第三章下執(zhí)行元件及控制用電機四

第三章下執(zhí)行元件及控制用電機四一、執(zhí)行元件類型、特點及要求二、機電系統(tǒng)常用控制電機三、步進電機及其控制機電系統(tǒng)中離不開執(zhí)行機構提供動力。如數(shù)控機床的主軸轉動、工作臺的進給運動以及工業(yè)機器人手臂升降、回轉和伸縮運動等所用驅動部件又稱執(zhí)行元件，是處于執(zhí)行機構與電子控制裝置的接點部位的能量轉換部件。它能在電子控制裝置控制下，將輸人的各種形式的能量轉換為機械能，例如電動機、液動機、氣缸、內燃機、電磁鐵、繼電器等分別把輸入的電能、液壓能、氣壓能和化學能轉換為機械能。由于大多數(shù)執(zhí)行元件已作為系列化商品生產，故在設計機電一體化系統(tǒng)或產品時?？勺鳛闃藴始x用、外購。一、執(zhí)行元件類型及特點、基本要求1.電氣執(zhí)行元件電氣執(zhí)行元件包括直流(DC)伺服電機、交流（AC）伺服電機、步進電機以及電磁鐵、磁致伸縮器件、壓電元件，是最常用的執(zhí)行元件。對伺服電機除了要求運轉平穩(wěn)以外，一般還要求動態(tài)性能好，適合于頻繁使用，便于維修等2．液壓式執(zhí)行元件液壓式執(zhí)行元件主要包括往復運動油缸、回轉油缸、液壓馬達等，其中油缸最為常見。在同等輸出功率的情況下，液壓元件具有重量輕、快速性好等特點3．氣壓式執(zhí)行元件氣壓式執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作工作介質外，與液壓式執(zhí)行元件沒有區(qū)別。氣壓驅動雖可得到較大的驅動力、行程和速度，但由于空氣粘性差，具有可壓縮性，故不能在定位精度要求較高的場合使用。一、執(zhí)行元件類型及特點、基本要求一、執(zhí)行元件類型及特點、基本要求1.慣量小、動力大表征執(zhí)行元件慣量的性能指標：對直線運動為質量m，對回轉運動為轉動慣量J。表征輸出動力的性能指標為推力F、轉矩T或功率P。表征動力大小的綜合性指標稱為比功率。它包含了功率、加速性能和轉速三種因素：比功率=Pε/ω=ωT2/J（kWs-1）一、執(zhí)行元件類型及特點、基本要求2.體積小、重量輕

既要縮小執(zhí)行元件的體積、減輕重量，同時又要增大其動力，故通常用執(zhí)行元件的單位重量所能達到的輸出功率或比功率，即用功率密度或比功率密度來評價這項指標。設執(zhí)行元件的重量為G，則功率密度=P/G(kWN-1),比功率密度=(T2/J)/G(kWs-1N-1)3.便于維修、安裝執(zhí)行元件最好不需要維修。最新發(fā)展起來的無刷DC及AC伺服電機就是走向無維修的例子。

4.宜于微機控制根據(jù)這個要求，用微機控制最方便的是電動式執(zhí)行元件。因此機電一體化系統(tǒng)所用執(zhí)行元件的主流是電動式，其次是液動和氣動式(在驅動接口中需要增加電一液或電一氣變換環(huán)節(jié))。內燃機運動的微機控制較難，故通常僅用于交通運輸機械。控制用電機有回轉和直線驅動電機，通過電壓、電流、頻率（包括指令脈沖）等控制，實現(xiàn)定速、變速驅動或反復啟動、停止的增量驅動以及復雜的驅動，而驅動精度隨驅動對象的不同而不同。機電一體化產品中常用的控制用電機是指能提供正確運動或較復雜動作的伺服電機。對控制電機的基本要求1.性能密度大、即功率密度和比功率大；2.快速性好，即加速轉矩大，頻響特性好；3.位置控制精度高、調速范圍寬、低速運行平穩(wěn)無爬行現(xiàn)象、分辨率高、振動噪聲小；4.適應啟、停頻繁的工作要求；5.可靠性高、壽命長。控制用旋轉電機按其工作原理可分為旋轉磁場型和旋轉電樞型。前者有同步電機(永磁)、步進電機(永磁);后者有直流電機(永磁)、感應電機(按矢量控制等效模型)。具體的可細分為:DC伺服電機(永磁)可分為:有槽鐵芯電樞型、無槽(平滑型)鐵芯電樞型、電樞型(無槽(平滑)鐵芯型與無鐵芯型)。AC伺服電機分同步型(SM),感應型(IM)。步進電機分變磁阻型(VR)、永磁型(PM),混合型(HB)。在自動控制系統(tǒng)中，伺服電動機將電壓信號轉換為轉矩和轉速以驅動被控對象，當信號電壓的大小和極性(或相位)發(fā)生變化時，電動機的轉速和轉向將快速、準確地跟著變化。目前常用的伺服電動機有直流伺服電機、交流伺服電機和步進電機。二、機電系統(tǒng)常用控制電機1、直流（DC）伺服電機直流（DC）伺服電機的結構和工作原理與一般普通直流電機相同，只是轉子的轉動慣量比普通直流電機小，即轉子做得細長。

