第4章執(zhí)行元件及控制ppt課件

1、4.3 三相異步電動機三相異步電動機4.2 直流電機的基本工作原理直流電機的基本工作原理4.1 執(zhí)行元件的分類執(zhí)行元件的分類 第第 4 章章 執(zhí)行元件及控制執(zhí)行元件及控制4.4 步進電動機步進電動機4.5 直線電動機直線電動機 4.7 交流伺服電機控制交流伺服電機控制4.6 直流電機的驅動控制直流電機的驅動控制4.8 電電-氣比例閥、伺服閥氣比例閥、伺服閥4.9 電電-液比例閥、伺服閥液比例閥、伺服閥 執(zhí)行元件定義：執(zhí)行元件定義： 執(zhí)行元件是根據(jù)來自控執(zhí)行元件是根據(jù)來自控制器的控制信息完成對受控制器的控制信息完成對受控對象的控制作用的元件，它對象的控制作用的元件，它將電能或流體能量轉換成機將電

2、能或流體能量轉換成機械能或其他能量形式。械能或其他能量形式。 4.1 執(zhí)行元件的分類執(zhí)行元件的分類 4.1.1 4.1.1 電動執(zhí)行元件電動執(zhí)行元件 執(zhí)行元件根據(jù)使用場合不同分為：電動執(zhí)行元件、氣動執(zhí)行元件、液壓執(zhí)行元件。 將電能轉換成機械能以實現(xiàn)往復運動或回轉運動的電磁元件。電動執(zhí)行元件的種類： 常用的有直流伺服電動機、交流伺服電動機、步進電動機、電磁制動器、繼電器等。電動執(zhí)行元件的特點： 電動執(zhí)行元件具有調速范圍寬、靈敏度高、響應速度快、無自轉現(xiàn)象等性能，并能長期連續(xù)可靠地工作。操作簡單，易實現(xiàn)伺服控制，長時間過載易燒毀。 4.1.2 4.1.2 氣動執(zhí)行元件氣動執(zhí)行元件 將氣體能轉換成機

3、械能以實現(xiàn)往復運動或回轉運動的執(zhí)行元件。氣動元件的種類：實現(xiàn)直線往復運動的氣動執(zhí)行元件稱為氣缸；實現(xiàn)回轉運動的稱為氣動馬達。 氣動元件的特點：操作簡單，成本低；動作不夠平穩(wěn)，功率小，不易小型化，難于連續(xù)伺服控制；低壓，0.50.7兆帕，輸出推力小；壓縮空氣清潔，結構簡單易維護。4.1.3 4.1.3 液壓執(zhí)行元件液壓執(zhí)行元件 液壓執(zhí)行元件是將液壓能轉換為機械能以實現(xiàn)往復運動或回轉運動的執(zhí)行元件。液壓執(zhí)行元件的種類： 液壓執(zhí)行元件分為液壓缸、擺動液壓馬達和旋轉液壓馬達三類。液壓執(zhí)行元件的特點：中高壓力，輸出力巨大；功率密度很大，機械剛性好，動態(tài)響應快；制造工藝復雜、維護困難。功率大，動作平穩(wěn)，易

4、實現(xiàn)伺服控制；難于小型化，易泄漏污染。 4.2 直流電機的基本工作原理直流電機的基本工作原理 任何電機的工作原理都是建立在電磁力和電磁感應這個基礎上的，直流電機也是如此。 圖4.1 直流發(fā)電機的工作原理 圖4.2 直流電動機的工作原理直流電機的發(fā)展過程：直流電機的發(fā)展過程：永磁定子永磁定子他勵定子他勵定子稀土高強度永磁定子稀土高強度永磁定子 圖圖 直流電機轉子鐵芯直流電機轉子鐵芯 工業(yè)用直流伺服電機工業(yè)用直流伺服電機直流伺服電機結構特點：直流伺服電機結構特點：大起動力矩大起動力矩 轉子是光滑無槽鐵心，線圈是用絕緣粘合劑貼在轉子是光滑無槽鐵心，線圈是用絕緣粘合劑貼在鐵心表面。鐵心表面。小慣量轉子

5、小慣量轉子 減小轉子鐵心直徑，增加鐵心長度；也采用空心轉減小轉子鐵心直徑，增加鐵心長度；也采用空心轉子鐵心。保證直流伺服電機起停的即時性。子鐵心。保證直流伺服電機起停的即時性。改進結構使其具有良好的線性伺服性能。改進結構使其具有良好的線性伺服性能。4.3 三相異步電動機三相異步電動機旋轉磁場旋轉磁場(a) t=0 (b) t=T/6 (c) t=T/3 (d) t=T/2 圖4.5 兩極旋轉磁場異步交流電機工作原理異步交流電機工作原理圖4.4 三相電流的波形圖(a) 鉗放情況 (b) 星形連接接線圖圖4.3 定子三相繞組圖4.4 三相電流的波形圖tIimAsin)32sin(tIimB)34s

