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1、第三章,机电一体化系统执行元件的选择与设计,3.1 执行元件3.2 机电一体化系统（产品）常用的控制用电机3.3 步进电动机及其驱动3.4 直流（DC）伺服电动机及其驱动3.5 交流（AC）伺服电动机及其驱动,目录,3.1 执行元件,一、执行元件的种类及其特点,执行元件的优缺点,二、机电一体化系统对执行元件的基本要求,2、体积小，重量轻,4、易于微机控制,3、便于维修、安装,1、惯量小、动力大,机电一体化系统所用的执行元件主要是电气式，其次是液压式和气压式。,3.2 机电一体化系统常用的控制用电机,机电一体化系统中的控制用电机：,是指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电动机。,各种类型控制用电机
2、,伺服电机在数控机床上的应用,伺服电动机控制方式有：,开环控制方式闭环控制方式半闭环控制方式,开环控制,半闭环控制,闭环控制,一、机电一体化系统对控制用电机的基本要求,即功率密度和比功率大,1、性能密度大,在额定输出功率相同的条件下：,对于起停频率低，但要求低速平稳的产品，其功率密度是主要的性能指标；反之，其主要性能指标是高比功率。,2、快速性好,3、位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳无爬行现象、分辨率高、振动噪声小；,4、适应启、停频繁的工作要求；,5、可靠性高、寿命长,二、控制用电机的种类,力矩电动机脉冲电动机变频调速电动机开关磁阻电动机各种AC/DC伺服电动机,控制用电机按工作原理
3、可分为,3.3 步进电机及其驱动,一、步进电机的特点与种类,1、特点 1）步进电机的工作状态不易受各种干扰因素的影响；2）步进电机的步距角有误差，但不会长期累积；3）控制系统简单,2、步进电机的种类,（1）按运动方式分 旋转式步进电机 直线式步进电机,（2）按励磁相数分,三相步进电机 四相步进电机 五相步进电机 六相步进电机,（3）按转子的结构分,可变磁阻（VR）型 永磁（PM）型 混合（HB）型,可变磁阻型（VR）,又称为反应式步进电动机；,三相反应式步进电动机断面图,特点：,步矩角小响应速度快结构简单效率低噪声大,永磁（PM）型,转子采用永久磁铁,特点：,无励磁时具有保持力，可作定位驱动；
4、励磁功率小、效率高、造价便宜；步距角较大；,混合（HB）型,特点：,步距角小响应频率高励磁功率小效率高,二、步进电机工作原理,下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。,由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转矩，使转子转动。,现以AB C A的通电顺序，使三相绕组轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。,1、三相单三拍,“三相”指三相步进电机；“单”指每次只能一相绕组通电；“三拍”指通电三次完成一个通电循环。,A相绕组通电，B、C相不通电。气隙产生以A-A为轴线的磁场，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电动机转子受到一个反应转矩，在
5、此转矩的作用下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与A、A极对齐。,同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4齿和B、B 磁极轴线对齐；当C相通电时，转子再转过30角，1、3齿和C、C磁极轴线对齐。,按AB C A 的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30(步距角)，每个通电循环周期(3拍)磁场在空间旋转了360而转子转过90(一个齿距角)。,2、三相六拍,按AAB B BC C CA的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。,A相通电：转子1、3齿与A、A 对齐。,A、B相同时通电：A、A 磁极拉住1、3齿，B、B 磁极拉住2、4齿，转子转过15，到
