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1、1 控制用电动机是电气伺服控制系统的动力部件。它是将电能转换为机械能的一种能量转换装置，由于它们的工作可在很宽的速度和负载范围内受到连续而精确的控制，因而在各种机电一体化系统中得到了广泛的应用。第1页/共114页24-1伺服电动机控制方式的基本形式第2页/共114页3图4-2 执行元件的种类第3页/共114页4(1)电磁式执行元件能将电能转化成电磁力，并用电磁力驱动执行机构运动，如交流电机、直流电机、力矩电机、步进电机等。(2)液压式执行元件先将电能变化成液体压力，并用电磁阀控制压力油的流向，从而使液压执行元件驱动执行机构运动。(3)气压式执行元件与液压式执行元件的原理相同，只是介质由液体改为
2、气体。第4页/共114页54.1步进电动机及其控制 一、步进电动机的结构与工作原理步进电动机按其工作原理主要可分为磁电式和反应式两大类，三相反应式步进电动机的工作原理如图4-12所示，其中步进电动机的定子上有6个齿，其上分别缠有U、V、W三相绕组，构成三对磁极；转子上则均匀分布着4个齿。步进电动机采用直流电源供电。当U、V、W三相绕组轮流通电时，通过电磁力的吸引，步进电动机转子一步一步地旋转。第5页/共114页6图4-12 步进电动机运动原理图 第6页/共114页7步进电动机绕组每次通断电使转子转过的角度称之为步距角。上述分析中的步进电动机步距角为30。对于一个真实的步进电动机，为了减少每通电
3、一次的转角，在转子和定子上开有很多定分的小齿。其中定子的三相绕组铁心间有一定角度的齿差，当U相定子小齿与转子小齿对正时，V相和W相定子上的齿则处于错开状态，如图4-13所示。真实步进电动机的工作原理与上同，只是步距角是小齿距夹角的1/3。第7页/共114页8图4-13 三相反应式步进电动机第8页/共114页9二、步进电动机的通电方式如果步进电动机绕组的每一次通断电操作称为一拍，每拍中只有一相绕组通电，其余绕组断电，则这种通电方式称为单相通电方式。三相步进电动机的单相通电方式称为三相单三拍通电方式。如果步进电动机通电循环的每拍中都有两相绕组通电，则这种通电方式称为双相通电方式。三相步进电动机采用
4、双相通电方式时，称为三相双三拍通电方式。如果步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通电状态，则这种通电方式称为单双相轮流通电方式。三相步进电动机采用单双相轮流通电方式时，每个通电循环中共有六拍，因而又称为三相六拍通电方式。第9页/共114页10一般情况下，m相步进电动机可采用单相通电、双相通电或单双相轮流通电方式工作，对应的通电方式分别称为m相单m拍、m相双m拍或m相2m拍通电方式。由于采用单相通电方式工作时，步进电动机的矩频特性（输出转矩与输入脉冲频率的关系）较差，在通电换相过程中，转子状态不稳定，容易失步，因而实际应用中较少采用。图4-14是某三相反应式步进电动机在不同通电方式下工作时
5、的矩频特性曲线。显然，采用单双相轮流通电方式可使步进电动机在各种工作频率下都具有较大的负载能力。第10页/共114页11图4-14 不同通电方式时的矩频特性第11页/共114页12通电方式不仅影响步进电动机的矩频特性，对步距角也有影响。一个m相步进电动机，如其转子上有z个小齿，则其步距角可通过下式计算：(4-12)式中，k是通电方式系数。当采用单相或双相通电方式时，k1；当采用单双相轮流通电方式时，k2。可见，采用单双相轮流通电方式还可使步距角减小一半。步进电机的步距角决定了系统的最小位移，步距角越小，位移的控制精度越高。第12页/共114页13三、步进电动机的使用特性 （1）步距误差。（2）
6、最大静转矩。（3）启动矩频特性。当伺服系统要求步进电动机的运行频率高于最大允许启动率时，可先按较低的频率启动，然后按一定规律逐渐加速到运行频率。图4-15给出了90BF002型步进电动机的启动矩频特性曲线。由图可见，负载转矩越大，所允许的最大启动频率越小。第13页/共114页14图4-15 启动矩频特性第14页/共114页15（4）运行矩频特性。图4-16是90BF002型步进电动机的运行矩频特性曲线。第15页/共114页16图4-16 运行矩频特性第16页/共114页17（5）最大相电压和最大相电流。四、步进电动机的控制与驱动步进电动机的电枢通断电次数和各相通电顺序决定了输出角位移和运动方向
