机电一体化教案5

1、淮南联合大学教师授课教案淮南联合大学教 案课程名称： 机电一体化系统 授课教师： 陈其祥 授课班级： 05机电1、2班 选用教材：赵先中.机电一体化系统.高教版 淮南联合大学教师授课教案章节名称 第5章 常用控制方式教学名称第1节 顺序控制与时间控制教学时数 学时 3教学目标1理解顺序控制和时间控制的基本概念2理解顺序控制和时间控制的分类3掌握顺序控制和时间控制的系统组成4掌握顺序控制和时间控制的实例基本工作原理课程重点难点1. 顺序控制和时间控制的系统组成2. 顺序控制和时间控制的几个实例的基本工作原理教学方法及手段1课堂理论课讲授2多媒体教学课件播放辅助教学教学过程及时间分配：5.1.1

2、顺序控制与时间控制的基本概念1.顺序时间控制的主要特点： 具有对动作顺序的一定要求 具有记忆功能（对控制顺序有条件约束）2.顺序时间控制信号的特点： 仅仅对离散信号进行处理控制 对可能出现的模拟信号应首先进行模数转换，转化为离散信号再处理 仅仅对离散信号进行定性处理3.小结与定义 顺序时间控制是借助于记忆元件，对离散信号进行定性的关于动作顺序及时间 时序配合处理的自动控制过程4. 两个关键问题： 控制工作状态的设计 动作过程的时序处理 顺序时间控制例： 多级平皮带传送设备控制5.1.2 顺序控制与时间控制的系统组成1. 控制器： 关键部件，接受输入信号并判断分析加工，输出符合要 求的控制信号，

3、顺序、时序、记忆的控制过程均由该部件功能体现2. 输入接口：接受来自现场的状态和命令信号，进行点评和数据格式 转换后传送给控制器3. 输出接口：将控制信号传送给执行部件，同时完成输出信号的功率 放大、隔离及电平转换4.检测部分：防止系统软、硬件故障引发的事故，保证系统正常高效 运行，（本例可在执行部件装备速度传感器，工作中只有当上一级 的运输带运动正常，速度继电器的动作信号才可以启动下一级的运 输带电机闭环控制系统 5.显示与报警： 调试，运行监控，故障提示的辅助功能部件 5.1.3 顺序控制与时间控制系统的分类1. 继电器控制系统： 由继电接触及其相关的有触点硬件元件组成的硬件控制器2. 无

4、触点逻辑元件控制系统 由晶体二极管和三极管开关元件组成的硬件控制器3. 数字集成电路控制系统 由中小规模的数字集成电路逻辑单元组成的硬件控制器4. 矩阵式逻辑控制系统： 在数字集成电路控制起的基础上扩展的具有一定的柔性控制功能的集成逻辑控制器5. 可编程控制器控制系统： 以计算机控制为基础的通用柔性工业控制器6. 计算机控制系统： 以计算机硬件为基础，开发专用控制接口和控制软件组成的控制系统5.1.4 顺序控制与时间控制的实例1.液压自动上料装置（1）控制要求：1.启动后向右移向料仓在SQ1停2.延时n秒装料结束，向左移向加工位置，在SQ2停3.P秒后再次向左，反复循环4.KP作系统压力检测5

5、.停止时运动立即静止 （2）工作原理图： （3）液压自动上料装置-继电器控制系统电路 （4）液压自动上料装置-单片机控制系统 （5）液压自动上料装置-PLC控制系统 板书设计： 多级皮带运输传送设备的作原理及控制要求 顺序时间控制系统构成原理 往复运动液压工作台系统原理 往复运动液压工作台继电器控制系统原理 往复运动液压工作台单片机控制系统原理 往复运动液压工作台PLC控制系统原理其他： 相关标题，主要内容要点等按常规进行书写 要求板书清晰整洁美观，图面大小适度规范，无错字别字和不规范文字符号 作业： 1简述往复运动液压工作台单片机控制系统的硬件促成特点和工作原理 2简述往复运动液压工作台继电

6、器控制系统的硬件促成特点和工作原理 课后教学小结：1讲清时间顺序控制的概念和基本原理，有助于后续教学内容的讲授2通过对比方法讲述时间顺序控制继电器、单片机、PLC系统的特点，有助于对时间顺序控制的的认识和理解3通过课件图片和加工过程录相资料片的播放，加深对时间顺序控制系统的感性理解 作业中存在的主要问题：部分学生的习题简述往复运动液压工作台单片机控制系统的硬件促成特点和工作原理存在错误其余无明显作业问题淮南联合大学教师授课教案章节名称 第5章 常用控制方式教学名称第2节 速度控制教学时数 学时 2教学目标12345课程重点难点1.2.3.教学方法及手段1课堂理论课讲授2多媒体教学课件播放辅助教

