动机进行精确的位置控制、速度控制、转矩控制以及故障保护。

根据伺服电动机的类型，伺服驱动器分为直流伺服驱动器和交流伺服驱动器。直流伺服控制简单、调速范围宽、稳定性高，但由于电刷、换向器和换向火花的存在，使得系统结构复杂，转动惯量大，易于产生电磁干扰，需要经常维护，难以适应恶劣的工作环境。随着永磁材料、电力电子、微处理器以及交流伺服驱动技术的进步，交流伺服技术得到飞速发展，由于没有了电刷和换向器，可靠性得到提高，对维护和保养要求降低，惯量小，响应速度快。另外，交流伺服具有高速大转矩、伺服精度高、效率高、调速平滑、低噪声等优点，虽然控制复杂，但现代控制技术和控制器件、功率器件的发展解决了各种交流伺服控制困难，交流伺服系统的性能逐渐提高，功能日臻完善，成本不断降低，因此，使得在要求高精度、高性能控制的工业应用场合，交流伺服系统显示出明显的优越性，交流伺服的需求量将会越来越大，应用将更加广泛，并将逐步取代直流伺服系统。

交流伺服驱动器作用于交流伺服电动机的原理类似于普通变频器作用于普通交流电动机。早期的变频器主要采用转速开环、恒压频比控制，现代的高性能变频器已经能够根据交流电动机的动态数学模型，进行电流、速度、位置的闭环控制。交流伺服驱动器继承和发展了变频器的技术，在驱动器内部的电流环、速度环、位置环都采用了比变频器更为先进的控制技术和控制算法，功能也比普通变频器强大许多，不仅可以实现多种控制模式，还能有效地对交流伺服电动机进行过载、短路、欠电压等故障保护。

目前的主流伺服驱动器以中央处理器（Central Processing Unit，CPU）或数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，也便于实现交流伺服驱动器的数字化、网络化和智能化。DSP的主要工作是完成与上位机通信、输出脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）信号、处理与电动机控制相关的核心算法等。另外，伺服驱动器以智能功率模块（Intelligent Power Module，IPM）为主要驱动模块，实现电源逆变，接收PWM信号，输出三相交流电压指令信号完成对伺服电动机的驱动控制。此外，IPM具有过电压、过电流、过热、欠电压等故障检测保护电路，在主回路中还加入软起动电路，以减小起动过程对驱动器的冲击，进一步提高了伺服驱动器的可靠性和稳定性。

交流伺服驱动器的控制算法是交流伺服驱动技术的核心，控制算法的优劣直接关系到交流伺服驱动器性能的优劣。现代交流伺服驱动器的控制算法通常包括电动机控制策略，位置、速度和电流调节器算法，PWM算法。

交流伺服驱动器的性能指标分为稳态性能指标、动态性能指标和抗扰动性能指标。稳态性能指标指系统的静态误差和稳定后响应曲线的平稳性；动态性能指标指系统的超调量、调节时间、响应速度；抗扰动性能指标指系统在遇到干扰（如负载扰动、参数扰动）时重新恢复到稳定状态的恢复时间。

交流伺服驱动器选型时的主要性能参数有功率等级（能够控制的电流、电压范围）；转速、频率范围；电流、转速、位置控制精度；响应时间，保护功能。

现代交流伺服技术的功能特点如下：

（1）数字化

伺服控制器采用新型高速微处理器和专用数字信号处理器作为控制核心，在电流环、速度环、位置环采用数字控制方法，将原来通过模拟电子器件等硬件实现的功能变为通过数字控制算法用软件来实现，实现了交流伺服系统的数字化。

