機電一體化技術

復 習 1. 執(zhí) 行 元 件 的 種 類 、 特 點 及 基 本 要 求 ； 2.步 進 電 機 技 術 指 標 ； 3.機 電 一 體 化 系 統(tǒng) (或 產 品 )對 執(zhí) 行 元 件 的 基 本 要 求 ； 4.控 制 用 電 機 的 基 本 要 求 、 種 類 、 特 點 及 選 用 ； 5.掌 握 步 進 電 機 的 工 作 原 理 -步 進 電 機 環(huán) 形 脈 沖 分 配 方 式 -步 距 角 的 計 算 6.步 進 電 機 的 運 行 特 性 及 性 能 指 標 7.步 進 電 機 的 驅 動 與 控 制 驅 動 電 源 由 脈 沖 分 配 器 、 功 率 放 大 器 組 成 (1)環(huán) 形 脈 沖 分 配 器 (2)功 率 放 大 器 單 電 壓 功 率 放 大 電 路 。 高 低 壓 功 率 放 大 電 路 。 8.步 進 電 機 的 選 用 方 法 本 次 課 的 內 容 (2)功 率 放 大 器 單 電 壓 功 率 放 大 電 路 。高 低 壓 功 率 放 大 電 路 。 恒 流 源 功 率 放 大 電 路 。 細 分 驅 動 電 路 步 進 電 機 的 微 機 控 制 步 進 電 機 的 選 用 方 法 (2)功 率 放 大 器 步 進 電 機 所 使 用 的 功率 放 大 電 路 有 電 壓 型和 電 流 型 。 電 壓 型 又有 單 電 壓 型 、 雙 電 壓型 (高 低 壓 型 )。 電 流 型中 有 恒 流 驅 動 、 斬 波驅 動 等 。 單 電 壓 功 率 放 大 電路 ： 主 要 用 于 對 速 度要 求 不 高 的 小 型 步 進電 機 。 環(huán)形脈沖分配器 高 低 壓 功 率 放 大 電 路 5.7圖 為 采 用 脈 沖 變 壓 器 TI組 成 的 高 低 壓 控 制 電 路 原 理 圖 。A相 單 穩(wěn) 觸 發(fā) 器 組 成 的 高 低 壓 控 制 電 路 原 理 圖01 00觸 發(fā)1 10 1定 時結 束 1 0 單 穩(wěn) 觸 發(fā) 器 組 成 的 高 低 壓 控 制 電 路 特 點 恒 流 源 功 率 放 大 電 路 恒 流 源 功 率 放 大 電 路 特 點 斬 波 恒 流 功 率 放 大 電 路 輸 入 的 一 個 脈 沖 繞 組 的 電 壓 波 形繞 組 的 電 流 波 形0 0 =0U1=00 1 0 U 10U100 1 U1UR比 較 器 輸 出 為 00 1 調 頻 調 壓 功 放 電 路 。電 源 電 壓 一 定 ,繞 組 電 流 的 上 沖 值 隨 頻 率 的 升 高 降 低 ， 輸 出 轉 矩 隨 轉 速 的 提 高 降 低 ； 要 提 高 轉矩 ， 需 提 高 供 電 電 壓 ；調 頻 調 壓 ： 低 頻 時 ， 供 電 電 壓 低 ， 高 頻 時 ， 供 電 電 壓 高 ； 脈 沖 信 號調 壓 信 號 01 1 (3)細 分 驅 動在 每 次 輸 人 脈 沖 切 換 時 ， 不 是 將 繞 組 電 流 全 部 通入 或 切 除 ， 而 是 只 改 變 相 應 繞 組 中 額 定 的 一 部 分 ，則 電 機 轉 子 的 每 步 運 動 也 只 有 步 距 角 的 一 部 分 。這 里 繞 組 電 流 不 是 一 個 方 波 ， 而 是 階 梯 波 ， 額 定電 流 是 臺 階 式 的 投 入 或 切 除 ， 電 流 分 成 多 少 個 臺階 ， 則 轉 子 就 以 同 樣 的 個 數 轉 過 一 個 步 距 角 。 這樣 將 一 個 步 距 角 細 分 成 若 干 步 的 驅 動 方 法 稱 為 細分 驅 動 。細 分 驅 動 的 特 點 是 ： a 在 不 改 動 電 機 結 構 參 數 的 情 況 下 ， 能 使 步 距 角減 小 。 但 細 分 后 的 步 距 角 精 度 不 高 ， 功 率 放 大 驅動 電 路 也 相 應 復 雜 ； b 能 使 步 進 電 機 運 行 平 穩(wěn) ， 提 高 勻 速 性 ， 并 能 減 弱 或 消 除 振 蕩 。 