课件机电一体化系统设计第3章：执行元件的分类及控制用电机的驱动a

第三章机电一体化系统执行元件的选择与设计3.1执行元件一、执行元件的种类及其特点交流伺服电机直流伺服电机步进电机其它电机双金属片形状记忆合金压电元件电磁铁及其它电动机油缸液压马达气缸气压马达执行元件电磁式液压式气压式其它与材料有关执行元件的特点及优缺点种类特点优点缺点电气式可使用商用电源，信号与动力的传送方向相同；有交流和直流之别，应注意电压大小。操作简便；编程容易；能实现定位伺服；响应快；易与CPU相接；体积小，动力较大，无污染。瞬时输出功率大；过载差；易受外部噪声影响。液压式要求操作人员技术熟练；液压源压力为20~80×105(Pa)输出功率大，速度快，动作平稳，可实现定位伺服；易与CPU相接，响应快设备难于小型化，液压源或压力油要求严格，易泄漏且有污染。二、机电一体化系统对执行元件的基本要求1、惯量小、动力大2、体积小，重量轻3、便于维修、安装4、易于微机控制JTP2比功率3.2机电一体化系统常用的控制用电机•控制用电机是将电能转换成机械能的一种能量转换装置。•包括：力矩电动机、脉冲电动机、变频调速电动机、开关磁阻电动机和各种AC/DC电动机等。伺服电动机控制方式的基本形式一、机电一体化系统对控制用电机的基本要求1、性能密度大即功率密度和比功率大电动机转子的转动惯量电动机的额定转矩其中：比功率功率密度mNmNNGJTJTTdtdpGPP22、快速性好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、寿命长二、控制用电机的种类、特点及选用•机电一体化系统（或产品）使用两类电动机：动力用电动机和控制用电动机。•动力用电动机：感应式异步电动机和同步电动机等；•控制用电动机：力矩电动机、脉冲电动机、开关磁阻电动机和变频调速电动机和各种AC/DC电动机等。不同的应用场合，对控制电动机的性能密度的要求不同：•对于起停频率低，但要求低速平稳和扭矩脉动小，高速运行时振动、嘈声小，在整个调速范围内均可稳定运行的机械，其功率密度是主要的性能指标；•对于起停频率高，但不特别要求低速平稳性的产品，其主要性能指标是高比功率。控制用电机按工作原理可分为旋转磁场型旋转电枢型同步电机步进电机直流电机感应电机伺服电机特点种类主要特点DC伺服电机1、高响应特性2、高功率密度（体积小，重量轻）3、可实现高精度数字控制4、接触换向部件需要维护晶体管式无刷直流伺服电机1、无接触换向部件2、需要磁极位置检测器3、具有DC伺服电机的全部优点AC伺服电机永磁同步型感应型1、对定子电流的励磁分量和转矩分量分别控制2、具有DC伺服电机的全部优点伺服电动机优缺点比较DC伺服电动机优点：•停电时可制动•控制器简单•小容量的成本低•功率速度高•无铁心形的不存在齿槽效应转矩缺点：•需对整流子维护•不能在高速大力矩下工作•产生磨耗有粉尘同步（SM）形伺服电动机优点：•停电时可制动•可高速大力矩工作•耐环境性好，无需维修•小形轻量•功率速度高缺点：•无自启动功能；•电动机与控制器需一一对应•控制器较复杂感应（IM）形AC伺服电动机优点：•耐环境性好，无需维修；•可高速大转矩工作；•大容量下效率良好；•结构坚固；缺点：•在小容量下工作效率低•温度特性差；•停电时不能制动；•控制器较复杂3.3步进电机及其驱动•步进电机是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件•步进电机的转角与输入的电脉冲数成正比•步进电机的转速与输入的电脉冲频率成正比•步进电机的转向与输入的电脉冲的顺序成正比。一、步进电机的特点与种类1、步进电机的特点1）步进电机的工作状态不易受各种干扰因素的影响；2）步进电机的步距角有误差，但不会长期累积；3）控制性能好•步进电机广泛应用于开环控制的机电一体化系统中，使系统简化，并可靠地获得较高的位置精度。