7、学教学过程及时间分配：5.2 速度控制5.2.1 步进电机的速度控制 1. 步进电机的技术特点： 角位置控制精度高，步距角0.36度90度/步 无累积误差 转速和输入的脉冲频率成正比 角位移量严格的和脉冲的数量成正比 转动方向和绕组的通电方式有关 直接将计算机数字信号转换为方向，位置，速度机械信号 无需任何检测，即可组成开环轨迹数字控制系统 在计算机外设，经济型数控技术中广泛应用 输出转矩，运行速度，噪音等技术指标低于交流，直流伺服电机2. 步进电机结构和工作原理按电磁吸引原理工作（以反应式步进电机为例）反应式步进电机的定子上有磁极，每个磁极上有激磁绕组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对

8、齿的吸合工作。两个相对的磁极组成一相。注意：这里的“相”和三相交流电中的“相”的概念不同。步进电机通的是电脉冲，主要是指线图的联接和组数的区别。步进电机的工作方式(通电顺序)可分为：三相单三拍、三相六拍、三相双三拍等。 1）三相单三拍：（1）三相绕组联接方式：Y 型（2）三相绕组中的通电顺序为： A 相 ® B 相 ® C 相 C 相 ® B 相® A 相 三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过 30°。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序。(3）每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失 去自锁转矩，容易产生失步，只有一相绕组

9、产生力矩吸引转子，在平衡位置易产生荡 。（4） 输出转矩小3)三相双三拍工作方式及特定子绕组通电顺序为ABBCCAAB（转子逆时针旋转）ACBCCA（转子顺时针旋转）有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍旋转30°。特点：始终有一相定子绕组通电，工作比较平稳。避免了单三拍通电方式的缺点，步距角大于三相六拍方式。2)三相六拍工作方式 通电顺序为：A®AB®B®BC®C®CA®A 六拍。三相六拍的特点通电顺序AABBBCCCAA（逆时针）AACCBCBCAA（顺时针）每步转过15°，步距角是三相三拍工作方式的一半

10、，特点：电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比较平稳。 输出转矩大，同样结构电机步距角小，控制精度高。 步进电机组成（开环）伺服系统应用特点 采用功率步进电机没有位移检测反馈装置的数控机床。数控装置发出的控制指令直接通过驱动装置控制功率步进电机的运转，然后通过机械传动系统转化成刀架或工作台的位移。机床结构简单，制造成本较低，价格便宜，在我国有广泛的应用。但是，由于这种控制系统没有检测反馈，无法通过反馈自动进行误差检测和校正，因此位移精度一般不高。步进电机的速度控制 ·步进电机是开环伺服系统（步进式伺服系统）的驱动元件。·功率步进电机盛行于20世纪70年代，控制系统结构简单

11、、控制容易、维修方便，·控制为全数字化（即数字化的输入指令脉冲对应着数字化的位置输出），除功率驱动电路之外，其它硬件电路均可由软件实现，从而简化了系统结构，降低成本，提高了系统的可靠性。·步进电机是一种用电脉冲信号进行控制、并将电脉冲信号转换成角位移的执行器。·每给步进电机输入一个电脉冲信号，其转轴就转过一个角度，称为步距角， (1)来一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变方向。（4）控制脉冲数量，可控制电机角位移量。步进电机的速度控制硬件系统步进电机功率驱动器1）单电源驱动电路 这种电路采用单一电源供电，结构简单

12、，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5-19所示步进电动机的一相绕组驱动电路（每相绕组的电路相同）。 当环形分配器的脉冲输入信号为低电平（逻辑0，约1V）时，虽然VT1、VT2管都导通，但只要适当选择Rl、R3、R5的阻值，使Ub3<0（约为-1V），那么VT3管就处于截止状态，该相绕组断电。当输入信号为高电平3.6V（逻辑1）时。Ub3>0（约为0.7V），VT3管饱和导通，该相绕组通电。2）双电源驱动电路速度模式要求： （1）如果加工速度低于电机的最高允许起动频，则可直接起/停，无须进行加减速控制 （2）如果加工速度高于电

13、机的最高允许起动频，则不可直接起/停，必须须进行加减速控制 直接启动会丢步 直接停止会因系统惯性原因超程 （3）正确的速度曲线模式： 启动 加速至工作速度 恒速进给 减速至最高允许起动频以下 停止2）升降速度方式 （1）直线规律升降速： 处理简单 （1）指数规律升降速： 处理复杂，但根据步进电机的矩频特性，速度越高转矩越低，所以随速度上升，转矩下降，增速的幅度应随之减小，指数规律升降速曲线符合要求3）处理方法 （1）原则上是改变脉冲周期 （2）可以通过修改定时计数器的装载初值改变脉冲周期 （3）一般将离散的初值数据组固化在EPROM中调用，以提高效率 （4）设计升降速度方式控制程序应该考虑：

