第3章执行元件的分类及控制用电机的驱动优秀PPT.ppt

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1、3.1 执行元件执行元件3.2 机电一体化系统（产品）常用的限制用电机机电一体化系统（产品）常用的限制用电机3.3 步进电动机及其驱动步进电动机及其驱动3.4 直流（直流（DC）伺服电动机及其驱动）伺服电动机及其驱动3.5 沟通（沟通（AC）伺服电动机及其驱动）伺服电动机及其驱动书目书目3.1 执行元件执行元件一、执行元件的种类及其特点一、执行元件的种类及其特点执执行行元元件件电磁式电磁式液压式液压式气动式气动式其它其它电动机电动机电磁阀及其它电磁阀及其它油缸油缸液压马达液压马达气缸气缸气压马达气压马达交流（交流（AC）伺服电动机）伺服电动机直流（直流（DC）伺服电动机）伺服电动机步进电机步进

2、电机其它电动机其它电动机双金属片双金属片形状记忆合金形状记忆合金压电元件压电元件与材料有关与材料有关执行元件的优缺点执行元件的优缺点二、机电一体化系统对执行元件的基本要求二、机电一体化系统对执行元件的基本要求2、体积小，重量轻、体积小，重量轻4、易于微机限制、易于微机限制3、便于修理、安装、便于修理、安装1、惯量小、动力大、惯量小、动力大 机电一体化系统所用的执行元件主机电一体化系统所用的执行元件主要是要是电气式电气式，其次是液压式和气压式。，其次是液压式和气压式。3.2 机电一体化系统常用的限制用电机机电一体化系统常用的限制用电机机电一体化系统中的限制用电机：机电一体化系统中的限制用电机：是

3、指能供应正确运动或较困难是指能供应正确运动或较困难动作的伺服电动机。动作的伺服电动机。各种类型限制用电机各种类型限制用电机伺服电机在数控机床上的应用伺服电机在数控机床上的应用主轴电机主轴电机带制动器伺服电机带制动器伺服电机伺服电机伺服电机刀库刀具定位电机刀库刀具定位电机机械手旋转定位电机机械手旋转定位电机伺服电动机限制方式有：伺服电动机限制方式有：l开环限制方式开环限制方式l闭环限制方式闭环限制方式l半闭环限制方式半闭环限制方式开环限制开环限制指指令令输输入入运运算算处处理理电电路路驱驱动动电电路路步进步进电动机电动机滚珠丝杠滚珠丝杠执行机构执行机构半闭环限制半闭环限制指指令令输输入入滚珠丝杠

4、滚珠丝杠执行机构执行机构运运算算处处理理电电路路驱驱动动电电路路伺服伺服电动机电动机速度传感器速度传感器位置检测传感器位置检测传感器（速度反馈）（速度反馈）（位置反馈）（位置反馈）闭环限制闭环限制指指令令输输入入运运算算处处理理电电路路驱驱动动电电路路伺服伺服电动机电动机速度传感器速度传感器（速度反馈）（速度反馈）（位置反馈）（位置反馈）光栅光栅一、机电一体化系统对限制用电机的基本要求一、机电一体化系统对限制用电机的基本要求即功率密度和比功率大即功率密度和比功率大1、性能密度大、性能密度大在额定输出功率相同的条件下：在额定输出功率相同的条件下：比功率比功率高高低低交流伺服电动机交流伺服电动机直

5、流伺服电动机直流伺服电动机步进电动机步进电动机 对于起停频率低，但要求低速对于起停频率低，但要求低速平稳的产品，其平稳的产品，其功率密度功率密度是主要的是主要的性能指标；反之，其主要性能指标性能指标；反之，其主要性能指标是是高比功率高比功率。2、快速性好、快速性好3、位置限制精度高、调速范围宽、位置限制精度高、调速范围宽、低速运行平稳无爬行现象、辨低速运行平稳无爬行现象、辨别率高、振动噪声小；别率高、振动噪声小；4、适应启、停常见的工作要求；、适应启、停常见的工作要求；5、牢靠性高、寿命长、牢靠性高、寿命长二、限制用电机的种类二、限制用电机的种类力矩电动机力矩电动机脉冲电动机脉冲电动机变频调速

6、电动机变频调速电动机开关磁阻电动机开关磁阻电动机各种各种AC/DC伺服电动机伺服电动机开环控制开环控制闭环控制闭环控制速度控制速度控制限制用电机按工作原理可分为限制用电机按工作原理可分为旋转磁场型旋转磁场型旋转电枢型旋转电枢型同步电机同步电机步进电机步进电机直流伺服电机直流伺服电机感应电机感应电机交流伺服交流伺服电动机电动机3.3 步进电机及其驱动步进电机及其驱动 步进电机是将步进电机是将电脉冲信号电脉冲信号转换成转换成机械角位移机械角位移 的执行元件。的执行元件。一、步进电机的特点与种类一、步进电机的特点与种类1、特点、特点 1）步进电机的工作状态不易受各种干）步进电机的工作状态不易受各种干

