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控 制 电 机第五章第五章v1、了解控制电机的分类；、了解控制电机的分类；v2、了解交、直流伺服电机的工作原理及特点；、了解交、直流伺服电机的工作原理及特点；v3、了解各种控制电机的用途；、了解各种控制电机的用途；v4、了解控制电机与普通电机的区别；、了解控制电机与普通电机的区别；v5、了解轴角的检测方法。、了解轴角的检测方法。本章要求：本章要求：本章知识点：本章知识点：v1、步进电机的工作原理及驱动方式；、步进电机的工作原理及驱动方式；v2、交流伺服电机的工作原理；交流伺服电机的工作原理；v3、自转及消除自转的措施；自转及消除自转的措施；v4、力矩电机大转矩低转速的机理；力矩电机大转矩低转速的机理；v5、控制系统的一般组成。、控制系统的一般组成。直流发电机直流电动机直流电机直流电机同步电机同步发电机同步电动机异步发电机异步电动机交流电机交流电机异步电机电机控制电机控制电机变压器变压器（也属交流电机的一种，但它静止不动）电机的分类：控制电机的用途与要求：控制电机的用途与要求：v1、用途：用途：用用于于自自动动控控制制、自自动动调调节节、远远程程控控制制、伺伺服服控控制系统。制系统。v2、对控制电机的一般要求对控制电机的一般要求：动作灵敏、响应快、控制精度高、稳定性好。动作灵敏、响应快、控制精度高、稳定性好。5.1步进电机传动控制系统步进电机传动控制系统v步进电动机是一种步进电动机是一种将电脉冲信号变换成相应的角将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件位移或直线位移的机电执行元件，每当输入一个，每当输入一个电脉冲时，它便转过一个固定的角度，这个角度电脉冲时，它便转过一个固定的角度，这个角度称为称为步距角步距角，简称为步距。每输入一个脉冲电，简称为步距。每输入一个脉冲电动机便转动一步，步进电动机便因之而命名。动机便转动一步，步进电动机便因之而命名。v当电动机不失步时，当电动机不失步时，步进电动机的位移量与输入步进电动机的位移量与输入脉冲数严格成比例，不会引起积累误差脉冲数严格成比例，不会引起积累误差，其转速，其转速与脉冲频率和步距角有关。控制输入脉冲数量、与脉冲频率和步距角有关。控制输入脉冲数量、频率及电动机各相绕组的接通次序，就可以得到频率及电动机各相绕组的接通次序，就可以得到所需的位移、速度和转向。通过传动机构，带动所需的位移、速度和转向。通过传动机构，带动工作设备完成符合要求的动作。工作设备完成符合要求的动作。步进电机的分类步进电机的分类1、定位电磁铁原理的步进电机；、定位电磁铁原理的步进电机；2、反应式步进电机（变磁阻式）；、反应式步进电机（变磁阻式）；3、永磁式步进电机；、永磁式步进电机；4、混合式步进电机。、混合式步进电机。5.1.1步进电机的结构与工作原理步进电机的结构与工作原理v当当A相通电时，定子相通电时，定子A相的齿与转子上的齿相的齿与转子上的齿对齐对齐(磁通具有力图沿磁通具有力图沿磁阻最小路径通过的磁阻最小路径通过的特点特点)，B相的齿与转相的齿与转子上的齿错开子上的齿错开1/3齿，齿，C相的齿与转子上的齿相的齿与转子上的齿错开错开2/3齿。若按齿。若按A、B、C相轮流导通，每通电相轮流导通，每通电一次转过一次转过1/3齿；若按齿；若按A、AB、B、BC、C、CA的方式，则每通电的方式，则每通电一次，转过一次，转过1/6齿。齿。v转子与相之间错开的转子与相之间错开的角度增量为角度增量为t/m 定子绕组按一定的规律通电；转子铁心在磁场作定子绕组按一定的规律通电；转子铁心在磁场作用下每次转过一定的角度。用下每次转过一定的角度。实际步进电动机的步距角通常较小，这就要求转子的齿数多。实际步进电动机的步距角通常较小，这就要求转子的齿数多。反应式步进电动机工作原理反应式步进电动机工作原理接线与结构接线与结构A相绕组通电相绕组通电B相绕组通电相绕组通电C相绕组通电相绕组通电v5.1.2步进电机的步距角、和拍的定义步进电机的步距角、和拍的定义v1、拍、拍定子由一种通电状态转换到另一种通电状定子由一种通电状态转换到另一种通电状态态（即磁场状态每一次变化）称为一拍；（即磁场状态每一次变化）称为一拍；v2、步距角、步距角步进电机每转一步步进电机每转一步（一拍）（一拍）所转过所转过的角度的角度。