执行元件的选择与设计

第 三 章 执 行 元 件 的 选 择 与 设 计 3.1 执 行 元 件 执 行 元 件 是 将 控 制 信 号 转 换 成 机械 运 动 和 机 械 能 量 的 转 换 元 件 。3.1.1 执 行 元 件 的 种 类 及 特 点执行元件 电 磁 式 电 磁 铁 及 其 他电 动 机液 压 马 达液 压 式 油 缸气 压 马 达气 压 式 气 缸其 他 与 材 料 有 关 直 流 伺 服 电 机双 金 属 片压 电 元 件状 态 记 忆 金 属其 他 电 机交 流 伺 服 电 机步 进 电 机 执 行 元 件 的 特 点 执 行 元 件 的 特 点 以 及 优 缺 点 种 类 特 点 优 点 缺 点电气式 可 用 商 业 电 源 ；信 号 与 动 力 传 送方 向 相 同 ； 有 交流 直 流 之 分 ； 注意 使 用 电 压 和 功率 。 操 作 简 便 ； 编 程 容易 ； 能 实 现 定 位 伺服 控 制 ； 响 应 快 、易 与 计 算 机 （ CPU）连 接 ； 体 积 小 、 动力 大 、 无 污 染 。 瞬 时 输 出 功 率 大 ；过 载 差 ； 一 旦 卡死 ， 会 引 起 烧 毁事 故 ； 受 外 界 噪音 影 响 大 。 气压式 气 体 压 力 源 压力 57 Mpa； 要求 操 作 人 员 技 术熟 练 。 气 源 方 便 、 成 本 低 ；无 泄 露 而 污 染 环 境 ；速 度 快 、 操 作 简 便 。 功 率 小 、 体 积 大 、难 于 小 型 化 ； 动作 不 平 稳 、 远 距离 传 输 困 难 ； 噪音 大 ； 难 于 伺 服 。 液压式 液 体 压 力 源 压力 2080 Mpa；要 求 操 作 人 员 技术 熟 练 。 输 出 功 率 大 ， 速 度快 、 动 作 平 稳 ， 可实 现 定 位 伺 服 控 制 ；易 与 计 算 机 （ CPU）连 接 。 设 备 难 于 小 型 化 ；液 压 源 和 液 压 油要 求 严 格 ； 易 产生 泄 露 而 污 染 环境 。 3.1.2机 电 一 体 化 系 统 对 执 行 元 件 的 基 本 要 求 （ 1） 惯 量 小 ， 动 力 大 。 （ 2） 体 积 小 ， 重 量 轻 。 （ 3） 安 装 方 便 、 便 于 维 修 维 护 。 （ 4） 易 于 实 现 自 动 化 控 制 。 3.2 机 电 一 体 化 系 统 常 用 的 控 制 电 动 机 常 用 伺 服 控 制 电 动 机 ： DC/AC电 动 机 、 力 矩 电 动 机 、 步 进 （ 脉 冲 ）电 动 机 、 变 频 调 速 电 动 机 、 开 关 电 磁 电 动 机以 及 其 他 电 动 机 （ 直 流 或 交 流 脉 宽 调 速 电 动机 、 电 磁 伸 缩 元 件 ） 等 。 常 用 伺 服 控 制 电 动 机 的 控 制 方 式 主 要 有 ： 开 环 控 制 、 半 闭 环 控 制 、闭 环 控 制 三 种 。 如 图 所 示 数 控 机 床 伺 服 系 统 。 3.2.1 机 电 一 体 化 系 统对 伺 服 控 制 电 动 机 的 基 本 要 求 为 实 现 运 动 、 功 率 /能 量 、 控 制 运 动 方 式 的 转 换 ，对 伺 服 控 制 电 动 机 提 出 了 一 些 基 本 要 求 。（ 1） 性 能 密 度 大 。 即 功 率 密 度 Pw=P/G 或 比 功 率密 度 Pbw=(T2/J)/G 大 。