机电一体化教学课件03章课件

1、第第3.1节节 执行元件执行元件 执行元件执行元件是将控制信号是将控制信号转换转换成机械运动和成机械运动和机械能量的转换元件。机械能量的转换元件。3.1.1 执行元件的种类及特点执行元件的种类及特点执行元件电磁式电磁铁及其他电动机液压马达液压式油 缸气压马达气压式气 缸其 他与材料有关直流伺服电机双金属片压电元件状态记忆金属其他电机交流伺服电机步进电机种类种类特点特点优点优点缺点缺点电电气气式式 可用商业电源；可用商业电源；信号与动力传送方信号与动力传送方向相同；有交流直向相同；有交流直流之分；注意使用流之分；注意使用电压和功率。电压和功率。 操作简便；编程容易；操作简便；编程容易；能实现定位

2、伺服控制；能实现定位伺服控制；响应快、易与计算机响应快、易与计算机（CPUCPU）连接；体积）连接；体积小、动力大、无污染。小、动力大、无污染。 瞬时输出功率大；瞬时输出功率大；过载差；一旦卡死，过载差；一旦卡死，会引起烧毁事故；会引起烧毁事故；受外界噪音影响大。受外界噪音影响大。 气气压压式式 气体压力源压力气体压力源压力5757MpaMpa；要求操；要求操作人员技术熟练。作人员技术熟练。 气源方便、成本低；气源方便、成本低；无泄露而污染环境；无泄露而污染环境；速度快、操作简便。速度快、操作简便。 功率小、体积大、功率小、体积大、难于小型化；动作难于小型化；动作不平稳、远距离传不平稳、远距离

3、传输困难；噪音大；输困难；噪音大；难于伺服。难于伺服。 液液压压式式 液体压力源压力液体压力源压力20802080MpaMpa；要求；要求操作人员技术熟练。操作人员技术熟练。输出功率大，速度快、输出功率大，速度快、动作平稳，可实现定动作平稳，可实现定位伺服控制；易与计位伺服控制；易与计算机（算机（CPUCPU）连接。）连接。 设备难于小型化；设备难于小型化；液压源和液压油要液压源和液压油要求严格；易产生泄求严格；易产生泄露而污染环境。露而污染环境。 （1）惯量小，动力大。惯量小，动力大。 （2）体积小，重量轻。体积小，重量轻。 （3）安装方便、便于维修维护。安装方便、便于维修维护。 （4）易于

4、实现自动化控制。易于实现自动化控制。 3.2 机电一体化系统常用的控制电动机机电一体化系统常用的控制电动机 常用伺服控制电动机常用伺服控制电动机 ： DC/AC电动机、力矩电动机、步进（脉冲）电动机、力矩电动机、步进（脉冲）电动机、变频调速电动机、开关电磁电动机电动机、变频调速电动机、开关电磁电动机以及其他电动机（直流或交流脉宽调速电动以及其他电动机（直流或交流脉宽调速电动机、电磁伸缩元件）等。机、电磁伸缩元件）等。 为实现运动、功率为实现运动、功率/ /能量、控制运动方式的转能量、控制运动方式的转换，对伺服控制电动机提出了一些基本要求。换，对伺服控制电动机提出了一些基本要求。（1）性能密度大

5、。即功率密度）性能密度大。即功率密度 Pw=P/G 或比功或比功率率 Pb=T2/Jm大。大。（2）快速性好。加速度大、响应特性好。）快速性好。加速度大、响应特性好。（3）位置控制与速度控制精度高、调速范围）位置控制与速度控制精度高、调速范围大、低速平稳性好、分辨率高以及振动噪音小。大、低速平稳性好、分辨率高以及振动噪音小。（4）能适应频繁启动。）能适应频繁启动。（5）可靠性高、寿命长。）可靠性高、寿命长。znko/360（1）分辨率分辨率主要指步进角主要指步进角=360/znK。如：。如：0.6/1.2、0.75/1.5、0.9/1.8、步距角越好，分辨步距角越好，分辨率越高。率越高。（2）

