《纺织机电一体化》教学课件-05机电一体化中的执行元件与伺服驱动技术

1第五章机电一体化中的执行元件与伺服驱动技术了解伺服控制技术的相关基本概念了解直流电动机的工作原理、特性掌握直流及交流电动机的调速方法了解直流电动机伺服系统的基本原理了解交流伺服系统的基本原理及其产品了解步进电机的基础知识及其驱动技术了解液压执行元件及其伺服系统的原理及应用了解气压执行元件及其伺服系统的原理及应用了解新型电气驱动单元的基本概念本章知识点2第一节伺服控制技术概述第二节直流电动机及其伺服控制系统第三节交流电动机及其伺服控制系统第四节步进电动机及其驱动第五节液压执行元件及其伺服控制第六节气压执行元件及其伺服控制第七节新型电气驱动单元本章目录3执行元件的功能及分类执行元件是处于执行机构与电子控制装置接口部位的能量转换部件，它能在电子控制装置控制下，将输入的各种形式的能量转换为机械能。执行元件电气式电动机磁致伸缩件压电元件电磁铁液压式往复液压缸液压电动机气压式气缸气压电动机4机电控制系统对控制用执行元件的要求要有良好的可控性，在控制信号到来之前静止不动，控制信号不为零时，其运动方向与速度完全取决于控制信号的大小、极性或相位，而且转速与控制信号具有线性调节特性。功率密度和比功率大。快速性好，即加速转矩大。频响特性好。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。适应频繁起停的工作要求。运行可靠，且易于计算机控制。5第一节伺服控制技术概述“伺服”来源于Servo的音译，伺服运动控制系统是一种能够跟踪输入指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统。伺服控制过程一般是以能量较弱的电信号实现对执行部件的运动或输出力等的有效控制，伺服系统具备明显的“功率放大”作用。对伺服系统性能的主要要求包括稳定性、工作精度和快速响应性。稳定性是指系统在输入及干扰的作用下，在短时间调节后能恢复到原有的或新的平衡状态的能力。精度是系统的输出对于输入信号符合的程度，快速响应反映系统输出对于输入信号跟随的速度，这两方面的要求既相互联系，又相互制约，在设计、调试系统时要综合考虑。6一伺服系统的分类按控制原理伺服系统可分为开环、闭环和半闭环伺服系统。输入信号输入信号处理控制信号功率放大运动执行单元运动输出输入信号控制信号比较处理控制信号功率放大运动执行单元运动输出反馈信号处理输出信号检测输入信号控制信号比较处理控制信号功率放大运动执行单元运动输出反馈信号处理输出信号检测7连续控制与采样控制按传递信息的不同，伺服系统可分为连续控制与采样控制。连续控制系统又称为模拟控制系统，其发展最早。模拟控制系统中传递的信号是模拟量。采样控制系统中的信号是脉冲序列数字编码，通过采样开关把模拟量转化为离散量，故这类系统又称作脉冲控制系统或离散控制系统。与连续控制系统相比，采样控制有更高的可靠性、稳定性、灵活性及更高的精度。按被控量的不同性质，伺服系统又分为位置控制、速度或加速度控制、力或力矩控制等伺服系统。8二伺服系统的反馈输出检测中包含的噪声使伺服控制性能变坏，有效的反馈可以减少这些不确定性的影响、补偿各种因素所引起的误差。反馈环节在闭环运动伺服控制系统中起着十分重要的作用。应用反馈后，便形成了从输入、系统、输出、测量、比较误差再到输入的一个环路，因而也构成了一个包含原系统在内的一个新的闭环系统。这种构成的关键问题是新闭环系统的稳定性和动态特性。反馈环节由运动参数测量单元（传感器）和反馈信号处理电路（反馈接口电路）组成。测速发电机、旋转变压器等是常用模拟量旋转运动参数传感器，而旋转编码器、感应同步器、圆光栅、圆磁栅等是常用数字式旋转运动参数测量传感器。9三控制的实时性与控制的准确性绝大部分机电系统都是有惯性负载的二阶系统，其大部分输出都不可能“立即”反映输入控制信号的要求，这就引出实时性问题。当加在m上的力f(t)(被测量力)为阶跃信号时，无论模型的参数如何，输出位移x(f)都不能立即达到目的值，而是逐步“逼近”最终值。减小阻尼系数能够使位移变动快，但不易稳定，加大阻尼系数使位移的变化趋向稳定，但稳定速度却又变慢。总之，“快”和“稳”、或者说“实时性”与“准确性”对不变参数的系统而言永远是有矛盾的。

x(t)1234控制目标1.稍有阻尼2.较小阻尼3.较大阻尼4.大阻尼mx(t)f(t)kcm－k－c模型阶跃响应10第二节直流电动机及其伺服控制系统直流电动机的工作原理直流电动机是按通电导线在磁场中受力的原理进行工作的。为维持电枢的连续转动，直流电动机上还需要设置为电枢电流换向的装置。普通直流电动机的换向是依靠电刷来完成的，电枢线圈的两端接在换向片上，换向片通过电刷与外部直流电源接通使工作在一定位置的线圈导线之电流方向保持不变，达到电流换向的目的。

1112直流电动机的换向改变电枢电流方向及及改变主磁场方向。直流电动机电枢线圈是感性负载，在电刷换向时，容易在电刷和换向片之间产生电弧放电现象，引起电刷的磨损、电火花电磁干扰等问题，电刷和换向器的存在增大了摩擦转矩，这些问题除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制，寿命较低，需要定期维修，使用维护较麻烦，给直流电动机的应用造成一定的问题。

