動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1、 第四章動(dòng)力驅(qū)動(dòng)及定位學(xué)習(xí)要點(diǎn)主要了解機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用驅(qū)動(dòng)元件的特點(diǎn)、工作原理和驅(qū)動(dòng)方法。重點(diǎn)放在怎樣為系統(tǒng)選擇合理的驅(qū)動(dòng)方案、合適的驅(qū)動(dòng)元件以及驅(qū)動(dòng)元件的選擇計(jì)算方法。具體學(xué)習(xí)要求如下：1了解機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用驅(qū)動(dòng)元件的特點(diǎn)和驅(qū)動(dòng)方法。2了解常用定位機(jī)構(gòu)的組成及特點(diǎn)。3熟悉驅(qū)動(dòng)裝置的特性和技術(shù)要求。4.熟悉步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)。5掌握直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)，選擇計(jì)算方法，直流電機(jī)的主要調(diào)速方法。一、驅(qū)動(dòng)裝置的特點(diǎn)及技術(shù)要求（一）驅(qū)動(dòng)裝置的特點(diǎn)驅(qū)動(dòng)裝置包括驅(qū)動(dòng)元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，與動(dòng)力源、控制、傳感及測(cè)試等部分聯(lián)系密切。要求：響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)性能好，動(dòng)作靈敏度高，便于集中控制。技術(shù)特點(diǎn)：效率

2、高、體積小、重量輕、自控性強(qiáng)、可靠性高等。（二）驅(qū)動(dòng)裝置的技術(shù)要求主要性能指標(biāo)：精度、穩(wěn)定性、快速性、可靠性。1.精度（精確性）精確性的影響因素：傳動(dòng)誤差，傳動(dòng)鏈的剛度，傳感器的精度，接口電路的轉(zhuǎn)換精度等都會(huì)影響系統(tǒng)的精度，系統(tǒng)的精度包括靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)精度。傳動(dòng)誤差由兩部分組成，伺服帶寬以內(nèi)的低頻分量（齒輪傳動(dòng)、絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的回程誤差）和伺服帶寬以內(nèi)的高頻分量（傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)誤差），它對(duì)系統(tǒng)性能的影響程度與其在系統(tǒng)中所處的位置有關(guān)。圖4.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)的観線位置伺服系統(tǒng)前原理圖輸人fil號(hào)|iteftL回圖4.2伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖飼服放次器伺服電機(jī)Tq設(shè)G(s)環(huán)節(jié)有誤差，把它等效于無(wú)誤差環(huán)節(jié)

3、g2(s)和擾動(dòng)輸入信號(hào)Rns),不考慮其他環(huán)節(jié)的誤差【；(5)圖4.3前項(xiàng)通道上環(huán)節(jié)有誤差時(shí)的簡(jiǎn)化方框圖則系統(tǒng)對(duì)于輸入的閉環(huán)輸出傳遞函數(shù)為:(s)二少二GC(s)GM(S)G2(S)g(5)(設(shè)Fn(s)=O)R(s)1+G,s)Gm(S)G2(S)1+G(s)則系統(tǒng)對(duì)于擾動(dòng)輸入的輸出傳遞函數(shù)為：4(s)=RNS=1G(s)GiM(s)G2(s)=rA=G?(設(shè)只cM2YN(s)5RN(s)G(s)對(duì)于一個(gè)具有良好工作性能的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它的傳遞函數(shù)應(yīng)具有以下特性在頻率特性的中低頻段有円卜1；|G(s)|1，則：他|=皺即:誤差的低頻分量對(duì)系統(tǒng)的輸出精度幾乎沒(méi)有影響R(s)|G(s)在頻率特

4、性的高頻段有|G(s)Z1;|G(s)心1,則；葩|=皺茍即:誤差的高頻分量幾乎被一比一的饋送到系統(tǒng)的輸RN(s)|G(s)出，所以對(duì)輸出精度影響很大。前向通道上閉環(huán)之后環(huán)節(jié)g4(s)的誤差對(duì)輸出精度的影響考慮其他環(huán)節(jié)的誤差。系統(tǒng)對(duì)于擾動(dòng)輸入的輸出傳遞函數(shù)為：YN(S)二Rn(s)(設(shè)R(s)=O)即：閉環(huán)之后傳動(dòng)環(huán)節(jié)誤差的低頻分量和高頻份量都會(huì)影響系統(tǒng)的輸出精度。前向通道上閉環(huán)之前環(huán)節(jié)Gj(s)的誤差對(duì)輸出精度的影響設(shè)G(s)環(huán)節(jié)有誤差，可把它等效于無(wú)誤差環(huán)節(jié)Gi(s)和擾動(dòng)輸入信號(hào)Rn(s),不考慮其他環(huán)節(jié)的誤差。與(1)比較可知，系統(tǒng)對(duì)于擾動(dòng)輸入的輸出傳遞函數(shù)為：YN(S)=(S)RN(

