機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(第三章)

1、第三章第三章 機(jī)電一體化系統(tǒng)機(jī)電一體化系統(tǒng) 執(zhí)行元件的選擇與設(shè)計執(zhí)行元件的選擇與設(shè)計 張建民張建民 編著編著 高等教育出版社高等教育出版社 講授：何慶中講授：何慶中 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 系系 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 第第3.1節(jié)節(jié) 執(zhí)行元件執(zhí)行元件 執(zhí)行元件執(zhí)行元件是將控制信號轉(zhuǎn)換成機(jī)是將控制信號轉(zhuǎn)換成機(jī) 械運(yùn)動和機(jī)械能量的轉(zhuǎn)換元件。械運(yùn)動和機(jī)械能量的轉(zhuǎn)換元件。 3.1.1 執(zhí)行元件的種類及特點(diǎn)執(zhí)行元件的種類及特點(diǎn) 執(zhí) 行 元 件 電磁式 電磁鐵及其他 電動機(jī) 液壓馬達(dá) 液壓式 油 缸 氣壓馬達(dá) 氣壓式 氣 缸 其 他與材料有關(guān) 直流伺服

2、電機(jī) 雙金屬片 壓電元件 狀態(tài)記憶金屬 其他電機(jī) 交流伺服電機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 種類種類特點(diǎn)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn) 電電 氣氣 式式 可用商業(yè)電源；可用商業(yè)電源； 信號與動力傳送信號與動力傳送 方向相同；有交方向相同；有交 流直流之分；注流直流之分；注 意使用電壓和功意使用電壓和功 率。率。 操作簡便；編程容操作簡便；編程容 易；能實(shí)現(xiàn)定位伺易；能實(shí)現(xiàn)定位伺 服控制；響應(yīng)快、服控制；響應(yīng)快、 易與計算機(jī)（易與計算機(jī)（CPUCPU） 連接；體積小、動連接；體積小、動 力大、無污染。力大、無污染。 瞬時輸出功率大；瞬時輸出功率大；

3、 過載差；一旦卡過載差；一旦卡 死，會引起燒毀死，會引起燒毀 事故；受外界噪事故；受外界噪 音影響大。音影響大。 氣氣 壓壓 式式 氣體壓力源壓氣體壓力源壓 力力5757MpaMpa；要；要 求操作人員技術(shù)求操作人員技術(shù) 熟練。熟練。 氣源方便、成本低；氣源方便、成本低； 無泄露而污染環(huán)境；無泄露而污染環(huán)境； 速度快、操作簡便。速度快、操作簡便。 功率小、體積大、功率小、體積大、 難于小型化；動難于小型化；動 作不平穩(wěn)、遠(yuǎn)距作不平穩(wěn)、遠(yuǎn)距 離傳輸困難；噪離傳輸困難；噪 音大；難于伺服。音大；難于伺服。 液液 壓壓 式式 液體壓力源壓液體壓力源壓 力力20802080MpaMpa； 要求操作人員

4、技要求操作人員技 術(shù)熟練。術(shù)熟練。 輸出功率大，速度輸出功率大，速度 快、動作平穩(wěn)，可快、動作平穩(wěn)，可 實(shí)現(xiàn)定位伺服控制；實(shí)現(xiàn)定位伺服控制； 易與計算機(jī)（易與計算機(jī)（CPUCPU） 連接。連接。 設(shè)備難于小型化；設(shè)備難于小型化； 液壓源和液壓油液壓源和液壓油 要求嚴(yán)格；易產(chǎn)要求嚴(yán)格；易產(chǎn) 生泄露而污染環(huán)生泄露而污染環(huán) 境。境。 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 （1）慣量小，動力大。慣量小，動力大。 （2）體積小，重量輕。體積小，重量輕。 （3）安裝方便、便于維修維護(hù)。安裝方便、便于維修維護(hù)。 （4）易于實(shí)現(xiàn)自動化控制。易于實(shí)現(xiàn)自動化控制。 3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)常用的控制電動機(jī)機(jī)電一體化

