交流伺服电机的工作原理ppt课件

控制电机 9 1伺服电动机 9 2测速发电机 9 3步进电动机 执行元件的种类 伺服电动机控制方式的基本形式 异步电动机 直流电动机等都是作为动力使用的 其主要任务是能量的转换 各种控制电机有各自的控制任务 如 伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱动控制对象 测速发电机将转速转换为电压 并传递到输入端作为反馈信号 步进电动机将脉冲信号转换为角位移或线位移 本章介绍的各种控制电机的主要任务是转换和传递控制信号 能量的转换是次要的 控制电机的种类很多 本章只讨论常用的几种 伺服电机 测速电机 步进电机 对控制电机的主要要求 动作灵敏 准确 重量轻 体积小 耗电少 运行可靠等 伺服电动机可分为两类 伺服电动机又称执行电动机 其功能是将输入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角速度 驱动控制对象 9 1伺服电动机 伺服电动机可控性好 反应迅速 是自动控制系统和计算机外围设备中常用的执行元件 9 1 1交流伺服电动机 交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机 它的定子上装有空间互差90 的两个绕组 励磁绕组和控制绕组 其结构如图所示 励磁绕组 控制绕组 杯形转子 内定子 交流伺服电动机结构图 励磁绕组串联电容C 是为了产生两相旋转磁场 适当选择电容的大小 可使通入两个绕组的电流相位差接近90 从而产生所需的旋转磁场 控制电压与电源电压频率相同 相位相同或反相 交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机有相似之处 励磁绕组固定接在电源上 当控制电压为零时 电机无起动转矩 转子不转 交流伺服电动机的特点 不仅要求它在静止状态下 能服从控制信号的命令而转动 而且要求在电动机运行时如果控制电压变为零 电动机立即停转 但如果交流伺服电动机的参数选择和一般单相异步电动机相似 电动机一经转动 即使控制等于零 电动机仍继续转动 电动机失去控制 这种现象称为 自转 如何克服 自转 现象呢 正反向旋转磁场的合成转矩特性 当单相励磁时 在电动机运行范围0 S1 1时 转矩为正值 产生电动转矩 使转子继续转动 反转时也同样为电动转矩 现增大转子电阻 使Sm 1 当单相励磁时 在电动机运行范围0 S1 1时 转矩为负值 产生制动转矩 使转子停转 反转时也同样为制动转矩 加在控制绕组上的控制电压反相时 保持励磁电压不变 由于旋转磁场的旋转方向发生变化 使电动机转子反转 加在控制绕组上的控制电压大小变化时 其产生的旋转磁场的椭圆度不同 从而产生的电磁转矩也不同 从而改变电动机的转速 不同控制电压下的机械特性曲线n f T U1 常数 交流伺服电动机的机械特性如图所示 在励磁电压不变的情况下 随着控制电压的下降 特性曲线下移 在同一负载转矩作用时 电动机转速随控制电压的下降而均匀减小 交流伺服电机的输出功率一般为0 1 100W 电源频率分50Hz 400Hz等多种 它的应用很广泛 如用在各种自动控制 自动记录等系统中 应用 9 1 2直流伺服电动机 直流伺服电动机的结构与直流电动机基本相同 只是为减小转动惯量 电机做得细长一些 直流伺服电动机的工作原理也与直流电动机相同 供电方式 他励供电 励磁绕组和电枢分别由两个独立的电源供电 U1为励磁电压 U2为电枢电压 直流伺服电动机的接线图 由机械特性可知 1 一定负载转矩下 当磁通 不变时 U2 n 2 U2 0时 电机立即停转 电动机反转 改变电枢电压的极性 电动机反转 直流伺服电机的机械特性与他励直流电机相同一样 也可用下式表示 机械特性曲线如图所示 直流伺服电动机的n f T 曲线 U1 常数 直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬 通常应用于功率稍大的系统中 如随动系统中的位置控制等 直流伺服电机输出功率一般为1 600W 应用 9 2测速发电机 测速发电机是一种转速测量传感器 在许多自动控制系统中 它被用来测量旋转装置的转速 向控制电路提供与转速大小成正比的信号电压 测速发电机分为交流和直流两种类型 9 2 1交流测速发电机 交流测速发电机又分为同步式和异步式两种 这里只分析异步式交流测速发电机的工作原理 转子 定子 励磁绕组 输出绕组 异步式交流测速发电机的结构与杯形转子交流伺服电机相似 它的定子上有两个绕组 一个是励磁绕组 一个是输出绕组 9 2 1交流测速发电机 工作时 测速发电机的励磁绕组接交流电源U1 由U1 4 44f1N1 1可知 当被测转动轴带动发电机转子旋转时 转子切割 1产生转子感应电势Er和转子电流Ir 它们的大小与 1和转子转速n成正比 转子电流Ir也产生磁通 