控制電動機與其選擇計算

1、控制電動機與其選擇計算1第4章 控制電動機及其選擇計算 4.1步進電動機及其控制步進電動機及其控制4.2直流伺服電動機及其控制直流伺服電動機及其控制4.3 交流伺服電動機及其控制交流伺服電動機及其控制4.4 直線電動機直線電動機4.5 控制電動機選擇與計算實控制電動機選擇與計算實例例控制電動機與其選擇計算2 控制用電動機是電氣伺服控制系統(tǒng)的動力部件。它是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，由于它們的工作可在很寬的速度和負載范圍內(nèi)受到連續(xù)而精確的控制，因而在各種機電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應用?？刂齐妱訖C與其選擇計算34-1伺服電動機控制方式的基本形式控制電動機與其選擇計算4圖4-2 執(zhí)行元件

2、的種類交流(AC)伺服電動機直流(DC)伺服電動機步進電機其它電機雙金屬片形狀記憶合金壓電元件其它電磁鐵及其它與材料有關(guān)氣壓馬達氣 缸液壓馬達油 缸電動機電磁式液壓式氣壓式執(zhí)行元件控制電動機與其選擇計算5(1)電磁式執(zhí)行元件能將電能轉(zhuǎn)化成電磁力，并用電磁力驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動，如交流電機、直流電機、力矩電機、步進電機等。(2)液壓式執(zhí)行元件先將電能變化成液體壓力，并用電磁閥控制壓力油的流向，從而使液壓執(zhí)行元件驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動。 (3)氣壓式執(zhí)行元件與液壓式執(zhí)行元件的原理相同，只是介質(zhì)由液體改為氣體。 控制電動機與其選擇計算64.1步進電動機及其控制步進電動機及其控制 一、步進電動機的結(jié)構(gòu)與工作原理

3、步進電動機按其工作原理主要可分為磁電式和反應式兩大類，三相反應式步進電動機的工作原理如圖4-12所示，其中步進電動機的定子上有6個齒，其上分別纏有U、V、W三相繞組，構(gòu)成三對磁極；轉(zhuǎn)子上則均勻分布著4個齒。步進電動機采用直流電源供電。當U、V、W三相繞組輪流通電時，通過電磁力的吸引，步進電動機轉(zhuǎn)子一步一步地旋轉(zhuǎn)。控制電動機與其選擇計算7圖4-12 步進電動機運動原理圖 W相通電V相通電U相通電逆時針旋轉(zhuǎn)30逆時針旋轉(zhuǎn)30逆時針旋轉(zhuǎn)30控制電動機與其選擇計算8步進電動機繞組每次通斷電使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱之為步距角。上述分析中的步進電動機步距角為30。對于一個真實的步進電動機，為了減少每通電一次的轉(zhuǎn)

4、角，在轉(zhuǎn)子和定子上開有很多定分的小齒。其中定子的三相繞組鐵心間有一定角度的齒差，當U相定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒對正時，V相和W相定子上的齒則處于錯開狀態(tài)，如圖4-13所示。真實步進電動機的工作原理與上同，只是步距角是小齒距夾角的1/3?？刂齐妱訖C與其選擇計算9圖4-13 三相反應式步進電動機控制電動機與其選擇計算10二、步進電動機的通電方式如果步進電動機繞組的每一次通斷電操作稱為一拍，每拍中只有一相繞組通電，其余繞組斷電，則這種通電方式稱為單相通電方式。三相步進電動機的單相通電方式稱為三相單三拍通電方式。 如果步進電動機通電循環(huán)的每拍中都有兩相繞組通電，則這種通電方式稱為雙相通電方式。三相步進電動機

5、采用雙相通電方式時，稱為三相雙三拍通電方式。如果步進電動機通電循環(huán)的各拍中交替出現(xiàn)單、雙相通電狀態(tài)，則這種通電方式稱為單雙相輪流通電方式。三相步進電動機采用單雙相輪流通電方式時，每個通電循環(huán)中共有六拍，因而又稱為三相六拍通電方式。 控制電動機與其選擇計算11一般情況下，m相步進電動機可采用單相通電、雙相通電或單雙相輪流通電方式工作，對應的通電方式分別稱為m相單m拍、m相雙m拍或m相2m拍通電方式。由于采用單相通電方式工作時，步進電動機的矩頻特性（輸出轉(zhuǎn)矩與輸入脈沖頻率的關(guān)系）較差，在通電換相過程中，轉(zhuǎn)子狀態(tài)不穩(wěn)定，容易失步，因而實際應用中較少采用。圖4-14是某三相反應式步進電動機在不同通電方