例 : 采 用 多 路 功 率 開 關 用 疊 加 的 信 號 控 制 階 梯 波 供 電 的 方 法 先 放 大 、 后 疊加 的 供 電 方 法 先 疊 加 、 后 放大 的 供 電 方 法 恒 頻 脈 寬 調 制 細 分 驅 動 電 路 (4)步 進 電 機 的 微 機 控 制 有 串 行 和 并 行 兩 種 控 制 方 式 :串 行 控 制 ： 具 有 串 行 控 制 功 能 的 單 片 機 系 統(tǒng) 與 步 進 電 機驅 動 電 源 之 間 具 有 較 少 的 連 線 就 可 以 將 信 號 送 入 步 進 電 機 驅動 電 源 的 環(huán) 形 分 配 器 ， 所 以 在 這 種 系 統(tǒng) 中 ， 驅 動 電 源 中 必 須含 有 環(huán) 形 分 配 器 。 見 圖 。 并 行 控 制 ： 用 微 型 計 算 機 系 統(tǒng) 的 數 個 端 口 直 接 去 控 制 步 進 電 機 各 相 驅動 電 路 的 方 法 稱 為 并 行 控 制 。 在 電 機 驅 動 電 源 內 ， 不 包 括 環(huán)形 分 配 器 ， 而 其 功 能 必 須 由 微 型 計 算 機 系 統(tǒng) 完 成 。系 統(tǒng) 實 現 脈 沖 分 配 器 的 功 能 又 有 兩 種 方 法 ： 第 一 種 是 純 軟 件 方 法 . 第 二 種 是 軟 、 硬 件 相 結 合 的 方 法 。并 行 控 制 方 案 的 示 意 圖 見 圖 。 (5)步 進 電 機 的 速 度 控 制步 進 電 動 機 速 度 控 制 ： 控 制 系 統(tǒng) 發(fā) 出 脈沖 的 頻 率 或 者 是 換 相 周 期 ， 其 方 法 有 兩種 ： 一 種 是 軟 件 延 時 ： 調 用 延 時 子 程 序 ，占 用 CPU的 時 間 來 實 現 。 另 一 種 是 用 定 時 器 ： 通 過 設 定 定 時的 時 間 常 數 來 實 現 。 步 進 電 機 的 加 減 速 控 制對 于 點 位 控 制 系 統(tǒng) 來 說 ：1.如 果 系 統(tǒng) 要 求 的 運 行 頻 率 小 于 極 限 啟 動 頻 率 ， 則 可 以 直 接 起動 和 運 行 ；2.如 果 系 統(tǒng) 要 求 的 運 行 頻 率 大 于 極 限 啟 動 頻 率 ， 為 了 保 證 正 常啟 動 或 者 啟 動 時 不 丟 步 ， 其 運 行 需 要 一 個 過 程 ：“ 加 速 一 恒 速 一 減 速 一 (低 恒 速 )一 停 止 ” （ 如 圖 ） 升 速 規(guī) 律 一 般 可 有 兩 種 選 擇 ：一 是 按 照 直 線 規(guī) 律 升 速 ； 加 速 度 是 恒 定 值 ， 步 進 電機 的 轉 矩 也 應 該 是 恒 定 值 ， 但 是 由 于 電 機 本 身 的矩 -頻 特 性 可 以 知 道 ， 在 低 速 時 可 以 認 為 其 輸 出 的轉 矩 為 恒 定 值 ， 但 是 隨 著 轉 速 的 升 高 ， 輸 出 轉 矩會 下 降 。二 是 按 指 數 規(guī) 律 升 速 ， 與 電 機 的 矩 頻 特 性 比 較 吻 合 。系 統(tǒng) 在 執(zhí) 行 升 降 速 的 控 制 過 程 中 ， 對 加 減 速 的 控 制還 需 準 備 下 列 數 據 ： 加 減 速 的 斜 率 ； 升 速 過程 的 總 步 數 ； 恒 速 運 行 總 步 數 ； 減 速 運 行 的總 步 數 。 加 減 速 過 程 的 控 制 方 法 ：1.步 進 電 動 機 的 開 環(huán) 控 制 ：步 進 電 動 機 驅 動 系 統(tǒng) ， 其 輸 入 的 脈 沖 不 依 賴 于 轉 子的 位 置 ， 而 是 事 先 按 一 定 的 規(guī) 律 給 定 的 。 其 缺 點 是電 動 機 的 輸 出 轉 矩 、 加 速 度 在 很 大 程 度 上 取 決 于 驅動 電 源 和 控 制 方 式 。 