5、S)對(duì)于一個(gè)具有良好工作性能的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它的傳遞函數(shù)應(yīng)具有以下特性在頻率特性的中低頻段|G(s)卜1，則YN(s)二Rn(s)上式說(shuō)明：誤差的低頻分量相當(dāng)于系統(tǒng)輸入的一部分，它直接影響系統(tǒng)的輸出精度在頻率特性的高頻段3(s)W：1，則|YN(s)|=|G(s)|RN(s)Z|RN(s)上式說(shuō)明：誤差的高頻分量對(duì)系統(tǒng)的輸出精度幾乎沒(méi)有影響。反饋通道上環(huán)節(jié)G3(S)的誤差對(duì)輸出精度的影響考慮其他環(huán)節(jié)的誤差。系統(tǒng)對(duì)于擾動(dòng)輸入的輸出傳遞函數(shù)為：YN(S)=G(S)RN(S)影響情況與Gi(s)相同，即反饋通道上誤差的低頻分量直接影響系統(tǒng)的輸出精度，高頻分量對(duì)系統(tǒng)的輸出精度幾乎沒(méi)有影響。例4.1已知

6、某電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直線位置伺服系統(tǒng)如圖所示，試分析各個(gè)環(huán)節(jié)的誤差對(duì)輸出精度的影響。解：將上圖簡(jiǎn)化為:輸入I-腥機(jī)輸出傳處B帛號(hào)處迥8圖47簡(jiǎn)化方框圖(1)信號(hào)變換電路:位于閉環(huán)之前的輸入通道，誤差的低頻分量會(huì)影響輸出精度,輸岀例圖41伺眼電機(jī)傳高頻噪聲。齒輪減速器：位于前向通道閉環(huán)之內(nèi)，誤差的低頻分量不影響輸出精度，高頻分量對(duì)輸出精度有影響。因此允許減速器有一定的傳動(dòng)間隙。絲杠螺母機(jī)構(gòu)：位于閉環(huán)之后的輸出通道，誤差的低頻分量和高頻分量都會(huì)影響輸出精度。因此絲杠螺母機(jī)構(gòu)必須有較高的精度，才能保證輸出精度。頻分量對(duì)輸出精度幾乎沒(méi)有影響。因此要使該電路的靜態(tài)精度高，可以允許存在一定的高（4）傳感器及信號(hào)處

7、理電路：位于反饋通道閉環(huán)之內(nèi)，誤差的低頻分量對(duì)輸出精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性都有影響，高頻分量不影響輸出精度。因此傳感器及信號(hào)處理電路的靜態(tài)精度要高，可以允許存在一定的高頻噪聲。思考題1:試分析圖示傳動(dòng)系統(tǒng)中，齒輪減速器的傳動(dòng)誤差對(duì)工作臺(tái)輸出精度的影響?輸人伺服電機(jī)傳感器輸出控制功放分析：齒輪減速器位于電機(jī)之后，前向通道的閉環(huán)之外，齒輪減速器的傳動(dòng)誤差的低頻分量和高頻分量都不能通過(guò)閉環(huán)控制來(lái)消除，都將影響工作臺(tái)的輸出精度。思考題2:如圖所示的位置控制系統(tǒng)，試分析齒輪的傳動(dòng)誤差對(duì)工作臺(tái)輸出精度的影響Z工看汕/LJ步進(jìn)電機(jī)分析：圖示位置控制系統(tǒng)屬于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，沒(méi)有檢測(cè)裝置，不對(duì)位置進(jìn)行檢測(cè)和反饋，所以齒