7、扰因素的影响；扰因素的影响；2）步进电机的步距角有误差，但不会）步进电机的步距角有误差，但不会长期累积；长期累积；3）限制系统简洁）限制系统简洁2 2、步进电机的种类、步进电机的种类（1）按运动方式分）按运动方式分 旋转式步进电机旋转式步进电机 直线式步进电机直线式步进电机（2）按励磁相数分）按励磁相数分l 三相步进电机三相步进电机l 四相步进电机四相步进电机l 五相步进电机五相步进电机l 六相步进电机六相步进电机（3）按转子的结构分）按转子的结构分l 可变磁阻（可变磁阻（VR）型）型l 永磁（永磁（PM）型）型l 混合（混合（HB）型）型可变磁阻型（可变磁阻型（VR）又称为反应式步进电动机；

8、又称为反应式步进电动机；三相反应式步进电动机断面图三相反应式步进电动机断面图特点：特点：l步矩角小步矩角小l响应速度快响应速度快l结构简洁结构简洁l效率低效率低l噪声大噪声大永磁（永磁（PM）型）型转子接受永久磁铁转子接受永久磁铁定子定子转子转子绕组绕组特点：特点：l无励磁时具有保持力，可作定位驱无励磁时具有保持力，可作定位驱动；动；l励磁功率小、效率高、造价便宜；励磁功率小、效率高、造价便宜；l步距角较大；步距角较大；混合（混合（HB）型）型特点：特点：l步距角小步距角小l响应频率高响应频率高l励磁功率小励磁功率小l效率高效率高二二、步进电机工作原理步进电机工作原理 下面以反应式步进电机为例

9、说明步下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。进电机的结构和工作原理。ABCIAIBIC定子定子转子转子 由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转矩，使转子转动。转矩，使转子转动。转矩，使转子转动。转矩，使转子转动。现以现以AB C A的通电依次，使三相绕组的通电依次，使三相绕组轮番通入直流电流

10、，视察转子的运动状况。轮番通入直流电流，视察转子的运动状况。ABCIAIBIC定子定子转子转子1 1、三相单三拍、三相单三拍 “三相三相”指三相步进电机；指三相步进电机；“单单”指每次只能一相绕组通电；指每次只能一相绕组通电；“三拍三拍”指通电三次完成一个通电循环。指通电三次完成一个通电循环。A相绕组通电，相绕组通电，B、C相相不通电。气隙产生以不通电。气隙产生以A-A为为轴线的磁场，而磁力线总是轴线的磁场，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，力图从磁阻最小的路径通过，故电动机转子受到一个反应故电动机转子受到一个反应转矩，在此转矩的作用下，转矩，在此转矩的作用下，转子必定转到左图所示位置：转

11、子必定转到左图所示位置：1、3齿与齿与A、A极对齐。极对齐。CABBCA3412 同理，同理，B相通电时，转子会转过相通电时，转子会转过30 角，角，2、4齿和齿和B、B 磁极轴线对齐；当磁极轴线对齐；当C相通电时，转相通电时，转子再转过子再转过30 角，角，1、3齿和齿和C、C磁极轴线对磁极轴线对齐。齐。CABBCA34121C342CABBA 按按A B C A 的依次给三的依次给三相绕组轮番通电，转子便一步一步转动相绕组轮番通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过起来。每一拍转过30(步距角步距角)，每个通，每个通电循环周期电循环周期(3拍拍)磁场在空间旋转了磁场在空间旋转了360而转子

12、转过而转子转过90(一个齿距角一个齿距角)。2、三相六拍、三相六拍 按按A AB B BC C CA的依次给三相绕组轮番通电。这的依次给三相绕组轮番通电。这种方式可以获得更精确的限制特种方式可以获得更精确的限制特性。性。A A相通电：相通电：相通电：相通电：转子转子转子转子1 1、3 3齿与齿与齿与齿与A A、A A 对齐。对齐。对齐。对齐。A、B相同时通电：相同时通电：A、A 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，齿，转子转过转子转过15，到达左到达左图所示位置。图所示位置。CABBCA3412CABBCA3412B B 相通电：相通电：相通电：相通电：转子转子转子

13、转子2 2、4 4齿与齿与齿与齿与B B、B B 对齐对齐对齐对齐,又转过又转过又转过又转过1515 。B、C相同时通电：相同时通电：C、C 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉磁极拉住住2、4齿，转子再齿，转子再转过转过15。CABBCA34123412CABBCA 三相反应式步进电动机的一个三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：通电循环周期如下：AAB B BC C CA，每个循环周期分，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过为六拍。每拍转子转过15（步距角）（步距角），一个通电循环周期一个通电循环周期(6拍拍)转子转过转子转过90 (齿距角齿距角)。3、三相双三拍三相双三拍 按

