最新机电一体化原理及应用第三章0

第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装置
第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装置
2．交流伺服电动机控制方式 ①幅值控制：通过改变控制电压大小控制电机特性转矩。控制电压和激磁电 压之间的相位角始终保持电位角。 ②相位控制：改变控制电压与励磁电压之间的相位角差，来改变电机转速、 转矩。控制电压的幅值不变，但很少单独使用。 ③电容控制：将激磁绕组串联电容，接到稳压电源上，通过改变控制电压幅 值，由于励磁回路电流的改变引起励磁绕组电压和电容上电压大小及相位角 改变，实现复合控制。
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特性：可用商用电源，信号与动力的传送方向相同，操作简便，编程容 易，能实现定位伺服，易与CPU相接，动力较大，无污染，但瞬时输出 功率大，过载差。 ②气压式：采用压缩空气作为工作介质，具有气源方便、成本低、无泄 漏污染、速度快等特性，但动作不够平稳、远距离传输困难、工作噪声 大、难于伺服，由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度较 高的场合使用。 ③液压式：先将电能变成液压能，并用电磁阀改变压力油的流向，从而 使液压执行元件驱动运行机构运动。具有输出功率大、速度快、动作平 稳、可实现定位伺服等特性，但设备难于小型化，易泄漏且有污染。
直流伺服电动机：通常采用连续的电压控制（晶体管、晶闸管）。主 要特点是高响应特性、高功率密度（体积小、重量轻）、可实现高精度 数字控制，接触换向部件（电刷与换向器）需维护，主要用于机器人、 数控机械等。
交流伺服电动机：通常采用闭环的频率控制（晶体管）。具有高响 应特性、高功率密度（体积小、重量轻）、可实现高精度数字控制的特 点。其中永磁同步型交流伺服电动机无接触换向部件，需要磁极位置检 测器，可以用于音响和音像设备，计算机外围设备。感应型交流伺服电 动机对定于电流的激励分量和转矩分量分别控制，可以应用于数控机械、 机器人等。
调试。 选用原则：根据负载条件选用电机，即根据负载转矩和负载惯量来选
择: ①随动系统要求伺服电机机电时间短，启动反转频率高。 ②短时工作制要求以较小体积重量输出较大转矩和功率。 ③连续工作制要求电机寿命长。 ④有恒转矩或恒功率要求系统，应考虑电机恒转矩或恒功率。 ⑤低速系统要考虑电机的低速稳定性。
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电动机作为伺服驱动装置，主要用于精度和速度要求不高的场合，如简 易数控机械、机械手、小型工作台、冲床自动送料装置和绕线机的同步 运动等。
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半闭环系统(采用脉冲编码器)：测量角位移，并从传动链中间部位 取出检测反馈信号的伺服系统。由于这种系统只能补偿反馈回路的系统 误差，其定位精度比闭环系统低，一般为±0.005-0.01mm，但其结构 简单、调试方便，广泛用于各种机电一体化设备，如数控机床和加工中 心的伺服进给系统。
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步进电动机：通常采用开环的频率控制（晶体管）。主要特点是转角与 控制脉冲数成比例，可构成直接的数字控制，有定位转矩，主要用于计 算机外围设备，数控装置等。
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§3.3直流伺服电动机及其驱动 直流伺服电动机通过电刷和换向器产生的整流作用，使磁场动势和电枢 电流磁动势正交，从而产生转矩。 直流伺服电动机在结构上有传统式和低惯量型两大类。宽调速直流伺服 电动机由于励磁便于调整，易于安装补偿绕组和换向极，可以在较宽速度 范围内得到恒转速特性，因此在机电闭环伺服系统中应用较广。 1.直流伺服电动机的主要特性 ①反电势常数：表示了永磁磁场强度，即当电枢在磁场中按规定速度机 械旋转时所产生的电压值；②转矩常数：每安培电流能产生的转矩；③ 机 械时间常数：施加一个阶跃电压时电动机电枢达到整个速度63.2%时所需 的时间；④ 热时间常数：在额定电流时绕组温度上升初始变化率的函数。
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3.2.2伺服电动机控制方式的基本形式 伺服电动机的控制方式包括：开环、闭环和和半闭环三种基本控制
形式。被控量为机械参数（位移、速度、加速度、力和力矩等） 开环系统：没有检测反馈装置的伺服系统。开环系统通常采用步进
4．直流伺服电动机的常用计算公式
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5．应用举例 ①火炮跟踪系统原理框图： 说明：包括位置和速度两种控制 方式，其任务是使火炮转角与由 于轮径减速后的指令相等，用角 度差控制电机（位置控制），用 测速发电机的输出电压经反馈控 制电机转速（速度控制）稳定。
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②地震磁带记录仪电路示意图 原理框图： 说明：稳速电路要求电机寿命长、可靠、无火花、不产生无线电干扰， 选用无刷直流电动机驱动，用测速发电机的输出电压与标准电压比较实 现稳速。
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③张力控制系统原理框图： 说明：将张力辊位置变化信号通过电位器转化为电信号，此信号经放大 后控制伺服电动机，使引力恒定。
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§3.4交流伺服电动机 交流伺服电动机检测同步型或感应型气隙磁场的大小和方向，用电力 电子变换器代替整流子和电刷，并通过与气隙磁场方向相同的磁化电流和 与气隙磁场方向垂直的有效电流控制其主磁通量和转矩。 1．交流伺服电动机主要特性 空载始动电压，机械特性非线性度，调节特性非线性度。 交流伺服电动机的矢量控制原理：即设法在交流电动机上模拟直流电动 机控制转矩的规律，以使交流电动机具 有同样产生及控制电磁转矩的能力。
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闭环系统：具有直接测量系统输出反馈装置的伺服系统。闭环系统 通常采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为伺服驱动装置，较少采 用步进电动机驱动。主要用于精度和速度高的精密、大型的机电一体化 设备，如精度要求很高的镗铣床。
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2．直流伺服电动机调速方式
第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装置
3．直流伺服电动机特点与选用原则 特点：输出力矩大、过载能力强、动态响应好、低速运行平稳、易于