第七讲驱动元件及控制

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,机电一体化系统与设计,第一章 机电一体化概论,第二章 精密机械技术,第三章 工业控制计算机,第四章 基于单片机的控制器,第五章 可编程序控制器,第六章 传感器与计算机接口,第七章 动力驱动及其计算机控制,第八章 机电一体化系统设计方法与实例,控制器,(IPC/PLC/MCU,等,),输入接口,输出接口,驱动执行机构,(,电机、电磁阀等,),被控对象,(,各种机械参数,),传感检测装置,(,各类传感器等,),反馈量,被控量,设定值,机电一体化系统的组成,机电一体化系统的组成,第七讲 驱动元件及控制,概述,步进电机及其驱动,直流电机及其控制,交流电机及其控制,液压、气动驱动元件及其控制,第七讲 驱动元件及控制,概述,驱动元件的作用,驱动元件的分类,常见电机的分类,步进电机及其驱动,直流电机及其控制,交流电机及其控制,液压、气动驱动元件及其控制,驱动元件在机电一体化系统中的作用,在机电一体化系统中,机械装置,控制对象,计算机或其他智能单元,控制器,受控物理量,机械位移、速度、加速度、力、力矩等参数,控制器,控制命令,(,弱电,),变换和放大,(,驱动元件,) ,改变机械参量,机械装置,(,得到调整,),(,伺服,),驱动元件是介于控制器与机械装置之间的一种能量与信息转换装置,机电一体化中的驱动元件,一般都是,伺服装置,，用于控制的驱动元件，区别于单纯用于动力输出的驱动元件。所以，在选择和使用驱动元件时，除了保证带动负载之外，还应考虑其伺服性（即控制性能）。,驱动元件在机电一体化系统中的作用,主,机,(,工控,机或,普通,计算,机,),显示器,打印机,交互设备,(,键盘鼠标等,),报警,存储设备,(,硬盘光盘等,),接口,电路,A/D,多路,开关,接口,电路,接口,电路,接口,电路,D/A,开关量,输入,开关量,输出,多路,开关,变送器,传感器,变送器,传感器,驱动,执行,驱动执行,输出通道,被,控,对,象,(,压力,、速,度等,机械,参数,),第七讲 驱动元件及控制,概述,驱动元件的作用,驱动元件的分类,常见电机的分类,步进电机及其驱动,直流电机及其控制,交流电机及其控制,液压、气动驱动元件及其控制,类型,特点,举例,电动式,使用工业电源、动力较大、控制性能好,各种直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机、电磁铁等,液压式,输出功率大，速度快而平稳、控制性能好、但易泄露,液压缸、液压马达,气动式,气源方便、便宜，速度快，但功率小、噪音大且难以控制,气缸、气马达,直线运动,电液式,驱动元件的分类,按运动方式,旋转运动,电动式,按,使用能源,液压式,气动式,第七讲 驱动元件及控制,概述,驱动元件的作用,驱动元件的分类,常见电机的分类,步进电机及其驱动,直流电机及其控制,交流电机及其控制,液压、气动驱动元件及其控制,功率放大器,功率驱动接口,常见电机的分类,常用电机主要分两类：,驱动电机：,驱动单元，主要是指普通的交、直流电机。,(,电力拖动,),控制电机：,特种电机，常见的有步进电机、伺服电机、测速发电机等，主要任务是转换和传递控制信号，能量的传递是次要的。,(,机电控制,),控制电机利用,电压、电流、频率（包括指令脉冲）,等控制方式，实现速度、力矩的调节、启、停和其他复杂的驱动。,控制器,控制命令,(,弱电,),变换和放大,(,驱动元件,),机械运动,第七讲 驱动元件及控制,概述,步进电机及其驱动,类型和工作原理,通电方式和步距角,主要性能指标,功率驱动接口,其他控制,直流电机及其控制,交流电机及其控制,液压、气动驱动元件及其控制,步进电机的类型和工作原理,步进电机,（,Step Motor,）：,One Pulse One Step,步进电机（,电脉冲马达）,，是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的控制电机，其实质是一种,数模转换器,(D/A),。,转动角度,由脉冲数决定，,运动方向,由脉冲相序决定，,转动速度,由脉冲频率决定。,步进电机与现代的数字控制技术相结合，构建数字运动控制系统。,不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的伺服电机,。,特点,：其结构简单、可靠性高和成本低,应用,：精度不是需要特别高的场合,步进电机的类型和工作原理,根据结构不同,反应式,（,VR,，,Variable reluctance,）,永磁式,（,PM,，,Permanent magnet,）,混合式,（,HB,，,Hybrid,）,按相数（定子绕组数）不同,单相,两相,多相,步进电机的类型和工作原理,1,结构（,三相反应式,）,定子,：,定子铁芯上嵌有绕组线圈，通电后产生,电磁力,转子,：,转上无绕组线圈，仅当作导磁体使用，在定子产生的电磁力的作用下，转动到,定子和转子之间磁阻最小的位置,反应式步进电机的结构示意图,定子,转子,步进电机的类型和工作原理,2,工作原理,利用定子绕组产生的反应电磁力吸引转子作步进运动，故称为,反应式步进电机,。