14、按AB BC CA的依次给三的依次给三相绕组轮番通电。每拍有两相绕相绕组轮番通电。每拍有两相绕组同时通电。组同时通电。与单三拍方式相像，双三拍驱动时每个通与单三拍方式相像，双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍。每拍转子转过电循环周期也分为三拍。每拍转子转过30(步距角步距角)，一个通电循环周期，一个通电循环周期(3拍拍)转子转过转子转过90(齿距角齿距角)。AB通电通电CABBCA3412BC通电通电3412CABBCACA通电通电CABBCA3412 实际接受的步进电机的步距角多为实际接受的步进电机的步距角多为实际接受的步进电机的步距角多为实际接受的步进电机的步距角多为3 3度和度和度和度

15、和1.51.5度，步距角越小，机加工的精度越高。度，步距角越小，机加工的精度越高。度，步距角越小，机加工的精度越高。度，步距角越小，机加工的精度越高。为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子图中转子40个齿，定子仍是个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁个磁极，但每个磁极上也有五个齿。极上也有五个齿。步距角计算公式：步距角计算公式：通电拍数相同时通电拍数相同时k=1；不同时；不同时k=2磁极数越多，转子齿数越多，步距角就越小。磁极数越多，转子齿数越多，步距角就越小。五相轴向分相反应式步进电机。五相轴向分相反应式步进电机。五相轴向分相反应式步进电机。五相轴

16、向分相反应式步进电机。电机的转速取决于绕组与电源接通或电机的转速取决于绕组与电源接通或断开的变更频率；断开的变更频率；慢慢快快电机的转动方向取决于绕组通电的依次；电机的转动方向取决于绕组通电的依次；A-C-B-AA-B-C-A电机转过的角度取决于通电的次数。电机转过的角度取决于通电的次数。三、步进电机的运行特性及性能指标三、步进电机的运行特性及性能指标 步距角步距角 越小，辨别率越高越小，辨别率越高,系统的定位精度越高；系统的定位精度越高；1、辨别率、辨别率0.750/1.50、0.90/1.80、1/20、0.60/1.20、1.50/30等等常用的步矩角有：常用的步矩角有：2、静态特性、静

17、态特性 稳定状态时的特性稳定状态时的特性1）矩角特性）矩角特性2）静转矩）静转矩3）静态稳定区）静态稳定区单相通电时的矩角特性单相通电时的矩角特性力矩力矩T定子定子转子转子失调角失调角 e转子转子 单相通电时的电磁转矩与失调角之单相通电时的电磁转矩与失调角之间的关系称为单相通电时的矩角特性。间的关系称为单相通电时的矩角特性。单相通电时的矩角特性单相通电时的矩角特性静态稳定区静态稳定区T eTjmax-/2/2 0最大静态转矩最大静态转矩静态转矩越大，静态误差就越小静态转矩越大，静态误差就越小提高最大静态转矩可接受多相通电方法提高最大静态转矩可接受多相通电方法步进电机多相通电时的转矩步进电机多相

18、通电时的转矩11.73221.732111.6181.618111.4141116543电机电机相数相数54321432132121同时通电同时通电相数相数3、动态特性、动态特性系统的动态特性包括：系统的动态特性包括：动态稳定区动态稳定区 起动转矩起动转矩 矩矩-频特性频特性 最高连续运行频率最高连续运行频率 空载起动频率空载起动频率 惯惯-频特性等频特性等1）动态稳定区）动态稳定区A B C e 步进电动机从步进电动机从A相通电状态切相通电状态切换到换到B相通电状态时，不致引起丢相通电状态时，不致引起丢步的区域称为动态稳定区。步的区域称为动态稳定区。步进电动机在步进电动机在通电相数越多通电相

19、数越多的运行方式下，其动态稳定区越接近的运行方式下，其动态稳定区越接近静态稳定区；裕量角静态稳定区；裕量角 r也越大，在运也越大，在运行中越不易丢步。行中越不易丢步。2）启动转矩）启动转矩TqA B CTq eT A相与相与B矩角特性曲线之交点所对矩角特性曲线之交点所对应的转矩应的转矩Tq称为起动转矩；称为起动转矩；当负载转矩当负载转矩TL负载力矩负载力矩TL,电机可正常起步。电机可正常起步。A B C eTTL 电机产生的电磁转矩电机产生的电磁转矩TTq时：时：A B C eT Tq表明步进电机单相励磁所表明步进电机单相励磁所能带动的能带动的极限负载转矩极限负载转矩 当电机所带负载当电机所带