5、系統(tǒng)常用的控制電動機(jī) 常用伺服控制電動機(jī)常用伺服控制電動機(jī) ： DC/AC電動機(jī)、力矩電動機(jī)、步進(jìn)（脈沖）電動機(jī)、力矩電動機(jī)、步進(jìn)（脈沖） 電動機(jī)、變頻調(diào)速電動機(jī)、開關(guān)電磁電動機(jī)電動機(jī)、變頻調(diào)速電動機(jī)、開關(guān)電磁電動機(jī) 以及其他電動機(jī)（直流或交流脈寬調(diào)速電動以及其他電動機(jī)（直流或交流脈寬調(diào)速電動 機(jī)、電磁伸縮元件）等。機(jī)、電磁伸縮元件）等。 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 主要有：開環(huán)控制、半閉環(huán)控制、主要有：開環(huán)控制、半閉環(huán)控制、 閉環(huán)控制三種。閉環(huán)控制三種。 如圖所示數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)。如圖所示數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)。 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 為實(shí)現(xiàn)運(yùn)動、功率為實(shí)現(xiàn)運(yùn)動、功率/

6、/能量、控制運(yùn)動方式的轉(zhuǎn)能量、控制運(yùn)動方式的轉(zhuǎn) 換，對伺服控制電動機(jī)提出了一些基本要求。換，對伺服控制電動機(jī)提出了一些基本要求。 （1）性能密度大。即功率密度）性能密度大。即功率密度 Pw=P/G 或比功或比功 率密度率密度 Pbw=(T2/J)/G 大。大。 （2）快速性好。加速度大、響應(yīng)特性好。）快速性好。加速度大、響應(yīng)特性好。 （3）位置控制與速度控制精度高、調(diào)速范圍大、）位置控制與速度控制精度高、調(diào)速范圍大、 低速平穩(wěn)性好、分辨率高以及振動噪音小。低速平穩(wěn)性好、分辨率高以及振動噪音小。 （4）能適應(yīng)頻繁啟動，可靠性高、壽命長。）能適應(yīng)頻繁啟動，可靠性高、壽命長。 （5）易于與計算機(jī)對接

7、，實(shí)現(xiàn)計算機(jī)控制。）易于與計算機(jī)對接，實(shí)現(xiàn)計算機(jī)控制。 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 無論無論動力用動力用伺服控制電動機(jī)伺服控制電動機(jī)，還是，還是控制用控制用 伺服控制電動機(jī)伺服控制電動機(jī)，功率，功率轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的電特轉(zhuǎn)矩的電特 性是電機(jī)重要的基本特性指標(biāo)之一。性是電機(jī)重要的基本特性指標(biāo)之一。 P nn d Pw 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 對于伺服控制電機(jī)而言，恒轉(zhuǎn)矩工作特對于伺服控制電機(jī)而言，恒轉(zhuǎn)矩工作特 性是衡量電機(jī)調(diào)速性能的重要參數(shù)之一。性是衡量電機(jī)調(diào)速性能的重要參數(shù)之一。 （1）步進(jìn)電動機(jī)的特點(diǎn)步進(jìn)電動機(jī)的特點(diǎn) 控制精度由步進(jìn)角決定（控制精度由步進(jìn)角決定（ ）。）。

8、 抗干擾能力強(qiáng)，在電機(jī)電特性工作范圍內(nèi)，抗干擾能力強(qiáng)，在電機(jī)電特性工作范圍內(nèi)， 不產(chǎn)生丟步或無法工作等現(xiàn)象。不產(chǎn)生丟步或無法工作等現(xiàn)象。 電機(jī)每轉(zhuǎn)動一步進(jìn)角，盡管存在一定的轉(zhuǎn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動一步進(jìn)角，盡管存在一定的轉(zhuǎn) 角誤差，但電機(jī)轉(zhuǎn)動角誤差，但電機(jī)轉(zhuǎn)動360360時，轉(zhuǎn)角累計誤差將時，轉(zhuǎn)角累計誤差將 歸零。歸零。 控制性能好，不會產(chǎn)生控制性能好，不會產(chǎn)生“丟步丟步 ” ”現(xiàn)象（頻現(xiàn)象（頻 繁啟動、停止、變換）。繁啟動、停止、變換）。 易于與計算機(jī)實(shí)現(xiàn)對接。易于與計算機(jī)實(shí)現(xiàn)對接。 znk o /360 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 種類種類 按轉(zhuǎn)子構(gòu)成分類：按轉(zhuǎn)子構(gòu)成分類： 可變磁組型（可變