6、式下工作時的矩頻特性曲線。顯然，采用單雙相輪流通電方式可使步進電動機在各種工作頻率下都具有較大的負載能力?？刂齐妱訖C與其選擇計算12圖4-14 不同通電方式時的矩頻特性雙三拍六拍單三拍0500100015000.10.20.3f / HzT / Nm控制電動機與其選擇計算13通電方式不僅影響步進電動機的矩頻特性，對步距角也有影響。一個m相步進電動機，如其轉(zhuǎn)子上有z個小齒，則其步距角可通過下式計算： (4-12)式中，k是通電方式系數(shù)。當采用單相或雙相通電方式時，k1；當采用單雙相輪流通電方式時，k2?？梢?，采用單雙相輪流通電方式還可使步距角減小一半。步進電機的步距角決定了系統(tǒng)的最小位移，步距角

7、越小，位移的控制精度越高。 kmz360控制電動機與其選擇計算14三、 步進電動機的使用特性 （1） 步距誤差。 （2） 最大靜轉(zhuǎn)矩。 （3） 啟動矩頻特性。 當伺服系統(tǒng)要求步進電動機的運行頻率高于最大允許啟動率時，可先按較低的頻率啟動， 然后按一定規(guī)律逐漸加速到運行頻率。圖4-15給出了90BF002型步進電動機的啟動矩頻特性曲線。 由圖可見， 負載轉(zhuǎn)矩越大， 所允許的最大啟動頻率越小。 控制電動機與其選擇計算15圖4-15 啟動矩頻特性3200f / Hz240016008001.9603.92T / Nm控制電動機與其選擇計算16（4）運行矩頻特性。圖4-16是90BF002型步進電動機

8、的運行矩頻特性曲線。 控制電動機與其選擇計算17圖4-16 運行矩頻特性f / Hz20000400060008000T / Nm1.963.92控制電動機與其選擇計算18（5） 最大相電壓和最大相電流。 四、步進電動機的控制與驅(qū)動步進電動機的電樞通斷電次數(shù)和各相通電順序決定了輸出角位移和運動方向，控制脈沖分配頻率可實現(xiàn)步進電動機的速度控制。 因此，步進電機控制系統(tǒng)一般采用開環(huán)控制方式。 圖4-17為開環(huán)步進電動機控制系統(tǒng)框圖， 系統(tǒng)主要由環(huán)形分配器、 功率驅(qū)動器、 步進電動機等組成。 控制電動機與其選擇計算19圖 4-17 開環(huán)步進電動機控制系統(tǒng)框圖環(huán) 形分 配 器功 率驅(qū) 動 器步 進電

9、動 機負 載指 令 脈 沖輸 出控制電動機與其選擇計算20步進電動機在一個脈沖的作用下， 轉(zhuǎn)過一個相應的步距角， 因此只要控制一定的脈沖數(shù)， 即可精確控制步進電動機轉(zhuǎn)過的相應的角度。 但步進電動機的各繞組必須按一定的順序通電才能正確工作， 這種使電動機繞組的通斷電順序按輸入脈沖的控制而循環(huán)變化的過程稱為環(huán)形脈沖分配。 實現(xiàn)環(huán)形分配的方法有兩種。 一種是計算機軟件分配， 采用查表或計算的方法使計算機的三個輸出引腳依次輸出滿足速度和方向要求的環(huán)形分配脈沖信號。 這種方法能充分利用計算機軟件資源，減少硬件成本， 尤其是多相電動機的脈沖分配更能顯示出這種分配方法的優(yōu)點。 但由于軟件運行會占用計算機的運

10、行時間， 因而會使插補運算的總時間增加， 從而影響步進電動機的運行速度。 控制電動機與其選擇計算21另一種是硬件環(huán)形分配， 采用數(shù)字電路搭建或?qū)Ｓ玫沫h(huán)形分配器件將連續(xù)的脈沖信號經(jīng)電路處理后輸出環(huán)形脈沖。 采用數(shù)字電路搭建的環(huán)形分配器通常由分立元件（如觸發(fā)器、 邏輯門等）構(gòu)成， 特點是體積大， 成本高， 可靠性差。 專用的環(huán)形分配器目前市面上有很多種， 如CMOS電路CH250即為三相步進電動機的專用環(huán)形分配器， 它的引腳功能及三相六拍線路圖如圖4-18所示。 控制電動機與其選擇計算22 圖4-18 環(huán)形分配器CH250引腳圖(a) 引腳功能； (b) 三相六拍線路圖UDJ3LJ3rWVUR*R