其大小取决于转子的齿数，和通电的方式。其大小取决于转子的齿数，和通电的方式。v步距角步距角=360=360o o/(ZKm)/(ZKm)Z转子齿数；转子齿数；m定子绕组相数；定子绕组相数；K状态系数（单状态系数（单m拍、双拍、双m拍时拍时K=1，单、双，单、双m拍拍时时K=2）。）。v3、步进电机的、步进电机的转速转速n=60f/2/2显然，显然，齿数越多、相数越多，步距角越小，精度越高，齿数越多、相数越多，步距角越小，精度越高，但转速越慢但转速越慢。v5.1.3提高步进电机分辨率的方法：提高步进电机分辨率的方法：v1、增加转子齿数增加转子齿数Z（设计成小步距角的步进电（设计成小步距角的步进电机）但齿太小，容易磁饱和，力矩变小；机）但齿太小，容易磁饱和，力矩变小；v2、增加定子绕组相数增加定子绕组相数m（做成多相）；（做成多相）；v3、做成多段做成多段式结构；式结构；v4、采用电流细分技术采用电流细分技术（通过单片机的（通过单片机的D/A控制控制步进电机定子相邻两相电流的比例实现）。但步进电机定子相邻两相电流的比例实现）。但要注意，细分主要是改善运动性能。要注意，细分主要是改善运动性能。v5.1.4 步进电动机的分类步进电动机的分类v1按步进电动机的工作原理分按步进电动机的工作原理分v1）励磁式励磁式v电机的定子转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动。电机的定子转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动。v2）反应式反应式(变磁阻式）变磁阻式）v转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动。这是步进电动机发展的主要类型，有较好的技术性动。这是步进电动机发展的主要类型，有较好的技术性能指标。能指标。v3）混合式混合式（即永磁感应子式）（即永磁感应子式）v它与反应式的主要区别是转子上置有磁钢。反应式电机它与反应式的主要区别是转子上置有磁钢。反应式电机转子无磁钢，输入能量全靠定子励磁电流供给，静态电转子无磁钢，输入能量全靠定子励磁电流供给，静态电流比永磁式大许多。永磁感应子式电机具有驱动电流小、流比永磁式大许多。永磁感应子式电机具有驱动电流小、效率高、过载能力强和具有零电流力矩等优点，是一种效率高、过载能力强和具有零电流力矩等优点，是一种很有发展前途的步进电动机。很有发展前途的步进电动机。v还有其它的分类方法（自学）还有其它的分类方法（自学）混合式步进电机有零电流力矩混合式步进电机有零电流力矩v5.1.5环形分配器的实现环形分配器的实现v1、硬件环形分配器（随着单片机的出现已、硬件环形分配器（随着单片机的出现已很少使用）；很少使用）；v2、软件环形分配器（通过查表实现）、软件环形分配器（通过查表实现）5.1.6步进电机的驱动电路步进电机的驱动电路1、单电压限流型驱、单电压限流型驱动电路动电路 为了克服静摩为了克服静摩擦力和惯性，加擦力和惯性，加大步进电机的加大步进电机的加速度，加快启动速度，加快启动过程，采用高低过程，采用高低压切换电路。利压切换电路。利用高电压产生大用高电压产生大力矩，利用低电力矩，利用低电压维持静止，从压维持静止，从而减少发热。而减少发热。当晶体管当晶体管VT导通瞬导通瞬间，由于电容间，由于电容C两端两端电压不能突变，电容电压不能突变，电容相当于短路，加在电相当于短路，加在电阻阻R的电压很小，电的电压很小，电流很小，电压全部加流很小，电压全部加在绕组在绕组L上，电流快上，电流快速上升。随着电容充速上升。随着电容充电，加在绕组电，加在绕组L的电的电压降低电流减少。压降低电流减少。V为续流二极管，为续流二极管，RD为为限流电阻防止关断瞬间限流电阻防止关断瞬间反电势过高，击穿晶体反电势过高，击穿晶体管管VT。电容。电容C仅在启动仅在启动时起作用，称为加速电时起作用，称为加速电容。时间常数容。时间常数=L/（r+R)为了提高速为了提高速度，要加大度，要加大R，但要保，但要保证维持电流，必须同时证维持电流，必须同时提高提高U。造成功耗大。造成功耗大。