機(jī)電一體化技術(shù)與應(yīng)用 課件 第5章 機(jī)電一體化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

第五章機(jī)電一體化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

知識(shí)目標(biāo)：了解驅(qū)動(dòng)技術(shù)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)比電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)以及其他新型驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。

能力目標(biāo)：掌握直流電機(jī)、交流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和其他電機(jī)（直線電機(jī)、力矩電機(jī)）的基本工作原理及驅(qū)動(dòng)技術(shù)；掌握液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和其他新式驅(qū)動(dòng)（壓電驅(qū)動(dòng)、磁致伸縮驅(qū)動(dòng)、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)）系統(tǒng)的基本工作原理和驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

思政目標(biāo)：結(jié)合我國(guó)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展歷史，闡述我國(guó)在機(jī)電一體化驅(qū)動(dòng)技術(shù)方面的取得的成就和亟待解決的難題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。教學(xué)目標(biāo)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

相對(duì)于液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，具有操作簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、伺服性能好、易與微機(jī)連接等優(yōu)點(diǎn)，因此成為機(jī)電一體化系統(tǒng)中最為常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。5.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)典型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖一個(gè)典型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括：電源、控制器、驅(qū)動(dòng)電路、電動(dòng)機(jī)、負(fù)載，傳感器。

電動(dòng)機(jī)是利用電磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的設(shè)備。

(1)電動(dòng)機(jī)的分類

5.1.1

電動(dòng)機(jī)的分類與選型設(shè)計(jì)a.直流電動(dòng)機(jī)b.交流電動(dòng)機(jī)g.齒輪電動(dòng)機(jī)d.無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)f.振動(dòng)電動(dòng)機(jī)e.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)c.伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電源按照使用功能分：小型電動(dòng)機(jī)：轉(zhuǎn)動(dòng)（主要作用）有時(shí)候需要帶動(dòng)其他的工作工具才能發(fā)揮出作用。小家電通常使用小型或者微型直流電動(dòng)機(jī)。動(dòng)力電動(dòng)機(jī)：要求有較大的輸出功率，一般電壓在380V以上，廣泛應(yīng)用于各種金屬切削機(jī)床、起重機(jī)、傳送帶等等。伺服電動(dòng)機(jī)：特點(diǎn)有運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)力可以精確控制，主要用于控制要求復(fù)雜的系統(tǒng)，通常與專用的驅(qū)動(dòng)電源配合使用。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和直線電動(dòng)機(jī)：屬于新型的電動(dòng)機(jī)，產(chǎn)品價(jià)格低廉，已經(jīng)成為具有較高性價(jià)比的控制電動(dòng)機(jī)。

5.1.1

電動(dòng)機(jī)的分類與選型設(shè)計(jì)

(2)電動(dòng)機(jī)的選型原則電動(dòng)機(jī)的電源類型、功率、轉(zhuǎn)速、力矩、效率以及相應(yīng)的控制電源是選擇電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)。5.1.1電動(dòng)機(jī)的分類與選型設(shè)計(jì)儀器儀表等功率不大的設(shè)備應(yīng)該選擇普通市民用電。工廠較多使用固定安裝設(shè)備，應(yīng)選用380V的三相交流電。小型工具使用電池比較方便、適宜，可選用直流電動(dòng)機(jī)。根據(jù)系統(tǒng)使用要求，計(jì)算出負(fù)載的最大功率，負(fù)載功率應(yīng)為電動(dòng)機(jī)額定功率的1/3或者1/2。通常電動(dòng)機(jī)速度較高，達(dá)到數(shù)千轉(zhuǎn)，需要設(shè)置減速裝置。有時(shí)選擇大功率的電動(dòng)機(jī)工作在低速狀態(tài)下，可以節(jié)省掉減速裝置。在小功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可以忽略，在大功率系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)作為優(yōu)先考慮目標(biāo)。

1.直流電動(dòng)機(jī)的工作原理5.1.2

直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

直流電動(dòng)機(jī)的組成如下圖，電樞線圈與換向片連接，換向片與電刷接觸，電源通過電刷、換向片為電樞線圈供電。

1.直流電動(dòng)機(jī)的工作原理5.1.2

直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

工作原理：線圈的ab段位于N極下，cd段位于S極下，電源電流I由電刷A流入，經(jīng)導(dǎo)體ab、cd后，從電刷B流出。導(dǎo)體ab、cd會(huì)受到電磁力的作用，受力方向可通過左手定則確定。這一對(duì)電磁力形成了作用于電樞的逆時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩，使電樞逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)了180°后，導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下，導(dǎo)體ab轉(zhuǎn)到S極下時(shí)，由于直流電源供給的電流方向不變，仍從電刷A流入，經(jīng)導(dǎo)體cd、ab后，從電刷B流出。這時(shí)導(dǎo)體cd受力方向變?yōu)閺挠蚁蜃?，?dǎo)體ab受力方向是從左向右，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍為逆時(shí)針方向。

可見，由于換向器配合電刷對(duì)電流的換向作用，直流電流交替地由導(dǎo)體ab和cd流入，使線圈邊只要處于N極下，其中通過電流的方向總是由電刷A流入，而在S極下時(shí)，總是從電刷B流出。這就保證了每個(gè)磁極下的線圈邊中的電流始終是一個(gè)方向，從而形成方向不變的轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。

1.直流電動(dòng)機(jī)的工作原理5.1.2

直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1.直流電動(dòng)機(jī)的工作原理5.1.2