8、輪減速器的傳動(dòng)誤差（誤差的高頻分量）和回程誤差（誤差的低頻分量）將直接影響工作臺(tái)的輸出精度。2.穩(wěn)定性穩(wěn)定性是系統(tǒng)正常工作的首要條件。當(dāng)系統(tǒng)受到外界干擾動(dòng)（負(fù)載的變化、電源電壓和頻率的波動(dòng)、環(huán)境變化引起的元件參數(shù)變化等）作用后，輸出偏離平衡狀態(tài)，當(dāng)擾動(dòng)取消后，系統(tǒng)逐步恢復(fù)到平衡狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。穩(wěn)定性與振動(dòng)，熱效應(yīng)和環(huán)境因素有關(guān)。要提高抗震性就必須提高執(zhí)行裝置的固有頻率（50100HZ,并需要提高系統(tǒng)的阻尼能力（）。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳感器及信號(hào)處理電路、驅(qū)動(dòng)元件的性能都會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。f；K=kekT/i-25Kf粘性阻尼系數(shù)N/mAs;K系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù),ke執(zhí)行裝置之前的系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的放

9、大倍數(shù)；kT執(zhí)行裝置的力矩放大倍數(shù)匕一一所有傳動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到輸出軸上的值;ir執(zhí)行裝置的總轉(zhuǎn)速自比。穩(wěn)定性取決于阻尼比和放大倍數(shù)K;增大有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性；放大倍數(shù)K太大不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性（雖然可提高穩(wěn)態(tài)精度）；所以選擇較大的傳動(dòng)比i三，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但會(huì)造成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不緊湊，固有頻率的降低，傳動(dòng)誤差增大。對(duì)于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，不存在穩(wěn)定性問(wèn)題。3.快速性系統(tǒng)的快速性取決于系統(tǒng)的頻率特性和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的加速度提高系統(tǒng)的快速性的措施有：提高系統(tǒng)的帶寬，減小阻尼，提高伺服元件的加速度增加傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度，減少折算慣量，減少摩擦力提高驅(qū)動(dòng)元件的驅(qū)動(dòng)力P89圖4.8位置控制系統(tǒng)為二階系統(tǒng)圖4.8位置控制

10、系統(tǒng)方槿圏P1sRs:(s)二一111sTvsKps1sTvKPV2T當(dāng)=1時(shí)為臨界阻尼狀態(tài)，輸出：y(t)=1-e_，nt(Vnt)誤差為：e(t)=1-y(t)=nt(1nt)當(dāng)nt(1訃)=0.01時(shí)，ntnt:6.5傭樹(shù)rad)=1，無(wú)超調(diào)量臨界控制狀態(tài)時(shí)的偏差與定位時(shí)間4可靠性可靠性、抗干擾性和運(yùn)行安全性是確定機(jī)電一體化系統(tǒng)使用價(jià)值和使用功效的主要指標(biāo)。機(jī)電一體化系統(tǒng)是可維修系統(tǒng)，可靠性用持續(xù)可用性來(lái)表示。VpT;T為工作時(shí)間；TA為停機(jī)時(shí)間pATTA可以通過(guò)提高系統(tǒng)元件本身的可靠性，各元件之間的合理布置，對(duì)系統(tǒng)增加故障檢測(cè)，過(guò)載保護(hù)等措施來(lái)提高。、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)元件動(dòng)力驅(qū)元件：交流伺服電

11、機(jī)、直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和電液、電氣、伺服閥等。特點(diǎn)：可以輸出一定的運(yùn)動(dòng)和力，但工作特性差異很大，應(yīng)用范圍也不相同。對(duì)驅(qū)動(dòng)元件的要求：功率密度大Pw=P/W;P為輸出功率，W為重量。快速性好，即加減速的扭矩大，頻率特性好。位置控制精度高，調(diào)速范圍寬(速比1：10000以上)，低速平穩(wěn)。振動(dòng)小，噪聲小?？煽啃愿?，壽命長(zhǎng)。效率高，節(jié)約能源。(一)步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移的變換器，分為轉(zhuǎn)動(dòng)式和直線式。步進(jìn)電機(jī)由于輸出功率小，又稱為伺服式步進(jìn)電機(jī)，快速步進(jìn)電機(jī)；輸出轉(zhuǎn)矩大于10N.m的稱為功率步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)種類：1）可變磁阻式（VR步進(jìn)電機(jī)（反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)）：特點(diǎn)：轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，

