运动控制合集04直流电机

1、选择伺服电机和步进电机？步进电机伺服电机力矩范围中小力矩（一般在20Nm以下）小、中、大，全范围速度范围低（一般在2000RPM以下，大力矩电机小于1000RPM高（可达5000RPM）,直流伺服电机更可达12万转/分方式主要是位置多样化智能化的方式，位置/转速/转矩方式平滑性(低频特性）低速时有振动（但用细分型驱动器则可明显）好，运行平滑精度一般较低，细分型驱动时较高高（具体要看反馈装置的分辨率）矩频特性高速时，力矩下降快力矩特性好，特性较硬过载特性过载时会失步可310倍过载（短时）反馈方式大多数为开环，也可接编码器，防止失步闭环方式，编码器反馈编码器类型- - -光电型旋转编码器（增量型/

2、绝对值型），旋转变压器型响应速度一般（需要200400毫秒）快价格低较高 直流伺服电机 直流伺服电机的电源特点 直流伺服电机的类型永磁式直流伺服电机结构4.3 直流伺服电及其驱动技术4.3.1直流伺服电机工作原理与机械特性（1）定子 : 定子磁场由定子的磁极产生，根据磁场的产生方式，直流伺服电可分为永磁式和他励式。永磁式磁极由永磁材料制成；他励式磁极由冲裁的硅钢片叠压而成，外部绕线圈， 通以直流电流便产生恒定磁场。（2）转子:又叫电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。（3）电刷与换向片: 为使产生的电磁转矩保持恒定方向，确保转子能沿着固

3、定的方向均匀连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。4.3 直流伺服电及其驱动技术4.3.1直流电机工作原理与机械特性直流电机电刷间的反电动势：E = CeFn直流电机的电磁转矩表示为：T = Ct FIa电枢回路中的电压平衡方程式为:= U - EIaRa4.3 直流伺服电及其驱动技术4.3.1直流电机工作原理与机械特性= U - EIaRaE = CeFnT = Ct FIa的机械特性方程式为:直流电方式： 1( U RU - Ia Ra ) =n =-aT1. 电枢2. 磁极（主要）；（少用）。C FC FC C F2eeet4.3 直流伺服电及其驱动技术4.3.1直流电

4、机工作原理与机械特性Ra1U(U - I R ) =n =-TaaC FC FC C F2eeetnn0D nDn 称为转速降落Ua一定时，当 M­时n¯，T但由于有转速反馈回路，转速 n 的变化不大。4.3 直流伺服电及其驱动技术4.3.1直流电机工作原理与机械特性Ra1U(U - I R ) =n =-TaaC FC FC C F2eeetN0是空载转速;负载转矩增加à转速下降à 反电势减少à电流增加à电磁转矩增加à平衡à电机以较低的转速稳定运行Td称为启动瞬时转矩，其值也与电枢电压成正比。4.3 直流伺服电及

5、其驱动技术4.3.1直流电机工作原理与机械特性直流伺服电的调节特性也是一组斜率相同的直线簇。每条调节特性和一种电磁转矩 相对应，与Ua轴的交点是启动时的电枢电压。直流伺服电的调节特性4.3 直流伺服电及其驱动技术4.3.2直流电机系统的数学模型电枢电压平衡方程为：+ eüdiau= R i + Lïaa aaýïþdte = CeFn电枢电流与电枢电压之间传递函数为:ia (s)1/ RaKa=(ua - e)(s)1 + sLa / Ra1 + Ta s4.3 直流伺服电及其驱动技术4.3.2直流电机系统的数学模型转矩平衡方程为：ü

6、J dn = T - TL ï =ýïþdtT = Ct FiaT - TJsLJ转速惯量(N·m·s·min / r)，它与常用的转动惯量J 0(N ·m·/ rad) 的关系可从下式推得：dw = J dtd æ 2p nö = æ pö dn = J dnT - T= Jç÷ç÷JL000dt è 60øè 30ø dtdtp30即J =J04.3 直流伺服电及其驱动技术4.3.2

