大学精品课件：第五章 控制电机.ppt

1、控 制 电 机,第五章,1、了解控制电机的分类； 2、了解交、直流伺服电机的工作原理及特点； 3、了解各种控制电机的用途； 4、了解控制电机与普通电机的区别； 5、了解轴角的检测方法。,本章要求：,本章知识点：,1、步进电机的工作原理及驱动方式； 2、交流伺服电机的工作原理； 3、自转及消除自转的措施； 4、力矩电机大转矩低转速的机理； 5、控制系统的一般组成。,电机的分类：,控制电机的用途与要求：,1、 用途： 用于自动控制、自动调节、远程控制、伺服控制系统。 2、 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。,5.1步进电机传动控制系统,步进电动机是一种将电脉冲信号变换

2、成相应的角位移或直线位移的机电执行元件，每当输入一个电脉冲时，它便转过一个固定的角度，这个角度称为步距角，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。 当电动机不失步时，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，其转速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。,步进电机的分类 1、定位电磁铁原理的步进电机； 2、反应式步进电机（变磁阻式）； 3、永磁式步进电机； 4、混合式步进电机。,5.1.1步进电机的结构与工作原理,当A相通电时，定子A相

3、的齿与转子上的齿对齐(磁通具有力图沿磁阻最小路径通过的特点)，B相的齿与转子上的齿错开1/3齿，C相的齿与转子上的齿错开2/3齿。若按A、B、C相轮流导通，每通电一次转过1/3齿；若按A、AB、B、BC、C、CA的方式，则每通电一次，转过1/6齿。 转子与相之间错开的角度增量为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。,反应式步进电动机工作原理,接线与结构,A相绕组通电,B相绕组通电,C相绕组通电,5.1.2步进电机的步距角、和拍的定义 1、拍定子由一种通电状态转换到另一种通电状态（即磁场状态每一次变化）称

4、为一拍； 2、步距角步进电机每转一步（一拍）所转过的角度。其大小取决于转子的齿数，和通电的方式。 步距角 =360o/(ZKm) Z转子齿数； m定子绕组相数； K状态系数（单m拍、双m拍时K=1，单、双m拍时K=2）。 3、步进电机的转速n=60f /2 显然，齿数越多、相数越多，步距角越小，精度越高，但转速越慢。,5.1.3提高步进电机分辨率的方法： 1、增加转子齿数Z（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； 2、增加定子绕组相数m（做成多相）； 3、做成多段式结构； 4、采用电流细分技术（通过单片机的D/A控制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

5、改善运动性能。,5.1.4 步进电动机的分类 1按步进电动机的工作原理分 1）励磁式 电机的定子转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动。 2）反应式(变磁阻式） 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，有较好的技术性能指标。 3）混合式（即永磁感应子式） 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，是一种很有发展前途的步进电动机。 还有其它的分类方法（自学）,混合式步进电机有零电流力矩,5.1.5环形分配器的实现

6、1、硬件环形分配器（随着单片机的出现已很少使用）； 2、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,1、单电压限流型驱动电路 为了克服静摩擦力和惯性，加大步进电机的加速度，加快启动过程，采用高低压切换电路。利用高电压产生大力矩，利用低电压维持静止，从而减少发热。,当晶体管VT导通瞬间，由于电容C两端电压不能突变，电容相当于短路，加在电阻R的电压很小，电流很小，电压全部加在绕组L上，电流快速上升。随着电容充电，加在绕组L的电压降低电流减少。,V为续流二极管，RD为限流电阻防止关断瞬间反电势过高，击穿晶体管VT。电容C仅在启动时起作用，称为加速电容。时间常数=L/（r+R)为了提

7、高速度，要加大R，但要保证维持电流，必须同时提高U。造成功耗大。I=U/（r+R),2、双电源高低压切换型驱动电路 开始时VT1、VT2同时导通，80V直接加在绕组L上，当经过t2时间，关断VT2，用低压12V维持。在下一步开始前，把VT1关断。,引起步进电机失步的原因： 1、步进电机的力矩不够（负载力矩大于步进电机的最大静力矩）； 2、加减速过快（动态力矩不够）； 即给定角加速度=（TM-TL）/J,步进电机控制的优缺点： 优点： 1、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，可以用于高精度的开环控制； 2、控制方法及设备简单，价钱便宜； 3、零速（堵转）力矩大； 4、永磁式