6、in(tIimC永磁式同步電機工作原理永磁式同步電機工作原理交流伺服電機交流伺服電機(永磁式同步電機永磁式同步電機+光電編碼器光電編碼器)第四節(jié)第四節(jié) 步進電機及驅動步進電機及驅動THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION機 械 工 程 及 自 動 化 學 院FUZHOU UNIVERSITY執(zhí)行元件的選擇與設計執(zhí)行元件的選擇與設計p 步進電機的特點與種類p 步進電機的工作原理p 步進電機的運行特性及性能指標p 步進電機的驅動與控制脈沖電源THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMAT

7、ION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)環(huán)形分配器功率驅動器步進電動機負載指令脈沖輸出開環(huán)步進電動機控制系統(tǒng)框圖步進電機控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)速度環(huán)、位置環(huán)THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機步進電動機的結構與工作原理步進電動機按其工作原理分磁電式反應式小知識： 磁阻最小原理 磁通總是要沿磁阻最小的路徑閉合， 因磁場扭曲而產生切向拉力。THE COLLEGE OF MEC

8、HANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機步進電動機的結構與工作原理小知識： 磁阻最小原理 磁通總是要沿磁阻最小的路徑閉合，因磁場扭曲而產生切向拉力。切向拉力變化過程錯齒狀態(tài)對齒狀態(tài)產生了磁阻性質的轉矩 當某相處于對齒狀態(tài)時，其它相處于錯齒狀態(tài)。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機反應式步進電機的結構與工作原理CACAB

9、B定子1423轉子三相步進電動機簡化圖三相：A-AB-BC-C三拍一個循環(huán)，轉子旋轉了一個齒極，空間角度為90。步距角為30。通電順序為：ABCATHE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)三相三拍或單三拍工作方式CACABB1423三相三拍工作方式CACABB1423CACABB1423逆時針旋轉303030表示該相通電1423THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERS

10、ITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)小知識： 拍 通常把由一種通電狀態(tài)轉換到另一種通電狀態(tài)叫做一拍。 步距角 每一拍轉子轉過的角度。 三相單三拍 三相是指定子為三個繞組，單是指每拍只有一相通電，三拍是指經(jīng)過三次切換繞組的通電狀態(tài)為一個循環(huán)。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)三相六拍工作方式CACABB1423三相六拍工作方式1423142314231423142314231423通電順序為：AABBBCCCAA六拍一個循

11、環(huán)，轉子旋轉了一個齒極，空間角度為90。步距角為15。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)雙三拍工作方式CACABB1423雙三拍工作方式142314231423通電順序為：ABBCCAAB1423三拍一個循環(huán)，轉子旋轉了一個齒極，空間角度為90。步距角為30。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)三

12、種工作方式比較三相三拍工作方式： 三相六拍工作方式：雙三拍工作方式：每次只有一相繞組通電，切換瞬間會失去自鎖轉矩，易產生失步。且一相繞組產生的力矩相對較小，在平衡位置易產生振蕩。電動機運轉中總有一相繞組通電，運轉比較平穩(wěn)。步距角是三相三拍工作方式步距角的一半。電動機運轉中總有一相繞組通電，運轉比較平穩(wěn)。有兩相繞組產生力矩。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機反應式步進電機的結構與工作原理三相反應式步進電動機原理圖AABCCBA對齒B錯齒

13、C錯齒THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機的運行特性360PZK1、步距角P 定子相數(shù)；Z 轉子齒數(shù)；m通電拍數(shù)；KmKP2K 1K 通電系數(shù)，通電系數(shù)，三相六拍三相三拍；。360mZ步進電機運行一拍，其轉子轉過的轉角度。對應一個轉角當量：轉角/脈沖。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)步

14、進電動機的運行特性2、步距誤差單相通電時，步距誤差取決于定子和轉子的分齒精度、定子錯位角度的精度等。多相通電時，步距誤差不僅和加工、裝配精度有關，還取決于各相電流的大小、磁路性能。直接影響執(zhí)行部件的定位精度。一圈不累積。每步實際轉角和理論轉角之差。10 15 國產小功率步進電機的步距誤差一般為：20 25 國產大功率步進電機的步距誤差一般為：參考值：THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機的運行特性3、最高啟動頻率和最高工作頻率最高啟動頻率

15、：空載時，步進電機由靜止突然啟動，并不失步地進入穩(wěn)速運行，所允許的啟動頻率。最高工作頻率：步進電機連續(xù)運行時，所能接受的最高頻率。500800zzHH1000 2000zzHH國產小功率步進電機的最高啟動頻率一般為：國產大功率步進電機的最高啟動頻率一般為：參考值：THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機的運行特性4、輸出的轉矩頻率特性 定子繞組為感性負載，輸入頻率越高，勵磁電流越小； 頻率越高，磁通量變化加劇，鐵芯的渦流損失加大； 隨著工作

