第3章执行元件的分类及控制用电机的驱动精选PPT.ppt

第3章执行元件的分类及控制用电机的驱动第1页，本讲稿共174页3.1 执行元件执行元件3.2 机电一体化系统（产品）常用的控制用电机机电一体化系统（产品）常用的控制用电机3.3 步进电动机及其驱动步进电动机及其驱动3.4 直流（直流（DC）伺服电动机及其驱动）伺服电动机及其驱动3.5 交流（交流（AC）伺服电动机及其驱动）伺服电动机及其驱动目录目录第2页，本讲稿共174页3.1 执行元件执行元件一、执行元件的种类及其特点一、执行元件的种类及其特点执执行行元元件件电磁式电磁式液压式液压式气动式气动式其它其它电动机电动机电磁阀及其它电磁阀及其它油缸油缸液压马达液压马达气缸气缸气压马达气压马达交流（交流（AC）伺服电动机）伺服电动机直流（直流（DC）伺服电动机）伺服电动机步进电机步进电机其它电动机其它电动机双金属片双金属片形状记忆合金形状记忆合金压电元件压电元件与材料有关与材料有关第3页，本讲稿共174页执行元件的优缺点执行元件的优缺点种种类类优优 点点缺缺 点点电电气气式式操作简便；编程容易；能操作简便；编程容易；能实现定位伺服；响应快；实现定位伺服；响应快；易与易与CPU相接；体积小，相接；体积小，动力较大，无污染。动力较大，无污染。瞬时输出功率大；过载瞬时输出功率大；过载差；易受外部噪声影响。差；易受外部噪声影响。液液压压式式输出功率大，速度快，动输出功率大，速度快，动作平稳，可实现定位伺服；作平稳，可实现定位伺服；易与易与CPU相接，响应快相接，响应快设备难于小型化，液压设备难于小型化，液压源或压力油要求严格，源或压力油要求严格，易泄漏且有污染。易泄漏且有污染。气气压压式式气源方便，成本低，无泄气源方便，成本低，无泄漏污染，速度快、操作比漏污染，速度快、操作比较简单较简单功率小，体积大，动作功率小，体积大，动作不够平稳；不易小型化，不够平稳；不易小型化，远距离传输困难，工作远距离传输困难，工作噪声大，难于伺服噪声大，难于伺服第4页，本讲稿共174页二、机电一体化系统对执行元件的基本要求二、机电一体化系统对执行元件的基本要求2、体积小，重量轻、体积小，重量轻4、易于微机控制、易于微机控制3、便于维修、安装、便于维修、安装1、惯量小、动力大、惯量小、动力大第5页，本讲稿共174页 机电一体化系统所用的执行元件主要是机电一体化系统所用的执行元件主要是机电一体化系统所用的执行元件主要是机电一体化系统所用的执行元件主要是电气式电气式，其次是液压式和气压式。，其次是液压式和气压式。第6页，本讲稿共174页3.2 3.2 机电一体化系统常用的控制用电机机电一体化系统常用的控制用电机机电一体化系统常用的控制用电机机电一体化系统常用的控制用电机机电一体化系统中的控制用电机：机电一体化系统中的控制用电机：是指能提供正确运动或较复杂动作是指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电动机。的伺服电动机。第7页，本讲稿共174页各种类型控制用电机各种类型控制用电机第8页，本讲稿共174页伺服电机在数控机床上的应用伺服电机在数控机床上的应用主轴电机主轴电机带制动器伺服电机带制动器伺服电机伺服电机伺服电机刀库刀具定位电机刀库刀具定位电机机械手旋转定位电机机械手旋转定位电机第9页，本讲稿共174页伺服电动机控制方式有：伺服电动机控制方式有：l开环控制方式开环控制方式l闭环控制方式闭环控制方式l半闭环控制方式半闭环控制方式第10页，本讲稿共174页开环控制开环控制指指令令输输入入运运算算处处理理电电路路驱驱动动电电路路步进步进电动机电动机滚珠丝杠滚珠丝杠执行机构执行机构第11页，本讲稿共174页半闭环控制半闭环控制指指令令输输入入滚珠丝杠滚珠丝杠执行机构执行机构运运算算处处理理电电路路驱驱动动电电路路伺服伺服电动机电动机速度传感器速度传感器位置检测传感器位置检测传感器（速度反馈）（速度反馈）（位置反馈）（位置反馈）第12页，本讲稿共174页闭环控制闭环控制指指令令输输入入运运算算处处理理电电路路驱驱动动电电路路伺服伺服电动机电动机速度传感器速度传感器（速度反馈）（速度反馈）（位置反馈）（位置反馈）光栅光栅第13页，本讲稿共174页一、机电一体化系统对控制用电机的基本要求一、机电一体化系统对控制用电机的基本要求一、机电一体化系统对控制用电机的基本要求一、机电一体化系统对控制用电机的基本要求即功率密度和比功率大即功率密度和比功率大1、性能密度大、性能密度大第14页，本讲稿共174页在额定输出功率相同的条件下：在额定输出功率相同的条件下：在额定输出功率相同的条件下：在额定输出功率相同的条件下：比功率比功率高高低低交流伺服电动机交流伺服电动机直流伺服电动机直流伺服电动机步进电动机步进电动机第15页，本讲稿共174页 对于起停频率低，但要求低速平对于起停频率低，但要求低速平稳的产品，其稳的产品，其功率密度功率密度是主要的性能是主要的性能指标；反之，其主要性能指标是指标；反之，其主要性能指标是高比高比功率功率。