機電一體化第四章2

第四章

控制電動機及其選擇計算

伺服系統(tǒng)(servosystem)又稱隨動系統(tǒng)或自動跟蹤系統(tǒng)、自動校正系統(tǒng)，是指以機械參數(shù)(位移、速度、力和力矩等)作為被控量的一種自動控制系統(tǒng)，能自動、迅速、連續(xù)、精確地響應(yīng)輸入指令的變化規(guī)律。目前一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點1伺服系統(tǒng)分類按其控制原理分：開環(huán)、全閉環(huán)和半閉環(huán)控制三種形式；按其被控量的性質(zhì)分：速度、位置、力、扭矩控制等形式；按其驅(qū)動方式分：電氣伺服、氣壓伺服、液壓伺服、電液伺服等形式；按執(zhí)行元件分：步進伺服、直流伺服、交流伺服等形式。

開環(huán)伺服系統(tǒng)大多采用步進電機、閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)大多采用直流伺服電機和交流伺服電機。目前二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點2

對不同的機電一體化設(shè)備，伺服系統(tǒng)驅(qū)動部件時所需功率的差異很大。在確定驅(qū)動方式時，一般從輸出功率與響應(yīng)頻率兩個方面綜合選擇。

液壓驅(qū)動伺服系統(tǒng)輸出功率大、響應(yīng)頻率高；

氣壓驅(qū)動伺服系統(tǒng)響應(yīng)頻率低但輸出功率大；

伺服電機驅(qū)動的伺服系統(tǒng)，對不同的伺服電機具有不同的要求，因此具有選擇輸出功率范圍大、響應(yīng)頻率寬的特點。在機電一體化產(chǎn)品中，常采用伺服電機驅(qū)動的伺服系統(tǒng)。目前三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點3本章主要內(nèi)容第一節(jié)步進電動機及其控制第二節(jié)直流伺服電動機及其控制第三節(jié)交流伺服電動機及其控制第四節(jié)直線電動機第五節(jié)控制電動機選擇與計算實例目前四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點4

引言

控制電機（伺服電機）是電氣伺服控制系統(tǒng)的動力部件，是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。由于其可以在很寬的速度范圍內(nèi)進行連續(xù)、精確的控制，因而在機電一體化系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。控制電機有回轉(zhuǎn)和直線驅(qū)動電機，通過電壓、電流、頻率（指令脈沖）等控制，實現(xiàn)定速、變速驅(qū)動或反復(fù)起動、停止的增量驅(qū)動及其它復(fù)雜驅(qū)動。目前五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點5圖4-1伺服電動機控制方式的基本形式目前六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點6如圖4-1示的開環(huán)系統(tǒng)無檢測裝置，用步進電機驅(qū)動，每輸入一個脈沖，步進電機就轉(zhuǎn)一定角度，它的轉(zhuǎn)速由脈沖頻率控制，轉(zhuǎn)角大小由脈沖個數(shù)決定，由于開環(huán)系統(tǒng)無檢測裝置，誤差無法測出和補償，故開環(huán)系統(tǒng)精度不高。

閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)有檢測裝置，閉環(huán)系統(tǒng)的檢測裝置裝到移動部件上，系統(tǒng)中采用了反饋和誤差補償技術(shù)；半閉環(huán)系統(tǒng)的檢測裝置裝到伺服電機上，在伺服電機尾部裝有編碼器和測速發(fā)電機，分別檢測移動部件的位移和速度。

目前七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點7伺服電機相關(guān)基本概念對任何電動機，都可定義功率密度和比功率兩項指標(biāo)。功率密度：，P為電動機功率；V為電動機的體積。

比功率：

TN為額定轉(zhuǎn)矩。目前八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點8伺服電機相關(guān)基本概念對于起停較少的場合，如用于數(shù)控機械的進給、機器人驅(qū)動的電動機，往往要求低速平穩(wěn)、高速振動小、轉(zhuǎn)矩脈動小，并且調(diào)速全范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。這種場合下功率密度是主要指標(biāo)。對于起停較多的場合，如用于高速打印機、繪圖儀、集成電路焊接的電動機，往往不特別要求低速平穩(wěn)性，而比功率高是主要要求。比功率高低順序依次是：直流無刷電動機>步進電機>直流伺服電動機>交流伺服電動機。目前九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點9目前十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點10第一節(jié)步進電機及其控制一、步進電機的工作原理步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的執(zhí)行元件。每接受一個電脈沖，在驅(qū)動電源的作用下，步進電機轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一步，轉(zhuǎn)過的角度為步距角。目前十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點11

圖4-2為反應(yīng)式步進電機結(jié)構(gòu)簡圖。其定子有六個均勻分布的磁極，每兩個相對磁極組成一相，即有U-U、V-V、W-W三相，磁極上繞勵磁繞組。定子、轉(zhuǎn)子上都均勻分布了一些齒圖4-2步進電動機結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及其頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，很容易用微機實現(xiàn)開環(huán)的數(shù)字控制。U2U1W2W1V1V2目前十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點12B轉(zhuǎn)子定子若A-A’磁極通電目前十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點13由于勵磁磁通總力圖沿磁阻最小路徑通過，因此定子對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁吸力，迫使轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與定子齒對齊位置時，因轉(zhuǎn)子只受徑向力而無切線力，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被鎖定在這個位置上。由此可見：定子與轉(zhuǎn)子間的錯齒是助使步進電機旋轉(zhuǎn)的根本原因。若對勵磁繞組以一定方式通以直流勵磁電流，則轉(zhuǎn)子以相應(yīng)的方式轉(zhuǎn)動。其轉(zhuǎn)動原理其實就是電磁鐵的工作原理.目前十四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點14圖4-3步進電動機工作原理圖1423142314231423U1U2V1V2W2W1通電順序：U相→V相→W相→U相。

①U相通電1423U1U2V1V2W2W11423②V相通電U1U2V1V2W2W1③W相通電14231423一步兩步三相單三拍目前十五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點15由圖4-3看出，給U相通電轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)過了30°角。給V相通電，轉(zhuǎn)子逆時針再轉(zhuǎn)過30°角；如此按照U→V→W→U的順序通電，轉(zhuǎn)子則沿逆時針方向一步步地轉(zhuǎn)動，每步轉(zhuǎn)過30°，這個角度就叫步距角。顯然，單位時間內(nèi)通入的電脈沖數(shù)越多，即電脈沖頻率越高，電機轉(zhuǎn)速越高。三相勵磁繞組依次單獨通電運行，換接三次完成一個通電循環(huán)，稱為三相單三拍通電方式。目前十六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點16三相雙三拍通電順序：UV相→VW相→WU相。1423U1U2V1V2W2W1①UV相通電14231423U1U2V1V2W2W1②VW相通電14231423U1U2V1V2W2W1③WU相通電1423※

步距角：θ=30°14231423目前十七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點17步進電機還可以按三相六拍通電方式工作，即按U→UV→V→VW→W→WU→U…順序通電，換接六次完成一個通電循環(huán)。這種通電方式的步距角為15°,是三拍通電時的一半。步進電機的步距角越小，意味著所能達到的位置精度越高。三相六拍通電順序：U→UV→V→VW→W→WU→U。1423U1U2V1V2W2W111423U1U2V1V2W2W121423U1U2V1V2W2W131423U1U2V1V2W2W141423U1U2V1V2W2W151423U1U2V1V2W2W161423※步距角：

