机电一体化第3章第8节.ppt

1.1.什么是控制用电动机，举例什么是控制用电动机，举例？控制用电动机：控制用电动机：要宜于微机控制 最常见：各种AC/DC电动机、脉冲（步进）电动机、变频调速电动机等。常用的控制用电动机常用的控制用电动机是伺服电动机。回顾上节课的内容2.2.伺服电动机控制方式的基本形式有哪些，伺服电动机控制方式的基本形式有哪些，各有什么特点？各有什么特点？特点：开环：开环：无反馈信息，控制精度低（与其他两种相比），控制方法简单；半闭环：半闭环：有反馈信息，反馈的不是被控对象的位置速度信息，是电机的；控制精度较高。控制方法较复杂。闭环：闭环：有反馈信息，反馈的是被控对象的位置速度信息；控制精度最高。控制方法最复杂。3.3.对控制用电动机的基本要求有哪些？对控制用电动机的基本要求有哪些？4.4.步进电动机的特性？步进电动机的特性？步进电动机又称脉冲电动机。步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段距离。特性特性:(1)1)来一个脉冲，转一个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。(2)(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)(3)改变脉冲顺序，可改变转动方向。改变脉冲顺序，可改变转动方向。很容易用微机实现数字控制。步进电动机具有以下特点：步进电动机的工作状态不易受各种干扰因素(如电源电压的波动、电流的大小与波形的变化、温度等)的影响，只要在它们的大小未引起步进电动机产生“丢步”现象之前，就不影响其正常工作；步进电动机的步距角有误差，但不会长期积累。转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零”，因此不会长期积累；控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”。因此，步进电动机被广泛应用于开环控制的机电一体化系统，使系统简化，并可靠地获得较高的位置精度。5.步进电动机哪几部分结构组成？步步进进电电机机组组成成定子定子定子定子转子转子转子转子由硅钢片叠由硅钢片叠成成,有一定数量的有一定数量的磁极和绕组磁极和绕组用硅钢片叠用硅钢片叠成或成或 用软磁性用软磁性材料做成凸极结材料做成凸极结构构 6.6.步进电动机的种类有哪些，各有什么特点？步进电动机的种类有哪些，各有什么特点？常用的旋转式步进电动机的按转子结构的不同，可将其分为以下三种：1）可变磁阻(VR-Variable Reluctance)型 2)永磁(PM-Permanent Magnet)型 3)混合(HB-Hybrid)型 1）可变磁阻(反应式步进电动机)型特点：转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应；电动机的定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力；铁心无极性，故不需改变电流极性；步距角小、响应频率高。特点：定子的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩。定子绕组断电也能保持一定转矩，故具有记忆能力，可用做定位驱动。励磁功率小、效率高、造价低，因此需要量也大。由于转子磁铁的磁化间距受到限制，难于制造，故步距角较大。与VR型相比转矩大，但转子惯量也较大。2)永磁(PM-Permanent Magnet)型优点：步距角小、响应频率高（VR型步进电动机的优点），励磁功率小、效率高（PM型步进电动机）无励磁时具有保持力。励磁时的静止转矩都比VR型步进电动机的大HB步进电动机能够用做超低速同步电动机，如用60Hz驱动每步1.8的电动机可作为72rmin的同步电动机使用。3)3)混合混合(HB-Hybrid)(HB-Hybrid)型型7、简述步进电动机的工作原理？三相反应式步进电动机的原理结构图三相反应式步进电动机的原理结构图三相反应式步进电动机的原理结构图三相反应式步进电动机的原理结构图如下：如下：ABCIAIBIC 定子内圆周定子内圆周均匀分布着六个均匀分布着六个磁极，磁极上有磁极，磁极上有励磁绕组，每两励磁绕组，每两个相对的绕组组个相对的绕组组成一相。