機(jī)電一體化第四章2

第四章

控制電動(dòng)機(jī)及其選擇計(jì)算

伺服系統(tǒng)(servosystem)又稱(chēng)隨動(dòng)系統(tǒng)或自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)、自動(dòng)校正系統(tǒng)，是指以機(jī)械參數(shù)(位移、速度、力和力矩等)作為被控量的一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，能自動(dòng)、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(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)1伺服系統(tǒng)分類(lèi)按其控制原理分：開(kāi)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(dòng)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(jìn)伺服、直流伺服、交流伺服等形式。

開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)大多采用步進(jìn)電機(jī)、閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)大多采用直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。目前二頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)2

對(duì)不同的機(jī)電一體化設(shè)備，伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部件時(shí)所需功率的差異很大。在確定驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，一般從輸出功率與響應(yīng)頻率兩個(gè)方面綜合選擇。

液壓驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)輸出功率大、響應(yīng)頻率高；

氣壓驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)響應(yīng)頻率低但輸出功率大；

伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服系統(tǒng)，對(duì)不同的伺服電機(jī)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(diǎn)。在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，常采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服系統(tǒng)。目前三頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)3本章主要內(nèi)容第一節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制第二節(jié)直流伺服電動(dòng)機(jī)及其控制第三節(jié)交流伺服電動(dòng)機(jī)及其控制第四節(jié)直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)第五節(jié)控制電動(dòng)機(jī)選擇與計(jì)算實(shí)例目前四頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)4

引言

控制電機(jī)（伺服電機(jī)）是電氣伺服控制系統(tǒng)的動(dòng)力部件，是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)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(jìn)行連續(xù)、精確的控制，因而在機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用?？刂齐姍C(jī)有回轉(zhuǎn)和直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)電壓、電流、頻率（指令脈沖）等控制，實(shí)現(xiàn)定速、變速驅(qū)動(dòng)或反復(fù)起動(dòng)、停止的增量驅(qū)動(dòng)及其它復(fù)雜驅(qū)動(dòng)。目前五頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)5圖4-1伺服電動(dòng)機(jī)控制方式的基本形式目前六頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)6如圖4-1示的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)無(wú)檢測(cè)裝置，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)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(gè)數(shù)決定，由于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)無(wú)檢測(cè)裝置，誤差無(wú)法測(cè)出和補(bǔ)償，故開(kāi)環(huán)系統(tǒng)精度不高。

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

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

比功率：

TN為額定轉(zhuǎn)矩。目前八頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)8伺服電機(jī)相關(guān)基本概念對(duì)于起停較少的場(chǎng)合，如用于數(shù)控機(jī)械的進(jìn)給、機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，往往要求低速平穩(wěn)、高速振動(dòng)小、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，并且調(diào)速全范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。這種場(chǎng)合下功率密度是主要指標(biāo)。對(duì)于起停較多的場(chǎng)合，如用于高速打印機(jī)、繪圖儀、集成電路焊接的電動(dòng)機(jī)，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(wú)刷電動(dòng)機(jī)>步進(jìn)電機(jī)>直流伺服電動(dòng)機(jī)>交流伺服電動(dòng)機(jī)。目前九頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)9目前十頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)10第一節(jié)步進(jìn)電機(jī)及其控制一、步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。每接受一個(gè)電脈沖，在驅(qū)動(dòng)電源的作用下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一步，轉(zhuǎn)過(guò)的角度為步距角。目前十一頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)11

圖4-2為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。其定子有六個(gè)均勻分布的磁極，每?jī)蓚€(gè)相對(duì)磁極組成一相，即有U-U、V-V、W-W三相，磁極上繞勵(lì)磁繞組。定子、轉(zhuǎn)子上都均勻分布了一些齒圖4-2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(shí)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(jī)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(jī)實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)的數(shù)字控制。U2U1W2W1V1V2目前十二頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)12B轉(zhuǎn)子定子若A-A’磁極通電目前十三頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)13由于勵(lì)磁磁通總力圖沿磁阻最小路徑通過(guò)，因此定子對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁吸力，迫使轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與定子齒對(duì)齊位置時(shí)，因轉(zhuǎn)子只受徑向力而無(wú)切線(xiàn)力，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被鎖定在這個(gè)位置上。由此可見(jiàn)：定子與轉(zhuǎn)子間的錯(cuò)齒是助使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因。若對(duì)勵(lì)磁繞組以一定方式通以直流勵(lì)磁電流，則轉(zhuǎn)子以相應(yīng)的方式轉(zhuǎn)動(dòng)。其轉(zhuǎn)動(dòng)原理其實(shí)就是電磁鐵的工作原理.目前十四頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)14圖4-3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)15由圖4-3看出，給U相通電轉(zhuǎn)子逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)了30°角。給V相通電，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針再轉(zhuǎn)過(guò)30°角；如此按照U→V→W→U的順序通電，轉(zhuǎn)子則沿逆時(shí)針?lè)较蛞徊讲降剞D(zhuǎn)動(dòng)，每步轉(zhuǎn)過(guò)30°，這個(gè)角度就叫步距角。顯然，單位時(shí)間內(nèi)通入的電脈沖數(shù)越多，即電脈沖頻率越高，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高。三相勵(lì)磁繞組依次單獨(dú)通電運(yùn)行，換接三次完成一個(gè)通電循環(huán)，稱(chēng)為三相單三拍通電方式。目前十六頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)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(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)17步進(jìn)電機(jī)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(gè)通電循環(huán)。這種通電方式的步距角為15°,是三拍通電時(shí)的一半。步進(jìn)電機(jī)的步距角越小，意味著所能達(dá)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(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)1835BYJ46步進(jìn)電機(jī)

