执行装置及其驱动技术--课件

机电一体化技术机电一体化技术第第3章章 执行装置及其驱动技术执行装置及其驱动技术1 1pptppt课件件第第3章章 执行装置及其驱动技术执行装置及其驱动技术执行装置是一种功率器件，它接收来自于控制器发出的各种电信号命令，将这些信号进行功率放大并产生大功率驱动信号，驱动对象按照一定的速度和位移运动。伺服电动机的控制有速度控制和位置控制两种。运动控制的实现是伺服驱动装置将给定的指令变为机械运动的过程，和传统机械相比较，它具有功率小、精确定位和连续调速等特点。2 2pptppt课件件3.1 步进电动机及其驱动步进电动机及其驱动步进电机也称为脉冲电动机，它是一种将电脉冲信号转变为角位移或线位移的执行电动机。步进电机具有以下的特点：（1）步距角不受各种干扰因素的干扰。（2）旋转角正比于输入脉冲个数，速度正比于脉冲频率。（3）易于实现正反转、停止等控制.（4）精度高，无累积误差。（5）具有很好的可靠性和寿命。（6）由于采用脉冲控制，所以易于用计算机直接控制，特别适合于开环控制当中，并且具有控制简单，价格低廉等优点，有时将步进电机也称为数字电动机。3 3pptppt课件件3.1.1 步进电动机的分类和原理步进电动机的分类和原理1.1.步进电动机的分类步进电动机的分类步进电动机的分类步进电动机的分类步进电动机由带有绕组的定子和转子构成。根据其产生转矩的方式步进电动机由带有绕组的定子和转子构成。根据其产生转矩的方式分为永磁式步进电动机、可变磁阻式步进电动机和混合式步进电动分为永磁式步进电动机、可变磁阻式步进电动机和混合式步进电动机机3 3种基本类型。种基本类型。永磁式步进电动机的转子由永久磁铁制成，如图永磁式步进电动机的转子由永久磁铁制成，如图3 3-1 1（a a）所示。定）所示。定子绕组通电后产生磁场，依靠该磁场和转子的磁场相互吸引或者排子绕组通电后产生磁场，依靠该磁场和转子的磁场相互吸引或者排斥来实现运转。它在断电情况下具有保持位置的特性，但是永磁式斥来实现运转。它在断电情况下具有保持位置的特性，但是永磁式步进电动机转矩较小，主要应用于打印机、小型医疗设备和仪器仪步进电动机转矩较小，主要应用于打印机、小型医疗设备和仪器仪表当中。表当中。4 4pptppt课件件3.1.1 步进电动机的分类和原理步进电动机的分类和原理可变磁阻式步进电动机也称为反应式步进电动机，其转子为一个带槽铁芯，如图3-1（b）所示。定子绕组通电后产生了磁场，磁场吸引铁芯运行（铁芯总是处在磁场中磁阻最小的位置）。可变磁阻式步进电动机转矩中等，但因为转子没有磁性，所以在断电情况下不具有位置保持特性。混合式步进电动机综合了永磁式步进电动机和可变磁阻式步进电动机的特点，如图3-1（c）所示。混合式步进电动机的转子也是由永久磁铁制成的，但是转子和定子上都有很多径向齿槽，其原理和永磁式步进电动机相同。混合式步进电动机具有步距角小、转矩大、断电保持等优点，目前应用最为广泛。5 5pptppt课件件3.1.1 步进电动机的分类和原理步进电动机的分类和原理图3-1 步进电动机种类6 6pptppt课件件3.1.1 步进电动机的分类和原理步进电动机的分类和原理2.步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理如图3-2所示为常见的三相反应式步进电动机的剖面图，定子上均匀分布着6个绕组，其中每两个串联构成一相，三相分别为A、B、C相。转子由铁芯构成，上面均匀分布着4个相位相差/2的转子齿。图3-2 反应式步进电动机剖面图7 7pptppt课件件3.1.1 步进电动机的分类和原理步进电动机的分类和原理 如图3-3所示为三相反应式步进电动机工作原理示意图。首先，假设转子齿2-4在未通电的情况下是与定子的B-B对齐的。A相通电产生磁场，吸引最靠近A相的转子齿1-3转动,转子转动一定的角度后，转子齿1-3与A-A对齐，见图3-3（a）。然后，将A相断电，给C相通电，同样，在C相的磁场作用下，最为靠近C向的转子齿2-4转动与C-C对齐，见图3-3（b）。再将C相断电，给B相通电，则转子齿1-3与B-B对齐，见图3-3（c）。图3-3 步进电动机的工作原理8 8pptppt课件件3.1.1 步进电动机的分类和原理步进电动机的分类和原理 当给当给A A、C C、B B三相轮流通电后，转子转过了一个转子齿的角度，这三相轮流通电后，转子转过了一个转子齿的角度，这种单相通电方式，称为单拍方式。假定按照种单相通电方式，称为单拍方式。假定按照A AC CB BA A顺序通电，转子正向转动，当通电顺序改变为顺序通电，转子正向转动，当通电顺序改变为A AB BC CA A时，转子反向转动，但转动角度不变。时，转子反向转动，但转动角度不变。步进电动机也可以使用双拍通电方式，即步进电动机也可以使用双拍通电方式，即ABABBCBCCACA方式，其转动和单拍方式相同，但是定位角度在两相的中间位置。