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1、第三章执行元件的选择与设计,第一节 执行元件的种类、特点及基本要求 第二节 常用的控制用电动机 第三节 直流(DC)与交流(AC)伺服电动机及驱动 第四节 步进电动机及驱动,机电一体化系统设计,2,作用：执行元件主要用来根据控制信息和指令，将来自电、液压、气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式机械能，并完成要求动作的能量转换装置。它在机电一体化系统中所处的位置参见下图：,第一节 执行元件的种类、特点及基本要求,3,一、执行元件的种类及特点根据使用能量的不同，可以将执行元件分为电气式、液压式和气压式等几种类型。(1)电气(磁)式：是将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构运动的。电
2、动执行装置由于能源容易获得，使用方便，所以得到了广泛的应用。(2)液压式：是先将电能变换为液压能并用电磁阀改变压力油的压力和流向，从而使液压执行元件驱动运行机构运动，包括液压油缸、液压马达等。具有体积小、输出功率大等特点。(3)气压式：与液压式的原理相同，只是将介质由油改为气体，包括气缸和气动马达。特点是重量轻、价格便宜。(4)其它执行元件：与使用材料有关，如使用双金属片、形状记忆合金或压电元件。,4,图3.1 执行元件的分类,表3.1 执行元件的特点以及优缺点,6,二、对执行元件的基本要求,惯量小、动力大表征执行元件惯量的性能指标：直线运动质量 m；回转运动转动惯量 J。表征输出动力的性能指
3、标：推力 F、转矩 T、功率 P。另一种表征动力大小的综合性指标是比功率，它包含了功率 P、加速性能 与转速 三种因素：,比功率还可以理解为功率的时间变化率：,7,2.体积小、重量轻通常用执行元件的单位重量所能达到的输出功率或比功率，即用功率密度或比功率密度来评价这项指标。设执行元件的重量为 G，则功率密度：P/G。比功率密度：(T2/J)/G。3.便于维修、安装执行元件最好不需要维修，如无刷DC及AC伺服电动机。4.宜于微机控制根据这个要求，用微机控制最方便的是电气式执行元件。因此机电一体化系统所用执行元件的主流是电气式。,8,第二节 常用的控制用电动机,控制用电动机有力矩电动机、脉冲（步进
4、）电动机、变频调速电动机、开关磁阻电动机和各种AC/DC电动机等。控制用电动机是电气伺服控制系统的动力部件，是将电能转换为机械能的一种能量转换装置，可在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确的控制。控制用电动的基本控制形式：目标运动不同，电动机及其控制方式也不同。步进电动机的开环方式、其它电动机的半闭环方式和全闭环方式是控制用电动机的基本控制方式。闭环方式比开环方式的伺服控制精度高。,9,伺服电动机控制方式的基本形式,10,伺服 servo（随动）：系统由如此几种设备组成，它们可以连续地监测系统的实际信息（位置、速度、加速度等），把这些信息与理想的给定信号相比较，然后做出适当的必要的调整以使差值
5、为最小。,伺服电动机（servo motor）：在伺服系统中用作执行元件的电动机。要求方便调速。,11,一、机电一体化系统对控制用电机的基本要求性能密度大，即功率密度和比功率大；快速性好，加减速扭矩大，频率特性好；位置控制精度高，调速范围宽，低速运行平稳，分辨率高；适应启、停频繁的工作要求；可靠性高，寿命长。,二、控制用电动机的种类、特点及选用不同的应用场合对控制用电动机的性能密度的要求不同：起停频率低：要求整个调速范围内均可稳定运动的机械，主要要求的性能指标是功率密度；起停频率高：不特别要求低速平稳的产品，主要要求的性能指标是高的比功率。,12,表3.3 伺服电动机的特点及应用实例,13,表
6、3.4 伺服电动机的性能比较,14,表3.5 伺服电动机优缺点比较,15,16,17,第三节 直流（DC）与交流（AC）伺服电动机及驱动,一、直流(DC)伺服电动机及其驱动 1.直流伺服电动机的特性及选用 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。,18,工作原理：直流伺服电动机的结构原理如下图所示，由永磁体定子、线圈转子（电枢）、电刷和换向器组成，磁
