机电一体化系统设计传感器和电机的选择

1、机电一体化系统设计传感器和电机的选择二、机电一体化对检测系统的基本要求精度、灵敏度、分辨率高；线性、稳定性和重复性好；抗干扰能力强；静、动态特性好。此外，要求体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维修，耐环境性能好等。三、传感器特性静态特性：1、线性度：传感器实际特性曲线与拟合直线之间的偏差 2、灵敏度：输出变化对输入变化的比值 3、迟滞性：在正反行程期间输入输出特性曲线不重合程度 4、重复性：输入量按同一方向多次测试时所得特性曲线的不重合程度动态特性：传递函数、时间响应函数、频率响应函数、脉冲响应函数。四、传感器选用原则快速、准确、可靠、经济的获取信号1）足够的量程 2）与测量或控制系统匹配、

2、转换灵敏度高3）精度适当、稳定性高4）反应速度快、工作可靠5）实用性和适应性强6）使用经济第二节 位移测量传感器一、电容传感器将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。这种传感器具有结构简单、高分辨力、可实现非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作等优点，因此在自动检测中得到普遍应用。 1. 变极距型电容传感器 ： 当动极板因被测量变化而向上移动使减小时，电容量增大 。注意：传感器输出特性是非线性的，规定在较小间隙变化范围内工作。2. 变面积型电容传感器 ：原理：它与变极距型不同的是，被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化。 这种传感器的输出

3、特性呈线性。因而其量程不受线性范围的限制，适合于测量较大直线位移和角位移。 3变介质型电容传感器 原理结构如图。两平行极板固定不动，极距为0，相对介电常数为的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变电容。应用：这种电容传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可以用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体的物质的湿度。二、电感式传感器将被测量转换为电感量变化的装置。变换原理：电磁感应原理。按变换方式的不同分为自感型(可变磁阻式与涡流式) 与互感型(差动变压器)。1、自感型（一）可变磁阻式由此可见：只要改变空气隙厚度或改变气隙截面积，即可改变线圈的电感量。注意：改变空气隙厚度传

4、感器输出特性是非线性的，规定在较小间隙变化范围内工作。1、线圈 2、铁心 3、衔铁20022AWRWLm（二）涡流式（二）涡流式原理：金属板在交变磁场中的涡电流效应。金属板置于一线圈附近，相互间距为。当线圈中有高频交流电流通过时，便产生磁通。此交变磁通通过相邻近的金属板，金属板上便产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为涡流。这种涡流将产生交变磁通1，根据楞次定律，涡流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反。由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗发生变化，变化程度与距离有关。影响因素：线圈与金属板间距离；金属板的电阻率；磁导率；线圈激磁园频率等。变化线圈与金属板间距离，可作为位移、振动测量。变

5、化金属板的电阻率、磁导率，可作为材质鉴别或探伤等。应用：可用于动态非接触测量。用作涡流式位移计、振动测量仪、无损探伤仪、测厚仪等。特点：结构简单，使用方便，不受油污等介质的影响。2、互感型：、互感型：差动变压器式差动变压器式 原理：将被测位移转换成线圈互感变化。注意：1、输出交流电压、幅值与铁心位移成正比。只反映铁心位移大小，不反映移动极性。 2、零点残余电压。原因：两次级线圈结构不对称；初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等形成。铁心处在中间位置时，输出不为零。解决办法：后接电路。应用：位移测量仪。光栅光栅是一种新型的位移检测元件，它的特点是测量精确高、响应速度快和量程范围大等。

6、图3-9 光栅结构原理图1-主光栅 2-指示光栅 3-光源 4-光电器件 把指示光栅平行地放在标尺光栅上面，并且使它们的刻线相互倾斜 一 个很小的角度，这时在指示光栅上就出现几条较粗的明暗条纹，称为莫尔条绞。它们是沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列，如图所示。光栅莫尔条纹的特点是起放大作用，用W表示条文宽度，P表示栅距，表示光栅条纹间的夹角，则有PW 主光栅(标尺光栅)和被测物体相连，他随被测物体的直线位移而产生位移。当主光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生上、下位移，若用光电器件记录下莫尔条纹通过某点的数目，便可知主光栅移动的位移，也就测得了被测物体的位移量。 莫尔条纹移动规律：若标尺光栅不动

