(完整PPT)第四章__機電一體化系統(tǒng)的執(zhí)行元件——控制電動機課件

1、 作業(yè) 1、以三相步進電機為例，畫簡圖敘述其基本工作原理。 2、三相步進電機不同通電方式有何特點？ 3、若用單片機控制三相步進電機，試說明如何實現(xiàn)三相雙三拍通電方式的軟環(huán)分。 4、直流伺服電動機有何優(yōu)點？其結(jié)構(gòu)特點是什么 ？ 5、畫出直流伺服電機PWM雙極性控制的T形直流調(diào)壓驅(qū)動電路，并敘述其基本原理 。 異步電動機、直流電動機等都是作為動力使用的，其主要任務(wù)是能量的轉(zhuǎn)換。各種控制電機有各自的控制任務(wù)：如: 步進電動機將脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或線位移。 伺服電動機將電壓信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象； 直線電動機是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的傳動裝置。 本章

2、介紹的各種控制電機的主要任務(wù)是轉(zhuǎn)換和傳遞控制信號，能量的轉(zhuǎn)換是次要的。 控制電機的種類很多，本章只討論常用的幾種:步進電動機、直流伺服電動機、交流伺服電動機和直線電動機。概 述伺服（隨動）系統(tǒng) ：在機電一體化控制系統(tǒng)中，輸出量能夠以一定準確度跟隨輸入量的變化而變化的系統(tǒng)。它用來控制被控對象的轉(zhuǎn)角（或位移），使其能自動地、連續(xù)地、精確地復(fù)現(xiàn)輸入指令的變化規(guī)律。 伺服系統(tǒng)的基本組成：控制器、功率放大器、執(zhí)行機構(gòu)和檢測裝置等四大部分，如圖5.1所示。 圖5.1 伺服系統(tǒng)的組成 伺服系統(tǒng)的種類：按控制方式劃分開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)系統(tǒng)，以及由它們組合的復(fù)合伺服控制系統(tǒng)。2）按使用驅(qū)動元件劃

3、分：步進伺服系統(tǒng)、直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)、氣壓伺服系統(tǒng)。第四章 機電一體化系統(tǒng)執(zhí)行元件 控制第一節(jié) 概 述 一、功能： 執(zhí)行元件是伺服系統(tǒng)的組成部分，也是機電一體化系統(tǒng)的重要組成部分，用來將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機械能，驅(qū)動被控對象工作。是一種能量變換元件。處于機電一體化系統(tǒng)的機械運行機構(gòu)與微電子控制裝置的接點（聯(lián)接）部位的能量轉(zhuǎn)換元件 機電一體化伺服系統(tǒng)要求執(zhí)行元件具有轉(zhuǎn)動慣量小，輸出動力大，便于控制，可靠性高和安裝維護簡便等特點。 二、執(zhí)行元件的種類及特點 根據(jù)使用能量的不同，執(zhí)行元件主要分為電磁（氣）式、液壓式和氣壓式三大類型，如圖所示。 常用執(zhí)行元件的種類交流(A

4、C)伺服電機直流(DC)伺服電機步進電機其它電機雙金屬片形狀記憶合金壓電原件其它電磁鐵及其它與材料有關(guān)氣壓馬達氣缸液壓馬達油缸電動機電磁式液壓式氣動式執(zhí)行元件各種執(zhí)行元件的特點 1、電氣執(zhí)行元件 電氣執(zhí)行元件主要是直流（DC）伺服電機、交流（AC）伺服電機和步進電機。能實現(xiàn)定位伺服，響應(yīng)快，易于CPU接口，體積小，動力大，無污染。對這些伺服電機除了要求運轉(zhuǎn)平穩(wěn)以外，一般還要求動態(tài)性能好，適合于頻繁使用，便于維修等，自動化控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。 2、液壓式執(zhí)行元件 液壓式執(zhí)行元件主要包括往復(fù)運動油缸、回轉(zhuǎn)油缸、液壓馬達等，其中油缸最為常見。在同等輸出功率的情況下，液壓元件具有重量輕、快速性好，運行

5、平穩(wěn)等特點。 廣泛應(yīng)用于大功率控制系統(tǒng)。3、氣壓式執(zhí)行元件 氣壓式執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作工作介質(zhì)外，與液壓式執(zhí)行元件沒有區(qū)別。氣壓驅(qū)動雖可得到較大的驅(qū)動力、行程和速度，但由于空氣粘性差且具有可壓縮性，故不能在定位精度要求較高的場合使用，在中、小功率化工石油設(shè)備（防爆）、機械工業(yè)生產(chǎn)自動化上應(yīng)用較多。三、對伺服控制電動機的基本要求（2）快速性好 加速度大、響應(yīng)特性好。 （3）位置控制與速度控制精度高、調(diào)速范圍大、低速平穩(wěn)性好、分辨率高以及振動噪音小。 （4）能適應(yīng)頻繁啟動，可靠性高、壽命長。 （5）易于與計算機接口，實現(xiàn)計算機控制。 為實現(xiàn)運動、功率/能量、控制運動方式的轉(zhuǎn)換，對伺服控制電動機

