机电一体化技术

复 习 1. 执 行 元 件 的 种 类 、 特 点 及 基 本 要 求 ； 2.步 进 电 机 技 术 指 标 ； 3.机 电 一 体 化 系 统 (或 产 品 )对 执 行 元 件 的 基 本 要 求 ； 4.控 制 用 电 机 的 基 本 要 求 、 种 类 、 特 点 及 选 用 ； 5.掌 握 步 进 电 机 的 工 作 原 理 -步 进 电 机 环 形 脉 冲 分 配 方 式 -步 距 角 的 计 算 6.步 进 电 机 的 运 行 特 性 及 性 能 指 标 7.步 进 电 机 的 驱 动 与 控 制 驱 动 电 源 由 脉 冲 分 配 器 、 功 率 放 大 器 组 成 (1)环 形 脉 冲 分 配 器 (2)功 率 放 大 器 单 电 压 功 率 放 大 电 路 。 高 低 压 功 率 放 大 电 路 。 8.步 进 电 机 的 选 用 方 法 本 次 课 的 内 容 (2)功 率 放 大 器 单 电 压 功 率 放 大 电 路 。高 低 压 功 率 放 大 电 路 。 恒 流 源 功 率 放 大 电 路 。 细 分 驱 动 电 路 步 进 电 机 的 微 机 控 制 步 进 电 机 的 选 用 方 法 (2)功 率 放 大 器 步 进 电 机 所 使 用 的 功率 放 大 电 路 有 电 压 型和 电 流 型 。 电 压 型 又有 单 电 压 型 、 双 电 压型 (高 低 压 型 )。 电 流 型中 有 恒 流 驱 动 、 斩 波驱 动 等 。 单 电 压 功 率 放 大 电路 ： 主 要 用 于 对 速 度要 求 不 高 的 小 型 步 进电 机 。 环形脉冲分配器 高 低 压 功 率 放 大 电 路 5.7图 为 采 用 脉 冲 变 压 器 TI组 成 的 高 低 压 控 制 电 路 原 理 图 。A相 单 稳 触 发 器 组 成 的 高 低 压 控 制 电 路 原 理 图01 00触 发1 10 1定 时结 束 1 0 单 稳 触 发 器 组 成 的 高 低 压 控 制 电 路 特 点 恒 流 源 功 率 放 大 电 路 恒 流 源 功 率 放 大 电 路 特 点 斩 波 恒 流 功 率 放 大 电 路 输 入 的 一 个 脉 冲 绕 组 的 电 压 波 形绕 组 的 电 流 波 形0 0 =0U1=00 1 0 U 10U100 1 U1UR比 较 器 输 出 为 00 1 调 频 调 压 功 放 电 路 。电 源 电 压 一 定 ,绕 组 电 流 的 上 冲 值 随 频 率 的 升 高 降 低 ， 输 出 转 矩 随 转 速 的 提 高 降 低 ； 要 提 高 转矩 ， 需 提 高 供 电 电 压 ；调 频 调 压 ： 低 频 时 ， 供 电 电 压 低 ， 高 频 时 ， 供 电 电 压 高 ； 脉 冲 信 号调 压 信 号 01 1 (3)细 分 驱 动在 每 次 输 人 脉 冲 切 换 时 ， 不 是 将 绕 组 电 流 全 部 通入 或 切 除 ， 而 是 只 改 变 相 应 绕 组 中 额 定 的 一 部 分 ，则 电 机 转 子 的 每 步 运 动 也 只 有 步 距 角 的 一 部 分 。这 里 绕 组 电 流 不 是 一 个 方 波 ， 而 是 阶 梯 波 ， 额 定电 流 是 台 阶 式 的 投 入 或 切 除 ， 电 流 分 成 多 少 个 台阶 ， 则 转 子 就 以 同 样 的 个 数 转 过 一 个 步 距 角 。 这样 将 一 个 步 距 角 细 分 成 若 干 步 的 驱 动 方 法 称 为 细分 驱 动 。细 分 驱 动 的 特 点 是 ： a 在 不 改 动 电 机 结 构 参 数 的 情 况 下 ， 能 使 步 距 角减 小 。 但 细 分 后 的 步 距 角 精 度 不 高 ， 功 率 放 大 驱动 电 路 也 相 应 复 杂 ； b 能 使 步 进 电 机 运 行 平 稳 ， 提 高 匀 速 性 ， 并 能 减 弱 或 消 除 振 荡 。 