第三章下执行元件及控制用电机四

第三章下执行元件及控制用电机四一、执行元件类型、特点及要求二、机电系统常用控制电机三、步进电机及其控制机电系统中离不开执行机构提供动力。如数控机床的主轴转动、工作台的进给运动以及工业机器人手臂升降、回转和伸缩运动等所用驱动部件又称执行元件，是处于执行机构与电子控制装置的接点部位的能量转换部件。它能在电子控制装置控制下，将输人的各种形式的能量转换为机械能，例如电动机、液动机、气缸、内燃机、电磁铁、继电器等分别把输入的电能、液压能、气压能和化学能转换为机械能。由于大多数执行元件已作为系列化商品生产，故在设计机电一体化系统或产品时。可作为标准件选用、外购。一、执行元件类型及特点、基本要求1.电气执行元件电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流（AC）伺服电机、步进电机以及电磁铁、磁致伸缩器件、压电元件，是最常用的执行元件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性能好，适合于频繁使用，便于维修等2．液压式执行元件液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点3．气压式执行元件气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。一、执行元件类型及特点、基本要求一、执行元件类型及特点、基本要求1.惯量小、动力大表征执行元件惯量的性能指标：对直线运动为质量m，对回转运动为转动惯量J。表征输出动力的性能指标为推力F、转矩T或功率P。表征动力大小的综合性指标称为比功率。它包含了功率、加速性能和转速三种因素：比功率=Pε/ω=ωT2/J（kWs-1）一、执行元件类型及特点、基本要求2.体积小、重量轻

既要缩小执行元件的体积、减轻重量，同时又要增大其动力，故通常用执行元件的单位重量所能达到的输出功率或比功率，即用功率密度或比功率密度来评价这项指标。设执行元件的重量为G，则功率密度=P/G(kWN-1),比功率密度=(T2/J)/G(kWs-1N-1)3.便于维修、安装执行元件最好不需要维修。最新发展起来的无刷DC及AC伺服电机就是走向无维修的例子。

4.宜于微机控制根据这个要求，用微机控制最方便的是电动式执行元件。因此机电一体化系统所用执行元件的主流是电动式，其次是液动和气动式(在驱动接口中需要增加电一液或电一气变换环节)。内燃机运动的微机控制较难，故通常仅用于交通运输机械。控制用电机有回转和直线驱动电机，通过电压、电流、频率（包括指令脉冲）等控制，实现定速、变速驱动或反复启动、停止的增量驱动以及复杂的驱动，而驱动精度随驱动对象的不同而不同。机电一体化产品中常用的控制用电机是指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电机。对控制电机的基本要求1.性能密度大、即功率密度和比功率大；2.快速性好，即加速转矩大，频响特性好；3.位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳无爬行现象、分辨率高、振动噪声小；4.适应启、停频繁的工作要求；5.可靠性高、寿命长。控制用旋转电机按其工作原理可分为旋转磁场型和旋转电枢型。前者有同步电机(永磁)、步进电机(永磁);后者有直流电机(永磁)、感应电机(按矢量控制等效模型)。具体的可细分为:DC伺服电机(永磁)可分为:有槽铁芯电枢型、无槽(平滑型)铁芯电枢型、电枢型(无槽(平滑)铁芯型与无铁芯型)。AC伺服电机分同步型(SM),感应型(IM)。步进电机分变磁阻型(VR)、永磁型(PM),混合型(HB)。在自动控制系统中，伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱动被控对象，当信号电压的大小和极性(或相位)发生变化时，电动机的转速和转向将快速、准确地跟着变化。目前常用的伺服电动机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机。二、机电系统常用控制电机1、直流（DC）伺服电机直流（DC）伺服电机的结构和工作原理与一般普通直流电机相同，只是转子的转动惯量比普通直流电机小，即转子做得细长。

二、机电系统常用控制电机直流电机转矩平衡方程：T=CTΦIa(1)调速方式直流伺服电机的机械特性方程为：式中——电枢控制电压；一电枢回路电阻；—每极磁通；、—分别为电动机的结构常数。直流电机的输出电磁转矩表达式为：

二、机电系统常用控制电机由上式知，直流伺服电机的控制方式如下：二、机电系统常用控制电机（2）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速）（1）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速）常用的是前面2种调速方式。（3）改变电枢回路电阻调速直流伺服电机接线原理图。二、机电系统常用控制电机2.直流伺服电机驱动（1）可控硅直流调速原理（2）脉宽调制（PWM）直流调速驱动控制称导通率或占空比续流二级管PWM控制原理2.交流伺服电动机二、机电系统常用控制电机杯形转子伺服电动机的结构图1—励磁绕组2—控制绕组3—内定子4—外定子5—转子交流伺服电动机的接线图(1)幅值控制原理:励磁绕组WF接到电压为Uf的交流电网上，控制绕组接到控制电压Uc上，当有控制信号输入时，两相绕组便产生旋转磁场。该磁场与转子中的感应电流相互作用产生转矩，使转子跟着旋转磁场以一定的转差率转动起来，其旋转速度为式中，f为交流电源频率(Hz)；p为磁极对数；n0为电动机旋转磁场转速(r/min)；s为转差率。