7、，控制脉冲分配频率可实现步进电动机的速度控制。因此，步进电机控制系统一般采用开环控制方式。图4-17为开环步进电动机控制系统框图，系统主要由环形分配器、功率驱动器、步进电动机等组成。第17页/共114页18图 4-17 开环步进电动机控制系统框图第18页/共114页19步进电动机在一个脉冲的作用下，转过一个相应的步距角，因此只要控制一定的脉冲数，即可精确控制步进电动机转过的相应的角度。但步进电动机的各绕组必须按一定的顺序通电才能正确工作，这种使电动机绕组的通断电顺序按输入脉冲的控制而循环变化的过程称为环形脉冲分配。实现环形分配的方法有两种。一种是计算机软件分配，采用查表或计算的方法使计算机的三
8、个输出引脚依次输出满足速度和方向要求的环形分配脉冲信号。这种方法能充分利用计算机软件资源，减少硬件成本，尤其是多相电动机的脉冲分配更能显示出这种分配方法的优点。但由于软件运行会占用计算机的运行时间，因而会使插补运算的总时间增加，从而影响步进电动机的运行速度。第19页/共114页20另一种是硬件环形分配，采用数字电路搭建或专用的环形分配器件将连续的脉冲信号经电路处理后输出环形脉冲。采用数字电路搭建的环形分配器通常由分立元件（如触发器、逻辑门等）构成，特点是体积大，成本高，可靠性差。专用的环形分配器目前市面上有很多种，如CMOS电路CH250即为三相步进电动机的专用环形分配器，它的引脚功能及三相六
9、拍线路图如图4-18所示。第20页/共114页21 图4-18 环形分配器CH250引脚图(a)引脚功能；(b)三相六拍线路图第21页/共114页22 图4-18 环形分配器CH250引脚图(a)引脚功能；(b)三相六拍线路图第22页/共114页232）功率驱动 常见的步进电动机驱动电路有三种：(1）单电源驱动电路。这种电路采用单一电源供电，结构简单，成本低，但电流波形差，效率低，输出力矩小，主要用于对速度要求不高的小型步进电动机的驱动。图4-19所示为步进电动机的一相绕组驱动电路（每相绕组的电路相同）。第23页/共114页24图4-19 单电源驱动电路第24页/共114页25(2）双电源驱动
10、电路。双电源驱动电路又称高、低压驱动电路，采用高压和低压两个电源供电，如图4-20所示。第25页/共114页26图4-20 高、低压驱动电路第26页/共114页27(3）斩波限流驱动电路。这种电路采用单一高压电源供电，以加快电流上升速度，并通过对绕组电流的检测，控制功放管的开和关，使电流在控制脉冲持续期间始终保持在规定值上下，其波形如图4-21所示。这种电路功率大，功耗小，效率高，目前应用最广。图4-22所示为一种斩波限流驱动电路原理图。第27页/共114页28图4-21 斩波限流驱动电路波形图第28页/共114页29图4-22 斩波限流驱动电路 第29页/共114页30五、步进电动机的选用
11、1.转矩和惯量匹配条件 为了使步进电动机具有良好的启动能力及较快的响应速度，通常推荐TL/Tmax0.5及JL/Jm4 2.步距角的选择和精度 步距角的选择是由脉冲当量等因素来决定的。步进电动机的步距角精度将会影响开环系统的精度。第30页/共114页314.2直流伺服电动机一.直流伺服电动机的分类直流伺服电动机按励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(永久磁铁)产生。电磁式直流伺服电动机是一种目前巳普遍使用的伺服电动机，特别是在大功率范围内(100w以上)。永磁式直流伺服电动机由于尺寸小、重量轻、效率高、出力大、结构简单，无需激磁等一系列优点而被越来
12、越重视。第31页/共114页324.2直流伺服电动机二、直流伺服电动机的特点 1、稳定性好；2、可控性好；3、响应迅速；4、控制功率低，损耗小；5、转矩大；第32页/共114页334.2直流伺服电动机三.直流伺服电动机的基本结构及工作原理直流伺服电动机的结构与一般的直流电动机结构相似，也是由定子、转子和电刷等部分组成，直流伺服电动机部件主要由磁极、电枢、电刷及换向片组成,如图4-3所示。第33页/共114页34图4-3 直流伺服电动机基本结构第34页/共114页35第35页/共114页36四.直流伺服系统由于伺服控制系统的速度和位移都有较高的精度要求，因而直流伺服电动机通常以闭环或半闭环控制方
