運動控制合集04直流電機

1、選擇伺服電機和步進電機？步進電機伺服電機力矩范圍中小力矩（一般在20Nm以下）小、中、大，全范圍速度范圍低（一般在2000RPM以下，大力矩電機小于1000RPM高（可達5000RPM）,直流伺服電機更可達12萬轉/分方式主要是位置多樣化智能化的方式，位置/轉速/轉矩方式平滑性(低頻特性）低速時有振動（但用細分型驅動器則可明顯）好，運行平滑精度一般較低，細分型驅動時較高高（具體要看反饋裝置的分辨率）矩頻特性高速時，力矩下降快力矩特性好，特性較硬過載特性過載時會失步可310倍過載（短時）反饋方式大多數(shù)為開環(huán)，也可接編碼器，防止失步閉環(huán)方式，編碼器反饋編碼器類型- - -光電型旋轉編碼器（增量型/

2、絕對值型），旋轉變壓器型響應速度一般（需要200400毫秒）快價格低較高 直流伺服電機 直流伺服電機的電源特點 直流伺服電機的類型永磁式直流伺服電機結構4.3 直流伺服電及其驅動技術4.3.1直流伺服電機工作原理與機械特性（1）定子 : 定子磁場由定子的磁極產生，根據(jù)磁場的產生方式，直流伺服電可分為永磁式和他勵式。永磁式磁極由永磁材料制成；他勵式磁極由沖裁的硅鋼片疊壓而成，外部繞線圈， 通以直流電流便產生恒定磁場。（2）轉子:又叫電樞，由硅鋼片疊壓而成，表面嵌有線圈，通以直流電時，在定子磁場作用下產生帶動負載旋轉的電磁轉矩。（3）電刷與換向片: 為使產生的電磁轉矩保持恒定方向，確保轉子能沿著固

3、定的方向均勻連續(xù)旋轉，電刷與外加直流電源相接，換向片與電樞導體相接。4.3 直流伺服電及其驅動技術4.3.1直流電機工作原理與機械特性直流電機電刷間的反電動勢：E = CeFn直流電機的電磁轉矩表示為：T = Ct FIa電樞回路中的電壓平衡方程式為:= U - EIaRa4.3 直流伺服電及其驅動技術4.3.1直流電機工作原理與機械特性= U - EIaRaE = CeFnT = Ct FIa的機械特性方程式為:直流電方式： 1( U RU - Ia Ra ) =n =-aT1. 電樞2. 磁極（主要）；（少用）。C FC FC C F2eeet4.3 直流伺服電及其驅動技術4.3.1直流電

4、機工作原理與機械特性Ra1U(U - I R ) =n =-TaaC FC FC C F2eeetnn0D nDn 稱為轉速降落Ua一定時，當 M­時n¯，T但由于有轉速反饋回路，轉速 n 的變化不大。4.3 直流伺服電及其驅動技術4.3.1直流電機工作原理與機械特性Ra1U(U - I R ) =n =-TaaC FC FC C F2eeetN0是空載轉速;負載轉矩增加à轉速下降à 反電勢減少à電流增加à電磁轉矩增加à平衡à電機以較低的轉速穩(wěn)定運行Td稱為啟動瞬時轉矩，其值也與電樞電壓成正比。4.3 直流伺服電及

5、其驅動技術4.3.1直流電機工作原理與機械特性直流伺服電的調節(jié)特性也是一組斜率相同的直線簇。每條調節(jié)特性和一種電磁轉矩 相對應，與Ua軸的交點是啟動時的電樞電壓。直流伺服電的調節(jié)特性4.3 直流伺服電及其驅動技術4.3.2直流電機系統(tǒng)的數(shù)學模型電樞電壓平衡方程為：+ eüdiau= R i + Lïaa aaýïþdte = CeFn電樞電流與電樞電壓之間傳遞函數(shù)為:ia (s)1/ RaKa=(ua - e)(s)1 + sLa / Ra1 + Ta s4.3 直流伺服電及其驅動技術4.3.2直流電機系統(tǒng)的數(shù)學模型轉矩平衡方程為：ü

6、J dn = T - TL ï =ýïþdtT = Ct FiaT - TJsLJ轉速慣量(N·m·s·min / r)，它與常用的轉動慣量J 0(N ·m·/ rad) 的關系可從下式推得：dw = J dtd æ 2p nö = æ pö dn = J dnT - T= Jç÷ç÷JL000dt è 60øè 30ø dtdtp30即J =J04.3 直流伺服電及其驅動技術4.3.2