16、頻率的升高，其輸出轉矩要降低。dTf2f1fTHE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)環(huán)形分配器步進電動機驅動電源環(huán)形分配器功率放大器環(huán)形分配器硬件環(huán)形分配器軟件環(huán)形分配器環(huán)形分配器：將脈沖指令按步進電動機的工作規(guī)律轉換成各相繞組通斷信號，經(jīng)功率放大器，驅動各相繞組產生旋轉磁場。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動

17、機控制系統(tǒng)環(huán)形分配器1111iiiiiAXBXCXBXC 硬件環(huán)形分配器由時序邏輯電路組成。1111iiiiiBXCXAXCXA1111iiiiiCXAXBXAXB三相六拍正反相環(huán)形分配器邏輯表達式：100101001011010110三相六拍狀態(tài)轉換圖：1X 0X THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)環(huán)形分配器 硬件環(huán)形分配器由D觸發(fā)器實現(xiàn)的三相六拍環(huán)形分配器：CPXD1D2D3sRRCBABCA預置100）ABCTHE COLLEGE OF

18、MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)環(huán)形分配器D觸發(fā)器真值表： 硬件環(huán)形分配器輸入輸入輸出輸出去除去除預置預置時鐘時鐘DQQLHLHLHLHHLHHLHHLXXXXXHXHXLLHHHLHQ0Q0正沿觸發(fā)D觸發(fā)器：DCKQQPRCLR（帶預置端和清除端）THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)環(huán)形分配器專用集成電路介紹： 硬件環(huán)形分

19、配器國產PM系列：PM03PM06對三相、四相、五相、六相步進電機控制進口PM系列：PM8713、PM8714可編程對二相、四相、五相步進電機控制CH250專用環(huán)形分配器僅對三相步進電機控制可編程專用步進電機控制芯片PM101B對四相二相）、五相步進電機控制THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)環(huán)形分配器X向步進電動機 軟件環(huán)形分配器PA1PA2PA4PA0PA5PA3PIO光電耦合器光電耦合器功率驅動器功率驅動器X向步進電機Y向步進電機ABCab

20、c序號節(jié)拍035241PA0A001HCBPA2 PA1存儲單元地址內容06H02H05H04H03H2A00H2A01H2A03H2A05H2A04H2A02H00000001111111110方向方向反轉反轉正轉正轉序號節(jié)拍035241PA3a008HcbPA5 PA4存儲單元地址內容30H10H28H20H18H2A10H2A11H2A13H2A15H2A14H2A12H00000001111111110方向方向反轉反轉正轉正轉Y向步進電動機THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術

21、 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)功率驅動器單電壓驅動電路R2R1R4R3R7R5VT1VT2VT3VDR6C2C1+5V+EouU-6V步進電動機繞組射極跟隨器（電流放大）功率放大3.6V續(xù)流Ub31V/0VTHE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)功率驅動器高低壓雙電壓驅動電路 （改善頻率特性）Rf1VTdVD1Ug （高壓）（高壓）uU高壓控制電路低壓控制電路Ud （低壓）（低壓）VTgVD2控制信號Rf2步進電動機繞組THE COLLEGE

22、 OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)功率驅動器斬波恒流功率放大電路R2R1R3uf+UVTA1urefui+5V&ufA2ubVD步進電機繞組LuiotuiotubotiLTHE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)功率驅動器SLA7026M集成斬波恒流功率驅動電流+12COMCOML LL LCNTRL SPLY AC

23、NTRL SPLY ACNTRL SPLY BCNTRL SPLY BOUT BIN BOUT BIN BREF BOFF DELAYBOUT AIN AOUT AIN AREF AOFF DELAYASENSE ASENSE BGND AGND BSLA7026M101816141713896473512211115CD步進電機繞組+5R1 510R2 100R5 2K7R3 47KC1470pFC32200pFRS1+5R1 510R2 100R5 2K7+5R1 510R2 100R5 2K7THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION

24、,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)功率驅動器四相二相步進電動機驅動方式CNTRL SPLY ACNTRL SPLY ACNTRL SPLY BCNTRL SPLY BOUT BIN BOUT BIN BREF BOFF DELAYBOUT AIN AOUT AIN AREF AOFF DELAYASENSE ASENSE BGND AGND BSLA7026M101816141713896473512211115VccOUT AOUT BOUT AOUT BTHE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUT

25、OMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)功率驅動器四相二相步進電動機驅動方式VccOUT AOUT BOUT AOUT BBAAB步進方向21411311111100000000單磁極全步進工作方式THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)功率驅動器四相二相步進電動機驅動方式VccOUT AOUT BOUT AOUT B單磁極半步進工作方式BAAB步進方向1.512.5112.01111.