θ=15°目前十八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點1835BYJ46步進電機

目前十九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點19步進電機驅(qū)動器目前二十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點20永磁式步進系列電動機目前二十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點21四自由度教學(xué)機器人目前二十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點22六自由度教學(xué)機器人目前二十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點23

二、步進電機的特點

根據(jù)上述工作原理，可以看出步進電機具有以下幾個基本特點：1.步進電機受數(shù)字脈沖信號控制，輸出角位與輸入脈沖數(shù)成正比，即：

式中—電機轉(zhuǎn)過的角度，（o）；N—控制脈沖數(shù)；β—步距角，（o）。

目前二十四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點242.步進電機的轉(zhuǎn)速與輸入的脈沖頻率成正比，即：

式中n—電機轉(zhuǎn)速（r/min）；

f—控制脈沖頻率(Hz)。

3．步進電機的轉(zhuǎn)向可以通過改變通電順序來改變；

目前二十五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點25

4．步進電機具有自鎖能力，一旦停止輸入脈沖，只要維持繞組通電，電機就可以保持在該固定位置。

5.步進電機工作狀態(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。只要干擾未引起步進電機產(chǎn)生“丟步”，就不影響其正常工作目前二十六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點266.步進電機的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)以后，其累積誤差為“零”，不會長期積累；7.易于直接與微機的I/O接口，構(gòu)成開環(huán)位置伺服系統(tǒng)。微機需要D/A轉(zhuǎn)換接口可以產(chǎn)生任意頻率的脈沖信號。目前二十七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點27因此，步進電機被廣泛應(yīng)用于開環(huán)結(jié)構(gòu)的機電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡化，并可靠地獲得較高的位置精度。目前二十八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點28三、步進電機的運行特性及性能指標(biāo)1.步距角在一個電脈沖作用下（即一拍），電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移稱為步距角。步距角越小，分辨力越高。常見的步距角有：0.6度/1.2度

2.靜態(tài)特性步進電機的靜態(tài)特性是指它在穩(wěn)定狀態(tài)時的特性，包括靜轉(zhuǎn)矩、矩-角特性及靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。

目前二十九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點29在空載狀態(tài)下，給步進電機某相通以直流電流時，轉(zhuǎn)子上沒有轉(zhuǎn)矩輸出，此位置為轉(zhuǎn)子初始穩(wěn)定平衡位置。如果在電機轉(zhuǎn)子軸上加一負載轉(zhuǎn)矩TL，則轉(zhuǎn)子齒的中心線與定子齒的中心線將錯過一個θ（通常用電角度θe表示），才能重新穩(wěn)定下來，θ叫做失調(diào)角?？蛰d負載目前三十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點30角-距特性曲線靜態(tài)轉(zhuǎn)矩隨著失調(diào)角θe變化的曲線就是角矩特性曲線?？梢宰C明，此曲線可近似地用一條正弦曲線表示，如圖所示。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩越大，自鎖力矩越大，靜態(tài)誤差就越小。一般產(chǎn)品說明書中標(biāo)示的最大靜轉(zhuǎn)矩就是指在額定電流通電方式下的Tjmax。當(dāng)失調(diào)角θe在-π到π的范圍內(nèi)（電角度），若去掉負載轉(zhuǎn)子TL，轉(zhuǎn)子仍能回到初始穩(wěn)定平衡位置。因此，在-π＜θe＜π的區(qū)域稱為步進電機的靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。U1U2V1V2W2W11423U相通電4Tl目前三十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點313．動態(tài)特性步進電機的動態(tài)特性將直接影響到系統(tǒng)的快速響應(yīng)及工作的可靠性，在運行狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩即為動態(tài)轉(zhuǎn)矩，它隨控制脈沖頻率的不同而改變。脈沖頻率增加，動態(tài)轉(zhuǎn)矩變小，動態(tài)轉(zhuǎn)矩與脈沖頻率的關(guān)系稱為矩—頻特性。目前三十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點32指令脈沖圖4-4步進電動機的驅(qū)動控制原理環(huán)形分配器功率驅(qū)動器步進電動機負載輸出驅(qū)動電源步進電機的運行特性與配套使用的驅(qū)動電源有密切關(guān)系。驅(qū)動電源由環(huán)形脈沖分配器、功率放大器組成，如圖4-4所示。驅(qū)動電源是將變頻信號源送來的脈沖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(qū)動電機轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)四、步進電機的驅(qū)動控制目前三十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點33環(huán)形分配器：硬件環(huán)分與軟件環(huán)分驅(qū)動器目前三十四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點34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伏、幾個毫安，不能直接驅(qū)動步進電機，必須采用功率放大器將脈沖電流進行放大，使其增加到幾至十幾安培，從而驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)。因此，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量和頻率就可精確控制步進電機的轉(zhuǎn)角和速度。目前三十五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點35功率放大目前三十六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點36斬波恒流功放圖斬波恒流功放電路

是利用斬波方法使電流恒定在額定值附近。U=iLR12目前三十七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點37控制計算機如8051小功率步進電機可以自己設(shè)計脈沖分配器和功率放大器，也可以選則集成芯片來設(shè)計計算機目前三十八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點38目前三十九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點39

五、步進電機的選用

選用步進電機時，必須首先根據(jù)機械結(jié)構(gòu)草圖計算機械傳動裝置及負載折算到電動機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量，分別計算各種工況下所需的等效力矩。再根據(jù)步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩和起動、運行矩-頻特性選擇合適的步進電機。

目前四十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點401．轉(zhuǎn)矩和慣量匹配條件

為了使步進電機具有良好的起動能力及較快的響應(yīng)速度，通常推薦：

TL/Tmax≤0.5及JL/Jm≤4式中Tmax—步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩；TL—換算到電機軸上的扭矩；Jm—步進電機轉(zhuǎn)子上的最大慣性矩；JL—折算到步進電機轉(zhuǎn)子上的等效轉(zhuǎn)動慣量。

目前四十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點41確定起動頻率是否滿足要求根據(jù)上述條件，初步選擇步進電機的型號，然后，根據(jù)動力學(xué)公式檢查其起動能力和運動參數(shù)，如起動頻率、起動時間、運行速度等。突然給電機加上某一頻率的輸入脈沖使轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)啟動，保證轉(zhuǎn)子能不失（丟）步,正常運行的最高脈沖頻率稱為最大起動頻率.目前四十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點42由于步進電機的起動矩—頻特性曲線是在空載下作出的，檢查其起動能力時應(yīng)考慮慣性負載對起動轉(zhuǎn)矩的影響，然后，再查其起動轉(zhuǎn)矩和計算起動時間。目前四十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點43不同JL/Jm下的矩—頻特性如圖4-5。由此可見，JL/Jm比值增大，最大起動頻率越小，其加減速時間將會延長，這就失去了快速性。

圖4-5不同下的矩頻特性目前四十四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點44

當(dāng)在起動矩—頻特性曲線上查不到帶慣性負載時的最大起動頻率時，可用下式近似計算：（4-1）

式中fL—帶慣性負載的最大起動頻率，Hz或p/s；fm—電機本身的最大空載起動頻率，Hz或p/s；Jm—電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2。JL—換算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2。

當(dāng)JL/Jm=3時，fL=0.5fm。

目前四十五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點45

2．步矩角的選擇和精度

步矩角的選擇是由脈沖當(dāng)量等因素來決定的。步進電機的步距角精度將會影響開環(huán)系統(tǒng)的精度。電機的轉(zhuǎn)角，其中為步矩角精度，

