机电系统设计_03汇编

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1、第三章 执行元件的分类及控制用电机的驱动 3-1执行元件的种类、特点及基本要求 n一、执行元件的种类及其特点 1 n执行元件的种类及其特点 1电气执行元件 电机、电磁铁 常用 2液压式执行元件 液缸，液马达 执行元件功率密度大（但系统复杂） 3气压式执行元件 气缸，气马达 环保，非线性，一般作定位控制 4其他 如:双金属片，形状记忆合金， 电热、压电元件(用于微量进给) 5内燃机类：柴油机、汽油机、燃气轮机 有自持能力，石油钻机主要动力 2 n 二、机电一体化系统（或产品）对执行元件 的基本要求 1惯量小、动力大 指标：F（T）、P、比功率 （比功率=dP/dt=d(T)/dt=T=T2/J）

2、 2体积小、重量轻 指标：功率密度P/G， 比功率密度T/G （单位体积） 3便于维修、安装 4宜于微机控制 3 3-2机电一体化系统（或产品）常用的控制用 电机 n一、对控制用电机的基本要求 n（1）性能密度大、即功率密度和比功率大 n（2）快速性好，即加速转矩大，频响特性好 ； n（3）位置控制精度高、调速范围宽、低速无 爬行、分辨率高、振动噪声小； n（4）适应启、停频繁的工作要求； n（5）可靠性高、寿命长。 4 n 控制方式的基本形式 开环方式、半闭环方式和全闭环方式 闭环方式可得到比开环方式更精密的伺服控制。 5 n 二、控制用电机的种类、特点及选用 步进电机 变磁阻型（VR） 永

3、磁型（PM） 混合型（HB） DC伺服电机 有刷 无刷 AC伺服电机 同步型（SM） 感应型（IM） AC交流电机（变频） 6 7 8 9 10 3-3 步进电动机及其驱动 一、步进电机的特点与种类 1步进电机的特点 （1）不连续 （2）角度与脉冲成正比 （3）有分度误差，无积累误差 （4）性能稳定,易控制 11 2步进电机的种类 直线、旋转 单、两、三、四、五、六、 相 VR(反应式)、PM(永磁型)、HB(混合型) 旋转两相HB(混合型)步进电机应用较广泛 12 （1）可变磁阻型(VR型一Variable)，反应式 电机结构： 定子齿形铁芯+线圈，各相按一定角度差布置 电磁极 转子齿形软铁

4、 衔铁 原理： 各相依次吸引转子 （通电相定子齿 与转子齿对齐） 步距角以齿距为基准度量 13 （2）永磁型（PM型一Permanent Magnet Type ） 电机结构： 定子齿形铁芯+线圈，各相按一定角度布置 转子永磁铁 原理： 各相依次按极性 吸引转子磁极 步距角以相角为基准度量 14 （3）混合型（HB型一Hybrid TyPe） 电机结构 定子齿形铁芯+线圈 各相按一定角度差布置 转子齿形软铁+永磁铁 原理： 各相依次吸引转子 （通电相定子齿与转子齿对齐） 步距角以齿距为基准度量 15 n二、步进电机的工作原理 如：三相三拍（单） A B C A B 反转 A C B A C 三

5、相三拍（双） AB BC CA AB BC 运行平稳，驱动力矩大 三相六拍 A AB B BC C CA 平滑驱动 16 n 步进电机的环形脉冲分配方式 17 n步进电机的环形脉冲分配方式 18 n 三、步进电机的运行特性及性能指标 （1）分辨力 步距角 (以1.8,200P/r为多) （2）静态特性 矩-角特性 失调角（转子承受外力矩后所偏转的角度，若角度 太大，电机将不再稳定） 19 n（3）动态特性 n 矩一角特性曲线族 n 动态稳定区 电机从一个状态到下一个状态的 过渡区域，区域小说明反应快。 n 起动转矩阵 表示电机单相励磁时所能带动的 极限负载转矩 20 n最高连续运行频率，矩-频