（2）集成化

集成化包括硬件电路的集成、功能的集成和通信的集成等。集成化使得伺服系统在保持原有功能的基础上具有较小的体积和重量，丰富的接口设置便于安装和调试。

（3）智能化

伺服系统的智能化主要表现在具有参数自整定功能、参数记忆功能、故障诊断和分析功能等方面。伺服控制器参数整定是为了满足性能指标要求所必须的关键环节，通常需要反复调整，占用较多的时间和资源。带有参数自整定功能的伺服驱动器，可以通过几次试运行，自动地获得系统特征参数，控制器参数的整定实现了参数的优化匹配。此外，伺服驱动器具有参数记忆功能，能够将整定好的控制器参数及系统运行参数进行存储，并可以通过伺服控制软件进行监视、设定或修改，调整后的参数可以保存，方便日后调用和修改。当系统运行出现故障时，通过故障诊断和分析功能，保存故障记录，并将故障类型和故障的可能原因报告给用户。

（4）网络化

随着工业局域网技术的迅速发展，与之相适应，伺服系统配备了标准的串行通信接口和专用的局域网接口，增强了与其他控制设备间的互连与通信能力。

（5）模块化

高端伺服产品将控制单元、整流单元、电动机模块、编码器都进行了模块化设计，模块之间采用网络通信进行数据交换，这样使系统的配置变得更加灵活便捷。一个控制单元可以同时驱动多个电动机模块，这样多个轴之间可以共享一个控制单元或者整流单元，节省了资源配置。

2.4.3 位置检测系统

高精度高响应能力的伺服控制系统需要高性能的位置传感器，位置检测的目的是实时提供电动机转子位置信息。转子的位置检测分为位置传感器检测及无位置传感器检测。但是，无位置传感器技术虽然系统得到简化，成本降低，但控制算法复杂，精度难以保证，具有起动困难、动态性能不理想、转速范围小等缺点。因此，采用位置传感器检测转子位置的做法更为实用。

交流伺服系统常用的位置传感器有光电式、光栅式、电磁感应式、磁阻式、磁栅式、霍尔式、旋转变压器等。

1.光电式位置传感器

光电编码器是集光、机、电技术为一体的数字化传感器，可以高精度测量被测物的转角或直线位移量。光电式和光栅式位置传感器都是利用光电效应制成的，传感器一般由光源、光电码盘和光电元件三部分组成。传感器的基本原理是随着电动机转子的转动，码盘不断地遮挡或通过光源发出的光线至光电传感器件，使其输出高、低电平，从而将转子的机械位置信号转化为电信号。

光电编码器按测量方式分类为旋转编码器和直尺编码器；按编码方式分类为绝对式编码器、增量式编码器。

旋转编码器是通过测量被测物体的旋转角度并将测量到的旋转角度转化为脉冲电信号输出。直尺编码器是通过测量被测物体的直线行程长度并将测量到的行程长度转化为脉冲电信号输出。

绝对式旋转编码器是用光信号扫描分度盘（分度盘与传动轴相连）上的格雷码刻度盘，从而确定被测物的绝对位置值，将检测到的格雷码数据转换为电信号，并以脉冲的形式输出测量的位移量。绝对式旋转编码器的特点为：①在一个检测周期内对应不同的角度有不同的格雷码编码，因此编码器输出的位置数据是唯一的；②因使用机械连接的方式，在掉电时编码器的位置不会改变，上电后立即可以取得当前位置数据；③检测到的数据为格雷码，因此不存在模拟量信号的检测误差。

另外，可以根据绝对式旋转编码器输出的脉冲信号转化为电动机速度信号，其主要优点是位置绝对唯一、抗干扰、无须掉电记忆，应用于需要位置控制的场合。缺点是价格比较高，编码解码复杂。绝对式旋转编码器的主要选型参数是位数、精度、分辨率、最大旋转速度、接口方式、安装方式、尺寸、波特率等。

增量式旋转编码器用光信号扫描分度盘，通过检测、统计信号的通断数量来计算电动机旋转角度。增量式旋转编码器的特点为：①编码器每转动一个预先设定的角度将输出一个脉冲信号，通过统计脉冲信号的数量来计算旋转的角度，因此编码器输出的位置数据是相对的；②由于采用固定脉冲信号，因此旋转角度的起始位可以任意设定；③由于采用相对编码，因此掉电后旋转角度数据会丢失，需要重新复位。