7、 直流電機系統(tǒng)的數(shù)學模型ia1/ RaKa) =(ua - en1 + sLa1 + Ta s/ Ra1=T - TLJs- TLianuTa- eCeF直流電機的精確模型1JsCt F 1/ Ra1+ sLa / Ra4.3 直流伺服電及其驅動技術系統(tǒng)的數(shù)學模型4.3.2直流電機- TLianuTa- eLaT =aRa引入一個機電時間常數(shù):電樞回路電磁時間常數(shù):/(C C F )T= JR2mate- TLinuTaa- e Ra× 1 C C f 2T setmCt F 1 ×1Ra1+ Tas1JsCt F 1/ Ra1+ sLa / Ra4.3 直流伺服電及其驅動

8、技術4.3.2直流電機系統(tǒng)的數(shù)學模型1/ Ce FW(s)轉速與電樞電壓間傳遞關系:=+ T s + 1s 2U (S)T Tmam,既忽略電感:JR /(C C F )若電磁時間常數(shù)很小T =2mate1/ C FW(s)= eTm s + 1Ua (S)可見:直流伺服電機過渡過程的快慢,取決于機電時間常數(shù). 為了加快系統(tǒng)響應速度,可以:1. 減小機械系統(tǒng)等效轉動慣量;2. 給電機供電的電源內阻小,Ra小;3. 加大等效反電動勢系數(shù)直流伺服電機的技術指標ü 額定功率 PN, 額定電壓UN 額定電流 IN電機長期連續(xù)的運行而不過熱.在此功率下ü 額定轉速 nN :ü

9、; 額定轉矩 TN ,ü 最大 轉矩 TM: 電機在短時力;(一般是額定轉矩的510倍)ü 機電時間常數(shù)(通常小于20ms)ü 電磁時間常數(shù)(通常小于5ms)出的最大轉矩,反應其過載能P60PPT= 9.55 N N N2p × nNWnü 轉動慣量JMü 最大電流IM :對應于可能NNN最大輸出轉矩時的電樞電流最大轉矩最高轉速連續(xù)工作區(qū)：電機可在轉矩和轉速的任意組合下長期工作。斷續(xù)工作區(qū)：電機只能作間斷工作，間斷周期要根據(jù)載荷周期曲線求得。區(qū)/瞬時工作區(qū)：電機只瞬時過渡，在e線以外電機不加使用。曲線a為電機溫度限制，在此曲線上，電機

10、達到絕緣所的極限值，(溫度高破壞繞組絕緣性）故只電機在此曲線內長時間連續(xù)運行。曲線b為無火花換相極限，e為瞬時換相極限曲線c為電機最高轉速限制線，隨著轉速上升，電樞電壓升高，整流子片間電。最大轉矩d主要受永磁材料的去磁特壓加大，超過一定值有發(fā)生環(huán)火的性所限制，當電流過大，電樞反應將會使磁極退磁直流伺服電機的技術指標對要求頻繁起動/制動的數(shù)控機床，為避免電機過熱，必須檢查在一個周期內電機轉矩的均方根值，即有效力矩，并使它小于電機連續(xù)額定轉矩。例1：n 滿足有效力矩小于電機連續(xù)額定轉矩往 復 運 動v例2：龍門刨床工作臺系統(tǒng)負載分析與綜合設R為與工作臺齒條相嚙合的齒輪節(jié)圓半徑, i為電機與該齒輪之

11、間傳動鏈的總速比，為總效率。t摩 擦 力 矩MctM慣 性 力 矩jt切 削 力 矩t力 矩M StM1M 2M 3t4M 5t5t1t2t3t6M 4M 6作臺重量（含工件）m=100kg，工作臺移動速度Vl=15m/min，摩擦系數(shù) =0.2，器效率 =80%，進給絲杠長度L=10000mm，直徑D=20mm，導程p=10mm。要求：每次移動量l=100mm，次數(shù)60次/min，時間0.5s以下。試選擇直流伺服電解：vL (m / min)。1）增量運動圖假定速度運行圖如圖， 則需啟動的時間：15vLl /1000ta = td = 0.5 -= 0.1stdt(s)v / 60l2）進給

12、絲杠轉數(shù)1.0vln= 1500r / minLP /10002= 7.24´10-3 N × m2GD3）若已計算出負載折算到電機軸總的轉動慣量:LMvLP ´10-3=× i = 3000r ×min若傳動比i=2，則電機額定轉速： nM= mmgvL / 604）所需穩(wěn)態(tài)運行功率PRh(2pn/ 60)215）所需功率22P =× (GD+ GD) ×MRLMM2tatal = 100mmtc0.5根據(jù)功率要求選擇電機，一般，穩(wěn)定運行功率和 之和的1-2倍。初步選擇電機后，驗算其轉動力矩。功率= mmgvLT M6）所

