控制电动机及其选择计算课程课件

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4.2直流伺服电动机及其控制4.3交流伺服电动机及其控制4.4直线电动机4.5控制电动机选择与计算实例1 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。24-1伺服电动机控制方式的基本形式3图4-2执行元件的种类4 (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。5

4.1步进电动机及其控制

一、步进电动机的结构与工作原理 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。6图4-12步进电动机运动原理图7 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。8图4-13三相反应式步进电动机9 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。10一般情况下，m相步进电动动机可采用单相相通电、双相通通电或单双相轮轮流通电方式工工作，对应的通通电方式分别称称为m相单m拍拍、m相双m拍拍或m相2m拍拍通电方式。由于采用单相通通电方式工作时时，步进电动机机的矩频特性（（输出转矩与输输入脉冲频率的的关系）较差，，在通电换相过过程中，转子状状态不稳定，容容易失步，因而而实际应用中较较少采用。图4-14是某三三相反应式步进进电动机在不同同通电方式下工工作时的矩频特特性曲线。显然然，采用单双相相轮流通电方式式可使步进电动动机在各种工作作频率下都具有有较大的负载能能力。11图4-14不不同通电方式时时的矩频特性12通电方式不仅影影响步进电动机机的矩频特性，，对步距角也有有影响。一个m相步进电动机，，如其转子上有有z个小齿，则其步步距角可通过下下式计算：(4-12)式中，k是通电方式系数数。当采用单相相或双相通电方方式时，k＝1；当采用单单双相轮流通电电方式时，k＝2。可见，采采用单双相轮流流通电方式还可可使步距角减小小一半。步进电电机的步距角决决定了系统的最最小位移，步距距角越小，位移移的控制精度越越高。13三、步进电动动机的使用特性性（1）步距误误差。（2）最大静静转矩。（3）启动矩矩频特性。当伺服系统要求求步进电动机的的运行频率高于于最大允许启动动率时，可先按按较低的频率启启动，然后按按一定规律逐渐渐加速到运行频频率。图4-15给出了90BF002型型步进电动机的的启动矩频特性性曲线。由图图可见，负载载转矩越大，所所允许的最大大启动频率越小小。14图4-15启启动矩频特性性15（4）运行矩频频特性。图4-16是90BF002型步步进电动机的运运行矩频特性曲曲线。16图4-16运运行矩频特性性17（5）最大相相电压和最大相相电流。四、步进电动机机的控制与驱动动步进电动机的电电枢通断电次数数和各相通电顺顺序决定了输出出角位移和运动动方向，控制脉脉冲分配频率可可实现步进电动动机的速度控制制。因此，步步进电机控制系系统一般采用开开环控制方式。。图4-17为开环步进电电动机控制系统统框图，系统统主要由环形分分配器、功率率驱动器、步步进电动机等组组成。18图4-17开开环步进电动动机控制系统框框图19步进电动机在一一个脉冲的作用用下，转过一一个相应的步距距角，因此只只要控制一定的的脉冲数，即即可精确控制步步进电动机转过过的相应的角度度。但步进电电动机的各绕组组必须按一定的的顺序通电才能能正确工作，这这种使电动机机绕组的通断电电顺序按输入脉脉冲的控制而循循环变化的过程程称为环形脉冲冲分配。实现环形分配的的方法有两种。。一种是计算算机软件分配，，采用查表或或计算的方法使使计算机的三个个输出引脚依次次输出满足速度度和方向要求的的环形分配脉冲冲信号。这种种方法能充分利利用计算机软件件资源，减少硬硬件成本，尤尤其是多相电动动机的脉冲分配配更能显示出这这种分配方法的的优点。但由由于软件运行会会占用计算机的的运行时间，因因而会使插补补运算的总时间间增加，从而而影响步进电动动机的运行速度度。