[工学]现代工程控制基础2.ppt

第2章 自动控制系统的驱动与传动装置 2.1 概述 2.2 直流伺服电动机及其控制 2.3 交流伺服电动机及其控制 2.4 步进电动机及其控制 2.5 特种电动机及其应用 2.6 运动控制系统中的传动机构 2.7 驱动系统设计 2.1 概述 2.2 直流伺服电动机及其控制 2.3 交流伺服电动机及其控制 2.4 步进电动机及其控制 按线圈激励设计的不同，步进电动机可分为二相、三相、四相和五相等； 一般二相电动机的步距角为0.9o/1.8o、三相的为0.75o/1.5o、五相电动机的为0.75o/1.5o等。 按其传动设计方式的不同，步进电动机又有旋转型和直线型等； 按电磁设计一般分为变磁阻式(VR型，也称为反应式)、永磁式(PM型)和混合式(HB型)步进电动机。 2.4.1 步进电动机的主要性能指标 2.4.2 步进电动机的控制特性 (1) 点-位控制： 点-位控制，就是控制电动机拖动负载从一个位置运行到另一个位置。对步进电动机而言，就是控制电动机从一个锁定位置运行若干步到达另一个位置后进入锁定状态。 (2) 加减速控制： 步进电动机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和相数，与电压、负载、温度等因素无关。当步进电动机选定后(即转子齿数和相数一定)，其转速只与输入脉冲频率成正比，改变脉冲频率就可以改变转速。 (3) 闭环控制： 2.4.3 步进电动机的选择与使用 （1）供电电源的接线端子VDD ：直流电源正端（18V-40V），220V的交流电需经由一个整流桥得到输入电压；GND：直流电源地线（与输入信号CW-，CP-不共地）。 （2）连接电动机的接线端子A+、A-接电动机线A相；B+、B-接电动机线B相（该驱动器只能驱动二相步进电动机）。 2.5 特种电动机及其应用 2.5.1 力矩电动机 力矩电动机是一种能够长期处于堵转状态工作的低转速、大转矩的特殊电动机。它可以不需要齿轮减速而直接驱动负载，并由输入控制电压信号直接调节负载的转速，具有反应速度快、转矩和转速波动小、特性线性度好、能在很低转速下稳定运行等优点。 2.5.2 直线电动机 直线电动机是一种作直线运动的电动机。它可以看成是从旋转电动机演化而来的。如图2.20所示，设想把旋转电动机沿径向剖开并拉直，就得到了直线电动机。旋转电动机的径向、周向和轴向，在直线电动机中分别称为法向、纵向和横向。 2.6 运动控制系统中的传动机构 2.6.1 谐波齿轮传动机构 谐波齿轮减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器。谐波齿轮传动（简称谐波传动）是依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动的一种行星齿轮传动，其特点是啮合过程无齿侧间隙，因而无空回程。 2.6.2 滚珠丝杠和直线导轨 2.6.3 同步齿型带和带传动机构 同步齿型带(带齿的皮带)、V型带(三角皮带)、平型带、链、绳索(钢丝绳)等机构都是长距离传递运动的机构。 同步齿型带与V型带相比不需要很大的张紧，因为有齿的啮合，所以传动效率较高。 链传动机构在长距离传动中有较高的刚度，但在高速运转时由于多边形效应而存在振动噪音问题。 绳索传动与其它传动相比刚度最低，但由于其传递线路限制较少，所以在许多场合作为简单传动使用。 2.7 驱动系统设计 式中，I为电动机与负载折合到电动机上的总转动惯量； Tf为复合摩擦力矩； α为电动机所需的角加速度。 2.7.2 设计举例 2.8 工程实例中的驱动及其传动技术 步进电动机规格的选择主要考虑步距角(涉及到相数)、 静力矩和电流三大要素。一般情况下，使用单片机产生所 需频率的控制脉冲和方向控制信号，而各相定子绕组中电 压或电流的控制任务，则由配套的步进电动机驱动器来完成。 驱动器接线示意图如图2.16所示： VDD GND VDD GND (3)控制信号接线端子CP+、CW+为输入控制信号的公共阳端；CW-为方向控制信号输入端(此端子加低电平，电动机立即按反方向旋转)；CP-为脉冲信号输入端（在CP停止施加时，电动机锁定，要保证CP为高电平，使内部光耦截止），脉冲信号幅值要求高电平电压为4.0~5.5V，低电平为0~0.5V，脉冲信号工作状态(即占空比)为50%或50%以下。 VDD GND 控制信号输入电流为5mA~20mA，一般使用输入电流15mA。控制输入端(CW-和CP-)的具体接线方法如图2.17所示，脉冲信号(CP-)和方向信号(CW-)输入回路上的外部电阻(R)阻值由输入电压确定，如果输入电压超过5V，参照表2.4进行加装外接电阻R用以限流。 0.6