采用成一相。采用Y连接，连接，转子有四转子有四个齿。个齿。定子定子转子转子1.1.1.1.工作原理工作原理工作原理工作原理 由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，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，因此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。使转子转动。现以现以A B C A的通电顺序，使三相绕组的通电顺序，使三相绕组 轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。BCIAIBICNS1.1.1.1.三相单三拍三相单三拍三相单三拍三相单三拍CABBCA3412 A相绕组通电，相绕组通电，B、C相相不通电。气隙产生以不通电。气隙产生以A-AA-A为轴线为轴线的磁场，而磁力线总是力图从的磁场，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电动磁阻最小的路径通过，故电动机转子受到一个反应转矩，在机转子受到一个反应转矩，在此转矩的作用下，转子必然转此转矩的作用下，转子必然转到左图所示位置：到左图所示位置：1、3齿与齿与A、A极对齐。极对齐。“三相三相三相三相”指三相步进电机；指三相步进电机；指三相步进电机；指三相步进电机；“单单单单”指每次只能一相指每次只能一相指每次只能一相指每次只能一相绕组通电；绕组通电；绕组通电；绕组通电；“三拍三拍三拍三拍”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。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。CABBCA3412 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，转子相通电时，转子再转过再转过30 角，角，1、3齿和齿和C、C磁极轴线对齐。磁极轴线对齐。1C342CABBA 这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。以称为三相单三拍工作方式。按按AB C A 的顺序给三相绕组的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过过30(步距角步距角)，每个通电循环周期，每个通电循环周期(3拍拍)磁场在磁场在空间旋转了空间旋转了360而转子而转子转过转过90(一个齿距角一个齿距角)。2.2.三相双三拍三相双三拍三相双三拍三相双三拍 按按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有电。每拍有两相绕组两相绕组同时通电同时通电。AB通电通电CABBCA3412BC通电通电3412CABBCACA通电通电CABBCA3412 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)，一一个通电循环周期个通电循环周期(3拍拍)转子转过转子转过90(齿距角齿距角)。2.2.三相六拍三相六拍三相六拍三相六拍 按按AAB B BC C CA的顺序给三相的顺序给三相绕组轮流通电。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。CABBCA3412CABBCA3412 A相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿与齿与A、A 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，转子转转子转过过15，到达左图到达左图所示位置。所示位置。CABBCA3412 B B 相通电，相通电，转子转子2、4齿与齿与B、B 对齐对齐,又转又转过过15。3412CABBCA 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，转子再转齿，转子再转过过15。