第七讲传感器与计算机接口

第七讲传感器与计算机接口第1页，课件共117页，创作于2023年2月控制器(IPC/PLC/MCU等)输入接口输出接口驱动执行机构(电机、电磁阀等)被控对象(各种机械参数)传感检测装置(各类传感器等)反馈量被控量设定值＋—机电一体化系统的组成机电一体化系统的组成第2页，课件共117页，创作于2023年2月第七讲驱动元件及控制概述步进电机及其驱动直流电机及其控制交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制第3页，课件共117页，创作于2023年2月第七讲驱动元件及控制概述驱动元件的作用驱动元件的分类常见电机的分类步进电机及其驱动直流电机及其控制交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制第4页，课件共117页，创作于2023年2月驱动元件在机电一体化系统中的作用在机电一体化系统中机械装置→控制对象计算机或其他智能单元→控制器受控物理量→机械位移、速度、加速度、力、力矩等参数控制器→控制命令(弱电)→变换和放大(驱动元件)→改变机械参量→机械装置(得到调整)(伺服)驱动元件是介于控制器与机械装置之间的一种能量与信息转换装置机电一体化中的驱动元件一般都是伺服装置，用于控制的驱动元件，区别于单纯用于动力输出的驱动元件。所以，在选择和使用驱动元件时，除了保证带动负载之外，还应考虑其伺服性（即控制性能）。第5页，课件共117页，创作于2023年2月驱动元件在机电一体化系统中的作用主机(工控机或普通计算机)显示器打印机交互设备(键盘鼠标等)报警存储设备(硬盘光盘等)接口电路A/D多路开关接口电路接口电路接口电路D/A开关量输入开关量输出多路开关…变送器传感器变送器传感器……驱动执行…驱动执行输出通道被控对象(压力、速度等机械参数)第6页，课件共117页，创作于2023年2月第七讲驱动元件及控制概述驱动元件的作用

驱动元件的分类常见电机的分类步进电机及其驱动直流电机及其控制交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制第7页，课件共117页，创作于2023年2月类型特点举例电动式使用工业电源、动力较大、控制性能好各种直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机、电磁铁等液压式输出功率大，速度快而平稳、控制性能好、但易泄露液压缸、液压马达气动式气源方便、便宜，速度快，但功率小、噪音大且难以控制气缸、气马达直线运动电液式驱动元件的分类按运动方式旋转运动电动式按使用能源液压式气动式第8页，课件共117页，创作于2023年2月第七讲驱动元件及控制概述驱动元件的作用

驱动元件的分类常见电机的分类步进电机及其驱动直流电机及其控制交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制第9页，课件共117页，创作于2023年2月功率放大器功率驱动接口常见电机的分类常用电机主要分两类：驱动电机：驱动单元，主要是指普通的交、直流电机。(电力拖动)控制电机：特种电机，常见的有步进电机、伺服电机、测速发电机等，主要任务是转换和传递控制信号，能量的传递是次要的。(机电控制)控制电机利用电压、电流、频率（包括指令脉冲）等控制方式，实现速度、力矩的调节、启、停和其他复杂的驱动。控制器→控制命令(弱电)→变换和放大(驱动元件)→机械运动第10页，课件共117页，创作于2023年2月第七讲驱动元件及控制概述步进电机及其驱动类型和工作原理通电方式和步距角主要性能指标功率驱动接口其他控制直流电机及其控制交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制第11页，课件共117页，创作于2023年2月步进电机的类型和工作原理

步进电机（StepMotor）：OnePulseOneStep

步进电机（电脉冲马达），是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的控制电机，其实质是一种数模转换器(D/A)。

转动角度由脉冲数决定，

运动方向由脉冲相序决定，

转动速度由脉冲频率决定。步进电机与现代的数字控制技术相结合，构建数字运动控制系统。不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的伺服电机。

特点：其结构简单、可靠性高和成本低

应用：精度不是需要特别高的场合第12页，课件共117页，创作于2023年2月步进电机的类型和工作原理根据结构不同反应式（VR，Variablereluctance）永磁式（PM，Permanentmagnet）混合式（HB，Hybrid）按相数（定子绕组数）不同单相两相多相第13页，课件共117页，创作于2023年2月步进电机的类型和工作原理1．结构（三相反应式）定子：定子铁芯上嵌有绕组线圈，通电后产生电磁力转子：转上无绕组线圈，仅当作导磁体使用，在定子产生的电磁力的作用下，转动到定子和转子之间磁阻最小的位置反应式步进电机的结构示意图定子转子第14页，课件共117页，创作于2023年2月步进电机的类型和工作原理2．工作原理利用定子绕组产生的反应电磁力吸引转子作步进运动，故称为反应式步进电机。⑴单三拍工作方式：A→B→C→A→B→C…转子总是力图转到磁阻最小的位置，每一拍转过30°（a）A相通电（b）B相通电（c）C相通电三相单三拍第15页，课件共117页，创作于2023年2月步进电机的类型和工作原理⑵六拍工作方式：A→AB→B→BC→C→CA→A→AB→B→BC→C→CA…每一拍转过了15°（a）A相通电（b）AB相通电（c）B相通电（d）BC相通电