（ 2） 快 速 性 好 。 加 速 度 大 、 响 应 特 性 好 。（ 3） 位 置 控 制 与 速 度 控 制 精 度 高 、 调 速 范 围 大 、低 速 平 稳 性 好 、 分 辨 率 高 以 及 振 动 噪 音 小 。（ 4） 能 适 应 频 繁 启 动 ， 可 靠 性 高 、 寿 命 长 。（ 5） 易 于 与 计 算 机 对 接 ， 实 现 计 算 机 控 制 。 3.2.2 伺 服 控 制 电 动 机 基 本 特 性 无 论 动 力 用 伺 服 控 制 电 动 机 ， 还 是 控 制 用伺 服 控 制 电 动 机 ， 功 率 转 速 转 矩 的 电 特性 是 电 机 重 要 的 基 本 特 性 指 标 之 一 。P nndPw 对 于 伺 服 控 制 电 机 而 言 ， 恒 转 矩 工 作 特性 是 衡 量 电 机 调 速 性 能 的 重 要 参 数 之 一 。 3.3 步 进 电 动 机 与 驱 动 3.3.1 步 进 电 动 机 的 特 点 、 种 类 、 工 作 原 理 （ 1） 步 进 电 动 机 的 特 点 控 制 精 度 由 步 进 角 决 定 （ ） 。 抗 干 扰 能 力 强 ， 在 电 机 电 特 性 工 作 范 围 内 ， 不产 生 丢 步 或 无 法 工 作 等 现 象 。 电 机 每 转 动 一 步 进 角 ， 尽 管 存 在 一 定 的 转 角 误差 ， 但 电 机 转 动 360时 ， 转 角 累 计 误 差 将 归 零 。 控 制 性 能 好 ， 不 会 产 生 “ 丢 步 ” 现 象 （ 频 繁启 动 、 停 止 、 变 换 ） 。 易 于 与 计 算 机 实 现 对 接 。 znko /360 （ 2） 步 进 电 动 机 的 种 类 种 类 按 转 子 构 成 分 类 ： 可 变 磁 组 型 （ VR） 步 进 电 机 转 子 为 导 磁 体 ，也 称 反 应 式 步 进 电 机 。 永 磁 型 （ PM） 步 进 电 机 转 子 为 永 磁 铁 。 混 合 型 （ HB-Hybrid） 步 进 电 机 转 子 为 导 磁 体和 永 磁 铁 的 组 合 。 按 定 子 绕 组 对 数 分 类 ：分 为 2相 、 3相 、 4相 、 5相 、 10相 等 步 进 电 机 。 按 定 子 绕 组 通 电 极 性 分 类 ： 分 为 单 极 性 和 双 极 性 步 进 电 机 。 （ 3） 步 进 电 动 机 的 工 作 原 理 当 第 一 个 脉 冲 通 入 A相 时 ， 磁 通 企 图 沿 着 磁阻 最 小 的 路 径 闭 合 ， 在 此 磁 场 力 的 作 用 下 ，转 子 的 1、 3齿 要 和 A级 对 齐 。 当 下 一 个 脉 冲 通入 B相 时 ， 磁 通 同 样 要 按 磁 阻 最 小 的 路 径 闭 合 ，即 2、 4齿 要 和 B级 对 齐 ， 则 转 子 就 顺 逆 时 针 方向 转 动 一 定 的 角 度 ：132 4AAB BCC CB 42 3A C1A B 2 3B A CAC 1 4 Bznk o /360 3.3.2 步 进 电 动 机 的 运 行 特 性 与 性 能 指 标 （ 1） 分 辨 率主 要 指 步 进 角 =360/znK。 如 ： 0.6/1.2、0.75/1.5、 0.9/1.8、 。（ 2） 静 态 特 性 主 要 指 步 进 电 机 在 稳 态 工 作 条 件 下 的 特 性 ，包 括 ： 矩 角 特 性 、 静 转 矩 、 静 态 稳 定 特 性 等 。 