13、需穩(wěn)態(tài)運行轉矩L2pn hM2 ) 2pnM / 60 + T2M= (GD+ GD7）所需啟動運行轉矩TMS1MLMLta2 ) 2pnM / 60 - T8）所需運行轉矩T= (GD+ GD2MMS 2MLMLtdTMR9）轉矩有效值校核22tM2t+ Tt+ TT=TMR MS1aLcMS 2d Tt(s)l = 100mm0.5www PLcWwww PLcW4.3 直流伺服電及其驅動技術4.3.3直流伺服電機的驅動u 晶閘管（可控硅）調速系統(tǒng)通過對晶閘管觸發(fā)角的來電機電樞電壓，實現(xiàn)調速。u 晶體管脈寬調制（PWM）調速系統(tǒng)通過脈寬調制器將直流電壓波電壓，通過對方波脈沖寬度的，改變電樞

14、的平均電壓，以達到調速的目的。1).直流斬波器的基本結構直流斬波器電得到的平均電壓為：系統(tǒng)原理圖和電壓波形電PL Wld2. 晶體管脈寬調制（PWM）調速系統(tǒng)直流斬波器的基本結構與工作原理2). 斬波器的三種方式PWM: Pulse width modulation幾種典型PWM變換器的基本結構及工作原理1). 無制動作用的不可逆PWM變換器工作狀態(tài)與波形PL Wcom（2）有制動的不可逆PWM變換器一般電動狀態(tài)2路1回路2等效電路（2）有制動的不可逆PWM變換器制動狀態(tài)電壓減小，或電機在位能負載轉矩帶動下工作，會出現(xiàn)Ud<E）（當回路3等效電路制能耗制（2）有制動的不可逆PWM變換器輕

15、載電動狀態(tài)3） 雙極式可逆PWM變換器工作狀態(tài)與波形（2） 雙極式可逆電路電壓方程相關方程：性能評價PWM變換器的數(shù)學模型com（2）晶體管脈寬調制（PWM）調速系統(tǒng)結構1U整流usrÎÎ功放us f電流反饋GM電流調節(jié)器脈寬調制基極驅動速度調節(jié)器振蕩器脈寬調制器同向加法放大器電路圖U U S rR1+12V+-USr 速度指令轉化過來的直流電壓- 三角波R1USCR3R2UUSC-（ U脈寬調制器的輸出S r +U）-12V調制波形圖U U+UU+US rSrt+Uo S root-U S rtU S CUSr為0時USr為正時USr為負時tt調制出脈寬較寬的波形平均電壓

16、為正調制出正負脈寬一樣方波平均電壓為0調制出脈寬較窄的波形平均電壓為負t實驗系統(tǒng)（位置/速度伺服）直流伺服電機閉環(huán)例4.2 其中可控硅整流器傳函用PWM變換器傳函替換，機械系統(tǒng)傳動裝置按數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)模型建立。參考相應準備：第4章例子例5.1， 速度閉環(huán)+位置閉環(huán)例5.4，5.55.6習題：5-6，5-7P134-142直線電機工作原理(1)(2)ABCA(3)N SS NSN SSN(4) 動子； 行波磁場； 永磁體磁極； 定子；設想把旋轉電沿徑向剖開，并將圓周展成直線，就得到了直線電，所以在結構上直線電和旋轉電是相似的，一般由兩部分組成：電樞鐵芯與繞組的定子（初級），若干磁鐵有序排列

17、而成的動子（次級）。高速高精度平面操作人(1)(2)(3)(4) 末端負載；并聯(lián)桿； 直線電機1；直線電機2；直流力矩電機直流力矩電計制造的電機。就是為滿足低轉速大轉矩負載的需要而設l 結構直流力矩電一般做成圓盤狀，電樞長度和直徑之比一般為 0.2左右；永磁多極式； 槽數(shù)、換向片數(shù)和串直流力矩電結構示意圖聯(lián)導體數(shù)多。1-定子；2-電樞鐵心；3-電樞繞組；4-槽楔；5-電刷；6-刷架PL W直流力矩電機為什么做成圓盤狀？F= æF × Ia ö( pN ) 可知由E = pN F n = æö( pN )npN FI和 T =ç 60a ÷ç p2a ÷ae2paa60aèø