例 : 采 用 多 路 功 率 开 关 用 叠 加 的 信 号 控 制 阶 梯 波 供 电 的 方 法 先 放 大 、 后 叠加 的 供 电 方 法 先 叠 加 、 后 放大 的 供 电 方 法 恒 频 脉 宽 调 制 细 分 驱 动 电 路 (4)步 进 电 机 的 微 机 控 制 有 串 行 和 并 行 两 种 控 制 方 式 :串 行 控 制 ： 具 有 串 行 控 制 功 能 的 单 片 机 系 统 与 步 进 电 机驱 动 电 源 之 间 具 有 较 少 的 连 线 就 可 以 将 信 号 送 入 步 进 电 机 驱动 电 源 的 环 形 分 配 器 ， 所 以 在 这 种 系 统 中 ， 驱 动 电 源 中 必 须含 有 环 形 分 配 器 。 见 图 。 并 行 控 制 ： 用 微 型 计 算 机 系 统 的 数 个 端 口 直 接 去 控 制 步 进 电 机 各 相 驱动 电 路 的 方 法 称 为 并 行 控 制 。 在 电 机 驱 动 电 源 内 ， 不 包 括 环形 分 配 器 ， 而 其 功 能 必 须 由 微 型 计 算 机 系 统 完 成 。系 统 实 现 脉 冲 分 配 器 的 功 能 又 有 两 种 方 法 ： 第 一 种 是 纯 软 件 方 法 . 第 二 种 是 软 、 硬 件 相 结 合 的 方 法 。并 行 控 制 方 案 的 示 意 图 见 图 。 (5)步 进 电 机 的 速 度 控 制步 进 电 动 机 速 度 控 制 ： 控 制 系 统 发 出 脉冲 的 频 率 或 者 是 换 相 周 期 ， 其 方 法 有 两种 ： 一 种 是 软 件 延 时 ： 调 用 延 时 子 程 序 ，占 用 CPU的 时 间 来 实 现 。 另 一 种 是 用 定 时 器 ： 通 过 设 定 定 时的 时 间 常 数 来 实 现 。 步 进 电 机 的 加 减 速 控 制对 于 点 位 控 制 系 统 来 说 ：1.如 果 系 统 要 求 的 运 行 频 率 小 于 极 限 启 动 频 率 ， 则 可 以 直 接 起动 和 运 行 ；2.如 果 系 统 要 求 的 运 行 频 率 大 于 极 限 启 动 频 率 ， 为 了 保 证 正 常启 动 或 者 启 动 时 不 丢 步 ， 其 运 行 需 要 一 个 过 程 ：“ 加 速 一 恒 速 一 减 速 一 (低 恒 速 )一 停 止 ” （ 如 图 ） 升 速 规 律 一 般 可 有 两 种 选 择 ：一 是 按 照 直 线 规 律 升 速 ； 加 速 度 是 恒 定 值 ， 步 进 电机 的 转 矩 也 应 该 是 恒 定 值 ， 但 是 由 于 电 机 本 身 的矩 -频 特 性 可 以 知 道 ， 在 低 速 时 可 以 认 为 其 输 出 的转 矩 为 恒 定 值 ， 但 是 随 着 转 速 的 升 高 ， 输 出 转 矩会 下 降 。二 是 按 指 数 规 律 升 速 ， 与 电 机 的 矩 频 特 性 比 较 吻 合 。系 统 在 执 行 升 降 速 的 控 制 过 程 中 ， 对 加 减 速 的 控 制还 需 准 备 下 列 数 据 ： 加 减 速 的 斜 率 ； 升 速 过程 的 总 步 数 ； 恒 速 运 行 总 步 数 ； 减 速 运 行 的总 步 数 。 加 减 速 过 程 的 控 制 方 法 ：1.步 进 电 动 机 的 开 环 控 制 ：步 进 电 动 机 驱 动 系 统 ， 其 输 入 的 脉 冲 不 依 赖 于 转 子的 位 置 ， 而 是 事 先 按 一 定 的 规 律 给 定 的 。 其 缺 点 是电 动 机 的 输 出 转 矩 、 加 速 度 在 很 大 程 度 上 取 决 于 驱动 电 源 和 控 制 方 式 。 