6、特性 n 步进电机在连续运行时所能接受的最高控 制频率被称为最高运行频率。 n空载起动频率，惯-频特性 n 在空载状态下，转子从静止状态能够不失 步地起动时的最大控制频率。 n 21 n（4）步进电机技术指标实例。 n 各个厂家有所不同混合式步进电机： n如： 混合式步进电机： BYG 励磁绕组相数或代号 混合式（永磁感应式）步进电机 电机外径(mm) 22 n步进电机技术参数一（混合式，部分） 23 n步进电机技术参数二（混合式，部分） 24 n 四、步进电机的驱动与控制 步进电机的驱动组成： 信号 信号 功率 驱动步进电机 产生 分配 放大 各相绕组 25 n 1 环形脉冲分配器 功能：产

7、生驱动电机各相的时序信号 方法： 软环分由计算机直接产生各路脉冲信号 逻辑电路环分方法灵活，能用 环分集成块可靠，针对性强 电机驱动器模块功能齐全 26 n （1）D触发器电路 nD触发原理：输出由D端控制 n应用移位寄存，（循环移位） 27 n三相步进电机环分电路 （D触发电路受初始条件影响） 28 n （2）计数电路（JK、T、D等） n JK触发器特性 29 n计数电路（异步，2路） 30 n 电机驱动 n（四相，22=4） 31 nCH250应用 32 n2 功率放大器 n步进电机工作电流的特点 n i）步进电机相工作电流为脉冲电流，接通时间 （脉宽）随控制频率变化（成反比）。 n i

8、i）步进电机启动过程短，工作电流与启动电流 相当（一般电机I起=23I工）。 n 希望增加启动电流，提高电机工作能力。 n iii）步进电机工作电流的幅值，根据电机静特性 的磁化曲线选择，一般在磁饱和点附近。 市售通用型步进电机驱动器一般为恒流源型 33 n单电压功率放大电路 n基本电路 n D续流二极管 n RL电路过渡过程： n 时间常数 =L/R nL电机线圈的电感 nR电机线圈的电阻。 34 n三相驱动电路(3DD15做开关管用） nR为加速用电阻 35 n高低压功率放大电路 （a）电路电流变化时，变压器产生高电压 （b）使用单稳态触发电路 36 n恒流源功 率放大电路 37 n 斩波

9、恒流功率放大电路 由比较器CP 控制VF1通断 38 n调频调压功放电路 性能较好 由计算机控制 软件硬件结合 39 n 3细分驱动 n形成阶梯波形，相邻两波相互重叠 n 40 n实现方法： 多路功率开关 分别控制开关管 开关状态 功耗小 元件多 41 n叠加脉冲信号 先叠加控制信号再放大 放大状态 功耗大 42 nPWM方法 43 n4步进电机的微机控制 串行控制：只给控制脉冲，另加环形分配器 并行控制：直接控制各相脉冲信号 44 n 5步进电机的速度控制 一般机械的加速段、匀速段、减速段过程。 控制脉冲频率 软件控制 方便 硬件控制 单一、可靠 45 n 6闭环控制 n 一般步进电机为开环

10、控制，重要场合，也 可采用闭环控制 n 采用旋转编码器检测电机的角位移，步进 电机不连续运转，测速电机测不准。 46 7两相步进电机的结构与控制（P84图3-11） （永磁式或混合式） 控制方式： n正向 A+ B+ A- B- A+ B+ n反向 A+ B- A- B+ A+ B- 47 两相电机需正负电压控制，功率电路一 般采用桥形电路，每相都需一组桥路。 电路更复杂。 48 两相步进电机与四相步进电机 两相电机中间抽头后可作四相用，驱动 简单，但驱动能力降低。 49 n混合式步进电机的实际结构 50 n转子 两个磁极 各50齿 相差180 51 n定子 50齿 八个绕组 分四组 每组相差