20另一种是硬件件环形分配，，采用数字字电路搭建或或专用的环形形分配器件将将连续的脉冲冲信号经电路路处理后输出出环形脉冲。。采用数字字电路搭建的的环形分配器器通常由分立立元件（如触触发器、逻逻辑门等）构构成，特点点是体积大，，成本高，，可靠性差差。专用的的环形分配器器目前市面上上有很多种，，如CMOS电路CH250即为为三相步进电电动机的专用用环形分配器器，它的引引脚功能及三三相六拍线路路图如图4-18所示。。21图4-18环环形分配配器CH250引脚图(a)引脚脚功能；(b)三相相六拍线路图图22图4-18环环形分配配器CH250引脚图(a)引脚脚功能；(b)三相相六拍线路图图232）功率驱驱动常见的步进电电动机驱动电电路有三种：：(1）单电电源驱动电路路。这种电路路采用单一电电源供电，结结构简单，成成本低，但电电流波形差，，效率低，输输出力矩小，，主要用于对对速度要求不不高的小型步步进电动机的的驱动。图4-19所示示为步进电动动机的一相绕绕组驱动电路路（每相绕组组的电路相同同）。24图4-19单单电源驱驱动电路25(2）双电源源驱动电路。。双电源驱动动电路又称高高、低压驱动动电路，采用用高压和低压压两个电源供供电，如图4-20所示示。26图4-20高高、低压压驱动电路27(3）斩波限限流驱动电路路。这种电路路采用单一高高压电源供电电，以加快电电流上升速度度，并通过对对绕组电流的的检测，控制制功放管的开开和关，使电电流在控制脉脉冲持续期间间始终保持在在规定值上下下，其波形如如图4-21所示。这种种电路功率大大，功耗小，，效率高，目目前应用最广广。图4-22所示为一一种斩波限流流驱动电路原原理图。28图4-21斩斩波限流驱驱动电路波形形图29图4-22斩斩波限流流驱动电路30五、步进电动动机的选用1.转矩和惯惯量匹配条件件为了使步进电电动机具有良良好的启动能能力及较快的的响应速度，，通常推荐TL/Tmax≤0.5及JL/Jm≤42.步距角的的选择和精度度步距角的选择择是由脉冲当当量等因素来来决定的。步步进电动机的的步距角精度度将会影响开开环系统的精精度。314.2直流伺伺服电动机一.直流伺服服电动机的分分类直流伺服电动动机按励磁方方式可分为电电磁式和永磁磁式两种。电电磁式的磁场场由激磁绕组产生；永磁式式的磁场由永磁体(永久久磁铁)产生。电磁式式直流伺服电电动机是一种种目前巳普遍遍使用的伺服服电动机，特特别是在大功功率范围内(100w以以上)。永磁磁式直流伺服服电动机由于于尺寸小、重重量轻、效率率高、出力大大、结构简单单，无需激磁磁等一系列优优点而被越来来越重视。324.2直流伺伺服电动机二、直流伺服服电动机的特特点1、稳定性好好；2、可控性好好；3、响应迅速速；4、控制功率率低，损耗小小；5、转矩大；；334.2直流伺伺服电动机三.直流伺服服电动机的基基本结构及工工作原理直流伺服电动动机的结构与与一般的直流流电动机结构构相似，也是是由定子、转转子和电刷等等部分组成，，直流伺服电电动机部件主主要由磁极、、电枢、电刷刷及换向片组组成,如图4-3所示。。34图4-3直直流伺服电动动机基本结构构3536四.直流伺服服系统由于伺服控制制系统的速度度和位移都有有较高的精度度要求，因而而直流伺服电电动机通常以以闭环或半闭闭环控制方式式应用于伺服服系统中。直直流伺服系统统的闭环控制制是针对伺服服系统的最后后输出结果进进行检测和修修正的伺服控控制方法，而而半闭环控制制是针对伺服服系统的中间间环节（如电电动机的输出出速度或角位位移等）进行行监控和调节节的控制方法法。它们都对对系统输出进进行实时检测测和反馈，并并根据偏差对对系统实施控控制。半闭环环和闭环控制制的位置伺服服系统的结构构原理分别如如图4-10、图4-11所示。37图4-10半半闭环伺伺服系统结构构原理图38图4-11闭闭环伺服服系统结构原原理图3940五.直流伺服服电动机与驱驱动直流伺服电机机为直流供电电，为调节电电机转速和方方向，需要对对其直流电压压的大小和方方向进行控制制。目前常用用晶体管脉宽宽调速驱动和和可控硅直流流调速驱动两两种方式。可控硅直流(SCR)驱驱动方式，主主要通过调节节触发装置控控制可控硅的的控制角(控控制电压之大大小)来移动动触发脉冲的的相位，从而而改变整流电电压的大小．．