機電一體化系統(tǒng)設計課件第三機電一體化系統(tǒng)執(zhí)行元件的選擇與設計

1、第三章第三章機電一體化系統(tǒng)機電一體化系統(tǒng)執(zhí)行元件的選擇與設計執(zhí)行元件的選擇與設計 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：何慶中機機 電電 工工 程程 系系第第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換成機是將控制信號轉換成機械運動和機械能量的轉換元件。械運動和機械能量的轉換元件。3.1.1 執(zhí)行元件的種類及特點執(zhí)行元件的種類及特點執(zhí)行元件電磁式電磁鐵及其他電動機液壓馬達液壓式油 缸氣壓馬達氣壓式氣 缸其 他與材料有關直流伺服電機雙金屬片壓電元件狀態(tài)記憶金屬其他電機交流伺服電機步進電機種類種類特點特點優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點電電氣氣式式 可用商業(yè)電源；可

2、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；能實現定位伺易；能實現定位伺服控制；響應快、服控制；響應快、易與計算機（易與計算機（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；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；要求操作人員技術求操作人員技術熟練。熟練。 氣源方便、成本低；氣

3、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)、遠距作不平穩(wěn)、遠距離傳輸困難；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；要求操作人員技要求操作人員技術熟練。術熟練。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)，可實現定位伺服控制；實現定位伺服控制；易與計算機（易與計算機（CPUCPU）連接。連接。 設備難于小型化；設備難于小型化；液壓源和液壓油液壓源和液壓油要求嚴格；易產要求嚴格；易產生泄

4、露而污染環(huán)生泄露而污染環(huán)境。境。 （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。安裝方便、便于維修維護。 （4）易于實現自動化控制。易于實現自動化控制。 3.2 機電一體化系統(tǒng)常用的控制電動機機電一體化系統(tǒng)常用的控制電動機 常用伺服控制電動機常用伺服控制電動機 ： DC/AC電動機、力矩電動機、步進（脈沖）電動機、力矩電動機、步進（脈沖）電動機、變頻調速電動機、開關電磁電動機電動機、變頻調速電動機、開關電磁電動機以及其他電動機（直流或交流脈寬調速電動以及其他電動機（直流或交流脈寬調速電動機、電磁伸縮元件）等。機、電磁伸縮元件）等。

5、 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。 如圖所示數控機床伺服系統(tǒng)。如圖所示數控機床伺服系統(tǒng)。厚德達理厚德達理 勵志勤工勵志勤工 為實現運動、功率為實現運動、功率/ /能量、控制運動方式的能量、控制運動方式的轉換，對伺服控制電動機提出了一些基本要求。轉換，對伺服控制電動機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 或比或比功率密度功率密度 Pbw=(T2/J)/G 大。大。（2）快速性好。加速度大、響應特性好。）快速性好。加速度大、響應特性好。（3）位置控制與速度控制精度高、調速范圍）位置控制與速度控

6、制精度高、調速范圍大、低速平穩(wěn)性好、分辨率高以及振動噪音小。大、低速平穩(wěn)性好、分辨率高以及振動噪音小。（4）能適應頻繁啟動，可靠性高、壽命長。）能適應頻繁啟動，可靠性高、壽命長。（5）易于與計算機對接，實現計算機控制。）易于與計算機對接，實現計算機控制。厚德達理厚德達理 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伺服控制電動機，還是，還是控制用控制用伺服控制電動機伺服控制電動機，功率，功率轉速轉速轉矩的電特轉矩的電特性是電機重要的基本特性指標之一。性是電機重要的基本特性指標之一。PnndPw厚德達理厚德達理 勵志勤工勵志勤工 對于伺服控制電機而言，恒轉矩工作特對于伺服控制電機而言，恒

7、轉矩工作特性是衡量電機調速性能的重要參數之一。性是衡量電機調速性能的重要參數之一。（1）步進電動機的特點步進電動機的特點 控制精度由步進角決定（控制精度由步進角決定（ ）。）。 抗干擾能力強，在電機電特性工作范圍抗干擾能力強，在電機電特性工作范圍內，不產生丟步或無法工作等現象。內，不產生丟步或無法工作等現象。 電機每轉動一步進角，盡管存在一定的電機每轉動一步進角，盡管存在一定的轉角誤差，但電機轉動轉角誤差，但電機轉動360360時，轉角累計誤時，轉角累計誤差將歸零。差將歸零。 控制性能好，不會產生控制性能好，不會產生“丟步丟步 ” ”現象現象（頻繁啟動、停止、變換）。（頻繁啟動、停止、變換）。