增量式旋转编码器的优点是分辨能力强，测量范围大，在不需要位置闭环控制的场合使用，价格低，其缺点是断电时丢失原有位置信号。增量式旋转编码器的主要选型参数是转速范围、最大转速、精度、分辨率、电气接口、连接方式、机械安装尺寸、最大输出频率等。

2.电磁感应式传感器

霍尔传感器和旋转变压器都属于电磁感应式传感器。

霍尔传感器的工作原理基于霍尔效应。霍尔传感器由霍尔片、引线和壳体组成，它具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点。霍尔传感器常安装于电动机本体内部，用于检测电动机转速。霍尔传感器的主要选型参数是工作电压、测量范围、感应距离、工作温度、输出信号形式等。

旋转变压器是用于测量电动机的角度、位置、速度的电磁感应式传感器。其输出电压随转子旋转变压器位置角变化而变化，与光电编码器不同的是，其输出的是模拟信号而非数字信号。旋转变压器具有结构坚固、抗干扰能力强、抗恶劣环境、响应速度快等优点，缺点是输出信号需要专用电路进行处理解算，主要应用于高温、高速、高振动、高可靠性要求的领域。旋转变压器的主要选型参数是额定电压、额定频率、变比、最大输出电压、零位电压、输出相位移、基准电气零位、精度等。

3.磁栅传感器

磁栅传感器是利用磁栅与磁头的磁作用进行直线位移和角位移测量的数字式传感器，它由磁栅（磁尺）、磁头、检测电路组成。磁栅上刻有等节距的磁信号，它是利用磁带录音的原理将等节距周期变化的信号（正弦波或者矩形波）用录磁的方法记录在磁性尺或圆盘上而制成的。磁栅传感器工作时，磁头相对磁栅有一定的相对位置，通过读取磁栅的输入输出感应电动势相位差即可把磁栅上的磁信号读出来，并把被测位移转换成电信号。磁栅的类型分为测量直线位移的长磁栅和测量角位移的圆磁栅。磁栅优点在于价格低于光栅，测量范围宽，易安装和调整，抗干扰能力强，对工作环境要求低，维护方便，寿命长，制造工艺简单。磁栅传感器的主要选型参数是结构型式、精度、分辨率、测量范围、外形尺寸、响应速度等。

4.磁电式传感器

测速发电机是把机械转速变换为与转速成正比的电压信号的微型电机。测速发电机分为直流测速发电机、交流测速发电机、霍尔效应测速发电机，适用于运行环境比较恶劣的场合。由于光栅、旋转变压器等传感器件的可靠性和性能逐步提高，测速发电机的市场份额逐步减少。

综合来讲，位置传感器选型的根本准则是价格便宜，工作可靠，满足全系统性能要求。例如，光栅传感器的精度高，但其抗冲击的能力不强；旋转变压器抗冲击、振动能力很强，若要求旋转变压器精度很高，则其价格也就必然高上去，但其能够耐受-55℃的环境，故在军用设备中得到广泛应用；磁栅抗冲击、振动的能力比较强，有时体积、重量可以做到比较小，但由于本身带有磁性，会对周边磁敏感器件造成影响。

2.4.4 电动机

电动机是指把电能转换成机械能的装置，在运动控制系统中提供驱动力。电动机的工作原理是通电线圈在磁场中受力的作用而运动。

电动机分类方法繁多。按照工作电源分为直流电动机和交流电动机，其中直流电动机又分为永磁直流电动机和电励磁直流电动机，交流电动机又分为单相交流电动机和三相交流电动机；按照工作原理与结构分为直流电动机、同步电动机和异步电动机；按照用途分为起动电动机、驱动电动机和控制电动机；按照速度分为低速电动机、高速电动机、恒速电动机和调速电动机。每种分类下还细分若干种。