第16页，本讲稿共174页2、快速性好、快速性好3、位置控制精度高、调速范围宽、位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳无爬行现象、分低速运行平稳无爬行现象、分辨率高、振动噪声小；辨率高、振动噪声小；第17页，本讲稿共174页4 4、适应启、停频繁的工作要求；、适应启、停频繁的工作要求；、适应启、停频繁的工作要求；、适应启、停频繁的工作要求；5、可靠性高、寿命长、可靠性高、寿命长第18页，本讲稿共174页二、控制用电机的种类二、控制用电机的种类力矩电动机力矩电动机脉冲电动机脉冲电动机变频调速电动机变频调速电动机开关磁阻电动机开关磁阻电动机各种各种AC/DC伺服电动机伺服电动机开环控制开环控制闭环控制闭环控制速度控制速度控制第19页，本讲稿共174页控制用电机按工作原理可分为控制用电机按工作原理可分为旋转磁场型旋转磁场型旋转电枢型旋转电枢型同步电机同步电机步进电机步进电机直流伺服电机直流伺服电机感应电机感应电机交流伺服交流伺服电动机电动机第20页，本讲稿共174页3.3 步进电机及其驱动步进电机及其驱动 步进电机是将步进电机是将电脉冲信号电脉冲信号转换成转换成机械角位移机械角位移 的执行元件。的执行元件。第21页，本讲稿共174页一、步进电机的特点与种类一、步进电机的特点与种类1、特点、特点 1）步进电机的工作状态不易受各种干）步进电机的工作状态不易受各种干扰因素的影响；扰因素的影响；2）步进电机的步距角有误差，但不会）步进电机的步距角有误差，但不会长期累积；长期累积；3）控制系统简单）控制系统简单第22页，本讲稿共174页2 2、步进电机的种类、步进电机的种类（1）按运动方式分）按运动方式分 旋转式步进电机旋转式步进电机 直线式步进电机直线式步进电机第23页，本讲稿共174页（2）按励磁相数分）按励磁相数分l 三相步进电机三相步进电机l 四相步进电机四相步进电机l 五相步进电机五相步进电机l 六相步进电机六相步进电机第24页，本讲稿共174页（3 3）按转子的结构分）按转子的结构分）按转子的结构分）按转子的结构分l 可变磁阻（可变磁阻（VR）型）型l 永磁（永磁（PM）型）型l 混合（混合（HB）型）型第25页，本讲稿共174页可变磁阻型（可变磁阻型（可变磁阻型（可变磁阻型（VRVR）又称为反应式步进电动机；又称为反应式步进电动机；三相反应式步进电动机断面图三相反应式步进电动机断面图第26页，本讲稿共174页特点：特点：l步矩角小步矩角小l响应速度快响应速度快l结构简单结构简单l效率低效率低l噪声大噪声大第27页，本讲稿共174页永磁（永磁（永磁（永磁（PMPM）型）型）型）型转子采用永久磁铁转子采用永久磁铁定子定子转子转子绕组绕组第28页，本讲稿共174页特点：特点：l无励磁时具有保持力，可作定位驱无励磁时具有保持力，可作定位驱动；动；l励磁功率小、效率高、造价便宜；励磁功率小、效率高、造价便宜；l步距角较大；步距角较大；第29页，本讲稿共174页混合（混合（HB）型）型第30页，本讲稿共174页特点：特点：l步距角小步距角小l响应频率高响应频率高l励磁功率小励磁功率小l效率高效率高第31页，本讲稿共174页二二、步进电机工作原理步进电机工作原理 下面以反应式步进电机为例说明步下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。进电机的结构和工作原理。ABCIAIBIC定子定子转子转子第32页，本讲稿共174页 由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转矩，使会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转矩，使会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转矩，使会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转矩，使转子转动。转子转动。