《执行装置及其驱动技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《执行装置及其驱动技术（53页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、机电一体化技术,第3章 执行装置及其驱动技术,第3章 执行装置及其驱动技术,执行装置是一种功率器件，它接收来自于控制器发出的各种电信号命令，将这些信号进行功率放大并产生大功率驱动信号，驱动对象按照一定的速度和位移运动。 伺服电动机的控制有速度控制和位置控制两种。 运动控制的实现是伺服驱动装置将给定的指令变为机械运动的过程，和传统机械相比较，它具有功率小、精确定位和连续调速等特点。,3.1 步进电动机及其驱动,步进电机也称为脉冲电动机，它是一种将电脉冲信号转变为角位移或线位移的执行电动机。 步进电机具有以下的特点： （1）步距角不受各种干扰因素的干扰。 （2）旋转角正比于输入脉冲个数，速度正比于
2、脉冲频率。 （3）易于实现正反转、停止等控制. （4）精度高，无累积误差。 （5）具有很好的可靠性和寿命。 （6）由于采用脉冲控制，所以易于用计算机直接控制，特别适合于开环控制当中，并且具有控制简单，价格低廉等优点，有时将步进电机也称为数字电动机。,3.1.1 步进电动机的分类和原理,1.步进电动机的分类 步进电动机由带有绕组的定子和转子构成。根据其产生转矩的方式分为永磁式步进电动机、可变磁阻式步进电动机和混合式步进电动机3种基本类型。 永磁式步进电动机的转子由永久磁铁制成，如图3-1（a）所示。定子绕组通电后产生磁场，依靠该磁场和转子的磁场相互吸引或者排斥来实现运转。它在断电情况下具有保持位
3、置的特性，但是永磁式步进电动机转矩较小，主要应用于打印机、小型医疗设备和仪器仪表当中。,3.1.1 步进电动机的分类和原理,可变磁阻式步进电动机也称为反应式步进电动机，其转子为一个带槽铁芯，如图3-1（b）所示。定子绕组通电后产生了磁场，磁场吸引铁芯运行（铁芯总是处在磁场中磁阻最小的位置）。可变磁阻式步进电动机转矩中等，但因为转子没有磁性，所以在断电情况下不具有位置保持特性。 混合式步进电动机综合了永磁式步进电动机和可变磁阻式步进电动机的特点，如图3-1（c）所示。混合式步进电动机的转子也是由永久磁铁制成的，但是转子和定子上都有很多径向齿槽，其原理和永磁式步进电动机相同。混合式步进电动机具有步
4、距角小、转矩大、断电保持等优点，目前应用最为广泛。,3.1.1 步进电动机的分类和原理,图3-1 步进电动机种类,3.1.1 步进电动机的分类和原理,2.步进电动机的工作原理 如图3-2所示为常见的三相反应式步进电动机的剖面图，定子上均匀分布着6个绕组，其中每两个串联构成一相，三相分别为A、B、C相。转子由铁芯构成，上面均匀分布着4个相位相差/2的转子齿。,图3-2 反应式步进电动机剖面图,3.1.1 步进电动机的分类和原理,如图3-3所示为三相反应式步进电动机工作原理示意图。首先，假设转子齿2-4在未通电的情况下是与定子的B-B对齐的。A相通电产生磁场，吸引最靠近A相的转子齿1-3转动,转子
5、转动一定的角度后，转子齿1-3与A-A对齐，见图3-3（a）。然后，将A相断电，给C相通电，同样，在C相的磁场作用下，最为靠近C向的转子齿2-4转动与C-C对齐，见图3-3（b）。再将C相断电，给B相通电，则转子齿1-3与B-B对齐，见图3-3（c）。,图3-3 步进电动机的工作原理,3.1.1 步进电动机的分类和原理,当给A、C、B三相轮流通电后，转子转过了一个转子齿的角度，这种单相通电方式，称为单拍方式。假定按照ACBA顺序通电，转子正向转动，当通电顺序改变为ABCA时，转子反向转动，但转动角度不变。步进电动机也可以使用双拍通电方式，即ABBCCA方式，其转动和单拍方式相同，但是定位角度在
