机电一体化第四章.ppt

第四章 控制电动机及其选择计算;伺服系统分类;; 本章主要内容; 引 言 控制电机（伺服电机）是电气伺服控制系统的动力部件，是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。由于其可以在很宽的速度范围内进行连续、精确的控制，因而在机电一体化系统中得到广泛应用。 控制电机有回转和直线驱动电机，通过电压、电流、频率（指令脉冲）等控制，实现定速、变速驱动或反复起动、停止的增量驱动及其它复杂驱动。;图4-1 伺服电动机控制方式的基本形式;;伺服电机相关基本概念;伺服电机相关基本概念;;;;B;由于励磁磁通总力图沿磁阻最小路径通过，因此定子对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动，当转子转到与定子齿对齐位置时，因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。由此可见：定子与转子间的错齿是助使步进电机旋转的根本原因。 若对励磁绕组以一定方式通以直流励磁电流，则转子以相应的方式转动。其转动原理其实就是电磁铁的工作原理.;图4-3 步进电动机工作原理图; 由图4-3看出，给U相通电转子逆时针方向转过了30°角。给V相通电，转子逆时针再转过30°角；如此按照U→V→W→U的顺序通电，转子则沿逆时针方向一步步地转动，每步转过30°，这个角度就叫步距角。;三相双三拍; 步进电机还可以按三相六拍通电方式工作，即按U→UV→V→VW→W→WU→U…顺序通电，换接六次完成一个通电循环。这种通电方式的步距角为15°,是三拍通电时的一半。 步进电机的步距角越小，意味着所能达到的位置精度越高。;;步进电机;永磁式步进系列电动机;四自由度教学机器人;六自由度教学机器人 ; 二、步进电机的特点 根据上述工作原理，可以看出步进电机具有以下 几个基本特点： 1.步进电机受数字脉冲信号控制，输出角位 与输入脉冲数成正比，即： 式中 —电机转过的角度，（o）； N—控制脉冲数； β—步距角，（o）。 ;;; 6.步进电机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一???以后，其累积误差为“零”，不会长期积累； 7.易于直接与微机的I/O接口，构成开环位置伺服系统。微机需要D/A转换接口可以产生任意频率的脉冲信号。;;三、步进电机的运行特性及性能指标;;角-距特性曲线;;指令脉冲;;;功率放大;斩波恒流功放;;; 五、步进电机的选用 选用步进电机时，必须首先根据机械结构 草图计算机械传动装置及负载折算到电动机 轴上的等效转动惯量，分别计算各种工况下 所需的等效力矩。 再根据步进电机最大静转矩和起动、运行矩-频特性选择 合适的步进电机。 ;;确定起动频率是否满足要求;由于步进电机的起动矩—频特性曲线是在空载下作出的，检查其起动能力时应考虑惯性负载对起动转矩的影响，然后，再查其起动转矩和计算起动时间。;; 当在起动矩—频特性曲线上查不到带惯性负载时的最大起动频率时，可用下式近似计算： （4-1） 式中fL—带惯性负载的最大起动频率，Hz或p/s； fm—电机本身的最大空载起动频率，Hz或p/s； Jm—电机转子转动惯量，kg·m2。 JL—换算到电机轴上的转动惯量，kg·m2。 当JL/Jm=3时，fL = 0.5fm。 ;;; 第二节 直流伺服电机及其控制 直流伺服电机是用直流电供电的电机， 它在机电一体化设备中作为驱动元件， 其功能是将输入的受控电压/电流能量， 转换为电枢轴上的角位移或角速度输出。 ;一、直流伺服电动机的分类与结构;N;电枢等效电路图; 此外，电枢电流切割磁场磁力线所产生的电磁 转矩Tm可由下式表达: Tm=CmΦIa 则 式中，Cm是转矩常数，仅与电动机结构有关。 因此可得到直流伺服电动机运行特性的一般表达式：  ; 由此可以得出空载（ Tm＝0，转子惯量忽略不计）和电机起动（ω＝0）时的电机特性: （1） ω =0时，有 （1） Tm =0时，有 ; 把角速度ω