使直流电机机电枢电压的的变化易平滑滑调速。41图4-12单单相交流可控控硅桥式整流流电路(a）整流电电路；(b））波形图4243而采用脉宽调调速驱动系统统，其开关频频率高(通常常达2000一3000Hz)，伺伺服机构能够够响应的频带带范围也较宽宽，与可控硅硅相比其输出出电流脉动非非常小，接近近于纯直流。。脉冲宽度调制制（PWM））直流调速驱驱动系统原理理如下图，其其中u为导通通率，又称占占空比或占空空系数。44M…只要改变导通通时间就可改改变电枢两端端的平均电压压45六.直流伺服服系统的组成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直流伺服系统统的原理框图图++__46七.直流伺伺服电动机的功率率接口直流伺服电动机的的驱动控制一般采采用脉冲调制法（（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——脉宽变换换器图4-13PWM功率驱动接接口组成框图47Ul0tUTtUI+UTtUS(UP)tUl0tUS(UP)tUS(UP)tUI+UTtUI+UTtUl0tUTtUTtTUTPP图4—14PWM脉宽调制波形（a）（b）(c)48（1）在图4-14a中，控制信信号UI=0，UT与UI相加后，仍然是一一个正负幅度相等等的三角波，通过过比较器之后，输输出正负幅度相同同.宽度相同的矩矩形波US，经功率放大器后其其直流分量为零，，电机不会转动，，只是在交流分量量的作用下在停止止位置处微振，这这种振动对直流伺伺服电动机有利，，可以克服直流伺伺服电动机时的静静摩擦。（2）在图4-14b中,控制信信号UI>0,这时UT与UI相加后形成一个不不对称的三角波，，它的正波幅度和和宽度增大，负波波幅度和宽度减小小，通过比较器后后，输出正脉冲宽宽.负脉冲窄的矩矩形波。由于此时时输出电压的平均均值（直流分量））为正，因此电动动机正转。而且UI越大，输出信号US的正脉冲宽度越宽宽，在电动机中产产生的直流分量越越大，电动机正转转的速度也越快。。（3）在图4-14c中,控制信信号UI<0,产生的UT+UI的信号是一49个正波幅度和宽度度较小，负波幅度度和宽度较大的不不对称三角波，通通过比较器后，输输出正脉冲窄.负负脉冲宽的矩形波波。由于此时输出出电压的平均值（（直流分量）为负负，因此电动机反反转。很明显UI越负，在电动机中中产生负的直流分分量越大，电动机机反转的速度越快快。（4）结论：控制制信号UI的特性性决定了电动机的的工作状态，UI=0，电动机停止止；UI>0，电动机正转转，UI<0电动机反转，，且︱UI︱越大，转速则越快快。50图4-15H型型桥式PWM晶体体管功率放大器51图4-16双极极式H型可逆器的的电压、电流波形形的电路原理图52（1）当UAB＝0时，Us的正、负脉宽相等等，直流分量为零零，V1和V4的导通时间与V2和V3的导通时间相等，，流过电枢绕组中中的平均电流等于于零，电动机不转转。但在交流分量量作用下，电动机机在停止位置处微微振，这种微振有有动力润滑作用，，可消除电动机启启动时的静摩擦，，减小启动电压。。（2）当UAB>0时，Us的正脉宽大于负脉脉宽，直流分量大大于零，V1和V4的导通时间长于V2和V3的导通时间，流过过绕组中的电流平平均值大于零，电电动机正转，且随随着U1增加，转速增加。。（3）当UAB<0时，Us的直流分量小于零零，电枢绕组中的的电流平均值也小小于零，电动机反反转，且反转转速速随着U1减小而增加。53（4）当V1和V4或V2和V3始终导通时，电动动机在最高转速下下正转或反转。54554.3交流伺服服电动机一.交流伺服电动动机的种类1、同步型（SM）：采用永磁结构的的同步电动机，又又称无刷直流伺服服电动机。特点：无接触换向部件件需要磁极位置检测测器（如编码器））具有直流伺服电动动机的全部优点。。564.3交流伺服服电动机一.交流伺服电动动机的种类2、感应型（IM）：笼型感应电动机机特点：对定子电流的激激励分量和转矩分分量分别控制。具有直流伺服电动动机的全部优点。。57二、交流伺服电动动机的调速异步电动机的转速速方程为（4-14）式中,n为电动机转速；s为转差率。