6、提出了一些基本要求。 （1）慣性小、功率大直流電源電刷換向器線圈U+NS電刷換向片II15直流與交流伺服電動機熟悉直流電機的工作原理直流電機的基本工作原理IUSbNadc 當(dāng)直流電源接通后，電流從電源正極經(jīng)電刷A和換向片進入位于N極區(qū)的電樞線圈邊ab，再從位于S極區(qū)的線圈邊cd流出，最后經(jīng)另電刷換向片IffTn一個換向片和電刷B流到電源負極，如圖所示。線圈ab和cd作為載流導(dǎo)體要受到磁場力（安培力）的作用，力的方向可用左手定則判定?？捎门卸ǔ?，ab受到向左的力f，cd受到向右的力f，這兩個力對轉(zhuǎn)軸形成逆時針方向力矩，線圈被驅(qū)動沿逆時針方向轉(zhuǎn)動。因此，電樞逆時針方向旋轉(zhuǎn)。BA直流電機的基本工作原

7、理 當(dāng)電樞轉(zhuǎn)動180以后，線圈邊ab和cd位置如圖所示，而換向器也與線圈同時轉(zhuǎn)動，從而保證了兩磁極間的線圈邊中電流的方向總是不變，這也就保證了線IUScNdab電刷換向片IffTnBA圈所受電磁力矩的方向不變，電樞將沿著逆時針方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)下去，就是說，不管ab邊還是cd邊，哪條邊轉(zhuǎn)到上半部位（靠近N極），哪條邊就將受到向左的力；哪條邊轉(zhuǎn)到下半部位（靠近S極），哪條邊就將受到向右的力，因而整個線圈所受力矩的方向始終不變。 直流電動機的工作原理 換向片電刷直流電機的基本工作原理 通過上述分析可知，換向器的作用是保證當(dāng)直流電動機電樞上的導(dǎo)體從一個磁極轉(zhuǎn)到另一個磁極下的時候，導(dǎo)體內(nèi)的電流也能及時換向，

8、從而保證電樞的電磁轉(zhuǎn)矩方向不變，使電動機轉(zhuǎn)向不變。換向器作用：將外部直流電轉(zhuǎn)換成內(nèi)部的直流電，以保持轉(zhuǎn)矩方向不變。IUScNdab電刷換向片IffBA第四節(jié) 步進電動機 一、步進電動機的特點 步進電動機又稱脈沖電動機。它是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的執(zhí)行元件。其輸入一個電脈沖就轉(zhuǎn)動一步，即每當(dāng)電動機繞組接受一個電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的步距角。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、頻率以及電動機繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向、很容易用微機實現(xiàn)數(shù)字控制。 一、概述 1、步進電動機簡介 步進電動機是一種將電脈沖信

9、號角位移的執(zhí)行元 件,其特點如下： （1）步進電動機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它 的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過一個確定的角度，即步距角。 （2）改變步進電動機定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋 轉(zhuǎn)方向隨之改變。 （3）步進電動機定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快， 其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度越快，即通電狀態(tài)的變化頻率 越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高。 （4）角位移量與電脈沖數(shù)成正比。 2、步進電機的獨特優(yōu)點 （1）控制性能好，起動、停止、換向及其它任何運動形式的改變，可在若干個脈沖內(nèi)完成。 （2）步距角不易受各種干擾因素的影響，抗干擾能力強。 （3）誤差不長期積累，電機每轉(zhuǎn)動一步距角，盡管存在一定的轉(zhuǎn)角誤差，但電機轉(zhuǎn)動360時，轉(zhuǎn)角累

10、計誤差將歸零。 （4）具有自鎖能力，一旦停止輸入脈沖，只要維持繞組通電，即可保持其固定位置。 （5）易于實現(xiàn)與計算機的接口。 基本結(jié)構(gòu)14 23定子上有6個齒，其上分別纏有U、V、W三相繞組，構(gòu)成三對磁極；(2) 轉(zhuǎn)子上則均勻分布著4個齒。U1U2V1V2W2W1定子轉(zhuǎn)子 步進電動機采用直流電源供電。當(dāng)U、V、W三相繞組輪流通電時，通過電磁力的吸引，步進電動機轉(zhuǎn)子一步一步地旋轉(zhuǎn)。 二、步進電動機的結(jié)構(gòu)與工作原理 1、結(jié)構(gòu)組成 主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，定子包括定子鐵芯和定子繞組。定子鐵芯由硅鋼片疊壓而成，定子繞組繞在定子鐵芯6個均勻分布的磁極上，在直徑方向上相對的兩個磁極上的線圈串聯(lián)在一起，構(gòu)成一

