第三章-执行元件的选择与设计-机电一体化系统设计.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第三章,执行元件的选择与设计,1,第一节,执行元件的种类、,特点及基本要求,执行元件是工业机器人、,CNC,机床、各种自动机械、信息处理计算机外围设备、办公室设备、车辆电子设备、医疗器械、各种光学装置、家用电器(音响设备、录音机、摄像机、电冰箱)等机电一体化系统(或产品)必不可少的驱动部件，如数控机床的主轴转动、工作台的进给运动以及工业机器人手臂升降、回转和伸缩运动等所用驱动部件即执行元件。该元件是处于机电一体化系统的机械运行机构与微电子控制装置的接点（联接）部位的能量转换元件，能在微电子装置的控制下，将输入的各种形式的能量转换为机械能，例如电动机、电磁铁、继电器、液动机、气缸、内燃机等分别把输入的电能、液压能、气压能和化学能转换为机械能。由于大多数执行元件已作为系列化商品生产，故在设计机电一体化系统或产品时，可作为标准件选用、外购。,2,一.执行元件的种类及特点,根据使用能量的不同，可以将执行元件分为电气式、液压式和气压式等几种类型，如图3-1所示。电气式是将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构运动的。液压式是先将电能变换为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。气压式与液压式的原理相同，只是将介质由油改为气体而已。其它执行元件与使用材料有关，如使用双金属片、形状记忆合金或压电元件。,3,执行元件的分类,4,控制用电动机驱动系统一般由电源供给电力，经电力变换器变换后输送给电动机，使电动机作回转(或直线)运动，驱动负载机械(运行机构)运动，并在指令器给定的指令位置定位停止。这种驱动系统具有位置(或速度)反馈环节的叫闭环系统，没有位置与速度反馈环节的叫开环系统。,另外，其它电气式执行元件中还有微量位移用器件，例如：电磁铁由线圈和衔铁两部分组成，结构简单，由于是单向驱动，故需用弹簧复位，用于实现两固定点间的快速驱动；,压电驱动器利用压电晶体的压电效应来驱动运行机构作微量位移，,电热驱动器利用物体(如金属棒)的热变形来驱动运行机构的直线位移，用控制电热器(电阻)的加热电流来改变位移量，由于物体的线膨胀量有限，位移量当然很小，可用在机电一体化产品中实现微量进给。,6,2),液压式执行元件,液压式执行元件主要包括往复运动的油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸占绝大多数。目前，世界上已开发了各种数字式液压式执行元件，例如电-液伺服马达和电-液步进马达，这些电-液式马达的最大优点是比电动机的转矩大，可以直接驱动运行机构，转矩/惯量比大，过载能力强，适合于重载的高加减速驱动。,3),气压式执行元件,气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件无什么区别。具有代表性的气压执行元件有气缸、气压马达等。气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度较高的场合使用。,7,8,2),体积小、重量轻,既要缩小执行元件的体积、减轻重量，同时又要增大其动力，故通常用执行元件的单位重量所能达到的输出功率或比功率，即用功率密度或比功率密度来评价这项指标。设执行元件的重量为,G,，,则,功率密度:,P/G,。,比功率密度:,(,T,2,/J)/G,。,3),便于维修、安装,执行元件最好不需要维修。无刷,DC,及,AC,伺服电动机就是走向无维修的一例。,4),宜于微机控制,根据这个要求，用微机控制最方便的是电气式执行元件。因此机电一体化系统所用执行元件的主流是电气式，其次是液压式和气压式(在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节)。内燃机定位运动的微机控制较难，故通常仅被用于交通运输机械。