14、加减速曲线斜率 升速的总步数 恒速的总步数 降速的总步数5.2.2直流伺服电机的速度控制直流伺服电动机具有良好的调速特性，较大的起动转矩，相对功率大及快速响应等优点。尽管其结构复杂，成本较高，在机电控制系统中作为执行元件还是获得了广泛的应用。 直流电机作为驱动元件的伺服系统称为直流伺服系统。因为直流伺服电机实现调速容易，为一般交流电机所不及，尤其是他励和永磁直流伺服电机，其机械特性比较硬，所以直流电机自20世纪70年代以来，在数控机床上得到了广泛的应用。直流伺服电动机按激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

15、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越重视。一、 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 主要类型 根据磁场产生的方式：直流电机可分为他励式、永磁式、并励式、串励式和复励式五种。永磁式用氧化体、铝镍钴、稀土钴等软磁性材料建立激磁磁场。 按结构：直流伺服电机有一般电枢式、无槽电枢式、印刷电枢式、绕线盘式和空心杯电枢式等，无刷直流伺服电机。根据控制方式：直流伺服电机可分为磁场控制方式和电枢控制方式。永磁直流伺服电机只能采用电枢控制方式，一般电

16、磁式直流伺服电机大多也用电枢控制方式。 在机电一体化设备中：进给系统常用的直流伺服电机主要有以下几种：1小惯性直流伺服电机2大惯量宽调速直流伺服电机（较多采用）直流伺服电机的工作原理直流电机是由磁极（定子）、电枢（转子）和电刷与换向片三部分组成。以他励式直流伺服电机为例，研究直流电机的机械特性。直流电机的工作原理是建立在电磁定律的基础上，即电流切割磁力线，产生电磁转矩，如图7-14所示。电磁电枢回路的电压平衡方程式为： （7-2） （a） 工作原理 （b） 等效电路图7-14 他励直流电机工作原理图式中Ra电机电枢回路的总电阻； Ua电机电枢的端电压；Ia电机电枢的电流； Ea电枢绕组的感应电

17、动势。当励磁磁通恒定时，电枢绕组的感应电动势与转速成正比，则 （7-3）式中 CE电动势常数，表示单位转速时所产生的电动势； n电机转速。电机的电磁转矩为： （7-4）式中 Tm电机电磁转矩； CT转矩常数，表示单位电流所产生的转矩。将式（7-2）、（7-3）和（7-4）联立求解，即可得出他励式直流伺服电机的转速公式 （7-5）其中 （7-6）式中 n0电机理想空载转速。直流电机的转速与转矩的关系称机械特性，机械特性是电机的静态特性，是稳定运行时带动负载的性能，此时，电磁转矩与外负载相等。当电机带动负载时，电机转速与理想转速产生转速差n，它反映了电机机械特性的硬度，n越小，表明机械特性越硬。直

18、流电机的基本调速方式由直流伺服电机的转速公式（7-5）可知，直流电机的基本调速方式有三种，即调节电阻Ra、调节电枢电压Ua调节磁通的值。但电枢电阻调速不经济，而且调速范围有限，很少采用。在调节电枢电压时，若保持电枢电流Ia不变，则磁场磁通保持不变，由式（7-4）可知，电机电磁转矩Tm保持不变，为恒定值，因此称调压调速为恒转矩调速。调磁调速时，通常保持电枢电压Ua为额定电压，由于励磁回路的电流不能超过额定值，因此励磁电流总是向减小的趋势调整，使磁通下降，称为弱磁调速，此时转矩Tm也下降，则转速上升。调速过程中，电枢电压Ua不变，若保持电枢电流Ia也不变，则输出功率维持不变，故调磁调速又称为恒功率

19、调速。直流电机在调节电枢电压和调节磁通调速方式的机械特性曲线如图7-15所示。图中，nN为额定转矩TN时的额定转速，nN为额定转速差。由图7-15 （a）可见，当调节电枢电压时，直流电机的机械特性为一组平行线，即机械特性曲线的斜率不变，而只改变电机的理想转速，保持了原有较硬的机械特性，所以数控机床伺服进给动系统的调速采用调节电枢电压调速方式。由图7-15 （b）可见，调磁调速不但改变了电机的理想转速，而且使直流电机机械特性变软，所以调磁调速主要用于机床主轴电机调速。（a）改变电枢电压时的机械特性 （b）改变磁通时的机械特性图7-15 直流电机的机械特性n的大小与电机的调速范围密切相关。如果n值