转子转动。转子转动。现以现以AB C A的通电顺序，使三相绕组轮流的通电顺序，使三相绕组轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。通入直流电流，观察转子的运动情况。ABCIAIBIC定子定子转子转子第33页，本讲稿共174页1 1 1 1、三相单三拍、三相单三拍、三相单三拍、三相单三拍 “三相三相”指三相步进电机；指三相步进电机；“单单”指每次只能一相绕组通电；指每次只能一相绕组通电；“三拍三拍”指通电三次完成一个通电循环。指通电三次完成一个通电循环。第34页，本讲稿共174页 A相绕组通电，相绕组通电，B、C相不通相不通电。气隙产生以电。气隙产生以A-A为轴线的磁为轴线的磁场，而磁力线总是力图从磁阻最场，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电动机转子受小的路径通过，故电动机转子受到一个反应转矩，在此转矩的作到一个反应转矩，在此转矩的作用下，转子必然转到左图所示位用下，转子必然转到左图所示位置：置：1、3齿与齿与A、A极对齐。极对齐。CABBCA3412第35页，本讲稿共174页 同理，同理，B相通电时，转子会转过相通电时，转子会转过30 角，角，2、4齿和齿和B、B 磁极轴线对齐；当磁极轴线对齐；当C相通电时，转子再转过相通电时，转子再转过30 角，角，1、3齿和齿和C、C磁极轴线对齐。磁极轴线对齐。CABBCA34121C342CABBA第36页，本讲稿共174页 按按AB C A 的顺序给的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过动起来。每一拍转过30(步距角步距角)，每个，每个通电循环周期通电循环周期(3拍拍)磁场在空间旋转了磁场在空间旋转了360而转子转过而转子转过90(一个齿距角一个齿距角)。第37页，本讲稿共174页2、三相六拍、三相六拍 按按AAB B BC C CA的顺序给三相绕组轮流通电。的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制这种方式可以获得更精确的控制特性。特性。第38页，本讲稿共174页A A相通电：相通电：相通电：相通电：转子转子转子转子1 1、3 3齿与齿与齿与齿与A A、A A 对齐。对齐。对齐。对齐。A、B相同时通电：相同时通电：A、A 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，齿，转子转过转子转过15，到达左图到达左图所示位置。所示位置。CABBCA3412CABBCA3412第39页，本讲稿共174页B B 相通电：相通电：相通电：相通电：转子转子转子转子2 2、4 4齿与齿与齿与齿与B B、B B 对对对对齐齐齐齐,又转过又转过又转过又转过1515 。B、C相同时通电：相同时通电：C、C 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，转子再转过齿，转子再转过15。CABBCA34123412CABBCA第40页，本讲稿共174页 三相反应式步进电动机的一个三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：通电循环周期如下：AAB B BC C CA，每个循环周期分，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过为六拍。每拍转子转过15（步距角）（步距角），一个通电循环周期一个通电循环周期(6拍拍)转子转过转子转过90 (齿距角齿距角)。第41页，本讲稿共174页3 3、三相双三拍三相双三拍三相双三拍三相双三拍 按按AB BC CA的顺序给三的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电组同时通电。第42页，本讲稿共174页 与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循循环周期也分为三拍。每拍转子转过环周期也分为三拍。每拍转子转过30 (步距角步距角)，一个通电循环周期一个通电循环周期(3拍拍)转子转过转子转过90(齿距角齿距角)。AB通电通电CABBCA3412BC通电通电3412CABBCACA通电通电CABBCA3412第43页，本讲稿共174页 实际采用的步进电机的步距角多为实际采用的步进电机的步距角多为实际采用的步进电机的步距角多为实际采用的步进电机的步距角多为3 3度和度和度和度和1.51.5度，度，度，度，步距角越小，机加工的精度越高。