目前十九頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)19步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器目前二十頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)20永磁式步進(jìn)系列電動(dòng)機(jī)目前二十一頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)21四自由度教學(xué)機(jī)器人目前二十二頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)22六自由度教學(xué)機(jī)器人目前二十三頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)23

二、步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)

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

式中—電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度，（o）；N—控制脈沖數(shù)；β—步距角，（o）。

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

式中n—電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；

f—控制脈沖頻率(Hz)。

3．步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向可以通過(guò)改變通電順序來(lái)改變；

目前二十五頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)25

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

5.步進(jìn)電機(jī)工作狀態(tài)不易受各種干擾因素（如電源電壓的波動(dòng)、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(jìn)電機(jī)產(chǎn)生“丟步”，就不影響其正常工作目前二十六頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)266.步進(jìn)電機(jī)的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一定步數(shù)以后也會(huì)出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一轉(zhuǎn)以后，其累積誤差為“零”，不會(huì)長(zhǎng)期積累；7.易于直接與微機(jī)的I/O接口，構(gòu)成開(kāi)環(huán)位置伺服系統(tǒng)。微機(jī)需要D/A轉(zhuǎn)換接口可以產(chǎn)生任意頻率的脈沖信號(hào)。目前二十七頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)27因此，步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)的機(jī)電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，并可靠地獲得較高的位置精度。目前二十八頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)28三、步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo)1.步距角在一個(gè)電脈沖作用下（即一拍），電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移稱(chēng)為步距角。步距角越小，分辨力越高。常見(jiàn)的步距角有：0.6度/1.2度

2.靜態(tài)特性步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)特性是指它在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)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(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)29在空載狀態(tài)下，給步進(jìn)電機(jī)某相通以直流電流時(shí)，轉(zhuǎn)子上沒(méi)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(jī)轉(zhuǎn)子軸上加一負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，則轉(zhuǎn)子齒的中心線(xiàn)與定子齒的中心線(xiàn)將錯(cuò)過(guò)一個(gè)θ（通常用電角度θe表示），才能重新穩(wěn)定下來(lái)，θ叫做失調(diào)角?？蛰d負(fù)載目前三十頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)30角-距特性曲線(xiàn)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩隨著失調(diào)角θe變化的曲線(xiàn)就是角矩特性曲線(xiàn)?？梢宰C明，此曲線(xiàn)可近似地用一條正弦曲線(xiàn)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(shuō)明書(shū)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(fù)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(chēng)為步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。U1U2V1V2W2W11423U相通電4Tl目前三十一頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)313．動(dòng)態(tài)特性步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)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(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩即為動(dòng)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(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩變小，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩與脈沖頻率的關(guān)系稱(chēng)為矩—頻特性。目前三十二頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)32指令脈沖圖4-4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制原理環(huán)形分配器功率驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電動(dòng)機(jī)負(fù)載輸出驅(qū)動(dòng)電源步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性與配套使用的驅(qū)動(dòng)電源有密切關(guān)系。驅(qū)動(dòng)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(dòng)電源是將變頻信號(hào)源送來(lái)的脈沖及方向信號(hào)按要求的配電方式自動(dòng)地循環(huán)供給電機(jī)各相繞組，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)四、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制目前三十三頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)33環(huán)形分配器：硬件環(huán)分與軟件環(huán)分驅(qū)動(dòng)器目前三十四頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)34從計(jì)算機(jī)輸出口或從環(huán)形分配器輸出的信號(hào)脈沖電流一般只有幾伏、幾個(gè)毫安，不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，必須采用功率放大器將脈沖電流進(jìn)行放大，使其增加到幾至十幾安培，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)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(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角和速度。目前三十五頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)35功率放大目前三十六頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)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(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)37控制計(jì)算機(jī)如8051小功率步進(jìn)電機(jī)可以自己設(shè)計(jì)脈沖分配器和功率放大器，也可以選則集成芯片來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)目前三十八頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)38目前三十九頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)39

五、步進(jìn)電機(jī)的選用

選用步進(jìn)電機(jī)時(shí)，必須首先根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)草圖計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)裝置及負(fù)載折算到電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，分別計(jì)算各種工況下所需的等效力矩。再根據(jù)步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)、運(yùn)行矩-頻特性選擇合適的步進(jìn)電機(jī)。

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

為了使步進(jìn)電機(jī)具有良好的起動(dòng)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(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩；TL—換算到電機(jī)軸上的扭矩；Jm—步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的最大慣性矩；JL—折算到步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