20、比较大，不可能实现宽范围的调速。而永磁式直流伺服电机的机械特性的n值比较小，满足于这一要求，因此，进给系统常采用永磁式直流电机。直流速度单元调速控制方式直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式直流伺服电机速度控制单元的作用是将转速指令信号转换成电枢的电压值，达到速度调节的目的。现代直流电机速度控制单元常采用的调速方法有晶闸管（可控硅Semiconductor control rectifier，简称SCR）调速系统和晶体管脉宽调制（Pulse Width Modulation，简称PWM）调速系统。PWM调速控制系统与晶闸管相比，功率晶体管控制电路简单，不需要附加关断电路，开关特性好。目前功率晶

21、体管的耐压性能及制造工艺都已大大得到提高，因此，在中、小功率直流伺服系统中，PWM方式驱动系统已得到了广泛应用。所谓脉宽调制，就是使功率晶体管工作于开关状态，开关频率保持恒定，用改变开关导通时间的方法来调整晶体管的输出，使电机两端得到宽度随时间变化的电压脉冲。当开关在每一周期内的导通时间随时间发生连续地变化时，电机电枢得到的电压的平均值也随时间连续地发生变化，而由于内部的续流电路和电枢电感的滤波作用，电枢上的电流则连续地改变，从而达到调节电机转速的目的。脉宽调制基本原理如图7-18所示，若脉冲的周期固定为T，在一个周期内高电平持续的时间（导通时间）为Ton，高电平持续的时间与脉冲周期的比值称为

22、占空比，则图中直流电机电压的平均值为： （77）式中 E电源电压；占空比，01。 （a）原理图 （b）控制电压、电枢电压和电流的波形图7-18 PWM脉宽调制原理图当电路中开关功率晶体管关断时，由二极管VD续流，电机便可以得到连续电流。实际的PWM系统先产生微电压脉宽调制信号，再由该脉冲信号去控制功率晶体管的导通与关断。1）晶体管脉宽调制系统的组成原理图7-19为脉宽调制系统组成原理图。该系统由控制部分、功率晶体管放大器和全波整流器三部分组成。控制部分包括速度调节器、电流调节器、固定频率振荡器、三角波发生器、脉宽调制器和基极驱动电路。其中速度调节器和电流调节器与晶闸管调速系统相同，控制方法仍然

23、是采用双环控制。不同部分是脉宽调制器、基极驱动电路和功率放大。图7.19 脉宽调制系统原理晶体管脉宽调制系统有以下特点：频带宽 晶体管的结电容小，截止频率高，比可控硅高一个数量级，因此PWM系统的开关工作频率一般为2kHz，有的高达5kHz，使电流的脉动频率远远超过机械系统的固有频率，避免机械系统由于机电耦合产生共振。另外，可控硅调速系统开关频率依赖于电源的供电频率，无法提高系统的开关工作频率。因此系统的响应速度受到限制。而PWM系统在与小惯量电机相匹配时，可充分发挥系统的性能，获得很宽的频带，使整体系统的响应速度增高，能实现极快的定位速度和很高的定位精度，适合于起动频繁的工作场合。电流脉动小

24、 电机为感性负载，电路的电感值与频率成正比，因而电流的脉动幅值随开关频率的升高而降低。PWM系统的电流脉动系数接近于1，电机内部发热小，输出转矩平稳，有利于电机低速运行。电源功率因数高 在可控硅调速系统中，随开关导通角的变化，电源电流发生畸变，在工作过程中，电流为非正弦波，从而降低了功率因数，且给电网造成污染。这种情况，导通角越小越严重。而PWM系统的直流电源，相当于可控制硅导通角最大时的工作状态，功率因数可达90。动态硬度好 PWM系统的频带宽，校正伺服系统负载瞬时扰动的能力强，提高了系统的动态硬度，且具有良好的线性，尤其是接近零点处的线性好。2）脉宽调制器脉宽调制器的作用是将电压量转换成可

25、由控制信号调节的矩形脉冲，即为功率晶体管的基极提供一个宽度可由速度指令信号调节且与之成比例的脉宽电压。在PWM调速系统中，电压量为电流调节器输出的直流电压量，该电压量是由数控装置插补器输出的速度指令转化而来。经过脉宽调制器变为周期固定、脉宽可变的脉冲信号，脉冲宽度的变化随着速度指令而变化。由于脉冲周期不变，脉冲宽度的改变将使脉冲平均电压改变。脉宽调制器种类很多，但从结构上看，都是由调制信号发生器和比较放大器两部分组成。调制信号发生器有三角波和锯齿波两种。下面以三角波发生器为例，介绍脉宽调制的原理，结构如图7-22所示，这种结构适合于双极性可逆式开关功率放大器。（a）三角波发生器 （b）、（c）