步距角越小，机加工的精度越高。步距角越小，机加工的精度越高。步距角越小，机加工的精度越高。为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子子40个齿，定子仍是个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁极上也有五个齿。个磁极，但每个磁极上也有五个齿。第44页，本讲稿共174页步距角计算公式：步距角计算公式：步距角计算公式：步距角计算公式：通电拍数相同时通电拍数相同时k=1；不同时；不同时k=2第45页，本讲稿共174页磁极数越多，转子齿数越多，步距角就越小。磁极数越多，转子齿数越多，步距角就越小。五相轴向分相反应式步进电机。五相轴向分相反应式步进电机。五相轴向分相反应式步进电机。五相轴向分相反应式步进电机。第46页，本讲稿共174页 电机的转速取决于绕组与电源接通或断开的电机的转速取决于绕组与电源接通或断开的电机的转速取决于绕组与电源接通或断开的电机的转速取决于绕组与电源接通或断开的变化频率；变化频率；变化频率；变化频率；慢慢快快第47页，本讲稿共174页电机的转动方向取决于绕组通电的顺序；电机的转动方向取决于绕组通电的顺序；A-C-B-AA-B-C-A第48页，本讲稿共174页电机转过的角度取决于通电的次数。电机转过的角度取决于通电的次数。第49页，本讲稿共174页三、步进电机的运行特性及性能指标三、步进电机的运行特性及性能指标 步距角步距角 越小，分辨率越高越小，分辨率越高,系系统的定位精度越高；统的定位精度越高；1、分辨率、分辨率0.750/1.50、0.90/1.80、1/20、0.60/1.20、1.50/30等等常用的步矩角有：常用的步矩角有：第50页，本讲稿共174页2、静态特性、静态特性 稳定状态时的特性稳定状态时的特性1）矩角特性）矩角特性2）静转矩）静转矩3）静态稳定区）静态稳定区第51页，本讲稿共174页单相通电时的矩角特性单相通电时的矩角特性力矩力矩T定子定子转子转子失调角失调角 e转子转子 单相通电时的电磁转矩与失调角之间单相通电时的电磁转矩与失调角之间的关系称为单相通电时的矩角特性。的关系称为单相通电时的矩角特性。第52页，本讲稿共174页单相通电时的矩角特性单相通电时的矩角特性静态稳定区静态稳定区T eTjmax-/2/2 0最大静态转矩最大静态转矩静态转矩越大，静态误差就越小静态转矩越大，静态误差就越小第53页，本讲稿共174页提高最大静态转矩可采用多相通电方法提高最大静态转矩可采用多相通电方法提高最大静态转矩可采用多相通电方法提高最大静态转矩可采用多相通电方法步进电机多相通电时的转矩步进电机多相通电时的转矩11.73221.732111.6181.618111.4141116543电机电机相数相数54321432132121同时通电同时通电相数相数第54页，本讲稿共174页3、动态特性、动态特性系统的动态特性包括：系统的动态特性包括：动态稳定区动态稳定区 起动转矩起动转矩 矩矩-频特性频特性 最高连续运行频率最高连续运行频率 空载起动频率空载起动频率 惯惯-频特性等频特性等第55页，本讲稿共174页1）动态稳定区）动态稳定区A B C e 步进电动机从步进电动机从A相通电状态切换到相通电状态切换到B相通电状态时，不致引起丢步的区域相通电状态时，不致引起丢步的区域称为动态稳定区。称为动态稳定区。第56页，本讲稿共174页 步进电动机在步进电动机在通电相数越多通电相数越多的的运行方式下，其动态稳定区越接近静运行方式下，其动态稳定区越接近静态稳定区；裕量角态稳定区；裕量角 r也越大，在运行也越大，在运行中越不易丢步。中越不易丢步。第57页，本讲稿共174页2）启动转矩）启动转矩TqA B CTq eT A相与相与B矩角特性曲线之交点所对应的转矩角特性曲线之交点所对应的转矩矩Tq称为起动转矩；称为起动转矩；第58页，本讲稿共174页当负载转矩当负载转矩TLT负载力矩负载力矩TL,电机可正常起步。电机可正常起步。A B C eTTL第59页，本讲稿共174页 电机产生的电磁转矩电机产生的电磁转矩TTTq时：时：A B C eT第60页，本讲稿共174页 Tq表明步进电机单相励磁所能表明步进电机单相励磁所能带动的带动的极限负载转矩极限负载转矩第61页，本讲稿共174页 当电机所带负载当电机所带负载T TL LTTq q时，电机可时，电机可不失步的启动不失步的启动。