2、步进电机的种类（1）按运动方式分•旋转式步进电机和直线式步进电机（2）按励磁相数分•三相、四相、五相、六相步进电机（3）按转子的结构分1）可变磁阻（VR）型2）永磁（PM）型3）混合（HB）型二、步进电机的运行特性及性能指标1、分辨率步距角越小，分辨率越高；2、静态特性稳定状态时的特性1）矩角特性2）静转矩3）静态稳定区•静态转矩越大，静态误差就越小MeMjmax--/2/20静态稳定区（3）动态特性•步进电机的动态特性将直接影响到系统的快速响应及工作的可靠性。1）动态稳定区ABCe32裕量角•A相与B矩角特性曲线之交点所对应的转矩Tq称为起动转矩；•Tq表明步进电机单相励磁所能带动的极限负载转矩2）启动转矩TqABCTqeTABCeT•电机产生的电磁转矩T负载力矩TLTLABCeT当电机所带负载TLTq时，电机可不失步的启动。TLT电机产生的电磁转矩T负载力矩TL,电机无法启动。3）最高连续运行频率及矩-频特性•步进电机在连续运行时所能接受的最高控制频率称为最高运行频率，以fmax表示；•电动机在连续运行状态下，其电磁转矩随控制频率的升高而逐步下降；•转矩与控制频率之间的变化关系称为矩-频特性。步进电机的矩-频特性Td(N.m)f(Hz)4）空载启动频率与惯-频特性•在空载状态下，转子从静止状态能够不失步地启动时的最大控制频率称为空载启动频率或突跳频率（fq）。当启动频率较低时：•电机可不失步的运行ABCeT1234启动频率太高•4点落在C相稳定区外，电机将不能正常启动。ABCeT1234•步进电机带动惯性负载时的起跳频率与负载转动惯量之间的关系为惯-频特性。•一般讲，随着负载转动惯量的增加，起跳频率也会降低。三、步进电机的驱动与控制变频信号源脉冲分配器功率放大器电机脉冲信号方向分配器电源放大器电源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实现的方法有：1）采用计算机软件利用查表程序来实现优点：充分利用计算机软件资源，降低硬件成本；对多相电机的脉冲分配具有更大的优点；缺点：易影响电机的运行速度2）采用小规模集成电路搭接而成的脉冲分配器优点：灵活性大，可搭接任意相任意通电顺序的环形分配器，且工作时不占用计算机的工作时间缺点：可靠性差3）采用专用环形分配器器件•使用方便，接口简单2、功率放大器1）单电压型主要用于对速度要求不高的小型步进电机。2）高低压功率放大电路原理图波形图•其原理即“高压建流，低压稳流”特点为：•高速运行性能好，但低速运行时振动较大3）恒流源功率放大器•适用于较高频率的驱动上，功耗小，效率高，但发热大。4）斩波恒流功率放大电路•电机的输出加大，运行频率得到提高5）调频调压功放电路•当电源一定时，步进电机绕组电流的上冲值是随工作频率的升高而降低的，使输出转矩随电机转速的提高而下降。•如果能设法使绕组的供电电压随着运行频率的升高而一起升高，以维持绕组在不同频率的导电周期内电流平均值基本相同，这样可达到在高频运行时，动态转矩不明显下降的目的。•这种随运行频率的升高，电源电流自动升高的控制方式，称为调频调压方式。3、细分驱动•将一个步距角细分成若干步的驱动方式称为细分驱动。特点：•在不改变电动机结构参数的情况下，能使步距角减少，但细分后的步距角精度不高，功率驱动电路也相应复杂；•能使步进电机运行平稳，提高匀速性，并能减弱或消除振荡。4、步进电机的微机控制•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•驱动电源中必须含有环形分配器8031P1.0P1.1P1.2CP脉冲方向信号方式信号环形分配器功率放大电路步进电机串行控制示意图并行控制：8031P1.0P1.1P1.2P1.3驱动器ABCD并行控制示意图步进电机速度控制•控制步进电机的运行速度，实际上就是控制系统发出时钟脉冲的频率或换相的周期。•系统有两种办法来确定时钟脉冲的周期软件延时法和定时器法•软件延时法占用CPU时间•定时器法是通过设置定时时间常数的方法来实现。步进电机的加减速控制•要求升速、减速过程最短,恒速时间尽量长，且恒速度最大恒速f起点时间终点时间t低速点-位控制的加减速过程用微机对步进电机进行加、减速控制，实际上就是改变输出时钟脉冲的时间间隔•升速时使脉冲串逐渐加密；减速时使脉冲串逐渐稀疏。