, 单三拍工作方式：,ABCABC,转子总是力图转到磁阻最小的位置，,每一拍转过,30,（,a,）,A,相通电 （,b,）,B,相通电 （,c,）,C,相通电,动画演示,1,步进电机的类型和工作原理,六拍工作方式：,AABBBCCCAAABBBC,CCA,每一拍转过了,15,（,a,）,A,相通电 （,b,）,AB,相通电 （,c,）,B,相通电 （,d,）,BC,相通电,双三拍工作方式：,ABBCCAABBCCA,动画演示,2,步进电机的类型和工作原理,动画演示,3,动画演示,4,第七讲 驱动元件及控制,概述,步进电机及其驱动,类型和工作原理,通电方式和步距角,主要性能指标,功率驱动接口,其他控制,直流电机及其控制,交流电机及其控制,液压、气动驱动元件及其控制,步进电机通电方式和步距角,1,通电方式,：,如果每拍中只有一相绕组通电，其余断电，称,单相通电方式,如果每拍中都有两相绕组通电，另一相断电，称,双相通电方式,如果每拍中交替出现单、双相通电，称,单双相轮流通电方式,根据绕组数（相数）和每个通电循环需要的拍数：,三相单三拍：,ABCABC,三相双三拍：,ABBCCAABBCCA,三相六拍：,AABBBCCCAAABBBCC,CA,步进电机通电方式和步距角,2,齿距角,：转子相邻两齿之间的角度,式中：,Z,是转子齿数,例如：,Z=4,时， 。一般步进电机的转子齿数有好几十个，所以齿距角也只有几度（例如：,Z=40,时， ）。,步进电机通电方式和步距角,3,步距角,：转子每拍转过的角度。,式中：,Z,是转子齿数；,m,：定子绕组（相）数；,K,：通电方式系数（单相、双相通电方式，,K=1,；单双相轮流通电方式，,K=2,）,步进电机通电方式和步距角,例如：,Z=40,三相单三拍：,三相双三拍：,三相六拍：,从上面的公式中可以看出：,单相、双相的步距角是一样的，单相在换相时容易失步，定位精度不高，一般不采用这种方式，双相通电方式每次都有两相通电，不容易失步且转子转矩大、定位精度高,；,每一个通电循环完成一个齿距角,，即：,例如：三相六拍，在,Z=40,时， ，,第七讲 驱动元件及控制,概述,步进电机及其驱动,类型和工作原理,通电方式和步距角,主要性能指标,功率驱动接口,其他控制,直流电机及其控制,交流电机及其控制,液压、气动驱动元件及其控制,步进电机的主要性能指标,1,步距误差,：理论步距角和实际步距角之差，反映了步进电机角位移精度，一般在,10,左右，,步距误差不累积,。,2,最大静转矩,：是指步进电机的某相通电不断且处于静止状态时，所能承受的最大外加转矩，即步进电机所能输出的最大电磁转矩。它,反映了步进电机的制动能力的低速步进运行时的带负载能力,。,步进电机的主要性能指标,3,启动频率、启动矩频特性、启动惯频特性,启动频率,：是指步进电机在有负载转矩时，不失步的正常启动所能接受的最大阶跃输入脉冲频率。,启动矩频特性,：启动频率和负载转矩之间的关系。,启动惯频特性,：是指步进电机带纯惯性负载启动时，启动频率和转动惯量之间的关系。,T,f,f,J,启动矩频特性 启动惯频特性,从左图可以看出：,启动频率随着负载转矩的增大而减小，在实际应用中，工作点应选在该曲线以下以保证不失步或先低频启动再转到高频运行；,负载惯量越大，启动频率就越低。,步进电机的主要性能指标,4,连续运行时最高工作频率和运行时矩频特性,运行时矩频特性,：步进电机运行时，输出转矩和输入脉冲频率之间的关系。,运行时最高工作频率,：连续运行时所能接受的最高输入脉冲频率，,运行时最高工作频率要远大于启动频率,。,T,f,由左图可知：,在连续运行时，输出转矩随运行频率的增加而减小，即速度越高，带负载能力越差。选用步进电机进就保证实际工作点位于该曲线以下。,运行时矩频特性,步进电机的主要性能指标,5,步进运行和低频振荡,步进运行,：当输入脉冲的频率很低时，脉冲周期大于步进电机的过渡过程时间，步进电机就会处于一步一停的运行状态，称为步进运行。,低频振荡,：当步进运行频率或低速运行频率与步进电机的固有频率相等或相近时，就会产生共振现象，此时，电机只振荡不前进，这种现象称为低频振荡。,为避免低频振荡，工作频率应尽量避开固有频率附近的共振区或调节步进电机上的阻尼器来改变固有频率。,步进电机型号说明,电机型号,相数,相电流,步距角,保持转矩,空载起动频率,空载运,行频率,转动惯量,重量,A,度,N.m,KPPS,KPPS,Kg.cm2,Kg,42BYG250FA,2,1.33,0.9/1.8,0.22,2,20,0.035,0.22,42BYG250FB,2,1.68,0.9/1.8,0.36,2,20,0.054,0.28,42BYG250FC,2,1.68,0.9/1.8,0.44,2,20,0.068,0.35,电机型号,相数,相电流,电阻,电感,步距角,保持,转矩,定位,转矩,转动惯量,重量,A,mH,度,N.m,N.m,Kg.cm2,Kg,86BYG250,A,2/4,3.6,0.23,2.5,0.9/1.8,1.2,0.08,0.64,1.6,86BYG250,B,2/4,4,0.65,6.9,0.9/1.8,2.4,0.15,1.3,2.6,86BYG250,C,2/4,4,1,7.4,0.9/1.8,3.6,0.25,1.9,3.8,电机型号,相数,相电流,电阻,电感,步距角,保持,转矩,定位,转矩,转动惯量,重量,A,mH,度,N.m,N.m,Kg.cm2,Kg,110,BYG,5,50,A,5,5,0.47,12,0.36/0.72,12.5,0.4,8.4,9.5,110,BYG,5,50,B,5,5,0.73,15,0.36/0.72,18,0.5,12.6,12,110,BYG,5,50,C,5,5,1.3,20,0.36/0.72,22,0.6,16.8,13.5,第七讲 