NNNSSSFFFFFFnnnIII（a）（b）（c）13直流电动机的机械特性机械特性表示直流电机工作转速主要取决于电枢线圈电压，在某一电源电压下，随着负载转矩的增大，因为电枢线圈中电流的增加加大了线圈电阻上的压降，使电机的转速下降，这种现象在工程上称为动力源特性的“硬”、“软”。线圈电阻越小，电机的机械特性越硬。似乎直流电动机可以输出无限大的转矩，但当电枢线圈中的电流过大时，过高的温升将破坏线圈绕组的绝缘，使电动机损坏。

nTuaO机械特性

n——电机转速；Ua——电枢线圈电压；Ra——电枢线圈的电阻；Ф——定子磁通；Ke——感应电动势常数；Km——转矩常数；T——电动机的输出转矩。14直流电动机的调速特性调速特性图说明：电枢线圈电压越高，电机工作转速越高，两者基本成线性关系。当电动机要求的输出转矩增加时，需要以更高的电源电压才能实现原定的工作转速。

uaTO调速特性n15直流电动机的转速对于靠励磁线圈产生定子磁场的直流电动机，一旦励磁失效，直流电机定子磁场将降至剩磁水平，转子在原有转速下只能产生较小的感应电动势，直流电机电枢电流电流将急剧增加，使电动机产生极高的转速，这就是励磁直流电动机可能产生的“飞车”事故，在使用中要引起注意保证励磁的有效。

n——电机转速；Ua——加在电枢线圈上的电压；Ra——电枢线圈的电阻；Ф——定子磁通；Ke——感应电动势常数，与电机结构及磁场相关；Km——转矩常数；T——电动机的输出转矩。16直流电动机的调速方式直流电动机的速度调节可以通过调节电枢绕组的电阻、改变定子磁通或调节电枢电压实现。调节电枢绕组电阻调速使机械特性变软，只能用于软特性的电动机。改变励磁电流，一般只能通过增大励磁电路串联的外加电阻来减小励磁电流，当电枢电压和电阻不变时，减小磁通，使理想空载转速升高，同时使转速随转矩的增大而下降的数量增大，因此机械特性变软。调节电枢电压调速是直流电机调速最有效、最常用的方法。

17二可控硅调压晶闸管是硅晶体闸流管的简称，又程可控硅，有单向导通的可控性。当电路中阳极A的电位高于阴极K时，同时在门极G施加高于阴极K的电压，门极将承受正向门极电压，晶闸管则由阻断状态转为导通状态。晶闸管一旦导通后，无论门极电压是正向还是反向，均不影响其导通状态，也不影响晶闸管中阳极电流的大小。只有在阳极电流减小到某一数值以下或又一次加上反向阳极电压时，晶闸管才能由导通状态转变为关断状态。当施加反向电压时，门极与阴极之间无论施加何种极性的电压，均不能使晶闸管由关断转变为导通。即晶闸管具有单向导通的可控特性。（一）可控硅K阴极G门极A阳极18（二）触发角方式单相半波可控硅调压电路控制触发脉冲疏密程度，即可调整在全部工作历程中可控硅导通所占的比重，从而达到调节电压和电流大小的目的。用两只可控硅或配合二极管可以组成桥式全波整流电路。u1uVTu2udidugVTRdT单相半波可控硅调压电路OOOOαθαθωtωtωtωtuguduVT电压、电流波形图u2对门极施加触发脉冲使可控硅导通后，其导通状态将一直持续到电源电压U2降到零为止。19对可控硅的触发，传统都选用与交流电源频率同步的方式，将触发点都控制在交流电源每一变化周期起始点后的某一相位角度位置（触发角），触发角越小、效果电压越高，反之越小。如用积分方式计算，输出到电阻负载上的平均电压：电压的有效值：20可控硅触发脉冲的产生电位器Rf调节电容的充电时间，当电容上的电压达到单结晶体管的转折电压（峰点）时，单结晶体管导通，负载电阻Rf上产生电压信号，同时，电容迅速放电使发射极的电压又下降至截止状态，由此周而复始，不断产生由电容充电时间控制的脉冲信号。Rt+_R1R2Rfub1b1b2Ce