對 于 不 同 的 電 動 機 或 者 同 一 種電 動 機 而 不 同 的 負 載 ， 很 難 找 到 通 用 的 加 減 速 規(guī) 律 ，因 此 使 步 進 電 動 機 的 性 能 指 標 的 提 高 受 到 限 制 。 2.步 進 電 動 機 的 閉 環(huán) 控 制 ： 步 進 電 動 機 的 輸 出 轉 矩 是 勵 磁 電 流 和 失調 角 的 函 數 。 為 了 獲 得 較 高 的 輸 出 轉 矩 ， 必須 考 慮 電 流 的 變 化 和 失 調 角 的 大 小 ， 根 據 不同 的 使 用 要 求 ， 步 進 電 動 機 的 閉 環(huán) 控 制 也 有 不 同 的 方 案 ， 主 要 有 核 步 法 、 延 遲 時 間 法 、用 位 置 傳 感 器 的 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 等 。采 用 光 電 脈 沖 編 碼 器 作 為 位 置 檢 測 元 件 的閉 環(huán) 控 制 原 理 框 圖 如 圖 所 示 。 閉 環(huán) 控 制 是 直 接 或 間 接 檢 測 轉 子 的 位 置 和 速 度 ， 然 后 通 過 反饋 及 適 當 的 處 理 ， 自 動 給 出 驅 動 的 脈 沖 串 。 采 用 閉 環(huán) 控 制 ， 可以 獲 得 更 加 精 確 的 位 置 控 制 和 高 得 多 、 平 穩(wěn) 得 多 的 轉 速 ， 而 且可 以 在 步 進 電 動 機 的 許 多 其 他 領 域 獲 得 更 大 的 通 用 性 。 步 進 電 機 的 選 用 計 算 方 法 360 l0i（ 1） 計 算 齒 輪 的 減 速 比 ： 根 據 所 要 求 脈 沖 當 量 ， 齒 輪 減 速 比 i計 算 如 下 ： 式 中 ： 步 進 電 機 的 步 距 角 （ /脈 沖 ） S絲 桿 螺 距 （ mm) ， (mm/脈 沖 ） (1-1)2l(1 20221 gwJJiJJ seq（ 2） 計 算 工 作 臺 ， 絲 桿 以 及 齒 輪 折 算 至 電 機 軸 上 的 慣 量 Jeq。(1-2)式 中 ： Jeq折 算 至 電 機 軸 上 的 慣 量 (Kg.cm.s2) ， J1、 J2 齒 輪 慣 量 (Kg.cm.s2) ； Js絲 桿 慣 量 (Kg.cm.s2)； W工 作 臺 重 量 （ N） ； l0絲 桿 螺 距 （ cm） （ 3） 計 算 電 機 輸 出 的 總 力 矩 M(5.11)tfa MMMM （ 1-3）T nJJM eqma )(10026.1 4 （ 1-4）式 中 ： Ma 電 機 啟 動 加 速 力 矩 （ N.m) ； Jm、 Jeq電 機 自 身 慣 量 與 負 載 慣 量 (Kg.cm2)； n電 機 所 需 達 到 的 轉 速 （ r/min） ； T電 機 升 速 時 間 （ s） ； 30 102 ilWM f （ 1-5）式 中 ： Mf導 軌 摩 擦 折 算 至 電 機 的 轉 矩 （ N.m)； u摩 擦 系 數 ； 傳 遞 效 率 ； 30 102 )( ilFM xt （ 1-6）式 中 ： Mt切 削 力 折 算 至 電 機 力 矩 （ N.m) ； Fx最 大 切 削 力 （ N） （ 4） 負 載 起 動 頻 率 估 算 。 數 控 系 統(tǒng) 控 制 電 機 的 啟 動 頻率 與 負 載 轉 矩 和 慣 量 有 很 大 關 系 ， 其 估 算 公 式 為210 1 )(1 meqi tfqq JJM MMff （ 1-7） 式 中 ： fq帶 載 起 動 頻 率 （ Hz） ； f q0空 載 起 動 頻 率 ； Mi空 載 起 動 頻 率 下 由 矩 頻 特 性 決 定 的 電 機 輸 出 力 矩 （N.m)； 若 負 載 參 數 無 法 精 確 確 定 ,則 可 按 fq=1/2fq0進 行 估 算 . （ 5） 運 行 的 最 高 頻 率 與 升 速 時 間 的 計 算 。 