驱动元件及控制,概述,步进电机及其驱动,类型和工作原理,通电方式和步距角,主要性能指标,功率驱动接口,其他控制,直流电机及其控制,交流电机及其控制,液压、气动驱动元件及其控制,步进电机的功率驱动接口,脉冲,发生器,脉冲,分配器,脉冲,放大器,步进,电机,指令,工作机构,脉冲发生器,产生脉冲序列信号（频率由几赫到几十千赫可变）。通过控制输入脉冲的数量和频率，即可控制电机的角位移和转速。,脉冲分配器,将序列脉冲按一定的逻辑关系加在脉冲放大器上，使步进电机按确定的运行方式工作。,脉冲放大器,（功率放大器）,脉冲分配器输出端的电流很小，如,CH250,脉冲分配器的输出电流大约为,200-400A,，而步进电机的驱动电流较大，如,75BF001,型步进电机每相静态电流为,3A,，为了满足驱动要求，脉冲分配器输出的脉冲需经脉冲放大器（即功率放大器）后才能驱动步进电机。,决定转速与转角,决定工作方式,功率放大,脉冲分配器之,1,专用环形分配器,三相六拍脉冲分配器,C,1,C,2,C,3,正 转,控制位,反 转,控制位,脉冲输入,复位,A,相,B,相,C,相,C,1,、,C,2,、,C,3,为,J,、,K,双稳触发器：,与非门：全,1,为,0,正转：正转控制位,=1,，反转控制位,=0,反转：正转控制位,=0,，反转控制位,=1,起始状态：,C=1,，,A=0,，,B=0,，正转,分配前：,分配后：,通电顺序：,CCAAABBBC,A,相,B,相,C,相,J,K,Q,n+1,0,0,Q,n,0,1,0,1,0,1,1,1,Q,n+1,脉冲分配器之,2,专用集成芯片,J,3r,、,J,3L,：三相双三拍正反转控制；,J,6r,、,J,6L,：三相六拍正反转控制；,R,1,：双三拍的复位端，工作时，先使,R,1,接入高电平，处于六拍工作方式，再转到,R,1,=0,；,R,2,：六拍的复位端，工作时，先使,R,2,接入高电平，处于双三拍工作方式，再转到,R,2,=0,；,CL,：是时钟脉冲输入端；,EN,：时钟脉冲允许端。当脉冲,CP,由,CL,端输入，只有,EN,端为高电平时，时钟脉冲的上升沿才起作用。,CH250,也允许以,EN,端作脉冲,CP,的输入端，此时，只有,CL,为低电平时，时钟脉冲的下降沿才起作用。,A,0,、,B,0,、,C,0,：环形分配器的三个输出端，经过脉冲放大器（功率放大器）后分别接到步进电机的三相线上。,A,B,C,复位,正转,反转,V,DD,运行,V,DD,V,DD,J,3r,1,7,8,10,9,14,15,1,2,11,12,13,CH250,J,3L,J,6r,J,6L,CL,EN,R,2,R,1,CH250,三相双三拍接法,复位,运行,V,DD,正转,反转,V,DD,J,3r,1,7,8,10,9,14,15,1,2,11,12,13,A,B,C,CH250,J,3L,J,6r,J,6L,CL,EN,R,2,R,1,CH250,三相六拍接法,脉冲分配器之,2,专用集成芯片,脉冲分配器之,3,软件分配器,基本原理,：,脉冲分配数据表,查表获取相应控制数据,输出到步进电机驱动电路,。,用途,：用于步进电机的,计算机控制,例如：用,8031,单片机对数控,X-Y,工作台的两台四相步进电机进行控制。,单片机与步进电机的接口电路,8031,+5V,+15V,P1.0,P1.7,A,B,C,D,A,B,C,D,X,向电机,Y,向电机,1.,实现信号传递,2.,电平转换：,+5V+15V,3.,反相：,P1.0=0XA=1,脉冲分配器,3,软件分配器,序号,Y,向,X,向,通电相,控制数据,转向,P1.7,P1.6,P1.5,P1.4,P1.3,P1.2,P1.1,P1.0,1,1,1,1,0,1,1,1,0,A,0XEE,反,正,2,1,1,0,0,1,1,0,0,AB,0XCC,3,1,1,0,1,1,1,0,1,B,0XDD,4,1,0,0,1,1,0,0,1,BC,0X99,5,1,0,1,1,1,0,1,1,C,0XBB,6,0,0,1,1,0,0,1,1,CD,0X33,7,0,1,1,1,0,1,1,1,D,0X77,8,0,1,1,0,0,1,1,0,DA,0X66,例如：从,8031,的,P,1,口输出数据：,0xEE,，,X,、,Y,的,A,相通电,0xEC,，,Y,的,A,相通电，,X,的,AB,相通电,脉冲分配数据表,脉冲放大器（功率放大器）,功率放大器,电压型,电流型,单电压型,双电压型,恒流驱动,斩波驱动,单电压型功率放大器,单电压驱动,电路简单,，但绕组上的,串联,电阻,R,始终要消耗能量，,不经济,，此外，由于绕组,L,电感较大，对脉冲电流的,反应较慢,（ ），所以这种放大器只适合于对,速度要求不高的小型步进电机,。