机电一体化研究生课件:jd-5.ppt
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1、机电一体化控制系统伺服系统伺服系统概述概述 (1) (1) 伺服系统的一般组成伺服系统的一般组成 (2) (2) 伺服系统的分类伺服系统的分类 (3) (3) 机电一体化装备对伺服系统的要求机电一体化装备对伺服系统的要求 伺服系统伺服系统(servomechanism)(servomechanism)是使是使物体的位置、方位、状态等输出被控物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。任意变化的自动控制系统。 伺服主要靠脉冲来定位,基本上可以这样理解,伺服主要靠脉冲来定位,基本上可以这样理解,伺服电机接收到伺服电机接收到
2、1 1个脉冲,就会旋转个脉冲,就会旋转1 1个脉冲对应的个脉冲对应的角度,从而实现位移。角度,从而实现位移。 因为,伺服电机本身具备发出脉冲的功能,所因为,伺服电机本身具备发出脉冲的功能,所以伺服电机每旋转一个角度,都会发出对应数量的以伺服电机每旋转一个角度,都会发出对应数量的脉冲,这样,和伺服电机接受的脉冲形成了呼应,脉冲,这样,和伺服电机接受的脉冲形成了呼应,或者叫闭环,如此一来,系统就会知道发了多少脉或者叫闭环,如此一来,系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机,同时又收了多少脉冲回来,这样,冲给伺服电机,同时又收了多少脉冲回来,这样,就能够很精确的控制电机的转动,从而实现精确的就能够很精确的
3、控制电机的转动,从而实现精确的定位,可以达到定位,可以达到0.001mm0.001mm。 伺服系统的一般组成伺服系统的一般组成 控制器控制器 + + 功率放大功率放大 + + 执行元件执行元件+ + 机械部件机械部件 + + 检测装置检测装置 伺服系统的分类伺服系统的分类 按执行元件分类按执行元件分类 伺服系统的分类伺服系统的分类 按控制原理分类按控制原理分类5 51 1 步步 进进 电电 机机 及及 控控 制制5 52 2 交流伺服电机及控制交流伺服电机及控制5 53 3 交流电机变频调速交流电机变频调速5. 4 5. 4 机电装备伺服系统的机电装备伺服系统的动力方法设计动力方法设计第五章
4、电 机 及 控 制 机电一体化系统机电一体化系统 应用最多的电机应用最多的电机步进电机步进电机伺服电机伺服电机 交流伺服电机交流伺服电机 直流伺服电机直流伺服电机调速电机调速电机 交流变频交流变频 直流调速直流调速1 1 步进电动机步进电动机结构与工作原理结构与工作原理 步进电动机是一种将步进电动机是一种将电脉冲信号电脉冲信号转换成转换成机械位移机械位移的机电执行元的机电执行元件。件。 步进电动机的分类:步进电动机的分类:工作原理工作原理反应式反应式励磁式励磁式混合式混合式输出转输出转矩大小矩大小快速步进电机快速步进电机功率步进电机功率步进电机励磁相数励磁相数二、三、四、五、六、八相等二、三、
5、四、五、六、八相等角位移角位移输入脉冲个数输入脉冲个数运行速度运行速度输入脉冲频率输入脉冲频率5.1 步步 进进 电电 机机 及及 控控 制制顾名思义:步进电机是一步步转动的顾名思义:步进电机是一步步转动的 每输入一个电脉冲,电机的的转子就每输入一个电脉冲,电机的的转子就转过一个固定的角度。转过一个固定的角度。 因此,可以很方便地将电脉冲转换成角位移因此,可以很方便地将电脉冲转换成角位移特点特点步步 进进 电电 机机 及及 控控 制制1 1)定位精度高)定位精度高2 2)没有积累误差)没有积累误差3 3)转换速度不快,毫秒级)转换速度不快,毫秒级(1)(1)、步进电动机的组成、步进电动机的组成
6、 如图所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图如图所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图 定子定子:由定子铁心、绕组、绝缘:由定子铁心、绕组、绝缘材料等组成材料等组成 励磁绕组由外部脉冲信号对各励磁绕组由外部脉冲信号对各相绕组轮流励磁。如图所示。相绕组轮流励磁。如图所示。AAK1K2K3BCBC 转子:转子:由转子铁心、转轴等组成。转子铁心是由硅钢片或软磁材由转子铁心、转轴等组成。转子铁心是由硅钢片或软磁材料叠压而成的齿形铁心料叠压而成的齿形铁心。(2)(2)、步进电动机的工作原理、步进电动机的工作原理 给给A A相绕组通电时,转子位相绕组通电时,转子位置如图(置如图(a a),转子齿偏