6、两相的中间位置。 另外，还可以使用单双拍通电，即AABBBCCCAA的通电方式，该方式需要6拍才能转过一个转子齿的角度，控制更为精细，称为混合拍。,3.1.2 步进电动机的参数及性能指标,1.步距角及步距角精度 步距角是指给步进电动机输入一个脉冲后步进电动机所转过的角度。通常在步进电动机的参数表中给出两个步距角，它们分别是全步和半步方式下的步距角。由前面的叙述可知，对于一个m相的步进电动机，用全步方式走过m步后刚好转过一个转子齿，而用半步方式则需要2m步。因此，步距角为,2.最大静转矩 当给步进电动机的某一相通直流电时，转子齿将与该相对齐。在不改变通电状态的情况下，定子锁住转子的力矩称为静转矩
7、T。如果在电动机轴上加上一个外转矩,电动机将转动一个角度,使外转矩与电磁转矩平衡，这个角度称为失调角，用电角度表示。,3.1.2 步进电动机的参数及性能指标,当步进电动机的控制绕组通电状态变化一个循环时，转子刚好转过一齿，则一个转子齿对应的电角度为2。如图3-4所示，当定子齿与转子齿对齐（失调角=0）或定子齿位于两转子齿正中间（=）时，静转矩T=0；而在其他位置时，静转矩T均不为零。,图3-4 步进电动机的转矩和转角,3.1.2 步进电动机的参数及性能指标,当失调角=/2时,静转矩T将达到最大值，称为最大静转矩Tjmax。当失调角在之间时，转子在电磁转矩的作用下将会回到稳定位置。静转矩T和失调
8、角的关系为,最大静转矩反映了步进电动机的带负载能力和带负载时的启动能力。如图3-5所示为步进电动机的矩角特性。,图3-5 步进电动机的矩角特性,3.1.2 步进电动机的参数及性能指标,3.矩频特性和惯频特性 矩频特性是指输出转矩与输入频率的关系。随着运行频率增加，步进电动机的输出转矩会下降。矩频特性图就是反映转矩和频率之间关系的曲线，如图3-6（a）所示。频率与转动惯量之间的关系称为惯频特性。惯频特性也是步进电动机的重要特性之一，分为启动惯频特性和运行惯频特性。如图3-6(b)所示为启动惯频特性。,图3-6 步进电动机的矩频特性和惯频特性,3.1.2 步进电动机的参数及性能指标,4.启动频率和
9、运行频率 启动频率是指步进电动机在带动一定负载（转矩和转动惯量）时，不失步启动的最高频率。运行频率则是指步进电动机不失步运行的最高频率。它们都和负载有关，要根据矩频特性和惯频特性选择应用。运行频率应高于启动频率，这是因为启动时需要进行加速，只有给步进电动机足够长的加速时间才能不失步。,3.1.3 步进电动机的驱动,1.脉冲分配器 脉冲分配器也称为环形分配器，它的主要功能是将来源于控制器的脉冲串按一定的规律轮流分配给各相功率放大器，然后由各相功率放大器放大脉冲信号驱动步进电动机运行，控制分配的顺序就可以实现转速的控制。如图3-7所示为环形分配器工作原理，环形分配器把输入的脉冲逐次分配给A、B、C
10、相，脉冲1分配给A相后，脉冲2就分配给了B相，然后将脉冲3分配给C相，再把脉冲4分配给A相，依次轮流分配。,图3-7 环形分配器工作原理,3.1.3 步进电动机的驱动,2.功率放大器 步进电动机要带动负载运动，必须先输入一定的电功率，这就需要相电流达到一定值。环形分配器输出的相脉冲信号微弱，不可能直接驱动步进电动机运转，所以必须使用功率放大器。功率放大器有很多形式，要根据步进电动机的运行要求和激励电流大小来进行选择和设计。 步进电动机的运行性能不仅与电动机自身特性有关，而且与驱动电路紧密相关。驱动电路的输出可以使用三极管、MOS管和晶闸管等，使用三极管居多。驱动电路的输出极结构对步进电动机的性
11、能影响很大，根据输出极的结构，步进电动机的驱动电路可分为单电压驱动电路、双电压驱动电路、恒流斩波驱动电路、调频调压驱动电路和细分驱动电路几种类型。,3.1.3 步进电动机的驱动,1）单电压驱动电路 单电压驱动电路应用较早，是一种最为简单的电路形式，如图3-8所示。环形分配器分配来的脉冲输入到三极管的基极上，当为高电平时，三极管导通，电流流入绕组L；当为低电平时，三极管截止。,图3-8 单电压驱动电路,3.1.3 步进电动机的驱动,2）双电压驱动电路 如图3-9所示，高低压电路中有两个电源，即高电压VH和低电压VL。当脉冲信号输入时，一路信号进入VT1的基极，使VT1导通；同时，另一路脉冲信号经