目前四十一頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)41確定起動(dòng)頻率是否滿(mǎn)足要求根據(jù)上述條件，初步選擇步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)，然后，根據(jù)動(dòng)力學(xué)公式檢查其起動(dòng)能力和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如起動(dòng)頻率、起動(dòng)時(shí)間、運(yùn)行速度等。突然給電機(jī)加上某一頻率的輸入脈沖使轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)，保證轉(zhuǎn)子能不失（丟）步,正常運(yùn)行的最高脈沖頻率稱(chēng)為最大起動(dòng)頻率.目前四十二頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)42由于步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)矩—頻特性曲線(xiàn)是在空載下作出的，檢查其起動(dòng)能力時(shí)應(yīng)考慮慣性負(fù)載對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的影響，然后，再查其起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和計(jì)算起動(dòng)時(shí)間。目前四十三頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)43不同JL/Jm下的矩—頻特性如圖4-5。由此可見(jiàn)，JL/Jm比值增大，最大起動(dòng)頻率越小，其加減速時(shí)間將會(huì)延長(zhǎng)，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(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)44

當(dāng)在起動(dòng)矩—頻特性曲線(xiàn)上查不到帶慣性負(fù)載時(shí)的最大起動(dòng)頻率時(shí)，可用下式近似計(jì)算：（4-1）

式中fL—帶慣性負(fù)載的最大起動(dòng)頻率，Hz或p/s；fm—電機(jī)本身的最大空載起動(dòng)頻率，Hz或p/s；Jm—電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2。JL—換算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2。

當(dāng)JL/Jm=3時(shí)，fL=0.5fm。

目前四十五頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)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(lái)決定的。步進(jìn)電機(jī)的步距角精度將會(huì)影響開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的精度。電機(jī)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(jìn)運(yùn)行時(shí)，每隔指定的步數(shù)，測(cè)定其實(shí)際角位移與理論角位移之差，稱(chēng)為靜止角度誤差，并用正負(fù)峰值之間的1／2來(lái)表示。其誤差越小，電動(dòng)機(jī)精度越高。一般為的±（3％～5％）,但它不受N值大小的影響，即不會(huì)產(chǎn)生累積誤差。目前四十六頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)46步進(jìn)電機(jī)選擇計(jì)算實(shí)例目前四十七頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)47第二節(jié)直流伺服電機(jī)及其控制

直流伺服電機(jī)是用直流電供電的電機(jī)，它在機(jī)電一體化設(shè)備中作為驅(qū)動(dòng)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(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)48一、直流伺服電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)與結(jié)構(gòu)1.工作原理

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

Ua=Ea+IaRa

Ea=CeΦω式中，Ce是電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，僅與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)；Φ是定子磁場(chǎng)中每極的氣隙磁通量Ua-IaRa=CeΦω補(bǔ)充：直流電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程式目前五十一頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)51 此外，電樞電流切割磁場(chǎng)磁力線(xiàn)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩Tm可由下式表達(dá):

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

由此可以得出空載（Tm＝0，轉(zhuǎn)子慣量忽略不計(jì)）和電機(jī)起動(dòng)（ω＝0）時(shí)的電機(jī)特性:（1）ω=0時(shí)，有（1）Tm=0時(shí)，有目前五十三頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)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(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式為 式中,ω0是常數(shù)，圖直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性機(jī)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(jī)的機(jī)械特性目前五十四頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)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(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性表達(dá)式

調(diào)節(jié)特性：指一定負(fù)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(jī)的調(diào)節(jié)特性圖直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性直流電動(dòng)機(jī)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(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)55外電阻對(duì)直流電機(jī)機(jī)械性能的影響外界電阻使直流電機(jī)機(jī)械特性變軟，伺服控制性能變差目前五十六頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)56

二、直流伺服電機(jī)的特點(diǎn)

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

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

目前五十七頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)573.響應(yīng)迅速直流伺服電機(jī)具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在控制信號(hào)增加、減小或消失的瞬間，直流伺服電機(jī)能快速起動(dòng)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(jī)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(diǎn)：電刷和轉(zhuǎn)換器使用壽命較低，需要定期更換；有火花，維護(hù)不便。目前五十八頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)58

三、直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)及控制

1.直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制中，實(shí)質(zhì)上是通過(guò)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的控制，來(lái)進(jìn)一步控制電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流和電壓。直流伺服電機(jī)用直流供電，為調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向，需要對(duì)其直流電壓的大小和方向進(jìn)行控制。直流電機(jī)常用的調(diào)速方法：脈沖寬寬（PWM）調(diào)速目前五十九頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)59脈沖調(diào)制器是一個(gè)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(dòng)系統(tǒng)原理如圖4-6所示。設(shè)開(kāi)關(guān)K周期性地閉合、斷開(kāi)，在一個(gè)周期T內(nèi)，閉合的時(shí)間是τ，斷開(kāi)的時(shí)間是T-τ。若外加電源電壓U為常數(shù)，則電源加到電機(jī)電樞上的電壓波形將是一個(gè)方波列，高度為U，寬度為τ。圖4-6PWM直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖a)控制原理圖b)電壓－時(shí)間關(guān)系圖目前六十頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)60