8、易于與計算機實現對接。易于與計算機實現對接。znko/360厚德達理厚德達理 勵志勤工勵志勤工 種類種類 按轉子構成分類：按轉子構成分類： 可變磁組型（可變磁組型（VR）步進電機）步進電機 轉子為導轉子為導磁體，也稱反應式步進電機。磁體，也稱反應式步進電機。 永磁型（永磁型（PM）步進電機）步進電機 轉子為永磁鐵。轉子為永磁鐵。 混合型（混合型（HB-Hybrid）步進電機）步進電機 轉子轉子為導磁體和永磁鐵的組合。為導磁體和永磁鐵的組合。 按定子繞組對數分類：按定子繞組對數分類：分為分為2相、相、 3相、相、 4相、相、 5相、相、 10相等相等步進電機。步進電機。 按定子繞組通電極性分類：

9、按定子繞組通電極性分類： 分為單極性和雙極性步進電機。分為單極性和雙極性步進電機。厚德達理厚德達理 勵志勤工勵志勤工 當第一個脈沖通入當第一個脈沖通入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，轉子的轉子的1 1、3 3齒要和齒要和A A級對齊。當下一個脈沖通級對齊。當下一個脈沖通入入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，則轉子就順逆時針方級對齊，則轉子就順逆時針方向轉動一定的角度：向轉動一定的角度：1324AABBCCCB423

10、AC1AB23BACAC14Bznko/360厚德達理厚德達理 勵志勤工勵志勤工（1）分辨率分辨率主要指步進角主要指步進角=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 主要指步進電機在穩(wěn)態(tài)工作條件下的特性，主要指步進電機在穩(wěn)態(tài)工作條件下的特性，包括：包括：矩矩角特性、靜轉矩、靜態(tài)穩(wěn)定特性角特性、靜轉矩、靜態(tài)穩(wěn)定特性等。等。 失調角示意圖失調角示意圖 矩角特性曲線矩角特性曲線 e定子轉子ppp/2p/2jmaxTjmaxTeT厚德達理厚德達理 勵志勤工勵志勤工 動態(tài)特性參數：主要指動態(tài)特性參數：主要指動態(tài)穩(wěn)定區(qū)動態(tài)穩(wěn)定區(qū)、啟動轉矩啟動轉矩

11、、矩頻特性矩頻特性、慣頻特性慣頻特性等。等。 動態(tài)穩(wěn)定區(qū)：動態(tài)穩(wěn)定區(qū)：在步進電機從在步進電機從A A相轉換為相轉換為B B（或（或ABAB）相通電，不產生丟步時的穩(wěn)定工作區(qū)域）相通電，不產生丟步時的穩(wěn)定工作區(qū)域r r。從圖中可以得出，步進電機工作的拍數越多，穩(wěn)從圖中可以得出，步進電機工作的拍數越多，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。 起動轉矩起動轉矩TqTq：兩相（兩相（A A、B B）矩角特性之交）矩角特性之交點點TqTq表示步進電機單相勵磁時所能帶動的極限負表示步進電機單相勵磁時所能帶動的極限負載轉矩，與步進電機的

12、相數和通電方式有關。載轉矩，與步進電機的相數和通電方式有關。p/3pjmaxTTjmaxTeprTqp/3pjmaxTTjmaxTeprTq矩角矩角特性特性曲線族曲線族厚德達理厚德達理 勵志勤工勵志勤工 最高連續(xù)運轉頻率最高連續(xù)運轉頻率f fmaxmax及矩頻特性：及矩頻特性：步步進電機連續(xù)運轉時所能接受的最高控制頻率進電機連續(xù)運轉時所能接受的最高控制頻率f fmaxmax，稱最高連續(xù)運轉頻率；步進電機連續(xù)，稱最高連續(xù)運轉頻率；步進電機連續(xù)運轉轉矩隨頻率的增加而降低，稱矩頻特運轉轉矩隨頻率的增加而降低，稱矩頻特性。性。厚德達理厚德達理 勵志勤工勵志勤工p/3pjmaxTTjmaxTeprTqp

13、/3pjmaxTTjmaxTeprTq矩角特性曲線族矩角特性曲線族 步進電機的驅動電路步進電機的驅動電路：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。步進電機驅動電路的組成步進電機驅動電路的組成 脈 沖分 配 器 功 率放 大 器變 頻 信 號方 向 信 號厚德達理厚德達理 勵志勤工勵志勤工厚德達理厚德達理 勵志勤工勵志勤工步進脈沖輸出方向控制0.1f74767486步進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 由于步進電機的工作