7、 直流电机系统的数学模型ia1/ RaKa) =(ua - en1 + sLa1 + Ta s/ Ra1=T - TLJs- TLianuTa- eCeF直流电机的精确模型1JsCt F 1/ Ra1+ sLa / Ra4.3 直流伺服电及其驱动技术系统的数学模型4.3.2直流电机- TLianuTa- eLaT =aRa引入一个机电时间常数:电枢回路电磁时间常数:/(C C F )T= JR2mate- TLinuTaa- e Ra× 1 C C f 2T setmCt F 1 ×1Ra1+ Tas1JsCt F 1/ Ra1+ sLa / Ra4.3 直流伺服电及其驱动

8、技术4.3.2直流电机系统的数学模型1/ Ce FW(s)转速与电枢电压间传递关系:=+ T s + 1s 2U (S)T Tmam,既忽略电感:JR /(C C F )若电磁时间常数很小T =2mate1/ C FW(s)= eTm s + 1Ua (S)可见:直流伺服电机过渡过程的快慢,取决于机电时间常数. 为了加快系统响应速度,可以:1. 减小机械系统等效转动惯量;2. 给电机供电的电源内阻小,Ra小;3. 加大等效反电动势系数直流伺服电机的技术指标ü 额定功率 PN, 额定电压UN 额定电流 IN电机长期连续的运行而不过热.在此功率下ü 额定转速 nN :ü

9、; 额定转矩 TN ,ü 最大 转矩 TM: 电机在短时力;(一般是额定转矩的510倍)ü 机电时间常数(通常小于20ms)ü 电磁时间常数(通常小于5ms)出的最大转矩,反应其过载能P60PPT= 9.55 N N N2p × nNWnü 转动惯量JMü 最大电流IM :对应于可能NNN最大输出转矩时的电枢电流最大转矩最高转速连续工作区：电机可在转矩和转速的任意组合下长期工作。断续工作区：电机只能作间断工作，间断周期要根据载荷周期曲线求得。区/瞬时工作区：电机只瞬时过渡，在e线以外电机不加使用。曲线a为电机温度限制，在此曲线上，电机

10、达到绝缘所的极限值，(温度高破坏绕组绝缘性）故只电机在此曲线内长时间连续运行。曲线b为无火花换相极限，e为瞬时换相极限曲线c为电机最高转速限制线，随着转速上升，电枢电压升高，整流子片间电。最大转矩d主要受永磁材料的去磁特压加大，超过一定值有发生环火的性所限制，当电流过大，电枢反应将会使磁极退磁直流伺服电机的技术指标对要求频繁起动/制动的数控机床，为避免电机过热，必须检查在一个周期内电机转矩的均方根值，即有效力矩，并使它小于电机连续额定转矩。例1：n 满足有效力矩小于电机连续额定转矩往 复 运 动v例2：龙门刨床工作台系统负载分析与综合设R为与工作台齿条相啮合的齿轮节圆半径, i为电机与该齿轮之

11、间传动链的总速比，为总效率。t摩 擦 力 矩MctM惯 性 力 矩jt切 削 力 矩t力 矩M StM1M 2M 3t4M 5t5t1t2t3t6M 4M 6作台重量（含工件）m=100kg，工作台移动速度Vl=15m/min，摩擦系数 =0.2，器效率 =80%，进给丝杠长度L=10000mm，直径D=20mm，导程p=10mm。要求：每次移动量l=100mm，次数60次/min，时间0.5s以下。试选择直流伺服电解：vL (m / min)。1）增量运动图假定速度运行图如图， 则需启动的时间：15vLl /1000ta = td = 0.5 -= 0.1stdt(s)v / 60l2）进给

12、丝杠转数1.0vln= 1500r / minLP /10002= 7.24´10-3 N × m2GD3）若已计算出负载折算到电机轴总的转动惯量:LMvLP ´10-3=× i = 3000r ×min若传动比i=2，则电机额定转速： nM= mmgvL / 604）所需稳态运行功率PRh(2pn/ 60)215）所需功率22P =× (GD+ GD) ×MRLMM2tatal = 100mmtc0.5根据功率要求选择电机，一般，稳定运行功率和 之和的1-2倍。初步选择电机后，验算其转动力矩。功率= mmgvLT M6）所