圖中的二極管為續(xù)流二極管，當(dāng)K斷開(kāi)時(shí)，由于電感La的存在，電機(jī)的電樞電流Ia可通過(guò)它形成回路而繼續(xù)流動(dòng)，因此盡管電壓呈脈動(dòng)狀，而電流還是連續(xù)的。式中稱(chēng)為導(dǎo)通率，又稱(chēng)占空系數(shù)。當(dāng)T不變時(shí)，只要連續(xù)地改變?chǔ)泳涂梢赃B續(xù)地使Ua由0～U，從而達(dá)到連續(xù)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速之目的。常選用的開(kāi)關(guān)頻率為500～2500Hz。平均電壓：目前六十一頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)61根據(jù)選用的開(kāi)關(guān)元件不同，目前常用可控硅（晶閘管）直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)和晶體管脈寬調(diào)速驅(qū)動(dòng)兩種方式。(1)．晶閘管SCR晶閘管的開(kāi)關(guān)特性如下：1)起始時(shí)若控制極G不加電壓，則不論陽(yáng)極A加正向還是反向電壓，晶閘管均不導(dǎo)通，這說(shuō)明晶閘管具有正、反向阻斷能力。2)晶閘管的陽(yáng)極A和控制極G同時(shí)加正向電壓時(shí)晶閘管才能導(dǎo)通，這是晶閘管導(dǎo)通必須同時(shí)具備的兩個(gè)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(yáng)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(dòng)只能用交流電供電，通過(guò)過(guò)零閉合。目前六十二頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)62為克服晶閘管的缺點(diǎn)，全控型元件逐漸得到發(fā)展，大功率晶體管。這類(lèi)元件的特點(diǎn)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(lái)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(chēng)為電力晶體管。與晶閘管相比，功率晶體管不僅可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通控制，還可以實(shí)現(xiàn)關(guān)斷控制，是全控元件，而且開(kāi)關(guān)速度遠(yuǎn)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(gè)工作在開(kāi)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(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)63直流電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)

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

一、交流電機(jī)的種類(lèi)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與直流電機(jī)相比，交流電機(jī)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(jī)正迅速取代直流電機(jī)。

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

nN，TN——額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩

Tst——起動(dòng)轉(zhuǎn)矩KT為有電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)決定的常數(shù)ωTUa增大目前七十二頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)72穩(wěn)定工作區(qū)—曲線(xiàn)bc段(下降段)設(shè)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL為穩(wěn)定值，與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。電動(dòng)機(jī)工作在N點(diǎn)，當(dāng)T=TL時(shí)，電動(dòng)機(jī)以恒定速度運(yùn)轉(zhuǎn)，工作在bc段。若某種原因使負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL有所增大，由于慣性電磁轉(zhuǎn)矩T還來(lái)不及變化，于是有T<TL，電動(dòng)機(jī)將減速運(yùn)行，n減小。由T(n)曲線(xiàn)可知：n減小又將使T增大，重新使電磁轉(zhuǎn)矩T=TL。這時(shí)電動(dòng)機(jī)以較原來(lái)略低的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行。這一過(guò)程可以表示為：當(dāng)擾動(dòng)消失，電動(dòng)機(jī)可以重新回到N點(diǎn)工作。e目前七十三頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)73不穩(wěn)定工作區(qū)——曲線(xiàn)ab段（上升段）不穩(wěn)定工作區(qū)對(duì)應(yīng)于T(n)曲線(xiàn)的ab段。電磁轉(zhuǎn)矩T隨著速度的增加而增大。電動(dòng)機(jī)在這個(gè)區(qū)域工作時(shí)是不穩(wěn)定的。一旦平衡被打破，如果T<TL，電動(dòng)機(jī)會(huì)停轉(zhuǎn)，產(chǎn)生“悶車(chē)”現(xiàn)象；

如果T>TL，電動(dòng)機(jī)會(huì)越過(guò)最大轉(zhuǎn)矩Tm跑到穩(wěn)定工作區(qū)bc中去。注意：“悶車(chē)”容易燒毀電動(dòng)機(jī)目前七十四頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)74

(1)交流感應(yīng)電機(jī)的變頻調(diào)速控制

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

（4-4）

式中n—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；f—外加電源頻率；p—電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；S—滑差率。

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

這種方法成本低，易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)速機(jī)械特性很軟，低速運(yùn)行時(shí)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(dòng)機(jī)的效率降低，特性變差。2.改變極對(duì)數(shù)p，這種方法調(diào)速是有級(jí)的，而且調(diào)速范圍窄。電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造時(shí)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(wú)級(jí)地改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0，這種方法稱(chēng)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(huì)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(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)76

2)變頻調(diào)速方法

實(shí)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(xiàn)方法。

目前七十七頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)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(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)78圖4-11交—直—交變頻器目前七十九頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)79

然后經(jīng)電容器或電抗器對(duì)整直后的電壓或電流進(jìn)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(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)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(dòng)機(jī)激磁。目前八十一頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)81