I=U/（r+R)v2、双电源高低压切换型驱动电路、双电源高低压切换型驱动电路v开始时开始时VT1、VT2同时导通，同时导通，80V直接加在绕组直接加在绕组L上，当经过上，当经过t2时间，关断时间，关断VT2，用低压，用低压12V维维持。在下一步开始前，把持。在下一步开始前，把VT1关断。关断。v引起步进电机失步的原因：引起步进电机失步的原因：v1、步进电机的力矩不够步进电机的力矩不够（负载力矩大于步（负载力矩大于步进电机的最大静力矩）；进电机的最大静力矩）；v2、加减速过快加减速过快（动态力矩不够）；（动态力矩不够）；v即给定角加速度即给定角加速度=（TM-TL）/Jv步进电机控制的优缺点：步进电机控制的优缺点：v优点：优点：v1、步进电机不失步时，步进电机的角位移与输入脉冲、步进电机不失步时，步进电机的角位移与输入脉冲数严格成比例，数严格成比例，可以用于高精度的开环控制可以用于高精度的开环控制；v2、控制方法及设备简单，价钱便宜；、控制方法及设备简单，价钱便宜；v3、零速（堵转）力矩大零速（堵转）力矩大；v4、永磁式和混合式、永磁式和混合式有零电流力矩有零电流力矩；v5、体积小。、体积小。v缺点：缺点：v1、高速力矩小高速力矩小（每一步只有一个齿出力）响应慢；（每一步只有一个齿出力）响应慢；v2、允许最高转速低允许最高转速低（每一步都作启、停运动）；（每一步都作启、停运动）；v3、精度低（受步距角限制）、精度低（受步距角限制）v4、共振点多，噪声大；、共振点多，噪声大；v5、功率小功率小。v在高性能的控制中步进电机正被交流伺服控制取代。在高性能的控制中步进电机正被交流伺服控制取代。只有只有A相通电相通电A相电流大于相电流大于B相相B相电流大于相电流大于A 相相AABBCC4321AABBCC43214321AABBCC5.1.7 步距角的细分技术步距角的细分技术 步距角的细分技术是利用计算机的步距角的细分技术是利用计算机的D/A控制两相控制两相电流的比例来实现细分。例电流的比例来实现细分。例A相电流按相电流按1、7/8、6/8、5/8、4/8、3/8、2/8、1/8、0递减；递减；B相电流则按相电流则按0、1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8、7/8、1递增。就可以递增。就可以把把1拍细分成拍细分成8拍。拍。T步步52 交流伺服电机交流伺服电机 伺服电动机的定义：伺服电动机的定义：能对输出信号能对输出信号迅速迅速作出作出相应相应反应的电机反应的电机称为伺服电动机。称为伺服电动机。伺服电动机有交流、直流两种。伺服电动机有交流、直流两种。伺服：伺服：即跟随。输出信号跟随输入控即跟随。输出信号跟随输入控制信号作相应的变化。制信号作相应的变化。伺服电机的特点伺服电机的特点v伺服电机与一般的驱动电机相比主要有如下伺服电机与一般的驱动电机相比主要有如下的特点：的特点：v1、调速范围大调速范围大（由几分钟一转到每分钟上万（由几分钟一转到每分钟上万转）转）v2、转子的惯性小转子的惯性小（即转动惯量小）；（即转动惯量小）；v3、控制功率小、过载能力强控制功率小、过载能力强；交流伺服电动机的交流伺服电动机的结构：结构：q实质：实质：两相异步电动机（与单相异步机相似）。两相异步电动机（与单相异步机相似）。组成：组成：定子（励磁绕组、控制绕组），转子（细定子（励磁绕组、控制绕组），转子（细长形，或杯型，减小转动惯量）长形，或杯型，减小转动惯量）。杯形转子：杯形转子：可看成无数导条组成的鼠笼转子可看成无数导条组成的鼠笼转子。纵纵横横剖剖面面图图511 两相交流伺服电机两相交流伺服电机v 两相交流伺服电机结构两相交流伺服电机结构与普通异步电机差不多，与普通异步电机差不多，为为提高响应的快速性，转子做提高响应的快速性，转子做成细长形或空心杯形。成细长形或空心杯形。定子定子绕组与单相电容式异步电动绕组与单相电容式异步电动机类似，把机类似，把两个绕组在空间两个绕组在空间上布置成互成上布置成互成900电角度电角度(空空间角度与电角度的关系：为间角度与电角度的关系：为空间角度空间角度=电角度电角度/极对数极对数)，其中一个为励磁绕组，其中一个为励磁绕组WF，另一个为控制绕组，另一个为控制绕组WC（提供动力），（提供动力），分别接在两分别接在两个频率相同但频率可变的电个频率相同但频率可变的电源上，形成旋转磁场。源上，形成旋转磁场。