7、，将指示光栅逆时针方向转一很小的角度（设为+）后，并使标尺光栅向右移动，则莫尔条纹便向下移动；反之，当标尺光栅向左移动时，则莫尔条纹便向上移动。若将指示光栅顺时针方向转动一很小的角度（设为-）后，并使标尺光栅向右移动，则莫尔条纹便向上移动；反之，当标尺光栅向左移动时，则莫尔条纹便向下移动。感应同步器感应同步器是一种应用电磁感应原理制造的高精度检测元件，有直线和圆盘式两种，分别用作检测直线位移和转角。直线感应同步器由定尺和滑尺两部分组成。定尺一般为250mm，上面均匀分布节距为2mm的绕组；滑尺长100mm，表面布有两个绕组，即正弦绕组和余弦绕组，如图所示，当余弦绕组与定子绕组相位相同时，正弦绕

8、组与定子绕组错开1/4节距(W)。 在两个相对放置的板上刻有如图所示的绕组，当在滑尺的两个绕组中分别加上激励电压时，则在定尺绕组中就产生感应电势，其幅值决定于绕组的相对位置。上图所示是感应同步器的工作原理。当滑尺绕组用正弦电压激励时（激励电压常取12V，激励频率为2040kHz），将产生同频的交变磁通，在定尺绕组上感应出同频的交变电势。感应电势的幅值，除了与激励频率、耦合长度、激励电流和定、滑尺间隙等有关外，还与两绕组的相对位置有关。该图说明了感应电势与两绕组相对位置的关系。当滑尺的正弦绕组A和定尺绕组位置重合（1点）时，耦合磁通最大，感应电势也最大；滑尺右移1/4节距（2点）时，定尺绕组的感

9、应电势相互抵消，总电势为零；移至3点位置时感应电势也最大，磁性与A点相反；当滑尺正弦绕组从1点右移一个节距（标准型定尺节距为2mm）到5点，定尺绕组的感应电势就变化一个周期，如曲线1所示，滑尺不断右移，感应电势就不断地周期重复，同理，由滑尺绕组B产生的感应电势如曲线2所示。值得注意的是，感应电势始终是一个与激励频率相同的余弦函数（由正弦绕组A产生）或正弦函数（由余弦绕组B产生），仅是两者的幅值大小随滑尺相对定尺的位置而变化，因而曲线1、2实际上是各位置上感应电势大小的幅值曲线。按幅值的变化规律，节距W对应电气角2，故滑尺相对定尺的位置常用电气角来表示，即各点感应电势的大小是的函数。相对工作方式

10、的原理当在滑尺的两个绕组上分别加以幅值相等、频率相同的正弦和余弦激励电压时，它们便分别在定尺的绕组上产生如下式所示的感应电压：eA=KUAcos eB=-KUBsin 式中，K为感应系数；为定尺与滑尺的相对位移。定尺绕组上的合成电压为 e= KUAcos- KUBsin =KUmsintcos-KUmcostsin =KUmsin(-)很显然，这里决定了U的相位，也就是说，可以通过检测U的相位来测量定尺和滑尺的相对位移L。若绕组的节距为W，相对位移为L，则 WLo360目前，多数感应同步器的定尺和滑尺绕组的节距为2mm，而定尺和滑尺绕组相互错开1/4节距，这样，当=2时，它对应于一个节距，也就

11、是2mm位移。一般以正弦激励信号的过零信号去启动计数器，用定尺绕组输出电压的过零信号去关闭计数器，计数器此时所计的数值便和位移成正比。通过读取计数器所累计的数值便可检测出定尺与滑尺的相对位移量。相对工作原理框图如下图所示。光电编码器 将机械转动的模拟量转换成旋转角度的数字电信号，进行角位移检测的传感器称为编码器。编码器的种类很多，根据检测原理，它可以分为电磁式、电刷式、电磁感应式及光电式等。由于光电编码器具有非接触和体积小的特点，且分辨率很高，在旋转一周内已能产生数百万个脉冲，因此，它是目前应用最为广泛的一种编码器。光电编码器在数控机床、机器人的位置控制、机床进给系统的控制以及角度的测量、通讯

