机电一体化第1319讲.ppt

第4章 控制电动机及其选择计算 ; 控制用电动机是电气伺服控制系统的动力部件。它是将电能转换为机械能的一种能量转换装置，由于它们的工作可在很宽的速度和负载范围内受到连续而精确的控制，因而在各种机电一体化系统中得到了广泛的应用。 控制电动机运行方式：旋转和直线； 通过电压、电流、频率（包括指令脉冲）等控制，实现定速、变速驱动或反复启动、停止的增量驱动以及复杂的驱动。 ;4-1伺服电动机控制方式的基本形式;执行元件的种类; (1)电磁式执行元件能将电能转化成电磁力，并用电磁力驱动执行机构运动，如交流电机、直流电机、力矩电机、步进电机等。 (2)液压式执行元件先将电能变化成液体压力，并用电磁阀控制压力油的流向，从而使液压执行元件驱动执行机构运动。 (3)气压式执行元件与液压式执行元件的原理相同，只是介质由液体改为气体。 ; 4.1步进电动机及其控制 一、步进电动机的结构与工作原理 将电脉冲信号转换为机械角位移 每接受一个脉冲，步进电机转子就转过一个相应的步距角，控制输入脉冲的数量及频率以及绕组通电顺序即可获得所需的转角、转速及转向。 步进电动机按其工作原理主要可分为磁电式和反应式两大类，三相反应式步进电动机的工作原理如图4-12所示，其中步进电动机的定子上有6个齿，其上分别缠有U、V、W三相绕组，构成三对磁极；转子上则均匀分布着4个齿。步进电动机采用直流电源供电。当U、V、W三相绕组轮流通电时，通过电磁力的吸引，步进电动机转子一步一步地旋转。;图4-3 步进电动机运动原理图 ; 步进电动机绕组每次通断电使转子转过的角度称之为步距角。上述分析中的步进电动机步距角为30°。对于一个真实的步进电动机，为了减少每通电一次的转角，在转子和定子上开有很多定分的小齿。其中定子的三相绕组铁心间有一定角度的齿差，当U相定子小齿与转子小齿对正时，V相和W相定子上的齿则处于错开状态，如图4-13所示。真实步进电动机的工作原理与上同，只是步距角是小齿距夹角的1/3。 ;图4-2 三相反应式步进电动机; 二、步进电动机的通电方式 如果步进电动机绕组的每一次通断电操作称为一拍，每拍中只有一相绕组通电，其余绕组断电，则这种通电方式称为单相通电方式。三相步进电动机的单相通电方式称为三相单三拍通电方式。 如果步进电动机通电循环的每拍中都有两相绕组通电，则这种通电方式称为双相通电方式。三相步进电动机采用双相通电方式时，称为三相双三拍通电方式。如果步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通电状态，则这种通电方式称为单双相轮流通电方式。三相步进电动机采用单双相轮流通电方式时，每个通电循环中共有六拍，因而又称为三相六拍通电方式。 ; 一般情况下，m相步进电动机可采用单相通电、双相通电或单双相轮流通电方式工作，对应的通电方式分别称为m相单m拍、m相双m拍或m相2m拍通电方式。 由于采用单相通电方式工作时，步进电动机的矩频特性（输出转矩与输入脉冲频率的关系）较差，在通电换相过程中，转子状态不稳定，容易失步，因而实际应用中较少采用。图4-14是某三相反应式步进电动机在不同通电方式下工作时的矩频特性曲线。显然，采用单双相轮流通电方式可使步进电动机在各种工作频率下都具有较大的负载能力。;图4-14 不同通电方式时的矩频特性; 通电方式不仅影响步进电动机的矩频特性，对步距角也有影响。一个m相步进电动机，如其转子上有z个小齿，则其步距角可通过下式计算： (4-12) 式中，k是通电方式系数。当采用单相或双相通电方式时，k＝1；当采用单双相轮流通电方式时，k＝2。可见，采用单双相轮流通电方式还可使步距角减小一半。步进电机的步距角决定了系统的最小位移，步距角越小，位移的控制精度越高。 ; 二、步进电机的特性： 1、控制信号：数字脉冲；输出角位移与输入脉冲数成正比。 2、转速与输入脉冲的频率成正比。 3、步进电机的转向可以通过改变通电顺序来改变。; 二、步进电机的特性： 4、步进电机具有自锁能力，一旦停止脉冲输入，只要维持绕组通电，电动机就可以保持在该固定位置。 5、不易受外界因素干扰，只要未引起丢步，就不会影响正常工作。 6、步距角有误差，转子转过一定步数以后会出现累积误差，转过一周后，累积误差可清零。 7、易于微机的I/O接口，构成开环位置伺服系统。; 三、 步进电动机的运行特性及性能指标 ?（1） 步距角 在一个电脉冲作用下（一拍），电