由 于 電 機 的 輸 出 力 矩 隨 著 頻 率 的 升高 而 下 降 ， 因 此 在 最 高 頻 率 時 ， 由 矩 頻 特 性 的 輸 出 力 矩 應 能 驅 動 負 載 ， 并 留 有足 夠 的 余 量 。 （ 6） 負 載 力 矩 和 最 大 靜 力 矩 Mmax。負 載 力 矩 可 按 式 （ 1-5） 和 式 （ 1-6） 計 算 ， 電 機 在 最 大 進 給 速 度 時 ， 由 矩 頻 特 性決 定 的 電 機 輸 出 力 矩 要 大 于 Mf與 Mt之 和 ， 并 留 有 余 量 。 一 般 來 說 ， Mf與 Mt之 和 應小 于 （ 0.2 0.4） Mmax。 實 例 某 車 床 進 行 數 控 改 造 ， 其 小 拖 板 結 構 簡 圖 如 圖 所 示 ， 已 知 進 給 系 統(tǒng) 行程 為 200mm， 快 速 移 動 的 最 大 速 度 為 1.2m /min， 最 大 切 削 進 給 速 度為 0.25m /min， 溜 板 和 刀 架 的 質 量 為 20kg。 滾 珠 絲 杠 的 導 程 =6mm， 試 選 擇 步 進 電 機 。 三 相 混 合 式 步 進 電 機 參 數 表型 號 步 距 角 （ ） 相 數 驅 動 電 壓（ V） 相 電 流 （A） 保 持 轉矩 （ N.M） 空 載 啟 動頻 率 （pps） 空 載 運 行頻 率 （kpps） 轉 動 慣量 （kg.cm2） 相 電 感（ mH） 相 電 阻 （） 重 量 （ kg90BYG5501 0.36/0.72 5 45 4 5 2200 30 4.0 3.8 0.8 4.5 110BYG2501 0.9/1.8 2/4 80-220 4 12 1200 15 11.3 5.8 0.5 8.5 110BYG2502 0.9/1.8 2/4 80-220 5 20 1200 15 15.8 6.5 0.6 10.5 110BYG2601 0.75/1.5 2/4 80-220 4 12 1200 15 11.3 5.8 0.5 8.5 110BYG2602 0.75/1.5 2/4 80-220 5 20 1200 15 15.8 6.5 0.6 10.5 110BYG3500 0.6 3 80-220 3 8 1600 30 7.2 7.4 1.4 6.5 110BYG3501 0.6 3 80-220 3 11 1600 30 11.3 10.0 1.9 8.0 1.計 算 齒 輪 的 減 速 比 根 據 經 驗 或 常 見 的 步 進 電 機 初 步 選 定 需 要 的 步 距 角 。 本 設 計 選 用 的 反 應 式 三 相 步 進 電 機 ， 假 設 其 步 距 角 為0.6/1.2， 采 用 三 項 六 拍 的 通 電 方 式 工 作 ， 脈 沖 當 量 為0.005mm， （ 脈 沖 當 量 應 為 實 際 加 工 時 對 加 工 精 度 的 要求 ） 根 據 題 意 ： 2 005.0360 66.036000 li 2.計 算 工 作 臺 ， 絲 桿 以 及 齒 輪 折 算 至 電 機 軸 上 的 慣量 Jeq 齒 輪 的 轉 動 慣 量 為 絲 杠 的 轉 動 慣 量 根 據 題 意 又 ： 所 以 ： 241 106.1 KgmJz 242 104.6 KgmJz 23102.1 KgmJs 2222212 2121212121 MvJJJJ sssZmZmeq mms i 41 82 00 llv ms ).(352.6).(10352.6 10152.0103106.1106.1 6516006.0102.141104.641106.1 )4(4141224 4444 22344 202122222221 cmKgmKg lMJJJvMJJJJ sZZmmssmsZZeq 3.