12、及自动化控制等方面部发挥着重要的作用。 图3-15为数控车床上，利用光电旋转编码器。检测主轴转速，检测出的信号经脉冲分配器和数控逻辑运算，输出进给速度控制指令给纵向丝杆进给电机，用来控制机床纵向进给速度，以实现螺纹等加工。 下图为剪切机控制原理图，在进给的滚轮上装有光电旋转编码器，当传送带转运送料时，进给滚轮旋转的同时，光电旋转编码器便开始检测滚轮旋转的角度，当检测到与设定进给长度对应的角度时，控制器停止滚轮进给，并输出切断指令，经传动和执行机构使切刀向下运动，切断板料。此过程按设定的下料总数一直重复进行。第三节 速度、加速度传感器一、直流测速机 直流测速机是一种测速元件，实际上它就是一台微型

13、的直流发电机。直流测速机的特点是输出斜率大、线性好，但由于有电刷相换向器，构造和维护比较复杂，摩擦转矩较大。 测速机的结构有多种，但原理基本相同。图所示为永磁式测速机原理电路图。 恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转换成与转子速度成正比的直流电势。 直流测速机在机电控制系统中，主要用作测速和校正元件。在使用中，为提高检测灵敏度、尽量把它连接到电机轴上，有的电机本身就已安装了测速机。二、光电式转速传感器 光电式转速传感器是由装在被测轴(或与被测轴相连接的输入轴)上的带缝隙圆盘、光源、光电器件及指示缝隙盘组成，如图所示。光源发出的光通过缝隙圆盘和指

14、示缝隙照射到光电器件上。 当缝隙圆盘随被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙的间距相同，因此圆盘每转一周，光电器件输出与指示缝隙数相等的电脉冲，根据测量时间t内的脉冲数N，可测出转速为 n=60N/ZtZ圆盘 上的缝隙数；n转速(r/min)；t测量时间(s)。第四节 位置传感器 位置传感器和位移传感器不一样，它所测量的不是一段距离的变化量，而是通过检测，确定是否已到某一位置。因此、它只需要产生能反映某种状态的开关量就可以了。位置传感器分接触式和接近式两种。所谓接触式传感器就是能获取两个物体是否己接触的信息的一种传感器；而接近式传感器是用来判别在某一范围内是否有某一物体的一种传感器。一、

15、接触式位置传感器 这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构成。二、接近式位置传感器 接近式位置传感器按其上作原理主要分：电磁式；光电式；静电容式；气压式；超声波式。其基本工作原理可用图3-19表示出来。 接近传感器在工业自动化控制、航天、航海技术、日常生活中都有广泛的应用。在安全防盗方面，如资料、财会、仓库、博物馆、金库等重要场合也都装有各式各样的接近传感器。在一般工业生产自动控制中大都采用涡流式或电容式接近传感器。在环境比较好的场合，可采用光电式接近传感器。而在防盗系统中，大都使用红外热释电接近传感器、超声波接近传感器和微波接近传感器。有时为了提高识别的可靠性，几种接近传感器可以复合使用。

16、如图所示是生产线工件计数装置的示意图。接近传感器设置在工件传送带的一侧，当传送带运行时，一个个工件经过接近传感器，当工件靠近接近传感器时，传感器输出脉冲开关信号，该信号可直接送往计数器进行计数。第五节 传感器信号处理测量放大器 在许多检测技术应用场合，传感器输出的信号往往较弱，而且其中还包含工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。习惯上将具有这种特点的放大器称为测量放大器或仪表放大器。图3-23 测量放大器工作原理 图3-24 AD522典型接法 程控增益放大器 经过处理的模拟信号，在送入计算机进行处理前，必须进行量化，