,10,第二节,常用的控制用电动机,控制用电动机有力矩电动机、脉冲（步进）电动机、变频调速电动机、开关磁阻电动机和各种,AC/DC,电动机等。控制用电动机是电气伺服控制系统的动力部件，是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。由于其可在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确地控制，因而在各种机电一体化系统中得到了广泛的应用。,控制用电动机有回转和直线驱动电动机，通过电压、电流、频率(包括指令脉冲)等控制，实现定速、变速驱动或反复起动、停止的增量驱动以及复杂的驱动，而驱动精度随驱动对象的不同而不同。机电一体化系统或产品中常用的控制用电动机是指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电动机。,11,一.对控制用电动机的基本要求,13,15,伺服电动机的特点及应用实例,种 类,主 要 特 点：,应用实例,DC,伺服电动机,1高响应特性,2高功率密度(体积小、重量轻),3可实现高精度数字控制,4接触换向部件(电刷与换向器)需要,维护,NC,机械、机器人、计算机外围设备、办公机械、音响和音像设备、,计测机械等,晶体管式无刷,直流伺服电动机,1无接触换向部件,2需要磁极位置检测器(如同铀编码器 等),音响和音像设 备、计算机外围设备等,AC,伺,服,电,动,机,永磁同步型,3具有,DC,伺服电动机的全部优点,感应型,(矢量控制),1对定于电流的激励分量和转矩分量分别控制,2具有,DC,伺服电动机的全部优点,NC,机械、机器人等,步进电动机,1转角与控制脉冲数成比例，可构成,直接数字控制,2有定位转矩,3可构成廉价的开环控制系统,计算机外围设备、办公机械、数,控装置,16,伺服电动机优缺点比较,优 点,缺 点,DC,伺服电动机,同步（,SM）,型,伺服电动机,感应型（,IM）,型,AC,伺服电动机,优 点,1,停电时可制动,2,控制器简单,3,小容量的成本低,4,功率、速率高（响应能力指标）,5,无铁心形的不存在齿槽效应转矩,1.停电时可制动,2.可高速大转矩下工作,3.耐环境性好，无需维修4.小形轻量,5.功率、速率高（响应能力指标）,1.耐环境性好，无需维修,2.可高速大转矩下工作,3.大容量下效果良好,4.结构坚固,缺 点,1,需要维护整流子,2,不能在高速大转矩下工作,3,产生磨耗有粉尘,1.无自启动功能2,2.电动机与控制器对应,3.控制器较复杂.,1.在小容量下工作效率低,2.温度特性差,3.停电时不能制动,4.控制器较复杂,18,不同的应用场合，对控制用电动机的性能密度的要求也有所不同。对于起停频率低(如几十次分)，但要求低速平稳和扭矩脉动小，高速运行时振动、噪声小，在整个调速范围内均可稳定运动的机械，如,NC,工作机械的进给运动、机器人的驱动系统，其功率密度是主要的性能指标；对于起停频率高(如数百次分)，但不特别要求低速平稳性的产品，如高速打印机、绘图机、打孔机、集成电路焊接装置等主要的性能指标是高比功率。在额定输出功率相同的条件下,交流伺服电动机的比功率最高、直流伺服电动机次之、步进电动机最低。,19,20,21,22,第三节 直流（,DC,）,与交流（,AC,）,伺服电动机及驱动,一.直流(,DC),伺服电动机及其驱动,1）直流伺服电动机的特性及选用,直流伺服电动机通过电刷和换向器产生的整流作用，使磁场磁动势和电枢电流磁动势正交，从而产生转矩。其电枢大多为永久磁铁。,直流伺服电动机具有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性等优点。但由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需要定期维修。,60年代研制出了小惯量直流伺服电动机，其电枢无槽，绕组直接粘接固定在电抠铁心上，因而转动惯量小、反应灵敏、动态特性好，适用于高速且负载惯量较小的场合，否则需根据其具体的惯量比设置精密齿轮副才能与负载惯量匹配，增加了成本。