計 算 電 機 輸 出 的 總 力 矩tfa MMMM T nJJM eqma )(10026.1 4 步 進 電 機 的 加 速 力 矩 或步 進 電 機 的 慣 性 負 載 力 矩在 此 公 式 中 ， 未 知 的 參 數 有 ： J m步 進 電 機 的 轉 動 慣 量 ， 由 于 電 機 是 未 選 定 的 ， 所 以 Jm也 是 未 知 的 ； 在 計 算 中 如 何 處 理 ？ T電 機 的 加 減 速 的 時 間 ， 應 該 根 據 步 進 電 機 的 升 速 規(guī) 律 是 線 性 或 指 數 規(guī) 律 計 算 出 來 的 ， 在 此 假設 為 0.1s。 有 的 在 電 機 的 參 數 表 中 給 定 機 械 時 間 常 數 ， 其 含 義 是 ： 電 機 在 額 定 電 壓 給 定， 空 載 情 況 下 ， 轉 速 達 到 額 定 轉 速 的 63%時 所 需 的 時 間 。 此 參 數 衡 量 的 主 要 是電 機 的 啟 動 特 性 ， 如 空 心 杯 的 電 機 ， 一 般 都 是 1-50ms左 右 。 但 是 對 于 傳 統(tǒng) 的 鼠籠 式 異 步 電 機 或 者 無 刷 （ 同 步 ） 電 機 ， 其 響 應 要 慢 的 多 。計 算 結 果 ： m).(4757.31.0 400)352.6117.2(10026.1 4 NMa m).(724.01.0 4.83)352.6117.2(10026.1 4 NMa 空 載 ：滿 載 ： 計 算 摩 擦 阻 力 矩 此 公 式 中 的 摩 擦 力 有 兩 個 ： 1、 空 載 運 動 時 的 摩 擦 力 ； 2、滿 載 運 動 時 的 摩 擦 力 ； 3、 傳 動 效 率 可 以 設 定 一 個 值 ， 需要 查 閱 資 料 給 出 ， 在 此 設 為 0.85。 外 載 荷 的 分 力 F y應 該 根 據 工 作 的 需 要 計 算 出 來 ， 在 此 假 設為 1304N。 30 102 ilWM f )(2693.0 10285.014.32 6)13048.920(1.0102 F 330yNm i lWM f ）（滿 載 時 ： )(01102.010285.014.32 68.9201.0102 330 NmilWM f 空 載 時 ： 外 載 的 等 效 換 算 此 公 式 中 ， Fx是 外 載 荷 在 絲 杠 軸 向 的 分 力 ， 應 根 據 外 載 荷的 大 小 計 算 得 出 。 外 載 荷 的 計 算 應 根 據 實 際 工 作 的 極 限 力求 出 ， 然 后 分 解 得 出 。 在 此 ， 假 設 為 1779N。 30 102 )( ilFM xt )(9998.0 10285.014.32 61779102 )( 330Nm ilFM xt 電 機 輸 出 的 總 力 矩 tfa MMMM )(48672.301102.04757.3 NmM 根 據 計 算 的 轉 矩 ， 選 用 大 值 作 為 數 據 ， 初 步 選 定 步 進 電 機 的型 號 。 110BYG3501 （ M應 小 于 （ 0.2 0.4） Mmax?？?載滿 載 )(9931.19998.02693.0724.0 NmM 4、 負 載 起 動 頻 率 估 算 7703.11352.61 7.17 9998.02693.0116001 )(1 210 meqi tfqq JJM MMff矩 頻 特 性 平 均 參 考 值 電 機 型 號 驅 動 電 源 電壓 （ V） 運 行 步距 角 （ ） 運 行 頻 率 （ PPS） 100 200 500 1000 2000 3000 4000 6000 8000 10000 矩 頻 特 性 （ N.m） 110BYG2501 AC100V/4A 0.9 7.0 7.2 7.6 7.4 6.9 6.1 5.3 3.8 2.2 1.4110BYG2502 AC100V/4A 0.9 12.95 13.3 14.4 13.3 11.2 9.45 7.4 4.8 3.6 2.4110BYG2601 AC100V/4A 