7、场中的线圈通入电流时，就会产生电磁力，驱动转子转动。为了得到连续的旋转运动，就必须随着转子的转动角度不断改变电流方向，因此，必须有电刷和换向器。,19,直流伺服电动机的特点：有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性等优点；由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需要定期维修；在位置控制和速度控制时，必须使用角度传感器来实现闭环控制。,20,直流伺服电动机的种类：（1）小惯量直流伺服电动机：60年代研制，其电枢无槽，绕组直接粘接固定在电枢铁心上，因而转动惯量小、反应灵敏、动态特性好，适用于高速且负载惯量较小的场合，否则需根据其具体的惯量比设置精密齿轮副才能与负载惯量匹配，增加了成本。,21,（2）
8、直流印刷电枢电动机：是一种盘形伺服电动机，电枢由导电板的切口成形，裸导体的线圈端部起整流子作用，这种空心式高性能伺服电动机大多用于工业机器人、小型NC机床及线切割机床上。,22,（3）大惯量宽调速直流伺服电动机：70年代研制成功。它在结构上采取了一些措施，尽量提高转矩改善动态特性，既具有一般直流电动机的各项优点，又具有小惯量直流电动机的快速响应性能，易与较大的惯性负载匹配，能较好地满足伺服驱动的要求，因此在数控机床、工业机器人等机电一体化产品中得到了广泛应用。,23,宽调速直流伺服电动机是机电一体化闭环伺服系统中应用较广泛的一种控制用电动机。其主要特点：调速范围宽、低速运行平稳；负载特性硬、过
9、载能力强，在一定的速度范围内可以做到恒力矩输出，反应速度快，动态响应特性好。当然，宽调速直流伺服电动机体积较大，其电刷易磨损，寿命受到一定限制。一般的直流伺服电动机均配有专门的驱动器。,24,伺服电动机与驱动器,25,宽调速直流伺服电动机应根据负载条件来选择。加在电动机轴上的有两种负载，即负载转矩和负载惯量。根据负载，电动机必须满足下列条件：在整个调速范围内，其负载转矩应在电动机连续额定转矩范围以内；工作负载与过载时间应在规定的范围以内；应使加速度与希望的时间常数一致。等效惯性负载与电机的转子惯量相匹配。如果负载惯量达到转子惯量的三倍，灵敏度要受到影响，当负载惯量比转子惯量大三倍时响应时间将降
10、低很多，而当惯量大大超过时，伺服放大器就不能在正常条件范围内调整，必须避免使用这种惯性负载。,26,2.直流伺服电动机与驱动 直流伺服电动机为直流供电，为调节电动机转速和方向,需要对其直流电压的大小和方向进行控制。目前常用晶闸管直流调速驱动和晶体管脉宽调速驱动两种方式。（1）晶闸管（SCR，可控硅）直流驱动方式主要通过调节触发装置控制晶闸管的触发延迟角(控制电压的大小)来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的大小，使直流电动机电枢电压的变化易于平滑调速。,螺栓型,平板型,A-阳极K-阴极G-门极,27,由于晶闸管本身的工作原理和电源的特点，导通后是利用交流(50Hz)过零来关闭的，因此，在低整
11、流电压时其输出是很小的尖峰值的平均值，从而造成电流的不连续性。晶闸管直流调速系统在上世纪6070年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。,28,（2）晶体管脉宽调速（PWM）驱动方式原理：当在电枢绕组输入一个直流控制电压时，通过控制开关周期 T 内的占空比 就可得到一个与之成比例的 平均电压 Ua，来给伺服电动机电枢回路供电。一个周期内的平均电压为：,S,29,只要连续地改变(0T)就可以得到 0U 的连续平均电压，从而达到连续改变电动机转速的目的。实际应用的PWM系统，采用大功率晶体管代替开关K，其开关频率一般为2000Hz。使功率放大器的晶体管工作在开关状态下，开关周期 T（或频率）保持
12、恒定，用调整开关周期内晶体管导通时间的方法来改变输出，以使电机两端获得宽度随时间变化的电压脉冲，从而改变电枢电压的平均值达到调节电机转速的目的。,30,PWM系统的优点：（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；由于功率晶体管比晶闸管具有更优良的特性，而且，目前功率晶体管的功率、耐压等都已有了很大的提高
13、，所以在中小功率直流伺服驱动系统中，晶体管脉宽调制方式（PWM）驱动系统得到了广泛的应用。,31,32,为使电动机实现双向调速，多采用下图所示桥式电路，其工作原理与线性放大桥式电路相似。电桥由四个大功率晶体管VT1VT4组成。如果在VT1和VT3的基极上加以正脉冲的同时，在VT2和VT4的基极上加负脉冲，这时VT1和VT3导通，VT2和VT4截止，电流沿+90VcVT1dMbVT3a0V的路径流通。设此时电动机的转向为正向。反之，如果在晶体管VT1和VT3的基极上加负脉冲，在VT2和VT4的基极上加正脉冲，则VT2和VT4导通，VT1和VT3截止，电流沿+90VcVT2bMdVT4a0V的路径