在运动控制系统中常用的电动机有有刷直流电动机、永磁无刷直流电动机、永磁同步电动机、异步电动机、步进电动机、直线电动机等。

1.有刷直流电动机

有刷直流电动机的工作原理是基于电磁感应定律和电磁力定律，其结构主要由定子、转子、换向器、电刷、轴等组成。直流电动机结构如图2.9所示。

直流调速系统的主要优点在于调速性能好、调速范围广、平滑调速、起动/制动转矩大、驱动控制电路简单等。由于电刷和换向器的存在，直流调速系统运行时会产生换向火花，换向时产生谐波，污染电网，低速起动时无功分量较大，虽然其驱动控制电路简单，但与同容量、转速的交流电动机相比，直流电动机本体复杂、体积大、造价高，此外，日常维护量大，须定期检查、更换电刷，对于大容量、高电压及高转速的调速系统，直流电动机难以胜任。目前，随着交流调速技术、微控制器和功率电子器件的发展，交流调速系统的性能已经不逊于甚至超过了直流调速系统，交流调速已经逐步取代直流调速。

2.永磁无刷直流电动机

永磁无刷直流电动机属于自同步电动机，其电动机本体和驱动器组成一体，以电子换向器代替机械电刷和换向器实现有刷直流电动机的换向，克服了有刷直流电动机换向器和电刷带来的缺点。永磁无刷直流电动机原理结构如图2.10所示，永磁无刷直流电动机工作原理如图2.11所示。

永磁无刷直流电动机调速系统借助于高频率、大容量、智能化开关器件的涌现，借助于智能功率模块和大功率集成电路的发展，借助于控制技术的进步，借助于传感器性能的提高，使之能够继承直流调速系统优点的同时克服了直流调速系统的不足，得到了更为广泛的应用。

永磁无刷直流电动机调速系统调速性能优越，体积小，重量轻，转动惯量小，动态响应快，功率密度高，输出转矩大，没有换向火花，没有电磁干扰，维修简便。由于不存在励磁损耗，发热的电枢绕组安装在定子上，散热容易，进一步提高了效率和可靠性。技术进步推动当今的永磁无刷直流电动机向着超高速、高转矩、高功能化、微型化方向发展。当然，永磁无刷直流电动机也存在不足，受到永磁材料性能的限制，超大功率电动机的研制受限；永磁材料在受到振动、高温和过电流时，磁性能可能下降或发生退磁现象，这将降低永磁电动机的性能。

3.永磁同步电动机

同步电动机属于交流电动机，其转子转速n、磁极对数p、电源频率f之间满足n=。同步电动机分为电励磁同步电动机和永磁同步电动机，前者由单独的励磁电路提供励磁，后者由永磁体提供励磁，相比于前者，永磁同步电动机省去了励磁电路，结构更加简单。永磁同步电动机按照转子上有无起动绕组分为无起动绕组永磁同步电动机和有起动绕组永磁同步电动机；按照电枢绕组位置分为内转子和外转子永磁同步电动机；按照永磁体磁链在电枢绕组中感应出的反电动势的波形分为正弦波永磁同步电动机、方波或梯形波永磁同步电动机。正弦波永磁同步电动机的电枢绕组一般采用分布短距绕组，为实现输出稳定的电磁转矩，需要采用三相对称正弦波电流供电；反电动势为方波或梯形波的永磁同步电动机，电枢绕组采用集中整距绕组，为保证输出转矩的平稳性，一般采用三相对称的方波电流供电。永磁同步电动机如图2.12所示。

永磁同步电动机的工作原理是三相定子绕组通入三相交流电后，产生同步旋转磁场，在磁力作用下，使转子跟随旋转磁场同步转动。永磁同步电动机中永磁体的性能对整个电动机性能的影响较大，随着永磁材料，特别是稀土永磁材料制造技术和加工工艺的不断进步，钐钴、钕铁硼等磁性能较高的稀土永磁材料的相继问世，使得永磁同步电动机的性能达到新的高度。永磁同步电动机转子结构种类繁多，按照磁场方向可分为径向磁钢和轴向磁钢；按照永磁材料安装位置可分为表贴式磁钢和内埋式磁钢。无论转子结构如何设计，其目的是在有限的体积重量约束下，获得高功率密度和高效率。永磁同步电动机典型的剖面结构如图2.13所示。