失 调 角 示 意 图 矩 角 特 性 曲 线 e定 子转 子 pp p /2p /2 jmaxTjmaxT eT （ 3） 动 态 特 性 动 态 特 性 参 数 ： 主 要 指 动 态 稳 定 区 、 启 动 转 矩 、矩 频 特 性 、 惯 频 特 性 等 。 动 态 稳 定 区 ： 在 步 进 电 机 从 A相 转 换 为 B（ 或 AB）相 通 电 ， 不 产 生 丢 步 时 的 稳 定 工 作 区 域 r。 从图 中 可 以 得 出 ， 步 进 电 机 工 作 的 拍 数 越 多 ， 稳 定工 作 区 域 r越 接 近 静 态 稳 定 工 作 区 域 e， 越 不容 易 丢 步 。 起 动 转 矩 Tq： 两 相 （ A、 B） 矩 角 特 性 之 交 点Tq表 示 步 进 电 机 单 相 励 磁 时 所 能 带 动 的 极 限 负 载转 矩 ， 与 步 进 电 机 的 相 数 和 通 电 方 式 有 关 。p /3p jmaxT TjmaxT epr Tq p /3p jmaxT TjmaxT epr Tq 矩 角特 性曲 线 族 最 高 连 续 运 转 频 率 fmax及 矩 频 特 性 ： 步进 电 机 连 续 运 转 时 所 能 接 受 的 最 高 控 制 频 率fmax， 称 最 高 连 续 运 转 频 率 ； 步 进 电 机 连 续运 转 转 矩 随 频 率 的 增 加 而 降 低 ， 称 矩 频 特性 。p /3p jmaxT TjmaxT epr Tq p /3p jmaxT TjmaxT epr Tq矩 角 特 性 曲 线 族 3.3.3 步 进 电 机 的 驱 动 与 控 制 步 进 电 机 的 驱 动 电 路 ： 主 要 由 脉 冲 分 配 器和 功 率 放 大 器 两 部 份 组 成 。 变 频 控 制 信 号 ： 主 要 有 脉 冲 频 率 信 号 和方 向 控 制 信 号 。步 进 电 机 驱 动 电 路 的 组 成 脉 冲分 配 器 功 率放 大 器变 频 信 号 方 向 信 号 一种四相步进电机驱动实用电路步 进 脉 冲 输 出方向控制 0.1 f 74767486步 进 脉 冲 定 时 器 引脚 布 局 引 脚 布 局 引 脚 布 局0.1 f 或 0.1 f 线 圈 线 圈线 圈 线 圈 （ 1） 环 形 脉 冲 分 配 器 由 于 步 进 电 机 的 工 作 原 理 是 各 绕 组 必 须 按一 定 的 顺 序 通 电 变 化 才 能 正 常 工 作 （ A B C A B ； A AB B BC C CA A AB B ） ， 完 成 这 种 通 电顺 序 变 化 规 律 的 部 件 称 为 环 形 脉 冲 分 配 器 。实 现 脉 冲 环 形 分 配 的 方 法 主 要 有 三 种 ： 软 件 分 频 可 充 分 利 用 计 算 机 资 源 降 低硬 件 成 本 ， 可 适 用 多 相 脉 冲 分 配 ， 但 将 占 用计 算 机 运 行 时 间 ， 影 响 步 进 电 机 的 运 行 速 度 。 IC集 成 电 路 分 频 （ DDT分 频 器 ） 灵 活 性强 ， 可 搭 接 成 任 意 通 电 顺 序 的 环 形 分 配 器 ，不 站 用 计 算 机 的 工 作 时 间 。 CH250 管 角 定 义 与 三 相 六 拍 工 作 状 态 的 接 线 图 方 向 专 用 环 形 分 频 器 使 用方 便 ， 接 口 简 单 ， 专 业 化 生产 质 量 可 靠 ， 成 本 低 等 。 