11、相控制繞組。圖示的步進電動機構(gòu)成U、V、W三相控制繞組，故稱三相步進電動機。轉(zhuǎn)子用硅鋼片疊成或用軟磁性材料做成凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上無繞組反應(yīng)式步進電機；若為永久磁鐵永磁式步進電機。 2、工作原理 當(dāng)通電順序為UVWU時，假設(shè)U相繞組首先通電，氣隙中產(chǎn)生一個沿U1U2軸線方向的磁場，由于磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合，于是產(chǎn)生磁拉力使轉(zhuǎn)子1、3兩齒與U相繞組軸線U1U2對齊；然后U相斷電，V相通電，氣隙中產(chǎn)生一個沿V1V2軸線方向的磁場，產(chǎn)生磁拉力使轉(zhuǎn)子2、4兩齒與V相繞組軸線V1V2對齊；這時轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)了30。隨后V相斷電，W相通電，根據(jù)同樣的道理，轉(zhuǎn)子又順時針轉(zhuǎn)了30。若再U相通電，W相斷電，

12、那么轉(zhuǎn)子再順時針轉(zhuǎn)30。定子各相輪流通電一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一個齒（或一個磁極）。步進電動機定子繞組按UVWUVWU依次輪流通電，步進電動機轉(zhuǎn)子就一步步地按順時針方向旋轉(zhuǎn)。14 2314 2314 2314 23U1U2V1V2W2W1三相單三拍運行（每次切換前后只有一相繞組通電，其余繞組斷電） 通電順序： U 相V 相W 相U 相。 U 相通電 14 23U1U2V1V2W2W114 23 V 相通電 U1U2V1V2W2W1 W 相通電 14 2314 23一步兩步三步 對于定子為N相、轉(zhuǎn)子有z個齒的步進電機，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周所需的步數(shù)為Nz步。 轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)一步所對應(yīng)的角度稱為步距角 30。電流換

13、接三次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個磁距的位置，一個磁距所對應(yīng)的角度稱為齒距角（4個齒，90度）。若要反向，通電順序為：UWVU2、工作原理通電順序為：UWVU稱為三相單三拍運行。 單： 是指每次只有一相定子的繞組通電；“一拍”：從定子的一相繞組通電換接到另一相繞組通電。每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個步距角?！叭摹保菏侵敢粋€循環(huán)周期只換接了三次。 如UWV 步進電動機三相單三拍運行時，由于切換時在一相繞組斷電而另一相繞組通電的交替時刻容易造成轉(zhuǎn)子失步，由單一繞組通電吸引轉(zhuǎn)子也容易造成轉(zhuǎn)子在平衡位置附近產(chǎn)生振動，故運行穩(wěn)定性差，所以實際中很少應(yīng)用三相單三拍方式。2、工作原理三相雙三拍運行（每次切換前后有兩相

14、繞組通電） 通電順序： UV 相VW 相WU 相。 14 23U1U2V1V2W2W1 UV 相通電 14 2314 23U1U2V1V2W2W1 VW 相通電 14 2314 23U1U2V1V2W2W1 WU 相通電 14 23 步距角： = 30特點：力矩較大，定位精度高而不易失步。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周所需的步數(shù)也為Nz步。14 2314 23(3) 三相單雙六拍運行（單、雙相通電交替出現(xiàn)）通電順序：UUV VVW W WU U。14 23U1U2V1V2W2W1114 23U1U2V1V2W2W1214 23U1U2V1V2W2W1314 23U1U2V1V2W2W1414 23U1U2V1V

15、2W2W1514 23U1U2V1V2W2W1614 23步距角： = 15 步進電動機的轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周所需的步數(shù)也為2Nz步。 3、小步距角步進電機 以上討論的步進電動機其步距角都比較大，往往不能滿足傳動設(shè)備對精度的要求。為了減小步距角，實際應(yīng)用中的步進電動機通常將定子的每一個磁極分成許多小齒，轉(zhuǎn)子也由許多小齒組成。且定子U2U1W2W1V1V2和轉(zhuǎn)子的齒寬、齒距相等。當(dāng)U相定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒對正時，V相和W相定子上的齒則處于錯開狀態(tài)，如圖所示，是一種小步距角結(jié)構(gòu)形式的三相反應(yīng)式步進電動機。 3、小步距角步進電機 3、小步距角步進電機小步距角步進電機定子、轉(zhuǎn)子展開圖 通電方式不僅影響步進電動機

16、的矩頻特性，對步距角也有影響。一個N相（即步進電動機運行的拍數(shù)）步進電動機，如其轉(zhuǎn)子上有z個小齒，則其步距角可通過下式計算：式中，k是通電方式系數(shù)。當(dāng)采用單相或雙相通電方式時，k1；當(dāng)采用單雙相輪流通電方式時，k2。可見，采用單雙相輪流通電方式還可使步距角減小一半。 例如，若z =40，三相單（雙）三拍通電方式： =3；三相六拍通電方式： =1.5 步進電機的步距角決定了系統(tǒng)的最小位移，步距角越小，位移的控制精度越高。 電子電路中的信號模擬信號數(shù)字信號（脈沖信號）時間上連續(xù)變化的時間和幅度都是跳變的處理此類信號的電路模擬電路（如整流電路、放大電路等）處理此類信號的電路數(shù)字電路（TTL,COMS