12、定子有繞組，由定子繞組通電產(chǎn)生反應(yīng)力矩作用產(chǎn)生步進(jìn)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，運(yùn)行頻率高，步距角?。?.759）;應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人，數(shù)控機(jī)床等。2）永磁式（PM步進(jìn)電機(jī)：特點(diǎn)：轉(zhuǎn)子為永磁鐵，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)靠與定子繞組所產(chǎn)生的電磁力相互吸引或排斥來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刂乒β市　⑿矢?、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、步距角大（1.818）3）混合式（HB步進(jìn)電機(jī)（永磁式反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)）：特點(diǎn)：步距角小，控制功率小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。通電方式：步進(jìn)電機(jī)通電方式不同，產(chǎn)生的步距角也不同，以三相為例。1）三相單三拍通電方式：（反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)）很少用，高速時(shí)易失步。21.!按AB-CAB-C的順序通電，轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。按A-C-BACB的順序

13、通電，電機(jī)按順時(shí)針?lè)捶较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。其轉(zhuǎn)速取決于各相控制繞組通電與斷電的頻率，旋轉(zhuǎn)方向取決于控制繞組輪流通電的順序，角位移量則取決于輸入脈沖的數(shù)目?！叭唷笔侵溉嗖竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)，“單”是指每次只有一相控制繞組通電?？刂评@組每改變一次通電方式稱為“一拍”，“三拍”是指經(jīng)過(guò)三次改變通電方式為一個(gè)循環(huán)。每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度為步距角，圖示三相單三拍運(yùn)行時(shí)：=30。2）三相雙三拍通電方式：運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、輸出轉(zhuǎn)矩大，發(fā)熱也大。當(dāng)控制繞組的通電方式為ABC-CA-AB或ACA-BC-AB寸，即每拍同時(shí)有兩相繞組通電，三拍為一個(gè)循環(huán)。3）二相六拍通電方式：運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩也比較大，步距角減小，精度也得到提咼，應(yīng)用多。當(dāng)控制

14、繞組的通電方式為AAB-BBCCCA-A或AAC-CCB-BBA-A即一相通電和兩相通電間隔地輪流進(jìn)行，完成一個(gè)循環(huán)需要經(jīng)過(guò)六次改變通電狀態(tài)時(shí)。4）其他：四相、五相、六相、八相單四拍、雙四拍、四相八拍、五相十拍等相數(shù)越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，轉(zhuǎn)矩越大，體積大，控制元件多，成本高。四相八拍的通電順序?yàn)椋篈B-ABC-BC-BCD-CD-CDA-DA-DAB-AB-五相十拍的通電順序?yàn)椋篈BC-ABCD-BCD-BCDE-CDE-CDEA-DEA-DEAB-EAB-EABC-ABC主要性能指標(biāo)：相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極NS磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用m表示。拍數(shù)：每通電一次為一拍，常用P表示。步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信

15、號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用：表示。小3於（Z為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)；m為相數(shù)；P為拍數(shù)）。ZP.例：P=6,z=75,則=18;P=10,z=24,則：=1.5步距角誤差匸實(shí)際步距角-理論步距角。一般為10左右。最咼啟動(dòng)頻率fq：空載時(shí)電機(jī)在不失步條件下可施加的最咼頻率，反映快速性能。最咼運(yùn)行頻率fmax:電機(jī)在一定負(fù)載條件下不失步運(yùn)行的的最咼轉(zhuǎn)速頻率。矩頻特性：電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得的運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為矩頻特性，見(jiàn)P94圖4.13;是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。失調(diào)角：轉(zhuǎn)子軸線偏移定子軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角。靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作

16、用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速公式：轉(zhuǎn)角：，N為脈沖數(shù)轉(zhuǎn)速：n=60f二一f（r/min）f脈沖頻率（Hz）3606由轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速公式可知，只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率和電機(jī)繞組的相序，即可獲得所需轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。步進(jìn)電機(jī)的定位特性：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的過(guò)程是一個(gè)振蕩過(guò)程，與系統(tǒng)的阻尼有關(guān),步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上裝有阻尼器0J叭/T.VVCtr冬49步進(jìn)電機(jī)的定位特性4.步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源與普通電機(jī)不同，在使用步進(jìn)電機(jī)時(shí)，僅僅給予電壓，電機(jī)是不會(huì)動(dòng)作的，必須通過(guò)脈沖產(chǎn)生器提供脈沖(脈沖數(shù))，以及使用驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電流流過(guò)電機(jī)內(nèi)部線圈、依順序切換激磁相序的方式才能夠讓電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)

