機(jī)電一體化第四章--2_第1頁
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文檔簡介

1、1,第四章 控制電動機(jī)及其選擇計(jì)算,伺服系統(tǒng)(servo system)又稱隨動系統(tǒng)或自動跟蹤系統(tǒng)、自動校正系統(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控制系統(tǒng),能自動、迅速、連續(xù)、精確地響應(yīng)輸入指令的變化規(guī)律。,2,伺服系統(tǒng)分類,按其控制原理分: 開環(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)。,3,對不同的機(jī)電一體化設(shè)備

2、,伺服系統(tǒng)驅(qū)動部 件時所需功率的差異很大。在確定驅(qū)動方式時, 一般從輸出功率與響應(yīng)頻率兩個方面綜合選擇。 液壓驅(qū)動伺服系統(tǒng)輸出功率大、響應(yīng)頻率高; 氣壓驅(qū)動伺服系統(tǒng)響應(yīng)頻率低但輸出功率大; 伺服電機(jī)驅(qū)動的伺服系統(tǒng),對不同的伺服電機(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)動的伺服系統(tǒng)。,4,本章主要內(nèi)容,第一節(jié) 步進(jìn)電動機(jī)及其控制 第二節(jié) 直流伺服電動機(jī)及其控制 第三節(jié) 交流伺服電動機(jī)及其控制 第四節(jié) 直線電動機(jī) 第五節(jié) 控制電動機(jī)選擇與計(jì)算實(shí)例,5,引 言 控制電機(jī)(伺服電機(jī))是電氣伺服控制系統(tǒng)的動力部件,是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種

3、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。 控制電機(jī)有回轉(zhuǎn)和直線驅(qū)動電機(jī),通過電壓、電流、頻率(指令脈沖)等控制,實(shí)現(xiàn)定速、變速驅(qū)動或反復(fù)起動、停止的增量驅(qū)動及其它復(fù)雜驅(qū)動。,6,圖4-1 伺服電動機(jī)控制方式的基本形式,7,如圖4-1示的開環(huán)系統(tǒng)無檢測裝置,用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動,每輸入一個脈沖,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)角大小由脈沖個數(shù)決定,由于開環(huán)系統(tǒng)無檢測裝置,誤差無法測出和補(bǔ)償,故開環(huán)系統(tǒng)精度不高。,閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)有檢測裝置,閉環(huán)系統(tǒng)的檢測裝置裝到移動部件上,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)的檢測裝置裝

4、到伺服電機(jī)上,在伺服電機(jī)尾部裝有編碼器和測速發(fā)電機(jī),分別檢測移動部件的位移和速度。,8,伺服電機(jī)相關(guān)基本概念,對任何電動機(jī),都可定義功率密度和比功率兩項(xiàng)指標(biāo)。 功率密度: ,P為電動機(jī)功率;V為電動機(jī)的體積。 比功率: TN為額定轉(zhuǎn)矩。,9,伺服電機(jī)相關(guān)基本概念,對于起停較少的場合,如用于數(shù)控機(jī)械的進(jìn)給、機(jī)器人驅(qū)動的電動機(jī),往往要求低速平穩(wěn)、高速振動小、轉(zhuǎn)矩脈動小,并且調(diào)速全范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。這種場合下功率密度是主要指標(biāo)。 對于起停較多的場合,如用于高速打印機(jī)、繪圖儀、集成電路焊接的電動機(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:直流無刷電動機(jī)步進(jìn)電機(jī)直流伺服電動

5、機(jī)交流伺服電動機(jī)。,10,11,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)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械 角位移的執(zhí)行元件。每接受一個電脈沖, 在驅(qū)動電源的作用下,步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn) 過一步,轉(zhuǎn)過的角度為步距角。,12,圖4-2為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖。其定子有六個均勻分布的磁極,每兩個相對磁極組成一相,即有U-U 、V-V、W-W三相,磁極上繞勵磁繞組。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

6、微機(jī)實(shí)現(xiàn)開環(huán)的數(shù)字控制。,13,B,轉(zhuǎn)子,定子,若A-A磁極通電,14,由于勵磁磁通總力圖沿磁阻最小路徑通過,因此定子對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁吸力,迫使轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)動,當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與定子齒對齊位置時,因轉(zhuǎn)子只受徑向力而無切線力,故轉(zhuǎn)矩為零,轉(zhuǎn)子被鎖定在這個位置上。由此可見:定子與轉(zhuǎn)子間的錯齒是助使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因。 若對勵磁繞組以一定方式通以直流勵磁電流,則轉(zhuǎn)子以相應(yīng)的方式轉(zhuǎn)動。其轉(zhuǎn)動原理其實(shí)就是電磁鐵的工作原理.,15,圖4-3 步進(jìn)電動機(jī)工作原理圖,通電順序: U 相V 相W 相U 相。, U 相通電, V 相通電, W 相通電,一步,兩步,三相單三拍,16,由圖4-3看出,給U相通電轉(zhuǎn)子逆時針方向