最常用的主電路是給電機(jī)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(hào)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(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)820目前八十三頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)833）SPWM變頻調(diào)速SPWM變頻調(diào)速是最近發(fā)展起來(lái)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(shí)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(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)84SPWM變頻的工作原理可用圖4-12和4-13加以說(shuō)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(lái)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(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)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(huì)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(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)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(hào)u1與等幅等矩的三角波ut相比較，以其交點(diǎn)為相應(yīng)變流器件換流的開(kāi)關(guān)點(diǎn)，交點(diǎn)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(huì)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(duì)負(fù)半周可通過(guò)反向器得到負(fù)的脈沖波。目前八十七頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)87顯然，必須使u1<ut，才能有正確的開(kāi)關(guān)點(diǎn)。由于這種脈沖波每半個(gè)周期內(nèi)只有一種極性，故稱(chēng)單極性。目前八十八頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)88圖單極性PWM控制方式原理目前八十九頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)89圖雙極性PWM控制方式原理目前九十頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)90變頻調(diào)速是交流電機(jī)調(diào)速的發(fā)展方向。實(shí)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(xiàn)方法。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)現(xiàn)等問(wèn)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(dòng)機(jī)調(diào)速的電壓、頻率可變的交流電目前九十一頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)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(zhuān)用變頻器：（3）矢量控制變頻器：（4）機(jī)床專(zhuān)用變頻器：（6）電梯專(zhuān)用矢量變換控制變頻器：（5）高頻變頻器：目前九十二頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)92變頻器選擇電動(dòng)機(jī)的容量及負(fù)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(duì)象的負(fù)載特性并選擇電動(dòng)機(jī)的容量，根據(jù)用途選擇合適的變頻器類(lèi)型，然后再進(jìn)一步確定變頻器的容量，目前九十三頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)93目前九十四頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)94三菱A540系列變頻器目前九十五頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)95三菱A540系列變頻器接口

變頻器是通過(guò)裝置上的接線(xiàn)端子與外部連接的。接線(xiàn)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(dòng)機(jī)及外部能耗制動(dòng)電路，控制回路端子連接變頻控制的控制按鈕開(kāi)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(xiàn)端上接上相應(yīng)的機(jī)械開(kāi)關(guān)即可實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。

目前九十六頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)96

在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，則有三種方法：

第一種使用繼電器開(kāi)關(guān)電路，繼電器的開(kāi)/關(guān)受上位控制器的控制，這種方法適用于簡(jiǎn)單的恒速控制，其接口電路的設(shè)計(jì)與開(kāi)關(guān)功率驅(qū)動(dòng)相同；目前九十七頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)97第二種主法是模擬控制方法，上位機(jī)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(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)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(guò)數(shù)字接口與上位控制器的并行輸出口直接相聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字控制。目前九十九頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)99可見(jiàn)，變頻器不僅可以獨(dú)立使用，而且還可以用上位控制器控制，連接方便，操作簡(jiǎn)便。具體細(xì)節(jié)請(qǐng)參閱相應(yīng)產(chǎn)品的說(shuō)明書(shū)。目前一百頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)100四．交流伺服電動(dòng)機(jī)的選擇

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

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

1.交流伺服電動(dòng)機(jī)的初選擇

（1）初選交流伺服電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的選擇，首先要考慮電動(dòng)機(jī)能夠提供負(fù)載所需要的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。從安全來(lái)講，就是能夠提供克服峰值負(fù)載所需要的功率。其次，須考慮電動(dòng)機(jī)的熱額定問(wèn)題，通常用負(fù)載的均方根功率作為確定電動(dòng)機(jī)發(fā)熱功率的基礎(chǔ)。最后，進(jìn)行轉(zhuǎn)矩過(guò)載校核，確定電機(jī)輸出的最大轉(zhuǎn)矩能否克服負(fù)載力矩（折算到電機(jī)軸上）

目前一百零六頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)106若要求電動(dòng)機(jī)在峰值負(fù)載轉(zhuǎn)矩下以峰值轉(zhuǎn)速不斷的驅(qū)動(dòng)負(fù)載，則電動(dòng)機(jī)功率:KW式中—負(fù)載峰值力矩（N·m）；nLP

—電動(dòng)機(jī)負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速（r/s）；η—傳動(dòng)裝置的效率，初步估算時(shí)取η＝0.7～0.9；1.5～2.5—系數(shù)。目前一百零七頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)107

電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期連續(xù)的工作在變負(fù)載之下時(shí)，比較合理的是按負(fù)載方均根功率來(lái)估算電動(dòng)機(jī)功率。kW(4-5)

式中—負(fù)載方均根力矩（N·m）；

nLr—負(fù)載方均根轉(zhuǎn)速（r/s）。

目前一百零八頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)108估算出Pm后就可選取電動(dòng)機(jī)，使其額定功率PN滿(mǎn)足：PN≥Pm

初選電動(dòng)機(jī)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(dòng)慣量等，均可由產(chǎn)品目錄直接查得或經(jīng)過(guò)計(jì)算求得。目前一百零九頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)109

（2）發(fā)熱校核

對(duì)于連續(xù)工作負(fù)載不變的電動(dòng)機(jī)，要求在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩在額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)。而對(duì)于周期性變負(fù)載條件下，需要根據(jù)發(fā)熱校核原則，計(jì)算在一個(gè)負(fù)載周期內(nèi)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的均方根值，使該等效轉(zhuǎn)矩小于電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩選擇電動(dòng)機(jī)應(yīng)滿(mǎn)足(4－11)

式中TN—電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩（N·m）；—折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載方均根轉(zhuǎn)矩(N·m)；t—電動(dòng)機(jī)工作循環(huán)時(shí)間；