17、即进行模拟数字变换，变换后的数字信号才能为计算机接收和处理。当模拟信号送到模数变换器时，为减少转换误差，一般希望送来的模拟信号尽可能大，如采用A/D变换器进行模数转换时，在A/D输入的允许范围内，希望输入的模拟信号尽可能达到最大值；然而，当被测参量变化范围较大时，经传感器转换后的模拟小信号变化也较大，在这种情况下、如果单纯只使用一个放大倍数的放大器，就无法满足上述要求；在进行小信号转换时，可能会引入较大的误差。为解决这个问题，工程上常采用通过改变放大器增益的方法，来实现不同幅度信号的放大，如万用表、示波器等许多测量仪器的量程变换等。选择不同的开关闭合，即可实现增益的变换。如果利用软件对开关闭合

18、进行选择，即可实现程控增益变换。图3-26 程控增益放大器原理图 图为利用AD521测量放大器与模拟开关结合组成的程控增益放大器，通过改变其外接电阻RG的办法来实现增益控制。图3-27 AD521构成的程控增益放大器 隔离放大器 在有强电或强电磁干扰的环境中，为了防止电网电压等对测量回路的损坏，其信号输入通道采用隔离技术，能完成这种任务，具有这种功能的放大器称为隔离放大器。图3-29 284型隔离放大器电路结构图 传感器接口技术 在对模拟信号进行模数变换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要一定的时间，即A/D转换器的孔径时间。当输入信号频率提高时，由于孔径时间的存在，会造成较大的转换误差

19、；要防止这种误差的产生，必须在A/D转换开始时将信号电平保持住，而在A/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化，即：使输入信号处于采样状态。能完成这种功能的器件叫采样/保持器，从上面分析也可知，采样/保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器”。 1.采样/保持器原理 采样/保持由存储电容C，模拟开关S等组成，如下图所示。当S接通时，输出信号跟踪输入信号，称采样阶段。当S断开时，电容C两端一直保持S断开的电压，称保持阶段。自此构成一个简单采样/保持器。实际上为方便采样/保持器具有足够的精度，一般在输入级和输出级均采用缓冲器，以减少信号源的输出阻抗，增加负载的输入阻抗。在电容选择时，使其大小适宜，以

20、保证其时间常数适中，并选择漏泄小的电容。 2. 集成采样/保持器 随着大规模集成电路技术的发展，目前生产出多种集成采样/保持器，如可用于一般目的的AD582，AD583，LF195系列等；用于高速场合的有HTS-0025，HTS-0010，HTC-0300等；用于高分辨率场合的SHA1144等。为了使用方便，有些采样/保持器的内部还设有电容，如AD389，AD585等。图3-32 LF398外引脚图图3-33 LF398典型应用图 图3-31为LF398原理图。从图可知，其内部由输入缓冲级、输出缓冲级和控制电路三部分组成。图3-31 LF398采样/保持器原理图 控制电路中A3主要起到比较器的

21、作用；其中7脚为参考电压，当输入控制逻辑电平高于参考电压时，A3输出一个低电平信号驱动开关K闭合，此时输入经A1后跟随输出到A2，再由A2的输出端跟随输出，同时向保持电容（接6端）充电；而当控制端逻辑电平低于参考电压时，A3输出一个正电平信号使开关断开，以达到非采样时间内保持器仍保持原来输入的目的。因此，A1、A2是跟随器，其作用主要是对保持电容输入和输出端进行阻抗变换，以提高采样/保持器的性能。控制电动机及其选择计算第一节 执行元件分类液压系统气压系统气压系统的基本组成继电器定时器电子元件计数器顺序控制器气动控制元件气源气源处理装置 压力控制阀 方向控制阀 流量控制阀 驱动装置 操作装置指示