14、原理是各繞組必須按由于步進電機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（一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），完成這種通電這種通電順序變化規(guī)律的部件稱為環(huán)形脈沖分配器。順序變化規(guī)律的部件稱為環(huán)形脈沖分配器。實現脈沖環(huán)形分配的方法主要有三種：實現脈沖環(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資源降低可充分利用計算機資源降低硬件成本，可適用多相脈沖分配，但將占用硬件成本，可適用多相脈沖分配，但將占用計算機運行時間，影響步進電機的運行速度。計算機運行時間，影響步進電機的運行速度。 ICIC集成電路

15、分頻（集成電路分頻（DDTDDT分頻器）分頻器）靈活性靈活性強，可搭接成任意通電順序的環(huán)形分配器，強，可搭接成任意通電順序的環(huán)形分配器，不站用計算機的工作時間。不站用計算機的工作時間。 厚德達理厚德達理 勵志勤工勵志勤工方 向厚德達理厚德達理 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)化生產質量可靠，成本低等。如：產質量可靠，成本低等。如：CH250三相繞組分頻器三相繞組分頻器 ；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分頻器等。組電機分頻器等。 功率放大器是實現控制信號與步進電機匹配的功

16、率放大器是實現控制信號與步進電機匹配的重要組件。重要組件。 常見的步進電機功率放大器的組成與特點如下：常見的步進電機功率放大器的組成與特點如下： 單電壓功率放大電路單電壓功率放大電路 www厚德達理厚德達理 勵志勤工勵志勤工特點：電路結構簡單，但串聯(lián)特點：電路結構簡單，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較慢功率；電感較大使電路對脈沖反應較慢, ,輸出波形輸出波形差。主要用于轉速要求不高的小型步進電機控制。差。主要用于轉速要求不高的小型步進電機控制。特點：具有高壓驅動，特點：具有高壓驅動，電流增長速度快、前電流增長速度快、前沿變陡，電機的扭矩沿變陡，電機

17、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：僅在脈沖開始時接通高壓特點：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、高速運轉性能好，但波形陡高、高速運轉性能好，但波形陡有時存在過沖現象，諧波豐富，有時存在過沖現象，諧波豐富，在低速運轉時易產生振動。在低速運轉時易產生振動。 厚德達理厚德達理 勵志勤工勵志勤工w厚德達理厚德達理 勵志勤工勵志勤工 采用細分驅動電路的目的：采用細分驅動電路的目的：整步運轉或半整步運轉或半步運轉基礎上，不改變步進電機結構，提高步運轉基礎上，不改變步進電機結構，

18、提高步進電機的運轉、控制精度步進電機的運轉、控制精度 。 細分驅動電路的基本工作原理細分驅動電路的基本工作原理 ：對每一對每一控制脈沖，細分使其電流逐步增加達到脈沖控制脈沖，細分使其電流逐步增加達到脈沖的最大電流（的最大電流（Imax），又逐步減少達到脈沖），又逐步減少達到脈沖的最小電流（的最小電流（0），從而可實現高精度運轉、），從而可實現高精度運轉、控制、分辨，以及提高步進精度?？刂?、分辨，以及提高步進精度。wt厚德達理厚德達理 勵志勤工勵志勤工 工作原理：工作原理：由基極開關電壓由基極開關電壓U1U5控制多路控制多路功率開關管功率開關管VTd1VTd5的通斷，從而控制功放的通斷，從而控制

19、功放管管VT的導通電流大小，即步進電機線圈繞組的導通電流大小，即步進電機線圈繞組電流的大小，實現對步進電機步進量的細分。電流的大小，實現對步進電機步進量的細分。 特點：特點：功率開關管工作在開關狀態(tài)，功耗功率開關管工作在開關狀態(tài)，功耗很低，但器件多、體積大。很低，但器件多、體積大。 iwwwittU多路功率開關細分電路多路功率開關細分電路厚德達理厚德達理 勵志勤工勵志勤工wiw厚德達理厚德達理 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 分 環(huán) 形 分 配 器放 大放 大放 大放 大放 大細 分 環(huán) 形 分 配 器加法器w加法器wUttiw厚