20、负载T TL LTTq q时，电时，电机可机可不失步的启动不失步的启动。3）矩）矩-频特性频特性 转矩与限制频率之间的变更转矩与限制频率之间的变更关系称为矩关系称为矩-频特性。频特性。Td(N.m)f(Hz)电动机在连续运行状态下：电动机在连续运行状态下：4）最高连续运行频率）最高连续运行频率 步进电机在连续运行时所能接步进电机在连续运行时所能接受的最高限制频率称为最高运行频受的最高限制频率称为最高运行频率，以率，以fmax表示；表示；Td(N.m)f(Hz)fmaxTL5）空载启动频率）空载启动频率 在空载状态下，转子从静在空载状态下，转子从静止状态能够不失步地启动时的止状态能够不失步地启动

21、时的最大限制频率称为空载启动频最大限制频率称为空载启动频率或突跳频率（率或突跳频率（fq）。）。A eTBC当启动频率较低时：当启动频率较低时：电机可不失步的运行电机可不失步的运行1234A eTBC启动频率太高启动频率太高 4点落在点落在C相稳定区外，电机将不相稳定区外，电机将不能正常启动。能正常启动。12346）惯）惯-频特性频特性 步进电机带动惯性负载时的步进电机带动惯性负载时的起跳频率与负载转动惯量之间的起跳频率与负载转动惯量之间的关系为惯关系为惯-频特性。频特性。一般讲，随着负载转动惯量的一般讲，随着负载转动惯量的增加，起跳频率也会降低。增加，起跳频率也会降低。4、步进电动机技术指标

22、实例、步进电动机技术指标实例 定子绕组相数定子绕组相数BF ：反应式：反应式BGY：混合式：混合式BY ：永磁式：永磁式电动机外径（电动机外径（mm）反应式步进电机技术性能数据反应式步进电机技术性能数据13001100015.640.755150BF00315004.90.753110BF004150070007.840.753110BF003空载启动空载启动频率频率(步步/s）空载运行空载运行频率频率(步步/s）最大静态最大静态转矩转矩(Nm)步距角步距角(0)相数相数 参数参数型号型号四、步进电机的驱动与限制四、步进电机的驱动与限制变变频频信信号号源源脉脉冲冲分分配配器器功功率率放放大大器

23、器电电机机脉冲信号脉冲信号方向方向分配器电源分配器电源放大器电源放大器电源1、组成、组成2、变频信号源、变频信号源 将计算机发出的从几赫兹到将计算机发出的从几赫兹到几万赫兹的频率信号转变为连续几万赫兹的频率信号转变为连续可调的脉冲信号。可调的脉冲信号。3、环形脉冲安排器、环形脉冲安排器作用：作用：使电机绕组的通电依次按确定使电机绕组的通电依次按确定规律变更规律变更实现的方法有：实现的方法有：1）接受计算机软件利用查表）接受计算机软件利用查表程序来实现程序来实现2）接受小规模集成电路搭接）接受小规模集成电路搭接而成的脉冲安排器而成的脉冲安排器3）接受专用环形安排器器件）接受专用环形安排器器件软件

24、环分软件环分硬件环分硬件环分接受计算机软件利用查表程序来实现接受计算机软件利用查表程序来实现01H1006A05H1015CA04H0014C06H0113BC02H0102B03H1101AB反反01H1000A正正转向转向代码代码ABC脉冲脉冲通电状态通电状态转向转向通过读取数据的依次可限制电动机的转向；通过读取数据的依次可限制电动机的转向；通过限制脉冲的频率可限制电动机的转速。通过限制脉冲的频率可限制电动机的转速。软件环分驱动限制软件环分驱动限制软件环分驱动限制软件环分驱动限制 对对于于三三相相六六拍拍环环形形安安排排器器，每每当当接接收收到到一一个个进进给给脉脉冲冲指指令令，环环形形安

25、安排排器器软软件件依依据据下下表表所所示示真真值值表表，按按依依次次及及方方向向限限制制输输出出接接口口将将A、B、C的的值值输出即可。输出即可。CNC装置装置电源电源A相驱动相驱动B相驱动相驱动C相驱动相驱动CBAM优点：优点：充分利用计算机软件资源，降充分利用计算机软件资源，降低硬件成本；对多相电机的脉冲安低硬件成本；对多相电机的脉冲安排具有更大的优点；排具有更大的优点；缺点：缺点：易影响电机的运行速度易影响电机的运行速度接受小规模集成电路搭接而成的脉冲安排器接受小规模集成电路搭接而成的脉冲安排器优点：优点：敏捷性大，可搭接随意相敏捷性大，可搭接随意相随意通电依次的环形安排器，且随意通电依