7、轉(zhuǎn)過了30角。給V相通電,轉(zhuǎn)子逆時針再轉(zhuǎn)過30角;如此按照UVWU的順序通電,轉(zhuǎn)子則沿逆時針方向一步步地轉(zhuǎn)動,每步轉(zhuǎn)過30,這個角度就叫步距角。,顯然,單位時間內(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。三相勵磁繞組依次單獨(dú)通電運(yùn)行,換接三次完成一個通電循環(huán),稱為三相單三拍通電方式。,17,三相雙三拍,通電順序: UV 相VW 相WU 相。, UV 相通電, VW 相通電, WU 相通電, 步距角: = 30,18,步進(jìn)電機(jī)還可以按三相六拍通電方式工作,即按UUVVVWWWUU順序通電,換接六次完成一個通電循環(huán)。這種通電方式的步距角為15,是三拍通電時的一半。 步進(jìn)電機(jī)的步距角越小,

8、意味著所能達(dá)到的位置精度越高。,三相六拍,通電順序:UUV VVW W WU U。,1,2,3,4,5,6,步距角: = 15,19,35BYJ46步進(jìn)電機(jī),20,步進(jìn)電機(jī),驅(qū)動器,21,永磁式步進(jìn)系列電動機(jī),22,四自由度教學(xué)機(jī)器人,23,六自由度教學(xué)機(jī)器人,24,二、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 幾個基本特點(diǎn): 1.步進(jìn)電機(jī)受數(shù)字脈沖信號控制,輸出角位 與輸入脈沖數(shù)成正比,即: 式中 電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度,(); N控制脈沖數(shù); 步距角,()。,25,2.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)

9、的轉(zhuǎn)向可以通過改變通電順序來改變;,26,4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、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,27,6.步進(jìn)電機(jī)的步距角有誤差,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會出現(xiàn)累積誤差,但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)以后,其累積誤差為“零”,不會長期積累; 7.易于直接與微機(jī)的I/O接口,構(gòu)成開環(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。,28,因此,步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于開環(huán)結(jié)構(gòu)的機(jī)電一體化系統(tǒng),使系統(tǒng)簡化,并可

10、靠地獲得較高的位置精度。,29,三、步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo),1.步距角 在一個電脈沖作用下(即一拍),電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移稱為步距角。步距角越小,分辨力越高。常見的步距角有: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)時的特性,包括靜轉(zhuǎn)矩、矩-角特性及靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。,30,在空載狀態(tài)下,給步進(jìn)電機(jī)某相通以直流電流時,轉(zhuǎn)子上沒有轉(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)子齒的中心線與定子齒的中心線將錯過一個(通常用電角度e表示),才能重新穩(wěn)定下來, 叫做失調(diào)角。,空載,負(fù)載,31,角-距特性曲線,靜態(tài)轉(zhuǎn)矩隨著失調(diào)角e變化的曲線就是

11、角矩特性曲線。可以證明,此曲線可近似地用一條正弦曲線表示,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)品說明書中標(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e在-到的范圍內(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-e的區(qū)域稱為步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。,U相通電,4,Tl,32,3動態(tài)特性 步進(jìn)電機(jī)的動態(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,動態(tài)轉(zhuǎn)矩變小,動態(tài)轉(zhuǎn)矩與脈沖頻率的關(guān)系稱為矩頻特性。,33,步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性與配套使用的驅(qū)動電源有密切關(guān)

12、系。驅(qū)動電源由環(huán)形脈沖分配器、功率放大器組成,如圖4-4所示。驅(qū)動電源是將變頻信號源送來的脈沖及方向信號按要求的配電方式自動地循環(huán)供給電機(jī)各相繞組,以驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn),四、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制,34,環(huán)形分配器:硬件環(huán)分與軟件環(huán)分,驅(qū) 動 器,35,從計(jì)算機(jī)輸出口或從環(huán)形分配器輸出的信號脈沖電流一般只有幾伏、幾個毫安,不能直接驅(qū)動步進(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。,36,功率放大,37,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

13、=iLR12,38,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設(shè)計(jì),計(jì)算機(jī),39,40,五、步進(jìn)電機(jī)的選用 選用步進(jìn)電機(jī)時,必須首先根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu) 草圖計(jì)算機(jī)械傳動裝置及負(fù)載折算到電動機(jī) 軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量,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、運(yùn)行矩-頻特性選擇 合適的步進(jìn)電機(jī)。,41,1轉(zhuǎn)矩和慣量匹配條件 為了使步進(jìn)電機(jī)具有良好的起動能力及較快的響應(yīng)速度,通常推薦: TL/Tmax0.5及JL/Jm4 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

14、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的等效轉(zhuǎn)動慣量。,42,確定起動頻率是否滿足要求,根據(jù)上述條件,初步選擇步進(jìn)電機(jī)的型號,然后,根據(jù)動力學(xué)公式檢查其起動能力和運(yùn)動參數(shù),如起動頻率、起動時間、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,保證轉(zhuǎn)子能不失(丟)步,正常運(yùn)行的最高脈沖頻率稱為最大起動頻率.,43,由于步進(jìn)電機(jī)的起動矩頻特性曲線是在空載下作出的,檢查其起動能力時應(yīng)考慮慣性負(fù)載對起動轉(zhuǎn)矩的影響,然后,再查其起動轉(zhuǎn)矩和計(jì)算起動時間。,44,不同JL/Jm下的矩頻特性如圖4-5。由此可見,JL/Jm比值增大,最大起動頻率越小,其加減速時間將會延長,這就失去了快速性。,圖4-5 不同 下的矩