直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

2.直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性5.1.2

直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

當(dāng)以轉(zhuǎn)速n為縱坐標(biāo)，電磁轉(zhuǎn)矩T為橫坐標(biāo)，是一條略向下傾斜的直線。隨電樞電壓Ua增大，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線平行地向轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩增加的方向移動(dòng)，但它的斜率不會(huì)改變，是一組平行的直線。

2.直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性5.1.2

直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

表示電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的硬度，即電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n隨著電磁轉(zhuǎn)矩T變化而變化的程度。斜率越大，表示轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的變化大，稱之為軟機(jī)械特性；反之，為硬機(jī)械特性。機(jī)械特性的硬度與電樞電阻Rα有關(guān)，Rα越小，機(jī)械特性越硬。

3.直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性5.1.2

直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

3.直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性5.1.2

直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電樞電壓必須大于始動(dòng)電壓，電動(dòng)機(jī)方能開始啟動(dòng)，并且在一定的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行；倘若電樞電壓低于始動(dòng)電壓，直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩將小于啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)無(wú)法啟動(dòng)。

故在調(diào)節(jié)特性曲線上從原點(diǎn)到始動(dòng)電壓點(diǎn)的范圍，稱為在某一電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)直流電動(dòng)機(jī)的失靈區(qū)。

4.直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性5.1.2

直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

4.直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性5.1.2

直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

機(jī)械時(shí)間常數(shù)的大小表示了電動(dòng)機(jī)過渡過程的長(zhǎng)短，反映了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨電樞電壓信號(hào)變化的快慢程度，是直流電動(dòng)機(jī)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

5.直流電動(dòng)機(jī)的控制與調(diào)速5.1.2

直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(1)H橋驅(qū)動(dòng)電路與調(diào)速方法下圖中所示為一個(gè)典型的H橋驅(qū)動(dòng)電路，H橋由4個(gè)功率管組成。

要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)功率管。根據(jù)不同功率管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過電動(dòng)機(jī)，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。

當(dāng)功率管M1和M4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)（假定為正轉(zhuǎn)方向）

所示為另一對(duì)功率管M2和M3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過電動(dòng)機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)即反轉(zhuǎn)

5.直流電動(dòng)機(jī)的控制與調(diào)速5.1.2

直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，保證H橋上兩個(gè)同側(cè)的功率管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通非常重要。如果功率管M1和M2同時(shí)導(dǎo)通，那么電流就會(huì)從正極穿過兩個(gè)功率管直接回到負(fù)極，此時(shí)，電路中除了功率管外沒有其他任何負(fù)載，因此電路上的電流就可能達(dá)到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞功率管?；谏鲜鲈?，在實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路中通常要用硬件電路控制功率管的通斷。

5.直流電動(dòng)機(jī)的控制與調(diào)速5.1.2

直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以通過在電樞回路串聯(lián)或并聯(lián)電阻的方法改變Ra的值，這種調(diào)速方法只能是轉(zhuǎn)速往下調(diào)。假使電阻Ra能連續(xù)變化，電動(dòng)機(jī)調(diào)速也能平滑。由于這種方法是通過增加電阻損耗來(lái)改變轉(zhuǎn)速，因此調(diào)速后的效率降低。

改變電樞電壓后，機(jī)械特性曲線是一簇以Ua為參數(shù)的平行線，因而在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)特性較硬，可以獲得穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，所以調(diào)速范圍寬，應(yīng)用比較廣泛。

5.直流電動(dòng)機(jī)的控制與調(diào)速5.1.2

直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(2)直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)制調(diào)速

5.直流電動(dòng)機(jī)的控制與調(diào)速5.1.2

直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(2)直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)制調(diào)速

6.永磁無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理5.1.2

直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(1)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

永磁無(wú)刷直流伺服電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大，穩(wěn)定性好，調(diào)速范圍寬，可以與絲杠直接相聯(lián)，能在較大的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，但轉(zhuǎn)子慣量大。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)組成如下圖所示：

6.永磁無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理5.1.2

直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(1)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)電子開關(guān)線路用于控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)?？赏ㄟ^單片機(jī)控制功率開關(guān)管。

電動(dòng)機(jī)本體的定子由鑄鋼疊片組成，繞組置于沿內(nèi)部圓周向的槽中，如左圖所示。定子鐵心中安放著對(duì)稱的多相繞組，可接成星形或角形。

轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成的具有一定極數(shù)的永磁體，主要有表面式和內(nèi)嵌式兩種結(jié)構(gòu)，如右圖所示，其中表面式最為常見。

6.永磁無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理5.1.2

直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(1)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子位置傳感器和有刷直流電機(jī)不同，永磁無(wú)刷直流電機(jī)的換向是以電子方式控制。要使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，必須按一定的順序給定子繞組通電。為了確定按照通電順序哪一個(gè)繞組將得電，檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置很重要。

轉(zhuǎn)子的位置由定子中嵌入的霍爾效應(yīng)傳感器檢測(cè)，如下圖所示。根據(jù)霍爾傳感器的位置，有兩種輸出?；魻杺鞲衅鬏敵鲂盘?hào)之間的相移可以是60°或120°。電機(jī)制造商據(jù)此定義控制電機(jī)時(shí)應(yīng)遵循的換向順序。

6.永磁無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理5.1.2

直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(2)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制原理