由于永磁同步电动机的转子转速和定子电压、电流频率保持严格同步，控制了定子侧的频率便能精准地控制电动机转速，从而实现较高的调速性能。永磁同步电动机具有运行可靠、效率高、体积小、质量轻、惯性小、温升低、功率因数高、高转矩惯量比、高速度质量比、高功率质量比、结构紧凑、电动机形状和尺寸多样灵活等显著优点，永磁同步电动机由于不需要励磁绕组和励磁电源，省去了需要经常维护的电刷和集电环，非常适合应用于航空航天应用领域。永磁同步电动机调速系统控制技术成熟，节能效果显著，性能优越，虽然电动机本体制造工艺复杂，成本比较高，但仍然广泛应用于航空、航天、数控机床、加工中心、机器人等高性能伺服领域，且这种需求还在进一步增长。

典型的交流伺服系统三环控制系统如图2.14所示。交流伺服系统是由电动机、电力电子变换器和控制系统组成，恰当的电动机控制方法有助于充分发挥同步电动机的优势，是电动机性能的倍增器，有助于整个系统最优性能的实现。永磁同步电动机调速系统属于多变量、强电磁耦合、高度非线性的系统，常用的控制方法有恒定压频比、直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC）和磁场矢量控制。其中，DTC是直接以转矩为控制目标，通过采用转矩和磁链双闭环的结构获得快速的转矩响应。由于DTC方法不需要复杂的旋转坐标变换，对电动机参数依赖性低，鲁棒性好而被广泛采用。

永磁同步电动机与直流电动机比较，无机械换向器和电刷，结构简单，体积小，运行可靠，易实现高速运行，调速范围宽，环境适应能力强，易实现正反转切换，定子绕组散热容易，传动精度高，快速响应性能好，工作电压只受功率开关器件的耐压限制，可以采用较高的电压，易实现大容量伺服驱动。

永磁同步电动机与异步电动机相比较，不需要励磁电流，稳定运行时没有转子电阻损耗，运行效率高，功率因数高，电动机体积小，在同样输出功率下，所需整流器和逆变器容量较小，转动惯量小，响应快速，性价比高，低速性能好。永磁同步电动机的定子结构与普通的异步电动机相同，最主要的区别在于转子磁路结构。

对于交流调速系统，无论执行元件是永磁同步电动机还是异步电动机，对它们基本的要求是①体积小，重量轻，输出转矩大；②惯性小，以保证响应速度；③良好的控制性能及制动性能；④宽广的调速范围；⑤转矩脉动小。

4.异步电动机

异步电动机的工作原理是气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现机电能量的转换。异步电动机的转子转速n小于气隙旋转磁场n₀，其转差率为s=。

异步电动机按照转子结构分为笼型异步电动机和绕线转子异步电动机。笼型异步电动机结构简单，价格低廉，工作可靠，不能人为改变电动机的机械特性，另一方面，笼型异步电动机起动转矩小，起动电流大，低速运行时发热比较严重，虽然有办法解决这些问题，但会增加成本或损失性能。异步电动机结构图如图2.15所示，三相笼型异步电动机拆分图如图2.16所示。

绕线转子异步电动机结构相对复杂，价格相对较贵，效率较低，需要维护的工作量也较大，转子外加电阻可以人为改变电动机的机械特性。由于集电环和电刷的存在，不仅增加了成本，也降低了起动和运行可靠性，且集电环和电刷之间的火花使得绕线转子异步电动机不适合有防爆要求的场合。虽然三相绕线转子异步电动机比笼型异步电动机的起动转矩大，但有些场合也不能满足满载起动要求，需要增加容量，因而形成大马拉小车现象，当电动机容量较大时，转子电流很大，起动设备将变得很庞大。三相绕线转子异步电动机转子回路接线图如图2.17所示。