13、式应用于伺服系统中。直流伺服系统的闭环控制是针对伺服系统的最后输出结果进行检测和修正的伺服控制方法，而半闭环控制是针对伺服系统的中间环节（如电动机的输出速度或角位移等）进行监控和调节的控制方法。它们都对系统输出进行实时检测和反馈，并根据偏差对系统实施控制。半闭环和闭环控制的位置伺服系统的结构原理分别如图4-10、图4-11所示。第36页/共114页37图4-10 半闭环伺服系统结构原理图第37页/共114页38图4-11 闭环伺服系统结构原理图第38页/共114页39第39页/共114页40五.直流伺服电动机与驱动 直流伺服电机为直流供电，为调节电机转速和方向，需要对其直流电压的大小和方向进行
14、控制。目前常用晶体管脉宽调速驱动和可控硅直流调速驱动两种方式。可控硅直流(SCR)驱动方式，主要通过调节触发装置控制可控硅的控制角(控制电压之大小)来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的大小使直流电机电枢电压的变化易平滑调速。第40页/共114页41图4-12单相交流可控硅桥式整流电路(a）整流电路；(b）波形图第41页/共114页42第42页/共114页43 而采用脉宽调速驱动系统，其开关频率高(通常达2000一3000Hz)，伺服机构能够响应的频带范围也较宽，与可控硅相比其输出电流脉动非常小，接近于纯直流。脉冲宽度调制（PWM）直流调速驱动系统原理如下图，其中u为导通率，又称占空比或占空
15、系数。第43页/共114页44M只要改变导通时间就可改变电枢两端的平均电压第44页/共114页45六.直流伺服系统的组成相敏放大器位置调节器速度调节器PWM公放器伺服电动机减速器速度检测位置检测Lw直流伺服系统的原理框图直流伺服系统的原理框图+_第45页/共114页46七.直流伺服电动机的功率接口 直流伺服电动机的驱动控制一般采用脉冲调制法（PWM）比较器伺服电动机功率放大器三角波发生器UTnUlUI+UTUSUPPWM功率放大器开关功率放大器电压脉宽变换器图4-13 PWM功率驱动接口组成框图功率驱动接口组成框图第46页/共114页47Ul0tUTtUI+UTtUS(UP)tUl0tUS(U
16、P)tUS(UP)tUI+UTtUI+UTtUl0tUTtUTtTUTPP图图414 PWM脉宽调制波形脉宽调制波形（a）（b）(c)第47页/共114页48（1）在图4-14a中，控制信号UI=0，UT与UI相加后，仍然是一个正负幅度相等的三角波，通过比较器之后，输出正负幅度相同.宽度相同的矩形波US，经功率放大器后其直流分量为零，电机不会转动，只是在交流分量的作用下在停止位置处微振，这种振动对直流伺服电动机有利，可以克服直流伺服电动机时的静摩擦。（2）在图4-14b中,控制信号UI0,这时UT与UI相加后形成一个不对称的三角波，它的正波幅度和宽度增大，负波幅度和宽度减小，通过比较器后，输出
17、正脉冲宽.负脉冲窄的矩形波。由于此时输出电压的平均值（直流分量）为正，因此电动机正转。而且UI越大，输出信号US的正脉冲宽度越宽，在电动机中产生的直流分量越大，电动机正转的速度也越快。（3）在图4-14c中,控制信号UI0，电动机正转，UI0时，Us的正脉宽大于负脉宽，直流分量大于零，V1和V4的导通时间长于V2和V3的导通时间，流过绕组中的电流平均值大于零，电动机正转，且随着U1增加，转速增加。（3）当UABTf=0.1146Nm，故可按此频，故可按此频率计算最大的快进速度为率计算最大的快进速度为 第103页/共114页1044.5 控制电动机选择与计算 5速度的验算速度的验算 工进速度的验算工进速度的验算 当当TL=2.414Nm时，对应的频率时，对应的频率f12000Hz，故有，故有 综上所述，可选该型号的步进电动机，且有一定的裕量。综上所述，可选该型号的步进电动机，且有一定的裕量。第104页/共114页105作业 1 机电一体化系统的伺服驱动有哪几种形式?各有什么特点？2 步进电动机的选用原则是什么？3 直流PWM调压比其它调压方式有什么优点？4 交流变频调速有哪几种类型？第105页/共114页114感谢您的观看。第114页/共114页