永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，每次換向都有一個(gè)繞組連到控制電源的正極（電流進(jìn)入繞組），第二個(gè)繞組連到負(fù)極（電流從中流出），第三個(gè)處于失電狀態(tài)。轉(zhuǎn)矩是由定子線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)和永磁體之間的相互作用產(chǎn)生的。理想狀態(tài)下，轉(zhuǎn)矩峰值出現(xiàn)在兩個(gè)磁場(chǎng)正交時(shí)，而在兩磁場(chǎng)平行時(shí)最弱。為了保持電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，由定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)應(yīng)不斷變換位置，因?yàn)檗D(zhuǎn)子會(huì)向著與定子磁場(chǎng)平行的方向旋轉(zhuǎn)?；魻杺鞲衅餍盘?hào)切換順序電機(jī)控制器線路圖

6.永磁無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理5.1.2

直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(2)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制原理

每轉(zhuǎn)過60個(gè)電角度，其中一個(gè)霍爾傳感器就會(huì)改變狀態(tài)。因此，完成電周期需要六步。在同步模式下，每轉(zhuǎn)過60個(gè)電角度相電流切換一次。但是，一個(gè)電周期可能并不對(duì)應(yīng)完整的轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)周期。完成一圈機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)要重復(fù)的電周期數(shù)取決于轉(zhuǎn)子磁極的對(duì)數(shù)。每對(duì)轉(zhuǎn)子磁極需要完成一個(gè)電周期。因此，電周期數(shù)/轉(zhuǎn)數(shù)等于轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)?；魻杺鞲衅餍盘?hào)切換順序電機(jī)控制器線路圖

1.交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理5.1.3交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主要分為兩部分，即定子和轉(zhuǎn)子。

定子的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中安放著空間互成90度電角度的兩相繞組，其中一組為勵(lì)磁繞組，另一組為控制繞組。交流異步伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電動(dòng)機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍、線性的機(jī)械特性，無(wú)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應(yīng)的性能，它與普通電動(dòng)機(jī)相比，應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小這兩個(gè)特點(diǎn)。

交流同步伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。

工作原理：交流伺服電動(dòng)機(jī)使用時(shí)，激磁繞組兩端施加恒定的激磁電壓Uf，控制繞組兩端施加控制電壓Uk。當(dāng)定子繞組加上電壓后，伺服電動(dòng)機(jī)很快就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。通入勵(lì)磁繞組及控制繞組的電流在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)向，當(dāng)任意一個(gè)繞組上所加的電壓反相時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向就發(fā)生改變，電機(jī)的方向也發(fā)生改變。為了在電機(jī)內(nèi)形成一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，要求激磁電壓Uf和控制電壓Uk之間應(yīng)有90度的相位差，常用的方法有：利用三相電源的相電壓和線電壓構(gòu)成90度的移相、利用三相電源的任意線電壓、采用移相網(wǎng)絡(luò)、在激磁相中串聯(lián)電容器。

2.交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方式5.1.3交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)

2.交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方式5.1.3交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)(1)V/F變頻調(diào)速

V/F變頻控制是異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速中最基本的控制方式。它在控制電動(dòng)機(jī)的電源頻率變化的同時(shí)控制變頻器的輸出電壓，并使二者之比為恒定，從而使電動(dòng)機(jī)的磁通基本保持恒定。該變頻方法可以分為基頻以下的恒磁通變頻調(diào)速和基頻以上的弱磁變頻調(diào)速。

2.交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方式5.1.3交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)(1)V/F變頻調(diào)速

對(duì)于恒磁通變頻調(diào)速來(lái)說，這是考慮從基頻（電動(dòng)機(jī)額定頻率f1N）向下調(diào)速的情況。為了保持電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力，應(yīng)保持氣隙主磁通不變，這就要求降低供電頻率的同時(shí)降低感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，保持E1/f1為常數(shù)，即保持電動(dòng)勢(shì)與頻率之比為常數(shù)進(jìn)行控制。這種控制方式又稱為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。但是，E1難于直接檢測(cè)和直接控制。當(dāng)E1和f1的值較高時(shí)，定子的漏阻抗壓降相對(duì)比較小，如忽略不計(jì)，則可以近似地保持定子相電壓U1，和頻率f1的比值為常數(shù)，即認(rèn)為U1=E1，保持U1/f1為常數(shù)即可。這就是恒壓頻比控制方式，是近似的恒磁通控制。

當(dāng)頻率較低時(shí)，U1和E1都變小，定子漏阻抗壓降不能再忽略。在這種情況下，可以人為地適當(dāng)提高定子電壓以及補(bǔ)償定子電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。

對(duì)于基頻以上的弱磁變頻調(diào)速，這是考慮由基頻開始向上調(diào)速的情況。頻率由額定值f1向上增大，但電壓U1，受額定電壓U1N的限制不能再升高，只能保持U1=U1N不變。必然會(huì)使主磁通隨著f1的上升而減小，相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速的情況，屬于近似的恒功率調(diào)速方式。

2.交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方式5.1.3交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)(1)V/F變頻調(diào)速

把基頻以下和基頻以上兩種情況結(jié)合起來(lái)，可得到如下圖所示的異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速控制特性。

如果電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下都達(dá)到額定電流，即都能在溫升允許條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化按照電氣傳動(dòng)原理，在基頻以下，磁通恒定時(shí)轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；而在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時(shí)轉(zhuǎn)矩降低，屬于恒功率調(diào)速。