三相反应式步进电动机的一个通电循环周三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：期如下：AAB B BC C CA，每个循每个循环周期分为六拍。每拍转子转过环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角），（步距角），一一个通电循环周期个通电循环周期(6拍拍)转子转过转子转过90 (齿距角齿距角)。与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。小，更适用于需要精确定位的控制系统中。步进电动机的步距角越小，意味着它所能达到的位置精度越高。通常的步矩角是1.5或0.75，为此需要将转子做成多极式的，并在定子磁极上制成小齿。完成一个通电循环，转子将转过一个完成一个通电循环，转子将转过一个齿距角。再经过一个循环，转子将重齿距角。再经过一个循环，转子将重复刚才的运动，继续转过一个齿距角。复刚才的运动，继续转过一个齿距角。第四节第四节 步进电动机及其驱动步进电动机及其驱动定子转子工作原理步进电动机结构原理图步进电动机结构原理图齿距：齿距：齿距：齿距：设设转转子子的的齿齿数数是是Z Z，则齿距为则齿距为=360/Z=360/Z 设设Z Z为为4040，则，则 为为9 9 定定子子齿齿与与转转子子齿齿的的大大小相同，齿距相等小相同，齿距相等 错位错位步进电动机结构原理图步进电动机结构原理图当当A A相相定定子子齿齿和和转转子子齿齿对对齐齐，若若和和A A相相磁磁极极中中心心对对齐齐的的转转子子齿齿为为1 1号号齿齿，因因B B相相磁磁极极与与 A A相相 磁磁 极极 差差 120120，且且120120/9=13/9=13（1/31/3），故故转转子子齿齿不不能能与与B B相相定定子子齿齿对对齐齐，只只有有1313号号小小齿齿靠靠近近B B相相磁磁极极的的中中心心线线，与与中中心心线线相相差差33 电机转动的工作原理电机转动的工作原理总结：错齿是步进电动机旋转的根本原因总结：错齿是步进电动机旋转的根本原因步距角3 步距角的大小与通电方式和转子齿数有关，其大小可用下式计算：步距角360(z m)式中 z-转子齿数；m-运行拍数，通常等于相数或相数整数倍，即m=KN(N为电动机的相数，单拍时K1，双拍时K2)。步距角的大小与通电方式和转子齿数有关，其大小可用下式计算：步距角360(z m)式中:z-转子齿数；m-运行拍数，m=KN(N为电动机的相数，K为通电状态系数，为通电状态系数，单拍或双拍工作时单拍或双拍工作时K=1，单双拍混合方式工作时单双拍混合方式工作时K=2)。(1)三相单三拍工作方式，三相单三拍工作方式，A-B-C-A;K=1(2)三相双三拍工作方式，三相双三拍工作方式，AB-BC-CA-AB;K=1(3)三相单、双六拍工作方式，三相单、双六拍工作方式，A-AB-B-BC-CA-A;K=2步进电机可以制成四相、步进电机可以制成四相、五相、六相等，可以减小五相、六相等，可以减小步距角；步距角；如图五相做成五段，每段如图五相做成五段，每段内只有一对定子磁极，转内只有一对定子磁极，转子在圆周方向上不错开。子在圆周方向上不错开。通电方式：五相五拍、五相双五拍、五相十拍等通电方式：五相五拍、五相双五拍、五相十拍等 反应式步进电动机环形脉冲分配方式表 三、三、步进电动机的运行特性及性能指标步进电动机的运行特性及性能指标 1.1.分辨力分辨力 在一个电脉冲作用下(即一拍)，电动机转子转过的角位移，即步距角越小，分辨力越高。最常用的有0.61.2、0.751.5、0.91.8、12、1.53等。2.2.2.2.静态特性静态特性静态特性静态特性 失调角：单单相相定定子子通通电电时时，该该相相定定子子齿齿与与转转子子齿齿的的中中心心线线不不重合所夹角重合所夹角 转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。最大静转矩最大静转矩TmaxTmax：在规定的通电相数下，转矩的最大值在规定的通电相数下，转矩的最大值 矩矩角特性：角特性：单相通入额定通电时，其静转矩与失调角的关系单相通入额定通电时，其静转矩与失调角的关系绕组的电流越大，静转矩越大，一般取绕组的电流越大，静转矩越大，一般取T TL L=（303050%50%）T Tmaxmax步进电动机的静态稳定区：步进电动机的静态稳定区：步进电机的动特性是指步进电机从一种通电状态步进电机的动特性是指步进电机从一种通电状态转换到另一种通电状态所表现出的性质。