r r在输出绕组中感应出电压U2 U2的大小与 r成正比 综合上述分析可知 当U1恒定不变时 U2与n成正比 这样 发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压信号 输出给控制系统 由于铁心线圈电感的非线性影响 交流测速发电机的输出电压U2与n间存在着一定的非线性误差 使用时要注意加以修正 9 2 1直流测速发电机 直流测速发电机分永磁式和他励式两种 两种电机的电枢相同 工作时电枢接负载电阻RL 但永磁式的定子使用永久磁铁产生磁场 因而没有励磁线圈 他励式的结构与直流伺服电机相同 工作时励磁绕组加直流电压U1励磁 当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时 电枢产生电动势E 其大小为 发电机的输出电压为 上式中代入 于是 可见 当励磁电压U1保持恒定时 亦恒定 若Ra RL不变 则输出电压U2的大小与电枢转速n成正比 这样 发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压信号 输出给控制系统 值得注意的是 由于直流电机中存在着电枢反应现象 使得输出电压U2与转速n有一定的线性误差 RL越小 n越大 误差越大 因此 在使用中应使RL和n的大小符合直流测速发电机的技术要求 测速发电机的作用是将机械速度转变为电压信号 在自动控制系统和计算装置中作为检测元件 校正元件等 如在恒速控制系统中 测速发电机将速度转换为电压信号作为反馈信号 达到调节速度的作用 9 3步进电动机 特点 1 来一个脉冲 转一个步距角 2 控制脉冲频率 可控制电机转速 3 改变脉冲顺序 可改变转动方向 由于步进电动机的这一工作职能正好符合数字控制系统要求 因此它在数控机床 钟表工业及自动记录仪等方面都有很广泛的应用 9 3步进电动机 区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈 依靠电磁转矩工作 反应式步进电机的转子上没有励磁线圈 依靠变化的的磁阻生成磁阻转矩工作 反应式步进电机的应用最广泛 它有两相 三相 多相之分 这里主要讨论三相反应式步进电动机的结构和工作原理 种类 励磁式和反应式两种 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理 三相反应式步进电动机的原理结构图如下 A 定子内圆周均匀分布着六个磁极 磁极上有励磁绕组 每两个相对的绕组组成一相 采用Y连接 转子有四个齿 定子 转子 1 工作原理 由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合 因此会在磁力线扭曲时产生切向力 而形成磁阻转矩 使转子转动 1 三相单三拍 A相绕组通电 B C相不通电 气隙产生以A A为轴线的磁场 而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过 故电动机转子受到一个反应转矩 在此转矩的作用下 转子必然转到左图所示位置 1 3齿与A A 极对齐 三相 指三相步进电机 单 指每次只能一相绕组通电 三拍 指通电三次完成一个通电循环 同理 B相通电时 转子会转过30 角 2 4齿和B B 磁极轴线对齐 当C相通电时 转子再转过30 角 1 3齿和C C磁极轴线对齐 这种工作方式下 三个绕组依次通电一次为一个循环周期 一个循环周期包括三个工作脉冲 所以称为三相单三拍工作方式 按A B C A 的顺序给三相绕组轮流通电 转子便一步一步转动起来 每一拍转过30 步距角 每个通电循环周期 3拍 磁场在空间旋转了360 而转子转过90 一个齿距角 2 三相六拍 按A AB B BC C CA的顺序给三相绕组轮流通电 这种方式可以获得更精确的控制特性 A相通电 转子1 3齿与A A 对齐 A B相同时通电 A A 磁极拉住1 3齿 B B 磁极拉住2 4齿 转子转过15 到达左图所示位置 B相通电 转子2 4齿与B B 对齐 又转过15 B C相同时通电 C C磁极拉住1 3齿 B B 磁极拉住2 4齿 转子再转过15 三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下 A AB B BC C CA 每个循环周期分为六拍 每拍转子转过15 步距角 一个通电循环周期 6拍 转子转过90 齿距角 与单三拍相比 六拍驱动方式的步进角更小 更适用于需要精确定位的控制系统中 3 三相双三拍 按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通电 每拍有两相绕组同时通电 与单三拍方式相似 双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍 每拍转子转过30 步距角 一个通电循环周期 3拍 转子转过90 齿距角 从以上对步进电机三种驱动方式的分析可得步距角计算公式 实用步进电机的步距角多为3 和1 5 为了获得小步距角 电机的定子 转子都做成多齿的 如教材图10 4 4所示 图中转子表面有40个齿 齿距角是9 定子仍是6个磁极 但每个磁极表面加工有五个和转子一样的齿 步进电动机的应用非常广泛 如各种数控机床 自动绘图仪 机器人等 应用 步进电动机根据数控装置发出的指令带动电位器的动触电转动 使其偏离中点产生电位差 经放大后 控制伺服阀的开口量 压力油经阀口进入油缸 使机械手按照存储在数控装置中的指令动作 步进电机控制系统原理 主要解决如下几个问题 1 用软件的方法实现脉冲序列 2 步进电机的方向控制 3 步进电机控制程序的设计 微机控制技术 步进电机控制系统原理 1 脉冲序列的生成 图脉冲序列 微机控制技术 P130 步进电机控制系统原理 脉冲幅值由数字元件电平决定 TTL0 5VCMOS0 10V 接通和断开时间可用延时的办法控制 要求 确保步进到位 微机控制技术 2 方向控制步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序相关 三相步进电机有三种工作方式 单三拍 通电顺序为A B C 双三拍 通电顺序为AB BC CA 三相六拍 通电顺序为A AB B BC C CA 步进电机控制系统原理 微机控制技术 改变通电顺序可以改变步进电机的转向 步进电机控制系统原理 3 步进电机通电模型的建立 1 用微型机输出接口的每一位控制一相绕组 例如 用8255控制三相步进电机时 可用PC O PC 1 PC 2分别接至步进电机的A B C三相绕组 2 根据所选定的步进电机及控制方式 写出相应控制方式的数学模型 上面讲的三种控制方式的数学模型分别为 微机控制技术 步进电机控制系统原理 三相单三拍 微机控制技术 三相双三拍 用P1口的P1 2 P1 1 P1 0对应C B A相进行控制 步进电机控制系统原理 同理 可以得出双三拍和三相六拍的控制模型 双三拍03H 06H 05H 三相六拍01H 03H 02H 06H 04H 05H以上为步进电机正转时的控制顺序及数学模型 如按逆序进行控制 步进电机将向相反方向转动 微机控制技术 步进电机与微型机的接口及程序设计 4 步进电机与微型机的接口电路 1 由于步进电机的驱动电流较大 所以微型机与步进电机的连接都需要专门的接口及驱动电路 接口电路可以是锁存器 也可以是可编程接口芯片 如8255 8155等 驱动器可用大功率复合管 也可以是专门的驱动器 光电隔离器 一是抗干扰 二是电隔离 微机控制技术 步进电机与微型机的接口及程序设计 步进电机与微型机接口电路之一 微机控制技术 1 0 0 1 0 0 1 0 0 步进电机与微型机的接口及程序设计 总之 只要按一定的顺序改变P1 0 P1 2三位通电的状况 即可控制步进电机依选定的方向步进 微机控制技术 步进电机与微型机的接口及程序设计 由于步进电机运行时功率较大 可在微型机与驱动器之间增加一级光电隔离器 以防强功率的干扰信号反串进主控系统 如图4 25 微机控制技术 步进电机与微型机的接口及程序设计 步进电机与微型机接口电路之二 微机控制技术 0 0 1 0 1 1 1 0 0 步进电机与微型机的接口及程序设计 2 步进电机程序设计 1 步进电机程序设计的主要任务是 判断旋转方向 按顺序传送控制脉冲 判断所要求的控制步数是否传送完毕 2 程序框图下面以三相双三拍为例说明这类程序的设计 微机控制技术 图4 46三相双三拍步进电机控制程序流程图p134 微机控制技术 步进电机与微型机的接口及程序设计 ORG0100HROUNT1 MOVA N 步进电机步数 AJNB00H LOOP2 反向 转LOOP2LOOP1 MOVP1 03H 正向 输出第一拍ACALLDELAY 延时DECA A 0 转DONEJZDONEMOVP1 06H 输出第二拍ACALLDELAY 延时DECA A 0 转DONEJZDONEMOVP1 05H 输出第三拍ACALLDELAY 延时DECA A 0 转LOOP1JNZLOOP1 3 程序根据图4 46可写出如下步进电机控制程序 微机控制技术 步进电机与微型机的接口及程序设计 微机控制技术 AJMPDONE A 0 转DONELOOP2 MOVP1 03H 反向 输出第一拍ACALLDELAY 延时DECA A 0 转DONJZDONEMOVP1 05H 输出第二拍ACALLDELAY 延时DECAJZDONE MOVP1 06H 输出第三拍ACALLDELAY 延时DECA A 0 转LOOP2JNZLOOP2DONE RETDELAY 计算例题 直线运动 运动学计算动力学计算选择同步带直径 和步进电机细分数m计算电机力矩 