对 于 不 同 的 电 动 机 或 者 同 一 种电 动 机 而 不 同 的 负 载 ， 很 难 找 到 通 用 的 加 减 速 规 律 ，因 此 使 步 进 电 动 机 的 性 能 指 标 的 提 高 受 到 限 制 。 2.步 进 电 动 机 的 闭 环 控 制 ： 步 进 电 动 机 的 输 出 转 矩 是 励 磁 电 流 和 失调 角 的 函 数 。 为 了 获 得 较 高 的 输 出 转 矩 ， 必须 考 虑 电 流 的 变 化 和 失 调 角 的 大 小 ， 根 据 不同 的 使 用 要 求 ， 步 进 电 动 机 的 闭 环 控 制 也 有 不 同 的 方 案 ， 主 要 有 核 步 法 、 延 迟 时 间 法 、用 位 置 传 感 器 的 闭 环 控 制 系 统 等 。采 用 光 电 脉 冲 编 码 器 作 为 位 置 检 测 元 件 的闭 环 控 制 原 理 框 图 如 图 所 示 。 闭 环 控 制 是 直 接 或 间 接 检 测 转 子 的 位 置 和 速 度 ， 然 后 通 过 反馈 及 适 当 的 处 理 ， 自 动 给 出 驱 动 的 脉 冲 串 。 采 用 闭 环 控 制 ， 可以 获 得 更 加 精 确 的 位 置 控 制 和 高 得 多 、 平 稳 得 多 的 转 速 ， 而 且可 以 在 步 进 电 动 机 的 许 多 其 他 领 域 获 得 更 大 的 通 用 性 。 步 进 电 机 的 选 用 计 算 方 法 360 l0i（ 1） 计 算 齿 轮 的 减 速 比 ： 根 据 所 要 求 脉 冲 当 量 ， 齿 轮 减 速 比 i计 算 如 下 ： 式 中 ： 步 进 电 机 的 步 距 角 （ /脉 冲 ） S丝 杆 螺 距 （ mm) ， (mm/脉 冲 ） (1-1)2l(1 20221 gwJJiJJ seq（ 2） 计 算 工 作 台 ， 丝 杆 以 及 齿 轮 折 算 至 电 机 轴 上 的 惯 量 Jeq。(1-2)式 中 ： Jeq折 算 至 电 机 轴 上 的 惯 量 (Kg.cm.s2) ， J1、 J2 齿 轮 惯 量 (Kg.cm.s2) ； Js丝 杆 惯 量 (Kg.cm.s2)； W工 作 台 重 量 （ N） ； l0丝 杆 螺 距 （ cm） （ 3） 计 算 电 机 输 出 的 总 力 矩 M(5.11)tfa MMMM （ 1-3）T nJJM eqma )(10026.1 4 （ 1-4）式 中 ： Ma 电 机 启 动 加 速 力 矩 （ N.m) ； Jm、 Jeq电 机 自 身 惯 量 与 负 载 惯 量 (Kg.cm2)； n电 机 所 需 达 到 的 转 速 （ r/min） ； T电 机 升 速 时 间 （ s） ； 30 102 ilWM f （ 1-5）式 中 ： Mf导 轨 摩 擦 折 算 至 电 机 的 转 矩 （ N.m)； u摩 擦 系 数 ； 传 递 效 率 ； 30 102 )( ilFM xt （ 1-6）式 中 ： Mt切 削 力 折 算 至 电 机 力 矩 （ N.m) ； Fx最 大 切 削 力 （ N） （ 4） 负 载 起 动 频 率 估 算 。 数 控 系 统 控 制 电 机 的 启 动 频率 与 负 载 转 矩 和 惯 量 有 很 大 关 系 ， 其 估 算 公 式 为210 1 )(1 meqi tfqq JJM MMff （ 1-7） 式 中 ： fq带 载 起 动 频 率 （ Hz） ； f q0空 载 起 动 频 率 ； Mi空 载 起 动 频 率 下 由 矩 频 特 性 决 定 的 电 机 输 出 力 矩 （N.m)； 若 负 载 参 数 无 法 精 确 确 定 ,则 可 按 fq=1/2fq0进 行 估 算 . （ 5） 运 行 的 最 高 频 率 与 升 速 时 间 的 计 算 。 