15、頻特性,45,當(dāng)在起動矩頻特性曲線上查不到帶慣性負(fù)載時的最大起動頻率時,可用下式近似計(jì)算: (4-1) 式中fL帶慣性負(fù)載的最大起動頻率,Hz或p/s; fm電機(jī)本身的最大空載起動頻率,Hz或p/s; Jm電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量,kgm2。 JL換算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量,kgm2。 當(dāng)JL/Jm=3時,fL = 0.5fm。,46,2步矩角的選擇和精度 步矩角的選擇是由脈沖當(dāng)量等因素來決定的。步進(jìn)電機(jī)的步距角精度將會影響開環(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,每隔指定的步數(shù),測定其實(shí)際角位移與理論角位移之差,稱為靜止角

16、度誤差,并用正負(fù)峰值之間的12來表示。其誤差越小,電動機(jī)精度越高。一般 為 的(35),但它不受N值大小的影響,即不會產(chǎn)生累積誤差。,47,步進(jìn)電機(jī)選擇計(jì)算實(shí)例,48,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。,49,一、直流伺服電動機(jī)的分類與結(jié)構(gòu),1.工作原理, U ,50,電刷,換向片,直流電流,交流電流,電磁轉(zhuǎn)矩 (拖動轉(zhuǎn)矩),換向,機(jī)械負(fù)載,旋轉(zhuǎn),反電動勢,做功,電磁關(guān)系,51,電樞等效電路圖,Ua=Ea+IaRa,Ea=Ce,式中,Ce是電動勢常數(shù),僅

17、與電動機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān);是定子磁場中每極的氣隙磁通量,Ua-IaRa=Ce,補(bǔ)充:直流電動機(jī)的電壓平衡方程式,52,此外,電樞電流切割磁場磁力線所產(chǎn)生的電磁 轉(zhuǎn)矩Tm可由下式表達(dá): Tm=CmIa 則 式中,Cm是轉(zhuǎn)矩常數(shù),僅與電動機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)。 因此可得到直流伺服電動機(jī)運(yùn)行特性的一般表達(dá)式:,Ua-IaRa=Ce,53,由此可以得出空載( Tm0,轉(zhuǎn)子慣量忽略不計(jì))和電機(jī)起動(0)時的電機(jī)特性: (1) =0時,有 (1) Tm =0時,有 ,54,把角速度看作是電磁轉(zhuǎn)矩Tm的函數(shù),即=f(Tm),則可得到直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式為 式中,0是常數(shù), ,圖 直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性,機(jī)械特性:

18、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,55,把角速度看作是電樞電壓Ua的函數(shù),即=f(Ua),則可得到直流伺服電動機(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 直流伺服電動機(jī)的調(diào)節(jié)特性,直流電動機(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。,56,外電阻對直流電機(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,57,二、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、控制方法簡單直流伺服電機(jī)具有線性的調(diào)節(jié)特性

19、,能使轉(zhuǎn)速正比于控制電壓的大?。晦D(zhuǎn)向取決于控制電壓的極性;控制電壓為零時,轉(zhuǎn)子慣性很小,能立即停止。,58,3.響應(yīng)迅速 直流伺服電機(jī)具有較大的起動轉(zhuǎn)矩和較小的轉(zhuǎn)動慣量,在控制信號增加、減小或消失的瞬間,直流伺服電機(jī)能快速起動增速、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。,59,三、直流伺服電機(jī)的驅(qū)動及控制 1.直流伺服電機(jī)的驅(qū)動方式 電機(jī)驅(qū)動控制中,實(shí)質(zhì)上是通過對電機(jī)驅(qū)動電源的控制,來進(jìn)一步控制電機(jī)的驅(qū)動電流和電壓。 直流伺服電機(jī)用直流供電,為調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)

20、速和方向,需要對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,60,脈沖調(diào)制器是一個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)動系統(tǒng)原理如圖4-6所示。設(shè)開關(guān)K周期性地閉合、斷開,在一個周期T內(nèi),閉合的時間是,斷開的時間是T-。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方波列,高度為U,寬度為。,圖4-6 PWM直流調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)原理圖 a) 控制原理圖 b)電壓時間關(guān)系圖,61,圖中的二極管為續(xù)流二極管,當(dāng)K斷開時,由于電感La的存在,電機(jī)的電樞電流Ia可通過它形成回路而繼續(xù)流動,因此

21、盡管電壓呈脈動狀,而電流還是連續(xù)的。,式中 稱為導(dǎo)通率,又稱占空系數(shù)。當(dāng)T不變時,只要連續(xù)地改變就可以連續(xù)地使Ua由0U,從而達(dá)到連續(xù)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速之目的。常選用的開關(guān)頻率為5002500Hz。,平均電壓:,62,根據(jù)選用的開關(guān)元件不同,目前常用可控硅(晶閘管)直流調(diào)速驅(qū)動和晶體管脈寬調(diào)速驅(qū)動兩種方式。,(1)晶閘管SCR,晶閘管的開關(guān)特性如下:,1) 起始時若控制極G不加電壓,則不論陽極A 加正向還是反向電壓,晶閘管均不導(dǎo)通,這說明晶閘管具有正、反向阻斷能力。,2) 晶閘管的陽極A和控制極G同時加正向電壓時晶閘管才能導(dǎo)通,這是晶閘管導(dǎo)通必須同時具備的兩個條件。,3) 在晶閘管導(dǎo)通之后,其控制極

22、 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)動只能用交流電供電,通過過零閉合。,63,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)