8、和混合式有零电流力矩； 5、体积小。 缺点： 1、高速力矩小（每一步只有一个齿出力）响应慢； 2、允许最高转速低（每一步都作启、停运动）； 3、精度低（受步距角限制） 4、共振点多，噪声大； 5、功率小。 在高性能的控制中步进电机正被交流伺服控制取代。,只有A相通电,A相电流大于B相,B相电流大于A 相,5.1.7 步距角的细分技术 步距角的细分技术是利用计算机的D/A控制两相电流的比例来实现细分。例A相电流按1、7/8、6/8、5/8 、4/8、3/8、2/8、1/8、0递减；B相电流则按0、1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8、7/8、1递增。就可以把1拍细分成8拍。,T,步,5

9、2 交流伺服电机,伺服电动机的定义：,能对输出信号迅速作出相应反应的电机称为伺服电动机。,伺服电动机有交流、直流两种。,伺服： 即跟随。输出信号跟随输入控制信号作相应的变化。,伺服电机的特点,伺服电机与一般的驱动电机相比主要有如下的特点： 1、调速范围大（由几分钟一转到每分钟上万转） 2、转子的惯性小（即转动惯量小）； 3、控制功率小、过载能力强；,交流伺服电动机的结构： 实质：两相异步电动机（与单相异步机相似）。 组成：定子（励磁绕组、控制绕组），转子（细长形，或杯型，减小转动惯量） 。 杯形转子：可看成无数导条组成的鼠笼转子 。,纵横剖面图,511 两相交流伺服电机,两相交流伺服电机结构与

10、普通异步电机差不多，为提高响应的快速性，转子做成细长形或空心杯形。定子绕组与单相电容式异步电动机类似，把两个绕组在空间上布置成互成900电角度(空间角度与电角度的关系：为空间角度=电角度/极对数)，其中一个为励磁绕组WF，另一个为控制绕组WC（提供动力），分别接在两个频率相同但频率可变的电源上，形成旋转磁场。,其工作原理以分相式单相异步电动机的原理为基础，励磁绕组接到电压一定的交流电网上，控制绕组接到控制电压UC上，当有控制信号输入时，两相绕组便产生旋转磁场。该磁场与转子中的感应电流相互作用产生转矩，使转子跟着旋转磁场以一定的转差率转动起来， 其同步转速 n060fp,转子的转向与旋转磁场的方

11、向相同，把控制电压的相位改变180。则可改变伺服电动机的旋转方向。例如给下图的控制电压，电机作连续的正反转。,对伺服电动机的要求是：控制电压一旦取消，电动机必须立即停转。但根据单相异步电动机的原理，电动机转子一旦转动以后，再取消控制电压，仅励磁电压单相供电，电机仍将继续转动，即存在“自转”现象，这意味着失去控制作用，这是不允许的。,513 消除自转现象的措施,从三相异步电动机的人为机械特性可知，加大转子电阻可改变电动机的转速转矩特性（见图63），转子电阻增大到一定程度，可使最大转矩出现在s1附近。,为此目的，通常把伺服电动机的转子电阻R2设计得很大，使电动机在失去控制电压时，亦即成单相运行时，

12、正转矩或负转矩的最大值均出现在S1的地方，这样可得出图64所示的机械特性曲线。,图64中曲线1为有控制电压时伺服电机的机械特性曲线，曲线T和T为去掉控制电压后，脉动磁场分解为正、反两个旋转磁场Bm1、Bm2对应产生的转矩曲线。曲线T为去掉控制电压Uc 后单相供电时的合成转矩曲线。从图看出，它与单相供电的异步电机合成转矩的机械特性曲线不同，合成力矩T在第二和和第四象限内。,当速度为正时，电磁转矩T为负，当速度为负时，电磁转矩T为正，即去掉控制电压后，单相供电时的电磁转矩的方向总是与转子转向相反，是一制动转矩。因此，可使转子迅速停止。,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，两相