v 其其工工作作原原理理以以分分相相式式单单相相异异步步电电动动机机的的原原理理为为基基础础，励励磁磁绕绕组组接接到到电电压压一一定定的的交交流流电电网网上上，控控制制绕绕组组接接到到控控制制电电压压UC上上，当当有有控控制制信信号号输输入入时时，两两相相绕绕组组便便产产生生旋旋转转磁磁场场。该该磁磁场场与与转转子子中中的的感感应应电电流流相相互互作作用用产产生生转转矩矩，使使转转子子跟跟着着旋旋转转磁磁场场以以一一定定的的转差率转动起来，转差率转动起来，v其其同步转速同步转速 n060fpv 转转子子的的转转向向与与旋旋转转磁磁场场的的方方向向相相同同，把把控控制制电电压压的的相相位位改改变变180180。则则可可改改变变伺伺服服电电动动机机的的旋旋转转方方向向。例例如如给给下下图图的的控控制制电电压压，电电机机作作连连续续的正反转。的正反转。v 对对伺伺服服电电动动机机的的要要求求是是：控控制制电电压压一一旦旦取取消消，电电动动机机必必须须立立即即停停转转。但但根根据据单单相相异异步步电电动动机机的的原原理理，电电动动机机转转子子一一旦旦转转动动以以后后，再再取取消消控控制制电电压压，仅仅励励磁磁电电压压单单相相供供电电，电电机机仍仍将将继继续续转转动动，即即存存在在“自自转转”现现象象，这这意意味味着着失失去去控控制制作作用用，这这是是不不允许的。允许的。5 513 消除自转现象的措施消除自转现象的措施 从三相异步电动机从三相异步电动机的人为机械特性可知，的人为机械特性可知，加大转子电阻可改变电加大转子电阻可改变电动机的转速转矩特性动机的转速转矩特性（见图（见图63），），转子电转子电阻增大到一定程度，可阻增大到一定程度，可使最大转矩出现在使最大转矩出现在s1附近。附近。v 为此目的，通常把为此目的，通常把伺服电动机的转子电伺服电动机的转子电阻阻R2设计得很大设计得很大，使，使电动机在失去控制电电动机在失去控制电压时，亦即成单相运压时，亦即成单相运行时，行时，正转矩或负转正转矩或负转矩的最大值均出现在矩的最大值均出现在S1的地方的地方，这样可得，这样可得出图出图64所示的机械特所示的机械特性曲线。性曲线。v 图图64中曲线中曲线1为有控为有控制电压时伺服电机的机械制电压时伺服电机的机械特性曲线，曲线特性曲线，曲线T和和T为去掉控制电压后，脉动为去掉控制电压后，脉动磁场分解为正、反两个旋磁场分解为正、反两个旋转磁场转磁场Bm1、Bm2对应产生对应产生的转矩曲线。的转矩曲线。曲线曲线T为去为去掉控制电压掉控制电压Uc 后单相供电后单相供电时的合成转矩曲线。时的合成转矩曲线。从图从图看出，它与单相供电的异看出，它与单相供电的异步电机合成转矩的机械特步电机合成转矩的机械特性曲线不同，性曲线不同，合成力矩合成力矩T在第二和和第四象限内。在第二和和第四象限内。v 当速度为正时，当速度为正时，电磁转矩电磁转矩T为负，当为负，当速度为负时，电磁转速度为负时，电磁转矩矩T为正，即为正，即去掉控去掉控制电压后，单相供电制电压后，单相供电时的电磁转矩的方向时的电磁转矩的方向总是与转子转向相反，总是与转子转向相反，是一制动转矩。是一制动转矩。因此，因此，可使转子迅速停止。可使转子迅速停止。v 若去掉控制电压时，同时去掉励磁，则电若去掉控制电压时，同时去掉励磁，则电机失去制动转矩，因此，机失去制动转矩，因此，两相交流伺服电机两相交流伺服电机工作时，励磁绕组始终与电源连接。工作时，励磁绕组始终与电源连接。加大转加大转子电阻还带来稳定调速段加宽，启动转矩提子电阻还带来稳定调速段加宽，启动转矩提高，的好处，有利于提高电机的启动性能。高，的好处，有利于提高电机的启动性能。没有启没有启动转矩动转矩有启有启动转矩动转矩调速范调速范围小围小n0ns调速范调速范围大围大0n0513两相交流伺服电机的控制方法两相交流伺服电机的控制方法 两相交流伺服电机的控制方法主要采用调幅控制，两相交流伺服电机的控制方法主要采用调幅控制，即改变控制电压即改变控制电压UC的控制方式。的控制方式。其特性见图其特性见图66。图中图中n0 为什么随控制电压变化，而不是象图为什么随控制电压变化，而不是象图524那那样，保持样，保持n0不变，是因为转子电阻很大，不变，是因为转子电阻很大，Sm1，单励磁绕组工作产生负转矩的原因。单励磁绕组工作产生负转矩的原因。