第3章 执行元件的选择与设计

0 A B C
2 i d (t) = i A (t)cos(θ) + i B (t)cos(θ - 120o ) + i C (t)cos(θ + 120o ) 3 2 i q (t) = i A (t) sin(θ) + i B (t) sin(θ - 120o ) + i C (t) sin(θ + 120o ) 53 3

21
3.2 常用的控制用电动机
• 力矩电动机、脉冲（步进）电动机、变频 调速电动机、开关磁阻电动机和各种 AC/DC电动机等。 • 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。 • 可在很宽的速度和负载范围内进行连续、 精确的控制。 • 常用的控制用电动机是指能提供正确运动 或较复杂动作的伺服电动机。
三相单三拍
B' 1
A
C'
4
3
2
B
C
A'
68
3.4.2 步进电动机的工作原理
• 三相单双六拍
• AAB B BC • C CA A A
B' 4 1 2 3 A'
A
C' B
B'
A C' B
B'
C' B
A'
C
C
A'
C
69
3.4.2 步进电动机的工作原理
• 三相双三拍
ABBC CA AB
62
永磁(PM)型步进电机
• 转子2采用永久 磁铁、定子1采 用软磁钢制成， 绕组3轮流通电 ，建立的磁场与 永久磁铁的恒定 磁场相互吸引与 排斥产生转矩。
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永磁(PM)型步进电机
• 这种电动机由于采用了永久磁铁，即使定 子绕组断电也能保持一定转矩，故具有记 忆能力，可用做定位驱动。 • 特点
• iA= - i sin(θ)，iB = isin(θ+60)，iC = -（iA+iB）
• 只要在定子中通入上述电流，就可实现转矩的单变 量控制。
56
同步交流伺服电机控制
57
3.4 步进电动机及驱动
• 步进电机
• 又称脉冲电机，将电脉冲信号转换成机械 角 位移的执行元件。 • 输入一个脉冲 ，电机转动一步，转子角位移 的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成 正比，并在时间上与输入脉冲同步。
同步交流伺服电机控制
• 矢量控制
• 若把iA 、 iB、 iC看作未知数，用i0 、id 、 iq表示，可得：
iA id cos( ) iq sin( ) i0 iB id cos( 120 ) iq sin( 120 ) i0 iC id cos( 120 ) iq sin( 120 ) i0 • 其中，零轴电流i0分量等于零。
22
3.2 常用的控制用电动机
• 伺服电动机控制方式的基本形式
23
3.2 常用的控制用电动机
• 伺服电动机的特点及应用实例
24
3.2 常用的控制用电动机
25
3.2 常用的控制用电动机
26
3.2 常用的控制用电动机
27
3.2 常用的控制用电动机
28
3.3 直流与交流伺服电动机
• 熟悉直流电机的工作原理
12
执行元件——液压式
13
电机执行元件的应用
14
液压执行元件的应用
15
液压执行元件的应用
16
压电驱动器
17
压电驱动器
18
压电驱动器
19
3.1 种类、特点及基本要求
电动机
交流(AC)伺服电动机 直流(DC)伺服电动机 步进电动机 其它电动机 液压马达 双金属片 形状记忆合金 压电元件
20
A
Байду номын сангаасB'
A
C'
B
A'
B'
C' B
A'
C
C
AB通电
BC通电
70
3.4.2 步进电动机的工作原理
• 三相双三拍
ABBC CA AB A
B'
A C' B
B'
C' B
A'
C
A'
C
CA通电
AB通电
71
3.4.2 步进电动机的工作原理
360 • 步距角 nzk • 通电系数：连续两次通电相数相同取1， 不同取2
电磁式
电磁铁及其它
执 行 元 件
液压式 气压式 其它
油缸
气缸
气动马达
与材料有关
3.1 种类、特点及基本要求
• 对执行元件的基本要求： 比功率密度： • 惯量小，动力大； • 体积小，重量轻； 2 • 便于维修，安装； (T / J ) / G • 宜于微机控制 • 新术语： • 比功率：P / T 2 / J • P为功率， 为角加速度， 为角速度
• 种类：
• 运动迹
• 旋转式步进电动机 • 有直线步进电动机
• 励磁相数
• 三相、四相、五相、六相等