11、J6rJ6LUsCPEN16151413121110912345678(a)控制電動機與其選擇計算23 圖4-18 環(huán)形分配器CH250引腳圖(a) 引腳功能； (b) 三相六拍線路圖方向CP100 k1 F21791016612 V111213R*RCPJ6LJ6rJ3rJ3LUs14 158WVUENUD(b)控制電動機與其選擇計算242） 功率驅(qū)動 常見的步進電動機驅(qū)動電路有三種： (1） 單電源驅(qū)動電路。這種電路采用單一電源供電，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但電流波形差，效率低，輸出力矩小，主要用于對速度要求不高的小型步進電動機的驅(qū)動。圖4-19所示為步進電動機的一相繞組驅(qū)動電路（每相繞組的電路

12、相同）。 控制電動機與其選擇計算25圖4-19 單電源驅(qū)動電路560 R1uU 6 V3.6 V0.3 V680 R3470 R220 R4 5 VV1V2Ub3b3 E0步 進 電動 機 繞組VDV3R0C1C210 R7390 R5控制電動機與其選擇計算26(2）雙電源驅(qū)動電路。雙電源驅(qū)動電路又稱高、低壓驅(qū)動電路，采用高壓和低壓兩個電源供電，如圖4-20所示。 控制電動機與其選擇計算27圖4-20 高、低壓驅(qū)動電路低 壓 控 制 電 路高 壓 控 制 電 路uU控 制 信號低 壓 輸 入 信 號步 進 電 動 機 繞 組高 壓 輸 入 信 號 Ug(高 壓 )VgVD 1VD 2VdRf1

13、Rf2Ud(低 壓 )控制電動機與其選擇計算28(3）斬波限流驅(qū)動電路。這種電路采用單一高壓電源供電，以加快電流上升速度，并通過對繞組電流的檢測，控制功放管的開和關(guān)，使電流在控制脈沖持續(xù)期間始終保持在規(guī)定值上下，其波形如圖4-21所示。這種電路功率大，功耗小，效率高，目前應用最廣。圖4-22所示為一種斬波限流驅(qū)動電路原理圖?？刂齐妱訖C與其選擇計算29圖4-21 斬波限流驅(qū)動電路波形圖ttOOiu控制電動機與其選擇計算30圖4-22 斬波限流驅(qū)動電路 OTV1U115 V3 kR11 kR2510 R48 R5V20.01FC1VD2TVD3V4VD4VD6U3100 VWV5U25 V1 kR

14、3VD1V38 R63 kR7R951 R81 kUrefR100.27 VD5VD7OP控制電動機與其選擇計算31五、步進電動機的選用 1.轉(zhuǎn)矩和慣量匹配條件 為了使步進電動機具有良好的啟動能力及較快的響應速度，通常推薦TL/Tmax0.5及及JL/Jm4 2.步距角的選擇和精度 步距角的選擇是由脈沖當量等因素來決定的。步進電動機的步距角精度將會影響開環(huán)系統(tǒng)的精度。 控制電動機與其選擇計算324.2直流伺服電動機直流伺服電動機一.直流伺服電動機的分類直流伺服電動機按勵磁方式可分為電磁式和永磁式兩種。電磁式的磁場由激磁繞組產(chǎn)生；永磁式的磁場由永磁體(永久磁鐵)產(chǎn)生。電磁式直流伺服電動機是一種目

15、前巳普遍使用的伺服電動機，特別是在大功率范圍內(nèi)(100w以上)。永磁式直流伺服電動機由于尺寸小、重量輕、效率高、出力大、結(jié)構(gòu)簡單，無需激磁等一系列優(yōu)點而被越來越重視?？刂齐妱訖C與其選擇計算334.2直流伺服電動機直流伺服電動機 二、直流伺服電動機的特點 1、穩(wěn)定性好； 2、可控性好； 3、響應迅速； 4、控制功率低，損耗小； 5、轉(zhuǎn)矩大；控制電動機與其選擇計算344.2直流伺服電動機直流伺服電動機 三.直流伺服電動機的基本結(jié)構(gòu)及工作原理直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)與一般的直流電動機結(jié)構(gòu)相似，也是由定子、轉(zhuǎn)子和電刷等部分組成，直流伺服電動機部件主要由磁極、電樞、電刷及換向片組成,如圖4-3所示。 控制電

