直流電機驅(qū)動DCmotor課件

第八章機器人的驅(qū)動這里所說的機器人驅(qū)動就是機電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行裝置。執(zhí)行裝置就是按照電信號的指令，將來自電、液壓和氣壓等各種能源的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動、直線運動等方式的機械能的裝置。按利用的能源來分類，主要可分為電動執(zhí)行裝置、液壓執(zhí)行裝置和氣動執(zhí)行裝置。第八章機器人的驅(qū)動這里所說的機器人驅(qū)動就是1新型執(zhí)行裝置：

壓電執(zhí)行裝置：利用在壓電陶瓷等材料上施加電壓而產(chǎn)生變形的壓電效應。形狀記憶合金執(zhí)行裝置：利用鎳鈦合金等材料具有的形狀隨溫度變化，溫度恢復時形狀也恢復的形狀記憶性質(zhì)。新型執(zhí)行裝置：28.1直流電機驅(qū)動（DCmotor）1.直流電機工作原理止口左手定則直流電動機通過換向器將直流轉(zhuǎn)換成電樞繞組中的交流，從而使電樞產(chǎn)生一個恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩。T=BILr換向器電刷8.1直流電機驅(qū)動（DCmotor）1.直流電機工作原3直流伺服電機的機械特性控制電壓電機結(jié)構(gòu)常數(shù)每極磁通電樞回路電阻負載轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速電機轉(zhuǎn)速的控制：“調(diào)壓調(diào)速”（★）“調(diào)磁調(diào)速”直流伺服電機的機械特性控制電壓電機結(jié)構(gòu)常數(shù)每極電樞回路電阻負42.矩頻特性曲線：電流控制曲線和電壓控制曲線。3.直流電機的控制方式改變電壓或電流控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)距。其中，KE為電動勢常數(shù)，KF為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。PWM(PulseWidthModulation)控制是利用脈寬調(diào)制器對大功率晶體管開關(guān)放大器的開關(guān)時間進行控制，將直流電壓轉(zhuǎn)換成某一頻率的矩形波電壓，加到直流電機的電樞兩端，通過對矩形波脈沖寬度的控制，改變電樞兩端的平均電壓達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的。2.矩頻特性曲線：電流控制曲線和電壓控制曲線。3.直流電5優(yōu)點：調(diào)速方便（可無級調(diào)速），調(diào)速范圍寬，低速性能好（啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流?。?，運行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速容易控制。4.直流電機的特點書籍是進步的階梯缺點：換相器需經(jīng)常維護，電刷極易磨損，必須經(jīng)常更換，噪音比交流電機大。優(yōu)點：調(diào)速方便（可無級調(diào)速），調(diào)速范圍寬，低68.2交流電機驅(qū)動（ACmotor）1.工作原理ACservomotor止口8.2交流電機驅(qū)動（ACmotor）1.工作原理AC7同步電機：所謂同步是指轉(zhuǎn)子速度與定子磁場速度相同。若電網(wǎng)的頻率不變，則穩(wěn)態(tài)時同步電機的轉(zhuǎn)速恒為常數(shù)而與負載的大小無關(guān)?？捎米靼l(fā)電機。n=ns=60f/p異步電機：所謂異步是指轉(zhuǎn)子磁場和定子間存在速度差（不是角度差）。只用于電動機。n=60f/p(1-s)

同步電機和異步電機的定子繞組是相同的，它們的定子繞組是相同的，主要區(qū)別在于轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)。同步電機的轉(zhuǎn)子上有直流勵磁繞組，所以需要外加勵磁電源，通過滑環(huán)引入直流電流；而異步電機的轉(zhuǎn)子是短路的繞組，靠電磁感應產(chǎn)生電流。相比之下，同步電機較復雜，造價高。同步電機：所謂同步是指轉(zhuǎn)子速度與定子磁場速度82.矩頻特性曲線2.矩頻特性曲線9

