常用驱动器及其控制(1)

• 可控硅直流（SCR）驱动方式，主要通过调节触发装 置控制可控硅的开放角（控制电压之大小）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 机电枢电压的变化易平滑调速。由于可控硅本身的工 作原理和电源的特点，导通后是利用交流电（50Hz） 过零来关闭的，因此，在低整流电压时，其输出是很 小的尖峰值（三相全波时每秒300个）的平均值，从而 造成电流的不连续性。 • 而采用脉宽调速驱动系统，其开关频率高（通常达 2000-3000Hz），伺服机构能够响应的频带范围也较宽， 与可控硅相比其输出电流脉动非常小，接近于纯直流。
（3）混合型（HB型—Hybrid Type）
• 这种电机转子上嵌有永久磁铁，故可以说是永 磁型步进电机，但从定子和转子的导磁体来看， 又和可变磁阻型相似，所以是永磁型和可变磁 阻型相结合的一种形式。 • 它不仅具有VR型步进电机步距角小、响应频 率高的优点，而且还具有PM型步进电机励磁 功率小、效率高的优点，是一种很有发展前途 的步进电机。
直流印刷电枢电机
• 直流印刷电枢电机是一种盘形伺服电机，电枢由导电 板的切口成形，裸导体的线圈端部起整流子作用，这 种空心式高性能伺服电机大多用于工业机器人、小型 车床及线切割机床上。
大惯量宽调速直流伺服电机
• 七十年代大惯量宽调速直流伺服电机研制成功。它在 结构上采取了一些措施，尽量提高转矩，改善动态特 性，既具有一般直流电机的各项优点，又具有小惯量 直流电机的快速响应性能，易与较大的惯性负载匹配， 能较好地满足伺服驱动的要求，因此在数控机床、工 业机器人等机电一体化产品中得到了广泛的应用。
第四章.执行元件的分类及控制用 电机的驱动
• 驱动部件又称执行元件，是处于执行机构与电 子控制装置的接点部位的能量转换部件。它能 在电子控制装置控制下，将输入的各种形式的 能量转换为机械能。
§3-1 执行元件的种类、特点及 基本要求
• 一、执行元件的种类及其特点 • 根据使用能量的不同，可以将执行元件 分类电气式、液压式和气压式等几种类 型。
压缩空气作工作介质, 气源方便,成本低; 空气压力源的压力为 无泄漏污染;速度 5~7MPa. 快,操作简单 液压油作工作介质; 液压源的压力为 20~80MPa; 输出功率大,速度 快,动作平稳,可实 现定位伺服,响应 快,易与CPU相接
二、机电一体化系统对执行元件的 基本要求
• 1、惯量小、动力大 表征执行元件惯量的性能指标：对直线运动为 质量m，对回转运动为转动惯量J。表征输出动力的 性能指标为推力F、转矩T或功率P。
§3-2 机电一体化系统（或产 品）常用的控制用电机
• 控制用电机是电气伺服控制系统的动力部件。 它是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。 由于它们的工作可在很宽的速度和负载范围内 受到连续而精确的控制，因而在各种机电一体 化系统中得到了广泛的应用。 • 控制用电机有回转和直线驱动电机，通过电压、 电流、频率（包括指令脉冲）等控制，实现定 速、变速驱动或反复启动、停止的增量驱动以 及复杂的驱动，而驱动精度随驱动对象的不同 而不同。
宽调速直流伺服电机的选择
• ①在整个调速范围内，其负载转矩应在电机连 续额定转矩范围以内； • ②工作负载与过载时间应在规定的范围以内； • ③应使加速度与希望的时间常数一致。一般讲， 由于负载转矩起减速作用，如果可能，加减速 应选取相同的时间常数。
2、直流伺服电机与驱动
• 直流伺服电机为直流供电，为调节电机转速和方 向，需要对其直流电压的大小和方向进行控制。 目前常用晶体管脉宽调速驱动和可控硅直流调速 驱动两种方式。
三、步进电机的工作原理
三相六拍通电方式工作的步进电机
按照A→ AB→B→BC→C→CA→A…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°。其工作过程如图所示：
步进电机的步距角越小，意 味着它所能达到的位置精度 越高。通常的步矩角是1.5° 或0.75°，为此需要将转子 做成多极式的，并在定子磁 极上制成小齿，如图所示。