如 ：CH250三 相 绕 组 分 频 器 ；L297和 PMM8714两 相 绕 组分 频 器 ； PMM8713五 相 绕组 电 机 分 频 器 等 。 （ 2） 功 率 放 大 器 功 率 放 大 器 是 实 现 控 制 信 号 与 步 进 电 机 匹 配 的重 要 组 件 。 常 见 的 步 进 电 机 功 率 放 大 器 的 组 成 与 特 点 如 下 ： 单 电 压 功 率 放 大 电 路 w w w特 点 ： 电 路 结 构 简 单 ， 但 串 联 R2消 耗 能 量 降 低 放 大功 率 ； 电 感 较 大 使 电 路 对 脉 冲 反 应 较 慢 ,输 出 波 形 差 。 主 要 用 于 转 速 要 求 不 高 的 小 型 步 进 电 机 控 制 。 高 低 压 功 率 放 大 器 特 点 ： 具 有 高 压 驱 动 ，电 流 增 长 速 度 快 、 前沿 变 陡 ， 电 机 的 扭 矩和 频 率 得 到 提 高 。 w 单 稳触 发 器 w特 点 ： 仅 在 脉 冲 开 始 时 接 通 高 压电 源 ， 其 余 时 间 仅 接 通 低 压 电 源供 电 。 具 有 功 效 高 、 电 流 上 升 率高 、 高 速 运 转 性 能 好 ， 但 波 形 陡有 时 存 在 过 冲 现 象 ， 谐 波 丰 富 ，在 低 速 运 转 时 易 产 生 振 动 。 恒 流 源 功 率 放 大 器 w （ 3） 细 分 驱 动 电 路 采 用 细 分 驱 动 电 路 的 目 的 ： 整 步 运 转 或 半步 运 转 基 础 上 ， 不 改 变 步 进 电 机 结 构 ， 提 高步 进 电 机 的 运 转 、 控 制 精 度 。 细 分 驱 动 电 路 的 基 本 工 作 原 理 ： 对 每 一控 制 脉 冲 ， 细 分 使 其 电 流 逐 步 增 加 达 到 脉 冲的 最 大 电 流 （ Imax） ， 又 逐 步 减 少 达 到 脉 冲的 最 小 电 流 （ 0） ， 从 而 可 实 现 高 精 度 运 转 、控 制 、 分 辨 ， 以 及 提 高 步 进 精 度 。w t 常 用 的 步 进 电 机 细 分 驱 动 电 路 工 作 原 理 ： 由 基 极 开 关 电 压 U1U5控 制 多 路功 率 开 关 管 VTd1VTd5的 通 断 ， 从 而 控 制 功 放管 VT的 导 通 电 流 大 小 ， 即 步 进 电 机 线 圈 绕 组电 流 的 大 小 ， 实 现 对 步 进 电 机 步 进 量 的 细 分 。 特 点 ： 功 率 开 关 管 工 作 在 开 关 状 态 ， 功 耗很 低 ， 但 器 件 多 、 体 积 大 。 i ww wi ttU 多 路 功 率 开 关 细 分 电 路 单 功 率 放 大 细 分 驱 动 电 路 wi w 阶 梯 波 控 制 信 号 的 产 生 与 放 大 方 法 分 先 放 大 后 叠 加 ； 先 叠 加 后 放 大 两 种 方 法 。 