第四章__机电一体化系统的执行元件__控制电动机

作业1、以三相步进电机为例，画简图叙述其基本工作原理。2、三相步进电机不同通电方式有何特点？3、若用单片机控制三相步进电机，试说明如何实现三相双三拍通电方式的软环分。4、直流伺服电动机有何优点？其结构特点是什么？5、画出直流伺服电机PWM双极性控制的T形直流调压驱动电路，并叙述其基本原理。异步电动机、直流电动机等都是作为动力使用的，其主要任务是能量的转换。各种控制电机有各自的控制任务：如:步进电动机将脉冲信号转换为角位移或线位移。伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱动控制对象；直线电动机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。本章介绍的各种控制电机的主要任务是转换和传递控制信号，能量的转换是次要的。控制电机的种类很多，本章只讨论常用的几种:步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机和直线电动机。概述伺服（随动）系统：在机电一体化控制系统中，输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统。它用来控制被控对象的转角（或位移），使其能自动地、连续地、精确地复现输入指令的变化规律。伺服系统的基本组成：控制器、功率放大器、执行机构和检测装置等四大部分，如图5.1所示。图5.1伺服系统的组成伺服系统的种类：按控制方式划分开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环系统，以及由它们组合的复合伺服控制系统。2）按使用驱动元件划分：步进伺服系统、直流伺服系统、交流伺服系统、液压伺服系统、气压伺服系统。第四章机电一体化系统执行元件—控制第一节概述一、功能：执行元件是伺服系统的组成部分，也是机电一体化系统的重要组成部分，用来将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。是一种能量变换元件。处于机电一体化系统的机械运行机构与微电子控制装置的接点（联接）部位的能量转换元件机电一体化伺服系统要求执行元件具有转动惯量小，输出动力大，便于控制，可靠性高和安装维护简便等特点。二、执行元件的种类及特点根据使用能量的不同，执行元件主要分为电磁（气）式、液压式和气压式三大类型，如图所示。常用执行元件的种类交流(AC)伺服电机直流(DC)伺服电机步进电机其它电机双金属片形状记忆合金压电原件其它电磁铁及其它与材料有关气压马达气缸液压马达油缸电动机电磁式液压式气动式执行元件各种执行元件的特点1、电气执行元件电气执行元件主要是直流（DC）伺服电机、交流（AC）伺服电机和步进电机。能实现定位伺服，响应快，易于CPU接口，体积小，动力大，无污染。对这些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，自动化控制系统中应用广泛。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，运行平稳等特点。广泛应用于大功率控制系统。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，但由于空气粘性差且具有可压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用，在中、小功率化工石油设备（防爆）、机械工业生产自动化上应用较多。三、对伺服控制电动机的基本要求（2）快速性好加速度大、响应特性好。（3）位置控制与速度控制精度高、调速范围大、低速平稳性好、分辨率高以及振动噪音小。（4）能适应频繁启动，可靠性高、寿命长。（5）易于与计算机接口，实现计算机控制。为实现运动、功率/能量、控制运动方式的转换，对伺服控制电动机提出了一些基本要求。（1）惯性小、功率大直流电源电刷换向器线圈U+–NS电刷换向片II15直流与交流伺服电动机•熟悉直流电机的工作原理直流电机的基本工作原理IUSbNadc当直流电源接通后，电流从电源正极经电刷A和换向片进入位于N极区的电枢线圈边ab，再从位于S极区的线圈边cd流出，最后经另电刷换向片IffTn一个换向片和电刷B流到电源负极，如图所示。线圈ab和cd作为载流导体要受到磁场力（安培力）的作用，力的方向可用左手定则判定。可用判定出，ab受到向左的力f，cd受到向右的力f，这两个力对转轴形成逆时针方向力矩，线圈被驱动沿逆时针方向转动。因此，电枢逆时针方向旋转。BA－＋直流电机的基本工作原理当电枢转动180°以后，线圈边ab和cd位置如图所示，而换向器也与线圈同时转动，从而保证了两磁极间的线圈边中电流的方向总是不变，这也就保证了线IUScNdab电刷换向片IffTnBA－＋圈所受电磁力矩的方向不变，电枢将沿着逆时针方向继续旋转下去，就是说，不管ab边还是cd边，哪条边转到上半部位（靠近N极），哪条边就将受到向左的力；哪条边转到下半部位（靠近S极），哪条边就将受到向右的力，因而整个线圈所受力矩的方向始终不变。直流电动机的工作原理换向片电刷直流电机的基本工作原理通过上述分析可知，换向器的作用是保证当直流电动机电枢上的导体从一个磁极转到另一个磁极下的时候，导体内的电流也能及时换向，从而保证电枢的电磁转矩方向不变，使电动机转向不变。换向器作用：将外部直流电转换成内部的直流电，以保持转矩方向不变。IUScNdab电刷换向片IffBA－＋第四节步进电动机一、步进电动机的特点步进电动机又称脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其输入一个电脉冲就转动一步，即每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向、很容易用微机实现数字控制。一、概述1、步进电动机简介步进电动机是一种将电脉冲信号—角位移的执行元件,其特点如下：（1）步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步距角。（2）改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变。