控制电动机与其选择计算

1、控制电动机与其选择计算1第4章 控制电动机及其选择计算 4.1步进电动机及其控制步进电动机及其控制4.2直流伺服电动机及其控制直流伺服电动机及其控制4.3 交流伺服电动机及其控制交流伺服电动机及其控制4.4 直线电动机直线电动机4.5 控制电动机选择与计算实控制电动机选择与计算实例例控制电动机与其选择计算2 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。控制电动机与其选择计算34-1伺服电动机控制方式的基本形式控制电动机与其选择计算4图4-2 执行元件

2、的种类交流(AC)伺服电动机直流(DC)伺服电动机步进电机其它电机双金属片形状记忆合金压电元件其它电磁铁及其它与材料有关气压马达气 缸液压马达油 缸电动机电磁式液压式气压式执行元件控制电动机与其选择计算5(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气体。 控制电动机与其选择计算64.1步进电动机及其控制步进电动机及其控制 一、步进电动机的结构与工作原理

3、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。控制电动机与其选择计算7图4-12 步进电动机运动原理图 W相通电V相通电U相通电逆时针旋转30逆时针旋转30逆时针旋转30控制电动机与其选择计算8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，为了减少每通电一次的转

4、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。控制电动机与其选择计算9图4-13 三相反应式步进电动机控制电动机与其选择计算10二、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

5、采用双相通电方式时，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。 控制电动机与其选择计算11一般情况下，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

6、式下工作时的矩频特性曲线。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。控制电动机与其选择计算12图4-14 不同通电方式时的矩频特性双三拍六拍单三拍0500100015000.10.20.3f / HzT / Nm控制电动机与其选择计算13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

7、越小，位移的控制精度越高。 kmz360控制电动机与其选择计算14三、 步进电动机的使用特性 （1） 步距误差。 （2） 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。 控制电动机与其选择计算15图4-15 启动矩频特性3200f / Hz240016008001.9603.92T / Nm控制电动机与其选择计算16（4）运行矩频特性。图4-16是90BF002型步进电动机

8、的运行矩频特性曲线。 控制电动机与其选择计算17图4-16 运行矩频特性f / Hz20000400060008000T / Nm1.963.92控制电动机与其选择计算18（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，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。 控制电动机与其选择计算19图 4-17 开环步进电动机控制系统框图环 形分 配 器功 率驱 动 器步 进电

9、动 机负 载指 令 脉 冲输 出控制电动机与其选择计算20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

10、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。 控制电动机与其选择计算21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拍线路图如图4-18所示。 控制电动机与其选择计算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UDJ3LJ3rWVUR*R

11、J6rJ6LUsCPEN16151413121110912345678(a)控制电动机与其选择计算23 图4-18 环形分配器CH250引脚图(a) 引脚功能； (b) 三相六拍线路图方向CP100 k1 F21791016612 V111213R*RCPJ6LJ6rJ3rJ3LUs14 158WVUENUD(b)控制电动机与其选择计算242） 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

12、相同）。 控制电动机与其选择计算25图4-19 单电源驱动电路560 R1uU 6 V3.6 V0.3 V680 R3470 R220 R4 5 VV1V2Ub3b3 E0步 进 电动 机 绕组VDV3R0C1C210 R7390 R5控制电动机与其选择计算26(2）双电源驱动电路。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。 控制电动机与其选择计算27图4-20 高、低压驱动电路低 压 控 制 电 路高 压 控 制 电 路uU控 制 信号低 压 输 入 信 号步 进 电 动 机 绕 组高 压 输 入 信 号 Ug(高 压 )VgVD 1VD 2VdRf1

13、Rf2Ud(低 压 )控制电动机与其选择计算28(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。控制电动机与其选择计算29图4-21 斩波限流驱动电路波形图ttOOiu控制电动机与其选择计算30图4-22 斩波限流驱动电路 OTV1U115 V3 kR11 kR2510 R48 R5V20.01FC1VD2TVD3V4VD4VD6U3100 VWV5U25 V1 kR

14、3VD1V38 R63 kR7R951 R81 kUrefR100.27 VD5VD7OP控制电动机与其选择计算31五、步进电动机的选用 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。 控制电动机与其选择计算324.2直流伺服电动机直流伺服电动机一.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

15、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。控制电动机与其选择计算334.2直流伺服电动机直流伺服电动机 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；控制电动机与其选择计算344.2直流伺服电动机直流伺服电动机 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。 控制电

16、动机与其选择计算35图4-3 直流伺服电动机基本结构磁极电枢导体磁极NSnA电刷换向片B控制电动机与其选择计算36控制电动机与其选择计算37四.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。 控制电动机与其选择计算

17、38图4-10 半闭环伺服系统结构原理图工 作 台伺 服驱 动 器伺 服电 动 机减 速 器转 角 传 感 器输 入 指 令速 度传 感 器控制电动机与其选择计算39图4-11 闭环伺服系统结构原理图伺服驱动器伺服电动机减速器位移传感器输入指令速度传感器工作台控制电动机与其选择计算40控制电动机与其选择计算41五.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

18、电压的大小使直流电机电枢电压的变化易平滑调速。控制电动机与其选择计算42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udOug1, ug4Oug2, ug3O t t tudRidug2ug1V1V2ug3V3ug4V4au2u1(a)(b)Tb控制电动机与其选择计算43UsRP1R0R0RbUfn-+U+R1IdRP2GUcUd-+UaML图47 带 有 转 速 负 反 馈 的 单 闭 环 直 流 调 速 系 统 原 理 图控制电动机与其选择计算44 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

19、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，又称占空比或占空系数。01TaUUdtUUTT控制电动机与其选择计算45MdIdUSU0Ut2dU1dUT只要改变导通时间就可改变电枢两端的平均电压控制电动机与其选择计算46六.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+_控制电动机与其选择计算47七. 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控制电动机与其选择计算48Ul0tUTtUI+UTtUS(UP)tUl0tUS(UP)tUS(UP)tUI+UTtUI+UTtUl0tUTtUTtTUTPP图图414 PWM脉宽调制波形脉宽调制波形（a）（b）(c)控制电动机与其选择计算49（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