触发脉冲发生器21脉宽调压脉宽调制（PulseWidthModulation，PWM）技术在进行调压时，电源为直流固定电压，在规定的开关频率下，根据控制信号的大小改变每一周期内大功率晶体管或功率场效应管“接通”与“断开”时间的长短，从而使直流电压的占空比得到改变，达到改变输出电压平均值的目的。主电路简单，所用的功率元件少。控制用开关频率较高，对电网谐波干扰小，电动机的损耗和发热较小。电压调节的范围宽，调节的精度相对较高。主电路的导通损耗小，装置的效率高。电网的功率因素较高。与可控硅触发角方式调压相比，脉宽调压有以下优点：22简单脉宽调压电路脉宽调制脉冲信号Ub施加到大功率晶体管VT的基极时，晶体管即依据Ub的极性对US进行脉宽调制。晶体管的开关频率可达1～4kHz，经该电路调制后的电流波形不会有大的起伏。电路中的二极管VD起续流作用。UbDVDC+_USVT+_ttooUDlav23可正反向转动的脉宽调压电路VTl与VT4为一对，控制一个转向，VT3与VT2成另一对，控制另一转向。相应的控制信号也成对同步输入。VT1VD1Ub1VD3VT3Ub3VT2VD2Ub2VD4VT4Ub4ABM132+US24五直流伺服电动机直流伺服电动机的结构与小型直流电动机相同，将输入电信号转换为转轴上的角位移或角速度量。其转速和转向随输入信号的变化而变化，并具有一定的负载能力。自动控制系统要求直流伺服电动机的可控性好且运行稳定，为满足该要求，直流伺服电动机大都采用他励或永磁励磁方式，并在设计中力求磁路不饱和、电枢反应影响甚微、起动转矩最大、转动惯量最小。直流伺服电动机的功率一般都很小，约在几瓦至几百瓦之间，采用电枢控制或磁场控制方式。25小贯量直流伺服电动机为减小电枢的转动贯量，小贯量直流伺服电动机转子设计成光滑无槽铁芯的形式，电枢线圈用绝缘黏合剂直接贴于铁芯表面。转子直径较小，长度相对较长，使电动机能够得到相同的输出转矩。转子转动贯量只有一般直流电机的十分之一，电机时间常数只有几毫秒（一般电动机至少为几十毫秒）。由于转子没有开槽，运转均衡性好，低速状态无爬行现象。转子直径小，散热面积小，电机热惯性小，承受过载的时间不能太长。就电动机本身而言，小贯量利于伺服工作中的频繁启停，但当负载的惯性在系统中占主要作用时，由于负载动力学性质的多变和不稳定，易导致系统动力学设计的失误甚至失败。26大贯量直流伺服电动机大惯量直流伺服电动机又称大惯量宽调速直流伺服电动机，其结构与普通直流电动机比较相似。由于电动机转子的惯量较大，系统中负载部分的惯量影响已经不占主导地位，负载的变化及不稳定对系统运转的作用就较小，使系统能够比较正常地工作，这是在电动机工作品质得到很大提高以后出现的比较先进的控制方案。这种电机一般采用恒定强磁材料制成的恒磁定子及一系列相应结构，使电动机的输出转矩很大，转子的热容量高，热时间常数大，加上电枢线圈的绝缘材料耐高温性能较好，因而电动机的过载能力很强，使其动态响应特性仍然很好。27直流力矩电动机直流力矩电动机是一种低速、大转矩永磁式直流伺服电机。转子呈扁平状，长度与直径之比为1:5。可以长期在低速、甚至堵转状态下运行，并产生足够大的输出转矩。只要准确地调节输入电枢线圈的工作电流，就可以十分方便地控制电动机的输出力矩。考核直流力矩电动机的主要指标是输出转矩、电动机重量和消耗功率。直流力矩电动机参数范围很宽，小到直径几十毫米、转矩零点几牛·米，大至直径一米以上、转矩达几千牛·米。转速的适应范围也极大，从每分钟几百转到每小时几转、每日几转，甚至数月只有一转的极低转速。28动圈式转子直流伺服电动机杯型电枢线圈转子的电枢线圈靠特殊芯轴绕制成杯型，恒磁材料与导磁体分别设计成圆柱或圆筒状，以便形成圆筒形的、可容纳杯型电枢线圈的闭合磁场，恒磁材料的内置还是外置取决于电动机具体的体积及功率要求。将导磁材料与电枢线圈导线完全分离，电动机转动部分是在内、外磁场间隙中通电、受力的导线，可大大减小电机转动惯量。线绕盘式电枢起驱动作用的导线有效部分沿径向呈放射状分布，恒磁材料磁极和导磁体布置在电枢轴向的前后两侧。1.电动机轴2.电枢线圈3.换向片1.导磁体2.磁极3.线圈29六直流伺服电动机调速系统采用电枢控制方式控制直流伺服电机时，励磁绕组由恒定电压源供电，用以产生恒定磁通，电枢绕组为控制绕组，接控制电压U，U＝0时，电枢电流I＝0，转子转矩T＝0，转子静止，U、I、及T不等于0时，电机转动，U极性变化，I改变方向，T反向，电机转向发生变化。电枢控制直流伺服电动机的励磁方式一般为永磁式，这样可以减小电机体积，简化控制线路，提高可靠性。采用磁场控制方式控制直流伺服电机时，电枢绕组由恒定电压源供电，励磁绕组为控制绕组，接控制电压。励磁绕组电感较大，电磁惯性较大，响应较电枢控制方式慢，故磁场控制方式的伺服性稍差，只在某些小功率场合采用。直流伺服电动机主要采用电枢控制方式。30（一）单闭环调速系统虽然在恒定激磁时可以通过调节电枢绕组电压调节直流电机转速，但由于工作电流在电枢绕组内阻上的电压降，使电动机实际工作转速将随外负载的加大而有所减小，从而增加了直流电机调速的复杂性。为控制直流电机的转速，首先需对其进行检测。31电机转速控制电压为ui，TG输出的反馈电压uf串联在控制信号ui上，模块2的输入电压ur为差值uc之比例与积分的叠加。电机起动时uf＝0，运放1的输入uc最大，若无积分作用，ur将最大、起动过程将很快，直至在设定的工作转速下ui与uf之差达到预定数值，但由于此时靠ui与uf之差进行控制，系统存在静差，由于积分作用，只要有信号变动，就有输入电压ur，可以无静差。随着转速的升高，uf提高，控制逐步趋于平稳。R3可调节负反馈深度，运算放大模块周边的电阻可调节转速控制增益。转速负反馈使电机工作特性变硬。TG：测速发电机模块2：电压脉冲转换模块模块3：功率放大驱动模块ECRi+R1ui1+_23RfR2RaR3ufucCfurTGM+L32（二）转速、电流双闭环调速系统双闭环系统设置相互串联的转速和电流调节环节，转速调节环节的输出作为电流调节环节的输入，电流调节环节的输出送到模块2，控制PWM及功放模块输出。电流调节环在内，称电流内环，转速调节环节在外，叫转速外环。电流负反馈充分利用了直流电动机的过载能力，使在起、制动过程中始终保持最大电流（即最大转矩），电动机能以最大角加速度启动。当转速达到稳态转速后，又让电流（转矩）立即下降，最后使电动机电磁转矩与负载转矩相平衡、以稳定转速运行。TA：电路互感器TG：测速发电机模块2：压频转换模块3：功放驱动ECRi+R1ui1+_23RfR2RR3ufCfur2TGM+iaR41i+_R0R5R0C0ur1+TA33第三节交流电动机及其伺服控制系统与直流电动机相比，交流电动机结构简单，获取能源方便，寿命长，而且，单机容量高、工作转速高。在传统的控制方法中，交流电机的控制电路比较复杂，但是，随着微电子技术和交流变频技术的快速发展，加上高性能材料及精密加工等新技术的日新月异，交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。