,直流印刷电枢电动机是一种盘形伺服电动机，电抠由导电板的切口成形，棵导体的线圈端部起换向器作用，这种空心式高性能伺服电动机大多用于工业机器人、小型,NC,机床及线切割机床上。,24,宽调速直流伺服电动机的结构特点是励磁便于调整，易于安排补偿绕组和换向极，电动机的换向性能得到改善，成本低,可以在较宽的速度范围内得到恒转速特性。永久磁铁的宽调速直流伺服电动机的结构如图3.3所示。有不带制动器,a,和带制动器,b,两种结构。电动机定子(磁钢)1采用矫顽力高、不易去磁的永磁材料(如铁氧体永久磁铁)、转子(电枢)2直径大并且有槽，因而热容量大，结构上又采用了通常凸极式和隐极式永磁电动机磁路的组合，提高了电动机气隙磁通密度。同时，在电动机尾部装有高精密低纹波的测速发电动机并可加装光电编码器或旋转变压器及制动器，为速度环提供了较高的增量，能获得优良的低速刚度和动态性能。,25,26,宽调速直流伺服电动机应根据负载条件来选择。加在电动机轴上的有两种负载，即负载转矩和负载惯量。当选用电动机时，必须正确地计算负载，即必须确认电动机能满足下列条件：在整个调速范围内，其负载转矩应在电动机连续额定转矩范围以内；工作负载与过载时间应在规定的范围以内；,应使加速度与希望的时间常数一致。一般讲，由于负载转矩起减速作用，如果可能，加减速应选取相同的时间常数。,值得提出的是惯性负载值对电动机灵敏度和快速移动时间有很大影响。对于大的惯性负载，当指令速度变化时，电动机达到指令速度的时间需要长些。如果负载惯量达到转子惯量的三倍，灵敏度要受到影响，当负载惯量比转子惯量大三倍时响应时间将降低很多，而当惯量大大超过时，伺服放大器就不能在正常条件范围内调整，必须避免使用这种惯性负载。,28,2）.直流伺服电动机与驱动,直流伺服电动机为直流供电，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。目前常用晶体管脉宽调理驱动和晶闸管直流调速驱动两种方式。,晶闸管直流驱动方式，主要通过调节触发装置控制品闸管的触发延迟角(控制电压的大小)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于平滑调速。由于晶闸管本身的工作原理和电源的特点，导通后是利用交流(50,Hz),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20003000,Hz)，,伺服机构能够响应的颠带范围也较宽，与晶闸管相比，其输出电流脉动非常小，接近于纯直流。,29,日本法纳克,(,FANUC),公司,L、M,系列直流伺服电动机,31,32,脉宽调制(,PWM),直流调速驱动系统原理如上图所示。当输入一个直流控制电压,U,时就可得到一定宽度与,U,成比例的脉冲方波来给伺服电动机电枢回路供电，通过改变脉冲宽度来改变电枢回路的平均电压，从而得到不同大小的电压值,U,a,，,使直流电动机平滑调速。设开关,S,周期性地闭合、断开，闭和开的周期,T,0,是在一个周期,T,内，闭合的时间是 ,开断的时间是 ，开断的时间是,T-,，若外加电源电压,U,为常数，则电源加到电动机电枢上的电压波形将是一个方波列，其高度为,U,，宽度为 ，则一个周期内电压的平均值为,：,33,34,35,为使电动机实现双向调速，多采用上图所示桥式电路，其工作原理与线性放大桥式电路相似。电桥由四个大功率晶体管,VT,1,VT,4,组成。如果在,VT,1,和,VT,3,的基极上加以正脉冲的同时，在,VT,2,和,VT,4,的基极上加负脉冲，这时,VT,1,和,VT,4,导通，,VT,2,和,VT,4,截止，电流沿+90,VcVT,1,dMbVT,3,a0V,的路径流通。设此时电动机的转向为正向。,反之，如果在晶体管,VT,1,和,VT,3,的基极上加负脉冲，在,VT,2,和,VT,4,的基极上加正脉冲，则,VT,2,和,VT,4,导通，,VT,1,和,VT,3,截止，电流沿+90,V,c,VT,2,b,M,d,VT,4,a,0V,的路径流通，电流的方向与前一情况相反，电动机反向旋转。显然，如果改变加到,VT,1,和,VT,3,、VT,2,和,VT,4,这两组管子基极上控制脉冲的正负和导通率，就可以改变电动机的转向和转速,。