机电一体化系统设计--第四章 控制电动机及其选择计算

机电一体化系统设计控制系统动力装置检测装置执行元件机械本体内容回顾执行元件电气式液压式气压式其它电动机电磁铁及其它油缸液压马达气缸气压马达与材料相关步进电机直流伺服电机交流伺服电机其它电机形状记忆合金压电元件第四章控制电动机及其选择计算控制电动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。由于可在很宽的速度和负载范围内进行连续而精确的控制，因而在机电一体化系统中得到了广泛的应用。步进电机控制电动机直流伺服电动机交流伺服电动机其他电机本章主要内容步进电机及其控制直流伺服电动机及其控制交流伺服电动机及其控制伺服电动机伺服电动机步进电动机运算处理电路驱动电路运算处理电路运算处理电路驱动电路驱动电路执行机构指令输入指令输入指令输入开环半闭环闭环位置反馈速度位置反馈速度反馈速度传感器位置检测传感器速度传感器123451234512345滑尺滚珠丝杠图4-1控制电动机控制方式的基本形式第一节步进电动机及其控制一、步进电动机的结构和工作原理它与普通电动机一样，也是由定子和转子构成，其中定子又分为定子铁心和定子绕组。定子铁心由电工钢片叠压而成，定子绕组是绕置在定子铁心6个均匀分布的齿上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。图6-1所示的步进电动机可构成A、B、C三相控制绕组，故称三相步进电动机。1-绕组2-定子铁心3-转子铁心步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。三相步进电机的控制方式分三种：（1）三相单三拍工作方式，A-B-C-A;(2)三相六拍工作方式，A-AB-B-BC-C-CA-A;(3)三相双三拍工作方式，AB-BC-CA-AB;二、步进电机特点及应用1、步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步距角；=360/mzkm—定子绕组的相数z—转子的齿数K—通电方式式中m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=2。步距角：常见的步距角0.60/1.20,0.750/1.50,0.90/1.80,10/20,1.50/30等。例1：某步进电机有80个齿,采用3相6拍方式驱动,经丝杠螺母副驱动工作台做直线运动,丝杠的导程为6mm。求:1、步进电机的步矩角。2、当脉冲当量要求为0.01mm时,试设计此传动系统。δ=αL/360δ=αL/360=0.75×6/360=0.0125mm脉冲当量：计算机系统（或数控系统)每发一个脉冲，工作台移动的距离。为了得到脉冲当量mm，也为了增大传递的扭矩，在步进电机与丝杆之间，要增加一对齿轮传动副。δ=αL/360i步进电机Z1Z2tf，1、k=6/3=2α=360/mzk=360/3×80×2=0.75。2、i=Z2/Z1=αL/360δ=0.75×6/360×0.01=1.25/1可选Z1=20，Z2=25的齿轮传动副2、改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变；3、步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；n=60αf/360=αf/6例2：三相步进电动机，转子80个齿。(1)要求电动机转速为60r/min,三相六拍通电，输入脉冲频率为多少?(2)要求电动机转速为100r/min，三相三拍通电，输入脉冲频率为多少?解:(1)k=6/3=2α=360/mzk=360/3×80×2=0.75。n=αf/6f=6n/α=6×60/0.75=480HZ(2)k=3/3=1α=360/mzk=360/3×80×1=1.5。n=αf/6f=6n/α=6×100/1.5=400HZ4、易于直接与微机的I/O接口，构成开环位置系统。如经济型数控机床。步进电机步进电机5、具有自锁能力，一旦停止输入脉冲，只要维持绕组通电，电动机就可保持在固定位置。6、步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累计误差，但转子转过一转以后，累计误差为零，不会长期累积。因此，步进电机广泛应用在开环控制的机电一体化系统中。三、步进电机的驱动控制四、步进电机的选用1、步距角的选择电机的步距角取决于脉冲当量等，目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。2、静力矩的选择（1）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负载转动惯量。（2）计算各种工况下所需的等效力矩。（3）根据步进电机最大静转矩和起动、运行矩频特性。TL/TMax≤0.5JL/Jm≤43、电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）第二节直流伺服电动机直流伺服电动机具有良好的调速特性，较大的起动转矩，相对功率大及快速响应等优点。尽管其结构复杂，成本较高，在机电控制系统中作为执行元件还是获得了广泛的应用。分类：直流伺服电动机按激磁方式可分为电磁式和永磁式两种。电磁式的磁场由激磁绕组产生；永磁式的磁场由永磁体(永久磁铁)产生。应用：电磁式直流伺服电动机是一种目前巳普遍使用的伺服电动机，特别是在大功率范围内(100w以上)。永磁式直流伺服电动机由于尺寸小、重量轻、效率高、出力大、结构简单，无需激磁等一系列优点而被越来越重视。一、特点：1、稳定性好2、可控性好3、响应迅速4、控制功率低，损耗小5、转矩大输出功率1-600w二、直流伺服电机的驱动及控制目前常用晶体管驱动和晶闸管直流调速驱动，广泛采用的直流伺服电机的晶体管驱动电路有线性直流伺服放大器和脉宽调制放大器(PWM)。