转换到另一种通电状态所表现出的性质。动态特性包括动稳定区、起动转矩、起动频率及动态特性包括动稳定区、起动转矩、起动频率及频率特性等。频率特性等。1.1.动稳定区动稳定区 步进电动机的动稳定区是指步进电机从一个稳定状态切步进电动机的动稳定区是指步进电机从一个稳定状态切换到另一稳定状态而不失步的区域。换到另一稳定状态而不失步的区域。空载稳定区：空载稳定区：3.动态特性稳定裕量角：稳定区的边界点稳定裕量角：稳定区的边界点a到初始稳定平衡点到初始稳定平衡点A的角度，的角度，用用r表示。表示。稳定裕量角越大，步进电机运行越稳定，当稳定裕量角稳定裕量角越大，步进电机运行越稳定，当稳定裕量角趋于零时，电机不能稳定工作。趋于零时，电机不能稳定工作。步进电机运行的拍数越多，稳定裕量角越大，步进电机运行步进电机运行的拍数越多，稳定裕量角越大，步进电机运行越稳定。越稳定。启动转矩：启动转矩：相邻两通电状态时，矩角特性交点的静转矩，相邻两通电状态时，矩角特性交点的静转矩，反映了电机的承载能力反映了电机的承载能力最大空载的运行频率最大空载的运行频率fmaxfmax：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。最大空载起动频率最大空载起动频率fqfq：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。空载起动频率空载起动频率运行矩频特性：运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。由图看出：动态转矩随脉冲频率的升高而降低由图看出：动态转矩随脉冲频率的升高而降低原因：定子控制绕组有一定的电感量，回路有电气时间常数，原因：定子控制绕组有一定的电感量，回路有电气时间常数，电感电流变化有一个过渡过程，达不到电流稳态值。电感电流变化有一个过渡过程，达不到电流稳态值。矩频特性曲线矩频特性曲线86BYG250A-xxxxxx-0202步 距 角：0.9矩-频特性及联系尺寸4.4.步进电动机技术指标实例步进电动机技术指标实例 反应式步进电动机技术性能数据永磁感应式步进电动机技术性能数据(一)永磁感应式步进电动机技术性能数据(二)四、步进电动机的驱动与控制四、步进电动机的驱动与控制 驱驱动动器器：将变频信号源(微机或数控装置等)送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动地循环供给电动机各相绕组，以驱动电动机转子正反向旋转。驱动器的组成：驱动器的组成：由脉冲分配器、功率放大器等组成 变变频频信信号号源源：是可提供从几赫兹到几万赫兹的频率信号连续可调的脉冲信号发生器。控控制制方方法法：通过控制输入电脉冲的数量及频率来精确控制步进电动机的转角及转速。步进电机不能直接接到交直流电源上工作，步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备而必须使用专用设备步进电机驱动器步进电机驱动器 四、步进电动机的驱动与控制四、步进电动机的驱动与控制1.1.环形脉冲分配器环形脉冲分配器脉冲分配器（又称为环形脉冲分配器）作用：脉冲分配器（又称为环形脉冲分配器）作用：根据指令把脉冲按一定的逻辑关系加到各相绕组的功率放大器上，使电机按一定方式运行，实现正、反转和定位1.软环分软环分 采用计算机软件，利用查表或计算方法来进行脉冲的环形分配。下表为三相六拍分配状态，可将表中状态代码0lH、03H、02H、06H、04H、05H列入程序数据表中,通过软件可顺次在数据表中提取数据并通过输出接口输出即可，通过正向顺序读取和反向顺序读取可控制电动机进行正反转。通过控制读取一次数据的时间间隔可控制电动机的转速。该方法能充分利用计算机软件资源以降低硬件成本，尤其是对多相的脉冲分配具有更大的优点。但由于软环分占用计算机的运行时间，故会使插补一次的时间增加，易影响步进电动机的运行速度。2.2.采用小规模集成电路（见书采用小规模集成电路（见书P115P115）门电路门电路+触发器组成触发器组成 3.3.采用专用环形分配器器件采用专用环形分配器器件 如下图2所示的CH250为一种三相步进电动机专用环形分配器。