6、达左图所示位置。,B 相通电：转子2、4齿与B、B 对齐,又转过15。,B、C相同时通电：C、C 磁极拉住1、3齿，B、B 磁极拉住2、4齿，转子再转过15。,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：AAB B BC C CA，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角），一个通电循环周期(6拍)转子转过90(齿距角)。,3、三相双三拍,按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。,与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍。每拍转子转过30(步距角)，一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)。,实际采
7、用的步进电机的步距角多为3度和1.5度，步距角越小，机加工的精度越高。,为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子40个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁极上也有五个齿。,步距角计算公式：,通电拍数相同时k=1；不同时k=2,磁极数越多，转子齿数越多，步距角就越小。,五相轴向分相反应式步进电机。,电机的转速取决于绕组与电源接通或断开的变化频率；,慢,快,电机的转动方向取决于绕组通电的顺序；,A-C-B-A,A-B-C-A,电机转过的角度取决于通电的次数。,三、步进电机的运行特性及性能指标,步距角越小，分辨率越高,系统的定位精度越高；,1、分辨率,2、静态特性,稳定状态时的特性,1）矩角特性2
8、）静转矩3）静态稳定区,单相通电时的矩角特性,单相通电时的电磁转矩与失调角之间的关系称为单相通电时的矩角特性。,单相通电时的矩角特性,静态转矩越大，静态误差就越小,提高最大静态转矩可采用多相通电方法,3、动态特性,系统的动态特性包括：,动态稳定区 起动转矩 矩-频特性 最高连续运行频率 空载起动频率 惯-频特性等,1）动态稳定区,步进电动机从A相通电状态切换到B相通电状态时，不致引起丢步的区域称为动态稳定区。,步进电动机在通电相数越多的运行方式下，其动态稳定区越接近静态稳定区；裕量角r也越大，在运行中越不易丢步。,2）启动转矩Tq,A相与B矩角特性曲线之交点所对应的转矩Tq称为起动转矩；,当负
9、载转矩TLTq时：,电机产生的电磁转矩T负载力矩TL,电机可正常起步。,电机产生的电磁转矩T负载力矩TL,电机无法启动。,当负载转矩TLTq时：,Tq表明步进电机单相励磁所能带动的极限负载转矩,当电机所带负载TLTq时，电机可不失步的启动。,3）矩-频特性,转矩与控制频率之间的变化关系称为矩-频特性。,电动机在连续运行状态下：,4）最高连续运行频率,步进电机在连续运行时所能接受的最高控制频率称为最高运行频率，以fmax表示；,5）空载启动频率,在空载状态下，转子从静止状态能够不失步地启动时的最大控制频率称为空载启动频率或突跳频率（fq）。,当启动频率较低时：,电机可不失步的运行,启动频率太高,
10、4点落在C相稳定区外，电机将不能正常启动。,6）惯-频特性,步进电机带动惯性负载时的起跳频率与负载转动惯量之间的关系为惯-频特性。,一般讲，随着负载转动惯量的增加，起跳频率也会降低。,4、步进电动机技术指标实例,反应式步进电机技术性能数据,四、步进电机的驱动与控制,1、组成,2、变频信号源,将计算机发出的从几赫兹到几万赫兹的频率信号转变为连续可调的脉冲信号。,3、环形脉冲分配器,作用：使电机绕组的通电顺序按一定规律变化,实现的方法有：,1）采用计算机软件利用查表程序来实现2）采用小规模集成电路搭接而成的脉冲分配器3）采用专用环形分配器器件,采用计算机软件利用查表程序来实现,通过读取数据的顺序可
11、控制电动机的转向；通过控制脉冲的频率可控制电动机的转速。,软件环分驱动控制,对于三相六拍环形分配器，每当接收到一个进给脉冲指令，环形分配器软件根据下表所示真值表，按顺序及方向控制输出接口将A、B、C的值输出即可。,优点：,充分利用计算机软件资源，降低硬件成本；对多相电机的脉冲分配具有更大的优点；缺点：易影响电机的运行速度,采用小规模集成电路搭接而成的脉冲分配器,优点：,灵活性大，可搭接任意相任意通电顺序的环形分配器，且工作时不占用计算机的工作时间.缺点：可靠性差,采用专用环形分配器器件,特点：使用方便，接口简单,三相硬件环形分配器的驱动控制,2、功率放大器,作用：将从环行分配器输出的毫安级的电