变频调速间接变换方式（（交－直－交变频频）直接变换方式（交交－交变频）SPWM变频调速速58图4-39交——直—交变频电路路结构图59图4-39交——直—交变频电路路结构图60三、SPWM变频频调速1、SPWM波波形原理在采样控制理论中中有一个重要的结结论：冲量相等而而形状不同的窄脉脉冲加在具有惯性性的环节上时，其其效果基本相同。。冲量即指窄脉冲冲的面积。这里所所说的效果基本相相同，是指环节的的输出响应波形基基本相同。下面来来分析一下如何用用一系列等幅而不不等宽的脉冲来代代替一个正弦波。。把图4-40(a)所示的正弦半半波波形分成N等份，就可把正弦弦半波看成由N个个彼此相连的脉冲冲所组成的波形。。61这些脉冲宽度相等等，都等于π／N，但幅值不等，，且脉冲顶部不是是水平直线，而是是曲线，各脉冲的的幅值按正弦规律律变化。如果把上上述脉冲序列用同同样数量的等幅而而不等宽的矩形脉脉冲序列代替，使使矩形脉冲的中点点和相应正弦等分分的中点重合，且且使矩形脉冲和相相应正弦部分面积积（冲量）相等，，就得到图4-40(b)所示的的脉冲序列，这就就是PWM波形。。62图4-40正弦波波PWM原理示意意图(a)正弦半波；；(b)PWM波波形632单相SPWM控制原理图4-41是采用用电力晶体管作为为开关器件的电压压型单相桥式逆变变电路。控制V4或V3通断的方法如图图4-42所示示。64图4-41单单相桥式PWM逆变电路65图4-42单单极性SPWM控制方式原原理66图4-41所示示的单相桥式逆逆变电路采用双双极性控制方式式时的波形如图图4-43所示示。67图4-43双双极性PWM控制方式原理理68交流电动机变频频调速功率接口口变频调速是交流流电动机调速的的发展方向，而而且有的变频调调速系统在动态态性能及稳态性性能的指标上已已超过直流调速速。因此在、机机电一体化系统统设计时可优先先选用交流电动动机变频调速方方案。（1）变频器的分类类按照变频方式和和控制方式可分分为按变频方式交-直-交变频频器电压型电流型交-交变频按控制方式脉冲宽度调制型型（PWM）脉冲幅度调制型型（PAM）矢量控制型69（2）变频器选选择电动机的容量及及负载特性是变变频器选择的基基本依据。在在选选择变频器前，，首先要分析控控制对象的负载载特性并选择电电动机容量，根根据用途选择合合适的变频器类类型，然后再进进一步确定变频频器的容量。(3)变频器器的使用方法在人工控制系统统中，只要在控控制回路接线端端上接上相应的的机械开关即可可实现变频调速速。在自动控制制系统中，则有有三种方法：第第一种使用继电电器开关电路，，继电器开关受受上位控制器的的控制，这种方方法适用于简单单的恒速控制，，其控制电路如如图4-44αα所示。70第二种方法是模模拟控制方法，，上位机模拟通通道与控制回路路的电压频率设设定端子或电流流频率设定端子子相连其控制电电路如图4-44b所示；第三种方法是采采用变频器数字字接口板，接口口板是变频器的的选件，将它它接入变频器后后，变频器就可可以通过数字接接口与上位控制制器的并行输出出口直接相连，，以实现直接数数字控制，其控控制电路如图4-44c所示示。71图4-44交频器的三种控控制方法72图4-44交频器的三种控控制方法73六.步进电动机机功率驱动接口口步进电动机功率率驱动接口包含含环形脉冲分配配器和功率放大大器两部分。1.脉冲分配器器的实现方法脉冲分配器有两两种形式一种是是由专门环形分分配集成电路或或数字时序逻辑辑电路构成的硬硬件分配器，如如CH250三三相步进电动机机的脉冲分配器器集成电路74CLENJ3RJ3LJ6RJ6L功能11000双三拍正转10100双三拍反转10010单六拍反转10001单六拍正转01000双三拍正转00100双三拍反转00010单六拍正转00001单六拍反转1XXXX不变X0XXXX不变0XXXX不变1XXXXX不变CH250功能能真值表75硬件环形分配电电路原理图76转向1—2相通电CPWVU代码转向正A000101H反AB101103HB201002HBC311006HC410004HCA510105HA000101H三相六拍分配状状态772.步进电动机功率率放大的形式（1）单电压功功率放大图图4-45为该该电路的原理图图，是步进电动动机控制中最简简单的一种驱动动电路，在本质质上它是一个简简单的功率反向向器。