13、交流伺服电机工作时，励磁绕组始终与电源连接。加大转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。,没有启 动转矩,有启 动转矩,调速范围小n0ns,调速范围大0n0,513两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，即改变控制电压UC的控制方式。其特性见图66。图中n0 为什么随控制电压变化，而不是象图524那样，保持n0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。,其它交流伺服电机 （多为三相电机）,514 伺服电机在控制系统中的应用,伺服控制分为： 位置伺服： 以保证位置精度为控制目标； 速度伺服： 以保证速度

14、精度为控制目标； 加速度伺服： 以保证加速度精度为控制目标； 力伺服： 以保证力或力矩精度为控制目标；,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、力矩控制。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,速度、位置双闭环的控制系统,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。多环的控制系统，最终要保证的物理量放在最外环。

15、内环是改善动态品质，外话环是保证控制目标的精度。当把外环传感器换成力传感器，则系统成为力伺服控制系统。在图67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，都可得到另外两个物理量。,力传感器,二阶微分,更详细的方框图,采用复杂的控制系统 其目的是为了改善系统的动态品质。所谓改善动态品质是指：提高响应速度；减少震荡次数；减小超调量；缩短调整时间。例如定位控制，1的控制就比2好。,原理： 与普通直流电机完全相同。所不同的是电枢电阻大，机

16、械特性软、线性（电阻大，可弱磁起动、可直接起动）。 控制方式： 1.电枢控制（常用）； 2.励磁控制（少用）。,直流伺服电动机的两种控制方式,52直流伺服电动机（自学）,电枢控制,励磁控制,与交流伺服电动机（电压控制）的特性相比，直流伺服电动机的nT特性是一直线，特性硬。缺点是有电刷。见图68、图69,53力矩电机,伺服电动机都要求转子转动惯量小，这是基于两点： 1、相同功率的电动机转速越高电机体积越小、重量越轻、价格越低；采用高速电机与大减速比的减速器配合，以满足执行机构所需的转速和力矩，比直接采用低速电机，无论体积、重量、价格都有优势。（因为减速器材料可通过热处理、和选用合金材料提高性能，

17、减小体积减轻重量，而电机必须用矽钢片；此外，普通钢材比电机材料如：矽钢片、铜、铝便宜）； 2、由于采用大减速器比，负载及执行机构的转动惯量JL折算到电机轴上很小、（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。,例如：某负载的转动惯量是电机转子转动惯量的10倍，若取减速比为5，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2/5）。在第二章曾经提过，要使系统响应最快，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J/L等于电机转子的转动惯量JD。因此，必须减小电机转子的转动惯量。,带减速机构传动存在的问题,伺服系统对间隙非常敏感，会造成控制死区，引起振荡。

18、采用减速器减速传动难免存在间隙,因此容易产生振荡。间隙引起振荡的原因是执行机构对控制信号响应滞后引起的。,例如A、B分别是一对齿轮的主动轮和从动轮，在从动轮上装有速度传感器，A、B之间有间隙X，当控制系统通过速度传感器测得转速过快时，控制主动轮A减速，而从动轮B由于存在间隙并未跟着减速，这时，从速度传感器检测到的速度不变，当主动轮减到速度合适时控制系统仍误认为减速不够,命令主动轮A进一步减速，经过t=X/ (v2-v1) 的时间，间隙已经消除，,从动轮B开始随着A减速，这时速度传感器检测到实际速度已比所需的速度低，控制系统控制主动轮A加速，而从动轮B同样由于存在间隙并未跟随，这时，从速度传感器

19、检测到的速度不变，控制系统误认为加速不够,命令主动轮A进一步加速，经过t=X/(v1-v2)的时间，间隙消除，从动轮B开始随着A加速，这时，实际速度又已超过合适的速度，如此反复，形成振荡。,反向时则引起滞后。当主动轮A反向时，由于存在间隙从动轮B并未跟随反向，经过t=X/（v1+v2）的时间，间隙消除，从动轮B才开始随着主动轮A反向。此外，间隙还引起冲击和噪声。,解决间隙引起的振荡的方法,1、在控制系统中加入延时时间t=X/v，当控制系统发出控制指令后，延时t=X/ v再进行速度比较（ X是间隙， v是速度差）； 2、把速度传感器装在主动轮A上，但影响控制精度，有大小为X的误差； 3、采用直接