异步电动机适用于驱动无特殊要求的机械设备，如机床、泵、风机、压缩机、搅拌机、运输机械、农业机械、食品机械等。异步电动机选型需要考虑的因素为电动机的机械特性、温升、起动性能、冷却方式、安装方式、防护方式等，主要性能参数有额定功率、额定电流、额定电压和频率、转速、效率、功率因数、堵转转矩、堵转电流、最大转矩、绝缘耐热等级、温升、噪声和振动等。电动机选型时还需要综合考虑其他方面的影响因素，例如，海拔、环境温度、潮湿或干热度、工作环境中的腐蚀物质、防爆要求等，针对这些条件对电动机选型进行调整，以求达到选型的先进性、合理性及经济性。

5.步进电动机

步进电动机又称脉冲电动机，是将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电执行元件。使用多相步进电动机时，单路电脉冲信号可通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器，电动机各相的通电状态就发生变化，转子就会转过一个角度，这个角度称为步距角。步进电动机整体结构示例如图2.18所示，原理结构如图2.19所示。

步进电动机的分类为：①按照转矩产生原理分类：反应式、永磁式、混合式；②按照定子数目分类：单定子、双定子、多定子；③按照定子励磁相数分类：三相、四相、五相、六相；④按照各相绕组的分布规律分类：垂轴式、顺轴式。

常用的步进电动机中比较如下：①反应式步进电动机采用高导磁材料构成齿状转子和定子，定子上嵌有线圈，其结构简单，生产成本低，步距角可以做得相当小，但动态性能相对较差。由于定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力。②永磁式步进电动机转子采用永久磁铁，定子采用软磁钢制成，绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩，它的出力大，动态性能好。由于转子磁铁的磁化间距受到限制，难于制造，故步距角较大。由于采用了永久磁铁，即使定子绕组断电也能保持一定转矩。永磁式步进电动机励磁功率小、效率高、造价低、需要量大。③混合式步进电动机是永磁式步进电动机和反应式步进电动机的复合体，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子为齿状的突起结构，其综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，效率高，动态性能好，是性能较好的步进电动机。

对于步进电动机，转子的角位移及转速分别与输入脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。因此，控制输入脉冲数可以控制机械位移，控制输入脉冲的频率就可以控制电动机转速，另外，控制定子绕组的通电顺序可以控制电动机的转动方向，这些都易于用微机实现数字控制。

步进电动机的特点是可以用数字信号直接进行开环控制，使得整个运动控制系统简单、廉价。由于位移与输入脉冲数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单又具有一定精度的开环控制系统，在要求高精度的时候，也可以组成闭环控制系统。此外，由于无刷结构，电动机本体部件少，不需要保养，可靠性高；易于起动、停止，正反转及速度响应性好；停止时可保持转矩，有自锁能力；步距角可在大范围内选择，在小步距情况下，通常可以在超低转速下高转矩稳定运行，通常也可以不经减速器直接驱动负载；速度可在相当宽的范围内平滑调节，同时用一台控制器控制几台步进电动机，并使它们完全同步运行。但是，步进电动机带惯性负载能力较差，由于存在失步和共振，步进电动机的加减速方法根据利用状态的不同而复杂化，超载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。

步进电动机选型时主要参考的性能指标为①最大静转矩：它表示了步进电动机承受负载的能力。最大静转矩越大，其带负载能力越强，运行的快速性及稳定性也越好；②空载起动频率：是衡量步进电动机快速性能的重要技术数据，如果脉冲频率高于该值，电动机不能正常起动；③起动矩频特性：起动频率随负载转矩下降的关系曲线称为起动矩频特性；④空载运行频率；⑤矩频特性：是衡量步进电动机运转时承载能力的动态性能指标；⑥静态步距误差：空载时，以单脉冲输入，步进电动机的实际步距角与理论步距角之差，称为静态步距误差。

6.直线电动机

直线电动机是直接产生直线运动的电动机。可以设想把旋转电动机沿径向剖开，并将圆周展开成直线，就得到了直线电动机。直线电动机可分为直线异步电动机、直线同步电动机、直线直流电动机、直线步进电动机等。

直线电动机按结构分为平板型、圆筒型、弧型和盘型，平板结构是最基本的结构，应用也最广泛。平板型直线电动机结构如图2.20所示，圆筒型直线电动机原理结构如图2.21所示。