⑶双三拍工作方式：AB→BC→CA→AB→BC→CA…三相双相拍第16页，课件共117页，创作于2023年2月第七讲驱动元件及控制概述步进电机及其驱动类型和工作原理通电方式和步距角主要性能指标功率驱动接口其他控制直流电机及其控制交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制第17页，课件共117页，创作于2023年2月步进电机通电方式和步距角1．通电方式： 如果每拍中只有一相绕组通电，其余断电，称单相通电方式 如果每拍中都有两相绕组通电，另一相断电，称双相通电方式如果每拍中交替出现单、双相通电，称单双相轮流通电方式根据绕组数（相数）和每个通电循环需要的拍数：三相单三拍：A→B→C→A→B→C…

三相双三拍：AB→BC→CA→AB→BC→CA…

三相六拍：A→AB→B→BC→C→CA→A→AB→B→BC→C→ CA…第18页，课件共117页，创作于2023年2月步进电机通电方式和步距角2．齿距角α：转子相邻两齿之间的角度式中：Z－是转子齿数例如：Z=4时，。一般步进电机的转子齿数有好几十个，所以齿距角也只有几度（例如：Z=40时，）。第19页，课件共117页，创作于2023年2月步进电机通电方式和步距角3．步距角θ：转子每拍转过的角度。式中：Z－是转子齿数；m：定子绕组（相）数；K：通电方式系数（单相、双相通电方式，K=1；单双相轮流通电方式，K=2）第20页，课件共117页，创作于2023年2月步进电机通电方式和步距角例如：Z=50三相单三拍：三相双三拍：三相六拍：⑴单相、双相的异同：①步距角相同；②单相方式在换相时容易失步，定位精度不高（一般不采用这种方式）；③双相方式每次都有两相通电，不容易失步且转子转矩大、定位精度高。⑵齿距角与步骤距角的关系：⑶每一个通电循环完成一个齿距角：例如：三相六拍，在Z=40时，第21页，课件共117页，创作于2023年2月第七讲驱动元件及控制概述步进电机及其驱动类型和工作原理通电方式和步距角主要性能指标功率驱动接口其他控制直流电机及其控制交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制第22页，课件共117页，创作于2023年2月步进电机的主要性能指标1．步距误差：理论步距角和实际步距角之差，反映了步进电机角位移精度，一般在10’左右，步距误差不累积。

2．最大静转矩：是指步进电机的某相通电不断且处于静止状态时，所能承受的最大外加转矩，即步进电机所能输出的最大电磁转矩。它反映了步进电机的制动能力的低速步进运行时的带负载能力。

第23页，课件共117页，创作于2023年2月步进电机的主要性能指标

3．启动频率、启动矩频特性、启动惯频特性启动频率：是指步进电机在有负载转矩时，不失步的正常启动所能接受的最大阶跃输入脉冲频率。启动矩频特性：启动频率和负载转矩之间的关系。启动惯频特性：是指步进电机带纯惯性负载启动时，启动频率和转动惯量之间的关系。TffJ启动矩频特性启动惯频特性

从左图可以看出：启动频率随着负载转矩的增大而减小，在实际应用中，工作点应选在该曲线以下以保证不失步或先低频启动再转到高频运行；负载惯量越大，启动频率就越低。

第24页，课件共117页，创作于2023年2月步进电机的主要性能指标4．连续运行时最高工作频率和运行时矩频特性运行时矩频特性：步进电机运行时，输出转矩和输入脉冲频率之间的关系。运行时最高工作频率：连续运行时所能接受的最高输入脉冲频率，运行时最高工作频率要远大于启动频率。Tf

由左图可知：在连续运行时，输出转矩随运行频率的增加而减小，即速度越高，带负载能力越差。选用步进电机进就保证实际工作点位于该曲线以下。运行时矩频特性第25页，课件共117页，创作于2023年2月步进电机的主要性能指标5．步进运行和低频振荡步进运行：当输入脉冲的频率很低时，脉冲周期大于步进电机的过渡过程时间，步进电机就会处于一步一停的运行状态，称为步进运行。低频振荡：当步进运行频率或低速运行频率与步进电机的固有频率相等或相近时，就会产生共振现象，此时，电机只振荡不前进，这种现象称为低频振荡。为避免低频振荡，工作频率应尽量避开固有频率附近的共振区或调节步进电机上的阻尼器来改变固有频率。