26、01000000003.03.54.04.500001010001101000THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)功率驅動器伺服控制 執(zhí)行部件的位移量控制360360NLtt位移量 總行程L絲杠螺距tN步進電機轉角執(zhí)行部件的位移量與輸入脈沖數(shù)成正比。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)功率驅動器伺服

27、控制 執(zhí)行部件移動速度的控制3 6 0fvt執(zhí)行部件位移的速度v絲杠螺距tf輸入脈沖頻率步距角執(zhí)行部件的移動速度與輸入脈沖頻率成正比。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)功率驅動器伺服控制 執(zhí)行部件移動方向的控制正向反向方向控制位移量控制只要控制步進電機正反轉，就可以控制執(zhí)行部件的移動方向。正向反向正轉反轉THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體

28、化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機的單片機控制3R1R4R2R1 xP/ABCDccV2 7V5V.步進電機控制電路THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機的單片機控制入口順時針？指針-1指針指針L01?指針L00返回（指針）輸出NYYYNN指針法程序流程三相六拍狀態(tài)表：順時針P1AP1BP1C100100011110000111高地址L01：低地址L00：逆時針狀態(tài)表存入EEPROM中THE COLLEGE OF ME

29、CHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)提高系統(tǒng)精度的措施問題一：由于轉子啟、停時具有慣性，決定了步進電動機的頻率響應特性，會導致步進電動機在突然啟、停或換向時失步。方法：選擇合適的控制方式，提高動態(tài)轉矩性能；并采用自動升降速電路軟件）。sto速度曲線啟動時，速度由較低頻率逐漸升高到所要求的工作頻率。在減速或停止時，逐步降低到所需頻率。梯形控制策略THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電

30、一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)提高系統(tǒng)精度的措施問題二：由于轉子具有慣性，在低速步進式時會產生強烈的振動和噪聲。方法：采用細分電路，解決微量進給與快速移動的矛盾。AB一種可能的細分方式on ton tTHE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術 步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)提高系統(tǒng)精度的措施問題三：由于機械傳動機構、軸承等的制造精度、剛度等，傳動時存在空程和回程間隙。方法：適當提高系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的制造精度和裝配精度，包括機械傳動與支承裝置的精度。4.4 步進電動機步

31、進電動機 三相兩極步進電機 步進電動機是一種將電脈沖信號變換成相應的角位移或直線位移的機電執(zhí)行元件，每當輸入一個電脈沖時，它便轉過一個固定的角度，這個角度稱為步距角，簡稱為步距。三相三拍工作方式：正向旋轉ABCA步距角60反向旋轉ACBA 三相六拍工作方式：正向旋轉AABBBCCCAA步距角30反向旋轉AACCCBBBAA圖4.6 三相四極反應式步進電動機的結構示意圖(a) A相通電 (b) B相通電 (c) C相通電圖4.7 單三拍通電方式時轉子的位置三相三拍工作方式：三相三拍工作方式：正向旋轉正向旋轉ABCA步距角步距角30反向旋轉反向旋轉ACBA (a) A相通電 (b) A、B相通電

32、(c) C相通電 (d) B、C相通電 圖4.8 步進電動機通電方式三相六拍工作方式：三相六拍工作方式：正向旋轉正向旋轉AABBBCCCAA步距角步距角15反向旋轉反向旋轉AACCCBBBAA4.5 直線電動機直線電動機 直線電動機：是一種不需要中間轉換裝置，而能直直線電動機：是一種不需要中間轉換裝置，而能直接作直線運動的電動機械。接作直線運動的電動機械。直線電動機種類：直線電動機種類：直線感應電動機、直線直流電動機、直線步進電動機。直線感應電動機、直線直流電動機、直線步進電動機。 直線電動機傳動優(yōu)點：直線電動機傳動優(yōu)點：1精度高。直線電動機由于不需要中間傳動機械，因精度高。直線電動機由于不需

33、要中間傳動機械，因而使整個機械得到簡化，提高了精度，減少了振動和噪而使整個機械得到簡化，提高了精度，減少了振動和噪聲。聲。2快速響應。用直線電動機驅動時，由于不存在中間快速響應。用直線電動機驅動時，由于不存在中間傳動機構的慣量和阻力矩的影響，因而加速和減速時間傳動機構的慣量和阻力矩的影響，因而加速和減速時間短，可實現(xiàn)快速啟動和正反向運行。短，可實現(xiàn)快速啟動和正反向運行。3可靠性高。儀表用的直線電動機，可以省去電刷和可靠性高。儀表用的直線電動機，可以省去電刷和換向器等易損零件，提高可靠性，延長使用壽命。換向器等易損零件，提高可靠性，延長使用壽命。4裝配靈活性大。往往可將電動機和其它機件合成一裝配