步矩角精度是在空載條件下，在360°范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子從任意位置步進運行時，每隔指定的步數(shù)，測定其實際角位移與理論角位移之差，稱為靜止角度誤差，并用正負峰值之間的1／2來表示。其誤差越小，電動機精度越高。一般為的±（3％～5％）,但它不受N值大小的影響，即不會產(chǎn)生累積誤差。目前四十六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點46步進電機選擇計算實例目前四十七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點47第二節(jié)直流伺服電機及其控制

直流伺服電機是用直流電供電的電機，它在機電一體化設(shè)備中作為驅(qū)動元件，其功能是將輸入的受控電壓/電流能量，轉(zhuǎn)換為電樞軸上的角位移或角速度輸出。

目前四十八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點48一、直流伺服電動機的分類與結(jié)構(gòu)1.工作原理

NS－U＋NS＋U－目前四十九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點49NSNS＋U－＋U－電刷換向片直流電流交流電流電磁轉(zhuǎn)矩(拖動轉(zhuǎn)矩)換向機械負載Φ旋轉(zhuǎn)克服反電動勢做功電磁關(guān)系目前五十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點50電樞等效電路圖

Ua=Ea+IaRa

Ea=CeΦω式中，Ce是電動勢常數(shù)，僅與電動機結(jié)構(gòu)有關(guān)；Φ是定子磁場中每極的氣隙磁通量Ua-IaRa=CeΦω補充：直流電動機的電壓平衡方程式目前五十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點51 此外，電樞電流切割磁場磁力線所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩Tm可由下式表達:

Tm=CmΦIa 則式中，Cm是轉(zhuǎn)矩常數(shù)，僅與電動機結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此可得到直流伺服電動機運行特性的一般表達式： Ua-IaRa=CeΦω目前五十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點52

由此可以得出空載（Tm＝0，轉(zhuǎn)子慣量忽略不計）和電機起動（ω＝0）時的電機特性:（1）ω=0時，有（1）Tm=0時，有目前五十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點53

把角速度ω看作是電磁轉(zhuǎn)矩Tm的函數(shù)，即ω=f(Tm)，則可得到直流伺服電動機的機械特性表達式為 式中,ω0是常數(shù)，圖直流伺服電動機的機械特性機械特性：是一定控制電壓下轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。直流電機的機械特性目前五十四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點54把角速度ω看作是電樞電壓Ua的函數(shù)，即ω=f(Ua)，則可得到直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性表達式

調(diào)節(jié)特性：指一定負載轉(zhuǎn)矩下穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速隨控制電壓變化的關(guān)系直流電機的調(diào)節(jié)特性圖直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速特性,調(diào)速平滑、方便,調(diào)速范圍廣。目前五十五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點55外電阻對直流電機機械性能的影響外界電阻使直流電機機械特性變軟，伺服控制性能變差目前五十六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點56

二、直流伺服電機的特點

直流伺服電機有如下特點：1.穩(wěn)定性好直流伺服電機具有下垂的機械性，能在較寬的速度范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。

2.可控性好、控制方法簡單直流伺服電機具有線性的調(diào)節(jié)特性，能使轉(zhuǎn)速正比于控制電壓的大小；轉(zhuǎn)向取決于控制電壓的極性；控制電壓為零時，轉(zhuǎn)子慣性很小，能立即停止。

目前五十七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點573.響應(yīng)迅速直流伺服電機具有較大的起動轉(zhuǎn)矩和較小的轉(zhuǎn)動慣量，在控制信號增加、減小或消失的瞬間，直流伺服電機能快速起動增速、快速減速和快速停止。4.控制功率低，損耗小。5.轉(zhuǎn)矩大直流伺服電機廣泛應(yīng)用在寬調(diào)速系統(tǒng)和精確位置控制系統(tǒng)中缺點：電刷和轉(zhuǎn)換器使用壽命較低，需要定期更換；有火花，維護不便。目前五十八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點58

三、直流伺服電機的驅(qū)動及控制

1.直流伺服電機的驅(qū)動方式電機驅(qū)動控制中，實質(zhì)上是通過對電機驅(qū)動電源的控制，來進一步控制電機的驅(qū)動電流和電壓。直流伺服電機用直流供電，為調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速和方向，需要對其直流電壓的大小和方向進行控制。直流電機常用的調(diào)速方法：脈沖寬寬（PWM）調(diào)速目前五十九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點59脈沖調(diào)制器是一個電壓—脈寬變換器裝置，輸入的是電壓量，輸出則是寬度受控制的脈沖量。

脈寬調(diào)制(PWM)直流調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)原理如圖4-6所示。設(shè)開關(guān)K周期性地閉合、斷開，在一個周期T內(nèi)，閉合的時間是τ，斷開的時間是T-τ。若外加電源電壓U為常數(shù)，則電源加到電機電樞上的電壓波形將是一個方波列，高度為U，寬度為τ。圖4-6PWM直流調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)原理圖a)控制原理圖b)電壓－時間關(guān)系圖目前六十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點60

圖中的二極管為續(xù)流二極管，當(dāng)K斷開時，由于電感La的存在，電機的電樞電流Ia可通過它形成回路而繼續(xù)流動，因此盡管電壓呈脈動狀，而電流還是連續(xù)的。式中稱為導(dǎo)通率，又稱占空系數(shù)。當(dāng)T不變時，只要連續(xù)地改變τ就可以連續(xù)地使Ua由0～U，從而達到連續(xù)改變電機轉(zhuǎn)速之目的。常選用的開關(guān)頻率為500～2500Hz。平均電壓：目前六十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點61根據(jù)選用的開關(guān)元件不同，目前常用可控硅（晶閘管）直流調(diào)速驅(qū)動和晶體管脈寬調(diào)速驅(qū)動兩種方式。(1)．晶閘管SCR晶閘管的開關(guān)特性如下：1)起始時若控制極G不加電壓，則不論陽極A加正向還是反向電壓，晶閘管均不導(dǎo)通，這說明晶閘管具有正、反向阻斷能力。2)晶閘管的陽極A和控制極G同時加正向電壓時晶閘管才能導(dǎo)通，這是晶閘管導(dǎo)通必須同時具備的兩個條件。3)在晶閘管導(dǎo)通之后，其控制極G就失去了控制作用。欲使晶閘管恢復(fù)阻斷狀態(tài)，必須把陽極電流降低到一定值(小于維持電流)。因此晶閘管是一種具有半控特性的大功率器件，只能控制電路的導(dǎo)通，而不能控制電路的關(guān)斷！,可控硅（晶閘管）直流調(diào)速驅(qū)動只能用交流電供電，通過過零閉合。目前六十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點62為克服晶閘管的缺點，全控型元件逐漸得到發(fā)展，大功率晶體管。這類元件的特點是不僅能控制電路的導(dǎo)通，還能控制電路的關(guān)斷。大功率晶體管從原理上來講與普通三極管是一致的，主要在大功率領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用，也稱為電力晶體管。與晶閘管相比，功率晶體管不僅可以實現(xiàn)導(dǎo)通控制，還可以實現(xiàn)關(guān)斷控制，是全控元件，而且開關(guān)速度遠大于晶閘管。大功率晶體管只能工作于飽和導(dǎo)通或截止兩種狀態(tài)，因此，從功能上可以將功率晶體管看做是一個工作在開關(guān)狀態(tài)下的大功率三極管。(2)．大功率晶體管目前六十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點63直流電機功率驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)