17、等）特點：注重電路的輸入、 輸出大小、相位關(guān)系特點：注重電路的輸入、輸出的邏輯關(guān)系脈沖信號的波形及參數(shù) 在數(shù)字電路中，信號（電壓和電流）是脈沖的。脈沖是一種躍變信號,并且持續(xù)時間短暫。矩形波尖頂波最常見的脈沖波形脈沖周期T:相鄰兩個上升沿（或下降沿）的脈沖幅度的10兩點之間的時間間隔。脈沖頻率f:單位時間的脈沖數(shù)，f=1/T脈沖幅度 A脈沖上升沿 tr 脈沖周期 T脈沖下降沿 tf 脈沖寬度 tp 脈沖信號的部分參數(shù)：A0.9A0.5A0.1AtptrtfT實際的矩形波正脈沖負脈沖脈沖信號變化后的電平值比初始電平值高脈沖信號變化后的電平值比初始電平值低返回目錄 脈沖信號的邏 輯狀態(tài)高電平 用1

18、 表示低電平 用0 表示步進電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的計算： 如果脈沖的頻率為 f Hz， 的單位為度，則轉(zhuǎn)速（r/min)為：一個步距角脈沖頻率為 fN定子繞組的相數(shù)（即步進電動機運行的拍數(shù)），N也表示輸入的脈沖數(shù)目。 控制輸入給步進電機的脈沖數(shù)目N可以控制步進電機的角位移。結(jié)論 控制輸入給步進電機的脈沖的頻率可以控制步進電機的轉(zhuǎn)速 。 控制步進電機定子繞組的通電順序可以控制步進電機的轉(zhuǎn)動方向 。n =60 fz NN四、步進電機的主要性能指標(biāo) 1、步距角 指每給一個脈沖，步進電機轉(zhuǎn)子所應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度的理論值。 同一臺步進電動機，因通電方式不同，運行時步距角也是不同的。 步距角的確定：若通電方式和系統(tǒng)的

19、傳動比i已初步確定，則b應(yīng)滿足： i max式中max為負載軸要求的最小位移增量（或脈沖當(dāng)量，即每一個脈沖所對應(yīng)的負載軸的位移增量）。 2、靜態(tài)特性 指步進電機在穩(wěn)態(tài)工作條件下的特性，包括：矩角特性、靜轉(zhuǎn)矩及靜態(tài)穩(wěn)定特性等。 當(dāng)轉(zhuǎn)子帶有負載力矩通電時，轉(zhuǎn)子就不再能和定子上的某極對齊，而是相差一定的角度，該角度所形成的電磁轉(zhuǎn)矩正好和負載力矩相平衡。這個角度稱為失調(diào)角。 步進電動機所能帶的靜轉(zhuǎn)矩是受到限制的，最大靜轉(zhuǎn)矩表示步進電機的承受載荷的能力。 單相通電時的矩角特性靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)TeTjmax-/2/20最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩靜態(tài)轉(zhuǎn)矩越大，靜態(tài)誤差就越小3、動態(tài)特性參數(shù) 主要指動態(tài)穩(wěn)定區(qū)、啟動轉(zhuǎn)矩、矩頻特性

20、、慣頻特性等。 最高連續(xù)運轉(zhuǎn)頻率fmax步進電機連續(xù)運轉(zhuǎn)時所能接受的最高控制頻率fmax，稱最高連續(xù)運轉(zhuǎn)頻率。 矩頻特性步進電機連續(xù)運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩隨頻率的增加而降低的特性，稱為矩頻特性。 原因分析： 定子繞組本身為一感性負載； f 增大，磁通量的變化加劇，鐵芯的渦流損失加大。 啟動頻率：我們把不失步啟動的最高脈沖頻率稱為啟動頻率，也稱突跳頻率，是步進電動機的一項重要性能指標(biāo)。失步：轉(zhuǎn)子前進的步數(shù)不等于輸入的脈沖數(shù)，包括丟步和越步兩種情況。運行頻率：是指步進電動機起動后，當(dāng)控制脈沖頻率連續(xù)上升時，步進電動機能不失步的最高頻率。 啟動頻率和運行頻率啟動矩頻特性 當(dāng)伺服系統(tǒng)要求步進電動機的運行頻率高于最大

21、允許啟動率時，可先按較低的頻率啟動， 然后按一定規(guī)律逐漸加速到運行頻率。圖給出了90BF002型步進電動機的啟動矩頻特性曲線。由圖可見， 負載轉(zhuǎn)矩越大， 所允許的最大啟動頻率越小。 運行矩頻特性 空載啟動頻率在空載狀態(tài)下，步進電機能夠不失步啟動的最高脈沖頻率稱為空載啟動頻率，也稱突跳頻率，是步進電動機的一項重要性能指標(biāo)。 圖是90BF002型步進電動機的運行矩頻特性曲線。 圖 不同通電方式時的矩頻特性 右圖是某三相反應(yīng)式步進電動機在不同通電方式下工作時的矩頻特性曲線。顯然，采用單雙相輪流通電方式可使步進電動機在各種工作頻率下都具有較大的負載能力。五、步進電機的控制與驅(qū)動 步進電動機的定子繞組通