6、静态特性静态特性 主要指步进电机在稳态工作条件下的特性，主要指步进电机在稳态工作条件下的特性，包括：包括：矩矩角特性、静转矩、静态稳定特性角特性、静转矩、静态稳定特性等。等。 失调角示意图失调角示意图 矩角特性曲线矩角特性曲线 e定子转子ppp/2p/2jmaxTjmaxTeT 启动转矩：启动转矩：A A相和相和B B相矩角特性曲线之交点所相矩角特性曲线之交点所对应的转矩对应的转矩TqTq被称为启动转矩被称为启动转矩最高连续运转频率最高连续运转频率f fmaxmax及矩频特性：及矩频特性：步进步进电机连续运转时所能接受的最高控制频率电机连续运转时所能接受的最高控制频率f fmaxmax，称最高

7、连续运转频率；步进电机连续，称最高连续运转频率；步进电机连续运转转矩随频率的增加而降低，称矩频特运转转矩随频率的增加而降低，称矩频特性。性。空载启动频率空载启动频率- -惯频特性：惯频特性：在空载状态下，在空载状态下，转子从静止状态能够不丢步地启动时的最大转子从静止状态能够不丢步地启动时的最大控制频率称为空载启动频率或空载突跳频率。控制频率称为空载启动频率或空载突跳频率。步进电机带动惯性负载时的起跳频率与负载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关系为惯转动惯量之间的关系为惯频特性频特性l例例1.有一脉冲电源，通过环形分配器将脉有一脉冲电源，通过环形分配器将脉冲分配给五项十拍通电

8、的步进电机定子冲分配给五项十拍通电的步进电机定子励磁绕组，测得步进电机的转速为励磁绕组，测得步进电机的转速为100r/min，已知转子有，已知转子有24个齿，求：个齿，求：l1）步进电机的步距角；）步进电机的步距角；l2）脉冲电源的频率。）脉冲电源的频率。l例例2:如图所示的开环步进电机位置控制系统，如图所示的开环步进电机位置控制系统，已知负载力已知负载力 ，工作台长，工作台长 , 往复精度为往复精度为0.02mm，丝杠，丝杠导程导程6mm，直径，直径32mm，步进电机的步距角，步进电机的步距角为为1.50，试确定齿轮减速比，试确定齿轮减速比i。 NF2000NF2000mmL400 步进电机

9、的驱动电路步进电机的驱动电路：主要由脉冲分配器：主要由脉冲分配器和功率放大器两部份组成。和功率放大器两部份组成。 变频控制信号变频控制信号：主要有脉冲频率信号和：主要有脉冲频率信号和方向控制信号。方向控制信号。 脉 冲分 配 器 功 率放 大 器变 频 信 号方 向 信 号步进电机驱动电路的组成步进电机驱动电路的组成一、环形分配器一、环形分配器二、功率放大器二、功率放大器1功率放大器种类功率放大器种类 功率放大器是实现控制信号与步进电机匹配的功率放大器是实现控制信号与步进电机匹配的重要组件。重要组件。 常见的步进电机功率放大器的组成与特点如下：常见的步进电机功率放大器的组成与特点如下： （1

10、1） 单电压功率放大电路单电压功率放大电路 www特点：电路结构简单，但串联特点：电路结构简单，但串联R2R2消耗能量降低放大消耗能量降低放大功率；电感较大使电路对脉冲反应较慢功率；电感较大使电路对脉冲反应较慢, ,输出波形输出波形差。主要用于转速要求不高的小型步进电机控制。差。主要用于转速要求不高的小型步进电机控制。特点：具有高压驱动，特点：具有高压驱动，电流增长速度快、前电流增长速度快、前沿变陡，电机的扭矩沿变陡，电机的扭矩和频率得到提高和频率得到提高。 w 单稳触发器w特点：仅在脉冲开始时接通高压特点：仅在脉冲开始时接通高压电源，其余时间仅接通低压电源电源，其余时间仅接通低压电源供电。具