第26页，课件共117页，创作于2023年2月步进电机型号说明第27页，课件共117页，创作于2023年2月电机型号相数相电流步距角保持转矩空载起动频率空载运行频率转动惯量重量A度N.mKPPSKPPSKg.cm^2Kg42BYG250FA21.330.9/1.80.222200.0350.2242BYG250FB21.680.9/1.80.362200.0540.2842BYG250FC21.680.9/1.80.442200.0680.35第28页，课件共117页，创作于2023年2月电机型号相数相电流电阻电感步距角保持转矩定位转矩转动惯量重量AΩmH度N.mN.mKg.cm^2Kg86BYG250A2/43.60.232.50.9/1.81.20.080.641.686BYG250B2/440.656.90.9/1.82.40.151.32.686BYG250C2/4417.40.9/1.83.60.251.93.8第29页，课件共117页，创作于2023年2月电机型号相数相电流电阻电感步距角保持转矩定位转矩转动惯量重量AΩmH度N.mN.mKg.cm^2Kg110BYG550A550.47120.36/0.7212.50.48.49.5110BYG550B550.73150.36/0.72180.512.612110BYG550C551.3200.36/0.72220.616.813.5第30页，课件共117页，创作于2023年2月第七讲驱动元件及控制概述步进电机及其驱动类型和工作原理通电方式和步距角主要性能指标功率驱动接口其他控制直流电机及其控制交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制第31页，课件共117页，创作于2023年2月步进电机的功率驱动接口脉冲发生器

脉冲分配器

脉冲放大器

步进电机指令工作机构

脉冲发生器产生脉冲序列信号（频率由几赫到几十千赫可变）。通过控制输入脉冲的数量和频率，即可控制电机的角位移和转速。脉冲分配器将序列脉冲按一定的逻辑关系加在脉冲放大器上，使步进电机按确定的运行方式工作。脉冲放大器（功率放大器）脉冲分配器输出端的电流很小，如CH250脉冲分配器的输出电流大约为200-400μA，而步进电机的驱动电流较大，如75BF001型步进电机每相静态电流为3A，为了满足驱动要求，脉冲分配器输出的脉冲需经脉冲放大器（即功率放大器）后才能驱动步进电机。决定转速与转角决定工作方式功率放大第32页，课件共117页，创作于2023年2月脉冲分配器之1—专用环形分配器三相六拍脉冲分配器

C1C2C3正转控制位反转控制位脉冲输入复位A相B相C相C1、C2、C3为J、K双稳触发器：与非门：全1为0正转：正转控制位=1，反转控制位=0反转：正转控制位=0，反转控制位=1起始状态：C=1，A=0，B=0，正转分配前：分配后：

通电顺序：C→CA→A→AB→B→BCA相B相C相JKQn+100Qn01010111Qn+1第33页，课件共117页，创作于2023年2月脉冲分配器之2—专用集成芯片J3r、J3L：三相双三拍正反转控制；J6r、J6L：三相六拍正反转控制；R1：双三拍的复位端，工作时，先使R1接入高电平，处于六拍工作方式，再转到R1=0；R2：六拍的复位端，工作时，先使R2接入高电平，处于双三拍工作方式，再转到R2=0；CL：是时钟脉冲输入端；EN：时钟脉冲允许端。当脉冲CP由CL端输入，只有EN端为高电平时，时钟脉冲的上升沿才起作用。CH250也允许以EN端作脉冲CP的输入端，此时，只有CL为低电平时，时钟脉冲的下降沿才起作用。A0、B0、C0：环形分配器的三个输出端，经过脉冲放大器（功率放大器）后分别接到步进电机的三相线上。ABC复位正转反转VDD运行VDDVDDJ3r178109141512111213CH250J3LJ6rJ6LCLENR2R1CH250三相双三拍接法复位运行VDD正转反转VDDJ3r178109141512111213ABCCH250J3LJ6rJ6LCLENR2R1CH250三相六拍接法第34页，课件共117页，创作于2023年2月脉冲分配器之2—专用集成芯片第35页，课件共117页，创作于2023年2月脉冲分配器之3—软件分配器基本原理：脉冲分配数据表→查表获取相应控制数据→输出到步进电机驱动电路。用途：用于步进电机的计算机控制例如：用8031单片机对数控X-Y工作台的两台四相步进电机进行控制。

单片机与步进电机的接口电路

8031+5V+15VP1.0P1.7ABCDABCD

X向电机

Y向电机1.实现信号传递2.电平转换：+5V→+15V3.反相：P1.0=0→XA=1第36页，课件共117页，创作于2023年2月脉冲分配器3—软件分配器序号Y向X向通电相控制数据转向P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0111101110A0XEE反正211001100AB0XCC311011101B0XDD410011001BC0X99510111011C0XBB600110011CD0X33701110111D0X77801100110DA0X66例如：从8031的P1口输出数据：0xEE，X、Y的A相通电