二、機電系統(tǒng)常用控制電機直流電機轉矩平衡方程：T=CTΦIa(1)調速方式直流伺服電機的機械特性方程為：式中——電樞控制電壓；一電樞回路電阻；—每極磁通；、—分別為電動機的結構常數(shù)。直流電機的輸出電磁轉矩表達式為：

二、機電系統(tǒng)常用控制電機由上式知，直流伺服電機的控制方式如下：二、機電系統(tǒng)常用控制電機（2）調磁調速（變勵磁電流，恒功率調速）（1）調壓調速（變電樞電壓，恒轉矩調速）常用的是前面2種調速方式。（3）改變電樞回路電阻調速直流伺服電機接線原理圖。二、機電系統(tǒng)常用控制電機2.直流伺服電機驅動（1）可控硅直流調速原理（2）脈寬調制（PWM）直流調速驅動控制稱導通率或占空比續(xù)流二級管PWM控制原理2.交流伺服電動機二、機電系統(tǒng)常用控制電機杯形轉子伺服電動機的結構圖1—勵磁繞組2—控制繞組3—內定子4—外定子5—轉子交流伺服電動機的接線圖(1)幅值控制原理:勵磁繞組WF接到電壓為Uf的交流電網(wǎng)上，控制繞組接到控制電壓Uc上，當有控制信號輸入時，兩相繞組便產生旋轉磁場。該磁場與轉子中的感應電流相互作用產生轉矩，使轉子跟著旋轉磁場以一定的轉差率轉動起來，其旋轉速度為式中，f為交流電源頻率(Hz)；p為磁極對數(shù)；n0為電動機旋轉磁場轉速(r/min)；s為轉差率。

二、機電系統(tǒng)常用控制電機控制原理:二、機電系統(tǒng)常用控制電機幅值控制原理圖不同控制電壓下的機械特性曲線由右圖可知，在一定負載轉矩下，控制電壓越高，轉差率越小，電動機的轉速就越高，不同的控制電壓對應著不同的轉速。這種維持與相位差為90o，利用改變控制電壓幅值大小來改變轉速的方法，稱為幅值控制方法。

（2）SM型伺服電機控制原理：（3）IM型伺服電機控制原理矢量控制框圖五、步進電機種類及其工作原理1）.定義：是一種將電脈沖信號轉換成角位移的電磁執(zhí)行元件。2）、步進電機工作時的兩種狀態(tài)：轉動狀態(tài)：輸入脈沖時，即可轉動。定位狀態(tài)：在電源的激勵下，氣隙磁場能保持原有位置不變。即：步進電機的工作過程是：定位靠電源，轉動靠脈沖。三、步進電動機及其控制3）步進電機特點:①步進電機的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素(如電源電壓的波動、電流的大小與波形的變化、溫度等)的影響；②步進電機的步距角的累積誤差，在轉子轉過一圈以后，其變?yōu)椤傲恪?；③控制性能好。五、步進電機種類及其工作原理1、步進電機的種類按運動形式：旋轉式步進電機，直線步進電機。從勵磁相數(shù)來分：有三相、四相、五相、六相等步進電機。就常用的旋轉式步進電機來說，按轉子結構不同，將其分為以下三種：可變磁阻型(VB—VariableReluctance)永磁型(PM型—PermanentMagnetType)混合型(HB型—HybridType)五、步進電機種類及其工作原理（1）可變磁阻型（VR型）定子繞組產生的反應電磁力吸引用軟磁鋼制的齒形轉子作步進驅動，故又稱作反應式步進電機。轉子結構簡單、轉子直徑小，有利于高速響應。由于其鐵芯無極性，常有吸引力，故不需改變電流極性，為此，多為單極性勵磁。該類電機在無勵磁時沒有保持力。五、步進電機種類及其工作原理（2）永磁型（PM型）PM型步進電機的轉子2采用永久磁鐵、定子1采用軟磁鋼制成，繞組3輪流通電，建立的磁場與永久磁鐵的恒定磁場相互吸引與排斥產生轉矩。特點：1.可用作定位驅動，2.步距角較大。五、步進電機種類及其工作原理(3)混合型(HB型)它不僅具有VR型步進電機步距角小、響應頻率高的優(yōu)點，而且還具有PM型步進電機勵磁功率小、效率高的優(yōu)點，故稱為混合型步進電機。五、步進電機種類及其工作原理