,+27V,150,5.1k,1k,R,L,D,3DD15,3DK4,当输入端,无脉冲电压,时，中功率管,3DK4,和大功率管,3DD15,均处于截止状态，步进电机绕组,L,上不通电，,电机停转,；,当输入端,有脉冲电压,时，中功率管,3DK4,和大功率管,3DD15,均处于导通状态，步进电机绕组,L,上得到,27V,电压，,电机转动,。其中，续流二极管,D,在绕组,L,断电时，释放反电动势，保护电机线圈；电阻,R,是限流电阻，限制通过绕组,L,的电流不超过额定值，以免电机过热被破坏。,双电压型功率放大器,100,1k,T2,T1,200,T4,D4,20,D3,T3,D1,D5,+12V,+80V,L,R,18,18,D2,0.01uF,TI,高压供电是用来,加速电流的增长速度,，而低压是用来,维持稳定的电流值,。低压电源中串联一个数值较小的电阻，其目的是为了调节控制绕组的电流，使各相电流平衡。双压方式大大加快了电流的增长速度，同时，串联的电阻,R,很小，,消耗能量,也很小。,当输入端,无脉冲电压,时，,T1,、,T2,、,T3,、,T4,均截止，电机绕组,L,中无电流，,电机停转,；,当输入端,有脉冲电压,时，,T1,、,T2,、,T4,均饱和导通，在,T2,由截止到饱和期间，其集电极电流急剧增加，脉冲变压器,TI,的另一边感应出一个电压，使,T3,导通，,80V,的高压加到绕组,L,上（此时，,D1,反向偏置，处于截止状态），绕组电流迅速增加，当,T2,饱和后，电流变化率为,0,，在脉冲变压器,TI,的另一边无感应电压，,T3,截止，工作电流经,12V,低压电源、二极管,D1,、绕组,L,、串联,R,、,18,电阻、电容形成回路给绕组,L,供电，,电机转动,。断电时，绕组,L,经续流二极管,D2,形成放电回路。,步进电机驱动器,WZM-2H090MS,驱动器用于驱动二相混合式步进电机，该驱动器采用,高频斩波，恒流驱动,，能带动,5A,以下的,85BYG,、,86BYG,电机二相混合式步进电机。,技术特征,驱动电流可调：最大相电流为,5A,，,16,档可调；,无指令时可选择电流半流；,细分可调：,400,，,800,，,1000,，,1600,，,2000,，,3000,，,3600,，,4000,，,5000,，,6000,，,6400,，,7200,，,8000,，,10000,，,20000,，,40000,；,16,档；,驱动方法：正弦波恒流斩波驱动,步进电机驱动器,步进电机驱动器,细分设定,1234,位,每转步数,步距角,1234,位,每转步数,步距角,0000,400,0.9,1000,5000,0.072,0001,800,0.45,1001,6000,0.006,0010,1000,0.36,1010,6400,0.05625,0011,1600,0.225,1011,7200,0.005,0100,2000,0.18,1100,8000,0.045,0101,3000,0.12,1101,10000,0.036,0110,3600,0.1,1110,20000,0.018,0111,4000,0.09,1111,40000,0.009,步进电机驱动器,相电流设定,(OFF,位有效,),7,位,2.6A,OFF,2.6+0+0+0.4=3.0A,8,位,1.3A,ON,9,位,0.7A,ON,10,位,0.4A,OFF,PLC+,步进驱动器,+,步进电机,第七讲 驱动元件及控制,概述,步进电机及其驱动,类型和工作原理,通电方式和步距角,主要性能指标,功率驱动接口,其他控制,直流电机及其控制,交流电机及其控制,液压、气动驱动元件及其控制,细分驱动,细分驱动的优点,避免了低频工作时的共振点,。采用细分电路后，改善了电器特性，消除了共振点，电机在低频段运行平稳。,低频、低转速工作稳定，转矩增大，噪声降低,。采用细分电路，在低速工作时电机的加速力矩明显减小，工作力矩,=,输出最大力矩,-,加速力矩，由于加速力矩的减小，使工作力矩增加，细分后电机变得有劲，带负载能力提高，尤其在启动和低速状态。由于加速度的减小，步进电机低速运行噪声也大大减小，改善了工作环境。,减小步距角,，提高了分辨率和步距精度。,细分驱动的实现,采用多路开关功率元件,用微机实现细分驱动,升降速控制,运行,减速,升速,t,f,升降速控制的优点,启动与停止时运行平稳,。,不会丢失脉冲,，提高了定位精度。