11、有功效高、电流上升率供电。具有功效高、电流上升率高、高速运转性能好，但波形陡高、高速运转性能好，但波形陡有时存在过冲现象，谐波丰富，有时存在过冲现象，谐波丰富，在低速运转时易产生振动。在低速运转时易产生振动。 （1）采用细分驱动电路的目的：采用细分驱动电路的目的：整步运转整步运转或半步运转基础上，不改变步进电机结构，或半步运转基础上，不改变步进电机结构，提高步进电机的运转、控制精度提高步进电机的运转、控制精度 。 （2）细分驱动电路的基本工作原理细分驱动电路的基本工作原理 ：对对每一控制脉冲，细分使其电流逐步增加达到每一控制脉冲，细分使其电流逐步增加达到脉冲的最大电流（脉冲的最大电流（Imax

12、），又逐步减少达到），又逐步减少达到脉冲的最小电流（脉冲的最小电流（0），从而可实现高精度），从而可实现高精度运转、控制、分辨，以及提高步进精度。运转、控制、分辨，以及提高步进精度。wt 工作原理：工作原理：由基极开关电压由基极开关电压U1U5控制多路功控制多路功率开关管率开关管VTd1VTd5的通断，从而控制功放管的通断，从而控制功放管VT的导通电流大小，即步进电机线圈绕组电流的导通电流大小，即步进电机线圈绕组电流的大小，实现对步进电机步进量的细分。的大小，实现对步进电机步进量的细分。 特点：特点：功率开关管工作在开关状态，功耗很功率开关管工作在开关状态，功耗很低，但器件多、体积大。低，但器

13、件多、体积大。 iwwwittU多路功率开关细分电路多路功率开关细分电路wiw分先放大后叠加；先叠加后放大两种方法分先放大后叠加；先叠加后放大两种方法。 细 分 环 形 分 配 器放 大放 大放 大放 大放 大细 分 环 形 分 配 器加法器w加法器wUttiw主要分为：串行控制主要分为：串行控制和并行控制两种方法并行控制两种方法 串行控制方式串行控制方式 并行控制方式并行控制方式 脉 冲方 向 控 制方 式 信 号环形分配器功率放大电路步进电机驱动电路器步进电机各相绕组相相相相相3.4.1 直流直流（DC）伺）伺服电动机工作原理服电动机工作原理 通过电刷和转换器产生的整流作用，使磁通过电刷和

14、转换器产生的整流作用，使磁场磁动势和电枢电流磁动势正交，从而产生场磁动势和电枢电流磁动势正交，从而产生转动力矩。使用直流供电，实现速度和方向转动力矩。使用直流供电，实现速度和方向调节控制，主要通过对直流电压调节控制，主要通过对直流电压/ /电流的大电流的大小和方向进行调节来实现。小和方向进行调节来实现。 直流伺服电动机的调速控制如下图所示。直流伺服电动机的调速控制如下图所示。由于直流伺服电机的机械特性方程为：由于直流伺服电机的机械特性方程为：TCCRCUn2teec式中，式中，UC 电枢控制电压；电枢控制电压；R 电枢回路电阻；电枢回路电阻； 每极磁通；每极磁通；Ce、Ct分别为电动机分别为电

15、动机的结构常数。的结构常数。 由此，直流伺服电机的控制方式如下：由此，直流伺服电机的控制方式如下： 特点：特点：具有较高的响应速度、精度和频率，具有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性等，但由于所用电刷和转换优良的控制特性等，但由于所用电刷和转换器是使用寿命较低，需要定期更换。器是使用寿命较低，需要定期更换。3.4.2 直流（直流（DC）伺）伺服电动机的驱动服电动机的驱动 要实现对直流电动机的速度和方向进行调节要实现对直流电动机的速度和方向进行调节控制，通常可用两种驱动控制方式：控制，通常可用两种驱动控制方式： 晶体管直流脉宽调制驱动晶体管直流脉宽调制驱动； 晶闸管直流脉宽调速驱动晶闸管