11、45 52 360/50=7.2 45/7.2=6.25 90/7.2=12.5 53 n 8步进电机驱动器 n 驱动器分相，如两相、三相、四相等，以 适应不同相的步进电机 n 靠脉冲控制电机，有细分电路，正反转控 制接口（使能接口） n 一般为恒流源驱动 54 55 n9其他步进电机 （1）电磁式步进电机（专利） 电磁铁+棘轮式 56 n9其他步进电机 （2）单相步进电机 永磁式（2倍数但非4倍数），如钟表 微型（如手表）9.0*3.8mm重 1.2g 57 n（3）直线步进电机 索耶(B. A. Sowyer)电机专利 结构 动子 永磁铁+电磁铁（两相轮流通电） 定子 软磁材料板刨槽用环氧

12、树脂填充 动子定子用压缩空气隔开 原理 永磁铁+电磁铁 通电相 强（永磁+电磁） 零（永磁-电磁） 不通电相 弱（永磁） 弱（永磁） 58 n（平面步进电机）步进推进器 59 3-4 直流和交流伺服电动机及其驱动 n一、直流伺服电动机及其驱动 n1直流伺服电机的特性及选用 （1）直流电机的原理与结构 定子磁极 转子载流导体 左手定则 换向器 改变电流方向 60 （2）直流电机的固有特性 他励（并励）等效电路 角标：a转子电路 f励磁电路 n磁场强度 n电磁力矩 n电路电压 n反电势 n固有特性 61 励磁方式： 并励或他励 硬特性 串励 软特性 复励 （两个线圈， 一并一串） 差复励 （串联线

13、圈反接） 62 （3）直流电机的人为特性（调速特性） 串转子电阻 Ra+RRa n 改变斜率 浪费功率 弱磁调速 n0 n 改变空载转速与斜率 调节方便，比例差，动力常用 降压调速 v n0 改变空载转速 成比例，大功率控制设备，控制常用 63 n 2直流伺服电动机与驱动 n可控硅整流（SCR）方法 nsilicon controlled rectifier n50Hz 64 n 脉宽调制（ PWM）方法 nPulse Width Modulation n驱动 电压 n导通率 =/T n1-10 kHz 65 n PWM电路 基本电路：锯齿波形成电压比较方波输出功率放大 实用电路：三角波形成电

14、压比较方波输出功率放大 66 桥式功率电路 （可实现正反转）： 正转 T1、T3“导通” T2、T4截止 反转 T2、T4“导通” T1、T3截止 导通方式： 同步方式 两个同时关断 主控方式 一个全导通 另一个改变脉宽 67 n大功率电路，三相全波整流 68 69 70 n 直流电机的限制：（换向器） （1）结构复杂、制造成本高，体积大 （2）表面线速度（转速）、电压、电流不 能太高 （3）惯性力大 （4）需要定期维护（换碳刷） （5）对环境要求高，无易燃气体、灰尘、 潮湿等 （6）大功率直流电控制困难（需整流设备 ） 无刷电机 （永磁电机） 71 n3 无刷电机（去掉换向机构，碳刷） 电子

15、换向器 传感器检测转子的位置 电子开关换向电路 定子稀土永磁转子 转子电子换向定子 （通换向的直流电） （方波正弦波，交流伺服） 72 73 无 刷 电 机 74 75 n二、交流（AC）伺服电动机及其驱动 1电机结构 同步式（SM） 永磁 类似无刷直流电机 频率控制 感应式（IM） 矢量控制 鼠笼式转子（SL）体积小 空心杯型转子（SK）运行平稳 76 2矢量控制基本原理及方法（电力传动） 控制输入电流大小和相位。 77 n 3电路图 主电路与直流电机控制基本相同，但控制电 路不同。 78 79 n 4电机特点 n磁极形状独特，使转矩波动最小； n定子外面无机壳，利于散热； n有高转矩惯量比，能承受高的加减速； n控制电流精确，电机低速能平滑旋转，如 电机3r/min，丝杠螺距10mm，跟踪误差为 lm； n电机的体积小而且重量轻； n高频脉宽调制控制，电机噪声和振动小。 80 松下 MINAS A系列 交流伺服电机 驱动器 81 n参数设置 n松下MINAS A系列交流伺服