9、磁組型（VR）步進(jìn)電機(jī)）步進(jìn)電機(jī) 轉(zhuǎn)子為導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子為導(dǎo)磁 體，也稱反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。體，也稱反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。 永磁型（永磁型（PM）步進(jìn)電機(jī)）步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁鐵。轉(zhuǎn)子為永磁鐵。 混合型（混合型（HB-Hybrid）步進(jìn)電機(jī)）步進(jìn)電機(jī) 轉(zhuǎn)子為轉(zhuǎn)子為 導(dǎo)磁體和永磁鐵的組合。導(dǎo)磁體和永磁鐵的組合。 按定子繞組對數(shù)分類：按定子繞組對數(shù)分類： 分為分為2相、相、 3相、相、 4相、相、 5相、相、 10相等相等步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)。 按定子繞組通電極性分類：按定子繞組通電極性分類： 分為單極性和雙極性步進(jìn)電機(jī)。分為單極性和雙極性步進(jìn)電機(jī)。 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 當(dāng)?shù)谝粋€脈沖通入當(dāng)?shù)谝粋€脈沖通

10、入A A相時，磁通企圖沿著磁相時，磁通企圖沿著磁 阻最小的路徑閉合，在此磁場力的作用下，阻最小的路徑閉合，在此磁場力的作用下， 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子的1 1、3 3齒要和齒要和A A級對齊。當(dāng)下一個脈沖通級對齊。當(dāng)下一個脈沖通 入入B B相時，磁通同樣要按磁阻最小的路徑閉合，相時，磁通同樣要按磁阻最小的路徑閉合， 即即2 2、4 4齒要和齒要和B B級對齊，則轉(zhuǎn)子就順逆時針方級對齊，則轉(zhuǎn)子就順逆時針方 向轉(zhuǎn)動一定的角度：向轉(zhuǎn)動一定的角度： 1 3 24 A A B B C CC B 42 3 A C 1 A B 2 3 B A C A C 1 4 B znk o /360 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵

11、志勤工 （1）分辨率分辨率 主要指步進(jìn)角主要指步進(jìn)角=360/znK。如：。如：0.6/1.2、 0.75/1.5、0.9/1.8、。 （2）靜態(tài)特性靜態(tài)特性 主要指步進(jìn)電機(jī)在穩(wěn)態(tài)工作條件下的特性，包主要指步進(jìn)電機(jī)在穩(wěn)態(tài)工作條件下的特性，包 括：括：矩矩角特性、靜轉(zhuǎn)矩、靜態(tài)穩(wěn)定特性角特性、靜轉(zhuǎn)矩、靜態(tài)穩(wěn)定特性等。等。 失調(diào)角示意圖失調(diào)角示意圖 矩角特性曲線矩角特性曲線 e 定子 轉(zhuǎn)子 p p p/2 p/2 jmaxT jmaxT e T 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 動態(tài)特性參數(shù)：主要指動態(tài)特性參數(shù)：主要指動態(tài)穩(wěn)定區(qū)動態(tài)穩(wěn)定區(qū)、啟動轉(zhuǎn)矩啟動轉(zhuǎn)矩、 矩頻特性矩頻特性、慣頻特性慣頻特性等