选择电机型号 四 计算例题 直线运动 已知 直线平台水平往复运动 最大行程L 400mm 同步带传动 往复运动周期为T 4s 重复定位误差 0 05mm 平台运动质量M 10kg 无外力 求 电机型号 同步带轮直径 最大细分数 平台结构简图 运动学计算平均速度为 设加速时间为0 1S 步进电机一般取加速时间为 0 1 1秒 伺服电机一般取加速时间为 0 05 0 5秒 则加减速时间共为0 2S 且加减速过程的平均速度为最大速度的一半 故有 L 0 2 Vmax 2 1 8 Vmax 0 4m得 Vmax 0 4 0 2 2 1 8 0 211m s所以 加速度为 加速距离 匀速距离 减速距离和加速距离相同 动力学计算 同步带上需要拉力 F Ma f 摩擦力 f Mg设导轨摩擦系数 0 1则摩擦力 f 0 1 10 9 8 9 8N惯性力 F1 Ma 10 2 11 21 1N故 同步带上要有拉力F F1 f 21 1 9 8 30 9N 选择同步带直径 和步进电机细分数m 设同步带直径 30mm周长为C 3 14 3 14 30 94 2mm核算定位精度 脉冲当量 C 200 m C 200 0 05 94 2 200 0 05 9 42核算最大转速 nmax Vmax C 0 211 94 2 1000 2 24r s 第2级主动轮直径仍取 3 30mm 第1级主动轮直径取 1 25mm 减速比取 i 1 3 显然 细分数太大 最大转速太低 但是 同步带直径也不可能小2倍 所以只能增加一级减速 则第1级从动轮直径为取 2 75mm 电机最大转速为 驱动器细分数 故 取4细分就很合适了 实际脉冲当量 计算电机力矩 选择电机型号 第2级主动轮上的力矩 T2 F 3 2第1级主动轮上 即电机轴上的力矩 T1 T2 i F 3 2 i 0 155Nm由于没有考虑同步带的效率 导轨和滑块装配误差造成的摩擦 同步带轮的摩擦和转动惯量等因素 同时 步进电机在高速时扭矩要大幅度下降 所以 取安全系数为3比较保险 故 电机力矩To 0 155 3 0 465Nm 步进驱动系统的常见问题 1 什么是步进电机 在何种情况下该使用步进电机 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构 通俗一点讲 当步进驱动器接收到一个脉冲信号 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 及步进角 您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量 从而达到准确定位的目的 同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度 从而达调速的目的 因此在需要准确定位或调速控制时均可考虑使用步进电机 2 步进电机分哪几种 有什么区别 步进电机分三种 永磁式 反应式 和混合式 永磁式步进一般为两相 转矩和体积较小 步进角一般为7 5度或15度 反应式步进一般为三相 可实现大转矩输出 步进角一般为1 5度 但噪声和振动都很大 在欧美等发达国家 年代已被淘汰 混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点 它又分为两相四相和五相 两相步进角一般为1 8度而五相步进角一般为0 72度 这种步进电机的应用最为广泛 3 什么是保持转矩 HOLDINGTORQUE 保持转矩 是指步进电机通电但没有转动时 定子锁住转子的力矩 它是步进电机最重要的参数之一 通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩 保持转矩越大则电机带负载能力越强 由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减 输出功率也随速度的增大而变化 所以保持转矩就成为了衡量步进电机重要的参数之一 比如 当人们说2N m的步进电机 在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N m的步进电机 4 步进电机的驱动方式有几种 一般来说 步进电机有恒压 恒流驱动两种 恒压驱动已近淘汰 目前普遍使用恒流驱动 5 步进电机精度为多少 是否累积 一般步进电机的精度为步进角的3 5 步进电机单步的偏差并不会影响到下一步的精度因此步进电机精度不累积 6 步进电机的外表温度允许达到多少 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁 从而导致力矩下降甚至于丢失 因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点 一般来说 磁性材料的退磁点都在摄氏 度以上 因此步进电机外表温度在摄氏 