方式，其转动和单拍方式相同，但是定位角度在两相的中间位置。另外，还可以使用单双拍通电，即另外，还可以使用单双拍通电，即A AABABB BBCBCC CCACAA A的通电方式，该方式需要的通电方式，该方式需要6 6拍才能转过一个转子齿的角度，控制更拍才能转过一个转子齿的角度，控制更为精细，称为混合拍。为精细，称为混合拍。9 9pptppt课件件3.1.2 步进电动机的参数及性能指标步进电动机的参数及性能指标1.步距角及步距角精度步距角及步距角精度步距角是指给步进电动机输入一个脉冲后步进电动机所转过的角度。通常在步进电动机的参数表中给出两个步距角，它们分别是全步和半步方式下的步距角。由前面的叙述可知，对于一个m相的步进电动机，用全步方式走过m步后刚好转过一个转子齿，而用半步方式则需要2m步。因此，步距角为2.最大静转矩最大静转矩当给步进电动机的某一相通直流电时，转子齿将与该相对齐。在不改变通电状态的情况下，定子锁住转子的力矩称为静转矩T。如果在电动机轴上加上一个外转矩,电动机将转动一个角度,使外转矩与电磁转矩平衡，这个角度称为失调角，用电角度表示。1010pptppt课件件3.1.2 步进电动机的参数及性能指标步进电动机的参数及性能指标当步进电动机的控制绕组通电状态变化一个循环时，转子刚好转过一齿，则一个转子齿对应的电角度为2。如图3-4所示，当定子齿与转子齿对齐（失调角=0）或定子齿位于两转子齿正中间（=）时，静转矩T=0；而在其他位置时，静转矩T均不为零。图3-4 步进电动机的转矩和转角1111pptppt课件件3.1.2 步进电动机的参数及性能指标步进电动机的参数及性能指标当失调角=/2时,静转矩T将达到最大值，称为最大静转矩Tjmax。当失调角在之间时，转子在电磁转矩的作用下将会回到稳定位置。静转矩T和失调角的关系为最大静转矩反映了步进电动机的带负载能力和带负载时的启动能力。如图3-5所示为步进电动机的矩角特性。图3-5 步进电动机的矩角特性1212pptppt课件件3.1.2 步进电动机的参数及性能指步进电动机的参数及性能指标标3.矩频特性和惯频特性矩频特性和惯频特性矩频特性是指输出转矩与输入频率的关系。随着运行频率增加，步进电动机的输出转矩会下降。矩频特性图就是反映转矩和频率之间关系的曲线，如图3-6（a）所示。频率与转动惯量之间的关系称为惯频特性。惯频特性也是步进电动机的重要特性之一，分为启动惯频特性和运行惯频特性。如图3-6(b)所示为启动惯频特性。图3-6 步进电动机的矩频特性和惯频特性1313pptppt课件件3.1.2 步进电动机的参数及性能指标步进电动机的参数及性能指标4.启动频率和运行频率启动频率和运行频率启动频率是指步进电动机在带动一定负载（转矩和转动惯量）时，不失步启动的最高频率。运行频率则是指步进电动机不失步运行的最高频率。它们都和负载有关，要根据矩频特性和惯频特性选择应用。运行频率应高于启动频率，这是因为启动时需要进行加速，只有给步进电动机足够长的加速时间才能不失步。1414pptppt课件件3.1.3 步进电动机的驱动步进电动机的驱动 1.脉冲分配器脉冲分配器脉冲分配器也称为环形分配器，它的主要功能是将来源于控制器的脉冲串按一定的规律轮流分配给各相功率放大器，然后由各相功率放大器放大脉冲信号驱动步进电动机运行，控制分配的顺序就可以实现转速的控制。如图3-7所示为环形分配器工作原理，环形分配器把输入的脉冲逐次分配给A、B、C相，脉冲1分配给A相后，脉冲2就分配给了B相，然后将脉冲3分配给C相，再把脉冲4分配给A相，依次轮流分配。图3-7 环形分配器工作原理1515pptppt课件件3.1.3 步进电动机的驱动步进电动机的驱动2.功率放大器功率放大器步进电动机要带动负载运动，必须先输入一定的电功率，这就需要相电流达到一定值。环形分配器输出的相脉冲信号微弱，不可能直接驱动步进电动机运转，所以必须使用功率放大器。功率放大器有很多形式，要根据步进电动机的运行要求和激励电流大小来进行选择和设计。步进电动机的运行性能不仅与电动机自身特性有关，而且与驱动电路紧密相关。驱动电路的输出可以使用三极管、MOS管和晶闸管等，使用三极管居多。驱动电路的输出极结构对步进电动机的性能影响很大，根据输出极的结构，步进电动机的驱动电路可分为单电压驱动电路、双电压驱动电路、恒流斩波驱动电路、调频调压驱动电路和细分驱动电路几种类型。1616pptppt课件件3.1.3 步进电动机的驱动步进电动机的驱动1）单电压驱动电路单电压驱动电路应用较早，是一种最为简单的电路形式，如图3-8所示。环形分配器分配来的脉冲输入到三极管的基极上，当为高电平时，三极管导通，电流流入绕组L；当为低电平时，三极管截止。