12、。等。 動態(tài)穩(wěn)定區(qū)：動態(tài)穩(wěn)定區(qū)：在步進(jìn)電機(jī)從在步進(jìn)電機(jī)從A A相轉(zhuǎn)換為相轉(zhuǎn)換為B B（或（或 ABAB）相通電，不產(chǎn)生丟步時的穩(wěn)定工作區(qū)域）相通電，不產(chǎn)生丟步時的穩(wěn)定工作區(qū)域r r。 從圖中可以得出，步進(jìn)電機(jī)工作的拍數(shù)越多，穩(wěn)從圖中可以得出，步進(jìn)電機(jī)工作的拍數(shù)越多，穩(wěn) 定工作區(qū)域定工作區(qū)域r r越接近靜態(tài)穩(wěn)定工作區(qū)域越接近靜態(tài)穩(wěn)定工作區(qū)域e e，越，越 不容易丟步。不容易丟步。 起動轉(zhuǎn)矩起動轉(zhuǎn)矩TqTq：兩相（兩相（A A、B B）矩角特性之交）矩角特性之交 點(diǎn)點(diǎn)TqTq表示步進(jìn)電機(jī)單相勵磁時所能帶動的極限負(fù)表示步進(jìn)電機(jī)單相勵磁時所能帶動的極限負(fù) 載轉(zhuǎn)矩，與步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和通電方式有關(guān)。載轉(zhuǎn)矩

13、，與步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和通電方式有關(guān)。 p/3 p jmaxT T jmaxT e p r Tq p/3 p jmaxT T jmaxT e p r Tq 矩角矩角 特性特性 曲線族曲線族 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 最高連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率最高連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率f fmax max及矩頻特性： 及矩頻特性：步進(jìn)步進(jìn) 電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時所能接受的最高控制頻率電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時所能接受的最高控制頻率f fmax max， ， 稱最高連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率；步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩稱最高連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率；步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 隨頻率的增加而降低，稱矩頻特性。隨頻率的增加而降低，稱矩頻特性。 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 p

14、/3 p jmaxT T jmaxT e p r Tq p/3 p jmaxT T jmaxT e p r Tq 矩角特性曲線族矩角特性曲線族 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路：主要由脈沖分配器：主要由脈沖分配器 和功率放大器兩部份組成。和功率放大器兩部份組成。 變頻控制信號變頻控制信號：主要有脈沖頻率信號和：主要有脈沖頻率信號和 方向控制信號。方向控制信號。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的組成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的組成 脈 沖 分 配 器 功 率 放 大 器 變 頻 信 號 方 向 信 號 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 步進(jìn)脈沖輸出 方 向 控 制 0.1f

15、 7476 7486 步進(jìn)脈沖 定時器引 腳布局 引腳布局引腳布局 0.1f 或 0.1f 線圈 線圈 線圈 線圈 由于步進(jìn)電機(jī)的工作原理是各繞組必須按一由于步進(jìn)電機(jī)的工作原理是各繞組必須按一 定的順序通電變化才能正常工作（定的順序通電變化才能正常工作（A B C A B ；A AB B BC C CA A AB B ），完成），完成這種通電順序變這種通電順序變 化規(guī)律的部件稱為環(huán)形脈沖分配器。實(shí)現(xiàn)脈沖化規(guī)律的部件稱為環(huán)形脈沖分配器。實(shí)現(xiàn)脈沖 環(huán)形分配的方法主要有三種：環(huán)形分配的方法主要有三種： 軟件分頻軟件分頻可充分利用計算機(jī)資源降低硬可充分利用計算機(jī)資源降低硬 件成本，可適用多相脈沖分配，

16、但將占用計算件成本，可適用多相脈沖分配，但將占用計算 機(jī)運(yùn)行時間，影響步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度。機(jī)運(yùn)行時間，影響步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度。 ICIC集成電路分頻（集成電路分頻（DDTDDT分頻器）分頻器）靈活性靈活性 強(qiáng)，可搭接成任意通電順序的環(huán)形分配器，不強(qiáng)，可搭接成任意通電順序的環(huán)形分配器，不 站用計算機(jī)的工作時間。站用計算機(jī)的工作時間。 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 方 向 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 專用環(huán)形分頻器專用環(huán)形分頻器使用使用 方便，接口簡單，專業(yè)化生方便，接口簡單，專業(yè)化生 產(chǎn)質(zhì)量可靠，成本低等。如：產(chǎn)質(zhì)量可靠，成本低等。如： CH250三相繞組分頻器三相繞組分頻器