二、机电系统常用控制电机控制原理:二、机电系统常用控制电机幅值控制原理图不同控制电压下的机械特性曲线由右图可知，在一定负载转矩下，控制电压越高，转差率越小，电动机的转速就越高，不同的控制电压对应着不同的转速。这种维持与相位差为90º，利用改变控制电压幅值大小来改变转速的方法，称为幅值控制方法。

（2）SM型伺服电机控制原理：（3）IM型伺服电机控制原理矢量控制框图五、步进电机种类及其工作原理1）.定义：是一种将电脉冲信号转换成角位移的电磁执行元件。2）、步进电机工作时的两种状态：转动状态：输入脉冲时，即可转动。定位状态：在电源的激励下，气隙磁场能保持原有位置不变。即：步进电机的工作过程是：定位靠电源，转动靠脉冲。三、步进电动机及其控制3）步进电机特点:①步进电机的工作状态不易受各种干扰因素(如电源电压的波动、电流的大小与波形的变化、温度等)的影响；②步进电机的步距角的累积误差，在转子转过一圈以后，其变为“零”；③控制性能好。五、步进电机种类及其工作原理1、步进电机的种类按运动形式：旋转式步进电机，直线步进电机。从励磁相数来分：有三相、四相、五相、六相等步进电机。就常用的旋转式步进电机来说，按转子结构不同，将其分为以下三种：可变磁阻型(VB—VariableReluctance)永磁型(PM型—PermanentMagnetType)混合型(HB型—HybridType)五、步进电机种类及其工作原理（1）可变磁阻型（VR型）定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制的齿形转子作步进驱动，故又称作反应式步进电机。转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。由于其铁芯无极性，常有吸引力，故不需改变电流极性，为此，多为单极性励磁。该类电机在无励磁时没有保持力。五、步进电机种类及其工作原理（2）永磁型（PM型）PM型步进电机的转子2采用永久磁铁、定子1采用软磁钢制成，绕组3轮流通电，建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩。特点：1.可用作定位驱动，2.步距角较大。五、步进电机种类及其工作原理(3)混合型(HB型)它不仅具有VR型步进电机步距角小、响应频率高的优点，而且还具有PM型步进电机励磁功率小、效率高的优点，故称为混合型步进电机。五、步进电机种类及其工作原理

混合型与永磁型多为双极性励磁。由于都采用了永久磁铁，所以，无励磁时具有保持力。另外，励磁时的静止转矩都比VR型步进电机的大。HB和PM型步进电机能够用作超低速同步电机，如：用60Hz驱动每步1.8°的电机可作为72r/min的同步电机使用。步进电机与DC和AC伺服电机相比：缺点：转矩、效率、精度、高速性能较差。优点：低速时转矩大，速度控制比较简单，外形尺寸小等。所以在办公室自动化方面的打印机、绘图机、复印机等机电一体化产品中得到广泛使用。五、步进电机种类及其工作原理1、工作原理(以VR为例)

当第一个脉冲通入A相时，磁通企图沿着磁阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的1、3齿要和A级对齐。当下一个脉冲通入B相时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭合，即2、4齿要和B级对齐，则转子就顺逆时针方向转动一定的角度。五、步进电机种类及其工作原理若通电脉冲的次序为A、C、B、A…，则不难推出，转子将以顺时针方向一步步地旋转。这样，用不同的脉冲通入次序方式就可以实观对步进电动机的控制。脉冲的数量控制电机的转角；脉冲的频率控制电机的转速；脉冲的通入次序控制电机的方向。定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上述的通电方式称为三相单三拍。所谓“单”是指每次只有一相绕组通电；所谓“三拍”是指经过三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。五、步进电机种类及其工作原理三相三拍通电：1）三相单三拍A→B→C→A2）三相双三拍AB→BC→CA→AB五、步进电机种类及其工作原理三相六拍通电方式A→AB→B→BC→C→CA→A五、步进电机种类及其工作原理三相六拍通电方式：AABBBCCCAA逆时针AACCCBBBAA顺时针相数：N=3齿数：z=4通电方式系数K：相邻两次通电的相数一样时，K=1相邻两次通电的相数不一样时，K=2转一转需要的脉冲数为：zm=ZN