2.交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方式5.1.3交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)(2)轉(zhuǎn)差頻率調(diào)速

轉(zhuǎn)差頻率控制的基本思想是采用轉(zhuǎn)子速度閉環(huán)控制，速度調(diào)節(jié)器通常采用PI控制。

它的輸入為速度設(shè)定信號(hào)和檢測(cè)的電機(jī)實(shí)際速度之間的誤差信號(hào)。速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)差頻率設(shè)定信號(hào)。變頻器的設(shè)定頻率即電動(dòng)機(jī)的定子電源頻率，為轉(zhuǎn)差頻率設(shè)定值與實(shí)際轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之和。當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，定子頻率設(shè)定將會(huì)自動(dòng)補(bǔ)償由于負(fù)載所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差，保持電動(dòng)機(jī)的速度為設(shè)定速度。速度調(diào)節(jié)器的限幅值決定了系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)差頻率。

2.交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方式5.1.3交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)(3)變頻器調(diào)速變頻器裝置就是把頻率和電壓固定的交流電變?yōu)轭l率和電壓可調(diào)的交流電裝置。

按變換頻率的方法，變頻器可分為交-交變頻器和交-直-交變頻器。交-交變頻裝置輸出的每一相都是一個(gè)兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆電路交-交變頻器原理圖

2.交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方式5.1.3交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)(3)變頻器調(diào)速

交-交變頻裝置：兩組變流電路按一定頻率交替工作，從而可以給負(fù)載輸出該頻率的交流電。當(dāng)正組P工作在整流狀態(tài)、反組N工作在逆變狀態(tài)時(shí)，異步定子繞組得到的是正電壓；當(dāng)反組N工作在整流狀態(tài)，正組P工作在逆變狀態(tài)時(shí)，定子繞組上得到的是負(fù)電壓。改變兩組變頻電路的切換頻率，就可以改變輸出頻率；改變變流電路工作時(shí)的控制角，就可以改變交流輸出電壓的幅值。交-交變頻器原理圖

2.交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方式5.1.3交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)(3)變頻器調(diào)速

交-交變頻裝置

：如果一個(gè)周期內(nèi)控制角是固定不變的，則輸出電壓波形為矩形波，矩形波有大量諧波的分量。如果在半個(gè)周期內(nèi)讓正組變流電路P的控制角按正弦規(guī)律從90°逐漸減少到0°，然后再逐漸增大到90°，那么正組整流電路在每個(gè)控制間隔內(nèi)的平均輸出電壓就按正弦規(guī)律從零逐漸增至最大，再逐漸減少到零；在另外半個(gè)周期內(nèi)，對(duì)負(fù)組變流器N進(jìn)行同樣的控制，就可以得到接近正弦波的輸出電壓。

交-交變頻裝置由于采用相控方式，功率因數(shù)較低，而且受到電網(wǎng)頻率和變流電路脈波數(shù)的限制，輸出頻率較低。因此交-交變頻器主要用于500kW或1000kW以上，轉(zhuǎn)速在600r/min以下的大功率、低轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速裝置中。

2.交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方式5.1.3交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)(3)變頻器調(diào)速

交-直-交變頻器：先把工頻交流電通過整流器變成直流電，然后再把直流電變換成頻率、電壓均可控制的交流電，它又稱為間接式變頻器。和交交變頻相比，它多了一個(gè)能量貯存環(huán)節(jié)。能量轉(zhuǎn)換效率有所降低，但由于調(diào)速范圍廣，控制性能好，因此獲得了更為廣泛的應(yīng)用。交-直-交變頻器由主電路（包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器）和控制電路組成。

2.交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方式5.1.3交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)(3)變頻器調(diào)速交-直-交變頻器

(a)整流器：電網(wǎng)側(cè)的變流器I是整流器，它的作用是把三相交流電整流成直流電。

(b)逆變器：負(fù)載側(cè)的變流器II為逆變器。最常見的結(jié)構(gòu)形式是利用六個(gè)半導(dǎo)體主開關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路。有規(guī)律地控制逆變器中主開關(guān)器件的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流電輸出。

2.交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方式5.1.3交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)(3)變頻器調(diào)速交-直-交變頻器

(c)中間直流環(huán)節(jié)：由于逆變器的負(fù)載為異步電動(dòng)機(jī)，屬于感性負(fù)載。無(wú)論電動(dòng)機(jī)處于點(diǎn)動(dòng)或發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，其功率因數(shù)總不會(huì)為1。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無(wú)功功率的交換。這種無(wú)功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件（電容器或電抗器）來(lái)緩沖。

(d)控制回路：控制回路常由運(yùn)算電路、檢測(cè)電路、控制信號(hào)的輸入、輸出電路和驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成。其主要任務(wù)是完成對(duì)逆變器的開關(guān)控制、對(duì)整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能等。

3.交流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)制變頻（PWM）控制5.1.3交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)PWM控制技術(shù)大致可以分為三類：正弦PWM（包括電壓、電流或磁通正弦SVPWM為目標(biāo)的各種PWM方案），優(yōu)化PWM以及隨機(jī)PWM。正弦PWM已為人們所熟知，其旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統(tǒng)諧波的多重PWM技術(shù)，在大功率變頻器中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。優(yōu)化PWM所追求的則是實(shí)現(xiàn)電流諧波畸變率（THD）最小、電壓利用率最高、效率最優(yōu)及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小以及其它特定優(yōu)化目標(biāo)。隨機(jī)PWM方法的原理是隨機(jī)改變開關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪聲，盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱。