17、； L297和和PMM8714兩相繞組兩相繞組 分頻器；分頻器；PMM8713五相繞五相繞 組電機(jī)分頻器等。組電機(jī)分頻器等。 功率放大器是實(shí)現(xiàn)控制信號與步進(jìn)電機(jī)匹配的重功率放大器是實(shí)現(xiàn)控制信號與步進(jìn)電機(jī)匹配的重 要組件。要組件。 常見的步進(jìn)電機(jī)功率放大器的組成與特點(diǎn)如下：常見的步進(jìn)電機(jī)功率放大器的組成與特點(diǎn)如下： 單電壓功率放大電路單電壓功率放大電路 www 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 特點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡單，但串聯(lián)特點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡單，但串聯(lián)R2R2消耗能量降低放大消耗能量降低放大 功率；電感較大使電路對脈沖反應(yīng)較慢功率；電感較大使電路對脈沖反應(yīng)較慢, ,輸出波形輸出波形 差。主要用于轉(zhuǎn)

18、速要求不高的小型步進(jìn)電機(jī)控制。差。主要用于轉(zhuǎn)速要求不高的小型步進(jìn)電機(jī)控制。 特點(diǎn)：具有高壓驅(qū)動，特點(diǎn)：具有高壓驅(qū)動， 電流增長速度快、前電流增長速度快、前 沿變陡，電機(jī)的扭矩沿變陡，電機(jī)的扭矩 和頻率得到提高和頻率得到提高。 w 單穩(wěn) 觸發(fā)器 w 特點(diǎn)：僅在脈沖開始時接通高壓特點(diǎn)：僅在脈沖開始時接通高壓 電源，其余時間僅接通低壓電源電源，其余時間僅接通低壓電源 供電。具有功效高、電流上升率供電。具有功效高、電流上升率 高、高速運(yùn)轉(zhuǎn)性能好，但波形陡高、高速運(yùn)轉(zhuǎn)性能好，但波形陡 有時存在過沖現(xiàn)象，諧波豐富，有時存在過沖現(xiàn)象，諧波豐富， 在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時易產(chǎn)生振動。在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時易產(chǎn)生振動。 厚德達(dá)理厚德

19、達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 w 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 采用細(xì)分驅(qū)動電路的目的：采用細(xì)分驅(qū)動電路的目的：整步運(yùn)轉(zhuǎn)或半整步運(yùn)轉(zhuǎn)或半 步運(yùn)轉(zhuǎn)基礎(chǔ)上，不改變步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)，提高步運(yùn)轉(zhuǎn)基礎(chǔ)上，不改變步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)，提高 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)、控制精度步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)、控制精度 。 細(xì)分驅(qū)動電路的基本工作原理細(xì)分驅(qū)動電路的基本工作原理 ：對每一對每一 控制脈沖，細(xì)分使其電流逐步增加達(dá)到脈沖控制脈沖，細(xì)分使其電流逐步增加達(dá)到脈沖 的最大電流（的最大電流（Imax），又逐步減少達(dá)到脈沖），又逐步減少達(dá)到脈沖 的最小電流（的最小電流（0），從而可實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)轉(zhuǎn)、），從而可實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)轉(zhuǎn)、 控制、分辨，以及提高