關(guān)鍵是產(chǎn)生寬度可調(diào)的脈沖信號，即PWM信號脈寬信號目前六十四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點64電壓-脈寬變換器結(jié)構(gòu)目前六十五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點65直流電機控制驅(qū)動原理圖計算機D/A目前六十六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點66計算機D/A對于小型的直流電機，也可以自己設(shè)計PWM功率放大器，或者選擇專門的PWM功率放大器芯片(如L298)！對于大型直流電機交流-直流轉(zhuǎn)換器目前六十七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點67L298目前六十八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點68第三節(jié)交流電機及其控制

一、交流電機的種類和結(jié)構(gòu)特點與直流電機相比，交流電機的體積和質(zhì)量較大，效率低。但是隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率的交流電機正迅速取代直流電機。

目前六十九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點69感應(yīng)型（IM）：指鼠籠型感應(yīng)電機。特點:(1)對定子電流的激勵分量和轉(zhuǎn)矩分量分別控制；(2)具有直流伺服電機的全部優(yōu)點。目前七十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點70感應(yīng)交流電機的結(jié)構(gòu)二、IM型伺服電機的控制方法目前七十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點71交流電機的電磁轉(zhuǎn)矩其中S為轉(zhuǎn)差率R2為轉(zhuǎn)子每項的電阻X20為啟動瞬時每項的漏感抗U1為定子電源電壓機械特性：異步電動機的穩(wěn)態(tài)機械特性指電壓恒定時，轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)差率s或轉(zhuǎn)速n的函數(shù)關(guān)系。曲線上的重要點有：

nN，TN——額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩

Tst——起動轉(zhuǎn)矩KT為有電動機結(jié)構(gòu)決定的常數(shù)ωTUa增大目前七十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點72穩(wěn)定工作區(qū)—曲線bc段(下降段)設(shè)電動機的負載轉(zhuǎn)矩TL為穩(wěn)定值，與電動機的轉(zhuǎn)速無關(guān)。電動機工作在N點，當(dāng)T=TL時，電動機以恒定速度運轉(zhuǎn)，工作在bc段。若某種原因使負載轉(zhuǎn)矩TL有所增大，由于慣性電磁轉(zhuǎn)矩T還來不及變化，于是有T<TL，電動機將減速運行，n減小。由T(n)曲線可知：n減小又將使T增大，重新使電磁轉(zhuǎn)矩T=TL。這時電動機以較原來略低的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行。這一過程可以表示為：當(dāng)擾動消失，電動機可以重新回到N點工作。e目前七十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點73不穩(wěn)定工作區(qū)——曲線ab段（上升段）不穩(wěn)定工作區(qū)對應(yīng)于T(n)曲線的ab段。電磁轉(zhuǎn)矩T隨著速度的增加而增大。電動機在這個區(qū)域工作時是不穩(wěn)定的。一旦平衡被打破，如果T<TL，電動機會停轉(zhuǎn)，產(chǎn)生“悶車”現(xiàn)象；

如果T>TL，電動機會越過最大轉(zhuǎn)矩Tm跑到穩(wěn)定工作區(qū)bc中去。注意：“悶車”容易燒毀電動機目前七十四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點74

(1)交流感應(yīng)電機的變頻調(diào)速控制

1)交流感應(yīng)電機的特性交流感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)速n與下列因素有關(guān)：

（4-4）

式中n—電動機轉(zhuǎn)速；f—外加電源頻率；p—電動機極對數(shù)；S—滑差率。

目前七十五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點751.改變轉(zhuǎn)差率s，可在轉(zhuǎn)子繞組中串接電阻來改變轉(zhuǎn)差率s。

這種方法成本低，易實現(xiàn)，但調(diào)速機械特性很軟，低速運行時電阻損耗很大。改變定子電壓U也可改變轉(zhuǎn)差率s，這種方法損耗也很大。損耗使電動機的效率降低，特性變差。2.改變極對數(shù)p，這種方法調(diào)速是有級的，而且調(diào)速范圍窄。電動機設(shè)計制造時就已決定了p的可取值，往往是2或3。3.改變定子供電頻率f，可以無級地改變電動機的同步轉(zhuǎn)速n0，這種方法稱為變頻調(diào)速，如果定子電壓與定子供電頻率f協(xié)調(diào)，性能會更好。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速應(yīng)用日益廣泛。目前七十六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點76

2)變頻調(diào)速方法

實現(xiàn)變頻調(diào)速的方法很多，可分為交一直—交變頻、交—交變頻、脈寬調(diào)制變頻（SPWM）等。其中每一種變頻又有很多變換形式和接線方法。

目前七十七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點77①交—直—交變頻調(diào)速系統(tǒng)如圖4-11所示為交—直—交變頻器的主回路，它由整流器（順變器）中間濾波環(huán)節(jié)和逆變器三部分組成。圖中順變器為晶閘管三相橋式電路，其作用是將定壓定頻交流電變換為可調(diào)直流電，目前七十八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點78圖4-11交—直—交變頻器目前七十九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點79

然后經(jīng)電容器或電抗器對整直后的電壓或電流進行濾波，作為逆變器的直流供電電源。逆變器也是晶閘管三相橋式電路，它將直流電變換為可調(diào)頻率的交流電，是變頻器的主要組成部分。目前八十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點80②交—交變頻調(diào)速系統(tǒng)

交—交變頻調(diào)速屬直接變頻，它把頻率和電壓都恒定的工頻交流電，直接變換成電壓和頻率可控的交流電供異步電動機激磁。目前八十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點81

最常用的主電路是給電機每一相都用了正、反組可控整流的可逆變流裝置，并用所需的U1/f1=常數(shù)的正弦波模擬信號去控制正、反組的觸發(fā)，即可得到頻率和電壓都符合變頻要求的近似正弦輸出。

目前八十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點820目前八十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點833）SPWM變頻調(diào)速SPWM變頻調(diào)速是最近發(fā)展起來的，其觸發(fā)電路輸出是一系列頻率可調(diào)的脈沖波，脈沖的幅值恒定而寬度可調(diào)，因而可以根據(jù)U1/f1比值在變頻的同時改變電壓。并可按一定規(guī)律調(diào)制脈沖寬度，如按正弦波規(guī)律調(diào)制，這就是SPWM變頻調(diào)速。目前八十四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點84SPWM變頻的工作原理可用圖4-12和4-13加以說明。若希望變頻輸出為圖4-11a所示的正弦波電壓，則它可以用4-12b所示一系列幅值不變的矩形脈沖來等效。與直流PWM相似，SPWM也分單極和雙極兩種工作方式。目前八十五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點85圖4-12正弦波等效的矩形脈沖波圖4-13單極性SPWM波形

隨著u1的幅值和頻率的變化，調(diào)制的脈沖也會在寬度和頻率上作相應(yīng)的變化，保證了變頻要求的U1/f1=常值。目前八十六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點86圖4-13為單極式SPWM的波形圖。其控制方法是將相同極性的正弦波基準(zhǔn)信號u1與等幅等矩的三角波ut相比較，以其交點為相應(yīng)變流器件換流的開關(guān)點，交點間隔即為被調(diào)制脈沖的寬度。隨著u1的幅值和頻率的變化，調(diào)制的脈沖也會在寬度和頻率上作相應(yīng)的變化，保證了變頻要求的U1/f1=常值。對負半周可通過反向器得到負的脈沖波。目前八十七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點87顯然，必須使u1<ut，才能有正確的開關(guān)點。由于這種脈沖波每半個周期內(nèi)只有一種極性，故稱單極性。目前八十八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點88圖單極性PWM控制方式原理目前八十九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點89圖雙極性PWM控制方式原理目前九十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點90變頻調(diào)速是交流電機調(diào)速的發(fā)展方向。實現(xiàn)變頻調(diào)速的方法很多，可分為交一直—交變頻、交—交變頻、SPWM變頻。其中每一種變頻又有很多變換形式和接線方法。