26、比较放大器 （d）电压波形和电枢的电流波形图7-20 脉冲调制器图7-20（a）为三角波发生器，三角波发生器由二级运算放大器组成。第一级运算放大器Q1是频率确定的自激方波发生器，其输出端输出方波给前一级的积分器Q2（由运算放大器Q2构成），形成三角波。它的工作过程如下：设在电源接通瞬间，放大器Q1的输出电压uB为其负电源电压ud，被送到Q2的反向输入端。Q2组成积分器，输出电压uA按线性比例关系逐渐上升。同时uA又通过R5反馈到Ql的输入端，形成正反馈，与uB（通过R2反馈到Q1的输入端）进行比较，当比较结果大于零时，Ql立即翻转。由于正反馈的作用，其输出uB瞬时达到最大值+ud，即Ql的正电

27、压值。此时，tt1，uA（R5R2）ud。在t1tT时间区间内，由于Q2的输入端为+ud，所以积分器Q2的输出uA线性下降。当tT时，uA与uB的比较结果略小于零，Q1再次翻转回原来的状态ud，即uBud ，而uA（R5R2）ud。如此反复，形成自激振荡，于是Q2的输出端便得到一串的三角波电压信号uA。图7-20（b）、（c）为比较放大电路，这部分电路实现了如图所示的u1、u2、u3和u4的电压波形。晶体管VTl、VT2、VT3和VT4的基极输入分别与比较器Q3、Q4、Q5和Q6的输出相联，输出波形与放大器的输出波形相对应，在系统中起驱动放大的作用。这4个比较器输入的比较电压信号都是控制电压u

28、er（由电流调节器输出）和三角波信号uA。uer和uA直接求和信号分别输出给Q3的负输出端和Q4的正输入端。uer通过Q7求反后和uA直接求和信号分别输出给Q5的负输出端和Q6的正输入端。这样Q3和Q4的输出电平相反，Q5和Q6的输出电平相反。当控制电压uer0时，各比较器输出的基集驱动信号皆为方波，而4个晶体管VTl、VT2、VT3和VT4的基极输入信号u1、u2、u3和u4也是方波。如图7-22 （d）所示，当控制电压uer0时，ul的高电平宽度小于低电平，而u2的高低电平宽度正好与ul相反；u3的高电平宽度大于低电平，而u4的高低电平宽度正好与u3相反。同样可以分析出uer0时情况。可见

29、，改变控制电压uer，即可改变输出电压uAB的波形宽度，这就实现了脉宽调制。直流伺服电机的选用 4条主要原则 （1）整个调速范围内，工作负荷转矩应在电动机连续额定转矩范围以内 （2）最大切削转矩的倍数设定应在电机的载荷特性范围之内 （3）加减速时，应工作在加减速工作区内 （4）负载惯量应小于转子惯量的3倍 5.2.3 交流电机的速度控制直流伺服电机存在的缺点1）有电刷，维护难度大2）换向器火花，速度受限，影响环境3）复杂，成本高， 交流电机的出现直流电机在使用上受到一定的限制。而近年来交流电机的飞速发展，它不仅克服了直流电机结构上存在整流子、电刷维护困难、造价高、寿命短、应用环境受限等缺点，同

30、时又充分发挥了交流电机坚固耐用、经济可靠、动态响应好，输出功率大等优点。因此，在某些场合，交流伺服电机已逐渐取代直流伺服电机。1.交流伺服电机的种类和特点在机电一体化设备上应用的交流电机一般都为三相。（1）交流伺服电机按运转模式分为异步型交流伺服电机同步型交流伺服电机。（2）异步型交流伺服电机相当于交流感应异步电机，它与同容量的直流电机相比，重量轻，价格便宜；它的缺点是其转速受负载的变化影响较大，同时不能经济地实现范围较广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流，因而会使电网功率因数变坏。所以进给运动一般不用异步型交流伺服电机，而用在主轴驱动系统中。 （3）从建立所需气隙磁场的磁势源来说，同步

31、型交流电机可分为电磁式同步型交流伺服电机非电磁式同步型交流伺服电机两大类。（4） 非电磁式同步型交流伺服电机又有磁滞式同步型交流伺服电机、永磁式同步型交流伺服电机反应式同步型交流伺服电机多种。其中磁滞式和反应式同步电机存在效率低、功率因数差、制造容量不大等缺点。永磁式同步电机与电磁式同步电机相比，其优点是结构简单、运行可靠效率高；缺点是体积大、起动特性欠佳。但采用高剩磁感应、高矫顽力的稀土类磁铁材料后，电机在外形尺寸、重量及转子惯量方面都比直流电机大幅减小。与异步交流伺服电机相比，由于采用永磁铁励磁消除了励磁损耗，所以效率高；其体积也比异步交流伺服电机小。所以在数控机床进给驱动系统中多数采用永