34交流电动机交流电动机可以分为交流同步电动机和交流异步电动机，其中最常用的是三相交流异步电动机，而异步电动机中按转子结构可以分为鼠笼式和绕线式电动机。35交流电动机转动的基本原理

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异步电动机转子受力及转动分析磁场转速转子转速转差率<1?r/mn0——异步电动机的同步转速，r/m；n——异步电动机的转速，r/m；

f——定子绕组交流电的频率，Hz；P——电动机的极对数。37三相交流异步电动机的工作特性电动机起动瞬间的转矩为TS，随着转速的升高，转距会加大，使电机更快地加速。在绕过最大转矩Tmax拐角点后，电动机进入与直流电动机外特性类似的工作区域，转速、转矩基本呈线性关系，而且比较“硬”。电动机空载时的最高工作转速为同步转速。三相交流异步电机只能在有限的工作转矩条件下工作，当负载转矩接近其最大转矩时，电动机处于不稳定状态，因此，电动机额定工作转矩一般都大约认定在起动转矩的二分之一位置，以保证电机工作可靠。UDTTmaxTSTTTLn0n38交流同步电动机同步电动机(SM)一般采用恒磁材料制作转子以形成固定的转子磁场极性，通过检测转子磁极的位置，在定子中以三相交流电动机的方式建立规定的同步转速旋转磁场，这样，在磁极的耦合作用下，除非电动机的负载转矩超出其工作极限，否则转子将永远按同步转速转动。同步电动机比异步伺服电动机容易控制，其转矩产生机理与直流伺服电动机相同。同步电动机常用在对转速要求严格的场合，如老式电钟的电动机。同步电动机与步进电动机的原理是一样的，都靠磁极间的吸引力来驱动负载，但在控制的方式上存在着本质的区别。步进电动机的定子磁场变化是突变式的，而同步电动机定子磁场为连续回转方式。永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，适应高性能伺服驱动的要求。39二交流电动机的调速交流同步电机调速只能用变频的方式。一般异步电机磁极对数不能随意改变，需专门的双速或多速异步电机，为有级调速。在机床上应用较多的是双速电机。变极调速在绕线式电动机的转子电路中接入一个调速电阻，改变电阻的大小，就可得到平滑调速。设备简单，但转差损耗大，效率低。串级调速转速对频率而改变，转差变化小，调速性能好，并可实现无级调速。应用最为广泛。变频调速控制电动机定子绕组电压，调速范围较小，只能用在有限的场合。调压调速异步电动机调速的方法40应用：电钻、洗衣机、冰箱及吹风机等。特点：可以在单相交流电源使用，效率低，功率低。三异步交流伺服电动机的工作原理电容分相式电动机具有两个定子绕组，一个为动力绕组、另一个为起动绕组，两者在空间成90