（3）步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高。（4）角位移量与电脉冲数成正比。2、步进电机的独特优点（1）控制性能好，起动、停止、换向及其它任何运动形式的改变，可在若干个脉冲内完成。（2）步距角不易受各种干扰因素的影响，抗干扰能力强。（3）误差不长期积累，电机每转动一步距角，尽管存在一定的转角误差，但电机转动360º时，转角累计误差将归零。（4）具有自锁能力，一旦停止输入脉冲，只要维持绕组通电，即可保持其固定位置。（5）易于实现与计算机的接口。基本结构1423(1)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；(2)转子上则均匀分布着4个齿。U1U2V1V2W2W1定子转子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UVWUWV二、步进电动机的结构与工作原理1、结构组成主要由定子和转子构成，定子包括定子铁芯和定子绕组。定子铁芯由硅钢片叠压而成，定子绕组绕在定子铁芯6个均匀分布的磁极上，在直径方向上相对的两个磁极上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。图示的步进电动机构成U、V、W三相控制绕组，故称三相步进电动机。转子用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构，转子上无绕组—反应式步进电机；若为永久磁铁—永磁式步进电机。2、工作原理当通电顺序为U→V→W→U时，假设U相绕组首先通电，气隙中产生一个沿U1U2轴线方向的磁场，由于磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，于是产生磁拉力使转子1、3两齿与U相绕组轴线U1U2对齐；然后U相断电，V相通电，气隙中产生一个沿V1V2轴线方向的磁场，产生磁拉力使转子2、4两齿与V相绕组轴线V1V2对齐；这时转子顺时针转了30°。随后V相断电，W相通电，根据同样的道理，转子又顺时针转了30°。若再U相通电，W相断电，那么转子再顺时针转30°。定子各相轮流通电一次，转子转一个齿（或一个磁极）。步进电动机定子绕组按U→V→W→U→V→W→U…依次轮流通电，步进电动机转子就一步步地按顺时针方向旋转。1423U1U2V1V2W2W1三相单三拍运行（每次切换前后只有一相绕组通电，其余绕组断电）通电顺序：U相→V相→W相→U相。①U相通电1423U1U2V1V2W2W1②V相通电U1U2V1V2W2W1③W相通电1423一步两步三步对于定子为N相、转子有z个齿的步进电机，转子每转一周所需的步数为Nz步转子顺时针旋转一步所对应的角度称为步距角β＝30°。电流换接三次，磁场旋转一周，转子转过一个磁距的位置，一个磁距所对应的角度称为齿距角（4个齿，90度）。若要反向，通电顺序为：U→W→V→U2、工作原理通电顺序为：U→W→V→U→…称为三相单三拍运行。单：是指每次只有一相定子的绕组通电；“一拍”：从定子的一相绕组通电换接到另一相绕组通电。每一拍转子转过一个步距角。“三拍”：是指一个循环周期只换接了三次。如U→W→V步进电动机三相单三拍运行时，由于切换时在一相绕组断电而另一相绕组通电的交替时刻容易造成转子失步，由单一绕组通电吸引转子也容易造成转子在平衡位置附近产生振动，故运行稳定性差，所以实际中很少应用三相单三拍方式。2、工作原理三相双三拍运行（每次切换前后有两相绕组通电）通电顺序：UV相→VW相→WU相。U1U2V1V2W2W1①UV相通电U1U2V1V2W2W1②VW相通电U1U2V1V2W2W1③WU相通电※步距角：β=30°特点：力矩较大，定位精度高而不易失步。转子每转一周所需的步数也为Nz步。(3)三相单－双六拍运行（单、双相通电交替出现）通电顺序：U→UV→V→VW→W→WU→U。1423U1U2V1V2W2W11U1U2V1V2W2W12U1U2V1V2W2W13U1U2V1V2W2W14U1U2V1V2W2W15U1U2V1V2W2W161423※步距角：β=15°步进电动机的转子每转一周所需的步数也为2Nz步。3、小步距角步进电机以上讨论的步进电动机其步距角都比较大，往往不能满足传动设备对精度的要求。为了减小步距角，实际应用中的步进电动机通常将定子的每一个磁极分成许多小齿，转子也由许多小齿组成。且定子U2U1W2W1V1V2和转子的齿宽、齿距相等。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，如图所示，是一种小步距角结构形式的三相反应式步进电动机。AABBCC47°50°A相各齿对齐时,B相转子齿错位3°3、小步距角步进电机3、小步距角步进电机小步距角步进电机定子、转子展开图通电方式不仅影响步进电动机的矩频特性，对步距角也有影响。一个N相（即步进电动机运行的拍数）步进电动机，如其转子上有z个小齿，则其步距角可通过下式计算：kNz360式中，k是通电方式系数。当采用单相或双相通电方式时，k＝1；当采用单双相轮流通电方式时，k＝2。可见，采用单双相轮流通电方式还可使步距角减小一半。例如，若z=40，三相单（双）三拍通电方式：β=3º；三相六拍通电方式：β=1.5º步进电机的步距角决定了系统的最小位移，步距角越小，位移的控制精度越高。电子电路中的信号模拟信号数字信号（脉冲信号）时间上连续变化的时间和幅度都是跳变的处理此类信号的电路模拟电路（如整流电路、放大电路等）处理此类信号的电路数字电路（TTL,COMS等）特点：注重电路的输入、输出大小、相位关系特点：注重电路的输入、输出的逻辑关系脉冲信号的波形及参数在数字电路中，信号（电压和电流）是脉冲的。脉冲是一种跃变信号,并且持续时间短暂。矩形波尖顶波最常见的脉冲波形脉冲周期T:相邻两个上升沿（或下降沿）的脉冲幅度的10％两点之间的时间间隔。脉冲频率f:单位时间的脉冲数，f=1/T脉冲幅度A脉冲上升沿tr脉冲周期T脉冲下降沿tf脉冲宽度tp脉冲信号的部分参数：A0.9A0.5A0.1AtptrtfT实际的矩形波正脉冲负脉冲脉冲信号变化后的电平值比初始电平值高脉冲信号变化后的电平值比初始电平值低V0V0V5V5V0V0V5V5返回目录脉冲信号的逻辑状态高电平用1表示低电平用0