图3-8 单电压驱动电路1717pptppt课件件3.1.3 步进电动机的驱动步进电动机的驱动2）双电压驱动电路如图3-9所示，高低压电路中有两个电源，即高电压VH和低电压VL。当脉冲信号输入时，一路信号进入VT1的基极，使VT1导通；同时，另一路脉冲信号经过单稳延时或者微分电路后变为一个窄脉冲，使VT2也同时导通。由于VH大于VL，高电压进入绕组L中；当窄脉冲很快结束后，VT2截止，VT1继续导通，此时高电压无法进入绕组，而低电压通过D1后进入了绕组L中。图3-9 双电压驱动电路1818pptppt课件件3.1.3 步进电动机的驱动步进电动机的驱动3）恒流斩波驱动电路为了弥补双电压驱动电路中低电压供电时造成的电流波形的不足，需要采用恒流斩波驱动电路。恒流斩波驱动电路是在低电压供电时电流相对恒定的电路，如图3-10所示。图3-10 恒流斩波驱动电路1919pptppt课件件3.1.3 步进电动机的驱动步进电动机的驱动4 4）调频调压驱动电路）调频调压驱动电路调频调压驱动电路是一种供电电压随着调频调压驱动电路是一种供电电压随着脉冲频率变化的供电电路，在低频段使脉冲频率变化的供电电路，在低频段使用低电压供电，随着频率的升高，供电用低电压供电，随着频率的升高，供电电压也越来越高，由此来消除低频段的电压也越来越高，由此来消除低频段的振荡和高频段的转矩。如图振荡和高频段的转矩。如图3 3-1111所示为所示为调频调压驱动电路，脉冲输入一路通过调频调压驱动电路，脉冲输入一路通过环形分配器送入放大器，另外一路经过环形分配器送入放大器，另外一路经过F F/V V变换电路后和锯齿波进入比较器，变换电路后和锯齿波进入比较器，形成了占空比和形成了占空比和F F/V V的电压成正比的脉的电压成正比的脉冲信号。该脉冲信号经过电阻冲信号。该脉冲信号经过电阻R R2 2后后控制控制开关管的导通和截止的时间，从而控制开关管的导通和截止的时间，从而控制了供电电压的大小。了供电电压的大小。L L1 1和和C C构成了滤波构成了滤波电路，作用是将高频供电电压滤波成为电路，作用是将高频供电电压滤波成为直流电，而直流电，而D2D2是是L L1 1和和C C的泄放二极管。的泄放二极管。图3-11 调频调压驱动电路2020pptppt课件件3.1.3 步进电动机的驱动步进电动机的驱动5 5）细分驱动电路）细分驱动电路如图如图3 3-1212所示，将所示，将A A相和相和B B相的供电相的供电分为分为4 4个阶段。当个阶段。当A A相电流不变时，将相电流不变时，将B B相的电流分为相的电流分为4 4个阶段逐步增加，则个阶段逐步增加，则每给每给B B相增加一个阶段的电流，步进相增加一个阶段的电流，步进电动机将转过一个角度，当加上电动机将转过一个角度，当加上4 4个个阶段电流后，阶段电流后，A A相和相和B B相电流相同，相电流相同，转子齿经过转子齿经过4 4步后转过了半步方式的步后转过了半步方式的一个步距角，相当于把步距角进行了一个步距角，相当于把步距角进行了4 4次细分。同样，在次细分。同样，在B B相电流不变时，相电流不变时，将将A A相电流分相电流分4 4步降低到零，转子又步降低到零，转子又经过了经过了4 4步转过了一个步距角。如此步转过了一个步距角。如此重复，每一个步距角需要走重复，每一个步距角需要走4 4步。步。图3-12 细分驱动波形图2121pptppt课件件3.1.3 步进电动机的驱动步进电动机的驱动细分驱动电路可以使用单片机的D/A转换和专用电路两种方式实现，如8位D/A转换理论上可实现256步细分。而细分驱动电路则有很多种，如图3-13所示为用集成驱动芯片PBL3717A组成的步进电动机细分驱动电路。图3-13 步进电动机细分驱动电路2222pptppt课件件3.2 直流伺服电动机及其驱动直流伺服电动机及其驱动 直流伺服电动机是应用最为广泛的执行电动机，具有速度高、体积小、质量轻、效率高和转矩大等优良特性。其速度可以通过调节输入电压来控制，且调节范围很宽，适用于各种控制系统。直流伺服电动机广泛地应用于机器人、数控机床等计算机数字控制系统。直流伺服电动机主要由定子和转子两大部分组成。定子的主要作用是产生磁场和作为电动机的机械支承。它由主磁板、换向极、机座、端盖、轴承、电刷装置等组成。转子是机械能和直流电能相互转换的枢纽。它由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等组成。直流伺服电动机原理与普通直流电动机相同。2323pptppt课件件3.2.1 各种不同的直流伺服电动各种不同的直流伺服电动机机1.1.小惯量直流伺服电动机小惯量直流伺服电动机小惯量直流伺服电动机小惯量直流伺服电动机无槽电枢伺服电动机如图无槽电枢伺服电动机如图3-143-14（a a）所示。它将绕组固定在无槽的电枢铁芯上，以避免）所示。它将绕组固定在无槽的电枢铁芯上，以避免在电枢铁芯上开槽，使电枢可以做到很小，从而实现了降低转动惯量的目的。