TLa—折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的等效慣性轉(zhuǎn)矩；

TLF—折算到電動(dòng)機(jī)上的摩擦力矩。式（4-6）就是發(fā)熱校核公式。

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

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

由下式近似計(jì)算

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

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

所以選擇伺服電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩TN時(shí)，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(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)113例如，在龍門(mén)刨床工作臺(tái)的自動(dòng)控制中，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。如圖4-16。切削速度v>0為電動(dòng)機(jī)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(dòng)階段Ⅲ。返回行程也包括三個(gè)階段Ⅰ′、Ⅱ′和Ⅲ′，如圖4-16a所示。

目前一百一十四頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)114圖4-16龍門(mén)刨床加工過(guò)程中進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)的負(fù)載周期TLFTLaTcT合目前一百一十五頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)115

（3）轉(zhuǎn)矩過(guò)載校核轉(zhuǎn)矩過(guò)載校核的公式為而式中（TL）max—折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載力矩的最大值；（Tm）max—電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的最大值（過(guò)載轉(zhuǎn)矩）；（TN）—電動(dòng)機(jī)的額定力矩；

λ—電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩過(guò)載系數(shù)。對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)，一般取λ≤2.0～2.5；對(duì)交流伺服電動(dòng)機(jī)，一般取λ≤1.5～3。需指出，電動(dòng)機(jī)的選擇，還取決于系統(tǒng)的動(dòng)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(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)116

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

小慣量交流伺服電動(dòng)機(jī)的慣量低達(dá)Jm≈5×10-5kg·m2，其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩／慣量比大，時(shí)間常數(shù)小，加減速能力強(qiáng)，所以其動(dòng)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(shí)，對(duì)電動(dòng)機(jī)的靈敏度與響應(yīng)時(shí)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(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)117

（2）對(duì)于采用大慣量交流伺服電動(dòng)機(jī)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(duì)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(jī)的特點(diǎn)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(dòng)裝置而與滾珠絲杠直接相連，而且受慣性負(fù)載的影響小，調(diào)速范圍大；熱時(shí)間常數(shù)有的長(zhǎng)達(dá)100min，比小慣量電動(dòng)機(jī)的熱時(shí)間常數(shù)2～3min長(zhǎng)得多，并允許長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載，即過(guò)載能力強(qiáng)。其次，由于其特殊構(gòu)造使其轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)很?。?lt;2%）。因此，采用這種電動(dòng)機(jī)能獲得優(yōu)良的低速范圍的速度剛度和動(dòng)態(tài)性能，在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用較廣。目前一百一十八頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)118第四節(jié)直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)過(guò)去，直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)一般用旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)曲柄連桿、蝸輪蝸桿、齒輪齒條、凸輪推桿等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)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(diǎn)。

直線(xiàn)電機(jī)是不需要中間轉(zhuǎn)換裝置，而能直接輸出直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)械。目前一百一十九頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)119目前直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用的機(jī)型有直線(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)和直線(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三種。

直線(xiàn)電機(jī)的分類(lèi)：直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)可以認(rèn)為是從旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變而來(lái)的目前一百二十頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)120圖4-17直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的形成一、直線(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直線(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可以看作是由普通的旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接演變而來(lái)的。分動(dòng)次級(jí)、動(dòng)初級(jí)兩類(lèi)目前一百二十一頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)121當(dāng)初級(jí)的多相繞組中通入多相電流后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)氣隙基波磁場(chǎng)，但是這個(gè)磁場(chǎng)的磁通密度波Bδ

是直線(xiàn)移動(dòng)的，故稱(chēng)為行波磁場(chǎng)。顯然行波的移動(dòng)速度與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子內(nèi)圓表面上的線(xiàn)速度是一樣的，即為vs，稱(chēng)為同步速度，且（cm/s）在行波磁場(chǎng)切割下，次級(jí)導(dǎo)條將產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和電流，導(dǎo)條的電流和氣隙磁場(chǎng)相互作用，便產(chǎn)生切向電磁力。若初級(jí)固定不動(dòng)，那末次級(jí)就順著行波磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方向作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。若次級(jí)移動(dòng)的速度用v，則滑差率：

次級(jí)移動(dòng)速度：

目前一百二十二頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)122

上式表明直線(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度與電機(jī)極距及電源頻率成正比。與旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，改變直線(xiàn)電機(jī)初級(jí)繞組的通電相序，可改變電機(jī)運(yùn)動(dòng)的方向，因而可使直線(xiàn)電機(jī)作往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

目前一百二十三頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)123圖4-19平板型直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)圖4-19所示的平板型直線(xiàn)電機(jī)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(xiàn)電機(jī)的初級(jí)和次級(jí)長(zhǎng)度相等，這在實(shí)用中是行不通的，因?yàn)楣ぷ髦须姶篷詈蠝p小，影響工作。因此，在實(shí)際應(yīng)用中必須把初、次級(jí)做得長(zhǎng)短不等。根據(jù)初、次級(jí)間相對(duì)長(zhǎng)度，可把平板型直線(xiàn)電機(jī)分成短初級(jí)和短次級(jí)兩類(lèi)，如圖4-19所示。目前一百二十四頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)124圖4-20雙邊型直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)

德國(guó)百格拉公司直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)

目前一百二十五頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)125圖4-21管型直線(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的形成目前一百二十六頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)126圖4-22圓盤(pán)型直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)目前一百二十七頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)127