由 于 电 机 的 输 出 力 矩 随 着 频 率 的 升高 而 下 降 ， 因 此 在 最 高 频 率 时 ， 由 矩 频 特 性 的 输 出 力 矩 应 能 驱 动 负 载 ， 并 留 有足 够 的 余 量 。 （ 6） 负 载 力 矩 和 最 大 静 力 矩 Mmax。负 载 力 矩 可 按 式 （ 1-5） 和 式 （ 1-6） 计 算 ， 电 机 在 最 大 进 给 速 度 时 ， 由 矩 频 特 性决 定 的 电 机 输 出 力 矩 要 大 于 Mf与 Mt之 和 ， 并 留 有 余 量 。 一 般 来 说 ， Mf与 Mt之 和 应小 于 （ 0.2 0.4） Mmax。 实 例 某 车 床 进 行 数 控 改 造 ， 其 小 拖 板 结 构 简 图 如 图 所 示 ， 已 知 进 给 系 统 行程 为 200mm， 快 速 移 动 的 最 大 速 度 为 1.2m /min， 最 大 切 削 进 给 速 度为 0.25m /min， 溜 板 和 刀 架 的 质 量 为 20kg。 滚 珠 丝 杠 的 导 程 =6mm， 试 选 择 步 进 电 机 。 三 相 混 合 式 步 进 电 机 参 数 表型 号 步 距 角 （ ） 相 数 驱 动 电 压（ V） 相 电 流 （A） 保 持 转矩 （ N.M） 空 载 启 动频 率 （pps） 空 载 运 行频 率 （kpps） 转 动 惯量 （kg.cm2） 相 电 感（ mH） 相 电 阻 （） 重 量 （ kg90BYG5501 0.36/0.72 5 45 4 5 2200 30 4.0 3.8 0.8 4.5 110BYG2501 0.9/1.8 2/4 80-220 4 12 1200 15 11.3 5.8 0.5 8.5 110BYG2502 0.9/1.8 2/4 80-220 5 20 1200 15 15.8 6.5 0.6 10.5 110BYG2601 0.75/1.5 2/4 80-220 4 12 1200 15 11.3 5.8 0.5 8.5 110BYG2602 0.75/1.5 2/4 80-220 5 20 1200 15 15.8 6.5 0.6 10.5 110BYG3500 0.6 3 80-220 3 8 1600 30 7.2 7.4 1.4 6.5 110BYG3501 0.6 3 80-220 3 11 1600 30 11.3 10.0 1.9 8.0 1.计 算 齿 轮 的 减 速 比 根 据 经 验 或 常 见 的 步 进 电 机 初 步 选 定 需 要 的 步 距 角 。 本 设 计 选 用 的 反 应 式 三 相 步 进 电 机 ， 假 设 其 步 距 角 为0.6/1.2， 采 用 三 项 六 拍 的 通 电 方 式 工 作 ， 脉 冲 当 量 为0.005mm， （ 脉 冲 当 量 应 为 实 际 加 工 时 对 加 工 精 度 的 要求 ） 根 据 题 意 ： 2 005.0360 66.036000 li 2.计 算 工 作 台 ， 丝 杆 以 及 齿 轮 折 算 至 电 机 轴 上 的 惯量 Jeq 齿 轮 的 转 动 惯 量 为 丝 杠 的 转 动 惯 量 根 据 题 意 又 ： 所 以 ： 241 106.1 KgmJz 242 104.6 KgmJz 23102.1 KgmJs 2222212 2121212121 MvJJJJ sssZmZmeq mms i 41 82 00 llv ms ).(352.6).(10352.6 10152.0103106.1106.1 6516006.0102.141104.641106.1 )4(4141224 4444 22344 202122222221 cmKgmKg lMJJJvMJJJJ sZZmmssmsZZeq 3.