34、靈活性大。往往可將電動機和其它機件合成一體。體。 圖4.-9 直線感應電機的形成 直線感應電動機可以看作是由普通的旋轉感應電動機直接直線感應電動機可以看作是由普通的旋轉感應電動機直接演變而來的。圖演變而來的。圖4-9 a表示一臺旋轉的感應電動機，設想將它表示一臺旋轉的感應電動機，設想將它沿徑向剖開，并將定、轉子沿圓周方向展成直線，如圖沿徑向剖開，并將定、轉子沿圓周方向展成直線，如圖4-9 b，這就得到了最簡單的平板型直線感應電動機。這就得到了最簡單的平板型直線感應電動機。 由定子演變而來的一側稱作初級，由轉子演變而來的一側由定子演變而來的一側稱作初級，由轉子演變而來的一側稱作次級。直線電動機的

35、運動方式可以是固定初級，讓次級運稱作次級。直線電動機的運動方式可以是固定初級，讓次級運動，此稱為動次級；相反，也可以固定次級而讓初級運動，則動，此稱為動次級；相反，也可以固定次級而讓初級運動，則稱為動初級。稱為動初級。 4.5.1 直線感應電動機直線感應電動機 圖4-10 直線感應電機的工作原理行波磁場：當初級的多相繞組中通入多相電流后，會行波磁場：當初級的多相繞組中通入多相電流后，會產生一個氣隙基波磁場，但是這個磁場的磁通密度波產生一個氣隙基波磁場，但是這個磁場的磁通密度波B是直線移動的，故稱為行波磁場。是直線移動的，故稱為行波磁場。同步速度：行波的移動速度與旋轉磁場在定子內圓表同步速度：行

36、波的移動速度與旋轉磁場在定子內圓表面上的線速度是一樣的，稱為同步速度。面上的線速度是一樣的，稱為同步速度。切向電磁力：在行波磁場切割下，次級導條將產生感切向電磁力：在行波磁場切割下，次級導條將產生感應電勢和電流。所有導條的電流和氣隙磁場相互作用，應電勢和電流。所有導條的電流和氣隙磁場相互作用，便產生切向電磁力。如果初級是固定不動的。那末次便產生切向電磁力。如果初級是固定不動的。那末次級就順著行波磁場運動的方向作直線運動。級就順著行波磁場運動的方向作直線運動。滑差率：滑差率： ssvvvsa) 短初級 b) 短次級圖4-11 平板型直線感應電動機圖4-12 雙邊型直線感應電動機 U型直線電機 平

37、板直線電機 圖4-13 管型直線感應電動機的形成 4.5.2 直線直流電動機直線直流電動機直線直流電動機類型：直線直流電動機類型：永磁式：功率小、體積小永磁式：功率小、體積小電磁式：功率大、體積大電磁式：功率大、體積大圖4-14 永磁式直線直流電動機 a) 單極 b) 兩極1電樞繞組 2極靴 3勵磁繞組 4電樞鐵心 5非磁性端板 圖4-15 電磁式直線直流電動機4.5.3 直線步進電動機直線步進電動機特點：直線步進電動機特點： 直接驅動、容易控制、定位精確等優(yōu)點。直接驅動、容易控制、定位精確等優(yōu)點。直線步進電動機種類：反應式、永磁式。直線步進電動機種類：反應式、永磁式。 圖4-16 永磁直線步

38、進電動機工作原理 圖4-16 永磁直線步進電動機工作原理4.6 直流電機的驅動控制直流電機的驅動控制 直流電機的驅動控制包括控制電路、驅動電路和接口電路三個部分。目前，直流電機的驅動多采用開關型PWM驅動控制方式，弱電控制電路和強電驅動電路之間也相應采用開關型光電隔離方式接口連接。 4.6.1 開關型功率接口電路開關型功率接口電路 光電隔離技術晶閘管接口繼電器輸出接口 固態(tài)繼電器接口 大功率場效應管開關接口 由于一般計算機控制系統(tǒng)的接口芯片大都采用TTL電平，不能直接驅動發(fā)光二極管，所以通常在它們之間加一級驅動器，如7406和7407等。 需要注意，光電耦合器的輸入、輸出端兩個電源必須單獨供電

39、，如圖4-17所示。否則，如果使用同一電源 (或共地的兩個電源)，外部干擾信號可能通過電源串到系統(tǒng)申來，如圖4-18所示，這樣就失去了隔離的意義。 圖4-17 正確的光電隔離 圖4-18 不正確的光電隔離1.光電隔離技術2.晶閘管接口 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:1-Apr-2011 Sheet of File:E:教學文件機電一體化教材機電一體化課程2010機制07教案MyDesign.ddbDrawn By:R1RL220V ACSCR1234R2VCC控制信號圖4-19 控制電路與單向晶閘管接口電路晶閘管：是一種大功率