17、使用。因此步進(jìn)電機(jī)的性能實(shí)際上取決于其電源的好壞?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖數(shù)量來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)也可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。5.直線步進(jìn)電機(jī)直接傳動(dòng)的特種電機(jī)。特點(diǎn)：將輸入的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的直線位移，不需要閉環(huán)控制，提供一定精度、可靠的位置控制。工作原理：變阻式和混合式。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；應(yīng)用范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)；反應(yīng)速度快，靈敏度高，隨動(dòng)性好；額定值高，冷卻條件好；精密定位和自鎖功能；工作可靠，壽命長(zhǎng)。例題：如圖所示步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠的高速定位系統(tǒng)，已知工作臺(tái)的質(zhì)量為m=2000N,工作臺(tái)與導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)卩=0.1；負(fù)載力為

18、F=0N，工作臺(tái)往復(fù)定位精度為_(kāi)0.05mm;工作臺(tái)移動(dòng)速度有兩種：Vj=25mm/0.2s及v2=500mm/1.5s。滾珠絲杠導(dǎo)程ts=12mm，直徑d=36mm，傳動(dòng)效率=80%，試選定驅(qū)動(dòng)該系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)。解：(1)確疋步進(jìn)電機(jī)步距角:脈沖當(dāng)量為、=005mm;ns為步進(jìn)電機(jī)的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)設(shè)i=1,則ns=ts/i=12/1X0.05=240脈沖/轉(zhuǎn):=360/240=1.5(2)計(jì)算負(fù)載力負(fù)載力由外負(fù)載力、慣性負(fù)載力和摩擦力三部分構(gòu)成夕卜負(fù)載力Fl=0N慣性負(fù)載力摩擦力(3)電機(jī)上的負(fù)載力矩為1tTm(FlFmFf)-mlmfi2二(002000)=48NcmFm二ma=0Ff二mg=

19、0.1200010=2000N1108(二)直流電機(jī)直流電動(dòng)機(jī)在直流電壓的控制下可以輸出一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，可以直接或通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。1直流電機(jī)的主要特點(diǎn)具有很好的調(diào)速特性，調(diào)速范圍寬。較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、功率大、響應(yīng)速度快?？赏ㄟ^(guò)閉環(huán)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、力矩和位置伺服控制。永磁式直流電機(jī)可以工作在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)(轉(zhuǎn)速為零)。斷電不能自鎖，需要配置專用電磁制動(dòng)器才能實(shí)現(xiàn)斷電后的定位。輸出力矩與控制電流成正比，輸出轉(zhuǎn)速要受到負(fù)載變化的影響。常采用線性驅(qū)動(dòng)和脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)方式，線性驅(qū)動(dòng)適用于小功率電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，大功率電機(jī)宜采用PWM驅(qū)動(dòng)。常用于機(jī)器人，數(shù)控機(jī)床等高性能伺服控制系統(tǒng)。2.直流電動(dòng)機(jī)分類

20、：電磁式：磁場(chǎng)由激磁繞組產(chǎn)生；應(yīng)用廣，大功率(100W)永磁式：又稱直流力矩電機(jī)，可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生，出力大，快速響應(yīng)；精度高；線性度好；運(yùn)行可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單、振動(dòng)小、結(jié)構(gòu)緊湊。3直流電動(dòng)工作原理圖：轉(zhuǎn)矩特性:uc=1cRaEa；Ea=Cee=心門(mén)；T二CMJC二KMIC轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性：T二仏Uc-tAn;RaRa44UCCee-dbTKeKMKe電機(jī)的功率計(jì)算:以峰值力矩Tlp不斷驅(qū)動(dòng)負(fù)載，電機(jī)功率Pm為：Pm：(1.52.5)tlS其中7=25.驅(qū)動(dòng)電路：(1)線性直流伺服放大器：互補(bǔ)式、線性橋式；P101(2)脈寬調(diào)制放大器PWM:P1011026.直流電機(jī)的調(diào)速：由電機(jī)的速