0.75 7.5 7.8 8.1 7.8 7.1 6.4 5.5 3.3 1.7 0.8110BYG2602 AC100V/4A 0.75 12.2 12.5 13 12.6 11.9 10.3 8.5 6.3 4 2.9110BYG3501 AC120V/ 7A 0.6 18.0 19.8 19.8 19.2 16.2 10.85 6.65 5.2 4.9 3.75110BYG3502 AC120V/7A 0.6 24.6 25.8 25.8 24.6 22.2 11.5 7.0 5.8 5.2 5.1 5、 運 行 的 最 高 頻 率電 機 型 號 驅 動 電 源電 壓 （ V） 運 行步 距角 （ ） 運 行 頻 率 （ PPS） 100 200 500 1000 2000 3000 4000 6000 8000 10000 矩 頻 特 性 （ N.m） 110BYG2501 AC100V/ 4A 0.9 7.0 7.2 7.6 7.4 6.9 6.1 5.3 3.8 2.2 1.4110BYG2502 AC100V/4A 0.9 12.95 13.3 14.4 13.3 11.2 9.45 7.4 4.8 3.6 2.4110BYG2601 AC100V/4A 0.75 7.5 7.8 8.1 7.8 7.1 6.4 5.5 3.3 1.7 0.8110BYG2602 AC100V/4A 0.75 12.2 12.5 13 12.6 11.9 10.3 8.5 6.3 4 2.9 110BYG3501 AC120V/7A 0.9 18.0 19.8 19.8 19.2 16.2 10.85 6.65 5.2 4.9 3.75110BYG3502 AC120V/7A 0.9 24.6 25.8 25.8 24.6 22.2 11.5 7.0 5.8 5.2 5.1 總 結 (2)功 率 放 大 器 單 電 壓 功 率 放 大 電 路 。高 低 壓 功 率 放 大 電 路 。 恒 流 源 功 率 放 大 電 路 。 細 分 驅 動 電 路 步 進 電 機 的 微 機 控 制 步 進 電 機 的 選 用 計 算 方 法 課 后 習 題 1.什 么 是 步 進 電 機 的 細 分 驅 動 ？ 2.步 進 電 機 的 細 分 驅 動 中 ， 階 梯 波 供 電 的 方 法 有 兩 種 ， 分別 是 和 。 3.使 用 微 機 對 步 進 電 機 控 制 有 兩 種 方 式 ， 分 別 是 和 。 4.對 于 點 位 控 制 步 進 電 機 的 驅 動 系 統(tǒng) 來 說 ： 1） .如 果 系 統(tǒng)要 求 的 運 行 頻 率 小 于 步 進 電 機 極 限 啟 動 頻 率 ， 則 可 以 直接 ； 2） .如 果 系 統(tǒng) 要 求 的 運 行 頻 率 大 于 步 進 電機 的 極 限 啟 動 頻 率 ， 為 了 保 證 正 常 啟 動 或 者 啟 動 時 不 丟 步 ，其 運 行 需 要 一 個 過 程 ： 。 5.分 析 步 進 電 機 的 開 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 和 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 。 課 后 習 題 1. 步 進 電 機 是 如 何 實 現 速 度 和方 向 控 制 的 ？ 2.分 析 如 圖 所 示 的 步 進 電 機 高低 壓 功 率 放 大 電 路 的 工 作 原 理 3.繪 圖 說 明 三 相 激 磁 步 進 電 機的 矩 角 特 性 曲 線 ， 指 出 動 態(tài)穩(wěn) 定 區(qū) 、 起 動 轉 矩 ？ 4.試 分 析 比 較 如 圖 所 示 的 閉 環(huán)控 制 系 統(tǒng) 與 半 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 的主 要 區(qū) 別 。