在系統(tǒng)設(shè)計時，主要是解決變頻器的選用、與控制系統(tǒng)的連接及控制算法的實現(xiàn)等問題。變頻器的作用是將供電電網(wǎng)的工頻交流電變?yōu)檫m合于交流電動機調(diào)速的電壓、頻率可變的交流電目前九十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點91根據(jù)用途和使用效果，變頻器分為以下幾種：（1）通用變頻器：（2）紡織專用變頻器：（3）矢量控制變頻器：（4）機床專用變頻器：（6）電梯專用矢量變換控制變頻器：（5）高頻變頻器：目前九十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點92變頻器選擇電動機的容量及負載特性是變頻器選擇的基本依據(jù)。在選擇變頻器前，首先要分析對象的負載特性并選擇電動機的容量，根據(jù)用途選擇合適的變頻器類型，然后再進一步確定變頻器的容量，目前九十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點93目前九十四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點94三菱A540系列變頻器目前九十五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點95三菱A540系列變頻器接口

變頻器是通過裝置上的接線端子與外部連接的。接線端子分為主回路端子和控制回路端子，主回路端子連接供電電源、交流電動機及外部能耗制動電路，控制回路端子連接變頻控制的控制按鈕開關(guān)或控制電路。在人工控制系統(tǒng)中，只要在控制回路接線端上接上相應(yīng)的機械開關(guān)即可實現(xiàn)變頻調(diào)速。

目前九十六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點96

在自動控制系統(tǒng)中，則有三種方法：

第一種使用繼電器開關(guān)電路，繼電器的開/關(guān)受上位控制器的控制，這種方法適用于簡單的恒速控制，其接口電路的設(shè)計與開關(guān)功率驅(qū)動相同；目前九十七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點97第二種主法是模擬控制方法，上位機模擬通道與控制回路的VRF或IRF端子相連；屬于模擬控制。包括電壓控制和電流控制。目前九十八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點98第三種方法是采用變頻器數(shù)字接口板接口板是變頻器的選件，將它接入變頻器后，變頻器就可以通過數(shù)字接口與上位控制器的并行輸出口直接相聯(lián)，以實現(xiàn)直接數(shù)字控制。目前九十九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點99可見，變頻器不僅可以獨立使用，而且還可以用上位控制器控制，連接方便，操作簡便。具體細節(jié)請參閱相應(yīng)產(chǎn)品的說明書。目前一百頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點100四．交流伺服電動機的選擇

交流伺服電動機及其控制技術(shù)，有逐步替代直流伺服電動機及其控制技術(shù)的趨勢，且交流數(shù)控技術(shù)已達到直流數(shù)控技術(shù)水平。ωTUa增大目前一百零一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點101交流伺服電動機具有沒有換向部件，過載能力強，體積小，重量輕等優(yōu)點，適宜于高速，高精度，頻繁的起動與停止，快速定位等場合，且電動機不需維護，以在惡劣環(huán)境下使用。目前一百零二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點102交流伺服電動機有三相感應(yīng)型和同步型電動機，在伺服系統(tǒng)中常用永磁式變頻調(diào)速同步電機，它具有直流伺服電動機的調(diào)速特性。采用變頻調(diào)速時，可方便地獲得與頻率f成正比的轉(zhuǎn)速n，其中p為極對數(shù)，一般是不變的，還可獲得硬的機械特性和寬的調(diào)速范圍。目前一百零三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點103

圖4-14為FANUC10（或BESK10）交流伺服電動機的工作特性曲線，只有連續(xù)工作區(qū)和斷續(xù)工作區(qū)，后者可用于電動機的加減速控制工況。其特點是連續(xù)工作區(qū)的直線更接近于水平線，有利于伺服控制;而斷續(xù)工作區(qū)的擴大，更有利于在高速區(qū)提高電動機的加減速能力。目前一百零四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點104交流伺服電機的選擇步驟1.交流伺服電機的初選擇（功率、轉(zhuǎn)矩匹配）（1）初選伺服電機（2）發(fā)熱校核2.伺服電機轉(zhuǎn)動慣量的匹配（1）對于轉(zhuǎn)動慣量較小的伺服電機（2）對于轉(zhuǎn)動慣量較大的伺服電機目前一百零五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點105

1.交流伺服電動機的初選擇

（1）初選交流伺服電動機電動機的選擇，首先要考慮電動機能夠提供負載所需要的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。從安全來講，就是能夠提供克服峰值負載所需要的功率。其次，須考慮電動機的熱額定問題，通常用負載的均方根功率作為確定電動機發(fā)熱功率的基礎(chǔ)。最后，進行轉(zhuǎn)矩過載校核，確定電機輸出的最大轉(zhuǎn)矩能否克服負載力矩（折算到電機軸上）

目前一百零六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點106若要求電動機在峰值負載轉(zhuǎn)矩下以峰值轉(zhuǎn)速不斷的驅(qū)動負載，則電動機功率:KW式中—負載峰值力矩（N·m）；nLP

—電動機負載峰值轉(zhuǎn)速（r/s）；η—傳動裝置的效率，初步估算時取η＝0.7～0.9；1.5～2.5—系數(shù)。目前一百零七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點107

電動機長期連續(xù)的工作在變負載之下時，比較合理的是按負載方均根功率來估算電動機功率。kW(4-5)

式中—負載方均根力矩（N·m）；

nLr—負載方均根轉(zhuǎn)速（r/s）。

目前一百零八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點108估算出Pm后就可選取電動機，使其額定功率PN滿足：PN≥Pm

初選電動機后，一系列技術(shù)數(shù)據(jù)，諸如額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、額定電壓、額定電流和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量等，均可由產(chǎn)品目錄直接查得或經(jīng)過計算求得。目前一百零九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點109

（2）發(fā)熱校核

對于連續(xù)工作負載不變的電動機，要求在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，負載轉(zhuǎn)矩在額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)。而對于周期性變負載條件下，需要根據(jù)發(fā)熱校核原則，計算在一個負載周期內(nèi)電動機轉(zhuǎn)矩的均方根值，使該等效轉(zhuǎn)矩小于電機額定轉(zhuǎn)矩選擇電動機應(yīng)滿足(4－11)

式中TN—電動機額定轉(zhuǎn)矩（N·m）；—折算到電動機軸上的負載方均根轉(zhuǎn)矩(N·m)；t—電動機工作循環(huán)時間；

TLa—折算到電動機轉(zhuǎn)子上的等效慣性轉(zhuǎn)矩；

TLF—折算到電動機上的摩擦力矩。式（4-6）就是發(fā)熱校核公式。

電機發(fā)熱等效原則目前一百一十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點110

圖4-15a為一般伺服系統(tǒng)的計算模型。根據(jù)電動機發(fā)熱條件的等效原則，這種三角形轉(zhuǎn)矩波在加減速時的均方根轉(zhuǎn)矩TLr