二、直線(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)

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

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

三、直線(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，直線(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)不能做到的。因此，直線(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有直接驅(qū)動(dòng)、容易控制、定位精確等優(yōu)點(diǎn)。直線(xiàn)步進(jìn)電機(jī)主要可分為反應(yīng)式和永磁式兩種。目前一百三十頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)130

圖4-24表示這種電機(jī)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(kāi)有間距為t的矩形齒槽，槽中填滿(mǎn)非磁材料(如環(huán)氧樹(shù)脂)使整個(gè)定子表面非常光滑。動(dòng)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(gè)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(gè)磁鋼的齒完全與定子齒和槽對(duì)齊時(shí)，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(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)131圖4-25永磁式直線(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理圖A通正電B通正電A通負(fù)電B通負(fù)電目前一百三十二頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)132

相反，如果想使動(dòng)子向左移動(dòng)，只要把4個(gè)階段倒過(guò)來(lái)。為減小步距，削弱振動(dòng)和噪音，這種電機(jī)可采用細(xì)分電路驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)實(shí)現(xiàn)微步距移動(dòng)。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(gè)周期時(shí)，動(dòng)子就移動(dòng)一個(gè)齒距；如果要改變移動(dòng)方向，可通過(guò)改變繞組中的電流極性來(lái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前一百三十三頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)133

如要求動(dòng)子作平面運(yùn)動(dòng)，這時(shí)應(yīng)將定子改為一塊平板，其上開(kāi)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(shù)脂，而動(dòng)子是由兩臺(tái)上述那樣的直線(xiàn)步進(jìn)電機(jī)組合起來(lái)制成的，如圖4-26所示。設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)某绦蚩刂普Z(yǔ)言，產(chǎn)生一定的脈沖信號(hào)，就可使動(dòng)子在xy平面上作任意軌跡的運(yùn)動(dòng)，并定位在平面上任何一點(diǎn)，這就成為平面步進(jìn)電動(dòng)機(jī)了。。圖4-26永磁平面步進(jìn)電動(dòng)機(jī)目前一百三十四頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)134綜上，與旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動(dòng)相比，直線(xiàn)電機(jī)傳動(dòng)具有下列優(yōu)點(diǎn)：(1)直線(xiàn)電機(jī)由于不需要中間傳動(dòng)機(jī)械，直接輸出直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，因而使整個(gè)機(jī)械得到簡(jiǎn)化，提高了精度，減少了振動(dòng)和噪音；(2)快速響應(yīng)：用直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，不存在中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的慣量和阻力矩的影響，可實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)和正反向運(yùn)行；

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

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

一、步進(jìn)電機(jī)選擇計(jì)算實(shí)例

簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床的縱向（Z軸）進(jìn)給系統(tǒng)，通常是采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，帶動(dòng)裝有刀架的拖板做往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，其工作原理圖如圖4-28，其中工作臺(tái)即為拖板。

目前一百三十六頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)136步進(jìn)電機(jī)的選擇和計(jì)算1.脈沖當(dāng)量的選擇、傳動(dòng)比設(shè)計(jì)及分配2.等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算，包括摩擦轉(zhuǎn)矩TLF和負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL（電機(jī)軸上）3.等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算JL4.初選電機(jī)的型號(hào)5.性能驗(yàn)證，如起動(dòng)特性、運(yùn)行特性等目前一百三十七頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)137

解：

1．脈沖當(dāng)量的選擇

初選三相步進(jìn)電機(jī)的步距角為0.75°/1.5°，當(dāng)三相六拍（1～2相勵(lì)磁）運(yùn)行時(shí)，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(gè)指令脈沖，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)的距離初選δ=0.01mm/P，由此可得中間齒輪傳動(dòng)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(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)138

2．等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算（轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上）1)空載時(shí)的摩擦轉(zhuǎn)矩TLFN·cm

(2)車(chē)削加工時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL

N·cm

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

3．等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算(1)滾動(dòng)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js

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

N·cm·s2(3)大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jg2

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

(4）小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jg1

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

N·cm·s2目前一百四十一頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)1414．初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)已知N·cm

N·cm·s2，初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為110BF003，它的三條性能曲線(xiàn)見(jiàn)圖4-29。其最大

靜扭矩N·cm，轉(zhuǎn)子慣量N·cm2

該型號(hào)電動(dòng)機(jī)規(guī)定最小加、減速時(shí)間為1s，現(xiàn)試算之。在圖4-29起動(dòng)矩—頻特性曲線(xiàn)中，查不確切的、帶慣性負(fù)載的最大自起動(dòng)頻率fL,可用以下公式進(jìn)行計(jì)算：HZ式中fm—電機(jī)本身的起動(dòng)頻率，HZ。目前一百四十二頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)142圖4-29110BF003型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能曲線(xiàn)帶負(fù)載啟動(dòng)慣-頻特性曲線(xiàn)啟動(dòng)矩-頻特性曲線(xiàn)運(yùn)行矩-頻特性曲線(xiàn)目前一百四十三頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)143