22、斷電次數(shù)和各相通電順序決定了輸出角位移和運動方向，控制脈沖分配頻率可實現(xiàn)步進電動機的速度控制。因此，步進電機控制系統(tǒng)一般采用開環(huán)控制方式。圖示為開環(huán)步進電動機控制系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)主要由環(huán)形分配器、功率驅(qū)動器、步進電動機等組成。 環(huán)形分配器功率驅(qū)動器步進電動機負載指令脈沖輸出驅(qū)動電源 驅(qū)動電源將變頻信號源送來的脈沖信號及方向信號按照要求的配電方式自動地循環(huán)供給給步進電動機的定子的各相繞組，以驅(qū)動步進電動機的轉(zhuǎn)子正反向轉(zhuǎn)動。 1、環(huán)形脈沖分配器 定義：步進電機的各相繞組必須按照一定的順序通電才能正常工作，這種使電機繞組的通電方式按一定規(guī)律變化的電子部件稱為環(huán)形脈沖分配器。 實現(xiàn)環(huán)形分配的方法有兩種。

23、 (1) 軟環(huán)分：即計算機軟件分配，采用查表或計算的方法進行脈沖分配。這種方法能充分利用計算機軟件資源，減少硬件成本，尤其是多相電動機的脈沖分配更能顯示出這種分配方法的優(yōu)點。但由于軟件運行會占用計算機的運行時間，因而會使插補運算的總時間增加，從而影響步進電動機的運行速度。 采用計算機軟件利用查表程序來實現(xiàn)01H1006A05H1015CA04H0014C06H0113BC02H0102B03H1101AB反01H1000A正轉(zhuǎn)向代碼ABC脈沖通電狀態(tài)轉(zhuǎn)向通過讀取數(shù)據(jù)的順序可控制電動機的轉(zhuǎn)向；通過控制脈沖的頻率可控制電動機的轉(zhuǎn)速。軟件環(huán)分驅(qū)動控制 對于三相六拍環(huán)形分配器，每當(dāng)接收到一個進給脈沖指

24、令，環(huán)形分配器軟件根據(jù)下表所示真值表，按順序及方向控制輸出接口將A、B、C的值輸出即可。CNC裝置電源A相驅(qū)動B相驅(qū)動C相驅(qū)動CBAM （2）硬件環(huán)形分配 采用數(shù)字電路搭建或?qū)Ｓ玫沫h(huán)形分配器件將連續(xù)的脈沖信號經(jīng)電路處理后輸出環(huán)形脈沖。 采用數(shù)字電路搭建的環(huán)形分配器通常由分立元件（如觸發(fā)器、邏輯門等）構(gòu)成，特點是體積大，成本高，可靠性差。專用的環(huán)形分配器目前市面上有很多種，如CMOS電路CH250即為三相步進電動機的專用環(huán)形分配器；L297和PMM8714為兩相繞組環(huán)分器；PMM8713為五相繞組電機環(huán)分器等。圖4-39 雙三拍環(huán)形分配器的原理圖 硬件環(huán)行分配器的基本構(gòu)成是觸發(fā)器。因為步進電機有

25、幾相就需要幾個序列脈沖，所以步進電機有幾相，就要設(shè)置幾個觸發(fā)器。每個觸發(fā)器發(fā)出的脈沖就是一個序列脈沖，用來控制步進電機某相定子繞組的通、斷電。 環(huán)形分配器CH250引腳圖(a) 引腳功能； (b) 三相六拍線路圖 2、功率驅(qū)動（放大）器 功率放大器實際上是一個功率開關(guān)電路，其功能是將環(huán)形分配器輸出的mA級的弱信號進行功率放大，得到控制繞組所需要的脈沖電流及所需的脈沖波形。 驅(qū)動電路的分類： 按采用的功率元件分：晶閘管和晶體管功率驅(qū)動器。 按驅(qū)動形式分： 電壓型：單電壓型、雙電壓型（高低壓型） 電流型：恒流驅(qū)動、斬波驅(qū)動 六、步進電機的微機控制分為串行控制和并行控制。 串行控制：連線少，需要環(huán)形

26、分配器； 并行控制：連線多，不需要環(huán)形分配器；調(diào)速方式直流伺服電機的機械特性方程為：式中， 一電樞控制電壓； 一電樞回路電阻； 每極磁通； 、 分別為電動機的結(jié)構(gòu)常數(shù)。 二、伺服電機及其控制光電隔離技術(shù)為了保證輸入端與輸出端在電氣上是隔離的，兩端的電源也必須是獨立的。 圖3-14 帶光電隔離的輸出接口 3 繼電器輸出接口 1觸點式繼電器的控制當(dāng)線圈通電時，使開關(guān)觸點閉合（或斷開）；當(dāng)線圈不通電時，則開關(guān)觸點斷開（或閉合）。 圖3-15 繼電器接口電路 3.4 開關(guān)量輸出接口技術(shù) 實際選用繼電器時應(yīng)考慮下列因素： 繼電器額定工作電壓（或電流）； 觸點負荷； 觸點的數(shù)量或種類（動斷或動通）； 繼電