一般，宽频带低功率系统选用线性放大器(小于几百瓦)，而脉宽调制放大器常用在较大的系统中，尤其是那些要求在低速和大转矩下连续运行的场合。1、晶闸管直流调速驱动UsRP1R0R0RbUfn-+U+R1IdRP2GUcUd-+UaML图4－7带有转速负反馈的单闭环直流调速系统原理图2、脉宽调制放大器(PWM)PWM放大器的优点是功率管工作在开关状态，管耗小。它的基本原理是：利用大功率晶体管的开关作用，将直流电源电压转换成一定频率(例如2000HZ)的方波电压，加在直流电动机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速，如图4—18所示。锯齿波发生器的输出电压vA和直流控制信号vIN进行比较。同时，在比较器的输入端还加入一个调零电压v0，当控制电压vIN为零时，调节vo使比较器的输出电压为正、负脉冲宽度相等的方波信号，如图4—19(a)所示。当控制信号vIN为正或负时，比较器输入端处的锯齿波相应地上移或下移，比较器的输出脉冲也随着相应改变，实现了脉宽调制，如图4—19(b)、(c)所示。第三节交流伺服电动机特点：它不需要电刷和换向器，因而避免了由于存在电刷和换向器而引起的一系列弊病。此外，它的转动惯量、体积和重量一般来说也较小。缺点是：输出功率和转矩较小；转矩特性和调节特性的线性度不及直流伺服电动机好；其效率也较直流伺服电动机为低。一、交流伺服电动机的种类和结构特点1、同步型（SM）：采用永磁结构的同步电动机，又称无刷直流伺服电动机。特点：无接触换向部件需要磁极位置检测器（如编码器）具有直流伺服电动机的全部优点。2、感应型（IM）：笼型感应电动机特点：对定子电流的激励分量和转矩分量分别控制具有直流伺服电动机的全部优点。二、交流伺服电动机调速式中:p——定子极对数；f——供电电源的频率（HZ）；S——转差率．交流电动机有三种基本的调速方式：（1）改变极对数p；（2）调节转差率s；（3）改变供电电源的频率f。变频调速间接变换方式（交－直－交变频）变频方式直接变换方式（交－交变频）交－直－交变频是把交流电通过整流器变为直流电，再用逆变器将直流电变为频率可变的交流电供给异步电动机。目前常用的通用变频器即属于交－直－交变频，其基本结构原理如图4－12。由图可知，变频器主要由主回路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制回路组成。变频器还有丰富的软件，各种功能主要靠软件来完成。交流电源中间直流环节逆变器整流器控制电路三、交流伺服电动机的选择1、交流伺服电动机的初选择(1)首先考虑电动机能够提供负载所需的转矩和转速。就是能够提供克服峰值负载所需的功率。Pm=(1.5～2.5)TLPnLP/159ηTLP——负载峰值力矩nLP——电动机负载峰值转速η——传动装置的效率，初步估算时取0.7～0.9其次，当电动机的工作周期可以与其发热时间常数相比较时，必须考虑电机的热额定问题，通常用负载的均方根功率作为确定电机发热功率的基础。Pm=(1.5～2.5)TLrnLr/159ηTLP——负载均方根力矩nLP——负载均方根转速(2)发热校核TN≥TLrtdtTTTTtLFLaLLr02)(TN——电动机额定转矩TLr——折算到电动机轴上的负载均方根转矩t——电动机工作循环时间TLa——折算到电动机转子上的等效惯性转矩TLF——折算到电动机上的摩擦力矩(3)转矩过载校核(TL)max≤(Tm)max(Tm)max=λTN(TL)max——折算到电动机轴上的负载力矩的最大值；(Tm)max——电动机输出转矩的最大值（过载转矩）；TN——电动机的额定力矩；λ——电动机的转矩过载系数，对直流伺服电动机一般取λ≤2.0～2.5；对交流伺服电动机一般取λ≤1.5～3.2.伺服系统惯量匹配原则1）惯量较小的系统1Je/Jm32）惯量较大的系统0.25≤Je/Jm≤1Je——折算到电动机轴上的等效转动惯量Jm——电动机的转动惯量第四节控制电动机选择与计算实例己知：拖板重量W=2000N，拖板与贴塑导轨之间的摩擦因数u=0.06，车削时最大切削负载Fs=2150N(与运动方向相反)，y向切削分力Fy=2Fz=300N(垂直于导轨）,要求刀具切削时的进给速度：V=10~500mm/min，快速行程速度：V0=3000mm/min，滚珠丝杠名义直径D0=32mm,导程：p=6mm，丝杠总长l=1400mm，拖板最大行程1150mm，定位精度0.01mm，试选择合适的步进电机，并检查其启动特性和工作速度。(1)脉冲当量的选择:初步选择三相步进电机的步距角为0.750/1.50，三相六拍控制时步距角为0.750，每转其脉冲数为rpn/48075.036000根据脉冲当量的定义，可以得到中间齿轮传动比i为：mm01.0当时，由公式：inp25.101.04806npi设计大小齿轮为：Z1=20Z2=25m=2mm(2)等效惯量的计算：1)滚珠丝杠的惯量：2434401031.11321085.71402.314.332mkglDJs2)齿轮的惯量：324bdJG求得：241102.0mkgJG24210481.0mkgJG3)拖板的运动惯量转化动电机轴的转动惯量：2622102.11)2(mkgipgWJW4)总的等效转动惯量负载：242211076.7mkgiJJJJJSGwGe(3)等效负载的计算：1)折算到电机轴上的摩擦转矩mNWiPMf1146.025.18.014.32106200006.011232)空载时折算到电机轴上的最大附加转矩mNiPFMP13.0)9.01(325.18.014.32006.02150)1(2220003)空载时折算到电机轴上的最大加速度转矩n初步选择电机为110BYG260B，其电机轴转动惯量为：24107.9mkgJm其矩频特性曲线见下图由图可得电机的最大静转矩Mjmax=9.5Nm连续运转频率为fm=1600Hz，求加速度转矩为Mamax(按在0.03s之内加速到最大空行程速度3000mm/min计算)mNtnJJJMamea6550.3)60)0(2)((maxmaxmin/62536075.001.