0xEC，Y的A相通电，X的AB相通电脉冲分配数据表

第37页，课件共117页，创作于2023年2月脉冲放大器（功率放大器）

功率放大器电压型电流型单电压型双电压型恒流驱动斩波驱动第38页，课件共117页，创作于2023年2月单电压型功率放大器

单电压驱动电路简单，但绕组上的串联电阻R始终要消耗能量，不经济，此外，由于绕组L电感较大，对脉冲电流的反应较慢（），所以这种放大器只适合于对速度要求不高的小型步进电机。+27V150Ω5.1kΩ1kΩRLD3DD153DK4

当输入端无脉冲电压时，中功率管3DK4和大功率管3DD15均处于截止状态，步进电机绕组L上不通电，电机停转；当输入端有脉冲电压时，中功率管3DK4和大功率管3DD15均处于导通状态，步进电机绕组L上得到27V电压，电机转动。其中，续流二极管D在绕组L断电时，释放反电动势，保护电机线圈；电阻R是限流电阻，限制通过绕组L的电流不超过额定值，以免电机过热被破坏。第39页，课件共117页，创作于2023年2月双电压型功率放大器100Ω1kΩT2T1200ΩT4D420ΩD3T3D1D5+12V+80VLR18Ω18ΩD20.01uFTI

高压供电是用来加速电流的增长速度，而低压是用来维持稳定的电流值。低压电源中串联一个数值较小的电阻，其目的是为了调节控制绕组的电流，使各相电流平衡。双压方式大大加快了电流的增长速度，同时，串联的电阻R很小，消耗能量也很小。

当输入端无脉冲电压时，T1、T2、T3、T4均截止，电机绕组L中无电流，电机停转；当输入端有脉冲电压时，T1、T2、T4均饱和导通，在T2由截止到饱和期间，其集电极电流急剧增加，脉冲变压器TI的另一边感应出一个电压，使T3导通，80V的高压加到绕组L上（此时，D1反向偏置，处于截止状态），绕组电流迅速增加，当T2饱和后，电流变化率为0，在脉冲变压器TI的另一边无感应电压，T3截止，工作电流经12V低压电源、二极管D1、绕组L、串联R、18Ω电阻、电容形成回路给绕组L供电，电机转动。断电时，绕组L经续流二极管D2形成放电回路。第40页，课件共117页，创作于2023年2月步进电机驱动器WZM-2H090MS驱动器用于驱动二相混合式步进电机，该驱动器采用高频斩波，恒流驱动，能带动5A以下的85BYG、86BYG电机二相混合式步进电机。第41页，课件共117页，创作于2023年2月技术特征驱动电流可调：最大相电流为5A，16档可调；无指令时可选择电流半流；细分可调：400，800，1000，1600，2000，3000，3600，4000，5000，6000，6400，7200，8000，10000，20000，40000；16档；驱动方法：正弦波恒流斩波驱动步进电机驱动器第42页，课件共117页，创作于2023年2月步进电机驱动器相电流设定(OFF位有效)7位2.6AOFF2.6+0+0+0.4=3.0A8位1.3AON9位0.7AON10位0.4AOFF第43页，课件共117页，创作于2023年2月步进电机驱动器细分设定1234位每转步数步距角1234位每转步数步距角00004000.9100050000.07200018000.45100160000.006001010000.36101064000.05625001116000.225101172000.005010020000045010130000.121101100000.036011036000.11110200000.018011140000.091111400000.009第44页，课件共117页，创作于2023年2月PLC+步进驱动器+步进电机第45页，课件共117页，创作于2023年2月第七讲驱动元件及控制概述步进电机及其驱动类型和工作原理通电方式和步距角主要性能指标功率驱动接口其他控制直流电机及其控制交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制第46页，课件共117页，创作于2023年2月细分驱动细分驱动的优点避免了低频工作时的共振点。采用细分电路后，改善了电器特性，消除了共振点，电机在低频段运行平稳。低频、低转速工作稳定，转矩增大，噪声降低。采用细分电路，在低速工作时电机的加速力矩明显减小，工作力矩=输出最大力矩-加速力矩，由于加速力矩的减小，使工作力矩增加，细分后电机变得有劲，带负载能力提高，尤其在启动和低速状态。由于加速度的减小，步进电机低速运行噪声也大大减小，改善了工作环境。减小步距角，提高了分辨率和步距精度。细分驱动的实现采用多路开关功率元件用微机实现细分驱动第47页，课件共117页，创作于2023年2月升降速控制运行减速升速tf升降速控制的优点启动与停止时运行平稳。不会丢失脉冲，提高了定位精度。升降速控制的种类直线加/减速曲线加/减速第48页，课件共117页，创作于2023年2月综合举例例：用四相步进电机驱动滚珠丝杠以带动滑台作往运动。滚珠丝杠的螺距p=1cm，步进电机的转子齿数z=50，工作在双四拍方式，问滚珠丝杠在一个节拍内移动的距离为多少mm？如果通过细分使步进电机的细分数达到2000，当输入脉冲的频率f=1500Hz时，滑台的移动速度为多少mm/s？解：⑴⑵第49页，课件共117页，创作于2023年2月杭州日恒科技有限公司/常州泽明自动化设备有限公司/第50页，课件共117页，创作于2023年2月第七讲驱动元件及控制概述步进电机及其驱动直流电机及其控制普通直流电机直流伺服电机交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制第51页，课件共117页，创作于2023年2月第七讲驱动元件及控制概述步进电机及其驱动直流电机及其控制普通直流电机结构与工作原理分类电磁特性调速方式直流伺服电机交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制第52页，课件共117页，创作于2023年2月直流电机的结构及工作原理由磁极（定子）、电枢（转子）、换向器（整流子）三部分组成：直流电机的结构直流电机的工作原理动画演示1动画演示2第53页，课件共117页，创作于2023年2月第七讲驱动元件及控制概述步进电机及其驱动直流电机及其控制普通直流电机结构与工作原理分类电磁特性调速方式直流伺服电机交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制第54页，课件共117页，创作于2023年2月直流电机的分类永磁式根据磁场产生方式电磁式他励式并励式串励式复励式第55页，课件共117页，创作于2023年2月第七讲驱动元件及控制概述步进电机及其驱动直流电机及其控制普通直流电机结构与工作原理分类电磁特性调速方式直流伺服电机交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制第56页，课件共117页，创作于2023年2月直流电机的电磁特性Ia、RaUMET、n电枢的等效电路直流电机的电枢绕组电流Ia与磁通Φ相互作用，产生电磁力和电磁转矩T：在这个电磁转矩T作用下电枢转动，这时电枢因切割磁力线而产生反电动势E：从电枢的等效电路中可以看出：式中：KT：与电机结构有关的常数，电势常数；KE：与电机结构有关的常数，转矩常数；Φ：磁极磁通量，单位是韦伯（Wb）；Ia：电枢电流，单位是安（A）；Ra：电枢电阻，单位是欧姆（Ω）；T：电磁转矩；n：电枢转速，单位是r/min；E：感生（反）电动势，单位是伏特（V）；U：电枢电压。