40、電器元件，也稱可控硅。晶閘管：是一種大功率電器元件，也稱可控硅。晶閘管特點：體積小、效率高、壽命長等優(yōu)點，在計算機晶閘管特點：體積小、效率高、壽命長等優(yōu)點，在計算機自動控制系統(tǒng)中，可作為大功率驅動器件，實現(xiàn)用小功率自動控制系統(tǒng)中，可作為大功率驅動器件，實現(xiàn)用小功率控件控制大功率設備?？丶刂拼蠊β试O備。 3. 繼電器輸出接口繼電器特點：接觸電阻小、流過電流大、耐高壓；動作繼電器特點：接觸電阻小、流過電流大、耐高壓；動作可靠性和反應速度不及晶閘管?？煽啃院头磻俣炔患熬чl管。 繼電器種類：電壓線圈、電流線圈。繼電器種類：電壓線圈、電流線圈。 123456ABCD654321DCBATitleNu

41、mberRevisionSizeBDate:1-Apr-2011 Sheet of File:E:教學文件機電一體化教材機電一體化課程2010機制07教案MyDesign.ddbDrawn By:R11K1KVCC控制信號K?220V ACUCUCC圖4-20 繼電器接口電路4.4.固態(tài)繼電器接口固態(tài)繼電器接口 固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器 (Solid State Relay)： 簡稱簡稱SSR，是用晶體管或晶閘管代替常規(guī)繼電器的觸，是用晶體管或晶閘管代替常規(guī)繼電器的觸點開關，而在前級中與光電隔離器融為一體。點開關，而在前級中與光電隔離器融為一體。固態(tài)繼電器種類：直流型固態(tài)繼電器、交流型固態(tài)繼電器。

42、固態(tài)繼電器種類：直流型固態(tài)繼電器、交流型固態(tài)繼電器。固態(tài)繼電器特點：固態(tài)繼電器特點： 輸入控制電流小、輸出無觸點、體積小、重量輕、無輸入控制電流小、輸出無觸點、體積小、重量輕、無機械噪聲、無抖動和回跳、開關速度快、工作可靠。機械噪聲、無抖動和回跳、開關速度快、工作可靠。工業(yè)用直流固態(tài)繼電器工業(yè)用直流固態(tài)繼電器 圖4-22 步進電機驅動接口電路圖 5.大功率場效應管開關接口場效應管特點：場效應管特點：輸入阻抗高，關斷漏電流小、響應速度快，在計算機輸入阻抗高，關斷漏電流小、響應速度快，在計算機開關量輸出控制中也常作為開關元件使用。開關量輸出控制中也常作為開關元件使用。123456ABCD65432

43、1DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:1-Apr-2011 Sheet of File:E:教學文件機電一體化教材機電一體化課程2010機制07教案MyDesign.ddbDrawn By: GDS圖4-23 N型大功率場效應管符號及元件G：控制柵極，D：漏極，S：源極。當G為高電平時，源極與漏極導通，允許電流通過。否則，場效應管關斷。 4.6.2 4.6.2 直流電機直流電機PWMPWM驅動方式驅動方式PULSE WIDTH MODULATEPULSE WIDTH MODULATE）1.PWM功率驅動接口工作原理 圖4-25 PWM功率驅動接口組成框圖12345

44、6ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:29-Mar-2011Sheet of File:H:機電一體化教材機電一體化課程2010機制07教案MyDesign.ddbDrawn By:U1=0VUTU1+UTUS0V0V0V0VU10VUTU1+UTUS0V0V0V0VU10VUTU1+UTUS0V0V0V0VU10VUTU1+UTUS0V0V0V0VU10VUTU1+UTUS0V0V0V0V (a) (b) (c)圖4-28 單極性PWM脈寬調制波形123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate

45、:27-Mar-2011Sheet of File:E:教學文件機電一體化教材機電一體化課程2010機制07教案MyDesign.ddbDrawn By:D1 D1 DC2 A-+ DC MOTORD2 D2 DC1 V1 V2 （a） （b） 圖圖4-29 功率放大電路功率放大電路123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:27-Mar-2011Sheet of File:E:教學文件機電一體化教材機電一體化課程2010機制07教案MyDesign.ddbDrawn By:A-+ DC MOTORQ1 D1 DC V12功率放大電路 功率

46、放大器是PWM功率接口的主電路，分為單極性和雙極性兩種。 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:27-Mar-2011Sheet of File:E:教學文件機電一體化教材機電一體化課程2010機制07教案MyDesign.ddbDrawn By:Q5 Q4 Q6 Q3 Q1 Q2 D1 D2 D3 D4 R55.1KR65.1KR21KR31KR41KR11KA-+ DC MOTORDC V1 V2 V3 V4圖4-30 H橋功率放大電路THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION

47、,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術脈寬調制型PWM功率放大MAB4bU3bU2bU1bUaU4VD3VD2VD1VD4VT3VT2VT1VT雙極式H型功率變換電路：abUt23bbUUt14bbUUtdIt1 11 11 11 11 12 22 21 12 22 22 24 44 44 43 33 3雙極式H型可逆PWM變換器電路重載輕載一、直流一、直流DC伺服電機及驅動伺服電機及驅動THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術脈寬調制型PWM功率放大PWM控制電路：開通延

48、時的基極脈沖電壓信號邏輯延時環(huán)節(jié)i dtidtt14bbUU23bbUUt功率管1、4截止后延時時間 后功率管2、3才導通i dt功率管2、3截止后延時時間 后功率管1、4才導通i dt 邏輯延時環(huán)節(jié)一、直流一、直流DC伺服電機及驅動伺服電機及驅動THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術脈寬調制型PWM功率放大PWM控制電路：PWM功率放大器的傳遞函數(shù)關鍵點：PWM變換器是一個滯后環(huán)節(jié)( )()y tx tcUtsabUUt0TiUtpwUt其最大延時不會超過一個開關周期 。0T01Tm

49、s一般鋸齒波的頻率大于 ，所以：1ZkH一、直流一、直流DC伺服電機及驅動伺服電機及驅動THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術脈寬調制型PWM功率放大PWM控制電路：013cTPWM功率放大器的傳遞函數(shù)cUtsabUUt0TiUtpwUt時，可將其視為一階慣性環(huán)節(jié)。0( )( )( )1dscsUsKGsUsT s關鍵點：當整個系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的截止頻率 滿足csT 慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)，可取 。0sTTsK PWM功率放大器的比例系數(shù)， 。sdcKUU一、直流一、直流DC伺服電機及驅動伺

50、服電機及驅動4.6.3 IR2130S4.6.3 IR2130S三相驅動控制集成芯片三相驅動控制集成芯片 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Jun-2011Sheet of File:E:教學文件機電一體化教材機電一體化課程2010機制07教案MyDesign.ddbDrawn By:T1 T2 T6 T4 T3 T5 Ri0.1DCR2100R4100R6100R5100R3100R1100Q5VS3Q3VS2Q1VS1Q2Q4Q6UVWQ1Q3Q5Q2Q4Q6HIN12HIN23HIN34LIN15LIN26LIN37F

51、LT8ITRIP9CAO10CA-11Vso13LO314LO215LO116NC17Vs318HO319Vb320NC21Vs222HO223Vb224NC25Vs126HO127Vb12815V1MGND12U1IR2130S+15VVb1Vb2Vb3Vs1Vs2Vs3PWM1PWM3PWM5PWM2PWM4PWM6IvVs1Vs2Vs3Vb1Vb2Vb3D1D2D3 +15V+C14.7u+C24.7u+C34.7u圖4-31 PWM直流伺服系統(tǒng)驅動電路原理圖4.7 4.7 交流伺服電機控制交流伺服電機控制交流伺服系統(tǒng)優(yōu)點：交流伺服系統(tǒng)優(yōu)點： 1) 無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和

52、保養(yǎng)要求低。無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(yǎng)要求低。 2) 定子繞組散熱比較方便。定子繞組散熱比較方便。 3) 慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。 4) 適應于高速大力矩工作狀態(tài)。適應于高速大力矩工作狀態(tài)。 5) 同功率下有較小的體積和重量。同功率下有較小的體積和重量。 1.1.位置控制方式位置控制方式 指令脈沖指令脈沖PULSPULS）、指令符號）、指令符號SIGNSIGN）、清除）、清除脈沖脈沖CLRCLR）。）。 2.2.速度控制方式速度控制方式 模擬電壓信號（模擬電壓信號（-5V+5V-5V+5V到速度信號輸入端就到速度信號輸入端就可以控制交流伺服電

53、機的速度。可以控制交流伺服電機的速度。3.3.扭矩控制方式扭矩控制方式 模擬電壓信號（模擬電壓信號（-5V+5V-5V+5V到扭矩信號輸入端就到扭矩信號輸入端就可以控制交流伺服電機的扭矩?？梢钥刂平涣魉欧姍C的扭矩。 （a控制信號連接方式 （b控制信號波形 圖4-32 交流伺服驅動器位置控制方式圖4-33 交流伺服驅動器速度控制方式圖4-34 交流伺服驅動器扭矩控制方式第第1 章章 機電一體化系統(tǒng)設計緒論機電一體化系統(tǒng)設計緒論4.8 電電-氣比例閥、伺服閥氣比例閥、伺服閥電電-氣比例閥和伺服閥種類：氣比例閥和伺服閥種類：壓力式比例壓力式比例/伺服閥、流量式比例伺服閥、流量式比例/伺服閥。伺服閥