第62页，本讲稿共174页3）矩）矩-频特性频特性 转矩与控制频率之间的变化转矩与控制频率之间的变化关系称为矩关系称为矩-频特性。频特性。Td(N.m)f(Hz)电动机在连续运行状态下：电动机在连续运行状态下：第63页，本讲稿共174页4 4）最高连续运行频率）最高连续运行频率）最高连续运行频率）最高连续运行频率 步进电机在连续运行时所能接步进电机在连续运行时所能接受的最高控制频率称为最高运行频受的最高控制频率称为最高运行频率，以率，以fmax表示；表示；第64页，本讲稿共174页Td(N.m)f(Hz)fmaxTL第65页，本讲稿共174页5）空载启动频率）空载启动频率 在空载状态下，转子从静在空载状态下，转子从静止状态能够不失步地启动时的止状态能够不失步地启动时的最大控制频率称为空载启动频最大控制频率称为空载启动频率或突跳频率（率或突跳频率（fq）。）。第66页，本讲稿共174页A eTBC当启动频率较低时：当启动频率较低时：电机可不失步的运行电机可不失步的运行1234第67页，本讲稿共174页A eTBC启动频率太高启动频率太高 4点落在点落在C相稳定区外，电机将不相稳定区外，电机将不能正常启动。能正常启动。1234第68页，本讲稿共174页6 6）惯）惯）惯）惯-频特性频特性频特性频特性 步进电机带动惯性负载时的步进电机带动惯性负载时的起跳频率与负载转动惯量之间的起跳频率与负载转动惯量之间的关系为惯关系为惯-频特性。频特性。一般讲，随着负载转动惯量的增加，一般讲，随着负载转动惯量的增加，起跳频率也会降低。起跳频率也会降低。第69页，本讲稿共174页4 4、步进电动机技术指标实例、步进电动机技术指标实例、步进电动机技术指标实例、步进电动机技术指标实例 定子绕组相数定子绕组相数BF ：反应式：反应式BGY：混合式：混合式BY ：永磁式：永磁式电动机外径（电动机外径（mm）第70页，本讲稿共174页反应式步进电机技术性能数据反应式步进电机技术性能数据13001100015.640.755150BF00315004.90.753110BF004150070007.840.753110BF003空载启动空载启动频率频率(步步/s）空载运行空载运行频率频率(步步/s）最大静态最大静态转矩转矩(Nm)步距角步距角(0)相数相数 参数参数型号型号第71页，本讲稿共174页四、步进电机的驱动与控制四、步进电机的驱动与控制四、步进电机的驱动与控制四、步进电机的驱动与控制变变频频信信号号源源脉脉冲冲分分配配器器功功率率放放大大器器电电机机脉冲信号脉冲信号方向方向分配器电源分配器电源放大器电源放大器电源1、组成、组成第72页，本讲稿共174页2、变频信号源、变频信号源 将计算机发出的从几赫兹到将计算机发出的从几赫兹到几万赫兹的频率信号转变为连续几万赫兹的频率信号转变为连续可调的脉冲信号。可调的脉冲信号。第73页，本讲稿共174页3、环形脉冲分配器、环形脉冲分配器作用：作用：使电机绕组的通电顺序按一定使电机绕组的通电顺序按一定规律变化规律变化第74页，本讲稿共174页实现的方法有：实现的方法有：1）采用计算机软件利用查表）采用计算机软件利用查表程序来实现程序来实现2）采用小规模集成电路搭接）采用小规模集成电路搭接而成的脉冲分配器而成的脉冲分配器3）采用专用环形分配器器件）采用专用环形分配器器件软件环分软件环分硬件环分硬件环分第75页，本讲稿共174页采用计算机软件利用查表程序来实现采用计算机软件利用查表程序来实现01H1006A05H1015CA04H0014C06H0113BC02H0102B03H1101AB反反01H1000A正正转向转向代码代码ABC脉冲脉冲通电状态通电状态转向转向通过读取数据的顺序可控制电动机的转向；通过读取数据的顺序可控制电动机的转向；通过控制脉冲的频率可控制电动机的转速。通过控制脉冲的频率可控制电动机的转速。第76页，本讲稿共174页软件环分驱动控制软件环分驱动控制软件环分驱动控制软件环分驱动控制 对对于于三三相相六六拍拍环环形形分分配配器器，每每当当接接收收到到一一个个进进给给脉脉冲冲指指令令，环环形形分分配配器器软软件件根根据据下下表表所所示示真真值值表表，按按顺序及方向控制输出接口将顺序及方向控制输出接口将A、B、C的值输出即可。的值输出即可。