26、次的环形安排器，且工作时不占用计算机的工作时间工作时不占用计算机的工作时间.缺点：缺点：牢靠性差牢靠性差接受专用环形安排器器件接受专用环形安排器器件特点：特点：运用便利，接口简洁运用便利，接口简洁三相硬件环形安排器的驱动限制三相硬件环形安排器的驱动限制三相硬件环形安排器的驱动限制三相硬件环形安排器的驱动限制CNC装置装置电源电源环形环形分配器分配器A相驱动相驱动B相驱动相驱动C相驱动相驱动FULL/HALF方向信号方向信号时钟信号时钟信号M2、功率放大器、功率放大器作用：作用：将从环行安排器输出的毫将从环行安排器输出的毫安级的电流放大到可以驱动步安级的电流放大到可以驱动步进电动机运转的电流。进

27、电动机运转的电流。步进电动机运用的功率放大电路包括：步进电动机运用的功率放大电路包括：恒流驱动恒流驱动斩波驱动斩波驱动单电压型单电压型双电压型双电压型单电压型单电压型 前置放大前置放大En特点：特点：结构简洁结构简洁;输出脉冲波形差，输出功率低；输出脉冲波形差，输出功率低；主要用于对速度要求不高的小型步主要用于对速度要求不高的小型步进电机。进电机。凹凸压功率放大电路凹凸压功率放大电路单稳单稳 延时延时前置放大前置放大前置放大前置放大波形图波形图高高压压建建流流，低低压压稳稳流流特点：特点：高速运行性能好，但低高速运行性能好，但低速运行时振动较大速运行时振动较大;恒流源功率放大器恒流源功率放大器

28、特点：特点：适用于较高频率的驱动上，适用于较高频率的驱动上，功耗小，效率高，但发热大。功耗小，效率高，但发热大。斩波恒流功率放大电路斩波恒流功率放大电路特点：特点：电机的输出加大，运行频电机的输出加大，运行频率得到提高。率得到提高。5）调频调压功放电路）调频调压功放电路U1U2U1U2f1f2TLTd(N.m)f(Hz)步进电机的矩频特性曲线步进电机的矩频特性曲线特点：特点：低频时低压供电，高频时高压供电；低频时低压供电，高频时高压供电；要求给绕组供电的电源有较高的电要求给绕组供电的电源有较高的电压。压。5、细分驱动、细分驱动l步矩角越小，系统的精度越高步矩角越小，系统的精度越高l步矩角由电机

29、的结构所确定步矩角由电机的结构所确定细分细分 将一个步距角细分成若干将一个步距角细分成若干步的驱动方式称为细分驱动。步的驱动方式称为细分驱动。接受的方法：接受的方法：将绕组中的矩形电流波改将绕组中的矩形电流波改成阶梯电流波。成阶梯电流波。细分前后的一步角位移波形图细分前后的一步角位移波形图tIm特点：特点：l在不变更电动机结构参数的状况下，在不变更电动机结构参数的状况下，能使步距角削减；能使步距角削减；l细分后的步距角精度不高，功率驱细分后的步距角精度不高，功率驱动电路也相应困难；动电路也相应困难；细分的方法有：细分的方法有：l接受多路功率开关器件；接受多路功率开关器件；l将开关的限制脉冲信号

30、进行叠加将开关的限制脉冲信号进行叠加l限制方式（脉冲安排的方式）限制方式（脉冲安排的方式）l速度的限制速度的限制6、步进电机的微机限制、步进电机的微机限制运行速度控制运行速度控制加减速控制加减速控制（1）限制方式）限制方式串行限制串行限制并行限制并行限制串行限制串行限制8031P1.0P1.1P1.2CP脉冲脉冲方向信号方向信号方式信号方式信号 环环形形分分配配器器功功率率放放大大电电路路步步进进电电机机特点：特点：1 1）单片机系统与步进电机驱动）单片机系统与步进电机驱动电源之间具有较少的连线电源之间具有较少的连线2 2）驱动电源中必需含有环行安）驱动电源中必需含有环行安排器排器并行限制：并

31、行限制：用微机系统的数个端口干脆限用微机系统的数个端口干脆限制步进电动机各相驱动电路的方法制步进电动机各相驱动电路的方法称为并行限制；称为并行限制；8031P1.0P1.1P1.2P1.3驱动器驱动器ABCD特点：特点：1）结构简洁，速度较慢；）结构简洁，速度较慢；2）环形安排功能由软件完成，）环形安排功能由软件完成，且其并行限制功能必需由微机且其并行限制功能必需由微机系统完成。系统完成。系统实现脉冲安排功能的方法有两种：系统实现脉冲安排功能的方法有两种：1）纯软件方法）纯软件方法 即完全用软件来实现相序即完全用软件来实现相序的安排，干脆输出各相导通或的安排，干脆输出各相导通或截止的信号。截止