16、動機與其選擇計算35圖4-3 直流伺服電動機基本結(jié)構(gòu)磁極電樞導體磁極NSnA電刷換向片B控制電動機與其選擇計算36控制電動機與其選擇計算37四.直流伺服系統(tǒng)由于伺服控制系統(tǒng)的速度和位移都有較高的精度要求，因而直流伺服電動機通常以閉環(huán)或半閉環(huán)控制方式應用于伺服系統(tǒng)中。直流伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制是針對伺服系統(tǒng)的最后輸出結(jié)果進行檢測和修正的伺服控制方法，而半閉環(huán)控制是針對伺服系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)（如電動機的輸出速度或角位移等）進行監(jiān)控和調(diào)節(jié)的控制方法。它們都對系統(tǒng)輸出進行實時檢測和反饋，并根據(jù)偏差對系統(tǒng)實施控制。半閉環(huán)和閉環(huán)控制的位置伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理分別如圖4-10、圖4-11所示。 控制電動機與其選擇計算

17、38圖4-10 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖工 作 臺伺 服驅(qū) 動 器伺 服電 動 機減 速 器轉(zhuǎn) 角 傳 感 器輸 入 指 令速 度傳 感 器控制電動機與其選擇計算39圖4-11 閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖伺服驅(qū)動器伺服電動機減速器位移傳感器輸入指令速度傳感器工作臺控制電動機與其選擇計算40控制電動機與其選擇計算41五.直流伺服電動機與驅(qū)動 直流伺服電機為直流供電，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。目前常用晶體管脈寬調(diào)速驅(qū)動和可控硅直流調(diào)速驅(qū)動兩種方式。 可控硅直流(SCR)驅(qū)動方式，主要通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置控制可控硅的控制角(控制電壓之大小)來移動觸發(fā)脈沖的相位，從而改變整流

18、電壓的大小使直流電機電樞電壓的變化易平滑調(diào)速?？刂齐妱訖C與其選擇計算42圖4-12單相交流可控硅橋式整流電路(a）整流電路；(b）波形圖udOug1, ug4Oug2, ug3O t t tudRidug2ug1V1V2ug3V3ug4V4au2u1(a)(b)Tb控制電動機與其選擇計算43UsRP1R0R0RbUfn-+U+R1IdRP2GUcUd-+UaML圖47 帶 有 轉(zhuǎn) 速 負 反 饋 的 單 閉 環(huán) 直 流 調(diào) 速 系 統(tǒng) 原 理 圖控制電動機與其選擇計算44 而采用脈寬調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，其開關(guān)頻率高(通常達2000一3000Hz)，伺服機構(gòu)能夠響應的頻帶范圍也較寬，與可控硅相比其輸出

19、電流脈動非常小，接近于純直流。 脈沖寬度調(diào)制（PWM）直流調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)原理如下圖，其中u為導通率，又稱占空比或占空系數(shù)。01TaUUdtUUTT控制電動機與其選擇計算45MdIdUSU0Ut2dU1dUT只要改變導通時間就可改變電樞兩端的平均電壓控制電動機與其選擇計算46六.直流伺服系統(tǒng)的組成相敏放大器位置調(diào)節(jié)器速度調(diào)節(jié)器PWM公放器伺服電動機減速器速度檢測位置檢測Lw直流伺服系統(tǒng)的原理框圖直流伺服系統(tǒng)的原理框圖+_控制電動機與其選擇計算47七. 直流伺服電動機的功率接口 直流伺服電動機的驅(qū)動控制一般采用脈沖調(diào)制法（PWM）比較器伺服電動機功率放大器三角波發(fā)生器UTnUlUI+UTUSUPPWM功率放大器開關(guān)功率放大器電壓脈寬變換器圖4-13 PWM功率驅(qū)動接口組成框圖功率驅(qū)動接口組成框圖控制電動機與其選擇計算48Ul0tUTtUI+UTtUS(UP)tUl0tUS(UP)tUS(UP)tUI+UTtUI+UTtUl0tUTtUTtTUTPP圖圖414 PWM脈寬調(diào)制波形脈寬調(diào)制波形（a）（b）(c)控制電動機與其選擇計算49（1）在圖4-14a中，控制信號UI=0，UT與UI相加后，仍然是一個正負幅度相等的三角波，通過比較器之后，輸出正負幅度相同.寬度相同的矩