22、装置 检测装置控制(运算) 回路按扭开关选择开关按扭阀指示器计数器蜂鸣器限位开关限位阀接近开关传感器压力开关真空开关速度控制阀缓冲阀快速排气阀电磁阀气控阀人工换向阀机控换向阀减压阀增压阀安全阀空气压缩机过滤器油雾器油雾分离器驱动部分驱动部分控制部分控制部分气压系统与液压系统的比较 ( 1)空气可以从大气中取之不竭且不易堵塞；将用过的气体排入大气，无需回气管路处理方便；泄漏不会严重的影响工作，不污染环境。 (2)空气粘性很小，在管路中的沿程压力损失为液压系统的干分之一，易于远距离控制。 (3)工作压力低可降低对气动元件的材料和制造精度要求。 (4)对开环控制系统，它相对液压传动具有动作迅速、响应

23、快的优点。 (5)维护简便，使用安全，没有防火、防爆问题；适用于石油、化工、农药及矿山机械的特殊要求。对于无油的气动控制系统则特别适用于无线电元器件生产过程，也适用于食品和医药的生产过程。气压系统与电气、液压系统比较有以下缺点：(1)气功装置的信号传递速度限制在声速范围之内，所以它的工作频率和响应速度远不如电气装置并且信号产生较大失真和延迟，也不便于构成十分复杂的回路。但这个缺点对生产过程不会造成困难。 (2)空气的压缩性远大干液压油的收缩性，精度较低。 (3)气压传动的效率比液压传动还要低，且噪声较大。 (4)工作压力较低，不易获得大的推力。气压传动出力不如液压传动大；执行元件特点应用：液压

24、系统用于需大的功率重型设备 气动用于工件夹紧、输送等自动化生产线 电动应用最广泛伺服电机控制方式伺服电机比较第一节 步进电动机一、步进电动机的结构和工作原理一、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

25、制绕组。图控制绕组。图4-2所示的步进电动机可构成所示的步进电动机可构成A、B、C三相控制绕组，故称三相步三相控制绕组，故称三相步进电动机进电动机。1-绕组绕组 2-定子铁心定子铁心 3-转子铁心转子铁心图图4-2 反应式步进电动机结构原理图反应式步进电动机结构原理图 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。当A相绕组通电时，转子的齿与定子AA上的齿对齐。若A相断电，B相通电，由于磁力的作用，转子的齿与定子BB上的齿对齐，转子沿逆时针方向转过，如果控制线路不停地按ABCA的顺序控制步进电动机绕组的通断电，步进电动机的转子便不停地逆时针转动。若通电顺序改为ACBA，步

26、进电动机的转子将顺时针转动30o。这种通电方式称为三相三拍，而通常的通电方式为三相六拍，其通电顺序为AABBBCCCAA及AACCCBBBAA，相应地，定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过15o。 步进电机特点（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；（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；（4）步进电动机步距角与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关，可用下式表示： = 360/mzk 式中m相m拍时，k

27、=1；m相2m拍时，k=2。对于图4-2所示的单定子、径向分相、反应式步进电动机，当它以三相三拍通电方式工作时，其步距角为=360/341=30若按三相六拍通电方式工作，则步距角为=360/342=15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。步进电机的运行特性静态转矩与矩角特性静态转矩与矩角特性 当步进电机上某相定子绕组通电之后，转子齿将力求与定子齿对齐，使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动（0）。失调角如果在电机轴上外加一个负载转矩M，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度。有失调角之后，步进电机

28、就产生一个静态转矩（也称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角的关系叫矩角特性。近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静转矩。在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置（0）。启动频率启动频率 空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。而且，随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。（1）按步进电机能够启动的最短脉冲间隔时间，可计算启动频率；（2）

29、步进电机的步距角越小，进入运动稳定区越容易，相应启动频率也越高。（3）电机的最大静转矩越大，作用于转子上的电磁转矩越大，加速度越大，转子达到运动稳定区所需时间就越短，启动频率就越高。（4）电机转动部分的惯量（包括转子和负载）越小，电磁转矩产生的角加速度越大，越容易进入运动稳定区，启动频率就越高。（5）负载转矩增大，作用在转子上的加速转矩就越小，启动频率就降低。连续运行频率连续运行频率 步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。 其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。 矩频特性与动态转矩矩频特性与动态