直线电动机主要特点如下：

1）由于不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置，因而使得系统本身的结构大为简化，重量和体积大为下降。

2）定位精度高，在需要直线运动的地方，直线电动机可以实现直接传动，因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差，故定位精度高，如采用微机控制，还可以进一步提高整个系统的定位精度。

3）反应速度快、灵敏度高、随动性好。直线电动机容易做到其动子用磁悬浮支撑，因而使得动子和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触，这就消除了定、动子间的接触摩擦阻力，因而大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性。

4）工作安全可靠、寿命长。直线电动机可以实现无接触传递力，机械摩擦损耗几乎为零，所以故障少、免维修，因而工作安全可靠、寿命长。

5）容易密封，各部件用尼龙浸渍后采用环氧树脂涂封，使得其耐环境能力强，不惧有毒气体和化学药品的侵蚀，在核辐射和液态物质中也能正常运行。

6）直线电动机的冷却条件好，特别是长次级接近常温状态，因此线负荷和电流密度可以取得很高。

7）工作电源可以采用交流电源、直流电源或脉冲电源。

8）不同种类的直线电动机具有截然不同的工作特点，可以根据需要选择。既有能满足高速、大推力驱动要求的直线电动机，也有能满足低速、精细要求的直线电动机。

9）由于直线电动机无离心力作用，故直线移动速度可以不受限制，其加速度可以非常大，能实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。

直线电动机传动与旋转电动机传动比较，其主要优点如下：

1）旋转电动机是通过曲柄连杆或蜗轮蜗杆等传动机构进行直线型驱动的，这种传动形式往往会带来结构复杂，重量大，体积大，啮合精度差，且工作不可靠等缺点。直线电动机没有中间转换环节，传动机构简单，精度高，振动和噪声小。

2）直线电动机没有传动机构惯量和阻力矩的影响，因而加速和减速时间短，可实现快速起动和正反向运行。

3）仪表用的直线电动机，可以省去电刷和换向器等易损零件，提高可靠性，延长使用寿命。

4）直线电动机由于散热面积较大，容易冷却，因而允许较高的电磁负荷。

5）直线电动机装配灵活性好，可将电动机与其他机构合为一体。

直线电动机的主要选型参数为最大电压、峰值推力、峰值电流、连续功率、最大速度、最大连续消耗功率、磁极节距等。

2.4.5 减速器

减速器是原动机与工作机或执行机构之间独立的闭式传动装置，是机械传动系统中应用最为广泛的传动部件之一，用来降低转速并相应地增大转矩，在运动控制系统中应用广泛。此外，在某些特殊场合也用作增速，称为增速器。

减速器的分类多样，按照传动类型分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星齿轮减速器以及由它们互相组合起来的减速器；按照齿轮的外形分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和它们组合起来的圆锥-圆柱齿轮减速器；按照传动的级数分为单级减速器和多级减速器。

工程中常用的、已经标准化系列化的减速器有：齿轮减速器、蜗杆减速器、蜗杆-齿轮减速器、行星齿轮减速器、摆线针轮减速器、谐波齿轮减速器，只有在选不到合适的产品时，才自行设计制造减速器。

各类减速器的优点和特点是

1）齿轮减速器：轮齿型式有直齿、斜齿及人字齿，其应用广泛，结构简单，精度容易保证。

2）蜗杆减速器：结构紧凑，传动比大，工作平稳，噪声小，配电动机功率范围广，传动比分级精细，承载能力高，使用寿命长。

3）蜗杆-齿轮减速器：分为齿轮传动在高速级和蜗杆传动在高速级两种型式，前者结构紧凑，而后者传动效率高。

4）行星齿轮减速器：重量轻、体积小、传动比大、承载能力大、传动平稳、传动效率高、转矩体积比高，行星齿轮减速器多数是安装在步进电动机和伺服电动机上，用来降低转速，提升转矩，匹配惯量，精密行星齿轮减速器与伺服电动机配合时背隙等级很重要，不同背隙等级价格差异较大。