由下式近似計算

式中tp—個負載工作周期的時間，即tp=t1+t2+t3+t4。圖4-15變轉(zhuǎn)矩—加減速控制計算模型(a)目前一百一十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點111圖4-15b為常用的矩形波負載轉(zhuǎn)矩、加減速計算模型，其TLr由下式計算

目前一百一十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點112以上兩式只有在tp比溫度上升熱時間常數(shù)tth小得多（tp≤),且tth=tg時才能成立，其中，tg為冷卻時的熱時間常數(shù)，通常均能滿足這些條件。

所以選擇伺服電動機的額定轉(zhuǎn)矩TN時，應(yīng)使

TN≥K1K2TLr式中K1—安全系數(shù)，一般取K1＝1.2；K2—轉(zhuǎn)矩波形系數(shù)，矩形轉(zhuǎn)矩波取

K2＝1.05，三角轉(zhuǎn)矩波取K2＝1.67。

目前一百一十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點113例如，在龍門刨床工作臺的自動控制中，伺服電動機驅(qū)動工作臺作往復(fù)運動。如圖4-16。切削速度v>0為電動機正轉(zhuǎn)工作行程；v<0為反轉(zhuǎn)返回行程。工作行程包括起始階段Ⅰ，切削加工階段Ⅱ和制動階段Ⅲ。返回行程也包括三個階段Ⅰ′、Ⅱ′和Ⅲ′，如圖4-16a所示。

目前一百一十四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點114圖4-16龍門刨床加工過程中進給伺服電動機的負載周期TLFTLaTcT合目前一百一十五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點115

（3）轉(zhuǎn)矩過載校核轉(zhuǎn)矩過載校核的公式為而式中（TL）max—折算到電動機軸上的負載力矩的最大值；（Tm）max—電動機輸出轉(zhuǎn)矩的最大值（過載轉(zhuǎn)矩）；（TN）—電動機的額定力矩；

λ—電動機的轉(zhuǎn)矩過載系數(shù)。對直流伺服電動機，一般取λ≤2.0～2.5；對交流伺服電動機，一般取λ≤1.5～3。需指出，電動機的選擇，還取決于系統(tǒng)的動態(tài)性能要求、穩(wěn)態(tài)精度、低速平穩(wěn)性、電源是直流還是交流等因素。目前一百一十六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點116

2．伺服系統(tǒng)慣量匹配原則由于Je/Jm比值的大小對伺服系統(tǒng)性能有很大的影響，且與交流伺服電動機種類及其應(yīng)用場合有關(guān)，通常分為兩種情況：(1)對于采用慣量較小的交流伺服電動機的伺服系統(tǒng)，

小慣量交流伺服電動機的慣量低達Jm≈5×10-5kg·m2，其特點是轉(zhuǎn)矩／慣量比大，時間常數(shù)小，加減速能力強，所以其動態(tài)性能好，響應(yīng)快。因此其比值通常推薦為當(dāng)Je/Jm>3時，對電動機的靈敏度與響應(yīng)時間有很大影響,甚至?xí)顾欧糯笃鞑荒茉谡Ｕ{(diào)節(jié)范圍內(nèi)工作。目前一百一十七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點117

（2）對于采用大慣量交流伺服電動機的伺服系統(tǒng)，其比值通常推薦為0.25≤Je/Jm≤1所謂大慣量是相對小慣量而言，其數(shù)值Jm=0.1～0.6kg·m2。大慣量寬調(diào)速伺服電機的特點是慣量大、轉(zhuǎn)矩大，且能在低速下提供額定轉(zhuǎn)矩，常常不需要傳動裝置而與滾珠絲杠直接相連，而且受慣性負載的影響小，調(diào)速范圍大；熱時間常數(shù)有的長達100min，比小慣量電動機的熱時間常數(shù)2～3min長得多，并允許長時間的過載，即過載能力強。其次，由于其特殊構(gòu)造使其轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)很?。?lt;2%）。因此，采用這種電動機能獲得優(yōu)良的低速范圍的速度剛度和動態(tài)性能，在現(xiàn)代數(shù)控機床中應(yīng)用較廣。目前一百一十八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點118第四節(jié)直線電動機過去，直線運動一般用旋轉(zhuǎn)電機通過曲柄連桿、蝸輪蝸桿、齒輪齒條、凸輪推桿等傳動機構(gòu)來獲得的。導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量重，體積大，嚙合精度差且工作不可靠等缺點。

直線電機是不需要中間轉(zhuǎn)換裝置，而能直接輸出直線運動的電動機械。目前一百一十九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點119目前直線電動機主要應(yīng)用的機型有直線感應(yīng)電動機、直線直流電動機和直線步進電動機三種。

直線電機的分類：直線電動機可以認為是從旋轉(zhuǎn)電機演變而來的目前一百二十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點120圖4-17直線電動機的形成一、直線感應(yīng)電動機直線感應(yīng)電動機可以看作是由普通的旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動機直接演變而來的。分動次級、動初級兩類目前一百二十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點121當(dāng)初級的多相繞組中通入多相電流后，會產(chǎn)生一個氣隙基波磁場，但是這個磁場的磁通密度波Bδ

是直線移動的，故稱為行波磁場。顯然行波的移動速度與旋轉(zhuǎn)磁場在定子內(nèi)圓表面上的線速度是一樣的，即為vs，稱為同步速度，且（cm/s）在行波磁場切割下，次級導(dǎo)條將產(chǎn)生感應(yīng)電勢和電流，導(dǎo)條的電流和氣隙磁場相互作用，便產(chǎn)生切向電磁力。若初級固定不動，那末次級就順著行波磁場運動的方向作直線運動。若次級移動的速度用v，則滑差率：

次級移動速度：

目前一百二十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點122

上式表明直線感應(yīng)電動機的速度與電機極距及電源頻率成正比。與旋轉(zhuǎn)電機一樣，改變直線電機初級繞組的通電相序，可改變電機運動的方向，因而可使直線電機作往復(fù)直線運動。

目前一百二十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點123圖4-19平板型直線電動機圖4-19所示的平板型直線電機為單邊型。單邊型除了產(chǎn)生切向力外，還產(chǎn)生較大的法向力圖4-18中直線電機的初級和次級長度相等，這在實用中是行不通的，因為工作中電磁耦合減小，影響工作。因此，在實際應(yīng)用中必須把初、次級做得長短不等。根據(jù)初、次級間相對長度，可把平板型直線電機分成短初級和短次級兩類，如圖4-19所示。目前一百二十四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點124圖4-20雙邊型直線電動機

德國百格拉公司直線電動機

目前一百二十五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點125圖4-21管型直線感應(yīng)電動機的形成目前一百二十六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點126圖4-22圓盤型直線電動機目前一百二十七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點127

二、直線直流電動機

直線直流電機主要有兩種類型：永磁式和電磁式。前者多用在功率較小的自動記錄儀表中，而后者則用在驅(qū)動功率較大的機構(gòu)。永磁式直線電機結(jié)構(gòu)如圖4-23所示。在線圈的行程范圍內(nèi)，永久磁鐵產(chǎn)生的磁場強度分布很均勻。當(dāng)可動線圈中通入電流后，載有電流的導(dǎo)體在磁場中就會受到電磁力的作用。這個電磁力可由左手定則來確定。改變電流的大小和方向，即可控制線圈的推理和方向