32、磁式同步电机。由电工学原理可知，在电机定子的三相绕组通以三相交流电时，就会产生旋转磁场，这个磁场切割转子中的导体，导体感应电流与定子磁场相作用产生电磁转矩，从而推动转子转动，其转速nr为： （7-9）式中 ns同步转速，r/min；f1交流供电电源频率（定子供电频率），Hz；s转差率，s= nsnr/ ns；p极对数。同感应式伺服电机一样，交流主轴电机需要转速差才能产生电磁转矩，所以电机的转速低于同步转速，转速差随外负载的增大而增大。2. 永磁式交流同步伺服电机的工作原理永磁式交流同步电机永磁式交流同步电机由定子、转子和检测元件三部分组成，其工作原理与电磁式同步电机的工作原理相同，即定子三相绕

33、组产生的空间旋转磁场和转子磁场相互作用，带动转子一起旋转；所不同的是转子磁极不是由转子的三相绕组产生，而是由永久磁铁产生，其工作过程如图7-24所示，当定子三相绕组通以交流电后，产生一旋转磁场，这个旋转磁场以同步转速ns旋转。根据磁极的同性相斥、异性相吸的原理，定子旋转磁场与转子永久磁场磁极相互吸引，并带动转子一起旋转，因此转子也将以同步转速ns旋转。当转子轴加上外负载转矩时，转子磁极的轴线将与定子磁极的轴线相差一个角，若负载越大，也随之增大。只要外负载不超过一定限度，转子就会与定子旋转磁场一起旋转。若设其转速为nr，则：nrns60f1p （7-8）式中 f1交流供电电源频率（定子供电频率）

34、，Hz；p定子和转子的极对数。图7-24 永磁式交流同步电机的工作原理永磁式交流同步伺服电机的转速转矩曲线如图7-25所示。曲线分为连续工作区和断续工作区两部分。在连续工作区内，速度与转矩的任何组合，都可以连续工作。连续工作区的划分有两个条件：一是供给电机的电流是理想的正弦波；二是电机工作在某一特定的温度下。断续工作区的极限，一般受到电机的供电限制。交流电机的机械特性一般要比直流电机硬。另外，断续工作区较大时，有利于提高电机的加、减速能力，尤其是在高速区。图7-25 永磁式交流同步电机工作特性曲线I连续工作区；断续工作区永磁式交流同步电机的缺点是起动难。这是由于转子本身的惯量、定子与转子之间的

35、转速差过大，使转子在起动时所受的电磁转矩的平均值为零所致，因此电机难以启动。解决的办法是在设计时设法减小电机的转动惯量，或在速度控制单元中采取先低速后高速的控制方法。2. 永磁式交流同步伺服电机的速度控制单元（1）SPWM调频调速原理只要改变交流伺服电机的供电频率，即可改变交流伺服电机的转速，所以交流伺服电机调速应用最多的是变频调速。变频调速的主要环节是为电机提供频率可变电源的变频器。变频器可分为交交变频和交直交变频两种，如图7-27所示。交交变频，利用可控硅整流器直接将工频交流电（频率50Hz）变成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲，反组输出负脉冲，这个脉动交流电的基波就是所需的变频电压。

36、但这种方法所得到的交流电波动比较大，而且最大频率即为变频器输入的工频电压频率。交直交变频方式是先将交流电整流成直流电，然后将直流电压变成矩形脉冲波电压，这个矩形脉冲波的基波就是所需的变频电压。这种调频方式所得交流电的波动小，调频范围比较宽，调节线性度好。数控机床上常采用交直交变频调速。在交直交变频中，根据中间直流电压是否可调，可分为中间直流电压可调PWM逆变器和中间直流电压固定的PWM逆变器；根据中间直流电路上的储能元件是大电容还是大电感，可分为电压型逆变器和电流型逆变器。 （a）交交变频 （b）交直交变频图7-27 两种变频方式SPWM变频器是目前应用最广、最基本的一种交直交型电压型变频器，

37、也称为正弦波PWM变频器，具有输入功率因数高和输出波形好等优点，不仅适用于永磁式交流同步电机，也适用于交流感应异步电机，在交流调速系统中获得广泛应用。SPWM逆变器是用来产生正弦脉宽调制波，如图7-28所示，正弦波的形成原理是把一个正弦半波分成N等分，然后把每一等分的正弦曲线与横坐标所包围的面积都用一个与此面积相等的高矩形脉冲来代替，这样可得到N个等高而不等宽的脉冲。这N个脉冲对应着一个正弦波的半周。对正弦波的负半周也采取同样处理，得到相应的2N个脉冲，这就是与正弦波等效的正弦脉宽调制波，即SPWM波。图7-28 与正弦波等效的矩形脉冲波SPWM波形可采用模拟电路、以“调制”方法实现。SPWM