夹角。(一）单相异步电动机41（二）交流伺服电动机运行的矢量控制对于两相交流电动机，若在两相对称绕组中施加两相幅值不同，或相位差不是90

的电压，所得磁场是椭圆形旋转磁场。只要改变控制电压和励磁电压的大小及相位，就能改变合成转矩的大小和方向，从而达到改变电动机转速与转向的目的。这与单相交流电动机十分相似。当磁场矢量不旋转、仅为某一方向的脉动运动时，电机处于静止锁定状态，若磁场矢量旋转或摆动，则电动机转子亦相应进行旋转和摆动。磁场A磁场B绕组L2绕组L1ML2移相电路L1交流伺服电动机定子绕组交流伺服电动机驱动电路42四、变频技术及其原理通过四只三极管的成对定时开通，形成方波形式的交流输出，控制开通定时的周期就可以改变交流输出的频率。方波形式的交流电所包含的谐波分量过多、过大，与交流电动机所需要的理想正弦波波形差别太大，难以应用到实际电路中去。三极管功率有限，普通晶闸管不能人为地关断，应用功率场效应晶体管或可关断晶闸管的正弦波脉宽调制(SPWM)是实用的变频电路。交流电的频率是决定交流电动机工作转速的基本参数，因此，直接改变和控制供电频率是控制交流伺服电动机的最有效方法。+V1V2V3V4_RL43（一）场效应晶体管及可关断晶体管场效应晶体管能适应在高速、高频条件下工作，输入电路功耗小、阻抗高，容许与信号控制回路直接耦合，控制回路比较简单，开关速度高、功耗小、效率高。用栅极与源极间的电压大小及极性可对晶体管的导通进行控制，在VGS达到一定数值之后，场效应管的电流特性接近开关导通的状况。可关断晶闸管（GateTurn－offThyristor，GTO）既具有普通晶闸管耐压高、电流大的优点，又具有晶体三极管控制比较方便的长处，是一种比较理想的电子开关型器件。D：场效应晶体管漏极S：场效应晶体管源极；用栅极G与源极S之间的电压VGSDGS+_44（二）正弦波脉宽调制原理（SPWM）从能量效果上看，正弦波形可以用一组在时间序列上等幅而不等宽的矩形脉冲群来近似等效。每等份中的正弦曲线与时间坐标轴所包围的面积都与等高矩形脉冲面积相等。计算每一分段矩形脉冲的宽度只能靠实时计算或查表实现，调节频率变化也需要由计算实现，控制系统比较复杂。矩形脉冲虽然宽度不同，但他们相互之间的时间间隔相同，对控制系统存在较集中的高频谐波干扰。所以，实际应用中经常采用正弦波与三角波求差方法来确定各分段矩形脉冲的起始与终止点。UmotoUmt45三角波是上下宽度线性变化的波形，任何最大幅值小于其振幅的光滑曲线与三角波相交时，都能解得一组等幅、脉冲宽度正比于该函数值的调制信号——在能量效果上等效于该函数的矩形脉冲群。函数信号为基准信号，三角波信号为载波信号。正弦波基准信号值小于三角波载波信号时，GTO关断，无矩形脉冲输出。当正弦波信号大于三角波后，GTO开通，矩形脉冲被触发。当正弦波的频率发生变化时，等效矩形脉冲群的变动基频相应改变。只要三角波的频率足够高，此类调制方法可以适应很大的频率范围。相邻脉冲之间的间隔不相等，包含的高频谐波分量比较小而分散，对系统的干扰将大大下降。tOtUmO46（三）交—直—交变频装置及交—交变频装置交—直—交变频先将电网供应的工频交流电源通过整流装置变换成直流，然后再用变频电路将直流变换成频率受控的交流电源。交—直—交变频可在极宽的频率范围内进行调节，供电质量较高。交—交变频直接对工频三相交流电源各相波形进行斩切和拼合，形成领率可控的等效正弦波交流能源。与交—直—交变频相比，它省去了中间整流环节，直接一次变换，但能提供的最高输出频率约为电网变换频率的1/3～1/2，而且对电网则功率因素也较低。47（四）能量只从电源向负载流动的三相变频电路电动机是感性负载，交—直—交变频器存在无功功率问题。在整流与变频回路中间应设置能储存和释放能量的元件。如果并联大容量滤波电容，此时整流回路相当于恒压源，变频装置称为电压型变频器。如果两者间串联电感，整流回路为恒流源，变频器称为电流型变颁器。六只整流管组成三相桥式整流回路，将三相交流电转换成直流电，六只GTO管组成三相桥式变频电路，用SPWM法将直流能源转换成要求频率的三相交流。当电动机处于惯性运转状态时，电机发出的电能通过六只续流二极管组成的桥式整流向中间的电容充电，电容电压升高触发与之并联回路上的GTO导通，将电容存储的能量耗放到耗能电阻R上，两侧回路之间串联的电感L起电流滤波的作用。CRLUrUc~~48交—直—交变频装置结构原理49（五）变频电源产品转向可以靠电源换相进行。B1、B2连接外部制动电阻，变化阻值可调节制动的程度。数字输入D1～D6用于频率设定方式选择、起动、停止等。模拟电流输出、数字输出及继电器输出用于输出变频器的工作状态。通讯协议一般由变频电源厂商规定，不可改变。接触器空气断路器变频电动机通讯接口继电器输出1继电器输出2模拟输入mAFM模拟输出数字输入D1D2D3D4D5D6+24VAGNDFOIODGNDREFAGNDAI2AI1SCRRSTB1B2UVWSCRS1S2AGNDSCRKM1KM2PE50变频电源产品的应用交流电动机变频调速与控制技术已经在众多领域得到了广泛应用，因此提供进口和国产变频器的厂商已经十分普遍。为保证变频器的散热，变频器安装时应留出足够空间，变频电源工作的环境温度不准超过50℃。变频电源的频率控制模式一般有模拟与数字两种，模拟控制又有电压和电流两类可选，电压控制信号一般为DC0～10V，模拟电流控制信号的参数范围一般为0～20mA。数字控制模式可以采用“频率预选”方式、直接输入及通信控制等方式。变频器可以对运行状态进行显示，并可以对电动机起动方式、多段加减速时间、转矩电压补偿、惯性停车或强制制动、PID控制及补偿等进行设定与控制。51（六）交流变频异步电动机交流异步电动机转子绕组中产生的感应电动势与电磁感应常数、电动机的结构参数、供电频率及定子绕组通电所造成的实际磁通量成正比。该感应电动势与直流电动机中施加于电枢绕组的电压相当，是决定电动机运转特性的重要工作参数。当频率从额定数值向下调节时，如果维持磁通基本不变，感应电动势将下降，转子通过电磁感应所能够获取的能量减少，电动机处于保证一定输出转矩(相当于恒磁条件下直流电动机电枢中维持额定的工作电流)的状态。如果此时仍以额定电供电，会使磁通增加，当频率较低时，磁通会超过磁路饱和的数值，引起能量损失。当频率在额定数值基础下上调时，似乎感应电动势也会上升，而实际上外部供电电压是有限的，所以只可能引起磁通的减小，也就是相应的输出转矩要降低。由于此时的工作转速提高了，电动机的输出功率（从外部获得的能量）仍然能够得到保证。52交流变频异步电动机的控制方式及机械特性当工作频率低于额定值时，电机适合按恒转矩方式控制，而当工作频率高于额定数值时，电机适合按恒功率方式进行工作。变频电机对绝缘要求更加可靠，在电磁线、浸渍绝缘漆等材料的质量控制和浸渍工艺中都采取了比较先进及科学的措施，并单独增加了轴流风机实施强迫通风降温措施等。控制方式机械特性fPfOφ恒转矩控制恒功率控制低频电压补偿恒功率范围恒转矩范围fOnT53五、交流伺服系统产品交流伺服系统一般由交流伺服电动机和伺服驱动器两部分配套而成。交流伺服系统的选择可以有两种方式，一种以变频器为伺服控制器，以交流同步电动机或鼠笼型交流异步电动机为交流伺服电动机组成，若需要闭环控制，还需要对电机轴的速度或位置进行检测；另一种是选择同一厂家生产的伺服电机与伺服控制器配套产品，伺服电动机由电动机、转子位置传感器、速度传感器组成。伺服系统可以工作在速度控制、位置控制及转矩控制方式下。工作在位置控制方式时一般采用脉冲控制方法，而在转矩控制方式下工作时可实现力矩电机的功能。系统一般提供伺服系统启闭、控制方式确认、内部速度指令选择、停车锁定选择、报警清除等控制信号的输入端口。伺服系统有自动增益调整功能，以设定系统最佳工作参数。电子齿轮功能用于实现不同输出减速比切换，以简化机械机构设计。54交流伺服系统总体设备5556第四节步进电机及其驱动步进电动机是将电脉冲信号转换成角位移或线位移的电动机。步进电机每接收一个电脉冲，转子就转过一个角度，称为步距角。这种电机的转动是断续地一步一步进行的，所以被称为步进电动机。按具体结构分类：反应式、永磁式和混合式三种。一、步进电动机的分类57（一）反应式步进电动机反应式步进电动机又称为可变磁阻式步进电动机，利用磁阻转矩使转子转动。反应式步进电机的结构形式通常分为单段式和多段式两种，目前使用最多的是单段式。反应式步进电动机的定子及转子铁芯都用软磁材料制造，定位精度高、气隙小，磁极较窄(步距角较小)。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小，但动态性能差。步进电动机一旦断电就完全失去工作力矩。58（二）永磁式步进电动机永磁式步进电动机定子或转子铁芯以永磁材料制造，一般转子为一对极或几对极的星形磁钢，定子上绕有二相或多相绕组。定子绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场互相吸引与排斥产生转矩。永磁步进电动机的出力大，动态性能好,但受磁极材料及磁场分布的影响，转子磁极的磁化间距受到限制，难以制造，故步距角较大。断电后永磁材料能产生一定的定位转矩。永磁式步进电动机的激磁绕组通电时需要规定它的激磁极性，如果使其激磁磁场作连续回转运动，实质上它就成了一台永磁同步电动机。59（三）混合式步进电动机混合式步进电动机是反应式与永磁式步进电动机的混合，是在永磁和变磁阻原理共同作用下运转的。它综合了反应式和永磁式步进电动机的优点，利用部分永磁材料的磁性来减小反应式步进电动机的激磁电流和在断电以后获得一定数量的剩余转矩，但它的工作转矩并不完全依靠永磁，所以步矩角可以与反应式步进电动机相近，出力大，动态性能好，有逐步取代反应式步进电动机的趋向。轴向磁化永磁体产生一单向磁场，转子的一段经永磁体磁化为S极，另一段磁化成N极，每段转子齿以一个齿距间隔均匀分布，但两段转子的齿相互间错开1/2个转子齿距。xy定子绕组转子磁通通路永久磁钢60二步进电机的工作原理及运行方式步进电动机的转子总是倾向于与定子磁通最大位置对齐，即搜索最小磁阻路径，通过最大磁通量。三相反应式步进电动机的转子齿数可以相差很大，但工作原理相同。为讨论方便，以转子只有4个齿的三相反应式步进电动机为例，由于定子和转子的齿数分别是6和4，比值为一分数，这就产生了所谓的齿错位情况。三相步进电动机各相定子绕组的通电顺序有“三相三拍”和“三相六拍”两种运行方式。(a)A相通电(b)B相通电(c)C相通电A’`61“三相”指电机有三相通电状态改变一次，称为“一拍”“单”指每次只有一相控制绕组通电“三拍”指三次通电状态为一循环，步距角30°定子绕组按A－B－C－A顺序通电，转子逆时针转动步进电动机工作原理三相单三拍运行方式(a)A相通电(b)B相通电(c)C相通电A’`62步进电动机工作原理三相双三拍运行方式“双”表示同时有两相控制绕组通电转子齿处于总磁通所经过路径的最小磁阻位置绕组通电顺序：AB—BC—CA—AB，转子转动方向:逆时针三拍一个循环，步距角30°(a)AB相通电(b)BC相通电(c)CA相通电63三相单三拍+三相双三拍=三相六拍通电顺序：A－AB－B－BC－C－CA－A或A－AC－C－CB－B－BA－A六拍:完成一个循环有六个通电状态,步距角15°步进电动机工作原理三相六拍运行方式