54、。壓力式比例壓力式比例/伺服閥：將輸給的電信號線性地轉換為氣體壓力；伺服閥：將輸給的電信號線性地轉換為氣體壓力；流量式比例流量式比例/伺服閥：將輸給的電信號轉換為氣體流量。伺服閥：將輸給的電信號轉換為氣體流量。4.8.1滑閥式電氣方向比例閥 流量式四通或五通比例控制閥可以控制氣動執(zhí)行元件在兩個方向上的運動速度，這類閥也稱方向比例閥， 直流比例電磁鐵1、閥芯2、閥套3、閥體4、位移傳感器5和控制放大器6 圖4-35 方向比例控制閥結構控制放大器的主要作用是：1) 將位移傳感器的輸出信號進行放大；2) 比較指令信號Ue和位移反饋信號Uf，得到兩者的差植U；3) 將U放大，轉換為電流信號I輸出。此外

55、，為了改善比例閥的性能，控制放大器含有對反饋信號Uf和電壓差U的處理環(huán)節(jié)。比如狀態(tài)反饋控制和PID調節(jié)等。4.8.2 滑閥式二級方向伺閥滑閥式二級方向伺閥動圈式二級方向伺服閥：主要由動圈式力馬達、噴嘴擋動圈式二級方向伺服閥：主要由動圈式力馬達、噴嘴擋板式氣動放大器、滑閥式氣動放大器、反饋彈簧等組成。板式氣動放大器、滑閥式氣動放大器、反饋彈簧等組成。噴嘴檔板氣動放大器做前置級，滑閥式氣動放大器做功噴嘴檔板氣動放大器做前置級，滑閥式氣動放大器做功率級。率級。圖4-36 動圈式二級方向伺服閥4.8.3 4.8.3 動圈式壓力伺服閥動圈式壓力伺服閥 動圈式力馬達1、噴嘴2、擋板3、固定節(jié)流口4、閥芯5

56、、閥體6、復位彈簧7、租尼孔8 圖4-37是一種壓力伺服閥壓力伺服閥：將電信號成比例地轉換為氣體壓力輸出。壓力伺服閥：將電信號成比例地轉換為氣體壓力輸出。 （a一個周期的脈沖波 （b調制量與平均輸出關系 圖4-39 一個周期的脈沖波及調制量 與平均輸出的關系4.8.4 4.8.4 脈寬調制伺服閥脈寬調制伺服閥 脈寬調制氣動伺服閥：脈寬調制氣動伺服閥： 一種數(shù)字式伺服控制，采用的控制閥是開關式氣動一種數(shù)字式伺服控制，采用的控制閥是開關式氣動電磁閥，與模擬式伺服閥不同。電磁閥，與模擬式伺服閥不同。 脈 寬 調 制 器 數(shù) 字 放 大 器 氣 動 執(zhí) 行 元 件 氣 動 電 磁 閥 檢 測 及 變

57、換 元 件負 載脈 寬 調 制 伺 服 系 統(tǒng) 方 塊 圖一個周期的脈沖波；調制量與平均輸出關系。圖4-38 脈寬調制伺服系統(tǒng)方塊圖1-電磁鐵；2-銜鐵；3-閥芯；4-閥體；5-反饋彈簧；6-氣缸。圖4-40 滑閥式脈寬調制伺服閥的結構原理圖該系統(tǒng)可以根據(jù)輸入的電信號使氣缸活塞在任意位置定位。4.8.5 電電氣比例伺服系統(tǒng)的應用實例氣比例伺服系統(tǒng)的應用實例（柔性定位伺服氣缸、位置伺服控制系統(tǒng)（柔性定位伺服氣缸、位置伺服控制系統(tǒng) ）控制閥伺服閥 氣缸位移傳感器 柔性定位伺服氣缸原理圖 （a)系統(tǒng)原理圖；(b)系統(tǒng)方塊圖1、2-氣缸；3-位移傳感器；4-控制放大器（a系統(tǒng)原理圖（b系統(tǒng)方塊圖1、2氣缸；3位移傳感器；4-控制放大器 圖4-41 柔性定位伺服氣缸原理圖4.9 電電-液比例閥、伺服閥液比例閥、伺服閥 4.9.1 電液伺服閥電液伺服閥： 由電氣機械轉換器和液壓放大器兩部分組成。閥的輸入為小功率電流信號，輸出為大功率的液壓信號。 圖4-42 電液伺服閥的基本構成永久磁鐵1、導磁體2、銜鐵3、控制線圈4和彈