,升降速控制的种类,直线加,/,减速,曲线加,/,减速,杭州日恒科技有限公司,sunrise-motor/,常州泽明自动化设备有限公司,stepping/,第七讲 驱动元件及控制,概述,步进电机及其驱动,直流电机及其控制,普通直流电机,直流伺服电机,交流电机及其控制,液压、气动驱动元件及其控制,第七讲 驱动元件及控制,概述,步进电机及其驱动,直流电机及其控制,普通直流电机,结构与工作原理,分类,电磁特性,调速方式,直流伺服电机,交流电机及其控制,液压、气动驱动元件及其控制,直流电机的结构及工作原理,由,磁极（定子）,、,电枢（转子）,、,换向器（整流子）,三部分组成：,直流电机的结构,直流电机的工作原理,动画演示,1,动画演示,2,第七讲 驱动元件及控制,概述,步进电机及其驱动,直流电机及其控制,普通直流电机,结构与工作原理,分类,电磁特性,调速方式,直流伺服电机,交流电机及其控制,液压、气动驱动元件及其控制,直流电机的分类,永磁式,根据磁场产生方式,电磁式,他励式,并励式,串励式,复励式,第七讲 驱动元件及控制,概述,步进电机及其驱动,直流电机及其控制,普通直流电机,结构与工作原理,分类,电磁特性,调速方式,直流伺服电机,交流电机及其控制,液压、气动驱动元件及其控制,直流电机的电磁特性,I,a,、,R,a,U,M,E,T,、,n,电枢的等效电路,直流电机的电枢绕组电流,I,a,与磁通,相互作用，产生,电磁力和电磁转矩,T,：,在这个电磁转矩,T,作用下电枢转动，这时电枢因切割磁力线而产生,反电动势,E,：,从电枢的等效电路中可以看出：,式中：,K,T,：与电机结构有关的常数，电势常数；,K,E,：与电机结构有关的常数，转矩常数；,：磁极磁通量，单位是韦伯（,Wb,）；,I,a,：电枢电流，单位是安（,A,）；,R,a,：电枢电阻，单位是欧姆（,）；,T,：电磁转矩；,n,：电枢转速，单位是,r/min,；,E,：感生（反）电动势，单位是伏特（,V,）；,U,：电枢电压。,直流电机的电磁特性,联解上面三个等式：,上式反映了直流电机的,转速转矩特性,，又称为直流电机的,机械特性,。在上式中：,，是,T,0,时的转速，实际上是不存在的，因为即使电机轴上没有加机械负载，电机的输出转矩也不可能为零，它还要平衡空载损耗转矩。所以,n,0,称为,理想空载转速,。,，是转速降。它表示：当负载增加时，电机的转速下降。转速降是电枢电阻,R,a,引起的。当负载增加时，,I,a,增大，,I,a,R,a,增大，由于电源电压,U,是一定的，这就使反电动势,E,减小，也就是转速,n,降低了。,T,n,T,N,n,0,n,N,n,左图是并励电机的机械特性曲线。由于,R,a,很小，在负载变化时，转速的变化不大。因此并励电机具有,硬的机械特性,。,第七讲 驱动元件及控制,概述,步进电机及其驱动,直流电机及其控制,普通直流电机,结构与工作原理,分类,电磁特性,调速方式,直流伺服电机,交流电机及其控制,液压、气动驱动元件及其控制,直流电机的调速方式,直流电机的速度公式：,直流电机的调速方式,1,调磁方式,实现方式,即改变磁通量,。当保持电源电压,U,为额定值时，调节,R,f,，改变励磁电流,I,f,以改变磁通量，如下图所示。,T,n,T,C,n,0,n,01,n,02,小减通磁,I,a,、,R,a,U,M,E,U,f,I,f,、,R,f,当磁通,减少时，机械特性曲线的截距和斜率都增大，所以磁通减小，机械特性曲线上移，更加陡峭，但仍具有一定硬度，如下图所示。在一定负载下，,愈小，则,n,愈高。由于电机在额定状态运行时，它的磁路已接近饱和，所以,通常都是减小磁通,（,n,，将,转速往上调,（,n,n,N,）。,直流电机的调速方式,1,调磁方式,调速过程,当电枢电压,U,保持不变时，减小磁通,，由于机械惯性，转速不会立即发生变化，于是反电动势 减小，,I,a,随之增大（ ）， 增大。如果负载转矩,T,c,未变，则,T,Tc,，转速,n,上升。随着,n,的升高，反电动势,E,增大，,I,a,和,T,也随着减小，直到,T,T,c,时为止。但这时转速已比原来升高了。,必须指出，若电机在额定状态下运行，则电枢电流,I,a,为额定值，如果调速时负载转矩仍旧保持不变（为额定值），由于 ，故减小磁通量,后,I,a,必然超过额定值，因此调速后负载转矩必须减小。这种调速方法,适用于转矩与转速成反比而输出功率基本不变（,恒功率调速,）的场合,。,直流电机的调速方式,1,调磁方式,调速特点：,调速平滑，可,无级,调速；,调速经济，,控制方便,；,机械特性较硬,，稳定性较好；,这种调速方法的,局限,是转速只能升高，即调速后的转速要超过额定转速。因为电机不允许超速太多，因此限制了它的调速范围。在实际工作中，这种方法常作为电压调速的一种,补充手段,。,直流电机的调速方式,1,调磁方式,解：令,减小,10%,，即,0.9,，所以电流必须增大到,I,a,，以维持转矩不变，即：,磁通减小后的转速,n,对原来的转速,n,之比为：,即转速增加了,8%,。,举例：,例：有一并励电机，已知,U,110V,，,E,90V,，,R,a,20,，,I,a,1A,，,n,300r/min,，为了提高转速，调节励磁电阻,R,f,增加，使磁通,减小,10,，如负载转矩不变，问转速如何变化？,直流电机的调速方式,2,调压方式,实现方式,保持磁通,不变（励磁电流,I,f,为额定值时），当电枢电压,U,减小时，转速,n,也减小了。机械特性曲线的截距变小，但斜率未变，因此改变,U,可得出一组平行的机械特性曲线。在一定负载下，,U,愈低，则,n,愈低。由于改变电枢电压只能向小于电机额定电压的方向改变，所以转速将下调。,T,n,T,N,n,02,n,01,n,0,电枢电压减小,直流电机的调速方式,2,调压方式,调速过程,当磁通,保持不变时，减小电压,U,，由于转速不立即发生变化，反电动势,E,便暂不变化，于是电流,I,a,减小（ ），转矩,T,也减小（ ）。