细 分 环 形 分 配 器 放 大放 大放 大放 大 放 大细 分 环 形 分 配 器 加法器 w加法器 wU ttiw （ 4） 步 进 电 机 的 微 机 控 制 主 要 分 为 ： 串 行 控 制 和 并 行 控 制 两 种 方 法 串 行 控 制 方 式 并 行 控 制 方 式 脉 冲方 向 控 制方 式 信 号 环形分配器 功率放大电路 步进电机 驱动电路器 步进电机各相绕组相相相相相 3.4 直 流 （ DC） 伺 服 电 动 机 及 其 驱 动3.4.1 直 流 （ DC） 伺 服 电 动 机 工 作 原 理 通 过 电 刷 和 转 换 器 产 生 的 整 流 作 用 ， 使 磁场 磁 动 势 和 电 枢 电 流 磁 动 势 正 交 ， 从 而 产 生转 动 力 矩 。 使 用 直 流 供 电 ， 实 现 速 度 和 方 向调 节 控 制 ， 主 要 通 过 对 直 流 电 压 /电 流 的 大小 和 方 向 进 行 调 节 来 实 现 。 直 流 伺 服 电 动 机 的 调 速 控 制 如 下 图 所 示 。 直 流 电 机 的 调 速 方 式由 于 直 流 伺 服 电 机 的 机 械 特 性 方 程 为 ：TCC RCUn 2tee c 式 中 ， UC 电 枢 控 制 电 压 ； R 电 枢 回 路 电 阻 ； 每 极 磁 通 ； Ce、 Ct 分 别 为 电 动 机的 结 构 常 数 。 由 此 ， 直 流 伺 服 电 机 的 控 制 方 式 如 下 ： 典 型 直 流 伺 服 电 动 机 控 制 数 学 模 型 直 流 （ DC） 伺 服 电 动 机 的 特 性 特 点 ： 具 有 较 高 的 响 应 速 度 、 精 度 和 频 率 ，优 良 的 控 制 特 性 等 ， 但 由 于 所 用 电 刷 和 转 换器 是 使 用 寿 命 较 低 ， 需 要 定 期 更 换 。3.4.2 直 流 （ DC） 伺 服 电 动 机 的 驱 动 要 实 现 对 直 流 电 动 机 的 速 度 和 方 向 进 行 调 节控 制 ， 通 常 可 用 两 种 驱 动 控 制 方 式 ： 晶 体 管 直 流 脉 宽 调 制 驱 动 ； 晶 闸 管 直 流 脉 宽 调 速 驱 动 ； （ 1） 晶 体 管 直 流 脉 宽 调 制 驱 动 (PWM)工 作 原 理 在 给 定 供 电 电 压 U， 由 控 制 脉 冲 信 号 Ud控 制晶 体 管 VT的 通 断 ， 从 而 使 直 流 电 动 机 得 到 脉 冲驱 动 信 号 ， 改 变 脉 冲 控 制 信 号 的 没 一 周 期 通 电时 间 ， 就 可 改 变 直 流 电 动 机 的 平 均 工 作 电 压 Ua达 到 调 速 的 目 的 ； 改 变 供 电 压 和 续 流 二 极 管 的极 性 ， 便 可 改 变 直 流 电 动 机 的 转 向 。 1） 直 流 电 动 机 的 脉 宽 调 速 电 路 原 理 2） 直 流 电 动 机 的 方 向 控 制 电 路d ba 直 流 PMW调 速 驱 动 电 路直 流 电 机PWM调 速 电 路晶 闸 管 驱 动直 流 电 机PWM调 速 电 路H桥 驱 动 3.5 交 流 （ AC） 伺 服 电 动 机 及 其 驱 动（ 1） 常 用 交 流 伺 服 电 动 机永 磁 同 步 型 （ SM） 、 电 磁 感 应 型 （ IM） 伺 服 电 动 机 。（ 2） 基 本 工 作 原 理 检 测 交 流 伺 服 电 动 机 （ SM型 /IM型 ） 气 隙 磁 场 的 大小 和 方 向 ， 用 电 力 电 子 转 化 器 代 替 整 流 子 和 电 刷 ， 通过 控 制 与 气 隙 磁 场 方 向 相 同 的 磁 化 电 流 和 与 与 气 隙 磁场 方 向 相 垂 直 的 等 效 电 流 的 方 法 ， 最 终 控 制 交 流 伺 服电 动 机 主 磁 通 量 大 小 和 转 矩 ， 实 现 对 电 机 的 有 效 控 制 ，简 称 矢 量 控 制 方 法 。 