38、调制是用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲去逼近一个所需要的电压信号，它是利用三角波电压与正弦参考电压相比较，以确定各分段矩形脉冲的宽度。图7-29所示为三角波调制法原理图，在电压比较器Q的两输入端分别输入正弦波参考电压UR和频率与幅值固定不变的三角波电压U，在Q的输出端便得到PWM调制电压脉冲。PWM脉冲宽度确定可由图7-29（b）看出，当UUR时，Q输出端为高电平；而UUR时，Q输出端为低电平。UR与U的交点之间的距离随正弦波的大小而变化，而交点之间的距离决定了比较器Q输出脉冲的宽度，因而可以得到幅值相等而宽度不等的PWM脉冲调制信号UP，且该信号的频率与三角波电压U相同。（a） 电路原理图 （

39、b） PWM脉冲的形成图7-29 三角波调制法原理要获得三相SPWM脉宽调制波形，则需要三个互成120°的控制电压UA、UB、UC分别与同一三角波比较，获得三路互成120°SPWM脉宽调制波U0A、U0B、U0C，如图7-30所示为三相SPWM波的调制原理，而三相控制电压UA、UB、UC的幅值和频率都是可调的。三角波频率为正弦波频率3倍的整数倍，所以保证了三路脉冲调制波形U0A、U0B、U0C和时间轴所组成的面积随时间的变化互成120°相位角。图7-30 三相SPWM控制电路框图三相电压型SPWM变频器的主回路如图7-31所示。该回路由两部分组成，即左侧的桥式整流

40、电路和右侧的逆变器电路，逆变器是其核心。桥式整流电路的作用是将三相工频交流电变成直流电；而逆变器的作用则是将整流电路输出的直流电压逆变成三相交流电，驱动电机运行。直流电源并联有大容量电容器件Cd，由于存在这个大电容，直流输出电压具有电压源特性，内阻很小，这使逆变器的交流输出电压被钳位为矩形波，与负载性质无关，交流输出电流的波形与相位则由负载功率因数决定。在异步电机变频调速系统中，这个大电容同时又是缓冲负载无功功率的贮能元件。直流回路电感Ld起限流作用，电感量很小。图7-31 双极性SPWM变频器主电路 （3）交流伺服电机的矢量控制矢量控制又称磁场定向控制，是由德国FBlasche于1971年提

41、出的。交流伺服电机可以利用SPWM进行矢量变频调速控制，使得交流调速真正获得如同直流调速同样优良的理想性能。经过30多年的工业实践的考验、改进和提高，目前广泛应用工业生产实践中。1矢量控制的基本原理直流电动机能获得优异的调速性能，其根本原因是与电机电磁转矩Tm相关的是互相独立的两个变量励磁磁通和电枢电流Ia。由直流电机理论可知，如果补偿绕组完全补偿了电枢反应，即完全克服了电枢电流对励磁磁通的影响，若略去磁路饱和的影响，电刷又置于几何中心线上，则励磁磁通仅正比于励磁电流，而与电枢电流Ia无关。在空间上，励磁磁通与电枢电流Ia正交，使与Ia形成两个独立变量，由直流电动机电磁转矩表达式（7-4）可知

42、，分别控制励磁电流和电枢电流，即可方便地进行转矩与转速的线性控制。而交流电机则不同，根据交流电机理论中异步电机电磁转矩关系式（7-12）可知，其电磁转矩与气隙磁通m和转子电流I2成正比，交流电机的定子通三相正弦对称交流电时产生随时间和空间都在变化的旋转磁场，因而磁通是空间交变矢量。磁通m与转子电流I2不正交，它们不再是独立的变量，因此对它们不可能分别调节和控制。交流电机矢量控制的基本思想就是利用“等效”的概念，将三相交流电机输入的电流（矢量）变换为等效的直流电机中彼此独立的励磁电流和电枢电流（标量），建立起交流电机的等效数学模型，然后和直流电机一样，通过对这两个量的反馈控制，实现对电机的转矩控

43、制；再通过相反的变换，将被控制的等效直流电机还原为三相交流电机，那么三相交流电机的调速性能就完全体现了直流电机的调速性能。等效变换的准则是，变换前后必须产生同样的旋转磁场。板书设计： 步进电机伺服系统系统 步进电机单电压驱动电路步进电机双电压驱动电路 （a） 工作原理 （b） 等效电路 他励直流电机工作原理图（a）改变电枢电压时的机械特性 （b）改变磁通时的机械特性 直流电机的机械特性 （a）原理图 （b）控制电压、电枢电压和电流的波形 PWM脉宽调制原理图图7-27 两种变频方式（a） 电路原理图 （b） PWM脉冲的形成 三角波调制法原理双极性SPWM变频器主电路其他： 相关标题，主要内容