14、流通，电流的方向与前一情况相反，电动机反向旋转。显然，如果改变加到VT1和VT3、VT2和VT4这两组管子基极上控制脉冲的正负和导通率，就可以改变电动机的转向和转速。,33,一、直流(DC)伺服电动机及其驱动二、交流(AC)伺服电动机及其驱动,由于直流伺服电动机具有优良的调速性能，因此长期以来，在要求调速性能较高的场合，直流电动机调速系统一直占据主导地位。但直流伺服电动机结构上存在机械整流子、电刷维护困难、造价高、寿命短、应用环境受到限制的缺点。近年来交流驱动技术有了飞速的发展，它具有坚固耐用、经济可靠及动态响应好等优点。因此，交流伺服系统已在很大程度上取代了直流伺服系统。,34,（1）常用交
15、流伺服电动机永磁同步型（SM）、电磁感应型（IM）伺服电动机。在小功率伺服系统中，一般使用永磁式同步电动机，因为它有优良的动态性能，过载能力大等优点。感应型交流伺服电动机结构简单，质量轻，价格低，可用做主轴电机。（2）基本工作原理检测交流伺服电动机（SM型/IM型）气隙磁场的大小和方向，用电力电子变换器代替整流子和电刷，通过控制与气隙磁场方向相同的磁化电流和与气隙磁场方向相垂直的有效电流的方法，最终控制交流伺服电动机主磁通量大小和转矩，实现对电机的有效控制。,35,采用永久磁铁磁场的同步电动机不需要磁化电流控制，只要检测磁铁转子的位置即可。这种交流伺服电动机也叫做无刷直流伺服电动机（如SM型伺
16、服电动机）。由于它不需要磁化电流控制，故比IM型伺服电动机容易控制。,36,3.3 步进电动机与驱动 3.3.1 步进电动机的特点、种类、工作原理,（1）步进电动机的特点 控制精度由步距角决定（=360/zKN）。抗干扰能力强，在电机电特性工作范围内，不产生丢步或无法工作等现象。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360时，转角累计误差将归零。控制性能好，不易产生“丢步”现象（频繁启动、停止、变换）。易于与计算机实现对接。,37,（2）步进电动机的种类,种类 按转子构成分类：可变磁阻型（VR）步进电机 转子为导磁体，也称反应式步进电机。永磁型（PM）步进电机 转子为永磁铁。混
17、合型（HB-Hybrid）步进电机 转子为导磁体和永磁铁的组合。按定子绕组对数分类：分为2相、3相、4相、5相、10相等步进电机。按定子绕组通电极性分类：分为单极性和双极性（每个绕组都可以两个方向通电）步进电机。,38,（3）步进电动机的工作原理,当第一个脉冲通入A相时，磁通企图沿着磁阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的1、3齿要和A级对齐。当下一个脉冲通入B相时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭合，即2、4齿要和B级对齐，则转子就按逆时针方向转动一定的角度：,39,步距角：步进电机每改变一次通电状态（一拍）转子所转 过的角度称为步距角。,步距角的计算公式：,式中：N 为步进电机的相数；K
18、 为通电状态系数，相邻两次通电的相数相同 K=1，不同时 K=2；z 为步进电机转子的齿数。,步进电机的控制方式分三种：(1)三相单三拍工作方式，A-B-C-A，K=1；(2)三相六拍工作方式，A-AB-B-BC-C-CA-A，K=2；(3)三相双三拍工作方式，AB-BC-CA-AB，K=1。,40,3.3.2 步进电动机的运行特性与性能指标,（1）分辨力主要指步距角=360/zKN。如：0.6/1.2、0.75/1.5、0.9/1.8、。（2）静态特性 主要指步进电机在稳态工作条件下的特性，包括：静转矩、矩角特性、静态稳定区等。失调角和静态转矩：电动机转子上的电磁转矩（Tj）与负载转矩（TL
19、）相等时，转子齿的中心线和定子齿的中心线将错过一个电角度（e=p j，p-极对数，j-机械角），才能稳定下来。这个转矩为静态转矩（Tj），这个角度为失调角（e）。,41,图3.15 失调角示意图,42,矩角特性：静态特性（电磁转矩Tj）和失调角（e）之间的关系大致为一条正弦曲线，该曲线称之为矩角特性曲线。,图3.16 矩角特性曲线,最大静转矩Tjmax：失调角=90时的电磁转矩。静态转矩越大，自锁力矩越大，静态误差越小。静态稳定区：失调角在-到+的区域。,43,（3）动态特性,动态特性参数：主要指动态稳定区、起动转矩、矩频特性、惯频特性等。动态稳定区：指步进电机从一个稳定状态切换到另一稳定状态