32、的信号。2）软、硬件结合的方法）软、硬件结合的方法 通过特地设计的一种编程器接通过特地设计的一种编程器接口，计算机向接口输入简洁形式的口，计算机向接口输入简洁形式的代码数据，而接口输出的是步进电代码数据，而接口输出的是步进电动机各相导通或截止的信号。动机各相导通或截止的信号。（2）步进电机速度限制）步进电机速度限制 限制步进电机的运行速度，事限制步进电机的运行速度，事实上就是限制系统发出时钟脉冲的实上就是限制系统发出时钟脉冲的频率或换相的周期。频率或换相的周期。进给脉冲频率进给脉冲频率f定子绕组通定子绕组通电电/断电状态变更频率断电状态变更频率f 步进电步进电机转速机转速 工作台的进给速度工作

33、台的进给速度V。V=60f系统确定时钟脉冲的周期的方法：系统确定时钟脉冲的周期的方法：软件延时法占用软件延时法占用CPU时间时间定时器法是通过设置定时时定时器法是通过设置定时时间常数的方法来实现。间常数的方法来实现。软件延时法和定时器法软件延时法和定时器法点点-位限制的加减速过程位限制的加减速过程恒速恒速f起点起点时间时间终点终点时间时间t升速升速减速减速低速低速 要求升速、减速过程最短要求升速、减速过程最短,恒速恒速时间尽量长，且恒速度最大时间尽量长，且恒速度最大升速时使脉冲串渐渐加密；升速时使脉冲串渐渐加密；减速时使脉冲串渐渐稀疏。减速时使脉冲串渐渐稀疏。方法：方法：微机用定时器中断方式来

34、微机用定时器中断方式来限制电机变速时，事实上就是限制电机变速时，事实上就是不断变更定时器装载值的大小。不断变更定时器装载值的大小。7、步进电机的选用步骤、步进电机的选用步骤 步进电机有步距角（涉及到相数）、步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。来了。（1）确定电机类型。）确定电机类型。（2）依据系统精度的要求粗选步距角）依据系统精度的要求粗选步距角。13001100015.640.755150BF00315004.90.753110BF004150070007

35、.840.753110BF003空载启动空载启动频率频率(步步/s）空载运行空载运行频率频率(步步/s）最大静态最大静态转矩转矩(Nm)步距角步距角(0)相数相数 参数参数型号型号反应式步进电机技术性能数据反应式步进电机技术性能数据（3）减速比的确定。）减速比的确定。步距角步距角()L丝杠导程丝杠导程(mm)脉冲当量脉冲当量(mm/脉冲脉冲)（4）计算出整个系统加载到电机轴的力矩）计算出整个系统加载到电机轴的力矩Tq1）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量轴上的惯量Jt。2）计算电机负载转矩）计算电机负载转矩 电动机的负载转矩在各种工作状况下电动机的

36、负载转矩在各种工作状况下是不同的，如快速空载起动时所需转矩、是不同的，如快速空载起动时所需转矩、快速进给时所需的转矩、最大切削负载时快速进给时所需的转矩、最大切削负载时所需力矩等。所需力矩等。对于数控机床常用快速空载起动力对于数控机床常用快速空载起动力矩作为选择步进电动机的依据。矩作为选择步进电动机的依据。留意：留意：启动转矩是步进电机能启动转矩是步进电机能带动负载的极限转矩。带动负载的极限转矩。（5）依据电机的通电状况计算出）依据电机的通电状况计算出电机的最大静态转矩电机的最大静态转矩Tjmax；反应式步进电动机反应式步进电动机Tq/Tjmax系数系数0.9510.7070.86610860

37、.8090.7070.5543通电方式通电方式543电机相数电机相数（6）依据）依据 和和Tjmax和选定电机型号；和选定电机型号；13001100015.640.755150BF00315004.90.753110BF004150070007.840.753110BF003空载启动空载启动频率频率(步步/s）空载运行空载运行频率频率(步步/s）最大静态最大静态转矩转矩(Nm)步距角步距角(0)相数相数 参数参数型号型号反应式步进电机技术性能数据反应式步进电机技术性能数据（7）检验）检验1）响应特性的检验）响应特性的检验等效负载转矩等效负载转矩步进电机的最大静态转矩步进电机的最大静态转矩步进电

38、机的转动惯量步进电机的转动惯量等效转动惯量等效转动惯量2）依据电机的矩频特性曲线验）依据电机的矩频特性曲线验算电机在最大工作频率下的转算电机在最大工作频率下的转动力矩是否能带动负载运行。动力矩是否能带动负载运行。步进电动机矩频特性曲线步进电动机矩频特性曲线T最大静止转矩最大静止转矩输出转矩（失步转矩）输出转矩（失步转矩）脉冲频率脉冲频率fTdmf 若步进电动机以频率若步进电动机以频率f 运行，它运行，它所拖动的负载转矩必需小于所拖动的负载转矩必需小于Tdm，否，否则会导致失步。则会导致失步。假设要求进给驱动装置有假设要求进给驱动装置有如下性能：在切削进给时的转如下性能：在切削进给时的转矩为矩为