(a’)(b’)(c’)A’`64三相单三拍：在转换时存在断电时刻，易失步。三相双三拍：无断电时刻，运行平稳，输出扭矩大，发热大。三相六拍：无断电时刻，运行平稳，步距角小，最常用。几种步进电机运行方式比较步距角N----运行方式的拍数；Z----为转子齿数。转速f----输入脉冲频率(Hz)。65三与动力学性能相关的步进电机动态工作特性参数最高空载启动频率：在空载条件下步进电动机能够正常启动可以施加的最高脉冲频率（一般情况下为500～4000Hz）。虽然该参数可以在一定程度上反映步进电机的频率响应性能，但不能作为实际运行时选用最高起动频率之依据。最高空载运行频率：空载条件下，步进电动机维持不丢步运行的最高频率，比最高空载启动频率有较大提高。启动矩频持性：在空载条件下，测量各种起动频率条件下步进电动机所能承受的最大外负载力矩。起动频率增加，其启动力矩值降低。运行矩频特性：在空载的条件下，测量各种频率运行时步进电动机所能承受的最大外负载力矩。该参数的变化规律与启动矩频特性相似。在某些步进电动机矩频特性中会出现一个或几个“频率陷阱”现象，即步进电动机在陷阱频率附近的频率起动或运行时负载能力急剧下降或几乎没有负载能力。66四步进电机的驱动系统构成步进电动机和驱动电源共同构成步进电机驱动系统，步进电机驱动系统的性能除与电机的性能有关外，在很大程度上还取决于驱动器性能的优劣。步进电动机驱动系统输入速度和方向信号，环形分配器受输入速度脉冲及方向信号的控制而产生通电逻辑控制信号，环形分配器每接收一个控制脉冲（CP），就输出一次通电状态转换信号。环形分配器输出的控制信号送驱动电路进行功率放大驱动电机运转。控制输入脉冲数可以控制位移量，控制脉冲频率就可以控制速度。环形分配器步进电动机驱动电路速度方向67光电藕合隔离光电耦合接口通过光强变化或光脉冲把“弱电”和“强电”联系起来。普通光电耦合隔离电路的工作频率大约在100kHz以下。电路中来自计算机的电路与输出至功率放大的电路完全隔离，接地也不联在一起，这种电路输入与输出之间的绝缘电阻可达1011Ω以上。在光电耦合器件中，脉冲信号输入端发光二极管上的最小压降应达到1.2V，通过发光二极管的电流最好在5mA以上。至功率放大电路控制脉冲VccR1R2光电耦合器件68脉冲的环形分配步进电机的环形分配器有硬件和软件两种实现方式。软件环形分配由计算机程序实现，软件方式占用硬件少、变动灵活，但在工作时占用CPU的空间和时间，可靠性取决于软件，工程中一般不推荐使用。硬件环形分配器是由触发器或门电路组合而成的功能电路。市场上有多种商品化的环形分配器集成电路可供选择，只要配接少量电路元件即可产生满足时序要求的通电逻辑信号。