7、离定),转子齿偏离定子齿一个角度。子齿一个角度。 由于励磁由于励磁磁通力图沿磁阻磁通力图沿磁阻最小路径通过最小路径通过,因此对转子,因此对转子产生电磁吸力,迫使转子齿产生电磁吸力,迫使转子齿转动,当转子转到与定子齿转动,当转子转到与定子齿对齐位置时对齐位置时( (图图b)b),因转子只,因转子只受径向力而无切线力,故转受径向力而无切线力,故转矩为零,转子被锁定在这个矩为零,转子被锁定在这个位置上。位置上。 由此可见:错齿是助使步由此可见:错齿是助使步进电机旋转的根本原因。进电机旋转的根本原因。(2)(2)、步进电动机的工作原理、步进电动机的工作原理工作原理工作原理 T11-2.SWFT11-2
8、.SWF 结论:结论: 通电顺序为通电顺序为A AB B时,转子按顺时针方向一步一步转动时,转子按顺时针方向一步一步转动通电顺序改为通电顺序改为A A,时,转子按逆时针方向一步一步转,时,转子按逆时针方向一步一步转动。动。T11-3.SWFT11-3.SWF(3)(3)、步进电动机的通电方式、步进电动机的通电方式 1. 1. 单相通电方式:指对每相绕组单独轮流通电,对于三相步单相通电方式:指对每相绕组单独轮流通电,对于三相步进电动机:进电动机: 正转:正转:AB时,转子按顺时针方向一步一步转动。时,转子按顺时针方向一步一步转动。 反转:反转:A时,转子按逆时针方向一步一步转动。时,转子按逆时针
9、方向一步一步转动。 2. 2. 单、双拍工作方式:单、双拍工作方式: 正转:正转:A-AB-B-BC-C-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A 反转:反转:A-CA-C-BC-B-AB-AA-CA-C-BC-B-AB-A 3. 3. 双拍工作方式:双拍工作方式: 正转:正转:AB-BC-CA-ABAB-BC-CA-AB 反转:反转:AC-CA-BC-ACAC-CA-BC-AC (4)(4)、步进电动机的步距角、步进电动机的步距角 由一个通电状态改变到下一个通电状态时,电动机转子所转过由一个通电状态改变到下一个通电状态时,电动机转子所转过的角度称为步距角。的角度称为步距角。T11-2.SWF
10、T11-2.SWF 360360 / /ZKmZKm 其中:其中:Z Z转子齿数转子齿数 m m定子绕组相数定子绕组相数 K K通电系数通电系数 ,或状态系数,或状态系数 K K=1,2=1,2 若二相步进电动机的若二相步进电动机的Z=100,单拍运行时,单拍运行时, K K=1 =1 其步距角其步距角8 . 110023609 . 010022360若按单、双通电方式运行时,若按单、双通电方式运行时, K K=1,2 =1,2 步距角步距角 由此可见,步进电动机的转子齿数由此可见,步进电动机的转子齿数Z Z和定子相数和定子相数( (或运行或运行拍数拍数) )愈多,则步距角愈小,控制越精确。愈
11、多,则步距角愈小,控制越精确。 当定子控制绕组按着一定顺序不断地轮流通电时,步进当定子控制绕组按着一定顺序不断地轮流通电时,步进电动机就持续不断地旋转。如果电脉冲的频率为电动机就持续不断地旋转。如果电脉冲的频率为f f(HZ)(HZ),步,步距角用弧度表示,则步进电动机的转速为:距角用弧度表示,则步进电动机的转速为:fKmZfKmZfn606022602(5)(5)、步进电动机的主要性能指标、步进电动机的主要性能指标1. 步距角步距角 2. 最大工作频率:在转子不失步的情况下,电动机连续工作时,最大工作频率:在转子不失步的情况下,电动机连续工作时,输入脉冲信号的最大频率。输入脉冲信号的最大频率
12、。 速速 度度 3. 最大突跳频率:在转子不失步的情况下,电动机能增加和减最大突跳频率:在转子不失步的情况下,电动机能增加和减小的最大频率。小的最大频率。 4. 步距差:理想的步矩角与实际的步矩角之差。步距差:理想的步矩角与实际的步矩角之差。 5. 输出转矩:电动机轴上的输出转矩的大小输出转矩:电动机轴上的输出转矩的大小 步进电动机的输出转矩与脉冲频率的函数关系称为步进电动机的输出转矩与脉冲频率的函数关系称为矩频特性矩频特性。2 2 步进电动机的驱动电源步进电动机的驱动电源 (1)(1)、驱动电源的组成、驱动电源的组成脉脉冲冲分分配配器器功放电路功放电路三三相相步步进进电电机机负载负载功率电功
13、率电源源分配器电源分配器电源功放电路功放电路功放电路功放电路功率放大器功率放大器步进脉冲步进脉冲方向信号方向信号fABC脉冲分配器+功率放大电路1). 脉冲分配器脉冲分配器 当方向电平为低时,脉冲当方向电平为低时,脉冲分配器的输出按分配器的输出按A-B-CA-B-C的顺序的顺序循环产生脉冲。循环产生脉冲。fABC 当方向电平为高时,脉当方向电平为高时,脉冲分配器的输出按冲分配器的输出按A-C-BA-C-B的顺的顺序循环产生脉冲。序循环产生脉冲。 ABCf 2).功率放大器功率放大器 将脉冲分配器的输出信号进行电流放大后给电动机的定子绕组供将脉冲分配器的输出信号进行电流放大后给电动机的定子绕组供