CNC装置装置电源电源A相驱动相驱动B相驱动相驱动C相驱动相驱动CBAM第77页，本讲稿共174页优点：优点：充分利用计算机软件资源，降低硬件成充分利用计算机软件资源，降低硬件成本；对多相电机的脉冲分配具有更大的优点；本；对多相电机的脉冲分配具有更大的优点；缺点：缺点：易影响电机的运行速度易影响电机的运行速度第78页，本讲稿共174页采用小规模集成电路搭接而成的脉冲分配器采用小规模集成电路搭接而成的脉冲分配器第79页，本讲稿共174页优点：优点：灵活性大，可搭接任意相灵活性大，可搭接任意相任意通电顺序的环形分配器，且任意通电顺序的环形分配器，且工作时不占用计算机的工作时间工作时不占用计算机的工作时间.缺点：缺点：可靠性差可靠性差第80页，本讲稿共174页采用专用环形分配器器件采用专用环形分配器器件特点：特点：使用方便，接口简单使用方便，接口简单第81页，本讲稿共174页三相硬件环形分配器的驱动控制三相硬件环形分配器的驱动控制三相硬件环形分配器的驱动控制三相硬件环形分配器的驱动控制CNC装置装置电源电源环形环形分配器分配器A相驱动相驱动B相驱动相驱动C相驱动相驱动FULL/HALF方向信号方向信号时钟信号时钟信号M第82页，本讲稿共174页2、功率放大器、功率放大器作用：作用：将从环行分配器输出的毫将从环行分配器输出的毫安级的电流放大到可以驱动步安级的电流放大到可以驱动步进电动机运转的电流。进电动机运转的电流。第83页，本讲稿共174页步进电动机使用的功率放大电路包括：步进电动机使用的功率放大电路包括：恒流驱动恒流驱动斩波驱动斩波驱动单电压型单电压型双电压型双电压型第84页，本讲稿共174页单电压型单电压型 前置放大前置放大En第85页，本讲稿共174页特点：特点：结构简单结构简单;输出脉冲波形差，输出功率低；输出脉冲波形差，输出功率低；主要用于对速度要求不高的小型步主要用于对速度要求不高的小型步进电机。进电机。第86页，本讲稿共174页高低压功率放大电路高低压功率放大电路单稳单稳 延时延时前置放大前置放大前置放大前置放大第87页，本讲稿共174页波形图波形图高高压压建建流流，低低压压稳稳流流第88页，本讲稿共174页特点：特点：特点：特点：高速运行性能好，但低高速运行性能好，但低速运行时振动较大速运行时振动较大;第89页，本讲稿共174页恒流源功率放大器恒流源功率放大器第90页，本讲稿共174页特点：特点：特点：特点：适用于较高频率的驱动上，适用于较高频率的驱动上，功耗小，效率高，但发热大。功耗小，效率高，但发热大。第91页，本讲稿共174页斩波恒流功率放大电路斩波恒流功率放大电路第92页，本讲稿共174页特点：特点：电机的输出加大，运行频电机的输出加大，运行频率得到提高。率得到提高。第93页，本讲稿共174页5）调频调压功放电路）调频调压功放电路U1U2U1U2f1f2TLTd(N.m)f(Hz)步进电机的矩频特性曲线步进电机的矩频特性曲线第94页，本讲稿共174页特点：特点：低频时低压供电，高频时高压供电；低频时低压供电，高频时高压供电；要求给绕组供电的电源有较高的电要求给绕组供电的电源有较高的电压。压。第95页，本讲稿共174页5、细分驱动、细分驱动l步矩角越小，系统的精度越高步矩角越小，系统的精度越高l步矩角由电机的结构所确定步矩角由电机的结构所确定第96页，本讲稿共174页细分细分 将一个步距角细分成若干将一个步距角细分成若干步的驱动方式称为细分驱动。步的驱动方式称为细分驱动。第97页，本讲稿共174页采用的方法：采用的方法：采用的方法：采用的方法：将绕组中的矩形电流波改将绕组中的矩形电流波改成阶梯电流波。成阶梯电流波。第98页，本讲稿共174页细分前后的一步角位移波形图细分前后的一步角位移波形图细分前后的一步角位移波形图细分前后的一步角位移波形图tIm第99页，本讲稿共174页特点：特点：l在不改变电动机结构参数的情况下，在不改变电动机结构参数的情况下，能使步距角减少；能使步距角减少；l细分后的步距角精度不高，功率驱细分后的步距角精度不高，功率驱动电路也相应复杂；动电路也相应复杂；第100页，本讲稿共174页细分的方法有：细分的方法有：细分的方法有：细分的方法有：l采用多路功率开关器件；采用多路功率开关器件；l将开关的控制脉冲信号进行叠加将开关的控制脉冲信号进行叠加第101页，本讲稿共174页l控制方式（脉冲分配的方式）控制方式（脉冲分配的方式）l速度的控制速度的控制6、步进电机的微机控制、步进电机的微机控制运行速度控制运行速度控制加减速控制加减速控制第102页，本讲稿共174页（1）控制方式）控制方式串行控制串行控制并行控制并行控制第103页，本讲稿共174页串行控制串行控制8031P1.0P1.1P1.2CP脉冲脉冲方向信号方向信号方式信号方式信号 