空心杯伺在电枢铁芯上开槽，使电枢可以做到很小，从而实现了降低转动惯量的目的。空心杯伺服电动机结构如图服电动机结构如图3-143-14（b b）所示，它在固定的铁芯上安装有类似于杯子的转子，同时，）所示，它在固定的铁芯上安装有类似于杯子的转子，同时，为了保证磁阻小，在空心杯转子内放置了固定内定子。因为转子很轻，所以转动惯量也为了保证磁阻小，在空心杯转子内放置了固定内定子。因为转子很轻，所以转动惯量也很小。盘形电枢伺服电动机如图很小。盘形电枢伺服电动机如图3-143-14（c c）所示。采用盘状的电枢，它的定子磁铁位于）所示。采用盘状的电枢，它的定子磁铁位于盘形电枢的平面两侧，电枢绕组可以是印制或者用导线绕制。因为电枢的质量极小，所盘形电枢的平面两侧，电枢绕组可以是印制或者用导线绕制。因为电枢的质量极小，所以转动惯量很小。以转动惯量很小。图3-14 小惯量直流伺服电动机2424pptppt课件件3.2.1 各种不同的直流伺服电动各种不同的直流伺服电动机机2.大惯量宽调速电动机大惯量宽调速电动机对于一些需要很大转矩的场合，则使用大惯量宽调速电动机。其基本结构与普通直流电动机一样，不同的是大惯量宽调速电动机具有良好的加减速特性、大的热容量、绝缘等级高、寿命长等优点，大多使用高性能稀土永磁材料制作定子。这些特点使其性能远远高于普通直流电动机，具有高转矩、宽调速、动态特性好、快速响应能力强等优点。大惯量宽调速电动机的功率通常小于600 W，并且采用电枢电压调节转速。2525pptppt课件件3.2.2 直流伺服电动机机械特性和调节特性直流伺服电动机机械特性和调节特性 直流伺服电动机最主要的特性就是机械特性和调节特性。前者直流伺服电动机最主要的特性就是机械特性和调节特性。前者是指电压一定时，转速和转矩之间的关系；后者是指转矩一定时，是指电压一定时，转速和转矩之间的关系；后者是指转矩一定时，电压和转速之间的关系。电压和转速之间的关系。直流伺服电动机的转矩直流伺服电动机的转矩T T与电枢电流与电枢电流i im m成正比，即成正比，即 而电枢回路中的电压平衡式为而电枢回路中的电压平衡式为 反电动势反电动势E Eb b与电动机的转速与电动机的转速n n成正比，即成正比，即2626pptppt课件件3.2.2 直流伺服电动机机械特性和调节特性直流伺服电动机机械特性和调节特性根据上面三个公式，可得到当电压一定时，转速当电压一定时，转速n n与转矩与转矩T T成成反比，以反比，以n n为纵轴，为纵轴，T T为横轴，则为横轴，则它们的关系是一条截距为它们的关系是一条截距为u umm/C Ce e，斜率为，斜率为R R/C CT TC Ce e2 2的直线，这条直线就是机械特性的直线，这条直线就是机械特性曲线，即曲线，即T T=f f(n n)曲线，如图曲线，如图3 3-1515（a a）所示。当转矩）所示。当转矩T T一定时，一定时，转速转速n n与电压与电压u umm成正比，根据式成正比，根据式（3-63-6）可画出调节特性曲线，）可画出调节特性曲线，即即n n=f f(u umm)曲线，如图曲线，如图3 3-1515（b b）所示。所示。图3-15 直流伺服电动特性曲线2727pptppt课件件3.2.3 直流伺服电动机的驱动电直流伺服电动机的驱动电路路 改变电压可以通过多种方式实现，常用的为线性调整和脉冲宽改变电压可以通过多种方式实现，常用的为线性调整和脉冲宽度调制（度调制（pulse width modulationpulse width modulation，简称为，简称为PWMPWM）。直流电压线性调）。直流电压线性调整原理如图整原理如图3 3-1616所示，通过改变晶体管所示，通过改变晶体管VTVT的基极电压来改变输出电的基极电压来改变输出电压。由于输入电压等于晶体管压。由于输入电压等于晶体管VTVT的压降的压降U Ucece和电动机电压和电动机电压U Umm之和，之和，改变改变U Ui i即可改变即可改变U Umm，这时晶体管工作在放大状态，这种电路损耗很，这时晶体管工作在放大状态，这种电路损耗很大，只能应用在调速范围很小，并且电动机功率微小的场合。大，只能应用在调速范围很小，并且电动机功率微小的场合。图3-16 直流电压线性调整原理2828pptppt课件件3.2.3 直流伺服电动机的驱动电直流伺服电动机的驱动电路路1.1.脉冲宽度调制原理及产生电路脉冲宽度调制原理及产生电路脉冲宽度调制原理及产生电路脉冲宽度调制原理及产生电路1 1）脉冲宽度调制原理）脉冲宽度调制原理PWMPWM分为单极性和双极性两种，如图分为单极性和双极性两种，如图3 3-1717（a a）所示为单极性）所示为单极性PWMPWM脉脉冲，其等效的直流电压为冲，其等效的直流电压为双极性双极性PWMPWM的输出电压在一个周期内正负相间，所以称为双极性。