第57页，课件共117页，创作于2023年2月直流电机的电磁特性联解上面三个等式：上式反映了直流电机的转速－转矩特性，又称为直流电机的机械特性。在上式中：

，是T＝0时的转速，实际上是不存在的，因为即使电机轴上没有加机械负载，电机的输出转矩也不可能为零，它还要平衡空载损耗转矩。所以n0称为理想空载转速。，是转速降。它表示：当负载增加时，电机的转速下降。转速降是电枢电阻Ra引起的。当负载增加时，Ia增大，IaRa增大，由于电源电压U是一定的，这就使反电动势E减小，也就是转速n降低了。TnTNn0nNΔn左图是机械特性曲线。由于Ra很小，在负载变化时，转速的变化不大。因此具有硬的机械特性。第58页，课件共117页，创作于2023年2月第七讲驱动元件及控制概述步进电机及其驱动直流电机及其控制普通直流电机结构与工作原理分类电磁特性调速方式直流伺服电机交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制第59页，课件共117页，创作于2023年2月直流电机的调速方式直流电机的速度公式：第60页，课件共117页，创作于2023年2月直流电机的调速方式1—调磁方式实现方式即改变磁通量Φ。当保持电源电压U为额定值时，调节Rf，改变励磁电流If以改变磁通量，如下图所示。TnTCn0n01n02小减通磁Ia、RaUMEUfIf、Rf当磁通Φ减少时，机械特性曲线的截距和斜率都增大，所以磁通减小，机械特性曲线上移，更加陡峭，但仍具有一定硬度，如下图所示。在一定负载下，Φ愈小，则n愈高。由于电机在额定状态运行时，它的磁路已接近饱和，所以通常都是减小磁通（Φ＜Φn，将转速往上调（n＞nN））。第61页，课件共117页，创作于2023年2月直流电机的调速方式1—调磁方式调速过程当电枢电压U保持不变时，减小磁通Φ，由于机械惯性，转速不会立即发生变化，于是反电动势减小，Ia随之增大（），增大。如果负载转矩Tc未变，则T＞Tc，转速n上升。随着n的升高，反电动势E增大，Ia和T也随着减小，直到T＝Tc时为止。但这时转速已比原来升高了。必须指出，若电机在额定状态下运行，则电枢电流Ia为额定值，如果调速时负载转矩仍旧保持不变（为额定值），由于，故减小磁通量Φ后Ia必然超过额定值，因此调速后负载转矩必须减小。这种调速方法适用于转矩与转速成反比而输出功率基本不变（恒功率调速）的场合。第62页，课件共117页，创作于2023年2月直流电机的调速方式1—调磁方式调速特点：调速平滑，可无级调速；调速经济，控制方便；机械特性较硬，稳定性较好；这种调速方法的局限是转速只能升高，即调速后的转速要超过额定转速。因为电机不允许超速太多，因此限制了它的调速范围。在实际工作中，这种方法常作为电压调速的一种补充手段。第63页，课件共117页，创作于2023年2月直流电机的调速方式1—调磁方式解：令Φ减小10%，即Φ′＝0.9Φ，所以电流必须增大到Ia′，以维持转矩不变，即：