它可以实现三相步进电动机的各种环形分配，使用方便、接口简单。其中图a为CH250的管脚图、图b为三相六拍接线图。CH250主要管脚的作用：A、B、C环形分配器三个输出端，经功率放大后接到电机的三相绕组上。R、R*复位端，R为三相双三拍复位端，R*为三相六拍复位端，先将对应的复位端接入高电平，使其进入工作状态，若为“10”，则为三相双三拍工作方式；若为“01”，则为三相六拍工作方式。CL、EN进给脉冲输入端和允许端；进给脉冲由CL输入，只有EN1，脉冲上升沿使环形分配器工作；CH250也允许以EN端作脉冲输入端，此时，只有CL0，脉冲下降沿使环形分配器工作。不符合上述规定则为环形分配器状态锁定（保持）。J3r、J3L、J6r、J6L分别为三相双三拍、三相六拍工作方式时步进电机正、反转的控制端。UD、US电源端。CH250工作状态2.2.功率放大器功率放大器功率放大电路的类型：电压型和电流型。电压型：单电压型、双电压型(高低压型)电流型：恒流驱动、斩波驱动等。（1)单电压功率放大电路（1)单电压功率放大电路在电机绕组回路中串有电阻在电机绕组回路中串有电阻R，使电，使电机回路时间常数减小，高频时电机能机回路时间常数减小，高频时电机能产生较大的电磁转矩，还能缓解电机产生较大的电磁转矩，还能缓解电机的低频共振现象，但它引起附加的损的低频共振现象，但它引起附加的损耗。耗。时间常数=L/R二级放大电路二级放大电路利用三级管的放大作用，所用三级管利用三级管的放大作用，所用三级管均为型均为型相得电，三极管、相得电，三极管、导通，线圈得电导通，线圈得电二极管的作用：三级管截止时，二极管的作用：三级管截止时，使存储在绕组中的能量释放，从而保使存储在绕组中的能量释放，从而保护三级管护三级管为限流电阻，以免线圈发热烧坏。为限流电阻，以免线圈发热烧坏。（2)高低压功率放大电路特点：特点：不论电机工作频率如何，均利不论电机工作频率如何，均利用高电压用高电压UH供电来提高导通相绕组供电来提高导通相绕组的电流前沿，而在前沿过后，用低电的电流前沿，而在前沿过后，用低电压压UL来维持绕组的电流。来维持绕组的电流。为脉冲变压器为脉冲变压器无脉冲输入时，无脉冲输入时，有脉冲输入时，有脉冲输入时，二极管的作用：三级管截止时，二极管的作用：三级管截止时，使存储在绕组中的能量释放，从而保使存储在绕组中的能量释放，从而保护三级管护三级管为限流电阻，以免线圈发热烧坏。为限流电阻，以免线圈发热烧坏。、的作用？、的作用？（2)高低压功率放大电路采用高压驱动，电流增长快，采用高压驱动，电流增长快，脉冲电流的前沿变陡，电动脉冲电流的前沿变陡，电动机的转矩和运行频率都得到机的转矩和运行频率都得到提高提高仅在脉冲开始时接通高压，仅在脉冲开始时接通高压，其余时间都由低压供电，电其余时间都由低压供电，电流上升率高，高速运行性能流上升率高，高速运行性能好，所以效率很高。但电机好，所以效率很高。但电机在低速运行时振动大。在低速运行时振动大。斩波恒流驱动（电流驱动）斩波恒流驱动（电流驱动）恒流驱动的设计思想是，设法使导通相绕组的电流不论在锁定、低频、高频工作时均保持固定数值。使电机具有恒转矩输出特性。这是目前使用较多、效果较好的一种功率接口。斩波恒流驱动（电流驱动）斩波恒流驱动（电流驱动）图6是斩波恒流功率接口原理图。图中R是一个用于电流采样的小阻值电阻，称为采样电阻。当电流不大时，VT1和VT2同时受控于走步脉冲，当电流超过恒流给定的数值，VT2被封锁，电源U被切除。由于电机绕组具有较大电感，此时靠二极管VDL续流，维持绕组电流，电机靠消耗电感中的磁场能量产生出力。此时电流将按指数曲线衰减，同样电流采样值将减小。当电流小于恒流给定的数值，VT2导通，电源再次接通。如此反复，电机绕组电流就稳定在由给定电平所决定的数值上，形成小小的锯齿波，U2-UR0输出高输出高电平电平1 斩波恒流驱动（电流驱动）斩波恒流驱动（电流驱动）斩波恒流功率驱动接口也有两个输入控制信号，其中斩波恒流功率驱动接口也有两个输入控制信号，其中u1是数字脉冲，是数字脉冲，u2是是模拟信号。这种功率接口的特点是：高频响应大大提高，接近恒转矩输出特模拟信号。这种功率接口的特点是：高频响应大大提高，接近恒转矩输出特性，共振现象消除，但线路较复杂。目前已有相应的集成功率模块可供采用。性，共振现象消除，但线路较复杂。目前已有相应的集成功率模块可供采用。