的输出电压在一个周期内正负相间，所以称为双极性。其信号波形如图其信号波形如图3 3-1717(b b)所示，输出电压所示，输出电压o o为为2929pptppt课件件3.2.3 直流伺服电动机的驱动电直流伺服电动机的驱动电路路图3-17 PWM波形3030pptppt课件件3.2.3 直流伺服电动机的驱动电直流伺服电动机的驱动电路路2 2）PWMPWM产生电路产生电路如图如图3 3-1818（a a）所示的比较器电路，其反相端输入一个三角波，同相端输入电动机）所示的比较器电路，其反相端输入一个三角波，同相端输入电动机的控制电压。当三角波小于控制电压时，输出为的控制电压。当三角波小于控制电压时，输出为1 1；当三角波大于控制电压时，；当三角波大于控制电压时，输出为零。由于三角波的波形是一个等腰三角形，输出的脉冲宽度由控制电压与输出为零。由于三角波的波形是一个等腰三角形，输出的脉冲宽度由控制电压与三角波之间的交点所决定，如图三角波之间的交点所决定，如图3 3-1818（b b）所示。）所示。图3-18 PWM波形产生原理图3131pptppt课件件3.2.3 直流伺服电动机的驱动电直流伺服电动机的驱动电路路2.2.常用驱动电路常用驱动电路常用驱动电路常用驱动电路PWMPWM信号经过放大后推动功率晶体管，再由功率晶体管驱动直流伺信号经过放大后推动功率晶体管，再由功率晶体管驱动直流伺服电动机运行，因为直流伺服电动机经常需要正反转切换，所以通服电动机运行，因为直流伺服电动机经常需要正反转切换，所以通常使用两对晶体管来驱动，如图常使用两对晶体管来驱动，如图3 3-1919(a a)所示为一个典型的直流伺服所示为一个典型的直流伺服电动机驱动电路。因为两对晶体管的电路形状类似于字母电动机驱动电路。因为两对晶体管的电路形状类似于字母“H H”，所以称为所以称为H H桥驱动电路。桥驱动电路。要使电动机运转，必须导通对角线上的一对晶体管。根据每对晶体要使电动机运转，必须导通对角线上的一对晶体管。根据每对晶体管的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电动机，从而管的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电动机，从而控制电动机的转向。如图控制电动机的转向。如图3 3-1919(b b)所示，当所示，当VT1VT1和和VT4VT4导通，导通，VT2VT2和和VT3VT3截止时，电流就从电源正极经截止时，电流就从电源正极经VT1VT1电动机电动机VT4VT4回到电源负回到电源负极。设晶体管处于图极。设晶体管处于图3 3-1919（b b）所示状态时，电动机正转，则当晶体）所示状态时，电动机正转，则当晶体管处于如图管处于如图3 3-1919（c c）所示状态时，电动机可实现反转，在图）所示状态时，电动机可实现反转，在图3 3-1919中中箭头表示电流方向。箭头表示电流方向。3232pptppt课件件3.2.3 直流伺服电动机的驱动电直流伺服电动机的驱动电路路图3-19 直流伺服电动机驱动电路原理 当当H H桥上两个同侧的晶体管同时导通时，电源将会短路，导致线路烧毁。为桥上两个同侧的晶体管同时导通时，电源将会短路，导致线路烧毁。为了防止这种现象发生，在实际驱动电路中通常要增加部分硬件电路。如图了防止这种现象发生，在实际驱动电路中通常要增加部分硬件电路。如图3 3-2020所所示，在基本示，在基本H H桥电路的基础上增加了桥电路的基础上增加了4 4个与门和两个非门。个与门和两个非门。4 4个与门同一个个与门同一个“使能使能”导通信号相接，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而两个非门通过提供导通信号相接，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而两个非门通过提供一种方向输入，可以保证任何时候在一种方向输入，可以保证任何时候在H H桥的同侧都只有一个晶体管能导通。桥的同侧都只有一个晶体管能导通。3333pptppt课件件3.2.3 直流伺服电动机的驱动电直流伺服电动机的驱动电路路图3-20 直流伺服电动机驱动电路3434pptppt课件件3.3 交流伺服电动机及其驱动交流伺服电动机及其驱动交流伺服电动机的类型可以简单地分为永磁同步交流伺服电机和感应异步交流伺服电机两种。其中，永磁同步交流伺服电机有优良的低速性能、弱磁高速控制、调速范围宽广、动态特性和效率高等优点，广泛地应用在交流伺服系统之中；而感应异步交流伺服电机具有坚固耐用、简单便宜等优点，但在特性上和效率上不如永磁同步交流伺服电动机，主要在大功率场合使用。永磁交流同步伺服电动有永磁无刷直流电机和永磁交流伺服电机两种。