23、,因此,從功能上可以將功率晶體管看做是一個工作在開關(guān)狀態(tài)下的大功率三極管。,(2)大功率晶體管,64,直流電機(jī)功率驅(qū)動電路結(jié)構(gòu),關(guān)鍵是產(chǎn)生寬度可調(diào)的脈沖信號,即 PWM信號,脈寬信號,65,電壓-脈寬變換器結(jié)構(gòu),66,直流電機(jī)控制驅(qū)動原理圖,計(jì) 算 機(jī),D/A,67,計(jì) 算 機(jī),D/A,對于小型的直流電機(jī),也可以自己設(shè)計(jì)PWM功率放大器,或者選擇專門的PWM功率放大器芯片(如L298)!,對于大型直流電機(jī),交流-直流 轉(zhuǎn)換器,68,L298,69,第三節(jié) 交流電機(jī)及其控制 一、交流電機(jī)的種類和結(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

24、機(jī)正迅速取代直流電機(jī)。,70,感應(yīng)型(IM): 指鼠籠型感應(yīng)電機(jī)。 特點(diǎn):(1)對定子電流的激勵分量和轉(zhuǎn)矩分量分別控制; (2)具有直流伺服電機(jī)的全部優(yōu)點(diǎn)。,71,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,72,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為啟動瞬時每項(xiàng)的漏感抗,U1為定子電源電壓,機(jī)械特性:異步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)機(jī)械特性指電壓恒定時,轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)差率s或轉(zhuǎn)速n的函數(shù)關(guān)系。,曲線上的重要點(diǎn)有: nN ,TN額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩 Tst起動轉(zhuǎn)矩,KT為有電動機(jī)結(jié)構(gòu)決定的常數(shù),73,穩(wěn)定工作區(qū)曲線bc段(下降段),設(shè)電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL為穩(wěn)定值,與電動機(jī)的轉(zhuǎn)速無

25、關(guān)。電動機(jī)工作在N點(diǎn),當(dāng)T= TL時,電動機(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還來不及變化,于是有TTL ,電動機(jī)將減速運(yùn)行,n減小。由T(n)曲線可知: n減小又將使T增大,重新使電磁轉(zhuǎn)矩T= TL 。這時電動機(jī)以較原來略低的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行。 這一過程可以表示為: 當(dāng)擾動消失,電動機(jī)可以重新回到N點(diǎn)工作。,e,74,不穩(wěn)定工作區(qū)曲線ab段(上升段),不穩(wěn)定工作區(qū)對應(yīng)于T(n)曲線的ab段。電磁轉(zhuǎn)矩T隨著速度的增加而增大。電動機(jī)在這個區(qū)域工作時是不穩(wěn)定的。 一旦平衡被打破,如果TTL,電動機(jī)會越過最大轉(zhuǎn)矩Tm跑到穩(wěn)定工作區(qū)bc中去。 注意:“悶

26、車”容易燒毀電動機(jī),75,(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)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n與下列因素有關(guān): (4-4) 式中n電動機(jī)轉(zhuǎn)速; f外加電源頻率; p電動機(jī)極對數(shù); S滑差率。,76,1. 改變轉(zhuǎn)差率s,可在轉(zhuǎn)子繞組中串接電阻來改變轉(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。損耗使電動機(jī)的效率降低,特性變差。 2. 改變極對數(shù)p,這種方法調(diào)速是有級的,而且調(diào)速范圍窄。電動機(jī)設(shè)計(jì)制造時就已決定了p的可取值,往往是2或3。 3. 改變定子供電頻率f,可以無級地改變電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0

27、,這種方法稱為變頻調(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。,77,2)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 換形式和接線方法。,78,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,,79,圖4-11 交直交變頻器,80,然后經(jīng)電容器或電抗器對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

28、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。,81,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機(jī)激磁。,82,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。,83,0,84,3)SPWM變頻調(diào)速,SPWM變頻調(diào)速是最近發(fā)展起來的,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比值在變頻的同時改變電壓。并可按一定規(guī)律調(diào)制脈

29、沖寬度,如按正弦波規(guī)律調(diào)制,這就是SPWM變頻調(diào)速。,85,SPWM變頻的工作原理可用圖4-12和4-13 加以說明。 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等效。與直流PWM相似,SPWM也分單極和雙極兩種工作方式。,86,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。,87,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

30、開關(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。對負(fù)半周可通過反向器得到負(fù)的脈沖波。,88,顯然,必須使u1ut,才能有正確的開關(guān)點(diǎn)。由于這種脈沖波每半個周期內(nèi)只有一種極性,故稱單極性。,89,圖 單極性PWM控制方式原理,90,圖 雙極性PWM控制方式原理,91,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方法。,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時,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)等問題。,變頻器的作用

31、是將供電電網(wǎng)的工頻交流電變?yōu)檫m合于交流電動機(jī)調(diào)速的電壓、頻率可變的交流電,92,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)紡織專用變頻器: (3)矢量控制變頻器: (4)機(jī)床專用變頻器: (6)電梯專用矢量變換控制變頻器: (5)高頻變頻器:,93,變頻器選擇,電動機(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,首先要分析對象的負(fù)載特性并選擇電動機(jī)的容量,根據(jù)用途選擇合適的變頻器類型,然后再進(jìn)一步確定變頻器的容量,,94,95,三菱A540系列變頻器,96,三菱A540系列變頻器接口,變頻器是通過裝置上的接線端子與外部連接的。接線端子分為主回路端子和控制回路