其它交流伺服电机其它交流伺服电机 （多为三相电机）（多为三相电机）514 伺服电机在控制系统中的应用伺服电机在控制系统中的应用 v伺服控制分为：伺服控制分为：v位置伺服：位置伺服：以保证位置精度为控制目标；以保证位置精度为控制目标；v速度伺服：速度伺服：以保证速度精度为控制目标；以保证速度精度为控制目标；v加速度伺服：加速度伺服：以保证加速度精度为控制目标；以保证加速度精度为控制目标；v力伺服：力伺服：以保证力或力矩精度为控制目标；以保证力或力矩精度为控制目标；v 不管伺服控制的最终对象是什么，但对不管伺服控制的最终对象是什么，但对电机而言，不外乎是位置、速度、加速度、电机而言，不外乎是位置、速度、加速度、力矩控制。力矩控制。通过阀门控制流量其实质是控制通过阀门控制流量其实质是控制电机转角（位置伺服）；自动瞄准火炮控制电机转角（位置伺服）；自动瞄准火炮控制是速度伺服；振动试验台是加速度伺服；造是速度伺服；振动试验台是加速度伺服；造纸生产中的纸厚控制，是力矩控制（恒张力纸生产中的纸厚控制，是力矩控制（恒张力控制）；用机械手夹刚性较软的薄壁件、或控制）；用机械手夹刚性较软的薄壁件、或硬度强度较差的物体，例如鸡蛋、玻璃杯等硬度强度较差的物体，例如鸡蛋、玻璃杯等需要控制力的大小，也是力矩控制。需要控制力的大小，也是力矩控制。控制系统组成的一般框图控制系统组成的一般框图速度、位置双闭环的控制系统速度、位置双闭环的控制系统v这是一个速度、位置双闭环的控制系统。速度环是内环，位置这是一个速度、位置双闭环的控制系统。速度环是内环，位置环是外环。环是外环。多环的控制系统，最终要保证的物理量放在最外环。多环的控制系统，最终要保证的物理量放在最外环。内环是改善动态品质，外话环是保证控制目标的精度。内环是改善动态品质，外话环是保证控制目标的精度。当把外当把外环传感器换成力传感器，则系统成为力伺服控制系统。在图环传感器换成力传感器，则系统成为力伺服控制系统。在图6 67 7中在位置传感器的输出端加一微分电路就成为速度反馈，中在位置传感器的输出端加一微分电路就成为速度反馈，系统则成为速度伺服；在此基础上再加一级微分电路，就成为系统则成为速度伺服；在此基础上再加一级微分电路，就成为加速度反馈，系统则成为加速度伺服。当反馈元件选用了位置、加速度反馈，系统则成为加速度伺服。当反馈元件选用了位置、速度、加速度传感器中的任一种，经过适当的电路处理，都可速度、加速度传感器中的任一种，经过适当的电路处理，都可得到另外两个物理量。得到另外两个物理量。力传感器力传感器二阶微分二阶微分更详细的方框图更详细的方框图v 采用复杂的控制采用复杂的控制系统系统 其目的是为了其目的是为了改善系统的动态品改善系统的动态品质。质。所谓改善动态所谓改善动态品质是指：提高响品质是指：提高响应速度；减少震荡应速度；减少震荡次数；减小超调量；次数；减小超调量；缩短调整时间。例缩短调整时间。例如定位控制，如定位控制，1的的控制就比控制就比2好。好。12原理：原理：与普通直流电机完全相同。与普通直流电机完全相同。所不同的是电枢电阻大，机械特所不同的是电枢电阻大，机械特性软、线性（电阻大，可弱磁起性软、线性（电阻大，可弱磁起动、可直接起动）。动、可直接起动）。控制方式：控制方式：1.电枢控制（常用）；电枢控制（常用）；2.励磁控制（少用）。励磁控制（少用）。直流伺服电动机直流伺服电动机的两种控制方式的两种控制方式52直流伺服电动机（自学）直流伺服电动机（自学）电枢控制电枢控制励磁控制励磁控制 与与交交流流伺伺服服电电动动机机（电电压压控控制制）的的特特性性相相比比，直直流流伺伺服服电电动动机机的的nT特特性性是是一一直直线线，特性硬。特性硬。缺点是有电刷。见图缺点是有电刷。见图68、图、图6953力矩电机力矩电机 v伺服电动机都要求转子转动惯量小，这是基于两点：伺服电动机都要求转子转动惯量小，这是基于两点：1 1、相相同同功功率率的的电电动动机机转转速速越越高高电电机机体体积积越越小小、重重量量越越轻轻、价价格格越越低低；采采用用高高速速电电机机与与大大减减速速比比的的减减速速器器配配合合，以以满满足足执执行行机机构构所所需需的的转转速速和和力力矩矩，比比直直接接采采用用低低速速电电机机，无无论论体体积积、重重量量、价价格格都都有有优优势势。