14、电,使电动机的转子产生输出转矩。电,使电动机的转子产生输出转矩。(2)(2)、步进电动机的脉冲分配器、步进电动机的脉冲分配器 步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法来实现步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法来实现。 硬件环形分配器:由计数器等数字电路组成的。有较硬件环形分配器:由计数器等数字电路组成的。有较好的响应速度,且具有直观、维护方便等优点。好的响应速度,且具有直观、维护方便等优点。 软件环分:由计算机接口电路和相应的软件组成的。受软件环分:由计算机接口电路和相应的软件组成的。受到微型计算机运算速度的限制,有时难以满足高速实时控到微型计算机运算速度的限制,有时难以满足高速实时控制的
15、要求。制的要求。 1). 1).硬件环形分配器硬件环形分配器 BQ CQ CQ AQ AQ BQ W- QA CAJ K AQ + & & QB CBJ K BQ + & & R W+ QC CBJ K CQ + & & R S CP 复位 & & & A相B相C相 BQ CQ CQ AQ AQ BQ W- QA CAJ K AQ + & & QB CBJ K BQ + & & R W+ QC CBJ K CQ + & & R S CP 复位 & & & A相B相C相 1). 1).硬件环形分配器硬件环形分配器 分配器的主体是分配器的主体是 3 3 个个J-KJ-K触发触发器的器的Q Q输出端
16、分别经各自的功放输出端分别经各自的功放与步进电机的与步进电机的A A、B B、C C绕组连接,绕组连接, 当当QA=1 AQA=1 A绕组通电绕组通电 QB=1 BQB=1 B绕组通电绕组通电 QC=1 CQC=1 C绕组通电绕组通电 W W是步进电机的正反转的控制信是步进电机的正反转的控制信号号序号序号控制信号状态控制信号状态输出状态输出状态导电绕组导电绕组CAJ CBJ CCJQA QB QC0 01 1 01 1 01 0 01 0 0A A1 10 1 00 1 01 1 01 1 0ABAB2 20 1 10 1 10 1 00 1 0B B3 30 0 10 0 10 1 10 1
17、 1BCBC4 41 0 11 0 10 0 10 0 1C C5 51 0 01 0 01 0 11 0 1CACA6 61 1 01 1 01 0 01 0 0A A 2) 2)软件环形分配软件环形分配 软件环分的方法是利用计算机程序来设定硬件接口的位状软件环分的方法是利用计算机程序来设定硬件接口的位状态,从而产生一定的脉冲分配输出。态,从而产生一定的脉冲分配输出。 a) a) 输出接口输出接口 8031 8031单片机本身包单片机本身包含含4 4个个8 8位位I/OI/O端口,分别端口,分别为为P0P0、P1P1、P2P2、P3P3。 输出接口是将计算机的输出端与步进电动机的每相绕组一一
18、输出接口是将计算机的输出端与步进电动机的每相绕组一一对应起来。对应起来。8031P1.0P1.1P1.2ABC驱驱动动器器 若要实现三相步进若要实现三相步进电动机的脉冲分配,需电动机的脉冲分配,需要三根输出口线,本例要三根输出口线,本例中选中选P1P1口的口的P1.0P1.0、P1.1P1.1、P1.2P1.2位作为脉冲分配的位作为脉冲分配的输出。输出。 b) b) 输出模型输出模型 如果三相步进电动机按单、双拍通电方式工作,即如果三相步进电动机按单、双拍通电方式工作,即: : 正转:正转:A-AB-B-BC-C-CAA-AB-B-BC-C-CA 反转反转:A-AC-C-CB-B-BCA-AC
19、-C-CB-B-BC 根据根据80318031单片机的基本原理,对单片机的基本原理,对P P1.01.0、 P P1.11.1、 P P1.21.2位编程使其位编程使其按表规定改变输出状态就实现了三相六拍分配任务。按表规定改变输出状态就实现了三相六拍分配任务。P P1.71.7通电通电相相X XX XX XX XX X0 00 01 1A AX XX XX XX XX X0 01 11 1ABABX XX XX XX XX X0 01 10 0B BX XX XX XX XX X1 11 10 0BCBCX XX XX XX XX X1 10 00 0C CX XX XX XX XX X1 1