32、端子,主回路端子連接供電電源、交流電動機(jī)及外部能耗制動電路,控制回路端子連接變頻控制的控制按鈕開關(guān)或控制電路。在人工控制系統(tǒng)中,只要在控制回路接線端上接上相應(yīng)的機(jī)械開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。,97,在自動控制系統(tǒng)中,則有三種方法:,第一種使用繼電器開關(guān)電路,繼電器的開/關(guān)受上位控制器的控制,這種方法適用于簡單的恒速控制,其接口電路的設(shè)計(jì)與開關(guān)功率驅(qū)動相同;,98,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。,99,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,變頻器就可以通過數(shù)字接口與上位控制器的并行

33、輸出口直接相聯(lián),以實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字控制。,100,可見,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,操作簡便。具體細(xì)節(jié)請參閱相應(yīng)產(chǎn)品的說明書。,101,四交流伺服電動機(jī)的選擇,交流伺服電動機(jī)及其控制技術(shù),有逐步替代直流伺服電動機(jī)及其控制技術(shù)的趨勢,且交流數(shù)控技術(shù)已達(dá)到直流數(shù)控技術(shù)水平。,102,交流伺服電動機(jī)具有沒有換向部件,過載能力強(qiáng),體積小,重量輕等優(yōu)點(diǎn),適宜于高速,高精度,頻繁的起動與停止,快速定位等場合,且電動機(jī)不需維護(hù),以在惡劣環(huán)境下使用。,103,交流伺服電動機(jī)有三相感應(yīng)型和同步型電動機(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機(jī)的調(diào)速特性。 采用變

34、頻調(diào)速時,可方便地獲得與頻率f成正比的轉(zhuǎn)速n,其中p為極對數(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。,104,圖4-14為FANUC10(或BESK10)交流伺服電動機(jī)的工作特性曲線,只有連續(xù)工作區(qū)和斷續(xù)工作區(qū),后者可用于電動機(jī)的加減速控制工況。 其特點(diǎn)是連續(xù)工作區(qū)的直線更接近于水平線,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)提高電動機(jī)的加減速能力。,105,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)動慣量的匹配 (1)對于轉(zhuǎn)動慣量較小的伺服電機(jī) (2)對于轉(zhuǎn)動慣量較大的伺服電機(jī),106,1.交

35、流伺服電動機(jī)的初選擇 (1)初選交流伺服電動機(jī) 電動機(jī)的選擇,首先要考慮電動機(jī)能夠提供負(fù)載所需要的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。從安全來講,就是能夠提供克服峰值負(fù)載所需要的功率。 其次,須考慮電動機(jī)的熱額定問題,通常用負(fù)載的均方根功率作為確定電動機(jī)發(fā)熱功率的基礎(chǔ)。 最后,進(jìn)行轉(zhuǎn)矩過載校核,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),107,若要求電動機(jī)在峰值負(fù)載轉(zhuǎn)矩下以峰值 轉(zhuǎn)速不斷的驅(qū)動負(fù)載,則電動機(jī)功率: KW 式中 負(fù)載峰值力矩(Nm); nLP 電動機(jī)負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速(r/s); 傳動裝置的效率,初步估算時取0.70.9; 1.52.5系數(shù)。,108,電動機(jī)長期連續(xù)的工作在變負(fù)載之下時, 比較

36、合理的是按負(fù)載方均根功率來估算 電動機(jī)功率。 kW (4-5) 式中 負(fù)載方均根力矩(Nm); nLr負(fù)載方均根轉(zhuǎn)速(r/s)。,109,估算出Pm后就可選取電動機(jī),使其額定功率PN滿足: PNPm 初選電動機(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)動慣量等,均可由產(chǎn)品目錄直接查得或經(jīng)過計(jì)算求得。,110,(2)發(fā)熱校核 對于連續(xù)工作負(fù)載不變的電動機(jī),要求在整 個轉(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)算在一個負(fù)載周期內(nèi)電動機(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)矩選擇電動機(jī)應(yīng)滿足 (411) 式中TN電動機(jī)額

37、定轉(zhuǎn)矩(Nm); 折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載方均根轉(zhuǎn)矩(Nm); t電動機(jī)工作循環(huán)時間; TLa折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)子上的等效慣性轉(zhuǎn)矩; TLF折算到電動機(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,111,圖4-15a為一般伺服系統(tǒng)的計(jì)算模型。 根據(jù)電動機(jī)發(fā)熱條件的等效原則,這種三角形轉(zhuǎn)矩波在加減速時的均方根轉(zhuǎn)矩TLr 由下式近似計(jì)算 式中tp個負(fù)載工作周期的時間,即tp=t1+t2+t3+t4。,圖4-15 變轉(zhuǎn)矩加減速控制計(jì)算模型(a),112,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,113,以上兩式只有在tp比溫度上升熱時間常數(shù)tth小得多(