感应异步交流伺服电动机的结构和普通交流异步电动机相同，有三相异步交流电动机和两相交流伺服电动机等，其控制方式有变频控制和矢量控制。3535pptppt课件件3.3.1 永磁无刷直流电动机永磁无刷直流电动机 直流电动机的电刷和换向器上的某一组换向片的接触是由转子的位置决定的，直流电动机的电刷和换向器上的某一组换向片的接触是由转子的位置决定的，它用机械的方式实现了电流的换向。如图它用机械的方式实现了电流的换向。如图3 3-2121所示为简单的直流电动机模型，其所示为简单的直流电动机模型，其定子由一对静止的主磁极定子由一对静止的主磁极N N和和S S组成，在转子铁芯上有电枢线圈，线圈的首端和末组成，在转子铁芯上有电枢线圈，线圈的首端和末端分别连接到换向片上，两个相互绝缘的换向片构成了换向器。换向器固定在转端分别连接到换向片上，两个相互绝缘的换向片构成了换向器。换向器固定在转子轴上并且随着转子旋转，而电刷固定不动，在图子轴上并且随着转子旋转，而电刷固定不动，在图3 3-2121（a a）位置时，正极性电刷）位置时，正极性电刷A A和换向片和换向片a a端接触，电流流向为端接触，电流流向为A Aa ab bc cd dB B；当在电磁力的作用下，电；当在电磁力的作用下，电枢旋转到图枢旋转到图3 3-2121（b b）位置时，负极性电刷）位置时，负极性电刷B B和换向片和换向片a a端接触，电流流向为端接触，电流流向为A Ad dc cb ba aB B。实现了电流的换向和电磁力方向的一致，从而使电枢连续旋转。实现了电流的换向和电磁力方向的一致，从而使电枢连续旋转做功。做功。图3-21 直流电动机的换向换流原理3636pptppt课件件3.3.1 永磁无刷直流电动机永磁无刷直流电动机如图3-22所示为三相无刷直流电动机的驱动电路，其线圈不动，而励磁（永久磁铁）转动，用霍尔元件检测转子位置并将转子的转速反馈给控制器。控制器根据输入的速度命令和传感器的反馈信号来确定功率MOS管VT1VT6的导通顺序和导通时间，以及给绕组通入电压的大小，实现电动机的电压控制和换相过程。图3-22 三相无刷直流电动机的驱动电路3737pptppt课件件3.3.2 两相异步交流伺服电动机两相异步交流伺服电动机 1.1.两相异步交流伺服电动机的工作原理两相异步交流伺服电动机的工作原理两相异步交流伺服电动机的工作原理两相异步交流伺服电动机的工作原理两相异步交流伺服电动机也叫两相伺服电动机。定子上装有两个在两相异步交流伺服电动机也叫两相伺服电动机。定子上装有两个在空间相差空间相差/2/2电角度的绕组，分别为励磁绕组电角度的绕组，分别为励磁绕组WWf f和控制绕组和控制绕组WWc c。运。运行时，励磁绕组行时，励磁绕组WWf f始终加上一定的交流励磁电压始终加上一定的交流励磁电压U Uf f，而在控制绕组，而在控制绕组WWc c上加上与上加上与U Uf f频率相同、幅值大小或相位随信号变化的控制电压频率相同、幅值大小或相位随信号变化的控制电压U Uc c。如果如果U Uf f与与U Uc c的相位差为的相位差为/2/2，且两相绕组的磁动势幅值相等，此时，且两相绕组的磁动势幅值相等，此时，两相伺服电动机与单相异步电动机一样，在气隙中产生一个旋转磁两相伺服电动机与单相异步电动机一样，在气隙中产生一个旋转磁场，其转速称为同步转速。如果改变加在控制绕组上的电流的大小场，其转速称为同步转速。如果改变加在控制绕组上的电流的大小或相位差，则使旋转磁场减弱，电动机的转速下降，电动机电磁转或相位差，则使旋转磁场减弱，电动机的转速下降，电动机电磁转矩也变小，当除去控制绕组上的信号电压以后，电动机停止转动。矩也变小，当除去控制绕组上的信号电压以后，电动机停止转动。3838pptppt课件件3.3.2 两相异步交流伺服电动机两相异步交流伺服电动机2.两相异步交流伺服电动机基本结构两相异步交流伺服电动机基本结构交流伺服电动机的定子与异步电动机类似，在定子槽中装有励磁绕组和控制绕组，转子的结构形式主要有笼型转子和空心杯转子两种。笼型转子的结构与一般笼型异步电动机的转子类似，但转子导条使用高电阻率的材料制成，如青铜和黄铜等。转子做得既细又长，其目的是为了减小转子的转动惯量，增加启动转矩对输入信号的反应速度和克服自转现象。3939pptppt课件件3.3.2 两相异步交流伺服电动机两相异步交流伺服电动机3.两相异步交流伺服电动机控制方式两相异步交流伺服电动机控制方式1）幅值控制控制绕组电流与励磁绕组电流的相位差保持/2不变，改变控制电压Uc的大小来控制电动机转速。两绕组空间相差/2电角度时所产生的气隙磁场为圆形旋转磁场，产生的电磁转矩最大；当控制电压Uc的幅值小于励磁电压Uf的幅值时，所建立的气隙磁场为椭圆形旋转磁场，产生的电磁转矩减小。控制电压越小，气隙磁场的椭圆度越大，产生的电磁转矩越小，电动机转速越慢。