不加工時(shí)的起動(dòng)時(shí)間ta，由下式計(jì)算：

當(dāng)f=614HZ時(shí)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速r/min

查電機(jī)的起動(dòng)矩—頻特性曲線(xiàn)可知，當(dāng)f=614HZ時(shí),Tm=3.5N.m,由此可得

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

5．速度的驗(yàn)算

快進(jìn)（不加工）速度的驗(yàn)算從圖4-29的運(yùn)行矩—頻特性曲線(xiàn)查得，當(dāng)

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

工進(jìn)速度的驗(yàn)算當(dāng)TL=241.4N.cm時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率f1≈2000Hz,故有mm/min>500mm/min

綜上所述，可選該型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)，且有一定的裕量

目前一百四十五頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)145

二、伺服電機(jī)選擇計(jì)算實(shí)例三合板圓筒激光切割機(jī)一般包括激光振蕩器及其電源、光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)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(jī)床示意圖θ軸X軸安裝三合板目前一百四十六頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)146圖4-31θ軸系和X軸系的伺服傳動(dòng)系統(tǒng)

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

圖4-31為θ軸和X軸系的半閉環(huán)伺服傳動(dòng)系統(tǒng)。θ軸系由DC伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)三級(jí)齒輪傳動(dòng)減速，使工件在180°范圍內(nèi)回轉(zhuǎn)，見(jiàn)圖4-31a，電動(dòng)機(jī)軸上裝有編碼器進(jìn)行角位移檢測(cè)和反饋。X軸系由DC伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠、帶動(dòng)安有整個(gè)θ軸系的工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，見(jiàn)圖4-31b，編碼器通過(guò)齒輪傳動(dòng)增速與電動(dòng)機(jī)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(lì)，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(jìn)行切割。為了防止三合板燃燒，用轉(zhuǎn)動(dòng)噴嘴進(jìn)行吹氣。目前一百四十八頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)148主要參數(shù)、性能指標(biāo)它的主要設(shè)計(jì)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(jìn)給軸）最大速度6000mm/min3.θ軸與X軸的加速時(shí)間0.5s4.X向最大移動(dòng)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?xún)?nèi)8.傳感器（旋轉(zhuǎn)編碼器）1000p/r設(shè)計(jì)要求：選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)，設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)目前一百四十九頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)1491．θ軸的伺服傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1）總傳動(dòng)比及其分配

（1）根據(jù)軸向脈沖當(dāng)量確定總傳動(dòng)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(dòng)比i為周向脈沖當(dāng)量：編碼器產(chǎn)生一個(gè)脈沖輸出對(duì)應(yīng)的工件周向位移目前一百五十頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)1502）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算工件的圓周速度

則工件轉(zhuǎn)速為：

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

（2）傳動(dòng)速比的分配各級(jí)傳動(dòng)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(jí)傳動(dòng)如下：

目前一百五十一頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)1513）等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)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(fù)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(fù)載轉(zhuǎn)矩折算到電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩目前一百五十二頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)1524）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je計(jì)算（1）傳動(dòng)系統(tǒng)換算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1目前一百五十三頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)153（2）工件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量換算到電機(jī)軸上轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩為：（3）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量5）初選伺服電動(dòng)機(jī)電機(jī)連續(xù)工作的變負(fù)載，采用方均根轉(zhuǎn)矩目前一百五十四頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)154電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期連續(xù)在變負(fù)載下工作，按方均根負(fù)載初選電動(dòng)機(jī)計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率傳動(dòng)系統(tǒng)的效率

目前一百五十五頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)155目前一百五十六頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)156初選IFT5042型交流伺服電動(dòng)機(jī)，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(dòng)控制系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的中慣量交流伺服電動(dòng)機(jī)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(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)1576）計(jì)算電動(dòng)機(jī)需要的轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)需要的轉(zhuǎn)矩

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為目前一百五十八頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)1587）伺服電動(dòng)機(jī)確定均方根轉(zhuǎn)矩中

故有表明電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩能滿(mǎn)足要求，不必進(jìn)行發(fā)熱校核。目前一百五十九頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)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(dòng)機(jī)以外，仍是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。因此，其定位精度主要取決于軸的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，與電動(dòng)機(jī)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(jí)齒輪的傳動(dòng)精度較高。當(dāng)要求周向定位精度⊿=±0.1mm時(shí)，則相當(dāng)于主軸上的轉(zhuǎn)角誤差⊿θ為

⊿θ

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

2．X軸的伺服傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前一百六十一頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)161

2．X軸的伺服傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（直流電機(jī)）

（1）根據(jù)脈沖當(dāng)量確定絲杠導(dǎo)程L或中間齒輪傳動(dòng)比i如圖4-31b所示，已知：線(xiàn)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(gè)脈沖步距角換算到電動(dòng)機(jī)軸上，電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)絲杠，其中間齒輪傳動(dòng)比i=1。根據(jù)線(xiàn)位移脈沖當(dāng)量的定義，可知：

(mm)目前一百六十二頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)162（2）所需的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算已知：線(xiàn)速度v2=6000mm/min，所需的電動(dòng)機(jī)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(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算

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

目前一百六十三頁(yè)\總數(shù)一百七十五頁(yè)\編于八點(diǎn)163

預(yù)緊力轉(zhuǎn)矩由于移動(dòng)體的重量很大，滾珠絲杠傳動(dòng)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(shí)，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(dòng)機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL為

(N·cm)=