30、转矩 矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系。 动态转矩矩频特性上每一个频率对应的转矩。当步进电机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。 在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。步进电机驱动电源步进电机驱动电源总结作用：对控制脉冲进行功率放大，以使步进电机获得足够大的功率驱动负载运行。1、步进电机是用脉冲供电，且按一定工作方式轮流作用于各相励磁线圈上。2、步进电机正反转是靠给各相励磁线圈通电顺序变化来实现的。3、速度控制是靠改变控制脉冲的频率实现的。4、在通电脉冲内使励磁线圈的电流能快速建立，而在断电时电流能

31、快速消失。步进电机的选择1、步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。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/TMax0.5 JL/Jm43、电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行

32、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。 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。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、

33、可控性好 3、响应迅速 4、控制功率低，损耗小 5、转矩大励磁绕组补偿绕组(c)(f)rFcFaUai电枢绕组(a)ffUiFs 直流伺服电动机的结构与一般的电机结构相似，也是由定子、转子和电刷等部分组成，在定子上有励磁绕组和补偿绕组，转子绕组通过电刷供电。由于转子磁场和定子磁场始终正交，因而产生转矩使转子转动。直流伺服电机控制二、 驱动与控制 一个驱动系统性能的好坏，不仅取决于电机本身的特性，而且还取决于驱动电路的性能以及两者之间的相互配合。对驱动电路一般要求频带宽、效率高、能量能回收等。 直流伺服电动机用直流供电，为调节电动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

34、宽调速驱动和可控硅直流调速驱动两种方式。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导通角(控制电压大小)来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的大小，使直流电动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(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20003000Hz)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。 脉宽调制放大器(PWM) PWM放大器的优点是功率管工作在开

35、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v0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。UUTUdtTU

36、a01图4-6 PWM直流调速驱动系统原理a)控制电路图 b)电压时间关系图 第三节 交流伺服电动机 与普通直流伺服电动机相比较，普通交流伺服电动机的特点是：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、交流伺服电动机种类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

37、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。应用举例用于自动焊机中保持电弧长度稳定，其原理如图4-34所示。交流伺服电机SL经减速器2带动焊条8的移动装置3。为保证焊接质量，要求自动焊机在整个焊接过程中能够自动调节电弧长度，使电弧稳定地燃烧。当电弧长度符合要求时，反馈的弧压up和给定电压u相等，通过比较器4得偏差信号0，伺服电机不转动。如果外界干扰使弧长变长或变短，反馈弧压up相当于增大或减小，偏差信号经放大器1送入电机SL，控制电压的相序发生改变，使控制伺服电机正转或反转，经移动装置3带动焊条8上下移动，以保持电弧长度恒定。二、交流伺服电动机调速式中 p定子极对数 f供

38、电电源频率(Hz)； s转差率。)1 (60spfn00nnns因此，交流电动机有三种基本调速方式：（1）改变极对数p；（2）改变转差率s；（3）改变供电电源频率f。 在工程实际中，调速方法很多。例如，变换异步电动机绕组极数，从而改变同步转速而进行调速的称为变极调速；在转子外电路上接入可变电阻改变电动机转差率实现调速的，称为转子串电阻调速；将晶闸管反、并联连接，通过调整晶闸管的触发角，改变异步电动机端电压调速的，称调压调速；利用电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变电动机的供电频率进行调速的，称变频调速，等等。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） SPW

39、M 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，其基本结构原理如下图。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 交流电源 电压频率可变 中间直流环节逆变器整流器控 制 电 路 变频器的分类方式很多，除了按电源变换方式分类外，还可以按逆变器开关方式来分类，即PAM方式和PWM方式。PAM控制是Pulse Amplitude Modulation（脉冲振幅调制）控制的简称； PWM控制是Pulse Width M

40、odulation（脉冲宽度调制）控制的简称，是在逆变电路部分同时对输出电压(电流)的幅值和频率进行控制的控制方式。在这种控制方式中，以较高频率对逆变电路的半导体开关元器件进行开闭，并通过改变输出脉冲的宽度来达到控制电压(电流)的目的。目前在变频器中多采用正弦波PWM控制方式，根据Ul/f1比值在变频的同时改变电压，改变PWM输出的脉冲宽度，使输出电压的平均值接近正弦波，这种方式也被称为SPWM控制。 变频器还可以按控制方式分为V/F（电压/频率）控制、转差频率控制和矢量控制三种。其中，V/F控制属于开环控制，而转差控制和矢量控制属于闭环控制，二者的主要区别在于V/F控制方式中没有进行速度反馈

