机电一体化第4章.docx
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机电一体化第4章
第四章控制电动机及其选择计算
本章教学重点:
步进电机工作原理及驱动控制,直流、交流伺服电机选用及控制。
本章教学难点:
步进电机、直流、交流伺服电机控制。
本章教学方式:
多媒体教学、动画演示。
第一节执行元件分类
图4-1执行元件的种类
一、液压系统
二、气压系统
气压系统与液压系统的比较
(1)空气可以从大气中取之不竭且不易堵塞;将用过的气体排入大气,无需回气管路处理方便;泄漏不会严重的影响工作,不污染环境。
(2)空气粘性很小,在管路中的沿程压力损失为液压系统的干分之一,易于远距离控制。
(3)工作压力低.可降低对气动元件的材料和制造精度要求。
(4)对开环控制系统,它相对液压传动具有动作迅速、响应快的优点。
(5)维护简便,使用安全,没有防火、防爆问题;适用于石油、化工、农药及矿山机械的特殊要求。
对于无油的气动控制系统则特别适用于无线电元器件生产过程,也适用于食品和医药的生产过程。
气压系统与电气、液压系统比较有以下缺点:
(1)气功装置的信号传递速度限制在声速范围之内,所以它的工作频率和响应速度远不如电气装置.并且信号产生较大失真和延迟,也不便于构成十分复杂的回路。
但这个缺点对生产过程不会造成困难。
(2)空气的压缩性远大干液压油的收缩性,精度较低。
(3)气压传动的效率比液压传动还要低,且噪声较大。
(4)工作压力较低,不易获得大的推力。
气压传动出力不如液压传动大;
应用:
液压系统用于需大的功率重型设备
气动用于工件夹紧、输送等自动化生产线
电动应用最广泛
三、伺服电机控制方式
图4-5伺服电机控制方式的基本形式
第二节步进电动机
一、步进电动机的结构和工作原理
它与普通电动机一样,也是由定子和转子构成,其中定子又分为定子铁心和定子绕组。
定子铁心由电工钢片叠压而成,定子绕组是绕置在定子铁心6个均匀分布的齿上的线圈,在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起,构成一相控制绕组。
图4-6所示的步进电动机可构成A、B、C三相控制绕组,故称三相步进电动机。
1-绕组2-定子铁心3-转子铁心
图4-6反应式步进电动机结构原理图
二、步进电动机的工作原理
步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。
当A相绕组通电时,转子的齿与定子AA上的齿对齐。
若A相断电,B相通电,由于磁力的作用,转子的齿与定子BB上的齿对齐,转子沿顺时针方向转过,如果控制线路不停地按A→B→C→A…的顺序控制步进电动机绕组的通断电,步进电动机的转子便不停地顺时针转动。
若通电顺序改为A→C→B→A…,步进电动机的转子将逆时针转动30。
这种通电方式称为三相三拍,而通常的通电方式为三相六拍,其通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A…及A→AC→C→CB→B→BA→A…,相应地,定子绕组的通电状态每改变一次,转子转过15。
图4-7反应式步进电动机工作原理图
三、步进电机特点
(1)步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次,它的转子便转过一个确定的角度,即步距角;
(2)
(3)改变步进电动机定子绕组的通电顺序,转子的旋转方向随之改变;
(4)
(3)步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越快,其转子旋转的速度越快,即通电状态的变化频率越高,转子的转速越高;
(4)步进电动机步距角与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关,可用下式表示:
=360/mzk
式中m相m拍时,k=1;m相2m拍时,k=2。
对于图6-1所示的单定子、径向分相、反应式步进电动机,当它以三相三拍通电方式工作时,其步距角为=360/3×4×1=30
若按三相六拍通电方式工作,则步距角为=360/3×4×2=15。
四、步进电机分类
1、反应式步进电机:
定子转子均有铁心组成,转子无绕组,步进运行由定子绕组通电历磁产生的反应力矩作用实现。
特点:
结构简单,工作可靠,运行频率高,步距角小。
应用:
数控设备,机器人。
2、永磁式步进电机:
转子用永磁铁,靠与定子产生电磁力
特点:
控制功率小,效率高,造价低,但步距角大。
应用:
记录仪,空调机。
3、混合式步进电机:
转子有齿,带固定极性。
特点:
步距角小,工作频率高,控制功率小。
但结构复杂,成本高。
五、步进电机驱动电源
(一)脉冲分配
图4-8步进电动机驱动电源图
(一)脉冲分配
1、硬件实现
图4-9CH250管脚图及三相六拍接线图
表4-1CH250工作状态表
2、软件脉冲分配
软件环形分配器的设计方法有很多,如查表法、比较法、移位寄存器法等,它们各有特点,其中常用的是查表法。