16、直流脉宽调速驱动； 在给定供电电压在给定供电电压U，由控制脉冲信号，由控制脉冲信号Ud控制控制晶体管晶体管VT的通断，从而使直流电动机得到脉冲的通断，从而使直流电动机得到脉冲驱动信号，改变脉冲控制信号的没一周期通电驱动信号，改变脉冲控制信号的没一周期通电时间，就可改变直流电动机的平均工作电压时间，就可改变直流电动机的平均工作电压Ua达到调速的目的；改变供电压和续流二极管的达到调速的目的；改变供电压和续流二极管的极性，便可改变直流电动机的转向。极性，便可改变直流电动机的转向。 1）直流电动机的脉宽调速电路原理）直流电动机的脉宽调速电路原理dba直流电机直流电机PWM调速电路调速电路晶闸管驱动晶闸

17、管驱动直流电机直流电机PWM调速电路调速电路H桥驱动桥驱动（1）常用交流伺服电动机常用交流伺服电动机永磁同步型（永磁同步型（SM）、电磁感应型（电磁感应型（IM）伺服电动机。伺服电动机。（2）基本工作原理）基本工作原理 检测检测交流伺服电动机交流伺服电动机（SM型型/IM型）气隙磁场的大型）气隙磁场的大小和方向，用电力电子转化器代替整流子和电刷，通小和方向，用电力电子转化器代替整流子和电刷，通过控制与气隙磁场方向相同的磁化电流和与与气隙磁过控制与气隙磁场方向相同的磁化电流和与与气隙磁场方向相垂直的等效电流的方法，最终控制场方向相垂直的等效电流的方法，最终控制交流伺服交流伺服电动机主磁通量大小和

18、转矩，实现对电机的有效控制，电动机主磁通量大小和转矩，实现对电机的有效控制，简称矢量控制方法。简称矢量控制方法。 1）永磁同步型（）永磁同步型（SM ） 转子由永磁构成，不需磁化控制电流，只需检测磁转子由永磁构成，不需磁化控制电流，只需检测磁铁转子位置和定子绕组磁通矢量控制电流，实现对电铁转子位置和定子绕组磁通矢量控制电流，实现对电机主磁通矢量电流的控制，从而获得对电机的速度和机主磁通矢量电流的控制，从而获得对电机的速度和位置控制。位置控制。CONV.整流器；整流器；SM同步电机；同步电机；INV.变换器；变换器；PS磁极磁极位置检测器；位置检测器；REF速度基准；速度基准；IGF电流函数发生

19、器；电流函数发生器；SC速度放大器；速度放大器；CC电流放大器；电流放大器；RD速度变换器；速度变换器；PWM脉宽调制器；脉宽调制器；P.B.U再生电力吸收电路。再生电力吸收电路。iwiviuSMPSPWMCCIFGSCRDREFAC输入CONV.P.B.U.INV.GRTGRTGRTGRTGRTGRTGRTGRTi交流电机CONV.位置指令AC输入GRTGRTPWMGRTiGRTGRTGRTGRTiiwviuP.B.U.INV.位置控制速度指令放大器矢量处理电路脉冲放大检测器 r1,X1定子绕组阻抗和漏抗；定子绕组阻抗和漏抗； r2,X2转子绕组阻抗和漏抗；转子绕组阻抗和漏抗； rm,Xm铁芯等效阻抗和主磁通所对应电抗；铁芯等效阻抗和主磁通所对应电抗； Im负载范围内不变。负载范围内不变。S转差率转差率I1ImI2XmX1X2r12rrm1-ss2rU1I2I1Ima) 交流电机等效电路b) 电流