• 转子结构（三种）
• 可变磁阻(VR-Variable Reluctance)型 • 永磁(PM-Permanent Magnet)型 • 混合(HB-Hybrid)型
60
可变磁阻型-反应式步进电动机
三相交流量 两相交流量 交流/直流变换 等效直流量
逆变换
还原三相交流量
实现转矩和转速控制
49
同步交流伺服电机控制
• SM伺服电机结构图
永磁转 子材料： 铁氧体 稀土
50
同步交流伺服电机控制
• SM伺服电机结构图
51
同步交流伺服电机控制
• 矢量控制
• 图中A，B，C分别为 定子绕组的轴线。 • 转子的磁极轴线为直 轴d，逆时针方向转 90度为交轴q。 • θ=2πft 为转子d轴 相对于定子A轴逆时 针转过的角度。
• 由[定子绕组产生的]反应电磁力吸引[用软 磁钢制成的] 齿形转子作步进驱动 • 此类电动机的转子结构简单、转子直径小 ，有利于高速响应。由于VR型步进电动机 的铁心无极性，故不需改变电流极性，为 此，多为单极性励磁。
61
可变磁阻型-反应式步进电动机
• 其定子1与转子2 由铁心构成，没 有永久磁铁，定 子上嵌有线圈， 转子朝定子与转 子之间磁阻最小 方向转动，并由 此而得名可变磁 型。
• 励磁功率小、效率高、造价低，因此需要量也 大。 • 由于转子磁铁的磁化间距受到限制，难于制造 ，故步距角较大。 • 与VR型相比转矩大，但转子惯量也较大。
64
混合(HB-Hybrid)型步进电机
65
混合(HB-Hybrid)型步进电机
• 特点
• 具有VR型步进电动机步距角小、响应频率高的 优点 • 具有PM型步进电动机励磁功率小、效率高的优 点 • 由转子铁心的凸极数和定子的副凸极数决定步 距角的大小，可制造出步距角较小 (0.9°~3.6°)的电动机。永久磁铁也可磁化 轴向的两极，可使用轴向各向异性磁铁制成高 效电动机。
58
3.4.1 步进电动机的特点与种类
• 特点：
• 步进电机的工作状态不易受各种因素干扰的影 响； • 步进电机的步距角有误差，转子转过一定角度 后会出现累积误差，但转子转过一圈后，累积 误差变为零。 • 控制性能好，在启动、停止、反转时不易丢步 。 • 适用于开环控制的机电一体化系统。
59
3.4.1 步进电动机的特点与种类
实部
虚部
52
同步交流伺服电机控制
• 矢量控制
• 定义定子电流的空间矢量为：
• 其物理意义代表合成磁势的大小及方向
2 j00 j1200 j2400 i(t) = i A (t)e + i B (t)e + i C (t)e 3 • 将i(t)向d、q轴变换，并引入零轴电流i0，得 ：i [i i i ] / 3 0
37
晶体管直流调速驱动（PWM）
38
晶体管直流调速驱动（PWM）
39
晶体管直流调速驱动（PWM）
40
晶体管直流调速驱动（PWM）
41
晶体管直流调速驱动（PWM）
42
晶体管直流调速驱动（PWM）
整流电路
43
晶体管直流调速驱动（PWM）
桥式整流电路
44
晶体管直流调速驱动（PWM）
桥式整流电路
机械设计制造及其自动化专业课程
机械电子学 （机电一体化系统设计）
第三章 执行元件的选择与设计
3 执行元件的选择与设计
• • • • 3.1 执行元件的种类、特点及基本要求 3.2 常用的控制用电动机 3.3 直流与交流伺服电动机及驱动 3.4 步进电动机及驱动（★）
2
3.1 种类、特点及基本要求
• 此时，电磁转矩 M=3p(ψdiq- ψqid)/2=KT i (KT为比例系数)。
55
同步交流伺服电机控制
• 矢量控制
• 转矩的单变量控制
• 由电磁转矩 M=3p(ψdiq- ψqid)/2=KT*i可见，电 磁转矩的大小将和电流空间矢量的大小i直接成正 比。和直流电机相比， ψd相当于直流电机的磁极 磁通， i相当于直流电机的电枢电流，改变i就可以 改变电机转矩，此时，
45
晶体管直流调速驱动（PWM）
46
3.3 直流与交流伺服电动机
• 直流伺服电机的应用
47
3.3 直流与交流伺服电动机
• 二、交流(AC)伺服电动机及其驱动
• 交流伺服驱动系统组成
• 伺服电机 • 伺服驱动器
• 采用电流型脉宽调制（PWM）三相逆变器、电流环为内 环、速度环为外环的多环闭环控制系统
30
宽调速直流伺服电动机
• 结构特点：励磁便于调整，易于安排补偿 绕组和换向极，电动机的换向性能得到改 善，成本低,可以在较宽的速度范围内得到 恒转速特性 • 永久磁铁的宽调速直流伺服电动机的结构