如果负载转矩,T,c,未变，则,T,T,c,，转速,n,下降。随着,n,的降低，反电动势,E,减小，,I,a,和,T,增大，直到,T,T,c,时为止。但这时转速已比原来降低了。,由于调速时磁通不变，如在一定的额定电流下调速，则电机的输出转矩便是一定的（,恒转矩调速,）。,直流电机的调速方式,2,调压方式,调速特点：,机械特性较硬,，并且电压降低后硬度不变，稳定性较好；,调速幅度大,；,可均匀调节电枢电压，得到平滑的,无级调速,。,这种调速方法的,缺点,是调压需用专门的设备，投资较高。近来由于采用了可控硅整流电源对电机进行调压和调速，使这种方法得到广泛应用。,直流电机的调速方式,2,调压方式,举例：,有一他励电机，已知：,U,220V,，,I,a,53.8A,，,n,1500r/min,，,R,a,0.7,，今将电枢电压降低一半，而负载转矩不变，问转速降低多少？设励磁电流保持不变。,解：由 可知，在保持负载转矩和励磁电流不变的条件下，电流也保持不变。电压降低后的转速,n,对原来的转速,n,之比为：,即在保持负载转矩不变的条件下，转速降低到原来的,40%,。,直流电机芜湖德力电机有限公司,duly/,直流电机调速控制器接线,第七讲 驱动元件及控制,概述,步进电机及其驱动,直流电机及其控制,普通直流电机,直流伺服电机,交流电机及其控制,液压、气动驱动元件及其控制,第七讲 驱动元件及控制,概述,步进电机及其驱动,直流电机及其控制,普通直流电机,直流伺服电机,结构与工作原理,基本特性,调速方式,功率驱动,交流电机及其控制,液压、气动驱动元件及其控制,结构及工作原理,与一般直流电机结构相似，为了减小转动惯量做得,细长,一些。它的励磁绕组和电枢分别由两个,独立电源,供电。也有永磁式的。通常采用,电枢控制,，就是励磁电压,U,f,一定，建立的磁通量,也是定值，而将控制电压,U,c,加在电枢上。,SM,U,C,U,f,放,大,器,U,C,是从控制器出来的控制信号（电压或电流，弱电信号）,功率驱动接口,第七讲 驱动元件及控制,概述,步进电机及其驱动,直流电机及其控制,普通直流电机,直流伺服电机,结构与工作原理,基本特性,调速方式,功率驱动,交流电机及其控制,液压、气动驱动元件及其控制,基本特性,直流伺服电机的机械特性同直流电机一样：,第七讲 驱动元件及控制,概述,步进电机及其驱动,直流电机及其控制,普通直流电机,直流伺服电机,结构与工作原理,基本特性,调速方式,功率驱动,交流电机及其控制,液压、气动驱动元件及其控制,调速方式,直流伺服电机的调速方式采用,调压方式,。,第七讲 驱动元件及控制,概述,步进电机及其驱动,直流电机及其控制,普通直流电机,直流伺服电机,结构与工作原理,基本特性,调速方式,功率驱动,交流电机及其控制,液压、气动驱动元件及其控制,功率驱动,功率驱动接口,主要解决与输入信号的,信号匹配,及,功率匹配,问题。,直流伺服电机调压式调速的常用的功率驱动接口方式有：,线性控制方式,PWM,控制方式,直流伺服电机的功率驱动,1-,线性控制,线性控制方式本身的,功率消耗,很大，是一种不太经济的控制方式，常用于功率较小的（小于几百瓦）系统中，不作详细介绍。,控制信号,（电压或电流）,线性放大器,（例如：运算放大器）,功率输,出接口,直流伺服电机,直流伺服电机的功率驱动,2-PWM,控制,脉冲宽度调制（,PWM,，,Pulse Width Modulation,）：,U,i,加法器,比较器,功率放大器,直流伺服,电机,三角波发生器,U,t,U,i,+U,t,U,s,U,p,n,电压,-,脉冲变换器,开关功率放大器,PWM,功率驱动接口组成框图,电压,-,脉冲变换器,作用,根据控制（指令）信号,U,i,对脉冲进行宽度调制，以便用宽度随指令变化的脉冲信号去控制大功率晶体管的导通时间，实现对电枢绕组两端,电压的控制,。,组成,：,三角波发生器,：产生一定频率的三角波,U,t,。,加法器,：将三角波信号,U,t,与控制（指令）信号,U,i,相加。,比较器,：工作在开环状态下的运算放大器，具有极高的开环增益及限幅开关特性，当,U,i,U,t,0,时，输出满幅正电平，当,U,i,U,t,0,时，输出满幅负电平。经比较器出来的信号,U,s,是一个脉冲信号，并且脉冲宽度由,U,i,控制。,电压,-,脉冲变换器,U,i,U,t,U,i,+U,t,U,s,U,i,0,t,t,t,t,U,i,0,U,i,U,t,U,s,t,t,t,t,U,i,+U,t,U,i,+U,t,t,t,t,U,i,0,时,，,T,1,、,T,4,导通，,T,2,、,T,3,截止，电机是的电流方向是从左向右（沿蓝线路径导通），此时电机处于,加速过程,；,T,1,T,2,T,3,T,4,D,1,D,2,D,3,D,4,M,U,C,开关功率放大器,工作过程,在,U,s,0,，,U,s,的占空比,50,，平均值,0,，正向导通时间反向导通时间，,U,p,0,，,正转,；,U,i,0,，,U,s,的占空比,50,，平均值,0,，正向导通时间反向导通时间，,U,p,0,，,反转,；,工作原理总结,通过控制（指令）信号,U,i,对脉冲宽度进行调制，得到一个占空比受,U,i,控制的脉冲,U,s,，用来控制电机的正、反向导通时间，从而得到不同的电枢平均电压，实现,直流伺服电机的电压调速,。