12、流放大到可以驱动步进电动机运转的电流。,步进电动机使用的功率放大电路包括：,单电压型,特点：,结构简单;输出脉冲波形差，输出功率低；主要用于对速度要求不高的小型步进电机。,高低压功率放大电路,波形图,高压建流，低压稳流,特点：,高速运行性能好，但低速运行时振动较大;,恒流源功率放大器,特点：,适用于较高频率的驱动上，功耗小，效率高，但发热大。,斩波恒流功率放大电路,特点：,电机的输出加大，运行频率得到提高。,5）调频调压功放电路,特点：,低频时低压供电，高频时高压供电；要求给绕组供电的电源有较高的电压。,5、细分驱动,步矩角越小，系统的精度越高步矩角由电机的结构所确定,细分,将一个步距角细分成
13、若干步的驱动方式称为细分驱动。,采用的方法：,将绕组中的矩形电流波改成阶梯电流波。,细分前后的一步角位移波形图,特点：,在不改变电动机结构参数的情况下，能使步距角减少；细分后的步距角精度不高，功率驱动电路也相应复杂；,细分的方法有：,采用多路功率开关器件；将开关的控制脉冲信号进行叠加,控制方式（脉冲分配的方式）速度的控制,6、步进电机的微机控制,（1）控制方式,串行控制并行控制,串行控制,特点：,1）单片机系统与步进电机驱动电源之间具有较少的连线,2）驱动电源中必须含有环行分配器,并行控制：,用微机系统的数个端口直接控制步进电动机各相驱动电路的方法称为并行控制；,特点：,1）结构简单，速度较慢
14、；,2）环形分配功能由软件完成，且其并行控制功能必须由微机系统完成。,系统实现脉冲分配功能的方法有两种：,1）纯软件方法 即完全用软件来实现相序的分配，直接输出各相导通或截止的信号。,2）软、硬件结合的方法,通过专门设计的一种编程器接口，计算机向接口输入简单形式的代码数据，而接口输出的是步进电动机各相导通或截止的信号。,（2）步进电机速度控制,控制步进电机的运行速度，实际上就是控制系统发出时钟脉冲的频率或换相的周期。,进给脉冲频率f定子绕组通电/断电状态变化频率f 步进电机转速 工作台的进给速度V。V=60f,系统确定时钟脉冲的周期的方法：,软件延时法占用CPU时间定时器法是通过设置定时时间常
15、数的方法来实现。,软件延时法和定时器法,点-位控制的加减速过程,要求升速、减速过程最短,恒速时间尽量长，且恒速度最大,升速时使脉冲串逐渐加密；减速时使脉冲串逐渐稀疏。,方法：,微机用定时器中断方式来控制电机变速时，实际上就是不断改变定时器装载值的大小。,7、步进电机的选用步骤,步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。,（1）确定电机类型。,（2）根据系统精度的要求粗选步距角。,（3）减速比的确定。,步距角()L丝杠导程(mm)脉冲当量(mm/脉冲),（4）计算出整个系统加载到电机轴的力矩Tq,1）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电
16、机轴上的惯量Jt。2）计算电机负载转矩 电动机的负载转矩在各种工作情况下是不同的，如快速空载起动时所需转矩、快速进给时所需的转矩、最大切削负载时所需力矩等。对于数控机床常用快速空载起动力矩作为选择步进电动机的依据。,注意：,启动转矩是步进电机能带动负载的极限转矩。,（5）根据电机的通电情况计算出电机的最大静态转矩Tjmax；,（6）根据和Tjmax和选定电机型号；,（7）检验,1）响应特性的检验,2）根据电机的矩频特性曲线验算电机在最大工作频率下的转动力矩是否能带动负载运行。,步进电动机矩频特性曲线,若步进电动机以频率f 运行，它所拖动的负载转矩必须小于Tdm，否则会导致失步。,假设要求进给驱
17、动装置有如下性能：在切削进给时的转矩为Tc，最大切削进给速度为vc，在快速进给时的转矩为Tm，最大快速进给速度为vm，,将进给速度转换为电动机的工作频率,式中：v-进给速度（m/min)-脉冲当量（mm)f-步进电动机工作频率,根据vc和vm求出切削进给时的最大工作频率fc和快速进给时的最大工作频率fm;,根据fc和fm在矩频特性曲线上找到与其对应的失步转矩Tdmc和Tdmm；,若有Tc Tdmc和Tm Tdmm,就表示电动机是能满足要求的，否则就是不能满足要求的。,（8）最后根据系统的安装条件最终确定电机型号。,3.4 直流（DC）伺服电机及其驱动,伺服电动机的作用是驱动控制对象。被控对象的