计 算 电 机 输 出 的 总 力 矩tfa MMMM T nJJM eqma )(10026.1 4 步 进 电 机 的 加 速 力 矩 或步 进 电 机 的 惯 性 负 载 力 矩在 此 公 式 中 ， 未 知 的 参 数 有 ： J m步 进 电 机 的 转 动 惯 量 ， 由 于 电 机 是 未 选 定 的 ， 所 以 Jm也 是 未 知 的 ； 在 计 算 中 如 何 处 理 ？ T电 机 的 加 减 速 的 时 间 ， 应 该 根 据 步 进 电 机 的 升 速 规 律 是 线 性 或 指 数 规 律 计 算 出 来 的 ， 在 此 假设 为 0.1s。 有 的 在 电 机 的 参 数 表 中 给 定 机 械 时 间 常 数 ， 其 含 义 是 ： 电 机 在 额 定 电 压 给 定， 空 载 情 况 下 ， 转 速 达 到 额 定 转 速 的 63%时 所 需 的 时 间 。 此 参 数 衡 量 的 主 要 是电 机 的 启 动 特 性 ， 如 空 心 杯 的 电 机 ， 一 般 都 是 1-50ms左 右 。 但 是 对 于 传 统 的 鼠笼 式 异 步 电 机 或 者 无 刷 （ 同 步 ） 电 机 ， 其 响 应 要 慢 的 多 。计 算 结 果 ： m).(4757.31.0 400)352.6117.2(10026.1 4 NMa m).(724.01.0 4.83)352.6117.2(10026.1 4 NMa 空 载 ：满 载 ： 计 算 摩 擦 阻 力 矩 此 公 式 中 的 摩 擦 力 有 两 个 ： 1、 空 载 运 动 时 的 摩 擦 力 ； 2、满 载 运 动 时 的 摩 擦 力 ； 3、 传 动 效 率 可 以 设 定 一 个 值 ， 需要 查 阅 资 料 给 出 ， 在 此 设 为 0.85。 外 载 荷 的 分 力 F y应 该 根 据 工 作 的 需 要 计 算 出 来 ， 在 此 假 设为 1304N。 30 102 ilWM f )(2693.0 10285.014.32 6)13048.920(1.0102 F 330yNm i lWM f ）（满 载 时 ： )(01102.010285.014.32 68.9201.0102 330 NmilWM f 空 载 时 ： 外 载 的 等 效 换 算 此 公 式 中 ， Fx是 外 载 荷 在 丝 杠 轴 向 的 分 力 ， 应 根 据 外 载 荷的 大 小 计 算 得 出 。 外 载 荷 的 计 算 应 根 据 实 际 工 作 的 极 限 力求 出 ， 然 后 分 解 得 出 。 在 此 ， 假 设 为 1779N。 30 102 )( ilFM xt )(9998.0 10285.014.32 61779102 )( 330Nm ilFM xt 电 机 输 出 的 总 力 矩 tfa MMMM )(48672.301102.04757.3 NmM 根 据 计 算 的 转 矩 ， 选 用 大 值 作 为 数 据 ， 初 步 选 定 步 进 电 机 的型 号 。 110BYG3501 （ M应 小 于 （ 0.2 0.4） Mmax。空 载满 载 )(9931.19998.02693.0724.0 NmM 4、 负 载 起 动 频 率 估 算 7703.11352.61 7.17 9998.02693.0116001 )(1 210 meqi tfqq JJM MMff矩 频 特 性 平 均 参 考 值 电 机 型 号 驱 动 电 源 电压 （ V） 运 行 步距 角 （ ） 运 行 频 率 （ PPS） 100 200 500 1000 2000 3000 4000 6000 8000 10000 矩 频 特 性 （ N.m） 110BYG2501 AC100V/4A 0.9 7.0 7.2 7.6 7.4 6.9 6.1 5.3 