39、Tc，最大切削进给速度为，最大切削进给速度为vc，在快速进给时的转矩为，在快速进给时的转矩为Tm，最大快速进给速度为，最大快速进给速度为vm，将进给速度转换为电动机的工作频率将进给速度转换为电动机的工作频率式中：式中：v-进给速度（进给速度（m/min)-脉冲当量（脉冲当量（mm)f-步进电动机工作频率步进电动机工作频率 依据依据vc和和vm求出切削进给求出切削进给时的最大工作频率时的最大工作频率fc和快速进给和快速进给时的最大工作频率时的最大工作频率fm;依据fc和fm在矩频特性曲线上找到与其对应的失步转矩Tdmc和Tdmm；T最大静止转矩最大静止转矩输出转矩（失步转矩）输出转矩（失步转矩）

40、脉冲频率脉冲频率fTdmf 若有若有Tc Tdmc和和Tm Tdmm,就表示电动机是能满足就表示电动机是能满足要求的，否则就是不能满足要求要求的，否则就是不能满足要求的。的。（8）最终依据系统的安装条件）最终依据系统的安装条件最终确定电机型号。最终确定电机型号。3.4 直流（直流（DC）伺服电机及其驱动）伺服电机及其驱动 伺服电动机的作用是驱动限制对象。伺服电动机的作用是驱动限制对象。被控对象的转距和转速受信号电压限制，被控对象的转距和转速受信号电压限制，信号电压的大小和极性变更时，电动机信号电压的大小和极性变更时，电动机的转动速度和方向也跟着变更。的转动速度和方向也跟着变更。一、直流伺服电动

41、机的特性及选用一、直流伺服电动机的特性及选用1、特性、特性 直流伺服电动机具有较高的响直流伺服电动机具有较高的响应速度、精度和频率，优良的限制应速度、精度和频率，优良的限制特性，但寿命较低，需定期修理。特性，但寿命较低，需定期修理。2、直流伺服电机的类型、直流伺服电机的类型（1）小惯量直流伺服电机）小惯量直流伺服电机（2）大惯量直流伺服电机）大惯量直流伺服电机小惯量直流伺服电机小惯量直流伺服电机特点：特点：转动惯量小，反应灵敏，动态特性好转动惯量小，反应灵敏，动态特性好 适用于高速且负载惯量小的场合适用于高速且负载惯量小的场合宽调速直流伺服直流电机宽调速直流伺服直流电机结构特点：转子扁而粗，其

42、长径比仅为结构特点：转子扁而粗，其长径比仅为0.2侧磁极侧磁极主磁极主磁极软钢极靴软钢极靴特点：特点：调速范围宽，低速运行平稳调速范围宽，低速运行平稳;负载特性硬，过载实力强负载特性硬，过载实力强;反应速度快，动态特性好；反应速度快，动态特性好；体积大，寿命有确定限制。体积大，寿命有确定限制。3、直流（沟通）伺服电动机的选用、直流（沟通）伺服电动机的选用直流伺服电动机工作曲线直流伺服电动机工作曲线直流伺服电动机工作曲线直流伺服电动机工作曲线最大转矩限制最大转矩限制电电机机最最高高转转速速限限制制电电动动机机温温度度限限制制速度（速度（r/min)转矩转矩(N.m)debac加加/减速区减速区断

43、断续续工工作作区区连续连续工作区工作区b和和e为转矩与转速乘积等于某确定值时得到的。为转矩与转速乘积等于某确定值时得到的。宽调速直流伺服电机应依据负载条件来选择宽调速直流伺服电机应依据负载条件来选择1）在整个调速范围内，其负载转矩应在）在整个调速范围内，其负载转矩应在电机连续额定转矩范围内；电机连续额定转矩范围内；2）工作负载与过载时间应在规定的范围内；）工作负载与过载时间应在规定的范围内；3）应使加速度与希望的时间常数一样）应使加速度与希望的时间常数一样4）负载惯量必需不大与电动机转子惯量）负载惯量必需不大与电动机转子惯量的三倍的三倍二、直流伺服电机的驱动二、直流伺服电机的驱动1、限制原理、

44、限制原理RaLaUaULRLLLIL直流伺服电动机结构原理图直流伺服电动机结构原理图电枢电枢激磁激磁Ia电动机的转速为：电动机的转速为：直流伺服电机的机械特性曲线直流伺服电机的机械特性曲线直流伺服电机的机械特性曲线直流伺服电机的机械特性曲线Ua0.8Ua0.6Ua0.4UanTO由机械特性可知：由机械特性可知：(1)确定负载转矩下，当磁通确定负载转矩下，当磁通 不变时，不变时，Ua n。(2)Ua=0时，电机马上停转。时，电机马上停转。(3)变更电枢电压的极性，电动机反转。变更电枢电压的极性，电动机反转。调速方法：调速方法：l 变更电枢电压变更电枢电压l 变更励磁电流变更励磁电流励磁电流调速方