3.交流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)制變頻（PWM）控制5.1.3交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)SPWM變頻器的整流和濾波環(huán)節(jié)與交-直-交變頻器所示相同，其原理是采用等腰三角形波形作為載波與正弦調(diào)制波相比較，得到一組幅值相等而脈沖寬度隨時(shí)間按照正弦規(guī)律變化的矩形脈沖。就是用一個(gè)等高不等寬的矩形波來(lái)比較正弦波。三角波正弦波的交點(diǎn)就是開關(guān)“開”或者“關(guān)”的時(shí)刻。當(dāng)正弦波電壓高于三角波的時(shí)候，電路輸出滿幅值的正電；當(dāng)正弦波電壓低于三角波時(shí)，電路輸出滿幅值的負(fù)電。這樣生成的脈沖信號(hào)為等高不等寬的脈沖，寬度的調(diào)制是正弦波的，各脈沖的寬度與正弦曲線下對(duì)應(yīng)的面積近似成正比，等效于正弦波，諧波成分很少。調(diào)制波的頻率和幅值是可以控制的，改變調(diào)制波的頻率，就可以改變輸出電源的頻率，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；改變調(diào)制波的幅值，就是改變調(diào)制波與三角波的交點(diǎn)，使得輸出脈沖寬度發(fā)生變化，從而改變輸出電壓。(1)電壓正弦脈寬調(diào)制（SPWM）原理

3.交流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)制變頻（PWM）控制5.1.3交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)于三相逆變器開關(guān)生成的SPWM波的控制有兩種方式：一種是單極性控制，另一種是雙極性控制。單極性控制時(shí)，負(fù)向波形需要另加一個(gè)反向的信號(hào)。采用雙極性控制的時(shí)候，周期內(nèi)的逆變橋同橋臂的上下兩只逆變開關(guān)交替開通和關(guān)閉，形成了互補(bǔ)的工作方式。右圖為SPWM變頻器電路原理圖。其中，V1～V6為逆變器的6個(gè)開關(guān)器件；VD1～VD6為續(xù)流二極管，其作用是為電動(dòng)機(jī)繞組的無(wú)功電路返回直流電路時(shí)提供通路，在降速過程中為電動(dòng)機(jī)的再生電能反饋到直流電路提供通路，為電路的寄生電感在逆變時(shí)釋放能力提供通路。一組三相對(duì)稱的正弦參考電信號(hào)urU、urV、urW通過調(diào)制電路生成三相SPWM脈沖波，對(duì)SPWM逆變器上的開關(guān)進(jìn)行控制，從而改變電動(dòng)機(jī)獲得的電流頻率和幅值。(1)電壓正弦脈寬調(diào)制（SPWM）原理

3.交流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)制變頻（PWM）控制5.1.3交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)(2)磁通正弦脈寬調(diào)制（SVPWM）原理

3.交流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)制變頻（PWM）控制5.1.3交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)(2)磁通正弦脈寬調(diào)制（SVPWM）原理若以三相逆變器驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)，如下圖所示，則逆變器的6個(gè)開關(guān)器件形成8種開關(guān)模式，其中6種開關(guān)模式產(chǎn)生輸出電壓，在電動(dòng)機(jī)中形成相應(yīng)的6種磁鏈?zhǔn)噶浚?種開關(guān)模式不輸出電壓，不形成磁鏈?zhǔn)噶?，或稱為零矢量。

3.交流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)制變頻（PWM）控制5.1.3交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)(2)磁通正弦脈寬調(diào)制（SVPWM）原理如果用SA、SB、SC來(lái)表示逆變器的開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)SA=1時(shí)，表示逆變器A相上橋臂的開關(guān)器件導(dǎo)通，下橋臂的開關(guān)關(guān)斷（上下橋臂互鎖）當(dāng)SA=0時(shí)，則上橋臂關(guān)斷，下橋臂導(dǎo)通。同樣用SB、SC來(lái)表示B、C相橋臂的開關(guān)器件的工作情況。根據(jù)SA、SB、SC為0或1，對(duì)于180°導(dǎo)通型逆變器，則三相橋臂的開關(guān)組合只有8個(gè)狀態(tài)，包括6個(gè)幅值相等、相位間隔60°的非零電壓空間矢量和2個(gè)零矢量，6個(gè)電壓空間矢量構(gòu)成正六邊形的頂點(diǎn)，兩個(gè)零電壓矢量V0（000）和V7（111）位于六邊形的中心。經(jīng)分析可知，6個(gè)電壓矢量的的順序是：V4（100）、V6（110）、V2（010）、V3（011）、V1（001）、V5（101）。

3.交流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)制變頻（PWM）控制5.1.3交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)(2)磁通正弦脈寬調(diào)制（SVPWM）原理理想情況下，電壓空間矢量為圓形旋轉(zhuǎn)矢量，而磁通為電壓時(shí)間的積分，也是圓形的旋轉(zhuǎn)矢量。如果控制電壓矢量的導(dǎo)通時(shí)間，就可以用盡可能多的多邊形磁通軌跡逼近理想的圓形磁通。而任意一個(gè)理想電壓空間矢量V*的幅值和旋轉(zhuǎn)角度都表示此刻輸出PWM波的基波幅值及頻率大小，它的相位則表示不同的脈沖開關(guān)時(shí)刻。因此，三相橋式逆變器的目標(biāo)就是利用這8種基本矢量的時(shí)間組合去模擬合成這樣一個(gè)磁鏈圓。