CH250121μF+12V100kΩ678161514131211109UDJ3LJ3rCBAR*RJ6rJ6LENCLUS正反向控制控制脉冲输入

CH25011621514131211109435678UDJ3LJ3rCBAR*RJ6rJ6LENCLUSCH250三相六拍接线图69功率放大电路功率放大电路应解决以下几个问题：尽快建立激磁绕组的工作电流。激磁绕组是一个感性负载，在突然加上直流电压时，通过绕组的电流以指数曲线的方式逐渐加大，这一过程会影响步进电动机工作磁场的快速建立，为此可用加大施加在激磁绕组两端电压的方法来加快激磁电流的建立速度。保持激磁绕组中的额定工作电流。激磁绕组本身的电阻是很小的，如简单地为了加快激磁电流建立速度直接施加高电压，则会造成在达到稳定状态后工作电流过大、烧损激磁绕组绝缘的后果。因此，至少要在驱动电路中串联限流电阻来限定额定工作电流。断电后在最短的时间内消除剩余电流的影响。因为绕组为感性负载，当结束通电时，绕组中必然出现惯性电流（剩余电流），造成因磁场延时而影响步进电动机工作磁极的迅速切换，因而需要设法尽快释放和消耗。70简单功率放大电路在电压施加于功放电路的瞬间，电路中没有工作电流，限流电阻不产生电压降，激磁绕组以额定电压起动。当电流逐渐增大时，限流电阻上的电压降也随之增高，最后，工作电流达到额定工作电流，限流电阻也最终完成其限流作用。电容C减小回路的动态阻抗，提高工作电流建立的速度，稳态工作时的阻抗仍为限流电阻。反向并联的二极管用于释放断电后的惯性电流，该二极管应能耐受两倍以上额定电压，电阻Rc耗散惯性电流能量。估算限流电阻的数值。如：电动机标称工作电压24V、额定工作电流3A，三极管上压降可粗略地估计成1V，如果忽略激磁绕组本身电阻，则限流电阻的阻值大约为：VRCLRCLRDV71高低压功率放大电路为了提高驱动电路的工作效率，可以安排两种供电电压，分别承担高压起动和在额定电流下工作的任务。高电压输入可采用定时控制的方式，根据步进电动机驱动功率及整个系统惯量的不同，高电压接入的时间一般约在0.1～1ms之间。三极管V1控制高电压的输入，V2控制整个激磁绕组是否开通。保护二极管VD防止高压电路“窜入”低压电路。V1V2VD高压低压72步进电动机的细分驱动技术一般情况下，步进电动机的最小步矩角只有0.9

或0.75

。步进电机细分驱动的本质是把对绕组的矩形电流波供电改为阶梯型电流波供电。要求绕组中的电流以若干个等幅等宽的阶梯上升到额定值，或以同样的阶梯从额定值下降到零。虽然这种驱动电源的结构比较复杂，但有如下优点：在不改变电机内部结构的前提下，使步进电机具有更小的步距角、更高的分辨率；使电机运行平稳，减小或消除电机振荡、减小噪声。近年来，能够作很大程度细分的步进电动机产品与配套的驱动电路层出不穷，某些产品的技术指标（细分至基本步距的几十分之一、其至数百分之一）已经能够与高精度的伺服电动机系统相匹敌。73常用的步进电机细分驱动电路