20、而不失步的区域。,图3.17 矩角特性曲线族 a）,A,B,C,O,M,44,稳定裕量角：稳定区的边界点M 到初始稳定平衡点O 的角度r。,图3.17 矩角特性曲线族 a）,A,B,C,O,M,45,A,AB,C,O,M,步进电机工作的拍数越多，稳定裕量角越大，动态稳定工作区越接近静态稳定工作区，步进电机越不容易丢步，运行越稳定。,图3.17 矩角特性曲线族 b）,46,起动转矩Tq：两相（A、B）矩角特性之交点Tq表示步进电机单相励磁时所能带动的极限负载转矩，与步进电机的相数和通电方式有关。,图3.17 矩角特性曲线族 a）,47,A,AB,C,O,M,三相六拍通电方式的起动转矩比三相单三拍
21、的起动转矩大。,图3.17 矩角特性曲线族 b）,48,最高连续运转频率 fmax 及矩频特性：步进电机连续运转时所能接受的最高控制频率 fmax，称最高连续运转频率；步进电机连续运转转矩随频率的增加而降低，称矩频特性。,步进电机的运行矩频特性,49,空载起动频率 fq 及惯频特性：空载状态下，转子从静止状态能够不失步起动时的最高控制频率 fq，称空载起动频率。带载起动时，所允许的起动频率会降低。步进电机带动惯性负载时的起动频率与负载转动惯量之间的关系称为惯频特性。,步进电机的起动惯频特性,50,3.3.3 步进电机的驱动与控制,步进电机的驱动电路：主要由脉冲分配器和功率放大器两部份组成。步进
22、电机驱动电路的组成 变频控制信号：主要有脉冲频率信号和方向控制信号。,51,（1）环形脉冲分配器,由于步进电机的工作原理是各绕组必须按一定的顺序通电变化才能正常工作（A B C A B；A AB B BC C CA A AB B），完成这种通电顺序变化规律的部件称为环形脉冲分配器。实现脉冲环形分配的方法主要有三种：软件分频、IC集成电路分频、专用环形分频器。,52,软件分频利用查表或计算方法来进行脉冲的环形分配。,53,软件分频特点：可充分利用计算机资源降低硬件成本，可适用多相脉冲分配，但将占用计算机运行时间，影响步进电机的运行速度。IC集成电路分频采用小规模集成电路（触发器）搭接而成脉冲分配
23、器。（课本图3.19）IC集成电路分频特点：灵活性强，可搭接成任意通电顺序的环形分配器，不占用计算机的工作时间。但柔性较差，硬件一旦完成就不易修改。,54,图3.20 CH250 三相六拍工作状态的接线图,专用环形分频器使用方便，接口简单，专业化生产质量可靠，成本低等。如：CH250，通过其控制端的不同接法可以组成三相双三拍和三相六拍不同的工作方式。,CP或者EN脉冲输入端；A、B、C相输出端；J6R、J6L转向控制；,CH250,55,EN=1，进给脉冲接CP，脉冲上升沿使环形分配器工作。正转：J6R=1；J6L=0 反转：J6R=0；J6L=1,CP,CH250 三相六拍工作状态,56,（
24、2）功率放大器,功率放大器是实现控制信号与步进电机匹配的重要组件。常见的步进电机功率放大器的组成与特点如下：单电压功率放大电路（图3.21）,57,特点：电路结构简单，但串联R消耗能量降低放大功率；电感较大使电路对脉冲反应较慢,输出波形差。主要用于转速要求不高的小型步进电机控制。,58,高低压功率放大电路,特点：高压供电是用来加速电流增长速度，而低压是用来维持稳定的电流值。具有功效高、电流上升率高，电机的扭矩和频率高，高速运转性能好。但波形陡有时存在过冲现象，谐波丰富，在低速运转时易产生振动。,59,（3）细分驱动电路,采用细分驱动电路的目的：整步运转或半步运转基础上，不改变步进电机结构，提高
25、步进电机的运转、控制精度。细分驱动电路的基本工作原理：对每一控制脉冲，细分使其电流逐步增加达到脉冲的最大电流（Imax），又逐步减少达到脉冲的最小电流（0），从而可实现高精度运转、控制、分辨，以及提高步进精度。,60,常用的步进电机细分驱动电路,工作原理：由基极开关电压U1U5控制多路功率开关管VTd1VTd5的通断，从而控制功放管VT的导通电流大小，即步进电机线圈绕组电流的大小，实现对步进电机步进量的细分。,多路功率开关细分电路,61,特点：功率开关管工作在开关状态，功耗很低，但器件多、体积大。,多路功率开关细分电路,62,阶梯波控制信号的产生与放大方法,分先放大后叠加；先叠加后放大两种方法。,63,（4）步进电机的微机控制,主要分为：串行控制和并行控制两种方法 串行控制方式 并行控制方式,