38、tp ),且tth=tg時才能成立,其中,tg為冷卻時的熱時間常數(shù),通常均能滿足這些條件。,所以選擇伺服電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩TN時,應(yīng)使 TNK1K2TLr 式中K1安全系數(shù),一般取K11.2; K2轉(zhuǎn)矩波形系數(shù),矩形轉(zhuǎn)矩波取 K21.05,三角轉(zhuǎn)矩波取K21.67。,114,例如,在龍門刨床工作臺的自動控制中,伺服電動機(jī)驅(qū)動工作臺作往復(fù)運(yùn)動。如圖4-16。切削速度v0為電動機(jī)正轉(zhuǎn)工作行程;v0為反轉(zhuǎn)返回行程。工作行程包括起始階段,切削加工階段和制動階段。返回行程也包括三個階段、和,如圖4-16a所示。,115,圖4-16 龍門刨床加工過程中進(jìn)給伺服電動機(jī)的負(fù)載周期,TLF,TLa,Tc,T合,1

39、16,(3)轉(zhuǎn)矩過載校核 轉(zhuǎn)矩過載校核的公式為 而 式中 (TL)max折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載力矩的最大值; (Tm)max電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的最大值(過載轉(zhuǎn)矩); (TN)電動機(jī)的額定力矩; 電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩過載系數(shù)。對直流伺服電動機(jī),一般取2.02.5;對交流伺服電動機(jī),一般取1.53。 需指出,電動機(jī)的選擇,還取決于系統(tǒng)的動態(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。,117,2伺服系統(tǒng)慣量匹配原則 由于Je/Jm比值的大小對伺服系統(tǒng)性能有很大的影響,且與交流伺服電動機(jī)種類及其應(yīng)用場合有關(guān),通常分為兩種情況: (1)對于采用慣量較小的交流伺服電動機(jī)的伺服系統(tǒng), 小慣量交流伺服電動

40、機(jī)的慣量低達(dá)Jm510-5kgm2,其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩慣量比大,時間常數(shù)小,加減速能力強(qiáng),所以其動態(tài)性能好,響應(yīng)快。 因此其比值通常推薦為 當(dāng)Je/Jm3時,對電動機(jī)的靈敏度與響應(yīng)時間有很大影響,甚至?xí)顾欧糯笃鞑荒茉谡U{(diào)節(jié)范圍內(nèi)工作。,118,(2)對于采用大慣量交流伺服電動機(jī)的伺服系統(tǒng), 其比值通常推薦為 0.25Je/Jm1 所謂大慣量是相對小慣量而言,其數(shù)值Jm=0.10.6kgm2。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;熱時間常數(shù)有的長達(dá)100min,比小慣量電動機(jī)的熱時間常數(shù)2

41、3min長得多,并允許長時間的過載,即過載能力強(qiáng)。其次,由于其特殊構(gòu)造使其轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)很?。?%)。因此,采用這種電動機(jī)能獲得優(yōu)良的低速范圍的速度剛度和動態(tài)性能,在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用較廣。,119,第四節(jié) 直線電動機(jī) 過去,直線運(yùn)動一般用旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過曲柄連桿、蝸輪蝸桿、齒輪齒條、凸輪推桿等傳動機(jī)構(gòu)來獲得的。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)。 直線電機(jī)是不需要中間轉(zhuǎn)換裝置,而能直接輸出直線運(yùn)動的電動機(jī)械。,120,目前直線電動機(jī)主要應(yīng)用的機(jī)型有直線感應(yīng)電動機(jī)、直線直流電動機(jī)和直線步進(jìn)電動機(jī)三種。,直線電機(jī)的分類:,直線電動機(jī)可以認(rèn)為是從旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變而來的,121,圖4-

42、17 直線電動機(jī)的形成,一、直線感應(yīng)電動機(jī) 直線感應(yīng)電動機(jī)可以看作是由普通的旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動機(jī)直接演變而來的。,分動次級、動初級兩類,122,當(dāng)初級的多相繞組中通入多相電流后,會產(chǎn)生一個氣隙基波磁場,但是這個磁場的磁通密度波B 是直線移動的,故稱為行波磁場。顯然 行波的移動速度與旋轉(zhuǎn)磁場在定子內(nèi)圓表面上的 線速度是一樣的,即為vs,稱為同步速度,且 (cm/s) 在行波磁場切割下,次級導(dǎo)條將產(chǎn)生感應(yīng)電勢和電流,導(dǎo)條的電流和氣隙磁場相互作用,便產(chǎn)生切向電磁力。若初級固定不動,那末次級就順著行波磁場運(yùn)動的方向作直線運(yùn)動。若次級移動的速度用v,則滑差率: 次級移動速度:,123,上式表明直線感應(yīng)電動機(jī)的

43、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,改變直線電機(jī)初級繞組的通電相序,可改變電機(jī)運(yùn)動的方向,因而可使直線電機(jī)作往復(fù)直線運(yùn)動。,124,圖4-19 平板型直線電動機(jī),圖4-19所示的平板型直線電機(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中直線電機(jī)的初級和次級長度相等,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、次級做得長短不等。根據(jù)初、次級間相對長度,可把平板型直線電機(jī)分成短初級和短次級兩類,如圖4-19所示。,125,圖4-20 雙邊型直線電動機(jī),德國百格拉公司直線電 動機(jī),126,圖4-21 管型直線感應(yīng)電動機(jī)的形成