20、传动，消除间隙。,采用直接传动要解决两个问题：,1、大力矩 由于没有减速器的增力作用，一般的控制电机力矩不够； 2、低转速 由于没有减速器，一般的电机达不到所需的低转速。 力矩电机是基于这一要求而设计的。,力矩电机的特点：,1、力矩大；2、转速低；3、结构上直径D大,长度L短（转动惯量大）。,力矩电机做成大直径，一方面是采用直接传动，电机的转动惯量比负载的转动惯量小得多。仍以上面的例子分析，电机转子的转动惯量仅为负载的1/10；,另一方面从电机力矩与直径关系： T=BIaNLD/2 当BIa NL/2 不变时，TD， 而由运动电动势公式： ea =BLv ea 感应电动势； v转子导体线速度；

21、 v=D n/60 n0 = v60/D= U60/BLD ea =U （空载时） n01/D 加大直径D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响不大。这是为什么力矩电机做成大直径的原因。,自整角机，正被绝对位置光电编码器取代。把两台电机上的光电编码器输出编码DA、DB（二进制或其他进制编码）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。 U=K（DADB ） ，相当于U= K（EAEB ）,55 直线电动机 （自学）,直线电动机的原理，相当于把旋转电机沿着半径方向剖开，把定、转子展成平面而成。直线电机可以直接带动机械作直线运动 。,异步直线电机工作原理,

22、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,直线电动机,滑 板,万向铰链,杆 件,介绍几种新电机,球电动机工作原理,这是一种概念电机，还没有正式产品。,电滚珠丝杆 （转子做成丝杆）,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,光电编码器是轴角速度检测最常用的方法。分增量式和绝对式两种。增量式只能确定相对位置且有累积误差，绝对式可确定绝对位置，且没有累积误差。前者简单后者复杂。,光电编码器,绝对式编码器 （a）二进制码盘 （b）葛雷码盘,光电编码器测速方法： 1、测单位时间的脉冲个数（称为M法），转速越高精度越高，适合测高速； 2、测量两脉冲之间的时间（称为T法）

23、，转速越低精度越高，适合低速。 3、既测单位时间的脉冲个数又测两脉冲之间的时间（称为M-T法）适合大调速范围的转速测量。,f c时钟脉冲； T g规定的测量时间； T tach编码器脉冲周期； T检测时间； nM被测转速； m1规定的测量时间内计数器对编码器的脉冲计数值； m2计数器对时钟脉冲频率f c的脉冲计数值； P编码器每转脉冲数；,三种测速方法的比较：,在转动盘上开出一等进螺线栅缝，光源通过螺线状栅缝和固定栅缝后变成一光点，随着轴的转动，光点在感光面上上下移动。在感光面上安装位置检测元件，即可测出轴的转角及角速度。,光电式角度传感器,旋转变压器,作用：将输入的角度信号转换成高精度的电压

24、信号输出。 结构：定、转子均有两个在空间上互相垂直的绕组。 原理：当给定子绕组输入一交流参考电压（励磁电压)，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），对上两式进行相敏解调后得： e s=U m sin; e c=Um con,定子,转子,把 e s 、 e c倒相后，利用它们的过0点和等值点把一个周期分为8个区域（卦限），并用3位二进制码对8个卦限进行编码，再结合A/D

25、 测出各卦限的轴角。即可得到轴角的绝对位置。,这种处理方法类似于尺子，各卦限的编码相当于寸的刻度，A/D 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8乘A/D 的数值。若一圈有N个绕组，A/D的位数n位，分辨率等于8N2 n。速度(Di Di-1)/t,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。直线分辨率可达1，角度可达0.5“。,定子由相差90的参考电压供电，把转子感应电压送进相位比较器后输出与转角成正比的脉冲。,磁编码器,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，其数值恰好反映转角的变化，两次采样的时间间隔dT 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前绝对位置。这种传感器，响应快、允许工作速度高、结构简单、可靠、价格低；但位置精度稍差。,这是一种最新的转速位置检测传感器在一块圆形的永磁体上，上半圆充成N极，下半圆充成S极，用一个霍尔传感器检测磁场的变化，通过内置单片机的A/D把磁场强度的变化进行处理，从而测出转速和位置。,本章参考文献,现代直流伺服控制技术及其系统设计 秦继荣编著 机械工业出版社 1993 机电一体化实用手册 日 三浦宏文主编 科学出版社 2001 并联运动机床 张曙著 机械工业出版社 2003,