度完全正常 7 为什么步进电机的力矩会随转速升高而下降 当步进电机转动时 电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势 频率越高 反向电动势越大 在它的作用下 电机随频率 或速度 的增大而相电流减小 从而导致力矩下降 8 为什么步进电机低速时可以正常运转 但若高于一定速度就无法启动 并伴有啸叫声 步进电机有一个技术参数 空载启动频率 即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率 如果脉冲频率高于该值 电机不能正常启动 可能发生丢步或堵转 在有负载的情况下 启动频率应更低 如果要使电机达到高速转动 脉冲频率应该有加速过程 即启动频率较低 然后按一定加速度升到所希望的高频 电机转速从低速升到高速 我们建议空载启动频率选定为电机运转一圈所需脉冲数的 倍 9 如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声 步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点 一般可采用以下方案来克服 A 如步进电机正好工作在共振区 可通过改变减速比提高步进电机运行速度 采用带有细分功能的驱动器 这是最常用的 最简便的方法 因为细分型驱动器电机的相电流变流较半步型平缓 换成步距角更小的步进电机 如三相或五相步进电机 或两相细分型步进电机 换成直流或交流伺服电机 几乎可以完全克服震动和噪声 但成本较高 在电机轴上加磁性阻尼器 市场上已有这种产品 但机械结构改变较大 10 细分驱动器的细分数是否能代表精度 步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术 请参考有关文献 其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动 提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能 比如对于步进角为1 8度的两相混合式步进电机 如果细分驱动器的细分数设置为 那么电机的运转分辨率为每个脉冲0 45度 电机的精度能否达到或接近0 45度 还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素 不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大 细分数越大精度越难控制 11 四相驱动合式步进电机与驱动器的串联接法和并联接法有什么区别 四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动 因此 连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用 串联接法一般在电机转速较的场合使用 此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0 7倍 因而电机发热小 并联接法一般在电机转速较高的场合使用 又称高速接法 所需要的驱动器输出电流为电机相电流的1 4倍 因而电机发热较大 12 如何确定步进电机驱动器直流供电电源 供电电源供电电压的确定混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围 电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择 如果电机工作转速较高或响应要求较快 那么电压取值也高 但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压 否则可能损坏驱动器 如果电机工作转速较低 则可以考虑电压选取较低值 供电电源输出电流的确定供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流 来确定 如果采用线性电源 电源电流一般可取 的1 1 1 3倍 如果采用开关电源 电源电流一般可取 的1 5 2 0倍 如果一个供电源同时给几个驱动器供电 则应考虑供电电源的电流应适当加倍 13 混合式步进电机驱动器的使能信号 na一般在什么情况下使用 当使能信号 na为低电平时 驱动器输出到电机的电流被切断 电机转子处于自由状态 脱机状态 在有些自动化设备中 如果在驱动器不断电的情况下要求可以用手动直接转动电机轴 就可以将 na置低 使电机脱机 进行手动操作或调节 手动完成后 再将 na信号置高 以继续自动控制 14 如何用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向 只需将电机与驱动器接线的 和A 或者B 和B 对调即可 步进电动机