21、度公式_cmAt可知，改變電樞電阻、改變電樞電壓和改變勵(lì)磁的磁通量都能改變電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。同時(shí)也看到負(fù)載力矩的變化同樣也會(huì)引起轉(zhuǎn)速變化。電樞串電阻調(diào)速(Ra):實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，簡(jiǎn)單，但受負(fù)載影響大，空載無(wú)調(diào)速作用改變電樞電壓調(diào)速(UC):調(diào)速?gòu)V，低速運(yùn)行出現(xiàn)較多的諧波成分。改變勵(lì)磁的恒功率調(diào)速()：轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)矩下降，為恒功率調(diào)速。ePWM直流調(diào)速：控制方波的占空比來(lái)改變輸出平均電壓，調(diào)速性能好。MT(6圖5PWM瓦流訓(xùn)速動(dòng)系統(tǒng)I康理雙閉環(huán)直流調(diào)速：反饋電樞電流和轉(zhuǎn)速，電流環(huán)用于控制電流，轉(zhuǎn)速環(huán)用于控制轉(zhuǎn)速。情態(tài)和動(dòng)態(tài)性能好，抗干擾能力強(qiáng)。數(shù)字式直流調(diào)速：調(diào)速性能高，工作可靠、體積小。例題：如圖

22、所示電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，已知齒輪減速比為i=2,滾珠絲杠螺距ts=4mm，直徑為d=16mm,驅(qū)動(dòng)負(fù)載質(zhì)量為m=100Kg，工作臺(tái)最大線速度為2v=0.05m/s，最大加速度為a=5m/s，工作臺(tái)與導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)卩=0.1,試選擇直流電機(jī)。解:(1)計(jì)算負(fù)載力負(fù)載力由外負(fù)載力、慣性負(fù)載力和摩擦力三部分構(gòu)成外負(fù)載力F=0N慣性負(fù)載力F=ma=10010F000Nm=摩擦力Ff二jmg=0.110010=100N2)電機(jī)上的負(fù)載力矩為；n2(Fl-FmFf)-810(01001000)=0.35Nm專吩丄100(空)2=0.1kg/cm22二2負(fù)載折算到電機(jī)上的慣量(4)電機(jī)的轉(zhuǎn)速十200525r/

23、s=1500r/min20.004J(5)電機(jī)的功率0.352P:(1.52.5)tLp*=225=137.4W0.84.步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)主要特點(diǎn)比較：步進(jìn)電機(jī)通過(guò)改變輸入脈沖的數(shù)量、頻率和順序就可以控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)位置控制；直流電機(jī)需要通過(guò)閉環(huán)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、位置伺服控制。步進(jìn)電機(jī)具有定位自鎖能力；直流電機(jī)不能自鎖，需要配置專用電磁制動(dòng)器才能實(shí)現(xiàn)斷電后的定位。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)速不受電源電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響；電壓的變化直接影響直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率和最高運(yùn)行效率相差很大，啟動(dòng)速度大小與負(fù)載慣量有關(guān)；直流電機(jī)啟動(dòng)力矩大，永磁式直流電機(jī)可以工

24、作在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。步進(jìn)電機(jī)常用于自動(dòng)化儀表和小功率位置伺服系統(tǒng)；直流電機(jī)常用于機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等高性能伺服控制系統(tǒng)。（三）交流電動(dòng)機(jī)常用的交流電動(dòng)機(jī)有三相異步電動(dòng)機(jī)和單相異步電動(dòng)機(jī)。三相異步電動(dòng)機(jī)：工業(yè)中應(yīng)用最廣泛。單相異步電動(dòng)機(jī)：家用電器、醫(yī)療器械中應(yīng)用。交流電動(dòng)機(jī)的主要類型籠型異步電動(dòng)機(jī)：起動(dòng)電流大，常采用降壓起動(dòng)，用于風(fēng)機(jī)、水泵等。繞線式異步電動(dòng)機(jī)：常用于不需調(diào)速的連續(xù)運(yùn)行的大功率設(shè)備，如空調(diào)、氣泵、起重機(jī)械等。各型號(hào)交流電動(dòng)機(jī)的性能及應(yīng)用范圍，見(jiàn)P106表4.1o交流伺服電機(jī)分類：永磁式交流同步伺服電機(jī)和籠型交流異步伺服電機(jī)。永磁式交流同步伺服電機(jī)：在電機(jī)軸上裝有檢測(cè)轉(zhuǎn)速和位置的反饋裝置。