3.8 2.2 1.4110BYG2502 AC100V/4A 0.9 12.95 13.3 14.4 13.3 11.2 9.45 7.4 4.8 3.6 2.4110BYG2601 AC100V/4A 0.75 7.5 7.8 8.1 7.8 7.1 6.4 5.5 3.3 1.7 0.8110BYG2602 AC100V/4A 0.75 12.2 12.5 13 12.6 11.9 10.3 8.5 6.3 4 2.9110BYG3501 AC120V/ 7A 0.6 18.0 19.8 19.8 19.2 16.2 10.85 6.65 5.2 4.9 3.75110BYG3502 AC120V/7A 0.6 24.6 25.8 25.8 24.6 22.2 11.5 7.0 5.8 5.2 5.1 5、 运 行 的 最 高 频 率电 机 型 号 驱 动 电 源电 压 （ V） 运 行步 距角 （ ） 运 行 频 率 （ PPS） 100 200 500 1000 2000 3000 4000 6000 8000 10000 矩 频 特 性 （ N.m） 110BYG2501 AC100V/ 4A 0.9 7.0 7.2 7.6 7.4 6.9 6.1 5.3 3.8 2.2 1.4110BYG2502 AC100V/4A 0.9 12.95 13.3 14.4 13.3 11.2 9.45 7.4 4.8 3.6 2.4110BYG2601 AC100V/4A 0.75 7.5 7.8 8.1 7.8 7.1 6.4 5.5 3.3 1.7 0.8110BYG2602 AC100V/4A 0.75 12.2 12.5 13 12.6 11.9 10.3 8.5 6.3 4 2.9 110BYG3501 AC120V/7A 0.9 18.0 19.8 19.8 19.2 16.2 10.85 6.65 5.2 4.9 3.75110BYG3502 AC120V/7A 0.9 24.6 25.8 25.8 24.6 22.2 11.5 7.0 5.8 5.2 5.1 总 结 (2)功 率 放 大 器 单 电 压 功 率 放 大 电 路 。高 低 压 功 率 放 大 电 路 。 恒 流 源 功 率 放 大 电 路 。 细 分 驱 动 电 路 步 进 电 机 的 微 机 控 制 步 进 电 机 的 选 用 计 算 方 法 课 后 习 题 1.什 么 是 步 进 电 机 的 细 分 驱 动 ？ 2.步 进 电 机 的 细 分 驱 动 中 ， 阶 梯 波 供 电 的 方 法 有 两 种 ， 分别 是 和 。 3.使 用 微 机 对 步 进 电 机 控 制 有 两 种 方 式 ， 分 别 是 和 。 4.对 于 点 位 控 制 步 进 电 机 的 驱 动 系 统 来 说 ： 1） .如 果 系 统要 求 的 运 行 频 率 小 于 步 进 电 机 极 限 启 动 频 率 ， 则 可 以 直接 ； 2） .如 果 系 统 要 求 的 运 行 频 率 大 于 步 进 电机 的 极 限 启 动 频 率 ， 为 了 保 证 正 常 启 动 或 者 启 动 时 不 丢 步 ，其 运 行 需 要 一 个 过 程 ： 。 5.分 析 步 进 电 机 的 开 环 控 制 系 统 和 闭 环 控 制 系 统 。 课 后 习 题 1. 步 进 电 机 是 如 何 实 现 速 度 和方 向 控 制 的 ？ 2.分 析 如 图 所 示 的 步 进 电 机 高低 压 功 率 放 大 电 路 的 工 作 原 理 3.绘 图 说 明 三 相 激 磁 步 进 电 机的 矩 角 特 性 曲 线 ， 指 出 动 态稳 定 区 、 起 动 转 矩 ？ 4.试 分 析 比 较 如 图 所 示 的 闭 环控 制 系 统 与 半 闭 环 控 制 系 统 的主 要 区 别 。