3.交流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)制變頻（PWM）控制5.1.3交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)(2)磁通正弦脈寬調(diào)制（SVPWM）原理由上述分析表明，三相電壓空間矢量共有八個(gè)，除兩個(gè)零矢量外，其余六個(gè)非零矢量對(duì)稱均勻分布在復(fù)平面上。對(duì)于任一給定的電壓矢量V，均可由八個(gè)電壓空間矢量合成，如下圖所示。圖中六個(gè)模為2Vd/3的電壓空間矢量將復(fù)平面均分成六個(gè)扇形區(qū)域I—VI，對(duì)于任一扇形區(qū)域中的電壓矢量V*，均可由該扇形區(qū)域兩邊的電壓空間矢量來(lái)合成。如果V*在復(fù)平面上勻速旋轉(zhuǎn)，就對(duì)應(yīng)得到了三相對(duì)稱的正弦量。實(shí)際上，由于開關(guān)頻率和矢量組合的限制，合成矢量V*只能以某一步進(jìn)速度旋轉(zhuǎn)，從而使矢量端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為一多邊形準(zhǔn)圓軌跡。顯然，PWM開關(guān)頻率越高，多邊形準(zhǔn)圓軌跡越圓。5.1.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，是機(jī)電控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一，是一種高精度的執(zhí)行元件，它可以將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移。

優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、易于起停、正反轉(zhuǎn)和實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制造、價(jià)格低廉。

缺點(diǎn)：低頻時(shí)有震蕩、速度不均勻、高速時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩小。1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類很多，根據(jù)勵(lì)磁方式的不同可分為三類：永磁式（PM）、磁阻式（反應(yīng)式，VR）、混合式（HB）。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能，如分辨率/步距、速度或扭矩會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的控制方式。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖可變磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖5.1.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

永磁轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子為永磁體，與定子電路產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)齊。這種轉(zhuǎn)子可以保證良好的扭矩，并具有制動(dòng)扭矩。這意味著，無(wú)論線圈是否通電，電機(jī)都能抵抗（即使不是很強(qiáng)烈）位置的變化。但與其他轉(zhuǎn)子類型相比，其缺點(diǎn)是速度和分辨率都較低。右圖為永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖5.1.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

磁阻轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子由鐵芯制成，其形狀特殊，可以與定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)齊。這種轉(zhuǎn)子更容易實(shí)現(xiàn)高速度和高分辨率，但它產(chǎn)生的扭矩通常較低，并且沒有制動(dòng)扭矩?？勺兇抛枋讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖5.1.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

混合式轉(zhuǎn)子：是永磁體和可變磁阻轉(zhuǎn)子的混合體。其轉(zhuǎn)子上面有兩個(gè)軸向磁化的磁帽，并且磁帽上有交替的小齒。這種配置使電機(jī)同時(shí)具有永磁體和可變磁阻轉(zhuǎn)子的優(yōu)勢(shì)，尤其是具有高分辨率、高速度和大扭矩。

線圈A通電后，轉(zhuǎn)子N磁帽的一個(gè)小齒與磁化為S的定子齒對(duì)齊。與此同時(shí)，轉(zhuǎn)子S磁帽與磁化為N的定子齒對(duì)齊?；旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖5.1.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理雖然不同的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在組成結(jié)構(gòu)上略有不同，但工作原理大同小異。轉(zhuǎn)子小齒：轉(zhuǎn)子上具有相應(yīng)的磁極。齒距：鄰兩轉(zhuǎn)子小齒軸線間的間距,用τ表示。對(duì)齒：定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒對(duì)齊的狀態(tài)。錯(cuò)齒：定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒不對(duì)齊的狀態(tài)。（旋轉(zhuǎn)的前提條件）

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)中必須保證有錯(cuò)齒的存在三相磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖5.1.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過程分析圖5.1.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理A相通電，B、C相不通電時(shí)，轉(zhuǎn)子小齒1與定子小齒A對(duì)齊。B相通電，A、C相不通電時(shí)，B相產(chǎn)生磁場(chǎng)，吸引較近的轉(zhuǎn)子小齒2，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，轉(zhuǎn)子小齒2將與定子小齒B對(duì)齊，轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)過1/3τ，轉(zhuǎn)子小齒3與定子小齒C相差1/3τ，轉(zhuǎn)子小齒4與定子小齒A'相差2/3τ。C相通電，A、B相不通電時(shí)，轉(zhuǎn)子小齒3被吸轉(zhuǎn)動(dòng)并與定子小齒C對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又順時(shí)針轉(zhuǎn)過1/3τ，轉(zhuǎn)子小齒4與定子小齒A'相差為1/3τ，轉(zhuǎn)子小齒1與定子小齒B'相差2/3τ。A相再次通電，轉(zhuǎn)子小齒4與定子小齒A'對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又順時(shí)針轉(zhuǎn)過1/3τ。5.1.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

如此電機(jī)就每步(每脈沖)順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)1/3τ，經(jīng)過3步的一個(gè)循環(huán)，齒1順時(shí)針轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距。這樣不斷按A→B→C→A→…的相序通電，電機(jī)就可持續(xù)地按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)下去。若要電機(jī)反轉(zhuǎn)，則可將A、B、C三相的通電次序任意互換一組即可。