（因因为为减减速速器器材材料料可可通通过过热热处处理理、和和选选用用合合金金材材料料提提高高性性能能，减减小小体体积积减减轻轻重重量量，而而电电机机必必须须用用矽矽钢钢片片；此此外外，普普通钢材比电机材料如：矽钢片、铜、铝便宜）；通钢材比电机材料如：矽钢片、铜、铝便宜）；v2、由于、由于采用大减速器比，负载及执行机构的转动惯采用大减速器比，负载及执行机构的转动惯量量JL折算到电机轴上很小折算到电机轴上很小、（电机所需克服静负载的（电机所需克服静负载的力矩也小）。而电机的转动惯量成为系统的主要惯量。力矩也小）。而电机的转动惯量成为系统的主要惯量。v例如：某负载的转动惯量是电机转子转动惯例如：某负载的转动惯量是电机转子转动惯量的量的10倍，若取减速比为倍，若取减速比为5，折算到电机轴上，折算到电机轴上的等效转动惯量仅为电机转子转动惯量的的等效转动惯量仅为电机转子转动惯量的2/5）。在第二章曾经提过，）。在第二章曾经提过，要使系统响应最要使系统响应最快，动态电流最小，必须使负载的转动惯量快，动态电流最小，必须使负载的转动惯量折算到电机轴上的等效惯量折算到电机轴上的等效惯量J/L等于电机转子等于电机转子的转动惯量的转动惯量JD。因此，必须减小电机转子的。因此，必须减小电机转子的转动惯量。转动惯量。带减速机构传动存在的问题带减速机构传动存在的问题v 伺服系统对间隙非伺服系统对间隙非常敏感，会造成控制常敏感，会造成控制死区，引起振荡。死区，引起振荡。采采用减速器减速传动难用减速器减速传动难免存在间隙免存在间隙,因此容易因此容易产生振荡。产生振荡。间隙引起间隙引起振荡的原因是执行机振荡的原因是执行机构对控制信号响应滞构对控制信号响应滞后后引起的。引起的。v 例如例如A、B分别是一对齿分别是一对齿轮的主动轮和从动轮，在从轮的主动轮和从动轮，在从动轮上装有速度传感器，动轮上装有速度传感器，A、B之间有间隙之间有间隙X，当控制系，当控制系统通过速度传感器测得转速统通过速度传感器测得转速过快时，控制主动轮过快时，控制主动轮A减速，减速，而从动轮而从动轮B由于存在间隙并由于存在间隙并未跟着减速，这时，从速度未跟着减速，这时，从速度传感器检测到的速度不变，传感器检测到的速度不变，当主动轮减到速度合适时控当主动轮减到速度合适时控制系统仍误认为减速不够制系统仍误认为减速不够,命令主动轮命令主动轮A进一步减速，进一步减速，经过经过t=X/(v2-v1)的时间，的时间，间隙已经消除，间隙已经消除，v 从动轮从动轮B开始随着开始随着A减速，减速，这时速度传感器检测到实际这时速度传感器检测到实际速度已比所需的速度低，控速度已比所需的速度低，控制系统控制主动轮制系统控制主动轮A加速，加速，而从动轮而从动轮B同样由于存在间同样由于存在间隙并未跟随，这时，从速度隙并未跟随，这时，从速度传感器检测到的速度不变，传感器检测到的速度不变，控制系统误认为加速不够控制系统误认为加速不够,命令主动轮命令主动轮A进一步加速，进一步加速，经过经过t=X/(v1-v2)的时间，间的时间，间隙消除，从动轮隙消除，从动轮B开始随着开始随着A加速，这时，实际速度又加速，这时，实际速度又已超过合适的速度，如此反已超过合适的速度，如此反复，形成振荡。复，形成振荡。v反向时则引起滞后反向时则引起滞后。当主动轮当主动轮A反向时，由反向时，由于存在间隙从动轮于存在间隙从动轮B并并未跟随反向，经过未跟随反向，经过t=X/（v1+v2）的时间，间的时间，间隙消除，从动轮隙消除，从动轮B才才开开始随着主动轮始随着主动轮A反向。反向。此外，此外，间隙还引起冲间隙还引起冲击和噪声击和噪声。解决间隙引起的振荡的方法解决间隙引起的振荡的方法1 1、在控制系统中加入延时时间、在控制系统中加入延时时间t=X/v，当控制，当控制系统发出控制指令后，延时系统发出控制指令后，延时t=X/v再进行速再进行速度比较（度比较（X是是间隙，间隙，v是速度差）；是速度差）；2 2、把速度传感器装在主动轮、把速度传感器装在主动轮A上，但影响控制上，但影响控制精度，有大小为精度，有大小为X的误差；的误差；3 3、采用直接传动，消除间隙。、采用直接传动，消除间隙。采用直接传动要解决两个问题：采用直接传动要解决两个问题：1 1、大大力力矩矩 由由于于没没有有减减速速器器的的增增力力作作用用，一一般的控制电机力矩不够；般的控制电机力矩不够；2 2、低低转转速速 由由于于没没有有减减速速器器，一一般般的的电电机机达达不到所需的低转速。