44、,127,圖4-22 圓盤型直線電動機(jī),128,二、直線直流電動機(jī) 直線直流電機(jī)主要有兩種類型:永磁式和電磁式。 前者多用在功率較小的自動記錄儀表中,而后者 則用在驅(qū)動功率較大的機(jī)構(gòu)。 永磁式直線電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4-23所示。在線圈的行程范圍內(nèi),永久磁鐵產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度分布很均勻。當(dāng)可動線圈中通入電流后,載有電流的導(dǎo)體在磁場中就會受到電磁力的作用。這個電磁力可由左手定則來確定。改變電流的大小和方向,即可控制線圈的推理和方向,圖4-23 永磁式直線直流電動機(jī),結(jié)構(gòu)簡單,但是功率小,129,圖4-24 電磁式直線直流電動機(jī),當(dāng)功率較大時,直線電機(jī)可改為由繞組通入直流電勵磁所產(chǎn)生,成為電磁式直線直流電機(jī)。

45、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)。,130,三、直線步進(jìn)電動機(jī) 可實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制,直線步進(jìn)電動機(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,這是直流電動機(jī)和感應(yīng)電動機(jī)不能做到的。因此,直線步進(jìn)電動機(jī)具有直接驅(qū)動、容易控制、定位精確等優(yōu)點(diǎn)。直線步進(jìn)電機(jī)主要可分為反應(yīng)式和永磁式兩種 。,131,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”,其上開有間距為 t 的矩形齒槽,槽中填滿非磁材料(如環(huán)氧樹脂)使整個定子表面非常光滑。動子上裝有兩塊永久磁鋼A和B,每一磁極端部裝有用鐵磁

46、材料制成的形極片,每塊極片有兩個齒(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)其中一個磁鋼的齒完全與定子齒和槽對齊時,另一磁鋼的齒應(yīng)處在定子的齒和槽的中間。,A通正電,132,圖4-25 永磁式直線步進(jìn)電動機(jī)工作原理圖,A通正電,B通正電,A通負(fù)電,B通負(fù)電,133,相反,如果想使動子向左移動,只要把 4 個階段倒過來。為減小步距,削弱振動和噪音,這種電機(jī)可采用細(xì)分電路驅(qū)動,使電機(jī)實(shí)現(xiàn)微步距移動。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周期時,動子就移動一

47、個齒距;如果要改變移動方向,可通過改變繞組中的電流極性來來實(shí)現(xiàn)。,134,如要求動子作平面運(yùn)動,這時應(yīng)將定子改為一塊 平板,其上開有x、y 軸方向的齒槽,定子齒排成 方格形,槽中注入環(huán)氧樹脂,而動子是由兩臺上述那樣的直線步進(jìn)電機(jī)組合起來制成的,如圖4-26所示。設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)某绦蚩刂普Z言,產(chǎn)生一定的脈沖信號,就可使動子在 x y 平面上作任意軌跡的運(yùn)動,并定位在平面上任何一點(diǎn),這就成為平面步進(jìn)電動機(jī)了。 。,圖4-26 永磁平面步進(jìn)電動機(jī),135,綜上,與旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動相比,直線電機(jī)傳動具有下列優(yōu)點(diǎn): (1) 直線電機(jī)由于不需要中間傳動機(jī)械,直接輸出直線運(yùn)動,因而使整個機(jī)械得到簡化,提高了精度, 減

48、少了振動和噪音; (2)快速響應(yīng):用直線電機(jī)驅(qū)動時,不存在中間傳動機(jī)構(gòu)的慣量和阻力矩的影響,可實(shí)現(xiàn)快速啟動和正反向運(yùn)行; (3)儀表用的直線電機(jī),可以省去電刷和換向器等易損零件,提高可靠性,延長使用壽命; (4)直線電機(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。,136,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)動滾珠絲杠,帶動裝有刀架的拖板做往復(fù)直線運(yùn)動,其工作原理圖如圖4-28,其中工作臺即為拖板。,137,步進(jìn)電機(jī)的選擇和計(jì)算,1.脈沖當(dāng)量

49、的選擇、傳動比設(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)動慣量計(jì)算JL 4.初選電機(jī)的型號 5.性能驗(yàn)證,如起動特性、運(yùn)行特性等,138,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(12相勵磁)運(yùn)行時,步距角=0.75,其每轉(zhuǎn)脈沖數(shù) 根據(jù)脈沖當(dāng)量的定義:每輸入一個指令脈沖,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動工作臺移動的距離 初選=0.01 mm/P,由此可得中間齒輪傳動i為 選小齒輪齒數(shù)z1=20,z2=25,模數(shù)m=2mm。,139,2等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算(轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上) 1)空載時的摩擦轉(zhuǎn)矩TLF Ncm (2)車削加工時的

50、負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL Ncm 式中的 ,為絲杠頂緊時的傳動效率。,140,3等效轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算 (1)滾動絲杠的轉(zhuǎn)動慣量Js Ncms2 式中的鋼絲密度 kg/cm3 (2)拖板運(yùn)動慣量換算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量JW Ncms2 (3)大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量Jg2 Ncms2 式中b2=10mm為大齒輪寬度。,141,(4)小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量Jg1 Ncms2 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 Ncms2,142,4初選步進(jìn)電機(jī)型號 已知 Ncm Ncms2,初選步進(jìn)電機(jī)型號為110BF003,它的三條性能曲線見圖4-29。其最大 靜扭矩 Ncm,轉(zhuǎn)子慣量 Ncm2 該型