,36,二.交流(,AC),伺服电动机及其驱动,同步型和感应型伺服电动机称为交流伺服电动机，其基本原理是检测,SM（,同步）型和,IM（,感应）型的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来控制其主磁通量和转矩。表3.8为（,法纳克公司,）交流伺服电动机的特性实例。,采用永久磁铁磁场的同步电动机不需要磁化电流控制，只要检测磁铁转子的位置即可。这种交流伺服电动机也叫做无刷直流伺服电动机(如,SM,型伺服电动机（如下图)。由于它不需要磁化电流控制，故比,IM,型伺服电动机容易控制。,37,图3.6,38,型号,项目,5-0,4-0,3.0,2-0,1-0,0,5,10,20,30,30,R,输出功率,kW,额定转短,Nm,最大转矩,Nm,最高速度,r/min,转子转动惯量,kgm,2,机械时间常数,ms,热时间常数,min,质量/,kg,0.02,0.10,0.8,3000,3410,-6,4,10,0.5,0.05,0.25,1.1,3000,3.710,-5,11,15,1.2,0.1,0.49,2.2,3000,7.310,-5,8,15,1.8,0.2,1.0,7.8,2000,3.610,-4,9,15,3.0,0.4,2.0,16,2000,610,-4,5,20,4.5,0.6,2.9,26,2000,2.510,-3,16,45,11.0,0.9,5.9,53,2000,4.210,-3,9,50,15.0,1.8,11.8,78,2000,0.010,10,60,31.0,3.5,22.5,147,2000,0.018,6,65,40.0,3.3,37.2,225,1200,0.025,5,65,50.0,4,29.4,225,2000,0.025,5,65,50.0,表3.8 法纳克公司交流伺服电动机性能,39,第四节,步进电动机及其驱动,一.步进电动机的特点与种类,1）,步进电动机的特点,步进电动机又称脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其输入一个电脉冲就转动一步，即每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向、很容易用微机实现数字控制。步进电动机具有以下特点：,40,步进电动机的工作状态不易受各种干扰因素(如电源电压的波动、电流的大小与波形的变化、温度等)的影响，只要在它们的大小未引起步进电动机产生“丢步”现象之前，就不影响其正常工作；步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零”，因此不会长期积累；,控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”。因此，步进电动机被广泛应用于开环控制的机电一体化系统，使系统简化，并可靠地获得较高的位置精,度。,41,2),步进电动机的种类,步进电动机的种类很多，有旋转式步进电动机，也有直线步进电动机；从励磁相数来分有三相、四相、五相、六相等步进电动机。就常用的旋转式步进电动机的转子结构来说，可将其分为以下三种：,42,（1）,可变磁阻(,VR-Variable Reluctance),型,该类电动机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制成的齿形转子作步进驱动，故又称作反应式步进电动机。其结构原理如图3.10所示。其定子1与转子2由铁心构成，没有永久磁铁，定子上嵌有线圈，转子朝定子与转子之间磁阻最小方向转动，并由此而得名可变磁型。这类电动机的转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。由于,VR,型步进电动机的铁心无极性，故不需改变电流极性，为此，多为单极性励磁。,43,可变磁阻(,VR-Variable Reluctance),型,可变磁阻型步进电动机,44,图3.10,45,该类电动机的定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力。