,直流伺服电机,机座号,序号,额定功率,KW,额定转矩,NM,额定转速,RPM,额定电压,V,额定电流,A,峰值转矩,NM,电枢电阻,电枢电感,MH,50SYX,01,0.02,0.1,2000,24,1.5,0.8,3.7,0.5,02,0.04,0.2,2000,24,3.2,1.6,2.1,0.4,03,0.06,0.2,3000,24,5.8,1.6,0.8,0.2,70SYX,01,0.05,0.33,1500,48,1.1,2.4,1.1,7.3,02,0.1,0.33,3000,48,2.2,2.4,0.6,6,03,0.2,0.67,3000,48,4.4,5,0.9,7.6,176SYX,01,2.4,16,1500,160,17.7,128,0.7,2.5,02,3.5,23.3,1500,160,25.8,137,0.6,2.0,03,5,33,1500,160,36.8,264,0.5,2.7,04,7.5,48.8,1500,440,22,390,0.6,4.3,铭朗科技,mlarm/,上海瑞克科技发展有限公司,redcom-tech/,直流伺服电机驱动器,1,GND,控制信号地,输入,RS-232,2,TX,RS-232,发送端,输出,3,RX,RS-232,接收端,输入,4,AIN+,模拟输入信号正,输入,模拟信号,5,AIN-,模拟输入信号负,输入,6,EN,外部使能控制（高电平有效）,输入,控制信号,7,CLK/PWM,控制输入（脉冲,/,脉宽）,输入,8,DIR,方向控制,(,只在步进模式有效,),输入,9,ORG,位置清零（低电平有效）,输入,10,BRAKE,急停（低电平有效）,输入,11,FAULT,故障输出（集电极开路）,输出,12,GND,数字地,COM,端,13,+5Vout,编码器正电源,输出,编码器,14,A+,编码器信号,A,通道,输入,15,A-,编码器信号,A,通道,输入,16,B+,编码器信号,B,通道,输入,17,B-,编码器信号,B,通道,输入,18,GND,编码器电源地,输出,直流伺服电机驱动器控制端接口,(,铭朗科技,),1,VDD,驱动器电源,(,12,38V),输入,电源,2,VSS,驱动器电源地,输入,3,MOT+,电机驱动信号正,输出,电机,4,MOT-,电机驱动信号负,输出,直流伺服电机驱动器控制端接口,(,铭朗科技,),第七讲 驱动元件及控制,概述,步进电机及其驱动,直流电机及其控制,交流电机及其控制,交流伺服电机,交流异步电机,液压、气动驱动元件及其控制,第七讲 驱动元件及控制,概述,步进电机及其驱动,直流电机及其控制,交流电机及其控制,交流伺服电机,结构及工作原理,调速方式,交、直流伺服电机的比较,交流异步电机,液压、气动驱动元件及其控制,二相感应式交流伺服电机的结构及工作原理,二相感应式交流伺服电机定子上装有两个位置互差,90,的绕组，一个是励磁绕组，它始终接在交流电压,U,f,上；另一个是控制绕组，连接控制信号电压,U,c,。两相绕组在相位上相差,90,，分别通上交流电之后，形成旋转磁场，带动转子转动。,控制绕组,励磁绕组,控制器,U,C,U,f,第七讲 驱动元件及控制,概述,步进电机及其驱动,直流电机及其控制,交流电机及其控制,交流伺服电机,结构及工作原理,调速方式,交、直流伺服电机的比较,交流异步电机,液压、气动驱动元件及其控制,二相感应式交流伺服电机的调速方式,在二相感应式交流伺服电机控制绕组上有控制器，通过改变控制绕组上的控制电压的,幅值与相位,，将圆形磁场变为椭圆形磁场，从而进行控制与调速：,幅值控制,：通过改变控制电压的幅值改变电机的转速，与励磁绕组相位差保持,90,。,相位控制,：通过改变控制绕组与励磁绕组相位差来改变电机的转速。,幅值,-,相位控制,：最常用的一种方式，利用串联在励磁绕组上的电容来分相（省去了专门的移相电路），加上控制器上的调压，形成幅值,-,相位复合控制。简单实用，使用的较多。,三菱交流伺服电机,mitsubishielectric-automation,型号,应用,连接,位置模式,速度模式,力矩模式,第七讲 驱动元件及控制,概述,步进电机及其驱动,直流电机及其控制,交流电机及其控制,交流伺服电机,结构及工作原理,调速方式,交、直流伺服电机的比较,交流异步电机,液压、气动驱动元件及其控制,交、直流伺服电机的比较,结构,直流伺服电机因为有,换相装置,，体积和重量比较大，并且电刷和换向器之间在滑动接触时还会产生火花，因此其运行和维护都比较复杂；交流伺服电机,结构简单,，体积和重量小，经济。,性能,直流伺服电机有,好的调速性能,（转速,-,转矩曲线是直线）和相对功率大，交流伺服电机的转速,-,转矩曲线是非线性的，但随着微电子技术和控制技术的引入，其控制性能越来越好，在中小功率场合，逐步,替代,了直流伺服电机。,应用,交流伺服电机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，所以只适用于,0.5-100W,的小功率控制系统（属于微型电机），常用于速度、位置闭环控制系统，实现速度、位置的精确控制。