45、法：励磁电流调速方法：l电流太小，输出转矩小，无法电流太小，输出转矩小，无法带动负载；带动负载；l电流太大，导致磁通量过饱和，电流太大，导致磁通量过饱和，电机发热，输出功率下降电机发热，输出功率下降l这种调速方法调速范围窄，调这种调速方法调速范围窄，调速特性软。速特性软。电枢电压调速法电枢电压调速法 具有恒转矩的调速特性，机具有恒转矩的调速特性，机械特性好，调速范围宽，因此这械特性好，调速范围宽，因此这种调速方法得到广泛的应用。种调速方法得到广泛的应用。2、常用的电枢电压调速方法、常用的电枢电压调速方法 晶体管脉宽调理驱动晶体管脉宽调理驱动 晶闸管直流调速驱动限制晶闸管直流调速驱动限制（1）晶

46、闸管直流调速驱动限制）晶闸管直流调速驱动限制三相桥式反并联整流电路三相桥式反并联整流电路 调整晶闸管的触发延迟角来移动触发脉冲的调整晶闸管的触发延迟角来移动触发脉冲的相位，从而变更整流电压的大小。相位，从而变更整流电压的大小。缺点缺点v调速范围小，只有调速范围小，只有1:81:10v低速时机械特性软。低速时机械特性软。（2）脉宽调制（）脉宽调制（PWM）直流调速驱动系统）直流调速驱动系统1）工作原理）工作原理MUUaVDSIa-+UaU 1TtUa1脉冲宽度越大，电枢电压越大脉冲宽度越大，电枢电压越大tUaT 2Ua2一个周期内电压的平均值为：一个周期内电压的平均值为：式中：式中：-导通率，又

47、称占空系数导通率，又称占空系数当当T不变时：不变时：2）PWM主回路主回路3）PWM调速的特点调速的特点 开关频率高（通常达到开关频率高（通常达到23KHz）调速范围宽；调速范围宽；电枢电流脉动小；电枢电流脉动小；电流波形系数只有电流波形系数只有1.0011.03，输出电输出电流接近纯直流流接近纯直流;动态特性好。动态特性好。缺点：缺点：v不能承受高的峰值电流；不能承受高的峰值电流；v大功率晶体管性能不够稳定，且大功率晶体管性能不够稳定，且价钱较贵。价钱较贵。两种限制方式的比较两种限制方式的比较三、应用三、应用 直流伺服电机的特性较沟通伺直流伺服电机的特性较沟通伺服电机硬。通常应用于功率稍大的

48、服电机硬。通常应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置限制系统中，如随动系统中的位置限制等。等。直流伺服电机输出功率一般为直流伺服电机输出功率一般为1-600W。3.5 沟通（沟通（AC）伺服电机及其驱动）伺服电机及其驱动一、沟通伺服电动机的种类和结构特点一、沟通伺服电动机的种类和结构特点1、分类、分类1）同步型（）同步型（SM）（无刷直流伺服电动机）（无刷直流伺服电动机）2）感应型（）感应型（IM）（笼型感应电动机）（笼型感应电动机）空心杯形转子伺服电动机结构空心杯形转子伺服电动机结构 特点：特点：二、沟通伺服电动机的限制方法二、沟通伺服电动机的限制方法 沟通伺服电动机就是一台两相沟通异步

49、电沟通伺服电动机就是一台两相沟通异步电机。它的定子上装有空间互差机。它的定子上装有空间互差9090的两个绕组：的两个绕组：励磁绕组和限制绕组，其结构如图所示。励磁绕组和限制绕组，其结构如图所示。励磁绕组励磁绕组控制绕组控制绕组杯形转子杯形转子内定子内定子交流伺服电动机结构图交流伺服电动机结构图交流伺服电动机结构图交流伺服电动机结构图励磁绕组串联电容励磁绕组串联电容励磁绕组串联电容励磁绕组串联电容C C,是为了产生两相旋转磁场。是为了产生两相旋转磁场。是为了产生两相旋转磁场。是为了产生两相旋转磁场。适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近相位

50、差接近90,从而产生所需的旋转磁场。从而产生所需的旋转磁场。放放大大器器检检测测元元件件控制信号控制信号控制信号控制信号+控制绕组控制绕组励磁绕组励磁绕组+1 1 1(b)(b)相量图相量图相量图相量图(a(a）接线图）接线图）接线图）接线图交流伺服电动机的接线图和相量交流伺服电动机的接线图和相量交流伺服电动机的接线图和相量交流伺服电动机的接线图和相量 励磁绕组固定接在电源上，当限制电励磁绕组固定接在电源上，当限制电压为零时，电机无起动转矩，转子不转。压为零时，电机无起动转矩，转子不转。若有控制电压加在控制绕组上，且励若有控制电压加在控制绕组上，且励磁电流磁电流 和控制绕组电流和控制绕组电流