环环形形分分配配器器功功率率放放大大电电路路步步进进电电机机第104页，本讲稿共174页特点：特点：1 1）单片机系统与步进电机驱动电源）单片机系统与步进电机驱动电源之间具有较少的连线之间具有较少的连线2 2）驱动电源中必须含有环行分配）驱动电源中必须含有环行分配器器第105页，本讲稿共174页并行控制：并行控制：用微机系统的数个端口直接控用微机系统的数个端口直接控制步进电动机各相驱动电路的方法制步进电动机各相驱动电路的方法称为并行控制；称为并行控制；8031P1.0P1.1P1.2P1.3驱动器驱动器ABCD第106页，本讲稿共174页特点：特点：1）结构简单，速度较慢；）结构简单，速度较慢；2）环形分配功能由软件完成，且其）环形分配功能由软件完成，且其并行控制功能必须由微机系统完成。并行控制功能必须由微机系统完成。第107页，本讲稿共174页系统实现脉冲分配功能的方法有两种：系统实现脉冲分配功能的方法有两种：1）纯软件方法）纯软件方法 即完全用软件来实现相序即完全用软件来实现相序的分配，直接输出各相导通或的分配，直接输出各相导通或截止的信号。截止的信号。第108页，本讲稿共174页2）软、硬件结合的方法）软、硬件结合的方法 通过专门设计的一种编程器接通过专门设计的一种编程器接口，计算机向接口输入简单形式的口，计算机向接口输入简单形式的代码数据，而接口输出的是步进电代码数据，而接口输出的是步进电动机各相导通或截止的信号。动机各相导通或截止的信号。第109页，本讲稿共174页（2 2）步进电机速度控制）步进电机速度控制）步进电机速度控制）步进电机速度控制 控制步进电机的运行速度，实际上控制步进电机的运行速度，实际上就是控制系统发出时钟脉冲的频率或换相就是控制系统发出时钟脉冲的频率或换相的周期。的周期。第110页，本讲稿共174页 进给脉冲频率进给脉冲频率f定子绕组通定子绕组通电电/断电状态变化频率断电状态变化频率f 步进电步进电机转速机转速 工作台的进给速度工作台的进给速度V。V=60f第111页，本讲稿共174页系统确定时钟脉冲的周期的方法：系统确定时钟脉冲的周期的方法：软件延时法占用软件延时法占用CPU时间时间定时器法是通过设置定时时定时器法是通过设置定时时间常数的方法来实现。间常数的方法来实现。软件延时法和定时器法软件延时法和定时器法第112页，本讲稿共174页点点-位控制的加减速过程位控制的加减速过程恒速恒速f起点起点时间时间终点终点时间时间t升速升速减速减速低速低速 要求升速、减速过程最短要求升速、减速过程最短,恒速时恒速时间尽量长，且恒速度最大间尽量长，且恒速度最大第113页，本讲稿共174页升速时使脉冲串逐渐加密；减升速时使脉冲串逐渐加密；减速时使脉冲串逐渐稀疏。速时使脉冲串逐渐稀疏。方法：方法：第114页，本讲稿共174页 微机用定时器中断方式来微机用定时器中断方式来控制电机变速时，实际上就是控制电机变速时，实际上就是不断改变定时器装载值的大小。不断改变定时器装载值的大小。第115页，本讲稿共174页7、步进电机的选用步骤、步进电机的选用步骤 步进电机有步距角（涉及到相数）、步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。来了。第116页，本讲稿共174页（1）确定电机类型。）确定电机类型。（2）根据系统精度的要求粗选步距角）根据系统精度的要求粗选步距角。第117页，本讲稿共174页13001100015.640.755150BF00315004.90.753110BF004150070007.840.753110BF003空载启动空载启动频率频率(步步/s）空载运行空载运行频率频率(步步/s）最大静态最大静态转矩转矩(Nm)步距角步距角(0)相数相数 参数参数型号型号反应式步进电机技术性能数据反应式步进电机技术性能数据第118页，本讲稿共174页（3 3）减速比的确定。）减速比的确定。）减速比的确定。）减速比的确定。步距角步距角()L丝杠导程丝杠导程(mm)脉冲当量脉冲当量(mm/脉冲脉冲)第119页，本讲稿共174页（4）计算出整个系统加载到电机轴的力矩）计算出整个系统加载到电机轴的力矩Tq1）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量的惯量Jt。2）计算电机负载转矩）计算电机负载转矩 电动机的负载转矩在各种工作情况下是不电动机的负载转矩在各种工作情况下是不同的，如快速空载起动时所需转矩、快速进给同的，如快速空载起动时所需转矩、快速进给时所需的转矩、最大切削负载时所需力矩等。时所需的转矩、最大切削负载时所需力矩等。