18、转距和转速受信号电压控制，信号电压的大小和极性改变时，电动机的转动速度和方向也跟着变化。,一、直流伺服电动机的特性及选用,1、特性 直流伺服电动机具有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性，但寿命较低，需定期维修。,2、直流伺服电机的类型,（1）小惯量直流伺服电机,（2）大惯量直流伺服电机,小惯量直流伺服电机,特点：转动惯量小，反应灵敏，动态特性好 适用于高速且负载惯量小的场合,宽调速直流伺服直流电机,结构特点：转子扁而粗，其长径比仅为0.2,特点：,调速范围宽，低速运行平稳;负载特性硬，过载能力强;反应速度快，动态特性好；体积大，寿命有一定限制。,3、直流（交流）伺服电动机的选用,直流伺
19、服电动机工作曲线,b和e为转矩与转速乘积等于某一定值时得到的。,宽调速直流伺服电机应根据负载条件来选择,1）在整个调速范围内，其负载转矩应在电机连续额定转矩范围内；,2）工作负载与过载时间应在规定的范围内；,3）应使加速度与希望的时间常数一致,4）负载惯量必须不大与电动机转子惯量的三倍,二、直流伺服电机的驱动,1、控制原理,电动机的转速为：,直流伺服电机的机械特性曲线,由机械特性可知：(1)一定负载转矩下，当磁通不变时，Ua n。(2)Ua=0时，电机立即停转。(3)改变电枢电压的极性，电动机反转。,调速方法：,改变电枢电压 改变励磁电流,励磁电流调速方法：,电流太小，输出转矩小，无法带动负载
20、；电流太大，导致磁通量过饱和，电机发热，输出功率下降这种调速方法调速范围窄，调速特性软。,电枢电压调速法,具有恒转矩的调速特性，机械特性好，调速范围宽，因此这种调速方法得到广泛的应用。,2、常用的电枢电压调速方法,晶体管脉宽调理驱动 晶闸管直流调速驱动控制,（1）晶闸管直流调速驱动控制,三相桥式反并联整流电路,调节晶闸管的触发延迟角来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的大小。,缺点,调速范围小，只有1:81:10低速时机械特性软。,（2）脉宽调制（PWM）直流调速驱动系统,1）工作原理,脉冲宽度越大，电枢电压越大,一个周期内电压的平均值为：,式中：-导通率，又称占空系数,当T不变时：,2）P
21、WM主回路,3）PWM调速的特点,开关频率高（通常达到23KHz）调速范围宽；电枢电流脉动小；电流波形系数只有1.0011.03，输出电流接近纯直流;动态特性好。,缺点：,不能承受高的峰值电流；大功率晶体管性能不够稳定，且价钱较贵。,两种控制方式的比较,三、应用,直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。通常应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控制等。直流伺服电机输出功率一般为1-600W。,3.5 交流（AC）伺服电机及其驱动,一、交流伺服电动机的种类和结构特点1、分类1）同步型（SM）（无刷直流伺服电动机）2）感应型（IM）（笼型感应电动机）,空心杯形转子伺服电动机结构,特点：,二、交流伺
22、服电动机的控制方法,交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差90的两个绕组：励磁绕组和控制绕组，其结构如图所示。,励磁绕组串联电容C,是为了产生两相旋转磁场。,适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近90,从而产生所需的旋转磁场。,励磁绕组固定接在电源上，当控制电压为零时，电机无起动转矩，转子不转。,若有控制电压加在控制绕组上，且励磁电流 和控制绕组电流 不同相时，因此便产生两相旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。,应用：,交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广泛，如用在自动控制、温度自动记录等系统中。,二、交流伺服电动机的控制方法,1、SM伺服电动机又称为无刷直流伺服电动机 只要检测磁铁转子的位置即可获得对电机的控制。,同步型(SM)-永磁同步电机,P-定子的极对数f-定子旋转磁场的转速。,2、IM型伺服电动机,采用矢量控制方式对电机进行控制。,感应型(IM),P-定子的极对数f-定子旋转磁场的转速S-转差率,n1-定子磁场的转速,感应式交流伺服电动机结构简图,