20、0 01 1CACAP P1.51.5P P1.41.4P P1.31.3P P1.21.2P P1.11.1P P1.01.0P P1.61.6 P1 P1输送的内容依次为:输送的内容依次为: 01H A01H A03H AB03H AB02H B02H B06H BC06H BC04H C 04H C 05H CA05H CA正正转转反反转转输出模型输出模型 c) c) 控制程序控制程序 按正转和反转的要求将输出模按正转和反转的要求将输出模型向型向P1P1口发送,并控制步进电动机口发送,并控制步进电动机的速度。的速度。 设输出模型存放在存储器中,首设输出模型存放在存储器中,首地址为地址为2
21、000H2000H,地址指针为,地址指针为DPR,DPR,初始值初始值为为2000H2000H。 初始化初始化正转正转(DPR)P1 调用延时子程序调用延时子程序 (DPR)=05H DPR-5DPR PR+1DPR(DPR)P1 调用延时子程序调用延时子程序 (DPR)=01H PR+5DPR DPR-1DPRNNNYYY(3)(3)、步进电动机的功率放大电路、步进电动机的功率放大电路 步进电动机的功率驱动电路实际上是一种脉冲放大电路,使脉步进电动机的功率驱动电路实际上是一种脉冲放大电路,使脉冲具有一定的功率驱动能力。冲具有一定的功率驱动能力。 由于功率放大器的输出直接驱动电动机绕组,因此,
22、功率放大由于功率放大器的输出直接驱动电动机绕组,因此,功率放大电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。 1. 1.单电压驱动电路单电压驱动电路 R C RD V L +U VT L是电动机绕组是电动机绕组VT开关晶体管开关晶体管 电阻电阻R两端并联电容两端并联电容C,使电流上升更快,使电流上升更快,所以,电容所以,电容C又称为加速电容。又称为加速电容。 二极管二极管V在晶体管在晶体管VT截止时起续流和保护截止时起续流和保护作用,串联电阻使电流下降更快,从而使绕作用,串联电阻使电流下降更快,从而使绕组电流波形后沿变陡。组电流波形后沿变陡。 2). 2)
23、.高低压切换型驱动电路高低压切换型驱动电路 R V1 L +80V Ub1 VT1 Ub2 VT2 V2 +12V Ub1 0 t Ub2 0 t I 0 t t1 t2 t3 高低压驱动线路的优点是:功耗小,启动力矩大,突跳频率和高低压驱动线路的优点是:功耗小,启动力矩大,突跳频率和工作频率高。缺点是:工作频率高。缺点是:。数量要多用一倍,增加了驱动电源。数量要多用一倍,增加了驱动电源。步进电机的细分驱动步进电机的细分驱动 从步进电机的原理看从步进电机的原理看 精度、平稳性都有限精度、平稳性都有限 步进电机的细分原理步进电机的细分原理 步进电机是一种电流驱动元件。改变步进电机是一种电流驱动元
24、件。改变步进电机各相电流的大小,就能使转子相对于每步进电机各相电流的大小,就能使转子相对于每个驱动脉冲的变化量转变,使原有的平衡位置间个驱动脉冲的变化量转变,使原有的平衡位置间增加新的平衡点,从而实现了步距细分增加新的平衡点,从而实现了步距细分 伺服电机(伺服电机(servo motor )是指在伺服系统中控制机)是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机,是一种补助马达间接变速装置。械元件运转的发动机,是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度,位置精度非常准确,可以将伺服电机可使控制速度,位置精度非常准确,可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。电压信号转化为转矩和转速以驱动控制
25、对象。在自动控制系统中,用作执行元件,把所收到的电信在自动控制系统中,用作执行元件,把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类,其主要特点是,分为直流和交流伺服电动机两大类,其主要特点是,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降而匀速下降。5.2 交流交流伺服电动机伺服电动机伺服电机(伺服电机(servo motor )是指在伺服系统中控制)是指在伺服系统中控制机械元件机械元件运转的发动机,运转的发动机,是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度
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