圖4-23永磁式直線直流電動機結(jié)構(gòu)簡單，但是功率小目前一百二十八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點128圖4-24電磁式直線直流電動機當(dāng)功率較大時，直線電機可改為由繞組通入直流電勵磁所產(chǎn)生，成為電磁式直線直流電機。圖4-24表示這種電機的典型結(jié)構(gòu)，其中圖a是單極電機；圖b是兩極電機。此外，還可做成多極電機。目前一百二十九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點129

三、直線步進電動機可實現(xiàn)數(shù)字控制，直線步進電動機在不需要閉環(huán)控制的條件下，能夠提供一定精度、可靠的位置和速度控制，這是直流電動機和感應(yīng)電動機不能做到的。因此，直線步進電動機具有直接驅(qū)動、容易控制、定位精確等優(yōu)點。直線步進電機主要可分為反應(yīng)式和永磁式兩種。目前一百三十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點130

圖4-24表示這種電機的結(jié)構(gòu)和工作原理。其中定子用鐵磁材料制成如圖所示那樣的“定尺”，其上開有間距為t的矩形齒槽，槽中填滿非磁材料(如環(huán)氧樹脂)使整個定子表面非常光滑。動子上裝有兩塊永久磁鋼A和B，每一磁極端部裝有用鐵磁材料制成的Ⅱ形極片，每塊極片有兩個齒(如a和c)，齒距為1.5t，磁鋼B與A相同，但極性相反，它們之間的距離應(yīng)等于（k±1/4）t。這樣，當(dāng)其中一個磁鋼的齒完全與定子齒和槽對齊時，另一磁鋼的齒應(yīng)處在定子的齒和槽的中間。A通正電目前一百三十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點131圖4-25永磁式直線步進電動機工作原理圖A通正電B通正電A通負電B通負電目前一百三十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點132

相反，如果想使動子向左移動，只要把4個階段倒過來。為減小步距，削弱振動和噪音，這種電機可采用細分電路驅(qū)動，使電機實現(xiàn)微步距移動。還可用兩相交流電控制，如果A相繞組中加正弦電流，則在B相繞組中加余弦電流。當(dāng)繞組中電流變化一個周期時，動子就移動一個齒距；如果要改變移動方向，可通過改變繞組中的電流極性來來實現(xiàn)。目前一百三十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點133

如要求動子作平面運動，這時應(yīng)將定子改為一塊平板，其上開有x、y軸方向的齒槽，定子齒排成方格形，槽中注入環(huán)氧樹脂，而動子是由兩臺上述那樣的直線步進電機組合起來制成的，如圖4-26所示。設(shè)計適當(dāng)?shù)某绦蚩刂普Z言，產(chǎn)生一定的脈沖信號，就可使動子在xy平面上作任意軌跡的運動，并定位在平面上任何一點，這就成為平面步進電動機了。。圖4-26永磁平面步進電動機目前一百三十四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點134綜上，與旋轉(zhuǎn)電機傳動相比，直線電機傳動具有下列優(yōu)點：(1)直線電機由于不需要中間傳動機械，直接輸出直線運動，因而使整個機械得到簡化，提高了精度，減少了振動和噪音；(2)快速響應(yīng)：用直線電機驅(qū)動時，不存在中間傳動機構(gòu)的慣量和阻力矩的影響，可實現(xiàn)快速啟動和正反向運行；

(3)儀表用的直線電機，可以省去電刷和換向器等易損零件，提高可靠性，延長使用壽命； (4)直線電機由于散熱面積大，容易冷卻，所以允許較高的電磁負荷，可提高電機的容量定額；

(5)裝配靈活，往往可將電機和其它機件合成一體。目前一百三十五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點135第五節(jié)控制電機選擇計算實例

一、步進電機選擇計算實例

簡易數(shù)控機床的縱向（Z軸）進給系統(tǒng)，通常是采用步進電機驅(qū)動滾珠絲杠，帶動裝有刀架的拖板做往復(fù)直線運動，其工作原理圖如圖4-28，其中工作臺即為拖板。

目前一百三十六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點136步進電機的選擇和計算1.脈沖當(dāng)量的選擇、傳動比設(shè)計及分配2.等效負載轉(zhuǎn)矩的計算，包括摩擦轉(zhuǎn)矩TLF和負載轉(zhuǎn)矩TL（電機軸上）3.等效轉(zhuǎn)動慣量計算JL4.初選電機的型號5.性能驗證，如起動特性、運行特性等目前一百三十七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點137

解：

1．脈沖當(dāng)量的選擇

初選三相步進電機的步距角為0.75°/1.5°，當(dāng)三相六拍（1～2相勵磁）運行時，步距角β=0.75°，其每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)

根據(jù)脈沖當(dāng)量δ的定義：每輸入一個指令脈沖，步進電機驅(qū)動工作臺移動的距離初選δ=0.01mm/P，由此可得中間齒輪傳動i為

選小齒輪齒數(shù)z1=20，z2=25，模數(shù)m=2mm。目前一百三十八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點138

2．等效負載轉(zhuǎn)矩計算（轉(zhuǎn)換到電機軸上）1)空載時的摩擦轉(zhuǎn)矩TLFN·cm

(2)車削加工時的負載轉(zhuǎn)矩TL

N·cm

式中的，為絲杠頂緊時的傳動效率。目前一百三十九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點139

3．等效轉(zhuǎn)動慣量計算(1)滾動絲杠的轉(zhuǎn)動慣量Js

N·cm·s2式中的鋼絲密度kg/cm3(2)拖板運動慣量換算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量JW

N·cm·s2(3)大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量Jg2

N·cm·s2式中b2=10mm為大齒輪寬度。目前一百四十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點140

(4）小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量Jg1

N·cm·s2式中的b1=12mm，為小齒輪寬度。因此，換算到電機軸上的總慣性負載JL為

N·cm·s2目前一百四十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點1414．初選步進電機型號已知N·cm

N·cm·s2，初選步進電機型號為110BF003，它的三條性能曲線見圖4-29。其最大

靜扭矩N·cm，轉(zhuǎn)子慣量N·cm2

該型號電動機規(guī)定最小加、減速時間為1s，現(xiàn)試算之。在圖4-29起動矩—頻特性曲線中，查不確切的、帶慣性負載的最大自起動頻率fL,可用以下公式進行計算：HZ式中fm—電機本身的起動頻率，HZ。目前一百四十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點142圖4-29110BF003型步進電動機的性能曲線帶負載啟動慣-頻特性曲線啟動矩-頻特性曲線運行矩-頻特性曲線目前一百四十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點143

不加工時的起動時間ta，由下式計算：

當(dāng)f=614HZ時，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速r/min

查電機的起動矩—頻特性曲線可知，當(dāng)f=614HZ時,Tm=3.5N.m,由此可得

s<1s因此，該電機在帶慣性負載時能夠起動。目前一百四十四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點144

5．速度的驗算

快進（不加工）速度的驗算從圖4-29的運行矩—頻特性曲線查得，當(dāng)

fmax=6000Hz時，電機轉(zhuǎn)矩Tm=90N.cm>Tf=11.46N.cm，故可按此頻率計算最大的快進速度v2為mm/min>300mm/min