1） 永 磁 同 步 型 （ SM ） 转 子 由 永 磁 构 成 ， 不 需 磁 化 控 制 电 流 ， 只 需 检 测 磁铁 转 子 位 置 和 定 子 绕 组 磁 通 矢 量 控 制 电 流 ， 实 现 对 电机 主 磁 通 矢 量 电 流 的 控 制 ， 从 而 获 得 对 电 机 的 速 度 和 位 置 控 制 。 永 磁 同 步 （ SM） 型 伺 服 电 动 机 控 制 框 图CONV.整 流 器 ； SM同 步 电 机 ； INV.变 换 器 ； PS磁 极 位 置 检 测 器 ； REF速 度 基 准 ； IGF电 流 函 数 发 生 器 ；SC速 度 放 大 器 ； CC电 流 放 大 器 ； RD速 度 变 换 器 ；PWM脉 宽 调 制 器 ； P.B.U再 生 电 力 吸 收 电 路 。 iwiviu SMPSPWMCCIFGSCRDREFAC输入 CONV. P.B.U. INV. GRTGRT GRT GRT GRTGRTGRTGRT i 2） 感 应 （ IM） 型 伺 服 电 动 机 控 制 框 图 交 流电 机CONV.位 置 指 令AC输入 GRTGRTPWMGRT iGRTGRT GRTGRT iiwviuP.B.U. INV.位 置 控 制 速 度指 令 放 大 器 矢 量 处理 电 路 脉 冲 放 大 检测器 3） 交 流 伺 服 电 动 机 的 矢 量 控 制 r 1,X1定 子 绕 组 阻 抗 和 漏 抗 ； r2,X2转 子 绕 组 阻 抗 和 漏 抗 ； rm,Xm铁 芯 等 效 阻 抗 和 主 磁 通 所 对 应 电 抗 ； Im负 载 范 围 内 不 变 。 S转 差 率I1 Im I2XmX1 X2r1 2rrm 1-ss 2rU1 I2 I1Ima) 交 流 电 机 等 效 电 路 b) 电 流 矢 量2221 III m 本 章 小 节重 点 掌 握 ：1） 执 行 元 件 的 主 要 类 型 和 特 点 。2） 机 电 一 体 化 系 统 （ 产 品 ） 对 执 行 元 件 基 本 要 求 。3） 常 用 控 制 电 机 类 型 与 主 要 特 点 。4） 机 电 一 体 化 系 统 对 伺 服 控 制 电 动 机 基 本 要 求 。5） 典 型 伺 服 控 制 电 动 机 的 主 要 特 点 和 选 用 原 则 。6） 步 进 电 动 机 的 运 行 特 性 与 主 要 性 能 指 标 。7） 步 进 电 机 的 驱 动 与 控 制 （ 驱 动 电 路 、 变 频 控 制信 号 、 环 形 脉 冲 分 配 器 、 功 率 放 大 器 、 细 分 驱 动电 路 、 典 型 细 分 驱 动 电 路 ） 。 课 外 作 业 ： 1 题 ： 简 述 机 电 一 体 化 系 统 中 对 执 行 元 件 的分 类 与 特 点 （ 优 缺 点 ） 。2 题 ： 机 电 一 体 化 系 统 的 执 行 元 件 的 基 本 要求 是 什 么 ？3 题 ： 步 进 电 机 具 有 哪 些 特 点 与 环 形 分 配 方式 是 什 么 ？4 题 ： 步 进 电 机 驱 动 电 源 功 率 放 大 器 电 路 种类 以 及 工 作 原 理 是 什 么 ？5 题 ： 步 进 电 机 细 分 电 路 的 特 点 、 细 分 方 式和 原 理 是 什 么 ？