不到所需的低转速。力矩电机是基于这一要求而设计的。力矩电机是基于这一要求而设计的。力矩电机的特点：力矩电机的特点：1 1、力矩大；、力矩大；2、转速低；、转速低；3、结构上直径、结构上直径D D大大,长度长度L L短（转动惯量大）。短（转动惯量大）。v 力矩力矩电机做成大直机做成大直径，一方面是采用直接径，一方面是采用直接传动，电机的机的转动惯量量比比负载的的转动惯量小得量小得多。仍以上面的例子多。仍以上面的例子分分析析，电机机转子的子的转动惯量量仅为负载的的1/101/10；另一方面从电机力矩与直径关系：另一方面从电机力矩与直径关系：T=BIaNLD/2 当当BIa NL/2 不变时，不变时，T D，而由运动电动势公式：而由运动电动势公式：ea=BLv ea 感应电动势；感应电动势；v转子导体线速度；转子导体线速度；v=D n/60 n0=v60/D=U60/BLD ea=U （空载时）（空载时）n0 1/D 加大直径加大直径D有利于增加电机力矩和降有利于增加电机力矩和降低空载转速。且对系统响应的快速性影低空载转速。且对系统响应的快速性影响不大。响不大。这是为什么力矩电机做成大直这是为什么力矩电机做成大直径的原因。径的原因。v自整角机，正被绝对位置光电编码器取代。自整角机，正被绝对位置光电编码器取代。把两把两台电机上的光电编码器输出编码台电机上的光电编码器输出编码D DA A、D DB B（二进制（二进制或其他进制编码）进行数值比较，即可求出两者或其他进制编码）进行数值比较，即可求出两者的角度差，再加以放大，用于驱动从动电机。的角度差，再加以放大，用于驱动从动电机。U=KU=K（D DA AD DB B），相当于，相当于U=KU=K（E EA AE EB B ）5 55 5 直线电动机直线电动机 （自学）（自学）v直线电动机的原直线电动机的原理，相当于把旋转理，相当于把旋转电机沿着半径方向电机沿着半径方向剖开，把定、转子剖开，把定、转子展成平面而成。展成平面而成。直直线电机可以直接带线电机可以直接带动机械作直线运动动机械作直线运动。异步直线电机工作原理异步直线电机工作原理滚珠丝杆驱动与直线电机驱动的比较滚珠丝杆驱动与直线电机驱动的比较滑板的结构机床立柱机床立柱机床立柱机床立柱直线电动机直线电动机直线电动机直线电动机滑滑滑滑 板板板板万向铰链万向铰链万向铰链万向铰链杆杆杆杆 件件件件介绍几种新电机介绍几种新电机球电动机工作原理球电动机工作原理这是一种概念这是一种概念电机，还没有电机，还没有正式产品。正式产品。电滚珠丝杆电滚珠丝杆（转子做成丝杆）（转子做成丝杆）采用先进电机驱动的并行机床采用先进电机驱动的并行机床5.6目前常用的轴角速度的检测方法目前常用的轴角速度的检测方法v光电编码器是轴角速光电编码器是轴角速度检测最常用的方法。度检测最常用的方法。分增量式和绝对式两种。分增量式和绝对式两种。增量式增量式只能确定相对位只能确定相对位置且有累积误差置且有累积误差，绝对绝对式式可确定绝对位置，且可确定绝对位置，且没有累积误差。没有累积误差。前者简前者简单后者复杂。单后者复杂。光电编码器光电编码器 绝对式编码器绝对式编码器（a）二进制码盘）二进制码盘 （b）葛雷码盘）葛雷码盘v光电编码器测速方法：光电编码器测速方法：v1、测单位时间的脉冲个测单位时间的脉冲个数数（称为（称为M法），转速越法），转速越高精度越高，适合测高速；高精度越高，适合测高速；v2、测量两脉冲之间的时测量两脉冲之间的时间间（称为（称为T法），转速越法），转速越低精度越高，适合低速。低精度越高，适合低速。v3、既测单位时间的脉冲既测单位时间的脉冲个数又测两脉冲之间的时个数又测两脉冲之间的时间间（称为（称为M-T法）适合大法）适合大调速范围的转速测量。调速范围的转速测量。vf c时钟脉冲；脉冲；vT g规定的定的测量量时间；vT tach编码器脉冲器脉冲周期；周期；vT检测时间；vnM被被测转速；速；vm1规定的定的测量量时间内内计数器数器对编码器器的脉冲的脉冲计数数值；vm2计数器数器对时钟脉冲脉冲频率率f c的脉冲的脉冲计数数值；vP编码器每器每转脉脉冲数；冲数；三种测速方法的比较：三种测速方法的比较：v在在转动盘上开上开出一等出一等进螺螺线栅缝，光源通，光源通过螺螺线状状栅缝和固定和固定栅缝后后变成一光成一光点，随着点，随着轴的的转动，光点在感光，光点在感光面上上下移面上上下移动。