磁通减小后的转速n′对原来的转速n之比为：

即转速增加了8%。

举例：例：有一并励电机，已知U＝110V，E＝90V，Ra＝20Ω，Ia＝1A，n＝300r/min，为了提高转速，调节励磁电阻Rf增加，使磁通Φ减小10％，如负载转矩不变，问转速如何变化？

第64页，课件共117页，创作于2023年2月直流电机的调速方式2—调压方式实现方式保持磁通Φ不变（励磁电流If为额定值时），当电枢电压U减小时，转速n也减小了。机械特性曲线的截距变小，但斜率未变，因此改变U可得出一组平行的机械特性曲线。在一定负载下，U愈低，则n愈低。由于改变电枢电压只能向小于电机额定电压的方向改变，所以转速将下调。TnTNn02n01n0电枢电压减小第65页，课件共117页，创作于2023年2月直流电机的调速方式2—调压方式调速过程当磁通Φ保持不变时，减小电压U，由于转速不立即发生变化，反电动势E便暂不变化，于是电流Ia减小（），转矩T也减小（）。如果负载转矩Tc未变，则T＜Tc，转速n下降。随着n的降低，反电动势E减小，Ia和T增大，直到T＝Tc时为止。但这时转速已比原来降低了。由于调速时磁通不变，如在一定的额定电流下调速，则电机的输出转矩便是一定的（恒转矩调速）。第66页，课件共117页，创作于2023年2月直流电机的调速方式2—调压方式调速特点：机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳定性较好；调速幅度大；可均匀调节电枢电压，得到平滑的无级调速。这种调速方法的缺点是调压需用专门的设备，投资较高。近来由于采用了可控硅整流电源对电机进行调压和调速，使这种方法得到广泛应用。第67页，课件共117页，创作于2023年2月直流电机的调速方式2—调压方式举例：有一他励电机，已知：U＝220V，Ia＝53.8A，n＝1500r/min，Ra＝0.7Ω，今将电枢电压降低一半，而负载转矩不变，问转速降低多少？设励磁电流保持不变。解：由可知，在保持负载转矩和励磁电流不变的条件下，电流也保持不变。电压降低后的转速n′对原来的转速n之比为：即在保持负载转矩不变的条件下，转速降低到原来的40%。

第68页，课件共117页，创作于2023年2月直流电机

芜湖德力电机有限公司

/第69页，课件共117页，创作于2023年2月直流电机调速控制器接线第70页，课件共117页，创作于2023年2月第七讲驱动元件及控制概述步进电机及其驱动直流电机及其控制普通直流电机直流伺服电机交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制第71页，课件共117页，创作于2023年2月第七讲驱动元件及控制概述步进电机及其驱动直流电机及其控制普通直流电机直流伺服电机结构与工作原理基本特性调速方式功率驱动交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制第72页，课件共117页，创作于2023年2月结构及工作原理

与一般直流电机结构相似，为了减小转动惯量做得细长一些。它的励磁绕组和电枢分别由两个独立电源供电。也有永磁式的。通常采用电枢控制，就是励磁电压Uf一定，建立的磁通量Φ也是定值，而将控制电压Uc加在电枢上。SMUCUf放大器UC是从控制器出来的控制信号（电压或电流，弱电信号）功率驱动接口第73页，课件共117页，创作于2023年2月第七讲驱动元件及控制概述步进电机及其驱动直流电机及其控制普通直流电机直流伺服电机结构与工作原理基本特性调速方式功率驱动交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制第74页，课件共117页，创作于2023年2月基本特性直流伺服电机的机械特性同直流电机一样：第75页，课件共117页，创作于2023年2月第七讲驱动元件及控制概述步进电机及其驱动直流电机及其控制普通直流电机直流伺服电机结构与工作原理基本特性调速方式功率驱动交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制第76页，课件共117页，创作于2023年2月调速方式直流伺服电机的调速方式采用调压方式。第77页，课件共117页，创作于2023年2月第七讲驱动元件及控制概述步进电机及其驱动直流电机及其控制普通直流电机直流伺服电机结构与工作原理基本特性调速方式功率驱动交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制第78页，课件共117页，创作于2023年2月功率驱动功率驱动接口主要解决与输入信号的信号匹配及功率匹配问题。直流伺服电机调压式调速的常用的功率驱动接口方式有：线性控制方式PWM控制方式第79页，课件共117页，创作于2023年2月直流伺服电机的功率驱动1--线性控制