另外，需要将气隙作得尽可能小，例如几个微米。这种电动机具有制造成本高、效率低、转子的阻尼差、噪声大等缺点。但是，由于其制造材料费用低、结构简单、步距角小，随着加工技术的进步，可望成为多用途的机种。,46,（,2),永磁(,PM-Permanent Magnet),型,47,PM,型步进电动机的转子2采用永久磁铁、定子1采用软磁钢制成，绕组3轮流通电，建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩。其结构如图3.11所示。这种电动机由于采用了永久磁铁，即使定子绕组断电也能保持一定转矩，故具有记忆能力，可用作定位驱动。,PM,型电动机的特点是励磁功率小、效率高、造价便宜，因此需要量也大。由于转子磁铁的磁化间距受到限制，难于制造，故步距角较大。与,VR,型相比转矩大，但转子惯量也较大。,48,（3),混合(,HB-Hybrid),型,混合型结构原理,49,混合(,HB-Hybrid),型例,混合型步进电动机,50,该型步进电机不仅具有,VR,型步进电动机步距角小、响应频率高的优点，而且还具有,PM,型步进电动机励磁功率小、效率高的优点。它的定子与,VR,型没有多大差别，只是在相数和绕组接线方面有其特殊的地方，例如，,VR,型一般都做成集中绕组的形式，每极上放有一套绕组，相对的两极为一相，而,HB,型步进电动机的定子绕组大多数为四相，而且每极同时绕两相绕组或采用桥式电路绕一相绕组，按正反脉冲供电。,这种类型的电动机由转子铁心的凸极数和定子的副凸极数决定步距角的大小，可制造出步距角较小(0.93.6)的电动机。永久磁铁也可磁化轴向的两极，可使用轴向各向异性磁铁制成高效电动机。,51,混合型与永磁型多为双极性励磁。由于都采用了永久磁铁，所以，无励磁时具有保持力。另外，励磁时的静止转矩都比,VR,型步进电动机的大。,HB,和,PM,型步进电动机能够用作超低速同步电动机，如用60,Hz,驱动每步1.8度的电动机可作为72,rmin,的同步电动机使用。,步进电动机与,DC,和,AC,伺服电动机相比其转矩、效率、精度、高速性比较差，但步进电动机具有低速时转矩大、速度控制比较简单、外形尺寸小等优点，所以在办公室自动化方面的打印机、绘图机、复印机等机电一体化产品中得到广泛使用，在工厂自动化方面也可代替低档的,DC,伺服电动机。,52,二.步进电动机的工作原理,三相反应式步进电动机,53,如图,a,所示，如果先将电脉冲加到,A,相励磁绕组，定子,A,相磁极就产生磁通，并对转子产生磁拉力，使转子的1、3两个齿与定子的,A,相磁极对齐。而后再将电脉冲通入,B,相励磁绕组，,B,相磁极便产生磁通。由图,b,可以看出，这时转子2、4两个齿与,B,相磁极靠得最近，于是转子便沿着反时钟方向转过30。角，使转子2、4两个齿与定子,B,相滋极对齐。如果按照,ABCA,的顺序通电，转子则沿反时针方向一步步地转动，每步转过30，这个角度就叫步距角。显然，单位时间内通入的电脉冲数越多，即电脉冲频率越高，电动机转速就越高。如果按,ABCA,的顺序通电，步进电动机将沿顺时针方向一步步地转动。从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每一拍转子转动一个步距角。像上述的步进电动机，三相励磁绕组依次单独通电运行，换接三次完成一个通电循环，称为三相单三拍通电方式。,54,如果使两相励磁绕组同时通电，即按,ABBCCAAB,顺序通电，这种通电方式称为三相双三拍，其步距角仍为30。还有一种是按三相六拍通电方式工作的步进电动机，即按照,AABBBCCCAA,顺序通电，换接六次完成一个通电循环。这种通电方式的步距角为,l5。,55,若将电脉冲首先通入,A,相励磁绕组，转子齿1、3与,A,相磁极对齐，如图中,a,所示。然后再将电脉冲同时通入,A、B,相励磁绕组，这时,A,相磁极拉着1、3两个齿，,B,相磁极拉着2、4两个齿，使转子沿着反时针方向旋转，转过,l5,角时，,A、B,两相的磁拉力正好平衡，转子静止于图中,b,的位置。