• 直流伺服电机通过电刷和整流子产生的整流作用，使 磁场磁动势和电枢电流磁动势正交，从而产生转矩。 其电枢大多为永久磁铁磁场。 • 直流伺服电机具有较高的响应速度、精度和频率，优 良的控制特性等优点。但由于使用电刷和整流子，故 寿命较低，需要定期维修。
小惯量直流伺服电机
• 六十年代研制出了小惯量直流伺服电机，其电枢无槽， 绕组直接粘接固定在电枢铁芯上，因而转动惯量小、 反应灵敏、动态特性好。适用于高速且负载惯量较小 的场合，否则需根据其具体的惯量比设置精密齿轮副 才能与负载惯量匹配，大大增加了成本。
二、控制用电机的种类、特点及选用
• 不同的应用场合，对控制用电机的性能密度的要求也 有所不同。对于启停频率低（如几十次/分），但要求 低速平稳和扭矩脉动小、高速运行时振动、噪声小， 在整个调速范围内均可稳定运动的机械，其功率密度 是主要的性能指标；对于启停频率高（如数百次/分）， 但不特别要求低速平稳性的产品，主要的性能指标是 高比功率。 • 控制用旋转电机按其工作原理可分为旋转磁场型和旋 转电枢型。前者有同步电机（永磁）、步进电机（永 磁）；后者有直流电机（永磁）、感应电机（按矢量 控制等效模型）。
伺服电机控制方式的基本形式
• 开环方式、半闭环方式和全闭环方式是基本控 制方式。
一、对控制用电机的基本要求
• （1）性能密度大 • （2）快速性好 • （3）位置控制精度高、调整范围宽、低 速动行平稳无爬行现象、分辨率高、振 动噪声小； • （4）适应启、停频繁的工作要求； • （5）可靠性高、寿命长。
伺服电机的特点及应用举例
种类 DC伺服电机 主要特点 1.特性.高响应 2.高功率密度(体积小、重量轻) 3.可实现高精度数字控制 4.接触换向部件(电刷与整流子)需维护 1.无接触换向部件 2.需要磁极位置检测器(如同轴编码器) 3.具有DC伺服电机的全部优点 1,对定子电流的激励分量和转矩分量分别控 制 2.具有DC伺服电机的全部优点 应用举例 NC机械,机器人,计算 机外围设备,办公机械, 音响,音象设备,计测机 械等 音响,音象设备,计算机 外围设备等
操作简单;编程容 易;能实现定位伺 服;响应快,易与 CPU相接;体积小, 动力较大;无污染
缺点
瞬时输出功率大,过载 差,特别是由于某种原 因卡住时,会引起烧毁 事故,易受外部噪声影 响 功率小,体积大,动作不 够平稳,不易小型化;远 距离传输困难;工作噪 声大,难于伺服 设备难于小型化,液压 源或液压油要求严格 (杂质、温度、油量); 易泄漏且有污染
步进电机又称电脉冲马达。它是将电脉 冲信号转换成机械角位移的执行元件。特点是 输入一个电脉冲就转动一步，即每当电机绕组 接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距 角。
一、步进电机特点
1、步进电机的工作状态不易受各种干扰因素 2、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，但转子转过一转以 后，其累积误差为“零”，不会长期积累； 3 、控制性能好。在起动、停止、反转时不易 “丢步”。
二、步进电机的种类
• 步进电机的种类很多，有旋转式步进电 机，也有直线步进电机，从励磁相数来 分有三相、四相、五相、六相等步进电 机。就常用的旋转式步进电机的转子结 构来说，可将其分为以下三种
源自文库
（1）可变磁阻型（VR型—Variable）
• 该类电机由定子绕组产生的反应 电磁力吸引用软磁钢制的齿形转 子作步进驱动，故又称作反应式 步进电机。 • 这种电机具有制造成本高、效率 低、转子的阻尼差、噪声大等缺 点。但是，由于其制造材料费用 低、结构简单、步距角小，随着 加工技术的进步，可望成为多用 途的机种。
（2）永磁型（PM型—Permanent Magnet Type）
• PM型步进电机的转子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。 • 具有记忆能力，可用作定位驱动。 PM型电机的特点是励磁功率小、 效率高、造价便宜，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。
电气式微量位移用器件