12、过单稳延时或者微分电路后变为一个窄脉冲，使VT2也同时导通。由于VH大于VL，高电压进入绕组L中；当窄脉冲很快结束后，VT2截止，VT1继续导通，此时高电压无法进入绕组，而低电压通过D1后进入了绕组L中。,图3-9 双电压驱动电路,3.1.3 步进电动机的驱动,3）恒流斩波驱动电路 为了弥补双电压驱动电路中低电压供电时造成的电流波形的不足，需要采用恒流斩波驱动电路。恒流斩波驱动电路是在低电压供电时电流相对恒定的电路，如图3-10所示。,图3-10 恒流斩波驱动电路,3.1.3 步进电动机的驱动,4）调频调压驱动电路 调频调压驱动电路是一种供电电压随着脉冲频率变化的供电电路，在低频段使用低电压供
13、电，随着频率的升高，供电电压也越来越高，由此来消除低频段的振荡和高频段的转矩。如图3-11所示为调频调压驱动电路，脉冲输入一路通过环形分配器送入放大器，另外一路经过F/V变换电路后和锯齿波进入比较器，形成了占空比和F/V的电压成正比的脉冲信号。该脉冲信号经过电阻R2后控制开关管的导通和截止的时间，从而控制了供电电压的大小。L1和C构成了滤波电路，作用是将高频供电电压滤波成为直流电，而D2是L1和C的泄放二极管。,图3-11 调频调压驱动电路,3.1.3 步进电动机的驱动,5）细分驱动电路 如图3-12所示，将A相和B相的供电分为4个阶段。当A相电流不变时，将B相的电流分为4个阶段逐步增加，则每
14、给B相增加一个阶段的电流，步进电动机将转过一个角度，当加上4个阶段电流后，A相和B相电流相同，转子齿经过4步后转过了半步方式的一个步距角，相当于把步距角进行了4次细分。同样，在B相电流不变时，将A相电流分4步降低到零，转子又经过了4步转过了一个步距角。如此重复，每一个步距角需要走4步。,图3-12 细分驱动波形图,3.1.3 步进电动机的驱动,细分驱动电路可以使用单片机的D/A转换和专用电路两种方式实现，如8位D/A转换理论上可实现256步细分。而细分驱动电路则有很多种，如图3-13所示为用集成驱动芯片PBL3717A组成的步进电动机细分驱动电路。,图3-13 步进电动机细分驱动电路,3.2
15、直流伺服电动机及其驱动,直流伺服电动机是应用最为广泛的执行电动机，具有速度高、体积小、质量轻、效率高和转矩大等优良特性。其速度可以通过调节输入电压来控制，且调节范围很宽，适用于各种控制系统。直流伺服电动机广泛地应用于机器人、数控机床等计算机数字控制系统。 直流伺服电动机主要由定子和转子两大部分组成。定子的主要作用是产生磁场和作为电动机的机械支承。它由主磁板、换向极、机座、端盖、轴承、电刷装置等组成。转子是机械能和直流电能相互转换的枢纽。它由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等组成。直流伺服电动机原理与普通直流电动机相同。,3.2.1 各种不同的直流伺服电动机,1.小惯量直流伺服电动机 无槽
16、电枢伺服电动机如图3-14（a）所示。它将绕组固定在无槽的电枢铁芯上，以避免在电枢铁芯上开槽，使电枢可以做到很小，从而实现了降低转动惯量的目的。空心杯伺服电动机结构如图3-14（b）所示，它在固定的铁芯上安装有类似于杯子的转子，同时，为了保证磁阻小，在空心杯转子内放置了固定内定子。因为转子很轻，所以转动惯量也很小。盘形电枢伺服电动机如图3-14（c）所示。采用盘状的电枢，它的定子磁铁位于盘形电枢的平面两侧，电枢绕组可以是印制或者用导线绕制。因为电枢的质量极小，所以转动惯量很小。,图3-14 小惯量直流伺服电动机,3.2.1 各种不同的直流伺服电动机,2.大惯量宽调速电动机 对于一些需要很大转矩的场合，则使用大惯量宽调速电动机。其基本结构与普通直流电动机一样，不同的是大惯量宽调速电动机具有良好的加减速特性、大的热容量、绝缘等级高、寿命长等优点，大多使用高性能稀土永磁材料制作定子。这些特点使其性能远远高于普通直流电动机，具有高转矩、宽调速、动态特性好、快速响应能力强等优点。大惯量宽调速电动机的功率通常小于600 W，并且采用电枢电压调节转速。,