线性控制方式本身的功率消耗很大，是一种不太经济的控制方式，常用于功率较小的（小于几百瓦）系统中，不作详细介绍。控制信号（电压或电流）线性放大器（例如：运算放大器）功率输出接口直流伺服电机第80页，课件共117页，创作于2023年2月直流伺服电机的功率驱动2--PWM控制脉冲宽度调制（PWM，PulseWidthModulation）：Ui加法器比较器功率放大器直流伺服电机三角波发生器UtUi+UtUsUpn电压-脉冲变换器开关功率放大器PWM功率驱动接口组成框图第81页，课件共117页，创作于2023年2月电压-脉冲变换器作用根据控制（指令）信号Ui对脉冲进行宽度调制，以便用宽度随指令变化的脉冲信号去控制大功率晶体管的导通时间，实现对电枢绕组两端电压的控制。组成：三角波发生器：产生一定频率的三角波Ut。加法器：将三角波信号Ut与控制（指令）信号Ui相加。比较器：工作在开环状态下的运算放大器，具有极高的开环增益及限幅开关特性，当Ui﹢Ut≥0时，输出满幅正电平，当Ui﹢Ut≤0时，输出满幅负电平。经比较器出来的信号Us是一个脉冲信号，并且脉冲宽度由Ui控制。第82页，课件共117页，创作于2023年2月电压-脉冲变换器UiUtUi+UtUsUi＝0ttttUi>0UiUtUsttttUi+UtUi+UttttUi<0UiUtUst

从以上的分析中可以看出，Us的波形（占空比）受Ui的大小和方向控制。控制信号三角波加法器比较器第83页，课件共117页，创作于2023年2月开关功率放大器对电压-脉宽变换器输出信号Us进行功率放大，输出功率信号Up以驱动直流伺服电机。第84页，课件共117页，创作于2023年2月开关功率放大器其中：

T1-T4：大功率晶体管

D1-D4：续流二极管，保护大功率晶体管Ust-UstUst-UstT1T2T3T4D1D2D3D4MUCH型桥式（双向）PWM晶体管功率放大器电路原理图第85页，课件共117页，创作于2023年2月开关功率放大器工作过程在Us>0时，T1、T4导通，T2、T3截止，电机是的电流方向是从左向右（沿蓝线路径导通），此时电机处于加速过程；T1T2T3T4D1D2D3D4MUCUst-UstUst-Ust第86页，课件共117页，创作于2023年2月开关功率放大器工作过程在Us<0时，T1、T4截止，T2、T3并不立即导通，因为电机电感储存的能量使电流经紫色线路径导通，使T2、T3承受反压，此时电能回溃到电源。续流完成后，T2、T3导通，电机是的电流方向是从右向左（沿红线路径导通），电机处于反接制动状态。无论是续流还是反向制动，电机处于减速过程。UCT1T2T3T4D1D2D3D4MT1T2T3T4D1D2D3D4MUCT1T2T3T4D1D2D3D4MUC第87页，课件共117页，创作于2023年2月开关功率放大器因为是电枢电流在一个周期内可能有正反两个方向，故称为双向式PWM调速。电机的转动方向取决于正反向脉冲宽度比（占空比）：Ui＝0，Us的占空比＝50％，平均值＝0，正向导通时间＝反向导通时间，Up＝0，停止；Ui>0，Us的占空比>50％，平均值>0，正向导通时间＞反向导通时间，Up>0，正转；Ui<0，Us的占空比<50％，平均值<0，正向导通时间＜反向导通时间，Up<0，反转；第88页，课件共117页，创作于2023年2月工作原理总结通过控制（指令）信号Ui对脉冲宽度进行调制，得到一个占空比受Ui控制的脉冲Us，用来控制电机的正、反向导通时间，从而得到不同的电枢平均电压，实现直流伺服电机的电压调速。第89页，课件共117页，创作于2023年2月直流伺服电机机座号序号额定功率KW额定转矩NM额定转速RPM额定电压V额定电流A峰值转矩NM电枢电阻Ω电枢电感MH50SYX010.020.12000241.50.83.70.5020.040.22000243.21.62.10.4030.060.23000245.81.60.80.270SYX010.050.331500481.12.41.17.3020.10.333000482.22.40.66030.20.673000484.450.97.6176SYX012.416150016017.71280.72.5023.523.3150016025.81370.62.003533150016036.82640.52.7047.548.81500440223900.64.3第90页，课件共117页，创作于2023年2月铭朗科技/上海瑞克科技发展有限公司/直流伺服电机驱动器第91页，课件共117页，创作于2023年2月1GND控制信号地输入RS-2322TXRS-232发送端输出3RXRS-232接收端输入4AIN+模拟输入信号正输入模拟信号5AIN-模拟输入信号负输入6EN外部使能控制（高电平有效）输入控制信号7CLK/PWM控制输入（脉冲/脉宽）输入8DIR方向控制(只在步进模式有效)输入9ORG位置清零（低电平有效）输入10BRAKE急停（低电平有效）输入11FAULT故障输出（集电极开路）输出12GND数字地COM端13+5Vout编码器正电源输出编码器14A+编码器信号A通道输入15A-编码器信号A通道输入16B+编码器信号B通道输入17B-编码器信号B通道输入18GND编码器电源地输出直流伺服电机驱动器控制端接口(铭朗科技)第92页，课件共117页，创作于2023年2月1VDD驱动器电源(＋12～38V)输入电源2VSS驱动器电源地输入3MOT+电机驱动信号正输出电机4MOT-电机驱动信号负输出直流伺服电机驱动器控制端接口(铭朗科技)第93页，课件共117页，创作于2023年2月第七讲驱动元件及控制概述步进电机及其驱动直流电机及其控制交流电机及其控制交流伺服电机交流异步电机液压、气动驱动元件及其控制第94页，课件共117页，创作于2023年2月第七讲驱动元件及控制概述步进电机及其驱动直流电机及其控制交流电机及其控制交流伺服电机结构及工作原理调速方式交、直流伺服电机的比较交流异步电机液压、气动驱动元件及其控制第95页，课件共117页，创作于2023年2月二相感应式交流伺服电机的结构及工作原理