41、，而在转差频率控制方式和矢量控制方式利用了速度传感器的速度闭环控制。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=(1.52.5)TLPnLP/159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(1.52.5)TLrnLr/159(2)发热校核TNTLrtdtTTTTtLFLaLLr02)(3)转矩过载校核(TL)max(Tm)max过载转矩(Tm)max=TN额定力矩2.伺服系统惯量匹配原则1）惯量较小的系

42、统1Je/Jm32）惯量较大的系统0.25Je/Jm1变频器种类 通用变频器：节能，节电20%，用于压缩机、泵、搅拌机、挤压机等；提高控制性能实现自动化，用于运输机械、起重机等。 纺织专用变频器：改善传动特性，实现自动化。纺织、化纤机械。 矢量控制变频器：提高传动精度及实现系统的集散控制。冶金、印刷、造纸。要求高精度的转矩控制，加速度大，能与上位机进行通讯。 机床专用变频器：用于机床主轴传动控制，以满足工艺上要求得大加减速转 矩，宽广的恒功率控制及高精度的定位控制，提高机床自动化。 电梯专用矢量变换控制变频器：实现缓慢平稳的升降速。 高频变频器：用于超精密加工、高速电动机。如专用脉冲调幅型变频

43、器，频率达3kHz，对应转速 18 104r/min。变频器选择 分析控制对象的负载特性选择电动机的容量 根据用途选择合适的变频器类型 确定变频器容量 （1）选择变频器具体型号是以电动机额定电流值为依据，以电动机的额定功率为参考值。变频器最大输出电流应大于电动机的额定电流值。 （2）变频器与电动机的距离过远时，为防止电缆对地耦合与变频器输出电流中谐波叠加而造成的电动机端子处电压升高的影响，应在变频器的输出端安装输出电抗器。 （3）变频器选择时，要考虑电动机的运行频率在什么功率范围内。在低速范围内，应考虑电动机的温升情况，是否需加装风扇给电动机散热。 （4）变频器选择时，一定要注意其防护等级应与

44、现场情况相匹配，防止现场的粉末或水分影响变频器的长久运行。 变频调速系统应用实例变频调速系统应用实例 ABB变频器在恒压供水控制系统中的应用 恒压供水是指不论用户端水量大小，总保持管网水压基本恒定。这样，既可以满足各部位用户的用水的需要，又不使电动机空转，造成电能的浪费。因此，由变频器得到给定压力信号和实际反馈信号，利用变频器内部固有的功能进行比较计算，通过频率输出的变化调节水泵转速，从而控制管网中水压力恒定。变频器恒压供水系统如图所示。图422 变频器恒压供水系统图进水管水池阀门止回阀状态显示器水泵阀门出水管变频器压力传感器M水泵电动机 本系统仅举出一个简单例子，即一台变频器带一台水泵运行。

45、主要构成为ABB ACS600系列变频器一台，由于ABB公司ACS600系列变频器均带有PID调节器，所以可以根据给定压力（设定压力）和压力传感器返回的实际压力信号进行比较，实现PID调节（比例积分微分调节），变频器根据用户水量大小而引起的水压变化，相应地调节水泵电动机的转速来控制水压的恒定，另外变频器可以输出相应的电流信号给显示控制器，可直接显示出变频器的实际运行状态，同时变频器对电动机具有过流、过压、欠压、过载等全部故障保护功能。恒压供水系统的控制原理图如图4-23所示。 变频器的功能参数设定主要根据现场条件和厂家提供的用户手册进行设定，主要有：启动/停止参数、信号选择参数、PID控制参数与加/减速时间等几组参数，其余均可遵照变频器出厂值。 在本系统主电路中，变频器的前端加入空气断路器与快速熔断器进行前