K=3×4×2=24步距角a（一个脉冲转过的角度）为：五、步进电机种类及其工作原理思考：步进电机的定子每个磁极上制成5个齿，转子齿数40，两种小齿齿宽和齿距相等，问其步距角为？（以VR型步进电机为例）。五、步进电机种类及其工作原理

(1)分辨力（步距角）

步进电动机走一步所转过的角度称为步距角，可按下面公式计算 式中为步距角；为转子上的齿数；为步进电动机运行的拍数。同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时步距角也是不同的。六、步进电机的运行特性及性能指标（2）静态特性。指它在稳定状态时的特性，包括：1）失调角：如果在电机转子轴上加一负载转矩TL，则转子齿的中心线与定子齿的中心线将错过一个电角度θe，才能重新稳定下来。θe为失调角。2）最大静转矩：当θe=90时，其静态转矩Tj为最大静转矩。3）矩—角特性，六、步进电机的运行特性及性能指标(3)动态特性：

①动态稳定区。由图3-17可知，步进电机从A相通电状态切换到B相(或AB相)通电状态时，不至引起丢步，该区域被称为动态稳定区。裕量角θr六、步进电机的运行特性及性能指标②起动转矩Tq。图3-17中A相与B相矩—角特性曲线之交点所对应的转矩Tq被称为起动转矩，它表示步进电机单相励磁时所能带动的极限负载转矩。起动转矩通常与步进电机相数和通电方式有关。见P89/表3-7。六、步进电机的运行特性及性能指标③输出扭矩（矩频特性）：是指与步进电机的各种转速相对应的输出扭矩。其是步进电机的一个主要参数。最高连续运行的工作频率：连续运行的最高工作频率：连续运行时步进电机所能接受的最高频率。一般情况下，最高工作频率大于最高启动频率，原因是：（1）启动时有较大的惯性扭矩；（2）启动时有加速度存在。六、步进电机的运行特性及性能指标④最高启动脉冲频率（惯—矩特性）：是指转子从静止状态，不失步起动的最大控制频率。其与电机轴上的负载惯量及负载扭矩大小有关。(4)步进电机技术指标实例。（P90~92）六、步进电机的运行特性及性能指标驱动电源由脉冲分配器、功率放大器组成，如图3-18所示。驱动电源是将变频信号源(微机或数控装置等)送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动地循环供给电机各相绕组，以驱动电机转子正反向旋转。只要控制输入的电脉冲的数量和频率就可精确控制步进电机的转角和速度。七、步进电机的驱动与控制（1）环形脉冲分配器使电机绕组的通电顺序按一定规律变化的部分称为脉冲分配器，又称环形脉冲分配器。实现环形分配的方法有三种：1）采用计算机软件利用查表或计算方法来进行脉冲的环形分配，简称软环分。表3-10为三相六拍分配状态，可将表中状态代码01H，03H，02H，06H，04H，05H列入程序数据表中，通过软件可顺次在数据表中提取数据并通过输出接口输出即可。七、步进电机的驱动与控制2）采用小规模集成电路搭接而成的三相六拍环形脉冲分配器。这种方式灵活性很大，可搭接任意相任意通电顺序的环形分配器，同时在工作时不占用计算机的工作时间。七、步进电机的驱动与控制3）采用专用环形分配器器件。如市售的CH250即为一种三相步进电机专用环形分配器。（P94）七、步进电机的驱动与控制(2)功率放大器从计算机输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动步进电机，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增大到几至十几安培，从而驱动步进电机运转。步进电机所使用的功率放大电路有电压型和电流型。

电压型又有：单电压型、双电压型(高低压)。电流型中有：恒流驱动、斩波驱动等。七、步进电机的驱动与控制高低压功率放大电路。七、步进电机的驱动与控制（4）步进电机的微机控制步进电机的工作过程一般由控制器控制，控制器按照设计者的要求完成一定的控制过程，使功率放大电路按照要求的规律驱动步进电机运行。简单的控制过程可以用各种逻辑电路来实现，但其缺点是线路复杂，控制方案改变困难，自从微处理器问世以来，给步进电机控制器设计开辟了新的途径。（单片微型计算机）使用微型计算机对步进电机进行控制有：串行和并行两种方式。七、步进电机的驱动与控制①串行控制。具有串行控制功能的单片机系统与步进电机驱动电源之间具有较少的连线。七、步进电机的驱动与控制②并行控制用微型计算机系统的数个端口直接去控制步进电机各相驱动电路的方法称为并行控制。在电机驱动电源内，还包括环形分配器，而其功能必须由微型计算机系统完成。七、步进电机的驱动与控制③步进电动机速度控制（略，见P101）④步进电动机加减速控制（略，见