27、器的體積、封裝形式、工作環(huán)境、觸點吸合或釋放時間等。2固態(tài)繼電器的輸出接口 固態(tài)繼電器（Solid State Relay，SSR），它是用晶體管或可控硅代替常規(guī)繼電器的觸點開關(guān)，再把光電隔離器作為前級構(gòu)成一個整體。 固態(tài)繼電器有體積小、重量輕、無機械噪聲、無抖動和回跳、開關(guān)速度快、工作可靠等優(yōu)點。 圖3-16 直流型SSR的電路原理圖 步進電機的A、B、C三相，每相由一個直流型SSR控制，可分別由8255的端口PA0PA2來控制。 圖3-17 三相步進電機控制電路原理圖 4. 大功率輸出接口 場效應(yīng)管輸入阻抗高，關(guān)斷漏電流小， 響應(yīng)速度快，體積較小，價格便宜。所以在計算機開關(guān)量輸出控制中也常

28、作為開關(guān)元件使用。圖3-18 大功率場效應(yīng)管的表示符號 G為控制柵極，D為漏極，S為源極，G為高電平時，源極與漏極導(dǎo)通，允許電流通過；否則，場效應(yīng)管關(guān)斷圖3-19 采用大功率場效應(yīng)管的步進電機控制電路原理圖 脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation）簡稱PWM技術(shù)，是利用電力電子開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，將直流電壓變成連續(xù)的電壓脈沖列，并通過控制脈沖寬度或周期達到變壓的目的，也可以通過控制脈沖寬度和脈沖列的周期達到變壓變頻的目的。采用的電力電子器件：全控式晶體管，如電力晶體管（GTR）、可關(guān)斷晶體管（GTO）、絕緣雙極晶體管（IGBT）（3）脈寬調(diào)制器PWM變換器只對已有的脈寬可調(diào)脈

29、沖電壓信號Ub進行功率放大，而給PWM變換器的電力晶體管CTR提供脈沖電壓信號的就是脈寬調(diào)制器。脈寬調(diào)制器是一種電壓脈寬變換裝置，原理如圖所示。電壓-脈寬變換器的基本電路見p:149-152。下面分析以鋸齒波作調(diào)制信號的另一種脈寬調(diào)制器電路。 三、脈寬調(diào)制功率變換技術(shù)在ur+uc過零交點時刻控制IGBT的通斷。直流信號調(diào)制 ur+ucurucururucuc Uv ur+uc ur+uc Uv Uv3脈寬調(diào)速PWM系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)開關(guān)S1、S4閉合時，電動機全速正轉(zhuǎn)；當(dāng)開關(guān)S2、S3閉合時，電動機全速反轉(zhuǎn)；當(dāng)S2、S4（或者S1、S3）閉合時，電動機繞組被短路，電動機處于剎車狀態(tài)；如果4個開關(guān)全部

30、斷開，電動機將自由滑行。圖3-23 可逆PWM調(diào)速系統(tǒng)原理圖 圖5-17 PWM斬波器的電路原理圖及波形式中 T ：開關(guān)周期；ton ：導(dǎo)通時間；f：開關(guān)頻率；占空比，電樞壓平均值均為正值，即電動機只能實現(xiàn)單一方向的不可逆調(diào)速。2. 橋式可逆PWM變換器H形主電路結(jié)構(gòu)1324+UsVD1VD2VD3VD4ABM+MVT1VT2Ug1Ug2Ug4VT4VT3Ug3正向電動狀態(tài)“1” VT1 、VT4 導(dǎo)通“2” VD2、VD3 續(xù)流反向電動狀態(tài)“3” VT2、VT3 導(dǎo)通“4” VD1、VD4 續(xù)流七、步進電動機的選用 1、首先根據(jù)機械結(jié)構(gòu)簡圖計算機械傳動裝置及負載折算到電動機轉(zhuǎn)子軸上的等效轉(zhuǎn)動

31、慣量； 2、然后分別計算各種工況下所需的等效力矩； 3、再根據(jù)步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩和起動、運行矩頻特性選擇合適的步進電動機。七、步進電動機的選用 1、轉(zhuǎn)矩和慣量的匹配條件 TL/Tmax0.5及 JL/Jm4 Tmax步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩；TL換算到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩；Jm步進電動機轉(zhuǎn)子的最大轉(zhuǎn)動慣量；JL折算到步進電動機轉(zhuǎn)子上的等效轉(zhuǎn)動慣量； 根據(jù)上述條件，初選步進電動機的型號。然后，根據(jù)動力學(xué)公式檢驗其起動能力和運動參數(shù)。七、步進電動機的選用fL帶慣性負載的最大起動頻率；fm電動機本身的最大空載起動頻率；Jm步進電動機轉(zhuǎn)子的最大轉(zhuǎn)動慣量；JL折算到步進電動機轉(zhuǎn)子上的等效轉(zhuǎn)動慣量； 不同