二相感应式交流伺服电机定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组，连接控制信号电压Uc。两相绕组在相位上相差90°，分别通上交流电之后，形成旋转磁场，带动转子转动。控制绕组励磁绕组控制器UCUf第96页，课件共117页，创作于2023年2月第七讲驱动元件及控制概述步进电机及其驱动直流电机及其控制交流电机及其控制交流伺服电机结构及工作原理调速方式交、直流伺服电机的比较交流异步电机液压、气动驱动元件及其控制第97页，课件共117页，创作于2023年2月二相感应式交流伺服电机的调速方式

在二相感应式交流伺服电机控制绕组上有控制器，通过改变控制绕组上的控制电压的幅值与相位，将圆形磁场变为椭圆形磁场，从而进行控制与调速：⑴幅值控制：通过改变控制电压的幅值改变电机的转速，与励磁绕组相位差保持90°。⑵相位控制：通过改变控制绕组与励磁绕组相位差来改变电机的转速。⑶幅值-相位控制：最常用的一种方式，利用串联在励磁绕组上的电容来分相（省去了专门的移相电路），加上控制器上的调压，形成幅值-相位复合控制。简单实用，使用的较多。第98页，课件共117页，创作于2023年2月三菱交流伺服电机

第99页，课件共117页，创作于2023年2月型号应用连接位置模式速度模式力矩模式第100页，课件共117页，创作于2023年2月第七讲驱动元件及控制概述步进电机及其驱动直流电机及其控制交流电机及其控制交流伺服电机结构及工作原理调速方式交、直流伺服电机的比较交流异步电机液压、气动驱动元件及其控制第101页，课件共117页，创作于2023年2月交、直流伺服电机的比较结构直流伺服电机因为有换相装置，体积和重量比较大，并且电刷和换向器之间在滑动接触时还会产生火花，因此其运行和维护都比较复杂；交流伺服电机结构简单，体积和重量小，经济。性能直流伺服电机有好的调速性能（转速-转矩曲线是直线）和相对功率大，交流伺服电机的转速-转矩曲线是非线性的，但随着微电子技术和控制技术的引入，其控制性能越来越好，在中小功率场合，逐步替代了直流伺服电机。应用交流伺服电机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，所以只适用于0.5-100W的小功率控制系统（属于微型电机），常用于速度、位置闭环控制系统，实现速度、位置的精确控制。第102页，课件共117页，创作于2023年2月第七讲驱动元件及控制概述步进电机及其驱动直流电机及其控制交流电机及其控制交流伺服电机交流异步电机结构及工作原理调速方式变频调速液压、气动驱动元件及其控制第103页，课件共117页，创作于2023年2月三相感应式交流异步电机的结构及工作原理

结构定子+转子工作原理定子中通入三相交流电→旋转磁场→转子中产生感应电流→磁场和转子电流的共同共用下产生转矩。转动方向与磁场旋转方向一致，但转子转速n小于磁场转速n0，用转差率s来表示其差别大小。特性交流异步电机的转速-转矩曲线（机械特性曲线）如下图：nTn0nN0baTNTstTmax其中：Tmax：最大转矩Tst：启动转矩TN：额定转矩第104页，课件共117页，创作于2023年2月第七讲驱动元件及控制概述步进电机及其驱动直流电机及其控制交流电机及其控制交流伺服电机交流异步电机结构及工作原理调