20、步進(jìn)精度?？刂?、分辨，以及提高步進(jìn)精度。 w t 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 工作原理：工作原理：由基極開關(guān)電壓由基極開關(guān)電壓U1U5控制多路功控制多路功 率開關(guān)管率開關(guān)管VTd1VTd5的通斷，從而控制功放管的通斷，從而控制功放管 VT的導(dǎo)通電流大小，即步進(jìn)電機(jī)線圈繞組電的導(dǎo)通電流大小，即步進(jìn)電機(jī)線圈繞組電 流的大小，實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)量的細(xì)分。流的大小，實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)量的細(xì)分。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：功率開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，功耗功率開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，功耗 很低，但器件多、體積大。很低，但器件多、體積大。 iw w wi t t U 多路功率開關(guān)細(xì)分電路多路功率開關(guān)細(xì)分電路 厚德達(dá)

21、理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 wiw 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 分先放大后疊加；先疊加后放大兩種方法分先放大后疊加；先疊加后放大兩種方法。 細(xì) 分 環(huán) 形 分 配 器 放 大 放 大 放 大 放 大 放 大 細(xì) 分 環(huán) 形 分 配 器 加 法 器 w 加 法 器 w U t t iw 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 主要分為：串行控制主要分為：串行控制和并行控制兩種方法并行控制兩種方法 串行控制方式串行控制方式 并行控制方式并行控制方式 脈 沖 方 向 控 制 方 式 信 號 環(huán) 形 分 配 器 功 率 放 大 電 路 步 進(jìn) 電 機(jī) 驅(qū) 動 電 路 器 步 進(jìn) 電 機(jī) 各

22、 相 繞 組 相 相 相 相 相 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 3.4.1 直流直流（DC）伺）伺服電動機(jī)工作原理服電動機(jī)工作原理 通過電刷和轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的整流作用，使磁通過電刷和轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的整流作用，使磁 場磁動勢和電樞電流磁動勢正交，從而產(chǎn)生場磁動勢和電樞電流磁動勢正交，從而產(chǎn)生 轉(zhuǎn)動力矩。使用直流供電，實(shí)現(xiàn)速度和方向轉(zhuǎn)動力矩。使用直流供電，實(shí)現(xiàn)速度和方向 調(diào)節(jié)控制，主要通過對直流電壓調(diào)節(jié)控制，主要通過對直流電壓/ /電流的大電流的大 小和方向進(jìn)行調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。小和方向進(jìn)行調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。 直流伺服電動機(jī)的調(diào)速控制如下圖所示。直流伺服電動機(jī)的調(diào)速控制如下圖所示。 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工

23、 勵志勤工 由于直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性方程為：由于直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性方程為： T CC R C U n 2 tee c 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 式中，式中，UC 電樞控制電壓；電樞控制電壓；R 電樞回路電阻；電樞回路電阻； 每極磁通；每極磁通；Ce、Ct分別為電動機(jī)分別為電動機(jī) 結(jié)構(gòu)常數(shù)。結(jié)構(gòu)常數(shù)。 由此，直流伺服電機(jī)的控制方式如下：由此，直流伺服電機(jī)的控制方式如下： 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 特點(diǎn)：特點(diǎn)：具有較高的響應(yīng)速度、精度和頻率，具有較高的響應(yīng)速度、精度和頻率， 優(yōu)良的控制特性等，但由于所用電刷和轉(zhuǎn)換優(yōu)良的控制特性等，但由于所用電刷和轉(zhuǎn)換 器是使用壽命較低

24、，需要定期更換。器是使用壽命較低，需要定期更換。 3.4.2 直流（直流（DC）伺）伺服電動機(jī)的驅(qū)動服電動機(jī)的驅(qū)動 要實(shí)現(xiàn)對直流電動機(jī)的速度和方向進(jìn)行調(diào)節(jié)要實(shí)現(xiàn)對直流電動機(jī)的速度和方向進(jìn)行調(diào)節(jié) 控制，通常可用兩種驅(qū)動控制方式：控制，通常可用兩種驅(qū)動控制方式： 晶體管直流脈寬調(diào)制驅(qū)動晶體管直流脈寬調(diào)制驅(qū)動； 晶閘管直流脈寬調(diào)速驅(qū)動晶閘管直流脈寬調(diào)速驅(qū)動； 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 在給定供電電壓在給定供電電壓U，由控制脈沖信號，由控制脈沖信號Ud控制控制 晶體管晶體管VT的通斷，從而使直流電動機(jī)得到脈沖的通斷，從而使直流電動機(jī)得到脈沖 驅(qū)動信號，改變脈沖控制信號的沒一周期通電驅(qū)動信號