如果继续按,BBCCCAA,的顺序通电，步进电动机就沿着反时针方向，以,l5,步距角一步步转动,。,步进电动机的步距角越小，意味着它所能达到的位置精度越高。通常的步矩角是1.5或0.75，为此需要将转子做成多极式的，并在定子磁极上制成小齿,，,如右图所示。,56,定子磁极上的小齿和转子磁极上的小齿大小一样，两种小齿的齿宽和齿距相等。当一相定子磁极的小齿与转子的齿对齐时，其它两相磁极的小齿都与转子的齿错过一个角度。按着相序，后一相比前一相错开的角度要大。例如转子上有40个齿，则相邻两个齿的齿距角是360409。若定子每个磁极上制成5个小齿，当转子齿和,A,相磁极小齿对齐时，,B,相磁极小齿则沿反时针方向超前转子齿13齿距角，即超前3，而,C,相磁极小齿则超前转子23齿距，即超前6。按照此结构，当励磁绕组按,ABCA,顺序以三相三拍通电时，转子按反时针方向，以3步距角转动；如,果,按照,AABBBCCCAA,顺序以三相六拍通电时，步距角将减小一半，为1.5。如通电顺序相反，则步进电动机将沿着顺时针方向转动。,57,步距角的大小与通电方式和转子齿数有关，其大小可用下式计算：,步距角360(,Zm,),式中,Z,转子齿数；,m,运行拍数，通常等于相数或相数整数倍，即,m=KN,(,N,为电动机的相数，单拍时,K,1，,双拍时,K,2)。,58,反应式步进电动机环形脉冲分配方式表,59,三.步进电动机的运行特性及性能指标,1),分辨力,在一个电脉冲作用下(即一拍)，电动机转子转过的角位移，即步距角。越小，分辨力越高。最常用的有0.61.2、0.751.5、0.91.8、12、1.53等。,60,2)静态特性,61,失调角示意图,62,矩-角特性曲线,63,3)动态特性,动态稳定区,64,起动转矩,图3.10中，,A,相与,B,相矩-角特性曲线之交点所对应的转矩被称为起动转矩，它表示步进电动机单相励磁时所能带动的极限负载转矩。起动转矩通常与步进电动机相数和通电方式有关，如表3.7所示。,65,最高连续运行频率及矩-频特性,66,矩-频特性及联系尺寸,67,空载起动频率与惯-频特性,68,空载起动频率,69,4)步进电动机技术指标实例,70,表3.11 反应式式步进电动机技术性能数据,71,表3.12 永磁感应子式步进电动机技术性能数据(一),72,表3.12 永磁感应子式步进电动机技术性能数据(二),73,四.步进电动机的驱动与控制,步进电动机的运行特性与配套使用的驱动电源（驱动器）有密切关系。驱动电源由脉冲分配器、功率放大器等组成，如图3-11所示。驱动电源是将变频信号源(微机或数控装置等)送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动地循环供给电动机各相绕组，以驱动电动机转子正反向旋转。变频信号源是可提供从几赫兹到几万赫兹的频率信号连续可调的脉冲信号发生器。因此，只要控制输入电脉冲的数量及频率就可精确控制步进电动机的转角及转速。,74,步进电动机的驱动电源组成,75,1),环形脉冲分配器,步进电动机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作。这种使电动机绕组的通电顺序按一定规律变化的部分称为脉冲分配器（又称为环形脉冲分配器）。实现环形分配的方法有三种。一种是采用计算机软件，利用查表或计算方法来进行脉冲的环形分配，简称软环分。表3-,l0,为三相六拍分配状态，可将表中状态代码0,lH、03H、02H、06H、04H、05H,列入程序数据表中,通过软件可顺次在数据表中提取数据并通过输出接口输出即可，通过正向顺序读取和反向顺序读取可控制电动机进行正反转。通过控制读取一次数据的时间间隔可控制电动机的转速。该方法能充分利用计算机软件资源以降低硬件成本，尤其是对多相的脉冲分配具有更大的优点。但由于软环分占用计算机的运行时间，故会使插补一次的时间增加，易影响步进电动机的运行速度。,76,三相六拍分配状态,77,另一种是采用小规模集成电路搭接而成的三相六拍环形脉冲分配器，如下图所示，图中,C,1,、C,2,、C,3,为双稳态触发器。