25、電源由PWM變頻器供給,實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變頻調(diào)速，旋轉(zhuǎn)速度與輸入的脈沖信號(hào)頻率成正比（類似步進(jìn)電機(jī)），轉(zhuǎn)速不受負(fù)載影響，調(diào)速范圍極大（100000:1）,轉(zhuǎn)矩和過(guò)載能力保持不變。交流伺服驅(qū)動(dòng)原理：SPW正弦脈寬調(diào)制變頻調(diào)速。（等幅不等寬）三博液與正凳瀝相更抉狐處寬調(diào)制菠籠型交流異步伺服電機(jī)：軸端裝有編碼器，可配選制動(dòng)器，由矢量控制和PWh變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)速,調(diào)速范圍廣、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、響應(yīng)速度快和運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)。電機(jī)容量的計(jì)算連續(xù)恒負(fù)載運(yùn)行時(shí)電機(jī)容量的計(jì)算P=Tn/9550T為折算轉(zhuǎn)矩；n為額定轉(zhuǎn)速。連續(xù)周期性變化負(fù)載的電機(jī)功率計(jì)算：P108公式(4.42)較短工作制的電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算：P109公式(4.43

26、)和(4.44)(4)斷續(xù)周期工作制電動(dòng)機(jī)的功率計(jì)算：P109公式(4.45)4.交流電機(jī)的調(diào)速：見(jiàn)P111表4.2GCf速度公式：n=(1-s)；p磁極對(duì)數(shù)；f電源頻率(Hz);s轉(zhuǎn)差率P(1)變極調(diào)速：改變繞組接線方式(串聯(lián)、并聯(lián))改變磁極對(duì)數(shù)，24極。電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速：5=n-電機(jī)轉(zhuǎn)速，n。-旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速no轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速：串級(jí)調(diào)速：附加電動(dòng)勢(shì)變頻調(diào)速：改變電源頻率，無(wú)級(jí)調(diào)速。5交流伺服電機(jī)的主要特點(diǎn)調(diào)速范圍寬。輸出功率大，比步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)具有更大的輸出功率。通過(guò)閉環(huán)實(shí)現(xiàn)速度控制或位置控制。同步電機(jī)具有與步進(jìn)電機(jī)相近的特性，可工作于步進(jìn)方式，轉(zhuǎn)速不受負(fù)載變化的影響，穩(wěn)定性高，在整

27、個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和過(guò)載能力保持不變。異步伺服電機(jī)的工作原理與普通的籠型異步電機(jī)基本相同，成本較低。同步電機(jī)適用于高性能伺服系統(tǒng)，異步伺服電機(jī)適用于機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)及其它功率較大的伺服系統(tǒng)。(四)液壓與氣壓伺服元件液壓伺服元件和氣壓伺服元件的工作原理相類似。有比例閥和伺服閥兩種控制閥可與液壓(或氣壓)缸或者馬達(dá)組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。液壓伺服元件開(kāi)關(guān)控制閥：具有開(kāi)關(guān)或切換油路的功能，電磁換向閥。電液伺服閥：將微弱的電信號(hào)輸入轉(zhuǎn)換成大功率的液壓量輸出。電液比例閥：將輸入的電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械輸出信號(hào)以對(duì)流量、壓力或方向進(jìn)行成比例控制。液壓伺服元件的主要特點(diǎn)功率密度大，輸出功率大，帶負(fù)載能力強(qiáng)。伺服閥與油缸

28、、馬達(dá)組成電液伺服系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)高性能位置、速度或力控制。響應(yīng)速度快，低速平穩(wěn)性好。具有自密封性，可適用于水下，化工等特殊環(huán)境。需要專門(mén)的液壓動(dòng)力源，體積較大，存在環(huán)境污染問(wèn)題。適用于對(duì)輸出力要求比較大和一些特殊工作環(huán)境。氣壓控制閥通過(guò)電磁鐵把電控信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制閥的閥芯位移，實(shí)現(xiàn)流量、方向和壓力的控制氣壓控制閥分開(kāi)關(guān)控制閥和比例控制閥。氣壓伺服元件的主要特點(diǎn)(1)工作介質(zhì)來(lái)源于空氣、方便且無(wú)污染。(2)反應(yīng)速度快。(3)負(fù)載能力較差。無(wú)污染、適用于各種生產(chǎn)線，特別是食品或藥品的生產(chǎn)線。三、常用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)元件的特性及選擇方法：1常用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)元件：步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)、電液伺服元件、氣壓伺服元件等。2典型伺服驅(qū)動(dòng)元件構(gòu)成的伺服系統(tǒng)的輸出功率和響應(yīng)頻率的大致關(guān)系：見(jiàn)P114,圖4.283.各種伺服驅(qū)動(dòng)元件的特性。見(jiàn)P114表4.3。四、定位機(jī)構(gòu)概述1定位結(jié)構(gòu)的作用驅(qū)動(dòng)物體到達(dá)并按規(guī)定的精度停