在控制信号消失时，气隙磁场转化为脉动磁场，电动机停止转动。如图3-23所示为幅值控制原理图。图3-23 幅值控制原理图4040pptppt课件件3.3.2 两相异步交流伺服电动机两相异步交流伺服电动机2 2）相位控制）相位控制控制电压控制电压U Uc c与励磁电压与励磁电压U Uf f的大小的大小保持额定值不变，改变控制电压保持额定值不变，改变控制电压U Uc c的相位来实现对电动机转速和的相位来实现对电动机转速和转向的控制。如图转向的控制。如图3 3-2424所示，励所示，励磁绕组直接接到交流电源上，而磁绕组直接接到交流电源上，而控制绕组经移相器后接到同一交控制绕组经移相器后接到同一交流电压上，两绕组电压的频率相流电压上，两绕组电压的频率相同。而通过移相器改变控制电压同。而通过移相器改变控制电压U Uc c相位，从而改变两者之间的相相位，从而改变两者之间的相位差。位差。图3-24 相位控制原理图4141pptppt课件件3.3.2 两相异步交流伺服电动机两相异步交流伺服电动机3）幅值相位控制交流伺服电动机的幅值相位原理图如图3-25所示。励磁绕组串接电容C后再接到交流电源上，控制电压Uc与电源同相位，其幅值可以通过R调节。当Uc的幅值改变时，通过转子绕组的耦合作用，使励磁绕组的电流If也变化，从而使励磁绕组上的电压Uf及电容C上的电压Uc1随之改变，Uc与Uf的相位差也随之改变，即改变Uc的幅值大小，Uc与Uf的相位差也随之改变，从而改变电动机的转速。图3-25 幅值相位控制原理图4242pptppt课件件3.3.3 三相异步交流伺服电动机三相异步交流伺服电动机1.1.三相异步交流伺服电动机的调速三相异步交流伺服电动机的调速三相异步交流伺服电动机的调速三相异步交流伺服电动机的调速三相异步交流伺服电动机的转速公式为三相异步交流伺服电动机的转速公式为2.2.三相异步交流伺服电动机的变频调速原理三相异步交流伺服电动机的变频调速原理三相异步交流伺服电动机的变频调速原理三相异步交流伺服电动机的变频调速原理由电动机学理论可知电动机的反电动势和转矩公式为由电动机学理论可知电动机的反电动势和转矩公式为4343pptppt课件件3.3.3 三相异步交流伺服电动机三相异步交流伺服电动机3.3.变频调速装置变频调速装置变频调速装置变频调速装置如图如图3 3-2626所示电路，变频器的主要组成是整流电路和三相电流逆变器两部分。整所示电路，变频器的主要组成是整流电路和三相电流逆变器两部分。整流电路将工频交流电经过二极管或者晶闸管整流及电容的滤波等处理后变为直流流电路将工频交流电经过二极管或者晶闸管整流及电容的滤波等处理后变为直流电，电，SPWMSPWM产生驱动电路用来产生并放大三相产生驱动电路用来产生并放大三相SPWMSPWM信号，然后驱动信号，然后驱动VT1VT1、VT2VT2、VT3VT3、VT4VT4、VT5VT5、VT6VT6这这6 6个功率晶体管，在个功率晶体管，在SPWMSPWM脉冲的控制和驱动下，功率脉冲的控制和驱动下，功率晶体管在时间上轮流导通和关闭，获得频率和幅值可调的三相交流电压。晶体管在时间上轮流导通和关闭，获得频率和幅值可调的三相交流电压。图3-26 变频器组成和原理4444pptppt课件件3.3.3 三相异步交流伺服电动机三相异步交流伺服电动机 变频调速装置的原理是通过设定功能来设定变频器的频率，其变频调速装置的原理是通过设定功能来设定变频器的频率，其内部控制单片机根据所设定的频率控制内部控制单片机根据所设定的频率控制SPWMSPWM发生器产生发生器产生SPWMSPWM信信号，再经过驱动电路驱动功率器件工作。其原理如图号，再经过驱动电路驱动功率器件工作。其原理如图3 3-2727所示。所示。图3-27 三相异步电动机变频调速原理图4545pptppt课件件3.3.4 矢量控制矢量控制 交流异步电动机的等效电路如图交流异步电动机的等效电路如图3 3-2828(a a)所示，图中所示，图中r r1 1和和X X1 1为定为定子绕组的电阻和漏抗；子绕组的电阻和漏抗；r rmm为定子铁芯损耗对应的等效电阻；为定子铁芯损耗对应的等效电阻；X Xmm为主为主磁通等效电抗；磁通等效电抗；r r2 2和和X X2 2为折合后转子的等效电阻和漏抗；为折合后转子的等效电阻和漏抗；s s为转差率。为转差率。因此，定子电流、转子电流和励磁电流之间的矢量关系如图因此，定子电流、转子电流和励磁电流之间的矢量关系如图3 3-2828(b b)所示。所示。图3-28 交流异步电动机的等效电路4646pptppt课件件3.3.4 矢量控制矢量控制 为了简化分析和控制，通常忽略为了简化分析和控制，通常忽略r r1 1、X X1 1、r rmm和和r r2 2，则等效电路转化为如图，则等效电路转化为如图3 3-2929（a a）所示电路，而定子电流）所示电路，而定子电流I I1 1和励磁电流和励磁电流I Imm之间的矢量关系如图之间的矢量关系如图3 3-2929（b b）所示）所示。