单电压功功率放大电路的的最大特点是结结构简单，缺点点是工作效率低低，在高频工作作状态时，效率率尤其差。图4-46所示示为恒流功放电电路，它是单电电压功率放大电电路的一种改进进电路。该电电路的特点是用用恒流源代替外外接电阻RC,使功率大为降降低，电源效率率得到提高。78图4-45单单电压功率率放大电路原理理图79图4-46恒恒流流功放电路原理理图ILIDIe80（2）双双电压功功率放大大电路双电源功功率放大大电路图图81（3）斩斩波型功功率放大大电路此此类电路路有两种种：一种种是斩波波恒流型型；另一一种是斩斩波平滑滑型。前前者应用用较为广广泛。斩波恒流流功放是是利用斩斩波方法法使电流流恒定在在额定值值附近，，典型电电路如图图4-47a所所示。从提高高高频工作作性能及及店员效效率的角角度看，，斩波恒恒流型功功放电路路可以用用较高的的电源电电压，同同时无需需外接电电阻来限限定额定定电流和和减小时时间常数数，但是是由于电电流波形形呈锯齿齿形，驱驱动时会会有较大大的电磁磁噪声。。要消除除电磁噪噪声，有有两种措措施：一一是使斩斩波频率率提高至至超声波波频率；；另一种种是使步步进电动动机各相相采用同同一个频频率的斩斩波信号号。82恒频脉宽宽调制功功放电路路就是按按上述两两个措施施设计的的一种常常用的功功放电路路，其电电路原理理图及输输入波形形如图4-48所示。。恒频脉脉宽调制制功率放放大电路路不但有有较好的的高频特特性，而而且有效效地减少少了步进进电动机机的电磁磁噪声，，同时还还降低了了功耗。。但由于于斩波频频率较高高，对功功放管及及续流二二极管的的频率响响应要求求较高。。另外，，这种电电路的低低频振荡荡较高。。83iLUSUP(a)uINubuLttt(b)图4-47斩斩波恒流流功放电电路84ttttu1u2u3iL图4-48恒恒流脉宽宽调制功功放电路路854.4直直线电动动机与旋转电电动机传传动相比比，直线线电动机机传动主主要具有有下列优优点：1)直线线电动机机由于不不需要中中间传动动机械，，因而使使整个机机械得到到简化，，提高了了精度，，减少了了振动和和噪声。。2)快速速响应。。用直线线电动机机驱动时时，由于于不存在在中间传传动机构构的惯量量和阻力力矩的影影响，因因而加速速和减速速时间短短，可实实现快速速启动和和正反向向运行。。3)仪表表用的直直线电动动机，可可以省去去电刷和和换向器器等易损损零件，，提高可可靠性，，延长使使用寿命命。4)直线线电动机机由于散散热面积积大，容容易冷却却，所以以允许较较高的电电磁负荷荷，可提提高电动动机的容容量定额额。5)装配配灵活性性大，往往往可将将电动机机和其它它机件合合成一体体。86一、直线线感应电电动机直线感应应电动机机可以看看作是由由普通的的旋转感感应电动动机直接接演变而而来的。。87一、直线线感应电电动机88一、直线线感应电电动机89一、直线线感应电电动机管型直线线感应电电动机90二、直线线直流电电动机永磁直线线直流电电动机91二、直线直流流电动机电磁式直线直直流电动机92三、直线步进进电动机934.5控制制电动机选择择与计算一、步进电动动机选择与计计算实例简易数控车床床的纵向(z轴)进给系系统，通常是是采用步进电电动机驱动滚滚珠丝杠，带带动装有刀架架的拖板做往往复直线运动动，其工作原原理图如图4-28，其其中工作台即即为拖板。944.5控制制电动机选择择与计算一、步进电动动机选择与计计算实例已知拖板重量量W=2000N，拖板板与贴塑导轨轨间的摩擦系系数μ=0.06，车削削时最大切削削负载Fz=2150N(与运动方方向相反)，，y向切削分分力Fy=2Fz=4300N(垂垂直于导轨)，要求导轨轨的进给速度度为v1=10-500mm/min，快速行行程速度v2=300mm/min，滚珠丝杠杠名义直径d0=32mm，导程L=6mm，，丝杠总长L=1400mm，拖板板最大行程为为1150mm，定位精精度±0.01mm，试试选择合适的的步进电动机机，并检查其其起动特性和和工作速度。。954.5控制制电动机选择择与计算解：1．脉冲当量量的选择初选三相步进进电动机的步步距角为0.75／1.5，当三相相六拍运行时时，步距角ββ