工進速度的驗算當(dāng)TL=241.4N.cm時，對應(yīng)的頻率f1≈2000Hz,故有mm/min>500mm/min

綜上所述，可選該型號的步進電機，且有一定的裕量

目前一百四十五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點145

二、伺服電機選擇計算實例三合板圓筒激光切割機一般包括激光振蕩器及其電源、光學(xué)系統(tǒng)、機床本體和輔助系統(tǒng)等四大部分。

圖4-30筒形體的激光切割機床示意圖θ軸X軸安裝三合板目前一百四十六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點146圖4-31θ軸系和X軸系的伺服傳動系統(tǒng)

θ軸半閉環(huán)X軸半閉環(huán)目前一百四十七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點147

圖4-31為θ軸和X軸系的半閉環(huán)伺服傳動系統(tǒng)。θ軸系由DC伺服電動機通過三級齒輪傳動減速，使工件在180°范圍內(nèi)回轉(zhuǎn)，見圖4-31a，電動機軸上裝有編碼器進行角位移檢測和反饋。X軸系由DC伺服電動機直接驅(qū)動滾珠絲杠、帶動安有整個θ軸系的工作臺往復(fù)運動，見圖4-31b，編碼器通過齒輪傳動增速與電動機軸相連，以獲得所需的脈沖當(dāng)量。YAG固體激光器由高壓電源激勵，產(chǎn)生的激光束經(jīng)導(dǎo)光與聚集系統(tǒng)、由激光頭輸出的光斑照射工作表面進行切割。為了防止三合板燃燒，用轉(zhuǎn)動噴嘴進行吹氣。目前一百四十八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點148主要參數(shù)、性能指標(biāo)它的主要設(shè)計技術(shù)參數(shù)如下：1.θ軸（主軸）的周向加工速度100～300mm/s2.X軸（進給軸）最大速度6000mm/min3.θ軸與X軸的加速時間0.5s4.X向最大移動量2000mm5.θ向最大回轉(zhuǎn)角180°6.θ軸周向和X軸的最小設(shè)定單位±0.01mm/p7.定位精度0.1mm以內(nèi)8.傳感器（旋轉(zhuǎn)編碼器）1000p/r設(shè)計要求：選擇驅(qū)動電機，設(shè)計傳動系統(tǒng)目前一百四十九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點1491．θ軸的伺服傳動系統(tǒng)設(shè)計1）總傳動比及其分配

（1）根據(jù)軸向脈沖當(dāng)量確定總傳動比如圖4-31a所示，已知：工件直徑D上的周向脈沖當(dāng)量δ=0.01mm/P，編碼器的分辨率s=1000p/r，工件基準(zhǔn)直徑D=509.29mm。根據(jù)周向脈沖當(dāng)量的定義，可知總傳動比i為周向脈沖當(dāng)量：編碼器產(chǎn)生一個脈沖輸出對應(yīng)的工件周向位移目前一百五十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點1502）電動機轉(zhuǎn)速計算工件的圓周速度

則工件轉(zhuǎn)速為：

電動機轉(zhuǎn)速

（2）傳動速比的分配各級傳動速比的分配按重量最輕和輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則分配三級傳動如下：

目前一百五十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點1513）等效負載轉(zhuǎn)矩計算回轉(zhuǎn)體的重量（工件、夾具、主軸及大齒輪）

主軸承的摩擦系數(shù)，，

主軸承直徑

主軸承上產(chǎn)生的摩擦負載轉(zhuǎn)矩（1）軸承的摩擦轉(zhuǎn)矩（2）工件的偏心轉(zhuǎn)矩工件的不平衡重力，工件重心偏置距離工件不平衡負載轉(zhuǎn)矩折算到電機軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩目前一百五十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點1524）等效轉(zhuǎn)動慣量Je計算（1）傳動系統(tǒng)換算到電機軸的轉(zhuǎn)動慣量J1目前一百五十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點153（2）工件轉(zhuǎn)動慣量換算到電機軸上轉(zhuǎn)動慣量為根據(jù)工件的尺寸和材料可得其重力將其換算到電動機軸上的轉(zhuǎn)矩為：（3）等效轉(zhuǎn)動慣量5）初選伺服電動機電機連續(xù)工作的變負載，采用方均根轉(zhuǎn)矩目前一百五十四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點154電動機長期連續(xù)在變負載下工作，按方均根負載初選電動機計算電動機功率傳動系統(tǒng)的效率

目前一百五十五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點155目前一百五十六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點156初選IFT5042型交流伺服電動機，額定轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子慣量根據(jù)慣量匹配原則有改選北京凱奇拖動控制系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的中慣量交流伺服電動機SM02型，其功率0.3KW額定轉(zhuǎn)矩為最高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子慣量慣量匹配目前一百五十七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點1576）計算電動機需要的轉(zhuǎn)矩電動機需要的轉(zhuǎn)矩

當(dāng)電機轉(zhuǎn)速為

當(dāng)電機轉(zhuǎn)速為目前一百五十八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點1587）伺服電動機確定均方根轉(zhuǎn)矩中

故有表明電動機的轉(zhuǎn)矩能滿足要求，不必進行發(fā)熱校核。目前一百五十九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點1598）定位精度分析

θ軸伺服系統(tǒng)雖然是半閉環(huán)控制，但除了電動機以外，仍是開環(huán)系統(tǒng)。因此，其定位精度主要取決于軸的齒輪傳動系統(tǒng)，與電動機本身的制造精度關(guān)系不大。根據(jù)輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則，僅要求末級齒輪的傳動精度較高。當(dāng)要求周向定位精度⊿=±0.1mm時，則相當(dāng)于主軸上的轉(zhuǎn)角誤差⊿θ為

⊿θ

由此可選擇末級齒輪的傳動精度。目前一百六十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點160

2．X軸的伺服傳動系統(tǒng)設(shè)計

目前一百六十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點161

2．X軸的伺服傳動系統(tǒng)設(shè)計（直流電機）

（1）根據(jù)脈沖當(dāng)量確定絲杠導(dǎo)程L或中間齒輪傳動比i如圖4-31b所示，已知：線位移脈沖當(dāng)量

δ=0.01mm/p，編碼器的分辨率s=1000p/r，相當(dāng)于該軸上的每個脈沖步距角換算到電動機軸上，電動機直接驅(qū)動絲杠，其中間齒輪傳動比i=1。根據(jù)線位移脈沖當(dāng)量的定義，可知：

(mm)目前一百六十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點162（2）所需的電動機轉(zhuǎn)速計算已知：線速度v2=6000mm/min，所需的電動機轉(zhuǎn)速nm為（r/min）因此，編碼器軸上的轉(zhuǎn)速nr=（r/min）。（3）等效負載轉(zhuǎn)矩計算

已知：移動體（含工件、整個θ軸系和工作臺）的重力W=20000（N），貼塑導(dǎo)軌上的磨擦系數(shù)μ=0.065，移動時的磨擦力F1=μW=1300（N），滾珠絲杠傳動副的效率η=0.9，根據(jù)機械效率公式，換算到電動機軸上所需的轉(zhuǎn)矩T1為(N.cm)

目前一百六十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于八點163

預(yù)緊力轉(zhuǎn)矩由于移動體的重量很大，滾珠絲杠傳動副必須事先預(yù)緊，其預(yù)緊力為最大軸向載荷的1/3倍時，其剛度增2倍，變形量量減小1/2。預(yù)緊力（N），螺母內(nèi)部的磨擦系數(shù)，因此，滾珠絲杠預(yù)緊后的摩擦轉(zhuǎn)矩T2為

(N.cm）

在電動機軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩TL為

(N·cm)=