13、需稳态运行转矩L2pn hM2 ) 2pnM / 60 + T2M= (GD+ GD7）所需启动运行转矩TMS1MLMLta2 ) 2pnM / 60 - T8）所需运行转矩T= (GD+ GD2MMS 2MLMLtdTMR9）转矩有效值校核22tM2t+ Tt+ TT=TMR MS1aLcMS 2d Tt(s)l = 100mm0.5www PLcWwww PLcW4.3 直流伺服电及其驱动技术4.3.3直流伺服电机的驱动u 晶闸管（可控硅）调速系统通过对晶闸管触发角的来电机电枢电压，实现调速。u 晶体管脉宽调制（PWM）调速系统通过脉宽调制器将直流电压波电压，通过对方波脉冲宽度的，改变电枢

14、的平均电压，以达到调速的目的。1).直流斩波器的基本结构直流斩波器电得到的平均电压为：系统原理图和电压波形电PL Wld2. 晶体管脉宽调制（PWM）调速系统直流斩波器的基本结构与工作原理2). 斩波器的三种方式PWM: Pulse width modulation几种典型PWM变换器的基本结构及工作原理1). 无制动作用的不可逆PWM变换器工作状态与波形PL Wcom（2）有制动的不可逆PWM变换器一般电动状态2路1回路2等效电路（2）有制动的不可逆PWM变换器制动状态电压减小，或电机在位能负载转矩带动下工作，会出现Ud<E）（当回路3等效电路制能耗制（2）有制动的不可逆PWM变换器轻

15、载电动状态3） 双极式可逆PWM变换器工作状态与波形（2） 双极式可逆电路电压方程相关方程：性能评价PWM变换器的数学模型com（2）晶体管脉宽调制（PWM）调速系统结构1U整流usrÎÎ功放us f电流反馈GM电流调节器脉宽调制基极驱动速度调节器振荡器脉宽调制器同向加法放大器电路图U U S rR1+12V+-USr 速度指令转化过来的直流电压- 三角波R1USCR3R2UUSC-（ U脉宽调制器的输出S r +U）-12V调制波形图U U+UU+US rSrt+Uo S root-U S rtU S CUSr为0时USr为正时USr为负时tt调制出脉宽较宽的波形平均电压

16、为正调制出正负脉宽一样方波平均电压为0调制出脉宽较窄的波形平均电压为负t实验系统（位置/速度伺服）直流伺服电机闭环例4.2 其中可控硅整流器传函用PWM变换器传函替换，机械系统传动装置按数控机床进给传动系统模型建立。参考相应准备：第4章例子例5.1， 速度闭环+位置闭环例5.4，5.55.6习题：5-6，5-7P134-142直线电机工作原理(1)(2)ABCA(3)N SS NSN SSN(4) 动子； 行波磁场； 永磁体磁极； 定子；设想把旋转电沿径向剖开，并将圆周展成直线，就得到了直线电，所以在结构上直线电和旋转电是相似的，一般由两部分组成：电枢铁芯与绕组的定子（初级），若干磁铁有序排列

17、而成的动子（次级）。高速高精度平面操作人(1)(2)(3)(4) 末端负载；并联杆； 直线电机1；直线电机2；直流力矩电机直流力矩电计制造的电机。就是为满足低转速大转矩负载的需要而设l 结构直流力矩电一般做成圆盘状，电枢长度和直径之比一般为 0.2左右；永磁多极式； 槽数、换向片数和串直流力矩电结构示意图联导体数多。1-定子；2-电枢铁心；3-电枢绕组；4-槽楔；5-电刷；6-刷架PL W直流力矩电机为什么做成圆盘状？F= æF × Ia ö( pN ) 可知由E = pN F n = æö( pN )npN FI和 T =ç 60a ÷ç p2a ÷ae2paa60aèø