每次換相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，其計(jì)算公式為：

式中θ為步距角；m為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)；z為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)；c為通電方式系數(shù)，c=1表示單拍或者雙拍方式（波動(dòng)或者全步模式），c=2表示單、雙拍方式（半步模式）。5.1.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

每輸入一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度是整個(gè)圓周角的1/(ZRN)，也就是轉(zhuǎn)過1/(ZRN)轉(zhuǎn)，其中ZR和N分別為轉(zhuǎn)子齒數(shù)和電機(jī)運(yùn)行拍數(shù)（通常為相數(shù)的整數(shù)倍），因此每分鐘轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的圓周數(shù)，即轉(zhuǎn)速n為:

式中f為控制脈沖的頻率，即每秒輸入的脈沖數(shù)。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是用電脈沖進(jìn)行控制的電機(jī)，改變電脈沖輸入的情況，就可方便地控制它，使它快速啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)或改變轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速還可以用步距角來(lái)表示:

式中θb為機(jī)械角度表示的步距角。

步距角應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)中應(yīng)用的具體情況來(lái)選取。5.1.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)2.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方法步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制器由脈沖信號(hào)發(fā)生器，脈沖信號(hào)分配器，功率放大器三部分組成。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器框圖5.1.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)2.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方法脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一定頻率的控制脈沖信號(hào)，用以控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。脈沖信號(hào)分配器的作用是根據(jù)運(yùn)行指令把脈沖信號(hào)按一定邏輯關(guān)系分配到每一相脈沖功率放大器上，讓步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按選定的運(yùn)行方式工作。脈沖信號(hào)分配器是整個(gè)控制器的核心部分，它會(huì)根據(jù)不同步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制需求，將脈沖信號(hào)按一定的邏輯關(guān)系輸出給功率放大器，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器框圖5.1.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)3.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要有四種不同的驅(qū)動(dòng)技術(shù)：波動(dòng)模式（單拍）：一次僅一個(gè)相位通電。如果電流從某相的正引線流向負(fù)引線（例如，從A+到A-），則我們稱為正向流動(dòng)；否則，稱為負(fù)向流動(dòng)。全步模式（雙拍）：兩相始終同時(shí)通電。其步驟與波動(dòng)模式類似，最大的區(qū)別在于，全步模式下，由于電機(jī)中流動(dòng)的電流更多，產(chǎn)生的磁場(chǎng)也更強(qiáng)，因此扭矩也更大。半步模式（單、雙拍）：這種模式可以將步距減小一倍（旋轉(zhuǎn)45°，而不是90°）。其唯一的缺點(diǎn)是電機(jī)產(chǎn)生的扭矩不是恒定的，當(dāng)兩相都通電時(shí)扭矩較高，只有一相通電時(shí)扭矩較小。微步模式：可以看作是半步模式的增強(qiáng)版，因?yàn)樗梢赃M(jìn)一步減小步距，并且具有恒定的扭矩輸出。這是通過控制每相流過的電流強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，使用微步模式可以達(dá)到非常高的位置分辨率。5.1.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)3.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式波動(dòng)模式步進(jìn)（單拍）5.1.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)3.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式全部模式步進(jìn)（雙拍）5.1.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)3.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式半步模式步進(jìn)（單、雙拍）5.1.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)3.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式微步模式步進(jìn)5.1.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)4.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用1）

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇：a.步距角的選擇

步距角選擇取決于負(fù)載精度的要求。將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸上，計(jì)算出每個(gè)當(dāng)量步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)走多少角度，電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。b.靜力矩的選擇

靜力矩是指步進(jìn)電機(jī)在不考慮電機(jī)負(fù)載情況下的扭矩值，靜力矩越大，表示步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載能力越強(qiáng)，而步進(jìn)電機(jī)的工作性能也越強(qiáng)。靜力矩選擇的依據(jù)是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作的負(fù)載，負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載。（單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行只考慮摩擦負(fù)載）c.電流的選擇

靜力矩一樣的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線，判斷電機(jī)的電流。5.1.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)4.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用2）力矩與功率換算：

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用，其功率是變化的，一般只用力矩來(lái)衡量，力矩與功率換算公式為：

式中P為功率，W；Ω為每秒的角速度，rad/s；n為轉(zhuǎn)速，r/min；M為單位力矩，N·m。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)半步工作時(shí)，力矩功率換算公式為：其中f為脈沖頻率。5.1.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)5.1.5其他電動(dòng)機(jī)

直線電動(dòng)機(jī)力矩電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)

是直接驅(qū)動(dòng)的一種，它取消了中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，彈性環(huán)節(jié)減少，系統(tǒng)剛性提高，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，可實(shí)現(xiàn)高速、高加速運(yùn)行。

是一種具有軟機(jī)械性和寬調(diào)速范圍的專用電機(jī)。

優(yōu)點(diǎn)

無(wú)需中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

快速響應(yīng)

散熱良好，可承受高密度電流

裝配靈活性大

具有軟的機(jī)械特性，可以堵轉(zhuǎn)。

可以提高系統(tǒng)的運(yùn)行精度

體積和重量小缺點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相比，直線發(fā)動(dòng)機(jī)效率和功率數(shù)低，電源功率大及低速性能差等