51、號電動機(jī)規(guī)定最小加、減速時間為1s,現(xiàn)試算之。 在圖4-29起動矩頻特性曲線中,查不確切的、帶慣性負(fù)載的最大自起動頻率fL,可用以下公式進(jìn)行計(jì)算: HZ 式中 fm電機(jī)本身的起動頻率,HZ。,143,圖4-29 110BF003型步進(jìn)電動機(jī)的性能曲線,帶負(fù)載啟動慣-頻特性曲線,啟動矩-頻特性曲線,運(yùn)行矩-頻特性曲線,144,不加工時的起動時間ta,由下式計(jì)算: 當(dāng)f=614HZ時, 對應(yīng)的轉(zhuǎn)速 r/min 查電機(jī)的起動矩頻特性曲線可知,當(dāng)f=614HZ時,Tm=3.5N.m,由此可得 s1s 因此,該電機(jī)在帶慣性負(fù)載時能夠起動。,145,5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)

52、行矩頻特性曲線查得,當(dāng) fmax=6000Hz時,電機(jī)轉(zhuǎn)矩Tm=90N.cmTf=11.46N.cm,故可按此頻率計(jì)算最大的快進(jìn)速度v2為 mm/min300mm/min 工進(jìn)速度的驗(yàn)算 當(dāng)TL=241.4N.cm時,對應(yīng)的頻率f12000Hz,故有 mm/min500mm/min 綜上所述,可選該型號的步進(jìn)電機(jī),且有一定的裕量,146,二、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,軸,X軸,安裝三合板,147,圖4-31 軸系和X軸系的伺服傳動系統(tǒng),軸半閉環(huán),X軸半閉環(huán),148,圖4

53、-31為軸和X軸系的半閉環(huán)伺服傳動系統(tǒng)。 軸系由DC伺服電動機(jī)通過三級齒輪傳動減速, 使工件在180范圍內(nèi)回轉(zhuǎn),見圖4-31a,電動機(jī) 軸上裝有編碼器進(jìn)行角位移檢測和反饋。 X軸系由DC伺服電動機(jī)直接驅(qū)動滾珠絲杠、帶動安有整個軸系的工作臺往復(fù)運(yùn)動,見圖4-31b,編碼器通過齒輪傳動增速與電動機(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,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)動噴嘴進(jìn)行吹氣。,149,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.軸(主軸)的周向加工速度100300mm/s 2.X軸(進(jìn)給軸)最大速

54、度6000mm/min 3.軸與X軸的加速時間0.5s 4.X向最大移動量2000mm 5.向最大回轉(zhuǎn)角180 6.軸周向和X軸的最小設(shè)定單位0.01mm/p 7.定位精度0.1mm以內(nèi) 8 .傳感器(旋轉(zhuǎn)編碼器)1000p/r,設(shè)計(jì)要求:選擇驅(qū)動電機(jī),設(shè)計(jì)傳動系統(tǒng),150,1軸的伺服傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1)總傳動比及其分配 (1)根據(jù)軸向脈沖當(dāng)量確定總傳動比 如圖4-31a所示,已知:工件直徑D上的周向脈沖當(dāng)量=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,可知總傳動比i為,周向脈沖當(dāng)量:編碼器產(chǎn)生一個脈沖輸出對應(yīng)的工件周向位移,15

55、1,2)電動機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算,工件的圓周速度,則工件轉(zhuǎn)速為:,電動機(jī)轉(zhuǎn)速,(2)傳動速比的分配,各級傳動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傳動如下:,152,3)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,153,4) 等效轉(zhuǎn)動慣量Je計(jì)算,(1)傳動系統(tǒng)換算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量J1,154,(2)工件轉(zhuǎn)動慣量換算到電機(jī)軸上轉(zhuǎn)動慣量為,根據(jù)工件的尺寸和材料可得其重力,將其

56、換算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩為:,(3)等效轉(zhuǎn)動慣量,5)初選伺服電動機(jī),電機(jī)連續(xù)工作的變負(fù)載,采用方均根轉(zhuǎn)矩,155,電動機(jī)長期連續(xù)在變負(fù)載下工作,按方均根負(fù)載初選電動機(jī),計(jì)算電動機(jī)功率,傳動系統(tǒng)的效率,156,157,初選IFT5042型交流伺服電動機(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,改選北京凱奇拖動控制系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的中慣量交流伺服電動機(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,158,6)計(jì)算電動機(jī)需要的轉(zhuǎn)矩,電動機(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,159,7)伺服電動機(jī)確定,均方根轉(zhuǎn)矩中,故有,表明電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩能滿足要求,不必進(jìn)行

57、發(fā)熱校核。,160,8)定位精度分析 軸伺服系統(tǒng)雖然是半閉環(huán)控制,但除了電動機(jī)以外,仍是開環(huán)系統(tǒng)。因此,其定位精度主要取決于軸的齒輪傳動系統(tǒng),與電動機(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,僅要求末級齒輪的傳動精度較高。當(dāng)要求周向定位精度=0.1mm時,則相當(dāng)于主軸上的轉(zhuǎn)角誤差為 由此可選擇末級齒輪的傳動精度。,161,2X軸的伺服傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì),162,2X軸的伺服傳動系統(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或中間齒輪傳動比i 如圖4-31b所示,已知:線位移脈沖當(dāng)量 =0.01mm/p,編碼器的分辨率s=1000p/r,相當(dāng)于該軸上的每個脈沖步距角 換算到電動機(jī)軸上, 電動機(jī)

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