20、德達理厚德達理 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電機驅動電路器步進電機各相繞組相相相相相厚德達理厚德達理 勵志勤工勵志勤工3.4.1 直流直流（DC）伺）伺服電動機工作原理服電動機工作原理 通過電刷和轉換器產生的整流作用，使磁通過電刷和轉換器產生的整流作用，使磁場磁動勢和電樞電流磁動勢正交，從而產生場磁動勢和電樞電流磁動勢正交，從而產生轉動力矩。使用直流供電，實現速度和方向轉動力矩。使用直流供電，實現速度和方向調節(jié)控制，主要通過

21、對直流電壓調節(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行調節(jié)來實現。小和方向進行調節(jié)來實現。 直流伺服電動機的調速控制如下圖所示。直流伺服電動機的調速控制如下圖所示。厚德達理厚德達理 勵志勤工勵志勤工由于直流伺服電機的機械特性方程為：由于直流伺服電機的機械特性方程為：TCCRCUn2teec厚德達理厚德達理 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分別為電動機分別為電動機的結構常數。的結構常數。 由此，直流伺服電機的控制方式如下：由此，直流伺服電機的控制方式如下：厚德達理厚德達理 勵志勤工勵志

22、勤工 特點：特點：具有較高的響應速度、精度和頻率，具有較高的響應速度、精度和頻率，優(yōu)良的控制特性等，但由于所用電刷和轉換優(yōu)良的控制特性等，但由于所用電刷和轉換器是使用壽命較低，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）伺服電動機的驅動服電動機的驅動 要實現對直流電動機的速度和方向進行調節(jié)要實現對直流電動機的速度和方向進行調節(jié)控制，通常可用兩種驅動控制方式：控制，通?？捎脙煞N驅動控制方式： 晶體管直流脈寬調制驅動晶體管直流脈寬調制驅動； 晶閘管直流脈寬調速驅動晶閘管直流脈寬調速驅動；厚德達理厚德達理 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

23、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，從而使直流電動機得到脈沖的通斷，從而使直流電動機得到脈沖驅動信號，改變脈沖控制信號的沒一周期通電驅動信號，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的平均工作電壓時間，就可改變直流電動機的平均工作電壓Ua達到調速的目的；改變供電壓和續(xù)流二極管的達到調速的目的；改變供電壓和續(xù)流二極管的極性，便可改變直流電動機的轉向。極性，便可改變直流電動機的轉向。 1）直流電動機的脈寬調速電路原理）直流電動機的脈寬調速電路原理厚德達理厚德達理 勵志勤工勵志勤工dba厚德達理厚德達理 勵志勤工勵志勤工直流電機直流電機PWM調速電路調速電路晶閘管

24、驅動晶閘管驅動直流電機直流電機PWM調速電路調速電路H橋驅動橋驅動厚德達理厚德達理 勵志勤工勵志勤工（1）常用交流伺服電動機常用交流伺服電動機永磁同步型（永磁同步型（SM）、電磁感應型（電磁感應型（IM）伺服電動機。伺服電動機。（2）基本工作原理）基本工作原理 檢測檢測交流伺服電動機交流伺服電動機（SM型型/IM型）氣隙磁場的大型）氣隙磁場的大小和方向，用電力電子轉化器代替整流子和電刷，通小和方向，用電力電子轉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

25、終控制交流伺服交流伺服電動機主磁通量大小和轉矩，實現對電機的有效控制，電動機主磁通量大小和轉矩，實現對電機的有效控制，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 ） 轉子由永磁構成，不需磁化控制電流，只需檢測磁轉子由永磁構成，不需磁化控制電流，只需檢測磁鐵轉子位置和定子繞組磁通矢量控制電流，實現對電鐵轉子位置和定子繞組磁通矢量控制電流，實現對電機主磁通矢量電流的控制，從而獲得對電機的速度和機主磁通矢量電流的控制，從而獲得對電機的速度和位置控制。位置控制。厚德達理厚德達理 勵志勤工勵志勤工CONV.整流器；整流器；SM同步電機；同步電機；INV.變換器；變換器；PS

26、磁極磁極位置檢測器；位置檢測器；REF速度基準；速度基準；IGF電流函數發(fā)生器；電流函數發(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脈寬調制器；脈寬調制器；P.B.U再生電力吸收電路。再生電力吸收電路。iwiviuSMPSPWMCCIFGSCRDREFAC輸入CONV.P.B.U.INV.GRTGRTGRTGRTGRTGRTGRTGRTi厚德達理厚德達理 勵志勤工勵志勤工交流電機CONV.位置指令AC輸入GRTGRTPWMGRTiGRTGRTGRTGRTiiwviuP.B.U.INV.位置控制速度指令放大器矢量處理電路脈沖放大檢測器厚德達理厚德達理