在感光面上安装在感光面上安装位置位置检测元件，元件，即可即可测出出轴的的转角及角速度。角及角速度。光电式角度传感器光电式角度传感器旋转变压器旋转变压器 作用：作用：将输入的角度信号转换成高精度的电压信号输出。将输入的角度信号转换成高精度的电压信号输出。结构：结构：定、转子均有两个在空间上互相垂直的绕组。定、转子均有两个在空间上互相垂直的绕组。原理：原理：当给定子绕组输入一交流参考电压（励磁电压当给定子绕组输入一交流参考电压（励磁电压)，则，则转子绕组也会感应出一个交变电压，且当转子绕组与定子绕转子绕组也会感应出一个交变电压，且当转子绕组与定子绕组平行时，电压最大，与定子绕组垂直时，电压为零。随着组平行时，电压最大，与定子绕组垂直时，电压为零。随着转子的转动，转子的一个绕组感应电压为正弦波，则另一绕转子的转动，转子的一个绕组感应电压为正弦波，则另一绕组感应波为余弦波。组感应波为余弦波。e s=k U m sint sin;e c=k U m sint con(为载波频率），为载波频率），对上两式进行相敏解调后得：对上两式进行相敏解调后得：e s=U m sin;e c=Um con 定子定子转子转子把把 e s、e c倒相后，倒相后，利用它们的过利用它们的过0点和等值点把一个周期分为点和等值点把一个周期分为8个区域（卦限），个区域（卦限），并用并用3位二进制码对位二进制码对8个卦限进行编码，再个卦限进行编码，再结合结合A/D 测出各卦限的轴角。即可得到轴角的绝对位置。测出各卦限的轴角。即可得到轴角的绝对位置。v这种处理方法类似于尺子，各卦限的编码相当于寸的这种处理方法类似于尺子，各卦限的编码相当于寸的刻度，刻度，A/D 采样值相当于厘的数值。各卦限的编码由采样值相当于厘的数值。各卦限的编码由下面的逻辑电路实现。分辨率等于下面的逻辑电路实现。分辨率等于8乘乘A/D 的数值。若的数值。若一圈有一圈有N个绕组，个绕组，A/D的位数的位数n位，分辨率等于位，分辨率等于8N2 n。速度速度(Di Di-1)/t感应同步器感应同步器感应同步器由称为平面旋转变压器，所不同的是感应同步器由称为平面旋转变压器，所不同的是其绕组是由印刷电路图形做成，定子有多个绕组其绕组是由印刷电路图形做成，定子有多个绕组组成，其工作原理与旋转变压器相似。直线分辨组成，其工作原理与旋转变压器相似。直线分辨率可达率可达1，角度可达，角度可达0.5“。定子由相差定子由相差90的参考的参考电压供供电，把，把转子感子感应电压送送进相位比相位比较器后器后输出与出与转角成正比的脉冲。角成正比的脉冲。磁编码器磁编码器v 由于磁场强度相对于固定的霍尔传由于磁场强度相对于固定的霍尔传感器而言，是按余弦规律变化，其数值感器而言，是按余弦规律变化，其数值恰好反映转角的变化，两次采样的时间恰好反映转角的变化，两次采样的时间间隔间隔dT 与两次采样数值的差之比，即为与两次采样数值的差之比，即为转速，当前采样值的反三角函数值为当转速，当前采样值的反三角函数值为当前绝对位置。前绝对位置。这种传感器，响应快、允这种传感器，响应快、允许工作速度高、结构简单、可靠、价格许工作速度高、结构简单、可靠、价格低；但位置精度稍差。低；但位置精度稍差。v这是一种最新的转速位置检测传感器在这是一种最新的转速位置检测传感器在一块圆形的一块圆形的永磁体上，上半圆充成永磁体上，上半圆充成N极，下半圆充成极，下半圆充成S极，极，用一个霍尔传感器检测磁场的变化，通过内置用一个霍尔传感器检测磁场的变化，通过内置单片机的单片机的A/D把磁场强度的变化进行处理，从而把磁场强度的变化进行处理，从而测出转速和位置。测出转速和位置。本章参考文献本章参考文献v现代直流伺服控制技术及其系统设计现代直流伺服控制技术及其系统设计 秦继荣编著秦继荣编著 机械工业机械工业出版社出版社 1993 v机电一体化实用手册机电一体化实用手册 日日 三浦宏文主编三浦宏文主编 科学出版社科学出版社 2001v并联运动机床并联运动机床 张曙著张曙著 机械工业出版社机械工业出版社 2003
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