同步電機的特點：體積小。用途：要求響應速度快的中等速度以下的工業(yè)機器人；機床領(lǐng)域。伺服電機的精度由編碼器的精度決定。3.交流電機的特點

4.交流電機的控制方式改變定子繞組上的電壓或頻率，即電壓控制或頻率控制方式。特點：無電刷和換向器，無產(chǎn)生火花的危險；比直流電機的驅(qū)動電路復雜、價格高。異步電機的特點：轉(zhuǎn)子慣量很小，響應速度很快。用途：中等功率以上的伺服系統(tǒng)。同步電機的特點：體積小。用途：要求響應速度快108.3步進電機驅(qū)動（steppingmotor）步進電機驅(qū)動系統(tǒng)主要用于開環(huán)位置控制系統(tǒng)。優(yōu)點：控制較容易，維修也較方便，而且控制為全數(shù)字化。缺點：由于開環(huán)控制，所以精度不高。8.3步進電機驅(qū)動（steppingmotor）11

步進電機有三種：永磁式PM（permanentmagnet）；反應式（也稱可變磁阻式）VR（variablereluctance），在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰；混合式HB（hybrid），混合式是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點，混合式步進電機的應用最為廣泛。

步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。簡單說：當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。1.工作原理步進電機有三種：永磁式PM（permanen12PM式步進電機轉(zhuǎn)子是永磁體，定子是繞組，在定子電磁鐵和轉(zhuǎn)子永磁體之間的排斥力和吸引力的作用下轉(zhuǎn)動，步距角一般為7.5o~90o。VR式步進電機用齒輪狀的鐵心作轉(zhuǎn)子，定子是電磁鐵，上面有繞組。在定子磁場中，轉(zhuǎn)子始終轉(zhuǎn)向磁阻最小的位置。步距角一般為0.9o~15o。HB式步進電機是PM式和VR式的復合形式。在永磁體轉(zhuǎn)子和電磁鐵定子的表面上加工出許多軸向齒槽，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的原理與PM式相同，轉(zhuǎn)子和定子的形狀與VR式相似，步距角一般為0.9o~15o。PM式步進電機轉(zhuǎn)子是永磁體，定子是繞組，在定13

相數(shù)：產(chǎn)生不同N、S對磁場的激磁線圈對數(shù)。

2.相關(guān)術(shù)語

失步：電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。

拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)。四相四拍運行方式：AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：對應一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。一般步進電機的精度為步距角的3-5%，且不累積。相數(shù)：產(chǎn)生不同N、S對磁場的激磁線圈對數(shù)。14保持轉(zhuǎn)距（HOLDINGTORQUE）或靜轉(zhuǎn)矩是指步進電機各相通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。是電機選型時最重要的參數(shù)之一。通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。比如，當說2Nm的步進電機時，在沒有特殊說明的情況下一般是指保持轉(zhuǎn)矩為2Nm的步進電機。定位轉(zhuǎn)矩是指電機各相繞組不通電且處于開路狀態(tài)時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。由于混合式電機轉(zhuǎn)子上有永磁材料產(chǎn)生磁場，從而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。一般定位轉(zhuǎn)矩遠小于保持轉(zhuǎn)距。是否存在定位轉(zhuǎn)距是混合式步進電機區(qū)別于反應式步進電機的重要標志。DETENTTORQUE

在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯。保持轉(zhuǎn)距（HOLDINGTORQUE）或靜15細分驅(qū)動器的原理驅(qū)動器細分后的主要優(yōu)點：

