有反應(yīng)式和索耶式兩類。索耶式直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止部分(稱為反應(yīng)板)和移動(dòng)部分(稱動(dòng)子)組成。反應(yīng)板由軟磁材料制成，在它上面均勻地開(kāi)有齒和槽。電機(jī)的動(dòng)子由永久磁鐵和兩個(gè)帶線圈的磁極A和B組成。動(dòng)子是由氣墊支承,以消除在移動(dòng)時(shí)的機(jī)械摩擦,使電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)并提高定位精度。這種電機(jī)的高移動(dòng)速度可達(dá)1.5米/秒，加速度可達(dá)2g,定位精度可達(dá)20多微米。由兩臺(tái)索耶式直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相互垂直組裝就構(gòu)成平面電動(dòng)機(jī)。

 

 

 

　　機(jī)電式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

 

　　機(jī)電式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由鐵心、線圈、齒輪機(jī)構(gòu)等組成。螺線管線圈通電時(shí)將產(chǎn)生磁力，推動(dòng)其鐵心心子運(yùn)動(dòng)，通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)使輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)一角度，通過(guò)抗旋轉(zhuǎn)齒輪使輸出轉(zhuǎn)軸保持在新的工作位置;線圈再通電，轉(zhuǎn)軸又轉(zhuǎn)動(dòng)一角度，依次進(jìn)行步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。

 

　　磁電式步進(jìn)電機(jī)

 

　　磁電式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要有永磁式、反應(yīng)式和永磁感應(yīng)子式3種形式。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由四相繞組組成。A相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子磁鋼將轉(zhuǎn)向該相繞組所確定的磁場(chǎng)方向;A相斷電、B相繞組通電時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)新的磁場(chǎng)方向，這時(shí)，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)一角度而位于新的磁場(chǎng)方向上，被激勵(lì)相的順序決定了轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方向。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)消耗功率較小，步矩角較大。

 

　　反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在定、轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)外表面上設(shè)有按一定規(guī)律分布的相近齒槽，利用這兩種齒槽相對(duì)位置變化引起磁路磁阻的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。這種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步矩角可做到1°～15°，甚至更小，精度容易保證，起動(dòng)和運(yùn)行頻率較高，但功耗較大，效率較低。

 

　　永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。是永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩者的結(jié)合，并兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)。

 

　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用在工業(yè)機(jī)器人上

 

　　對(duì)工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)，要求有最大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍。特別是像機(jī)器人末端執(zhí)行器(手爪)應(yīng)采用體積、質(zhì)量盡可能小的步進(jìn)電機(jī)，尤其是要求快速響應(yīng)時(shí)，伺服步進(jìn)電機(jī)必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，并且具有較大的短時(shí)過(guò)載能力。這是伺服步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用的先決條件。

 

　　一、機(jī)器人對(duì)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要要求

 

　　1、快速性，伺服步進(jìn)電機(jī)從獲得指令信號(hào)到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時(shí)間應(yīng)短。響應(yīng)指令信號(hào)的時(shí)間愈短，電伺服系統(tǒng)的靈敏性愈高，快速響應(yīng)性能愈好，一般是以伺服步進(jìn)電機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)的大小來(lái)說(shuō)明伺服電動(dòng)機(jī)快速響應(yīng)的性能。

 

　　2、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩慣量比大，在驅(qū)動(dòng)負(fù)載的情況下，要求機(jī)器人的伺服步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。

 

　　3、控制特性的連續(xù)性和直線性，隨著控制信號(hào)的變化，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速能連續(xù)變化，有時(shí)還需轉(zhuǎn)速與控制信號(hào)成正比或近似成正比。

 

　　4、調(diào)速范圍寬，能使用于1：1000～10000的調(diào)速范圍。

 

　　5、體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短。

 

　　6、能經(jīng)受得起苛刻的運(yùn)行條件，可進(jìn)行十分頻繁的正反向和加減速運(yùn)行，并能在短時(shí)間內(nèi)承受過(guò)載。

 

　　目前，由于高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)矩、低慣量的交、直流伺服步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用，一般負(fù)載1000N(相當(dāng)100kgf)以下的工業(yè)機(jī)器人大多采用步進(jìn)電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。所采用的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)主要是AC伺服步進(jìn)電機(jī)和DC伺服步進(jìn)電機(jī)。其中，交流伺服電機(jī)、直流伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，均采用位置閉環(huán)控制，一般應(yīng)用于高精度、高速度的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多適用于對(duì)精度、速度要求不高的小型簡(jiǎn)易機(jī)器人開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中。交流伺服電機(jī)由于采用電子換向，無(wú)換向火花，在易燃易爆環(huán)境中得到了廣泛的使用。機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率范圍一般為0.1～10kW。工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中所采用的電動(dòng)機(jī)。

 

　　二、電機(jī)大致可細(xì)分為以下幾種

 

　　1、交流伺服電機(jī)

 

　　包括同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)及反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。

 

　　2、直流伺服電機(jī)

 

　　包括小慣量永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)、印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)、大慣量永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)、空心杯電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)。

 

　　3、步進(jìn)電機(jī)

 

　　包括永磁感應(yīng)步進(jìn)電機(jī)。速度傳感器多采用測(cè)速發(fā)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器;位置傳感器多用光電碼盤(pán)和旋轉(zhuǎn)變壓器。近年來(lái)，國(guó)外機(jī)器人制造廠家已經(jīng)在使用一種集光電碼盤(pán)及旋轉(zhuǎn)變壓器功能為一體的混合式光電位置傳感器，伺服電動(dòng)機(jī)可與位置及速度檢測(cè)器、制動(dòng)器、減速機(jī)構(gòu)組成伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單元。機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求傳動(dòng)系統(tǒng)間隙小、剛度大、輸出扭矩高以及減速比大。

 

　　三、常用的驅(qū)動(dòng)器控制

 

　　1、直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

 

　　直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器多采用脈寬調(diào)制(PWM)伺服驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)改變加在電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

 

　　PWM伺服驅(qū)動(dòng)器具有調(diào)速范圍寬、低速特性好、響應(yīng)快、效率高、過(guò)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人中常作為直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

 

　　2、同步式交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

 

　　同直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，同步式交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比高、無(wú)電刷及換向火花等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。同步式交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通常采用電流型脈寬調(diào)制(PWM)相逆變器和具有電流環(huán)為內(nèi)環(huán)、速度環(huán)為外環(huán)的多閉環(huán)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)三相永磁同步伺服電機(jī)的電流控制。根據(jù)其工作原理、驅(qū)動(dòng)電流波形和控制方式的不同，它又可分為兩種伺服系統(tǒng)：(1)矩形波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服系統(tǒng)。(2)正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服系統(tǒng)。采用矩形波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)稱為無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī)，采用正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)稱為無(wú)刷交流伺服電動(dòng)機(jī)。

 

　　3、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

 

　　步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移或直線位移的元件，它的角位移和線位移量與脈沖數(shù)成正比。轉(zhuǎn)速或線速度與脈沖頻率成正比。在負(fù)載能力的范圍內(nèi)，這些關(guān)系不因電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化，誤差不長(zhǎng)期積累，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以在較寬的范圍內(nèi)，通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)制動(dòng)。作為一種開(kāi)環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，在小型機(jī)器人中得到較廣泛的應(yīng)用。但由于其存在過(guò)載能力差、調(diào)速范圍相對(duì)較小、低速運(yùn)動(dòng)有脈動(dòng)、不平衡等缺點(diǎn)，一般只應(yīng)用于小型或簡(jiǎn)易型機(jī)器人中。