44、要点等按常规进行书写 要求板书清晰整洁美观，图面大小适度规范，无错字别字和不规范文字符号 作业： 1简述三相步进伺服电机三相单三拍、三相双三拍和三相六拍的脉冲分配方式和技术特点 2简述步进电机三类主要的驱动电路的技术特点 3. 简述直流伺服电机PWM调速的技术特点 课后教学小结：1讲清步进电机的基本原理，驱动电路，有助于后续数控课的教学内容的讲授2讲清直流/交流伺服电机的基本原理，速度控制单元工作原理，结合位置控制，讲述开环和闭环控制相关内容3通过课件图片和加工过程录相资料片的播放，加深速度控制单元的感性理解 作业中存在的主要问题：部分学生的习题简述步进电机三类主要的驱动电路的技术特点存在错误

45、其余无明显作业问题 淮南联合大学教师授课教案章节名称 第5章 常用控制方式教学名称第3节 轨迹控制教学时数 学时 2教学目标1理解机电一体化系统轨迹控制概念和应用的技术意义2掌握脉冲增量插补的基本原理，掌握插补的基本环节，掌握插补的不同线形的偏差计算公式3理解数据采样插补的概念，基本内容，步骤，应用适应性 课程重点难点1. 脉冲增量插补的基本原理，掌握插补的基本环节2. 冲增量插补不同线形的偏差计算推导教学方法及手段1课堂理论课讲授2多媒体教学课件播放辅助教学教学过程及时间分配：1轨迹插补的概念直线和圆弧是构成工件轮廓的基本线条。因此大多数CNC系统一般都具有直线和圆弧的插补功能，只有在某些高

46、档的CNC系统才具有抛物线、螺旋线插补功能。因此这里只限于讨论直线和圆弧的插补算法。 一般零件程序都是给出直线的起点和终点、圆弧的起点和终点、逆圆还是顺圆及圆心相对于起点的偏移量或圆弧半径。此外还要给出轮廓送给速度和刀具参数。插补的任务就是要根据进给速度的要求，在轮廓起点和终点之间计算出若干个中间点的坐标值。这种情况与要求曲线的逼近误差应小于一个脉冲当量。由于每个中间点计算所需的时间直接影响系统的控制速度，而插补中间点的计算至关重要，可以说插补是整个CNC系统控制软件的核心。人们一直在努力探求一种简单而有效的插补算法。目前应用的插补算法分为以下两类。CNC系统的一个最基本的任务，就是由根据被加

47、工零件的外形轮廓尺寸以及精度要求编制的加工程序，计算出机床的各坐标轴的进给指令，分别驱动各运动坐标轴产生协调运动，以获得刀具相对于工件的理想运动轨迹。在这个处理过程中，采用的是插补方法。在实际应用中，常常采用一小段直线或圆弧去进行逼近，有些场合也可以用抛物线、椭圆、双曲线和其他高次曲线去逼近（或称为拟合）。所谓插补，是指数据密化的过程。此过程自动地完成整个线段的轨迹运行，以满足加工精度的要求。2.插补方法的分类1)基准脉冲插补 （脉冲增量插补，行程标量插补） （1）特点： 每次插补结束，向规定的座标轴伺服系统输出进给脉冲（若干进给脉冲构成脉冲序列） 脉冲序列的脉冲个数位移长度 脉冲序列的脉冲频

48、率位移速度 脉冲序列的脉冲分配方式 位移方向 单个脉冲产生的伺服电机转交步距角 单个脉冲产生的机械位移量脉冲当量 （2）常用的脉冲增量插补 逐点比较法插补 数字积分法插补 数字脉冲乘法器法 比较积分法 最小偏差法 矢量判别法 单步追踪法 直接函数法 （3）脉冲增量插补应用：步进开环系统2)数据采样插补 （数据增量插补，时间标量插补） （1）特点这类插补算法的特点是插补运算分两步完成。第一步为粗插补，它是在给定起点和终点的曲线之间插入若干条微小直线段来逼近给定曲线，每一微小直线段的长度 。粗插补的特点是把给定的一条曲线用一组直线段来逼近。第二步为精插补，它是在粗插补算出的每一条微小直线段上再做“数据点的密化”工作，这一步相当于对直线的脉冲增量插补。（2）常用的数据采样插补扩展数字积分法直接函数法双数字积分法角度逼近圆弧插补法二阶递归扩展数字积分法 （3）数据采样插补应用这种分二次插补的方法适用于闭环和半闭环的直流或交流伺服系统；粗插补在每个插补周期内计算出坐标位置增量值，而精插补则在每个采样周期内将闭环和半闭环反馈位置增量值及插补输出的指令位置增量值相比较，求得跟随误差。根据所求得的跟随误差算出相应轴的进给速度指令，再输出给驱动装置。在实用中，粗插补