,第七讲 驱动元件及控制,概述,步进电机及其驱动,直流电机及其控制,交流电机及其控制,交流伺服电机,交流异步电机,结构及工作原理,调速方式,变频调速,液压、气动驱动元件及其控制,三相感应式交流异步电机的结构及工作原理,结构,定子,+,转子,工作原理,定子中通入三相交流电旋转磁场转子中产生感应电流磁场和转子电流的共同共用下产生转矩。,转动方向与磁场旋转方向一致，但转子转速,n,小于磁场转速,n,0,，用转差率,s,来表示其差别大小。,特性,交流异步电机的转速,-,转矩曲线（机械特性曲线）如下图：,n,T,n,0,n,N,0,b,a,T,N,T,st,T,max,其中：,T,max,：最大转矩,T,st,：启动转矩,T,N,：额定转矩,第七讲 驱动元件及控制,概述,步进电机及其驱动,直流电机及其控制,交流电机及其控制,交流伺服电机,交流异步电机,结构及工作原理,调速方式,变频调速,液压、气动驱动元件及其控制,交流异步电机的调速方式,交流异步电机的转速：,调速方式有三种：,变极调速,：简单可靠，属于有级调速方式，目前只能做到四级调速，例如：双速电机。,转差调速,：通过改变转差率,s,来调速的方法很多，如调压、调阻、调滑差等等，调速范围小。,变频调速,：可以无级调速，调速范围宽，一般在调频的同时，还要调速其他参数。,第七讲 驱动元件及控制,概述,步进电机及其驱动,直流电机及其控制,交流电机及其控制,交流伺服电机,交流异步电机,结构及工作原理,调速方式,变频调速,液压、气动驱动元件及其控制,变频调速,是在电机技术的基础上引入微电子技术与控制技术，解决了交流电机调速难的问题。变频调速是交流电机调速的发展方向，在交流电机变频调速系统中，变频器是一个,功率驱动接口,，是实现变频调速的关键设备。,变频器的作用及分类,变频器的结构及工作原理,逆变电路的工作原理,三菱变频器端子接线图,交流异步电机的变频调速,变频器的作用及分类,作用,简单的说，,变频器的作用,就是将工频交流电变为适合于交流电机调速的电压、频率可变的交流电。,交,直,交变频器,交,交变频器,电压型,电流型,按变频方式,按控制方式,脉冲宽度调制型（,PWM,）,脉冲幅度调制型（,PAM,）,矢量控制型,工业,电源,变频器,M,电压、频率,固定不变,电压、频率,可调,分类,变频器的结构及工作原理（以交,-,直,-,交变频器为例）,结构,整流电路,：对工业交流电进行整流，给后续的逆变电路和控制电路提供直流电源（直流电压源或直流电流源）。,直流中间电路,：对整流电路出来的直流电进一步平滑，以保证逆变电路和控制电路得到质量较高的直流电。,逆变电路,：将平滑直流电转变成电压和频率可调的交流电以驱动交流电机。,控制电路,：起控制、保护和提供驱动。,工作原理,由整流电路和直流中间电路将工频交流电转变成平滑直流电，在控制电路的作用下，逆变电路又将直流电转变成电压和频率可调的交流电以驱动交流电机。,整流电路,直流中间电路,逆变电路,控制电路,工业电源,f,、,v,一定,f,、,v,可调,到交流电机,变频器结构框图,变频器的结构及工作原理（以交,-,直,-,交变频器为例）,工业,电源,平滑电容,电压型变频器主电路（大功率开关管）,M,平滑电感,工业,电源,M,电流型变频器主电路（晶闸管,/,可控硅）,E,U,V,W,逆变电路的等效电路,S,1,S,3,S,5,S,2,S,4,S,6,逆变电路的工作原理,相序,U,U-V,U,V-W,U,W-U,工作时钟,S,1,、,S,2,S,3,、,S,4,S,5,、,S,6,U,U-V,U,V-W,U,W-U,从以上分析是可发看出：, 从逆变电路中输出的交流电的,频率,是由开关的频率决定的；, 从逆变电路中输出的交流电的,电压幅值,是由直流电源决定的；,改变任意两组开关的顺序就可以改变交流电的,相序,（代替交流电机的正反转控制装置）。,开关,On,开关,Off,工作时钟,相序,U,U-V,U,V-W,U,W-U,S,1,、,S,2,S,3,、,S,4,S,5,、,S,6,U,U-V,U,V-W,U,W-U,三菱通用变频器,FR-E700,mitsubishielectric-automation,三菱变频器端子接线图,单相,/,三相电源,L1/L1,L2/N,L3,M,直流,24V,输出和外部晶体管公共端子,PC,STF,STR,RL,MRS,RES,SD,RH,RM,正转启动,反转启动,低速,输出停止,复位,公共输入端,高速,中速,多段速度选择,控制回路输入信号（无源输入）,3,1,2,频率设,定器,电流输入（,-,）,DC4-20mA,（,+,）,PU,接口,（,RS485,）,10,（,+5V,）,5,（公共端）,2,（,5,、,10V,切换）,频率设定信号（模拟输入）,4,（,DC4-20mA,）,U,V,W,短路片，采用提高功率因素的直流电抗器时，去除,P1,+,PR,报警输出,RUN,FU,SE,运行,频率检测,集电极开路输出公共端,AM,5,（,+,）,（,-,）,模拟信号输出,（,DC0-10V,）,接地,三菱,FR-E540/E520,（,S,）系列变频器端子接线图,三菱变频器端子接线图,连接,接口,第七讲 驱动元件及控制,概述,步进电机及其驱动,直流电机及其控制,交流电机及其控制,液压、气动驱动元件及其控制,液压、气动驱动元件及其控制,请参考相关资料,