32、JL/Jm下的矩頻特性見圖4-5。 從起動慣頻特性曲線上找出帶慣性負載的啟動頻率，然后再查其起動轉(zhuǎn)矩和計算起動時間。當(dāng)在起動慣矩特性曲線上查不到帶慣性負載的最大啟動頻率，可按下式近似計算。七、步進電動機的選用 2、步距角的選擇和精度 步距角的選擇是由脈沖當(dāng)量等因素決定的。步進電動機步距角的精度會影響開環(huán)系統(tǒng)的精度。電動機的轉(zhuǎn)角N（為步距角精度） 是實際角位移與理論角位移之差，稱為靜止角度誤差。一般?。?5）。NSNS直流電動機的構(gòu)造極掌極心勵磁繞組機座轉(zhuǎn)子直流電動機的磁極和磁路 直流電機由定子（磁極）、轉(zhuǎn)子（電樞）和機座等部分構(gòu)成。第二節(jié) 直流伺服電動機及其驅(qū)動定子主磁極換向極機座1. 定子:

33、用來在電機中產(chǎn)生磁場和進行機械固定極心極掌極心上放置勵磁繞組，勵磁繞組通人直流勵磁電流，主磁極即產(chǎn)生固定的極性；改變勵磁電流的方向，可以改變主磁極的極性。極掌的作用是使電機空氣隙中的磁感應(yīng)強度的分布最為合適,并用來阻擋勵磁繞組.換向器的作用是改善換向，使電動機運行時電刷下不產(chǎn)生有害的火花。換向器固定在機座上。機座又稱電機外殼，它既是電機磁路的一部分，又用來固定主磁極、換向極，端蓋等零件。轉(zhuǎn)子2. 轉(zhuǎn)子（即電樞）：用來產(chǎn)生電動勢。轉(zhuǎn)子電樞鐵芯電樞繞組換向器（即電樞）轉(zhuǎn)子電樞鐵芯：由硅鋼片疊裝而成。其表面沖有槽，槽中放電樞繞組。電樞繞組是由絕緣銅線繞制而成的許多個線圈，嵌放在電樞鐵芯的槽內(nèi)，它的作

34、用是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩。換向器也稱整流子，起整流作用，其作用是使電樞繞組中電流方向交替變化，以保證其電磁轉(zhuǎn)矩方向始終不變。是由換向銅片和云母片絕緣組裝而成的圓柱體。3.電刷裝置的作用是使旋轉(zhuǎn)的電樞繞組與固定不動的外電路相連接，將直流電流引入或引出。1. 他勵電動機 勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個直流電源供電。 直流電機的分類 直流電機按照勵磁方式可分為他勵電動機、并勵電動機、串勵電動機和復(fù)勵電動機2. 并勵電動機 勵磁繞組和電樞繞組并聯(lián)，由一個直流電源供電。UUfIaM+_+_If他勵I(lǐng)aUM+_If+_IE并勵勵磁: 磁極上的線圈通以直流電產(chǎn)生磁通，稱為勵磁。4. 復(fù)勵電動機 勵磁線圈與

35、轉(zhuǎn)子電樞的聯(lián)接有串有并，接在同一電源上。3. 串勵電動機 勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串聯(lián)接到同一電源上。串勵UIa+_IfM復(fù)勵U+_IMIa直流電機的基本工作原理IUSbNadc 直流電動機的定子磁場由永久磁鐵或由定子磁極通以激磁電流產(chǎn)生，定子磁場的方向是不變的。電樞上通有電流的電樞繞組置于定子磁場當(dāng)UU電刷換向片IFFTn中。電樞繞組由許多線圈組成。為了簡化直流電動機結(jié)構(gòu)以說明其工作原理，我們?nèi)∑潆姌兄械囊粋€單匝線圈來分析其在磁場中所受到的磁場力。如圖所示，線圈abcd為繞軸可轉(zhuǎn)動的線圈，線圈兩端頭分別與兩個換向片連接，每個換向片又與一個電刷保持滑動接觸，而每個電刷通過引線與直流電源相接。BA直流

36、電機的基本工作原理IUSbNadc 當(dāng)直流電源接通后，電流從電源正極經(jīng)電刷A和換向片進入位于N極區(qū)的電樞線圈邊ab，再從位于S極區(qū)的線圈邊cd流出，最后經(jīng)另電刷換向片IffTn一個換向片和電刷B流到電源負極，如圖所示。線圈ab和cd作為載流導(dǎo)體要受到磁場力（安培力）的作用，力的方向可用左手定則判定?？捎门卸ǔ?，ab受到向左的力f，cd受到向右的力f，這兩個力對轉(zhuǎn)軸形成逆時針方向力矩，線圈被驅(qū)動沿逆時針方向轉(zhuǎn)動。因此，電樞逆時針方向旋轉(zhuǎn)。BA直流電機的基本工作原理 當(dāng)電樞轉(zhuǎn)動180以后，線圈邊ab和cd位置如圖所示，而換向器也與線圈同時轉(zhuǎn)動，從而保證了兩磁極間的線圈邊中電流的方向總是不變，這也就