• ①电磁铁——由线圈和衔铁两部分组成，结构 简单。由于是单向驱动，故需用弹簧复位。用 于实现两固定点间的快速驱动; • ②压电驱动器——利用压电晶体的压电效应来 驱动执行机构作微量位移； • ③电热驱动器——利用物体（如金属棒）的热 变形来驱动执行机构的直线位移，用控制电热 器（电阻）的加热电流来改变位移量，由于物 体的线膨胀量有限，位移量当然很小，可用在 机电一体化产品中实现微量进给。
执行元件的种类
电动机 电磁式 电磁铁及其它 执 行 元 件 AC伺服电机
DC伺服电机
步进电机 其它电机
液压式
油缸
液压马达
气 缸
气压式 气压马达
双金属片 形状记忆合金
其它
与材料有关
压电元件
1、电气执行元件
• 电气执行元件包括控制用电机（DC、AC伺服 电机、步进电机）、静电电机、压电元件、超 声波电机以及电磁铁等。其中利用电磁力的电 动机和电磁铁，因实用、易得而成为常用的执 行元件。 • 对控制用电机的性能除了要求稳速运转性能以 外，还要求加速、减速性能和伺服性能等动态 性能以及频繁使用时的适应性和便于维修等性 能。
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开关功率放大器
• 开关功率放大器是脉宽调制单元的主回 路，其结构形式有两种形式，一种是H形 （也称桥式），另一种是T形。每种电路 又有单极性工作方式和双极性工作方式 之分，而各种不同的工作方式又可组成 可逆开关放大电路和不可逆开关放大电 路。
T形开关功率放大器
H形开关功率放大器
§4-3步进电机
晶体管式无刷直流 伺服电机 永磁同步型 感应型(矢 量控制)
AC 伺 服 电 机
NC机械,机器人等
步进电机
1.转角与控制脉冲数成比例,可构成直接数字 控制 2.有定位转矩 3.可构成廉价的开环控制系统
计算机外围设备,办公 机械,数控装置
三、直流（DC）伺服电机与驱动
• 1、直流伺服电机的特性及选用
3、气压式执行元件
• 气压式执行元件除了用压缩空气作工作 介质外，与液压式执行元件没什么区别。 具有代表性的气压式执行元件有气缸、 气压马达等。
执行元件的特点及优缺点
种类
电 气 式 气 压 式 液 压 式
特点
可使用商用电源,信 号与动力的传送方向 相同;有交流与直流 之别,应注意电压之 大小.
优点
3.晶体管脉宽调速控制系统
• 与晶闸管相比，晶体管控制电路简单，不需要 附加关断电路，开关特性好。而且目前功率晶 体管的耐压等性能都已大大得到提高。因此， 在中、小功率直流伺服系统中，晶体管脉宽调 制（Pulse Width Modulation，简称PWM）方式 驱动系统已得到了广泛应用。
(1)晶体管脉宽调制系统的工作原理
2、体积小、重量轻----既要缩小执行元件的体积、 减轻重量，同时又要增大其动力，故通常用执 行元件的单位重量所能达到的输出功率或比功 率，即用功率密度来评价这项指标。设执行元 件的重量为G，则 功率密度 P / G( kWN 1 ), 3、便于维修、安装----执行元件最好不需要维修 。最新发展起来的无刷DC及AC伺服电机就是 走向无维修的一例。 4、宜于微机控制----根据这个要求，用微机控制 最方便的是电动式执行元件。
2、液压式执行元件
• 液压式执行元件主要包括执行往复运动的油缸、 回转油缸、液压马达等，其中油缸占绝大多数。 目前世界上已开发了各种数字式液压执行元件， 例如电—液伺服马达和电—液步进马达，这些 电—液式马达的最大优点是比纯电磁式马达力 矩大，可以直接驱动执行机构，力矩/惯量比大， 过载能力强，适合于重载的高加减速驱动。
• 该系统由控制部分、功率晶体管放大器和全波 整流器三部分组成。
(2)晶体管脉宽调制系统特点
• • • • 1）频带宽 2）电流脉动小。 3）电源功率因数高。 4）动态硬度好。
(3)脉宽 调制器
• 由调制信 号发生器 和比较放 大器两部 分组成。
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三角波发生器
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比较放大电路1
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比较放大电路2