这种方式灵活性很大，可搭接任意相任意通电顺序的环形分配器，同时在工作时不占用计算机的工作时间。,第三种即采用专用环形分配器器件。如市售的,CH250,即为一种三相步进电动机专用环形分配器。它可以实现三相步进电动机的各种环形分配，使用方便、接口简单。图3.20,a）,为,CH250,的管脚图，图,b,为三相六拍接线图。,78,双三拍正、反转控制的环形分配器的逻辑原理图,79,图3.20,CH250,管脚图及三相六拍接线图,a）,80,CH250,工作状态,81,2),功率放大器,步进电动机所使用的功率放大电路有电压型和电流型。电压型又有单电压型、双电压型(高低压型)。电流型中有恒流驱动、斩波驱动等。,82,（1）单电压功率放大电路，如下图所示,83,（2）高低压功率放大电路,84,3）细分驱动,上述提到的步进电动机的各种功率放大电路都是采用环形分配器芯片进行环形分配，控制电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运动，步距角的大小只有两种，即整步工作或半步工作。步距角已由步进电动机结构所确定。如果要求步进电动机有更小的步距角或者为减小电动机振动、噪声等原因，可以在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或切除，而是只改变相应绕组中额定电流的一部分，则电动机转过的每步运动也只有步距角的一部分。这里绕组电流不是一个方波，而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除，电流分成多少个台阶，则转子就以同样的个数转过一个步距角。这样将一个步距角细分成若干步的驱动方法被称为细分驱动。细分驱动的特点是：在不改动电动机结构参数的情况下，能使步距角减小。但细分后的步距角精度不高，功率放大驱动电路也相应复杂；能使步进电动机运行平稳、提高匀速性、并能减弱或消除振荡。,85,功率开关细分驱动电源,86,叠加细分驱动原理,87,步进电动机的微机控制（串行、并行控制示意）,88,点-位控制的加减速过程,89,升速规律一般可有两种选择：一是按照直线规律升速，二是按指数规律升速。按直线规律升速时加速度为恒值，因此要求步进电动机产生的转矩为恒值。从电动机本身的矩-频特性来看，在转速不是很高的范围内，输出的转矩可基本认为恒定。但实际上电动机转速升高时，输出转矩将有所下降，如按指数规律升速，加速度是逐渐下降的，接近电动机输出转矩随转速变化的规律。,用微机对步进电动机进行加减速控制，实际上就是改变输出步进脉冲的时间间隔。升速时使脉冲串逐渐加密，减速时使脉冲串逐渐稀疏。微机用定时器中断的方式来控制电动机变速时,实际上就是不断改变定时器装载值的大小。,90,一般用离散办法来逼近理想的升降速曲线。为了减少每步计算装载值的时间，系统设计时就把各离散点的速度所需的装载值固化在系统的,EPROM,中，系统运行中用查表方法查出所需的装载值，从而大大减少占用,CPU,时间，提高系统响应速度。系统在执行升降速的控制过程中，对加减速的控制还需准备下列数据：加减速的斜率；升速过程的总步数；恒速运行总步数；减速运行的总步数。,对升降速过程的控制有多种方法，软件编程也十分灵活，技巧很多。此外，利用模拟数字集成电路也可实现升降速控制，但是实现起来较复杂且不灵活。,91,习题与思考题,3-1 机电一体化系统的执行元件分类及特点。,3,-,2 机电一体化系统对执行元件的基本要求。,3,-,3 控制用电动机的功率密度及比功率的定义。,3,-,4 伺服电动机的特点及应用。,3,-,5 直流伺服电动机控制方式的基本形式。,3,-,6,PWM,直流驱动调速、换向的工作原理。,3,-,7 伺服电动机控制的基本形式。,3,-,8 步进电动机具有哪些特点。,3,-,9 步进电动机的种类及其特点。,3,-,10 步进电动机的工作原理。,3,-,11步进电动机步距角大小计算方法。,3,-,12步进电动机的环行分配方式。,3,-,13 步进电动机的运行特性。,3,-,14 举例说明步进电动机型号的表示方法。,3,-,15步进电动机驱动电源的功率放大电路原理。,92,