• A、不带制动器 • B、带制动器
• 日本FANUC公司生产的L系列(低惯量系列) 、M系列和H系列直流伺服电动机
31
宽调速直流伺服电动机
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宽调速直流伺服电动机
33
直流伺服电动机的调速方法
• 直流伺服电动机与驱动
• 直流伺服电动机为直流供电，为调节电动机 转速和方向,需要对其直流电压的大小和方向 进行控制 • 驱动方式：
• 晶闸管直流调速驱动
• 通过调节触发装置控制晶闸管的触发延迟角(控制电压的 大小)来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的大小 ，使直流电动机电枢电压的变化易于平滑调速。
• 执行元件的概念：
• 是处于机电一体化系统的机械运行机构与微电 子控制装置的接点（联接）部位的能量转换元 件
3
执行元件——电动机
4
执行元件——电动机
5
执行元件——电动机
6
直线电机平台
7
直线电机平台
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执行元件——电动机
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执行元件——电动机
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执行元件——电动机
11
执行元件——气压式
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3.4.2 步进电动机的工作原理
• A 相通电，在磁 场的作用下，转 子被磁化，吸引 转子，使转子的 位置力图使通电 相磁路的磁阻最 小，使转、定子 的齿对齐停止转 动。
A
B' 1 4 2 3 A'
C'
C
B
A 相通电使转子1、3齿和 AA' 对齐。
67
3.4.2 步进电动机的工作原理
• A 相通电，在磁 A 相通电使转子1、3齿 和 AA' 对齐。 场的作用下，转 子被磁化，吸引 B 相通电使转子2、4齿 转子，使转子的 和 BB' 对齐。 位置力图使通电 相磁路的磁阻最 C相通电使转子1、3齿 小，使转、定子 和 CC' 对齐。 的齿对齐停止转 A-BCA----动。
• 晶体管脉宽调速驱动
34
晶体管直流调速驱动（PWM）
• 脉冲宽度调制
• Pulse Width Modulation（PWM）
• 晶体管
• 半导体三极管，Transistor
• 晶闸管
• 晶体闸流管，可控硅整流器，“古”称可控硅 ，Thyristor
35
晶体管直流调速驱动（PWM）
36
晶体管直流调速驱动（PWM）
电刷
+ U N I
I
– S
换向片
直流电源
电刷
换向器
线圈
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3.3 直流与交流伺服电动机
• 一、直流(DC)伺服电动机及其驱动
• 直流伺服电动机的特性及选用
• 优点:具有较高的响应速度、精度和频率，优良的 控制特性 • 不足：由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需要 定期维修 • 典型产品：宽调速直流伺服电动机
• 交流伺服系统分类
正弦波电流驱动的永磁交流伺服系统 同步型交流伺服系统（SM） 异步型交流伺服系统（IM）
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矩形波电流驱动的无刷直流伺服系统
3.3 直流与交流伺服电动机
• 二、交流(AC)伺服电动机及其驱动
• 感应交流伺服电机
• SM交流伺服电机的矢量控制
• 直流电机转矩与电枢电流成正比，转矩的控制容易，动 态性好，而交流电机的电枢电流不容易得到，转矩的动 态控制较困难，进行矢量控制的目的就是模拟直流电机 的转矩控制规律
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同步交流伺服电机控制
• 矢量控制
• 在dq0坐标系统中，可以证明电磁转矩：
• M=3p(ψd iq- ψq id)/2， • 其中，ψ为磁链空间矢量，P为电机磁极对数。
• 如果通过计算机控制，设法使定子电流空间矢 量i(t)始终保持在q轴的轴线上，则有：
• id =0， iq = i (i是代数量，可正可负)。