25、，改變脈沖控制信號的沒一周期通電 時間，就可改變直流電動機(jī)的平均工作電壓時間，就可改變直流電動機(jī)的平均工作電壓Ua 達(dá)到調(diào)速的目的；改變供電壓和續(xù)流二極管的達(dá)到調(diào)速的目的；改變供電壓和續(xù)流二極管的 極性，便可改變直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)向。極性，便可改變直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)向。 1）直流電動機(jī)的脈寬調(diào)速電路原理）直流電動機(jī)的脈寬調(diào)速電路原理 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 db a 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 直流電機(jī)直流電機(jī) PWM調(diào)速電路調(diào)速電路 晶閘管驅(qū)動晶閘管驅(qū)動 直流電機(jī)直流電機(jī) PWM調(diào)速電路調(diào)速電路 H橋驅(qū)動橋驅(qū)動 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 （1）常用交流伺服電動機(jī)常

26、用交流伺服電動機(jī) 永磁同步型（永磁同步型（SM）、電磁感應(yīng)型（電磁感應(yīng)型（IM）伺服電動機(jī)。伺服電動機(jī)。 （2）基本工作原理）基本工作原理 檢測檢測交流伺服電動機(jī)交流伺服電動機(jī)（SM型型/IM型）氣隙磁場的大型）氣隙磁場的大 小和方向，用電力電子轉(zhuǎn)化器代替整流子和電刷，通小和方向，用電力電子轉(zhuǎn)化器代替整流子和電刷，通 過控制與氣隙磁場方向相同的磁化電流和與與氣隙磁過控制與氣隙磁場方向相同的磁化電流和與與氣隙磁 場方向相垂直的等效電流的方法，最終控制場方向相垂直的等效電流的方法，最終控制交流伺服交流伺服 電動機(jī)主磁通量大小和轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的有效控制，電動機(jī)主磁通量大小和轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的有效控

27、制， 簡稱矢量控制方法。簡稱矢量控制方法。 1）永磁同步型（）永磁同步型（SM ） 轉(zhuǎn)子由永磁構(gòu)成，不需磁化控制電流，只需檢測磁轉(zhuǎn)子由永磁構(gòu)成，不需磁化控制電流，只需檢測磁 鐵轉(zhuǎn)子位置和定子繞組磁通矢量控制電流，實(shí)現(xiàn)對電鐵轉(zhuǎn)子位置和定子繞組磁通矢量控制電流，實(shí)現(xiàn)對電 機(jī)主磁通矢量電流的控制，從而獲得對電機(jī)的速度和機(jī)主磁通矢量電流的控制，從而獲得對電機(jī)的速度和 位置控制。位置控制。 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 CONV.整流器；整流器；SM同步電機(jī)；同步電機(jī)；INV.變換器；變換器；PS磁極磁極 位置檢測器；位置檢測器；REF速度基準(zhǔn)；速度基準(zhǔn)；IGF電流函數(shù)發(fā)生器；電流函數(shù)發(fā)生器； SC速度放大器；速度放大器；CC電流放大器；電流放大器；RD速度變換器；速度變換器； PWM脈寬調(diào)制器；脈寬調(diào)制器；P.B.U再生電力吸收電路。再生電力吸收電路。 iw iv iu SM PS PWMCCIFGSC RD REF AC 輸 入 CONV. P.B.U.INV.GRT GRT GRTGRT GRT GRTGRTGRT i 厚德達(dá)理厚德達(dá)理 勵志勤工 勵志勤工 交流 電機(jī) CONV. 位置指令 AC 輸 入 GRT GRT PWM GRT i GRT GRT GRT GRT i iw v iu P.B.U.INV. 位置控制 速度 指令 放大器 矢量處 理電路 脈沖放大