工作原理：由基极开关电压U1~U5控制多路功率开关管VTd1~VTd5的通断，从而控制功放管VT的导通电流大小，即步进电机线圈绕组电流的大小，实现对步进电机步进量的细分。功率开关管工作在开关状态，功耗很低，但器件多、体积大。74带电流反馈的线性细分功率放大电路L是激磁绕组，V为控制三极管。由细分脉冲分配器输出的数字信号经过D/A转换器转换成阶梯状模拟控制电压，通过其与工作电流测量电阻Rs测到的电流信号之比较来控制激磁电流。这种方法特别适用于步进电动机较低速的运行与精确定位。LRVCCVDVRS+_RfUi75五步进电动机的加减速控制运行速度大于系统极限启动频率时，需要有一个加速、恒速、减速、停止的过程，要求加减速过程尽量短，而恒速时间尽量长。加速规律一般有两种：一是按直线规律加速，二是按指数规律加速。按直线规律加速时加速度为恒值，要求步进电动机产生的转矩为恒值。从电动机本身的矩频特性来看，在转速不是很高的范围内，输出的转矩可基本认为恒定。但实际上电动机转速升高时，输出转矩将有所下降，如按指数规律升速，加速度是逐渐下降的，接近电动机输出转矩随转速变化的规律。对步进电动机进行加减速控制，实际上就是改变输出时钟脉冲的时间间隔。加速时使脉冲串逐渐加密，减速时使脉冲串逐渐稀疏。7677第五节液压执行元件及其伺服控制液压传动是以液体为工作介质进行能量传递的传动方式。液压传动主要利用液体的压力能来传递能量。一、液压传动的特点功率传递密度大。电气系统中由于铁磁材料磁饱和特性及线圈、铁芯涡流的损耗发热等因素之制约，使电动机等执行元件的功率—重量比难以提高，而液压系统中执行元件的功率—重量比仅受其力学结构所能够承受的最高允许压力之限制，它的功率—重量比要比电磁执行元件几乎大一个数量级。负载刚性大，可以可靠地对被驱动部件进行“锁止”，同时能够承受极大的扰动载荷，这几乎是所有电动机无法做到的。控制比较方便。由于采用了液体作为动力传递介质，液压系统就能够通过容易布置和随意弯曲的管道进行能量传递和分配，在空间安排和结构布局方面比传统的机械方式具有更大的灵活性。油液兼有润滑作用，有利于延长元器件的工作寿命。78液压传动的缺点由于油液的黏性损失，使系统的传动效率较低；液压器件的机械间隙一般都很小，为防止过度磨损，对油液的清洁度要求都较高；为防止漏油污染环境，液压系统的密封要求比较严格；由于油液的黏度对温度很敏感以及闪点的限制，液压系统要求严格控制工作温度，而且还要求采用抗燃、防爆等技术措施；由于液压系统中不少环节都具有非线性的特性，故系统的设计和分析比电气系统复杂；以液压方式实现信号的检测、处理和传递不如电气方式方便等。79二、液压执行元件利用流体能量做机械功的液压元件称为液压执行元件。液压执行元件实现了标准化、系列化、通用化，一般采用矿物油为工作介质。液压缸：液压缸是液压系统中最重要的执行元件，将液压能转变为机械能往复运动或摆动。液压缸的结构简单，配制灵活，设计、制造比较容易方便。液压电动机：液压电动机是将液压能转换为机械能的能量转换装置，在液压系统中作为执行元件来使用。常用液压电动机主要有齿轮式与叶片式两种。齿轮液压电动机的密封性差，容积效率低，工作转矩小，输出转矩具有脉动性，一般用于高速、低转矩的场合，转速范围1000～10000r/min。叶片式液压电动机体积小、惯性小、动作灵敏，适用于换向频率高的场合，其最大弱点是机械特性较软，负载增加时转速迅速下降，泄漏大，不能低速工作，一般最低转速不低于100r/m，最高转速可达2000r/m。8081三、电液伺服系统电液伺服系统是电气电子技术和液压传动及控制相结合的产物，它兼备了电气和液压的双重优势。（一）电液伺服阀液压油分两路从阀的P口供入，主控通道通至主控四边阀的控制边，当阀芯移动时将压力油输入控制口A或B，控制通道通过两侧的固定阻尼通至喷嘴挡板。1–固定阻尼2–主控阀芯3–弹簧钢丝4–力矩电动机5–挡板82（二）电液比例控制虽然电液伺服阀可以实现较精确的运动控制，但由于伺服阀中喷嘴挡板、阻尼孔、主控阀芯间隙等对油液的洁净度要求苛刻，限制了它的应用。在电液比例阀中，比例电磁铁驱动先导阀或直接驱动主控阀芯，使系统结构得到大大简化，而且使用条件的要求也可适当降低，比较适宜于常规的液压控制系统。采用压力、流量、位移内反馈和动压反馈及电校正等手段，阀的稳态精度、动态响应和稳定性都可以达到比较理想的水平。83直流比例电磁铁结构原理隔磁环的位置与形状对比例电磁铁的性能将有决定性的影响。推杆起传递铁芯推力的作用。当控制电磁线圈2中的电流变化时，电磁场对铁芯的电磁牵引力也将发生变化，铁芯可以通过推杆对先导阀或主控阀芯进行控制。由于磁场的气隙特性，普通电磁铁铁芯在其全行程上所受到的电磁牵引力有非常激烈的变化，使铁芯工作位置的控制变得十分困难，限位挡圈使铁芯不能进入牵引力激烈变化的工作区段，而位于线性较好的区断。调零弹簧4则可以调节铁芯工作时的起始位置。1–隔磁环2–线圈3–铁芯

4–调零弹簧5–滑动环

6–限位挡圈7–推杆234567184第六节气压执行元件及其伺服控制气压传动是以压缩气体为工作介质进行能量传递的传动方式，一般以压缩空气为工作介质。一、气动传动的特点主要以空气作为工作介质，可以直接排向大气，不需要设置回程管道，即使系统稍微有所泄漏也不会造成严重的环境污染，使用方便。气体不是致燃的工作介质，能应用于易燃、易爆场所。空气黏度只有油的万分之一，系统流动阻力小，可在较短的时间内达到所需的压力和速度，动作迅速反应快，可实现气源的集中供应和远距离输送。因为气体的可压缩性，适当超载时系统也能安全运行，当压缩机因故障停止运行、气阀失灵时，气动系统仍可维持一定工作压力。85气压传动的缺点空气的可压缩性使气动系统的流量难以实现精确控制，对位置控制和速度控制的精度带来了一定的影响；气压系统工作压力较低(一般小于0.8MPa)，因而气动系统的输出力小；气压系统的工作噪声较大，尤其在超音速排气时，因此需要加装消声器；空气本身没有润滑性能，如不使用特殊的无油气动元件，则在气动系统中需要加配油雾器等附加装置，使排气对环境造成一定影响。86二、气压执行元件（一）气缸：气缸是气压传动系统中应用最多的动力执行元件。当前，世界各主要气动器件公司都推出了大量品种丰富、功能齐全、品质优异的气缸产品。（二）气动电动机：气动电动机是将压缩气体的压力能转换为机械能并产生旋转运动的气动执行元件。常用的气压电动机是容积式气动电动机，它利用工作腔的容积变化来作