（1）完全消除了電機的低頻振蕩。（2）同時也提高了電機的輸出轉(zhuǎn)矩。（3）提高了電機的分辨率。通過改變相鄰（A，B）電流的大小，以改變合成磁場的夾角來控制步進電機運轉(zhuǎn)的。細分驅(qū)動器的原理驅(qū)動器細分后的主要優(yōu)點：通163.運行矩頻特性4.步進電機驅(qū)動的特點控制系統(tǒng)簡單可靠，成本低；控制精度受步距角限制，高負載或高速度時易失步，低速運行時會產(chǎn)生步進運行現(xiàn)象。起動曲線運行曲線在這個輸出轉(zhuǎn)矩區(qū)間，步進電機啟動時的輸入脈沖頻率必須緩慢增加3.運行矩頻特性4.步進電機驅(qū)動的特點起動曲線運行曲線在171、實現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進電機失步的問題；2、高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達到2000～3000轉(zhuǎn)；3、抗過載能力強，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負載，對有瞬間負載波動和要求快速起動的場合特別適用；4、低速運行平穩(wěn)，低速運行時不會產(chǎn)生類似于步進電機的步進運行現(xiàn)象。適用于有高速響應要求的場合；5、電機加減速的動態(tài)相響應間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)；6、發(fā)熱和噪音明顯降低。伺服電機與步進電機比較伺服電機的優(yōu)勢：1、實現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進電機失步的問18超聲波電機（一種未來很有希望的電機）特點：超聲波電機具有體積小，重量輕，不用制動器，速度和位置控制靈敏度高，轉(zhuǎn)子慣性小，響應性能好，沒有電磁噪聲等普通電機不具備的優(yōu)點。工作原理：當給壓電陶瓷施加一定方向的電壓時，各部分產(chǎn)生的應變方向相反（在正電壓作用下，+的部分伸長，-的部分壓縮），+、-部分交替相接。在交流電壓的作用下，壓電陶瓷就會沿圓周方向產(chǎn)生交替的伸縮變形，定子彈性體的上下運動產(chǎn)生駐波。此外，由于重疊在一起的兩片壓電陶瓷的相位差為90O，所以，在形成駐波的同時也會在水平方向形成行波。這樣，在駐波和行波的合成波的作用下，使定子作橢圓運動軌跡的振動。這樣，裝在定子上的轉(zhuǎn)子在摩擦力的作用下就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。同樣也有直線運動的超聲波電機。超聲波電機（一種未來很有希望的電機）特點：19直接驅(qū)動電機（directdrive:DD）

優(yōu)點：不用齒輪減速器直接驅(qū)動，因此具有無間隙、摩擦小、機械剛度高等優(yōu)點，可以實現(xiàn)高速、高精度的位置控制和微小力控制。這是什么？

種類：直流力矩電機、無刷直流電機、VR式電機等。缺點：因為沒有減速機構(gòu)，所以容易受載荷的影響。直接驅(qū)動電機（directdrive:DD）優(yōu)點：不用208.4液壓驅(qū)動液壓缸液壓馬達8.4液壓驅(qū)動液壓缸液壓馬達21優(yōu)點：

（1）容易獲得比較大的扭矩和功率；

（2）功率/重量比大，可以減小執(zhí)行裝置的體積；

（3）剛度高，能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高精度的位置控制；

（4）通過流量控制可以實現(xiàn)無級變速。缺點：

（1）必須對油的溫度和污染進行控制，穩(wěn)定性較差；

（2）有因漏油而發(fā)生火災的危險；

（3）液壓油源和進油、回油管路等附屬設(shè)備占空間較大。液壓驅(qū)動的特點：優(yōu)點：

（1）容易獲得比較大的扭矩和功率；

（2）功228.5氣動驅(qū)動氣動執(zhí)行裝置的種類：氣缸、氣動馬達。8.5氣動驅(qū)動氣動執(zhí)行裝置的種類：氣缸、氣動馬達。23優(yōu)點：（1）利用氣缸可以實現(xiàn)高速直線運動；（2）利用空氣的可壓縮性容易實現(xiàn)力控制和緩沖控制；

（3）無火災危險和環(huán)境污染；

（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格低。缺點：（1）

由于空氣的可壓縮性，高精度的位置控制和速度控制都比較困難，驅(qū)動剛性比較差；

（2）雖然撞停等簡單動作速度較高，但在任意位置上停止的動作速度很慢；（3）噪音大；氣動驅(qū)動的特點：優(yōu)點：（1）利用氣缸可以實現(xiàn)高速直線運動；缺點：（1）由248.6機械傳動機構(gòu)傳動機構(gòu)有減速裝置、力(力矩)和速度傳遞轉(zhuǎn)換裝置。常用的有螺旋傳動、帶傳動、齒輪傳動、鏈傳動、桿機構(gòu)、齒輪齒條機構(gòu)和諧波傳動等，此外還有一種新型的減速機構(gòu)RV傳動裝置，以及作為傳動的重要保障裝置的導向部件。8.6機械傳動機構(gòu)傳動機構(gòu)有減速裝置、力(力矩)和速度傳遞25目前，機器人的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)有60%~70%都使用諧波齒輪。諧波齒輪由剛性齒輪、諧波發(fā)生器和柔性齒輪組成。（1）諧波齒輪減速器假設(shè)剛性齒輪由100個齒，柔性齒輪比它少2個齒，則