5）摆线针轮减速器：传动比大，传动效率高，体积小，重量轻，故障少，寿命长，运转平稳可靠，噪声小，拆装方便，容易维修，结构简单，过载能力强，耐冲击，惯性转矩小。

6）谐波齿轮减速器：结构简单，体积小，重量轻，与传动比相当的普通减速器比较，其零件减少50%，体积和重量均减少1/3左右或更多；传动比范围大，单级谐波减速器传动比可在50~300之间，优选在75~250之间；双级谐波减速器传动比可在3000~60000之间；复波谐波减速器传动比可在200~140000之间；同时啮合的齿数多，谐波传动精度高，齿的承载能力大，能够实现大传动比、小体积；运动平稳，无冲击、噪声小；谐波齿轮在传动在啮合中，柔轮齿和刚轮齿之间的齿侧间隙主要取决于波发生器外形的最大尺寸及两齿轮的齿形尺寸，因此可以使传动的回差很小，齿侧间隙可以调整，某些情况甚至可以是零侧间隙；谐波齿轮减速器的高速轴、低速轴位于同一轴线上，同轴性好。

齿轮减速器原理结构如图2.22所示，蜗轮蜗杆减速器原理结构如图2.23所示，蜗杆-齿轮减速器原理结构如图2.24所示，行星齿轮减速器原理结构如图2.25所示，摆线针轮减速器原理结构如图2.26所示，谐波齿轮减速器原理结构如图2.27所示。

减速器选型通常是根据产品样本来进行的。选用减速器时应从工作机的选用条件、动力机的性能、技术参数以及经济性因素等方面考虑，比较不同类型、品种的减速器外形尺寸、承载能力、传动比、传动效率、价格等，进而选择较为合适的减速器型号。选型步骤：首先按照工作条件计算出减速器的标称输入功率、传动比、输入转速、输出转矩等参数，再依据这些确定的参数尽量选用接近理想标称输入功率、传动比等参数的减速器，通过查询机械设计手册进行初选，然后验算选取的减速器的型号是不是符合初选要求。另外，还考虑多种减速器进行对比选择。随着计算机的应用和发展，一些欧美大型公司针对自己产品的特点开发了产品电子样本和选型软件，这些选型软件要求建立在完整减速器参数数据库基础之上。但由于产品众多，数据库建立不够完善，没有通用的减速机选型软件，更没有与产品设计系统友好集成，还需要设计人员进行分析与比较，以便从不同规格、型号、厂商的产品中选出适合用户使用的、整体效能最佳的减速器型号。减速器的主要选型参数见表2.1。

减速器选型时除考虑类型及性能参数外，还要注意输出结构、轴伸结构形式、防护等级、背隙、电动机与减速器接口的匹配等。例如，对于行星齿轮减速器，有同轴、直角及法兰输出形式，同轴减速器的价格相对便宜，可扩展性好，有更多的传动比可选，相对直角减速器其转速更高；直角减速器用于在轴向空间狭小的设计中；法兰输出减速器的结构长度较短，连接刚性高。减速器轴伸结构形式有光轴、键轴、花键及法兰，光轴与负载或联轴器依靠摩擦力连接，在交变负载下作动态定位应用时寿命较长；键轴与负载依赖键和键槽配合连接，比光轴摩擦紧固型连接结构简单、价格便宜，但在交变的负载下容易磨损；花键轴上有多个轴向的键槽，增大的表面积使其能传递更大的转矩，对中性好，但加工成本高；法兰能够做到最短的连接尺寸，连接刚性最高。

另外，传动系统设计时要注意减速器中的背隙。减速器的背隙也称回程间隙，主要由齿轮间隙引起，它影响减速器的定位精度。减小背隙意味提高减速器齿轮的加工精度及减速器价格提高，或者进行背隙补偿控制增加控制复杂度，且不是所有应用场合都可以进行背隙补偿的。对于恒转向、恒定或只有正向动态变化的负载可以不考虑背隙的影响，选择合适的背隙对于控制项目成本和系统精度具有重要意义。