为了控制电动机的输出转矩，需要控制其转子等效电流，由矢量图。为了控制电动机的输出转矩，需要控制其转子等效电流，由矢量图3 3-2929（b b）可得可得图3-29 交流异步电动机简化后的等效电路4747pptppt课件件3.4 液压执行装置简介液压执行装置简介 如图如图3 3-3030所示为一个简单的液压系统图，液压泵将旋转的机械能转换为液压所示为一个简单的液压系统图，液压泵将旋转的机械能转换为液压能，通过减压阀后流体压力为一常数，控制阀根据控制器的指令进行流量控制和能，通过减压阀后流体压力为一常数，控制阀根据控制器的指令进行流量控制和方向控制，从而实现了精确的直线运动。方向控制，从而实现了精确的直线运动。图3-30 液压系统图4848pptppt课件件3.4.1 液压缸液压缸 如图如图3 3-3131所示为双杆式活塞缸，液压油进、出口布置在缸筒两所示为双杆式活塞缸，液压油进、出口布置在缸筒两端，液压缸的两端都有活塞杆伸出，缸筒与缸盖用法兰连接，活塞端，液压缸的两端都有活塞杆伸出，缸筒与缸盖用法兰连接，活塞与缸筒内壁之间采用间隙密封。与缸筒内壁之间采用间隙密封。图3-31 双杆式活塞缸的结构4949pptppt课件件3.4.2 液压马达液压马达1.1.齿轮式液压马达齿轮式液压马达齿轮式液压马达齿轮式液压马达如图如图3 3-3232（a a）所示为齿轮式液压马达。齿轮式液压马达由两个齿轮）所示为齿轮式液压马达。齿轮式液压马达由两个齿轮和壳体组成，两个齿轮与外壳及啮合齿之间无侧隙，当压力油进入和壳体组成，两个齿轮与外壳及啮合齿之间无侧隙，当压力油进入后，齿轮在不平衡压力作用下产生转矩而运动。为了适应正、反转后，齿轮在不平衡压力作用下产生转矩而运动。为了适应正、反转要求，齿轮式液压马达的进出油口相等，具有对称性，有单独外泄要求，齿轮式液压马达的进出油口相等，具有对称性，有单独外泄油口将轴承部分的泄漏油引出壳体外。油口将轴承部分的泄漏油引出壳体外。2.2.叶片式液压马达叶片式液压马达叶片式液压马达叶片式液压马达如图如图3 3-3232（b b）所示为叶片式液压马达。其转子上径向放置若干叶片，）所示为叶片式液压马达。其转子上径向放置若干叶片，同时在叶片根部应设置预紧弹簧，使叶片顶部和定子内表面紧密接同时在叶片根部应设置预紧弹簧，使叶片顶部和定子内表面紧密接触密封。当压力油作用于叶片上时，由于各个叶片承受压力油的面触密封。当压力油作用于叶片上时，由于各个叶片承受压力油的面积不同，使得受力也不平衡，从而在不平衡力的作用下转子产生转积不同，使得受力也不平衡，从而在不平衡力的作用下转子产生转矩而旋转。矩而旋转。5050pptppt课件件3.4.2 液压马达液压马达3.柱塞式液压马达柱塞式液压马达柱塞式液压马达如图3-32（c）所示。斜盘和配油盘固定不动，柱塞可在缸体的孔内移动。斜盘中心线和缸体中心线相交一个倾角。当压力油经配油盘的油口进入缸体的柱塞孔时，柱塞在压力油作用下被顶出，斜盘对柱塞的反作用力F分解为轴向分力Fx和垂直分力Fy。Fx与作用在柱塞上的液压力平衡，Fy则产生使缸体发生旋转的转矩，带动轴转动。液压马达产生的转矩应为所有处于高压腔的柱塞产生的转矩之和，斜盘倾角的改变即排量的变化，不仅影响马达的转矩，而且影响它的转速和转向。斜盘倾角越大，产生的转矩越大，转速越低。液压马达对外输出的总转矩是脉动的。5151pptppt课件件3.4.2 液压马达液压马达图3-32 液压马达原理5252pptppt课件件3.4.3 伺服阀伺服阀 力反馈式电液伺服阀的结构力反馈式电液伺服阀的结构如图如图3 3-3333所示。当无控制信号时，所示。当无控制信号时，带有绕组的衔铁挡板处于磁场和带有绕组的衔铁挡板处于磁场和喷嘴中间位置。两油腔的压力相喷嘴中间位置。两油腔的压力相等，滑阀处于零位。当输入控制等，滑阀处于零位。当输入控制信号后，线圈中的电流所产生的信号后，线圈中的电流所产生的电磁力矩使衔铁挡板偏转电磁力矩使衔铁挡板偏转 角。设角。设为顺时针偏转，则由于衔铁挡为顺时针偏转，则由于衔铁挡板的偏移使板的偏移使a ab b，滑阀向右移，滑阀向右移动。而滑阀的移动又使反馈弹簧动。而滑阀的移动又使反馈弹簧片带动衔铁挡板反方向旋转，使片带动衔铁挡板反方向旋转，使两个喷嘴压力差减小，直到衔铁两个喷嘴压力差减小，直到衔铁挡板再次处于原始平衡位置附近。挡板再次处于原始平衡位置附近。此时电磁力矩、滑阀作用于弹簧此时电磁力矩、滑阀作用于弹簧片的力矩和喷嘴对衔铁挡板的力片的力矩和喷嘴对衔铁挡板的力矩之间达到平衡，衔铁挡板就不矩之间达到平衡，衔铁挡板就不再运动。再运动。图3-33 力反馈式电液伺服阀的结构5353pptppt课件件