混合型與永磁型多為雙極性勵磁。由于都采用了永久磁鐵，所以，無勵磁時具有保持力。另外，勵磁時的靜止轉矩都比VR型步進電機的大。HB和PM型步進電機能夠用作超低速同步電機，如：用60Hz驅動每步1.8°的電機可作為72r/min的同步電機使用。步進電機與DC和AC伺服電機相比：缺點：轉矩、效率、精度、高速性能較差。優(yōu)點：低速時轉矩大，速度控制比較簡單，外形尺寸小等。所以在辦公室自動化方面的打印機、繪圖機、復印機等機電一體化產品中得到廣泛使用。五、步進電機種類及其工作原理1、工作原理(以VR為例)

當?shù)谝粋€脈沖通入A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，轉子的1、3齒要和A級對齊。當下一個脈沖通入B相時，磁通同樣要按磁阻最小的路徑閉合，即2、4齒要和B級對齊，則轉子就順逆時針方向轉動一定的角度。五、步進電機種類及其工作原理若通電脈沖的次序為A、C、B、A…，則不難推出，轉子將以順時針方向一步步地旋轉。這樣，用不同的脈沖通入次序方式就可以實觀對步進電動機的控制。脈沖的數(shù)量控制電機的轉角；脈沖的頻率控制電機的轉速；脈沖的通入次序控制電機的方向。定子繞組每改變一次通電方式，稱為一拍。上述的通電方式稱為三相單三拍。所謂“單”是指每次只有一相繞組通電；所謂“三拍”是指經(jīng)過三次切換控制繞組的通電狀態(tài)為一個循環(huán)。五、步進電機種類及其工作原理三相三拍通電：1）三相單三拍A→B→C→A2）三相雙三拍AB→BC→CA→AB五、步進電機種類及其工作原理三相六拍通電方式A→AB→B→BC→C→CA→A五、步進電機種類及其工作原理三相六拍通電方式：AABBBCCCAA逆時針AACCCBBBAA順時針相數(shù)：N=3齒數(shù)：z=4通電方式系數(shù)K：相鄰兩次通電的相數(shù)一樣時，K=1相鄰兩次通電的相數(shù)不一樣時，K=2轉一轉需要的脈沖數(shù)為：zm=ZN

K=3×4×2=24步距角a（一個脈沖轉過的角度）為：五、步進電機種類及其工作原理思考：步進電機的定子每個磁極上制成5個齒，轉子齒數(shù)40，兩種小齒齒寬和齒距相等，問其步距角為？（以VR型步進電機為例）。五、步進電機種類及其工作原理

(1)分辨力（步距角）

步進電動機走一步所轉過的角度稱為步距角，可按下面公式計算 式中為步距角；為轉子上的齒數(shù)；為步進電動機運行的拍數(shù)。同一臺步進電動機，因通電方式不同，運行時步距角也是不同的。六、步進電機的運行特性及性能指標（2）靜態(tài)特性。指它在穩(wěn)定狀態(tài)時的特性，包括：1）失調角：如果在電機轉子軸上加一負載轉矩TL，則轉子齒的中心線與定子齒的中心線將錯過一個電角度θe，才能重新穩(wěn)定下來。θe為失調角。2）最大靜轉矩：當θe=90時，其靜態(tài)轉矩Tj為最大靜轉矩。3）矩—角特性，六、步進電機的運行特性及性能指標(3)動態(tài)特性：