(二)步进电动机的功率放大
1.单电压功率放大电路
此电路的优点是电路结构简单,不足之处是Rc消耗能量大,电流脉冲前后沿不够陡,在改善了高频性能后,低频工作时会使振荡有所增加,使低频特性变坏。
2.高低电压功率放大电路
电源U1为高电压,电源大约为80~150V,U2为低电压电源,大约为5~20V。
在绕组指令脉冲到来时,脉冲的上升沿同时使VT1和VT2导通。
由于二极管VD1的作用,使绕组只加上高电压U1,绕组的电流很快达到规定值。
到达规定值后,VT1的输入脉冲先变成下降沿,使VT1截止,电动机由低电压U2供电,维持规定电流值,直到VT2输入脉冲下降沿到来VT2截止。
不足之处是在高低压衔接处的电流波形在顶部有下凹,影响电动机运行的平稳性。
3.斩波恒流功放电路
该电路的特点是工作时Vin端输入方波步进信号:
当Vin为“0”电平,由与门A2输出Vb为“0”电平,功率管(达林顿管)VT截止,绕组W上无电流通过,采样电阻上R3上无反馈电压,A1放大器输出高电平;而当Vin为高电平时,由与门A2输出的Vb也是高电平,功率管VT导通,绕组W上有电流,采样电阻上R3上出现反馈电压Vf,由分压电阻R1、R2得到设定电压与反馈电压相减,来决定A1输出电平的高低,来决定Vin信号能否通过与门A2。
若Vref>Vf时Vin信号通过与门,形成Vb正脉冲,打开功率管VT;反之,Vref 这样在一个Vin脉冲内,功率管VT会多次通断,使绕组电流在设定值上下波动。 第三节直流伺服电动机 直流伺服电动机具有良好的调速特性,较大的起动转矩,相对功率大及快速响应等优点。 尽管其结构复杂,成本较高,在机电控制系统中作为执行元件还是获得了广泛的应用。 直流伺服电动机按激磁方式可分为电磁式和永磁式两种。 电磁式的磁场由激磁绕组产生;永磁式的磁场由永磁体(永久磁铁)产生。 电磁式直流伺服电动机是一种目前巳普遍使用的伺服电动机,特别是在大功率范围内(100w以上)。 永磁式直流伺服电动机由于尺寸小、重量轻、效率高、出力大、结构简单,无需激磁等一系列优点而被越来越重视。 一、特点 1、稳定性好 2、可控性好 3、响应迅速 4、控制功率低,损耗小 5、转矩大 二、直流伺服电机控制 图4-10直流伺服电机的控制回路 三、驱动与控制 一个驱动系统性能的好坏,不仅取决于电机本身的特性,而且还取决于驱动电路的性能以及两者之间的相互配合。 对驱动电路一般要求频带宽、效率高、能量能回授等。 目前常用晶体管驱动和可控硅直流调速驱动,广泛采用的直流伺服电机的晶体管驱动电路有线性直流伺服放大器和脉宽调制放大器(PwM)。 一般,宽频带低功率系统选用线性放大器(小于几百瓦),而脉宽调制放大器常用在较大的系统中,尤其是那些要求在低速和大转矩下连续运行的场合。 (一)可控硅直流调速驱动 (二)脉宽调制放大器(PWM) PWM放大器的优点是功率管工作在开关状态,管耗小。 它的基本原理是: 利用大功率晶体管的开关作用,将直流电源电压转换成一定频率(例如2000HZ)的方波电压,加在直流电动机的电枢上,通过对方波脉冲宽度的控制,改变电枢的平均电压,从而调节电机的转速,如图4—11所示。 锯齿波发生器的输出电压VA和直流控制信号VIN进行比较。 同时,在比较器的输入端还加入一个调零电压V0,当控制电压VIN为零时,调节Vo使比较器的输出电压为正、负脉冲宽度相等的方波信号,如图4—12(a)所示。 当控制信号VIN为正或负时,比较器输入端处的锯齿波相应地上移或下移,比较器的输出脉冲也随着相应改变,实现了脉宽调制,如图4—12(b)、(c)所示。 图4-11PWM放大器原理图 图4-12锯齿波脉冲调制器波形图 (a)控制电压为零;(b)控制电压为正;(c)控制电压为负 第四节交流伺服电动机 与普通直流伺服电动机相比较,普通交流伺服电动机的特点是: 它不需要电刷和换向器,因而避免了由于存在电刷和换向器而引起的一系列弊病。 此外,它的转动惯量、体积和重量一般来说也较小。 缺点是: 输出功率和转矩较小;转矩特性和调节特性的线性度不及直流伺服电动机好;其效率也较直流伺服电动机为低。 一、交流伺服电动机种类 1、同步型(SM): 采用永磁结构的同步电动机,又称无刷直流伺服电动机。 特点: 无接触换向部件 需要磁极位置检测器(如编码器) 具有直流伺服电动机的全部优点。 2、感应型(IM): 笼型感应电动机 特点: 对定子电流的激励分量和转矩分量分别控制 具有直流伺服电动机的全部优点。 二、交流伺服电动机调速 三、变频调速 间接变换方式(交-直-交变频) 变频方式 直接变换方式(交-交变频) 交-直-交变频是把交流电通过整流器变为直流电,再用逆变器将直流电变为频率可变的交流电供给异步电动机。 目前常用的通用变频器即属于交-直-交变频,其基本结构原理如图4-12。 由图可知,变频器主要由主回路(包括整流器、中间直流环节、逆变器)和控制回路组成。 变频器还有丰富的软件,各种功能主要靠软件来完成。
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