成本較高

輸出功率有限5.2液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是用液壓原理來(lái)實(shí)現(xiàn)這種變換功能的裝置，由動(dòng)力元件、執(zhí)行元件、控制元件和輔助元件組成。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成框圖5.2液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作臺(tái)組成以及工作過程：1—油箱；2—濾油器；3—油泵；4—節(jié)流閥；5—溢流閥；6—換向閥；7—液壓缸；8—工作臺(tái)（a）換向閥處在中間位置；（b）換向閥處在右端位置

（c）換向閥處在左端位置（1）動(dòng)力元件：即液壓泵，是將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體的壓力動(dòng)能，為液壓系統(tǒng)提供壓力油。常見的有齒輪泵、葉片泵、柱塞泵等類型。

確定液壓泵的油壓pp：

選取液壓泵流量Qp：

液壓泵的功率P為：

選擇液壓泵的主要原則是滿足系統(tǒng)的工況要求，確定泵的輸出量、工作壓力和結(jié)構(gòu)型式。5.2液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成5.2液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成齒輪泵葉片泵柱塞泵5.2液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成性能外嚙合齒輪泵雙作用葉片泵限壓式變量葉片泵徑向柱塞泵軸向柱塞泵額定壓力低壓中壓中壓高壓高壓流量調(diào)節(jié)不能不能不能能能效率低較高較高高高輸出流量脈動(dòng)最大小一般一般一般自吸性能好較差較差差差對(duì)油污染的敏感性不敏感較敏感較敏感敏感敏感噪聲大小較大大大液壓泵性能比較（2）執(zhí)行元件：指液壓缸或液壓馬達(dá)，其職能是將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能而對(duì)外做功，液壓馬達(dá)可驅(qū)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)完成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓馬達(dá)實(shí)際轉(zhuǎn)速：

液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩M1：

液壓馬達(dá)輸入功率PiM：

液壓馬達(dá)輸出功率POM：5.2液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成（2）執(zhí)行元件：指液壓缸或液壓馬達(dá)，其職能是將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能而對(duì)外做功，液壓馬達(dá)可驅(qū)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)完成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓缸推力F：

液壓缸推動(dòng)速度v：

液壓缸擺動(dòng)輸出轉(zhuǎn)矩M2：

液壓缸的角速度：5.2液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成5.2液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成5.2液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成液壓馬達(dá)液壓泵（3）控制元件：指各種控制閥，可以控制和調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)中液體的壓力、流量和方向等。

控制閥可分為方向控制閥、壓力控制閥和流量控制閥三大類。壓力控制閥：控制液壓系統(tǒng)中流體壓力，包括溢流閥、順序閥、減壓閥、壓力繼電器等。流量控制閥：控制流體流量，包括節(jié)流閥、調(diào)速閥、分流-集流閥等。方向控制閥：控制液壓系統(tǒng)中流體流動(dòng)方向，包括單向閥、各類換向閥、截止閥等。特殊液壓閥:滿足某些特殊使用要求的液壓閥，其中包括多路換向閥、電液伺服閥、插裝閥、疊加閥、電液比例閥和電液數(shù)字閥等。

5.2液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成5.2液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成5.2液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成壓力控制閥流量控制閥方向控制閥壓力控制閥（4）輔助原件：包括油箱、濾油器、管路及接頭、冷卻器、壓力表等。它們的作用是提供必要的條件使系統(tǒng)正常工作并便于監(jiān)測(cè)控制。

5.2液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成壓力表濾油器5.2液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：液壓系統(tǒng)的功率-質(zhì)量比以及扭矩-慣性比較大，用于大功率、大慣量載荷。液壓系統(tǒng)的速度、扭矩和功率可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，操作簡(jiǎn)便、省力。液壓系統(tǒng)傳動(dòng)裝置工作平穩(wěn)、反應(yīng)快、沖擊小。易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，元件使用壽命長(zhǎng)。5.2液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)：油液流動(dòng)過程中存在損失，傳動(dòng)效率較低，不適宜遠(yuǎn)距離傳動(dòng)。液壓不適宜用于高、低溫環(huán)境。液壓元件漏油會(huì)導(dǎo)致污染環(huán)境，甚至可能引起火災(zāi)。液壓元件制造精度要求高，使用成本較高。5.3氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

氣壓驅(qū)動(dòng)是以壓縮空氣為工作介質(zhì)，進(jìn)行能量傳遞和信號(hào)傳遞的技術(shù)，其組成元件包括氣壓發(fā)生裝置、控制元件、執(zhí)行元件和輔助元件四部分。1—空氣壓縮機(jī)；2—單向閥；3—儲(chǔ)氣罐；4—空氣過濾器；5—減壓閥；6—壓力表；7—壓力繼電器；8—安全閥氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一次壓力控制回路組成圖5.3氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂5.3.1氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成1.氣壓發(fā)生裝置（氣源），主體部分是空氣壓縮機(jī)，它可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成空氣的壓力能。2.氣壓控制元件，用來(lái)對(duì)壓縮空氣的壓力、流量和流動(dòng)方向進(jìn)行調(diào)凋節(jié)和控制。3.氣壓執(zhí)行元件，是將壓縮空氣的壓力轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的元件。4.氣壓輔助元件，用于使壓縮空氣凈化、元件內(nèi)部潤(rùn)滑、排氣降噪、元件間的連接以及信號(hào)轉(zhuǎn)換、顯示、放大、檢測(cè)等所需的各種氣動(dòng)元件。5.3.2氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（1）氣動(dòng)元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易