微机用定时器中断方式来控制电机变速时，实际上就是不断改变定时器装载值的大小。5、步进电机的选用步骤（1）根据系统精度的要求粗选步距角。（2）计算出整个系统加载到电机轴的力矩Tq（3）根据电机的通电情况计算出电机的最大静态转矩Tjmax,（4）根据和Tjmax选定电机型号（5）根据电机的矩频特性曲线验算电机在最大工作频率下的转动力矩是否能带动负载运行。（6）最后根据系统的安装条件最终确定电机型号。13001100015.640.755150BF00315004.90.753110BF004150070007.840.753110BF003空载启动频率(步/s）空载运行频率(步/s）最大静态转矩(Nm)步距角(0)相数参数型号反应式步进电机技术性能数据3.4直流（DC）伺服电机及其驱动一、直流伺服电动机的特性及选用1、特性•直流伺服电动机通过电刷合换向器产生的整流作用，使磁场磁动势合电枢电流磁动势正交，从而产生转矩，其电枢大多为永久磁铁。•直流伺服电动机具有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性，但由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需定期维修。2、直流伺服电机的类型（1）小惯量直流伺服电机•结构特点：电枢做成细长和无槽的，电枢绕组绕在电枢的外圆柱面上，用环氧树脂固定。•特点：转动惯量小，反应灵敏，动态特性好，适用于高速且负载惯量小的场合，否则需根据其具体的惯量比设置精密齿轮副才能与负载惯量匹配。（2）宽调速直流伺服直流电机•结构特点：转子扁而粗，其长径比仅为0.2特点：•调速范围宽，低速运行平稳，负载特性硬，过载能力强，在一定的速度范围内可以做到恒转矩输出，反应速度快，动态特性好；•体积大，寿命有一定限制。宽调速直流伺服电机应根据负载条件来选择1）在整个调速范围内，其负载转矩应在电机连续额定转矩范围内；2）工作负载与过载时间应在规定的范围内；3）应使加速度与希望的时间常数一致二、直流伺服电机与驱动1、控制原理RaLaUaULRLLLIL直流伺服电动机结构原理图电枢激磁Ia电动机的转速为：Mnmn01n02n03U1U2U3U1U2U3直流伺服电机的机械特性曲线)1()1(0aaaaaaLamUIRnUIRkIUn对于已给定的直流电机，要改变他的转速，有两种办法：•改变电枢电压•改变励磁电流•励磁电流调速方法调速范围窄，调速特性软，而电枢电压调速法具有恒转矩的调速特性，机械特性好，调速范围宽，因此这种调速方法得到广泛的应用。•直流伺服电动机采用直流供电，为调节电动机转速和方向，需要对其直流电压的大小和方向进行控制；•目前常用的调速方法有晶体管脉宽调理驱动和晶闸管直流调速驱动控制两种方式。1、晶闸管直流调速驱动控制•主要是调节触发装置控制晶闸管的触发延迟角（控制电压的大小来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的大小。•缺点是：调速范围小，尤其在低速时电枢电流的波形很差，时电动机的工作情况恶化。2、脉宽调制（PWM）直流调速驱动系统•开关频率高（通常达到2~3KHz）•调速范围宽•电流脉动•输出电流接近纯直流（1）工作原理UUTUdtTU001三、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功放器伺服电动机减速器++-速度检测位置检测-3.5交流（AC）伺服电机与驱动1、交流伺服电动机的种类和结构特点（1）种类1）同步型（SM）（无刷直流伺服电动机）2）感应型（IM）（笼型感应电动机）同步型特点：•电机的转速与所接电源的频率之间存在一种严格的关系；即在电源电压和频率固定不变时，它的转速是稳定不变的。•无接触换向部件•结构简单，运行可靠，效率高•体积较大，启动特性欠佳•需要磁极位置检测器•具有直流伺服电动机的全部优点感应型特点•依靠感应电势产生电磁转矩，实现由电能变成机械