对于数控机床常用快速空载起动力矩对于数控机床常用快速空载起动力矩作为选择步进电动机的依据。作为选择步进电动机的依据。第120页，本讲稿共174页注意：注意：启动转矩是步进电机能带动启动转矩是步进电机能带动负载的极限转矩。负载的极限转矩。第121页，本讲稿共174页（5）根据电机的通电情况计算出电）根据电机的通电情况计算出电机的最大静态转矩机的最大静态转矩T Tjmax；反应式步进电动机反应式步进电动机Tq/Tjmax系数系数0.9510.7070.86610860.8090.7070.5543通电方式通电方式543电机相数电机相数第122页，本讲稿共174页（6 6）根据）根据）根据）根据 和和Tjmax和选定电机型号；和选定电机型号；13001100015.640.755150BF00315004.90.753110BF004150070007.840.753110BF003空载启动空载启动频率频率(步步/s）空载运行空载运行频率频率(步步/s）最大静态最大静态转矩转矩(Nm)步距角步距角(0)相数相数 参数参数型号型号反应式步进电机技术性能数据反应式步进电机技术性能数据第123页，本讲稿共174页（7）检验）检验1）响应特性的检验）响应特性的检验等效负载转矩等效负载转矩步进电机的最大静态转矩步进电机的最大静态转矩步进电机的转动惯量步进电机的转动惯量等效转动惯量等效转动惯量第124页，本讲稿共174页2）根据电机的矩频特性曲线验）根据电机的矩频特性曲线验算电机在最大工作频率下的转算电机在最大工作频率下的转动力矩是否能带动负载运行。动力矩是否能带动负载运行。第125页，本讲稿共174页步进电动机矩频特性曲线步进电动机矩频特性曲线步进电动机矩频特性曲线步进电动机矩频特性曲线T最大静止转矩最大静止转矩输出转矩（失步转矩）输出转矩（失步转矩）脉冲频率脉冲频率fTdmf 若步进电动机以频率若步进电动机以频率f 运行，它所运行，它所拖动的负载转矩必须小于拖动的负载转矩必须小于Tdm，否则会，否则会导致失步。导致失步。第126页，本讲稿共174页 假设要求进给驱动装置有如下假设要求进给驱动装置有如下性能：在切削进给时的转矩为性能：在切削进给时的转矩为Tc，最大切削进给速度为最大切削进给速度为最大切削进给速度为最大切削进给速度为v vc，在快速进，在快速进，在快速进，在快速进给时的转矩为给时的转矩为给时的转矩为给时的转矩为Tm，最大快速进给，最大快速进给速度为速度为vm，第127页，本讲稿共174页将进给速度转换为电动机的工作频率将进给速度转换为电动机的工作频率式中：式中：v-进给速度（进给速度（m/min)-脉冲当量（脉冲当量（mm)f-步进电动机工作频率步进电动机工作频率第128页，本讲稿共174页 根据根据vc和和vm求出切削进给时求出切削进给时的最大工作频率的最大工作频率fc和快速进给时和快速进给时的最大工作频率的最大工作频率fm;第129页，本讲稿共174页 根据根据fc c和和fm在矩频特性曲线上找到与其在矩频特性曲线上找到与其对应的失步转矩对应的失步转矩Tdmc和和和和T Tdmm；T最大静止转矩最大静止转矩输出转矩（失步转矩）输出转矩（失步转矩）脉冲频率脉冲频率fTdmf第130页，本讲稿共174页 若有若有Tc Tdmc和和Tm Tdmm,就就表示电动机是能满足要求的，否表示电动机是能满足要求的，否则就是不能满足要求的。则就是不能满足要求的。第131页，本讲稿共174页（8）最后根据系统的安装条件）最后根据系统的安装条件最终确定电机型号。最终确定电机型号。第132页，本讲稿共174页3.43.4 直流（直流（DC）伺服电机及其驱动）伺服电机及其驱动第133页，本讲稿共174页第134页，本讲稿共174页 伺服电动机的作用是驱动控制对象。伺服电动机的作用是驱动控制对象。被控对象的转距和转速受信号电压控制，被控对象的转距和转速受信号电压控制，信号电压的大小和极性改变时，电动机信号电压的大小和极性改变时，电动机的转动速度和方向也跟着变化。的转动速度和方向也跟着变化。第135页，本讲稿共174页一、直流伺服电动机的特性及选用一、直流伺服电动机的特性及选用一、直流伺服电动机的特性及选用一、直流伺服电动机的特性及选用1、特性、特性 直流伺服电动机具有较高的响直流伺服电动机具有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制应速度、精度和频率，优良的控制特性，但寿命较低，需定期维修。特性，但寿命较低，需定期维修。第136页，本讲稿共174页2