37、保證了線IUScNdab電刷換向片IffTnBA圈所受電磁力矩的方向不變，電樞將沿著逆時針方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)下去，就是說，不管ab邊還是cd邊，哪條邊轉(zhuǎn)到上半部位（靠近N極），哪條邊就將受到向左的力；哪條邊轉(zhuǎn)到下半部位（靠近S極），哪條邊就將受到向右的力，因而整個線圈所受力矩的方向始終不變。 直流電動機的工作原理 換向片電刷直流電機的基本工作原理 通過上述分析可知，換向器的作用是保證當(dāng)直流電動機電樞上的導(dǎo)體從一個磁極轉(zhuǎn)到另一個磁極下的時候，導(dǎo)體內(nèi)的電流也能及時換向，從而保證電樞的電磁轉(zhuǎn)矩方向不變，使電動機轉(zhuǎn)向不變。換向器作用：將外部直流電轉(zhuǎn)換成內(nèi)部的直流電，以保持轉(zhuǎn)矩方向不變。IUScNdab電刷換

38、向片IffBAEE 線圈在磁場中旋轉(zhuǎn)，將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由右手定則，感應(yīng)電動勢的方向與電流的方向相反。KE: 與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)n: 電動機轉(zhuǎn)速 ：磁通1. 電樞感應(yīng)電動勢 E=EK nIUScNdab電刷換向片IffBA 由圖可知，電樞感應(yīng)電動勢E與電樞電流或外加電壓方向總是相反，所以稱反電勢。 式中：U 外加電壓 Ra 繞組電阻2. 電樞回路電壓平衡式RaIaE+UMEEIUScNdab電刷換向片IffBAKT: 與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù) : 線圈所處位置的磁通Ia：電樞繞組中的電流3. 電磁轉(zhuǎn)矩單位: (韋伯)，Ia (安) ，T (牛頓米) 直流電動機電樞繞組中的電流（電樞電流I

39、a）與磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩（是驅(qū)動轉(zhuǎn)矩）公式為4. 轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系 電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩, 它使電樞轉(zhuǎn)動。在電機運行時，電磁轉(zhuǎn)矩必須和機械負載轉(zhuǎn)矩及空載損耗轉(zhuǎn)矩相平衡，即T=KT Ia 當(dāng)電動機軸上的機械負載發(fā)生變化時，通過電動機轉(zhuǎn)速、電動勢、電樞電流的變化，電磁轉(zhuǎn)矩將自動調(diào)整，以適應(yīng)負載的變化，保持新的平衡。轉(zhuǎn)矩平衡過程T2: 機械負載轉(zhuǎn)矩T0: 空載轉(zhuǎn)矩 例：設(shè)外加電樞電壓 U 一定，T=T2 (平衡)，此時，若T2突然增加，則調(diào)整過程為達到新的平衡點(Ia 、 P入即電源輸入功率增加) 。T2 nIa T E電動機作等速轉(zhuǎn)動。直流電動機的機械特性特

40、點: 勵磁繞組（定子）與電樞（轉(zhuǎn)子）并聯(lián)由圖可求得由上分析可知： 當(dāng)電源電壓U和勵磁回路的電阻Rf（包括勵磁繞組的電阻和勵磁調(diào)節(jié)電阻Rf）一定時, 勵磁電流If和磁通不變，即 = 常數(shù)。則IaUM+_If+_IERa為電樞電阻他勵電動機和并勵電動機只是聯(lián)接上的不同，兩者的特性是一樣的。直流電動機的機械特性令：T=KT Ia = KT Ia 即：并勵電動機的磁通= 常數(shù)，電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。 由以下公式求得IaUM+_If+_IE式中：n= f (T) 特性曲線n0nNTN 并勵電動機在負載變化時， 轉(zhuǎn)速 n 的變化不大硬機械特性（自然特性）。改變電樞電壓和電樞回路串電阻可得人工特性曲線n0T nT為電樞的電磁轉(zhuǎn)矩n為電動機的轉(zhuǎn)速U 外加電壓改變電壓調(diào)速由轉(zhuǎn)速公式知：調(diào)電壓U，n0變化，但斜率不變，所以調(diào)速特性是一組平行曲線。n0n0電壓降低Tc特性曲線n0nT0改變電壓調(diào)速的特點:(1)工作時電壓不允許超過UN （為了保證電動機的絕緣不受損害），而n U, 所以調(diào)速只能向下調(diào)。(2)機械特性較硬，并且電壓降低后硬度不變，穩(wěn) 定性好。并勵(他勵)電動機的調(diào)速UNN電動機轉(zhuǎn)速 ； 勵磁電流產(chǎn)生的磁通；KE與電