①動態(tài)穩(wěn)定區(qū)。由圖3-17可知，步進電機從A相通電狀態(tài)切換到B相(或AB相)通電狀態(tài)時，不至引起丟步，該區(qū)域被稱為動態(tài)穩(wěn)定區(qū)。裕量角θr六、步進電機的運行特性及性能指標②起動轉矩Tq。圖3-17中A相與B相矩—角特性曲線之交點所對應的轉矩Tq被稱為起動轉矩，它表示步進電機單相勵磁時所能帶動的極限負載轉矩。起動轉矩通常與步進電機相數(shù)和通電方式有關。見P89/表3-7。六、步進電機的運行特性及性能指標③輸出扭矩（矩頻特性）：是指與步進電機的各種轉速相對應的輸出扭矩。其是步進電機的一個主要參數(shù)。最高連續(xù)運行的工作頻率：連續(xù)運行的最高工作頻率：連續(xù)運行時步進電機所能接受的最高頻率。一般情況下，最高工作頻率大于最高啟動頻率，原因是：（1）啟動時有較大的慣性扭矩；（2）啟動時有加速度存在。六、步進電機的運行特性及性能指標④最高啟動脈沖頻率（慣—矩特性）：是指轉子從靜止狀態(tài)，不失步起動的最大控制頻率。其與電機軸上的負載慣量及負載扭矩大小有關。(4)步進電機技術指標實例。（P90~92）六、步進電機的運行特性及性能指標驅動電源由脈沖分配器、功率放大器組成，如圖3-18所示。驅動電源是將變頻信號源(微機或數(shù)控裝置等)送來的脈沖信號及方向信號按要求的配電方式自動地循環(huán)供給電機各相繞組，以驅動電機轉子正反向旋轉。只要控制輸入的電脈沖的數(shù)量和頻率就可精確控制步進電機的轉角和速度。七、步進電機的驅動與控制（1）環(huán)形脈沖分配器使電機繞組的通電順序按一定規(guī)律變化的部分稱為脈沖分配器，又稱環(huán)形脈沖分配器。實現(xiàn)環(huán)形分配的方法有三種：1）采用計算機軟件利用查表或計算方法來進行脈沖的環(huán)形分配，簡稱軟環(huán)分。表3-10為三相六拍分配狀態(tài)，可將表中狀態(tài)代碼01H，03H，02H，06H，04H，05H列入程序數(shù)據(jù)表中，通過軟件可順次在數(shù)據(jù)表中提取數(shù)據(jù)并通過輸出接口輸出即可。七、步進電機的驅動與控制2）采用小規(guī)模集成電路搭接而成的三相六拍環(huán)形脈沖分配器。這種方式靈活性很大，可搭接任意相任意通電順序的環(huán)形分配器，同時在工作時不占用計算機的工作時間。七、步進電機的驅動與控制3）采用專用環(huán)形分配器器件。如市售的CH250即為一種三相步進電機專用環(huán)形分配器。（P94）七、步進電機的驅動與控制(2)功率放大器從計算機輸出口或從環(huán)形分配器輸出的信號脈沖電流一般只有幾個毫安，不能直接驅動步進電機，必須采用功率放大器將脈沖電流進行放大，使其增大到幾至十幾安培，從而驅動步進電機運轉。步進電機所使用的功率放大電路有電壓型和電流型。

電壓型又有：單電壓型、雙電壓型(高低壓)。電流型中有：恒流驅動、斬波驅動等。七、步進電機的驅動與控制高低壓功率放大電路。七、步進電機的驅動與控制（4）步進電機的微機控制步進電機的工作過程一般由控制器控制，控制器按照設計者的要求完成一定的控制過程，使功率放大電路按照要求的規(guī)律驅動步進電機運行。簡單的控制過程可以用各種邏輯電路來實現(xiàn)，但其缺點是線路復雜，控制方案改變困難，自從微處理器問世以來，給步進電機控制器設計開辟了新的途徑。（單片微型計算機）使用微型計算機對步進電機進行控制有：串行和并行兩種方式。七、步進電機的驅動與控制①串行控制。具有串行控制功能的單片機系統(tǒng)與步進電機驅動電源之間具有較少的連線。七、步進電機的驅動與控制②并行控制用微型計算機系統(tǒng)的數(shù)個端口直接去控制步進電機各相驅動電路的方法稱為并行控制。在電機驅動電源內，還包括環(huán)形分配器，而其功能必須由微型計算機系統(tǒng)完成。七、步進電機的驅動與控制③步進電動機速度控制（略，見P101）④步進電動機加減速控制（略，見