章节名称 | 第6 章 实施装置及其控制 第1 节 步进电机 |
教学目标 | 1．掌握反应式步进电机结构、 工作原理和应用特点2．掌握步进电机环形分配器功效, 分类, 原理 |
课程关键难点 | 1. 步进电机环形分配器功效, 分类, 原理2. 步进电机常见功率驱动电路工作原理 |
教学方法 | 1．课堂理论课讲授 |
6.1步进电动机
1．步进电机工作原理
步进电动机又称电脉冲马达,是经过脉冲数量决定转角位移一个伺服电动机。因为
步进电动机比直流电动机或交流电动机组成开环控制系统精度高,适适用于精度要求不
步进电动机成本较低,易于采取计算机控制,所以被广泛应用于开环控制伺服系统中。
取开环步进电动机控制系统。步进电动机按其工作原理分:
关键有磁电式和反应式两大类
步进电机按励磁相数分:
有三、四、五、六相等多个,因为相数越多,步距角越小,而且还采取多相 通电,提升步进电机输出转矩。
步进电机按输出力矩大小分:
功率步进电机,
伺服（快速）步进电机反应是步进电机工作原理是:
三相反应式步进电动机工作原理图5-12所表示,其中步进电动机定子上有6个齿,其上分别缠有WA、WB、WC三相绕组,组成三对磁极,转子上则均匀分布着4个齿。步进
电动机采取直流电源供电。当WA、WB、WC三相绕组轮番通电时,经过电磁力吸引步进电动机转子一步一步地旋转。
图 5-13 三相反应式步进电动机图 5-12 步进电动机运动原理图
另外两齿吸引过去,
相通电,依据一样道理,转子又逆时针转了300,停止在W相通电位置上。若再U相通电,W相断电,那么转子再逆转300。定子各相轮番通电一次,转子转一个齿。
步进电机绕组按 | U | ? | V | ? | W | ? | U | ? | V | ? | W | ? | U | …依次轮番通电, 步进电动机转子 |
就一步步地按逆时针方向旋转。反之,假如步进电动机按倒序依次使绕组通电,即:
U | ? | W | ? | V | ? | U | ? | W | ? | V | ? | U | …, 则步进电动机将按顺时针方向旋转。 |
步进电机绕组每次通断电使转子转过角度称之为步距角。上述分析中步进电机步距角为300。
对于一个真实步进电动机,为了降低每通电一次转角,在转子和定子上开有很多定分小齿．其中定子三相绕组铁心间有一定角度齿差,当U相定子小齿和转子小齿对正时,
V相和W相定子上齿则处于错开状态,图5-13所表示。工作原理和上同,只是步距角是小齿距夹角1/3。
2、步进电动机通电方法
假如步进电动机绕组每一次通断电操作称为一拍,每拍中只有一相绕组通电,其它断电,这种通电方法称为单相通电方法。三相步进电动机单相通电方法称为三相单三拍
通电方法。 如: | A | ? | B | ? | C | ? | A | ? | ? | 。 |
假如步进电动机通电循环每拍中全部有两相绕组通电,这种通电方法称为双相通电
方法。 三相步进电动机采取双相通电方法时（如: | AB | ? | BC | ? | CA | ? | AB | ? | ? | ）, 称为 |
三相双三拍通电方法。
假如步进电动机通电循环各拍中交替出现单、双相通电状态,这种通电方法称为单双相轮番通电方法。三相步进电动机采取单双相轮番通电方法时,每个通电循环有
六拍, 所以又称为三相六拍通电方法,即C?CA?A?? 。
通常情况下, m相步进电动机可采取单相通电、双相通电或单双相轮番通电方法工 较差,在通电换相过程中, 转子状态不稳定,轻易失步, 所以实际应用中较少采取。图5-14是某三相反应式步进电动机在不一样通电方法下工作时矩频特征曲线。显然, 采取单双相轮番通电方法可使步进电动机在多种工作频率下全部含有较大负载能力。
图 5-14 不一样通电方法时矩频特征
图5-15 开启矩频特征
通电方法不仅影响步进电动机矩频特征,对步距角也有影响。一个m相步进电动机,如其转子上有z个小齿,则其步距角可经过下式计算:
? | ? | 360 | ? | |
| | kmz | (5-12) | |
式中,k是通电方法系数,当采取单相或双相通电方法时,k＝1,当采取单双相轮番通电方法时,k＝2。可见采取单双相轮番通电方法还可使步距角减小—半。步进电机步距角决定了系统最小位移,步距角越小,位移控制精度越高。
2.步进电机关键特征
（1）步距角α
指每给一个脉冲信号,电机转子应转过角度理论值。它取决于电机结构和控制方法。步距角可按下式计算:
?? | 360 | ? | |
| mzk | （7-1） | |
k——通电系数, 若连续两次通电相数相同为1, 若不一样则为2。 | |||
数控机床所采取步进电机步距角通常全部很小,如:3°／1.5°,1.5°／0.75°,0.72°／0.36°等,是步进电机关键指标。步进电机空载且单脉冲输入时,其实际步距角和理论步距角之差称为静态步距角误差,通常控制在±10′～30′范围内。
（2）矩角特征、最大静态转矩Mjmax和开启转矩Mq
当步进电机处于通电状态时,转子处于不动状态,即静态。假如在电机轴上施加一个负载转矩M,转子会在载荷方向上转过一个角度θ,转子所以受到一个电磁转矩Mj作用和负载平衡, 该电磁转矩Mj称为静态转矩, 该角度θ称为失调角。步进电机单相通 电静态转矩Mj随失调角θ 改变曲线称为矩角特征,图7-4 所表示,画出了三相步进电机按A→B→C→A……方法通电时A、B、 C 各相矩角特征。各相矩角特征差异不大,
不然会影响步距精度及引发低频振荡。当外加转矩取消后,转子在电磁转矩作用下,仍能回到稳定平衡点θ＝0。矩角特征曲线上电磁转矩最大值称为最大静转矩Mjmax,Mjmax是代表电机承载能力关键指标,Mjmax越大,电机带负载能力越强,运行快速性和稳定性越好。
由图7-4可见,相邻两条曲线交点所对应静态转矩是电机运行状态最大开启转距Mq,当负载力矩小于Mq时,步进电机才能正常开启运行,不然将会造成失步。通常地,电机相数增加会使矩角特征曲线变密,相邻两条曲线交点上移,会使Mq增加;采取多相通电方法,即变m相m拍通电方法为m相2m拍通电方法,会使开启转距Mq增加。
Mj
Mjmax
A | B | C |
Mq
O? ?
a
称为开启频率或突跳频率fq,是反应步进电机快速性能关键指标。空载开启时,步进电机定子绕组通电状态改变频率不能高于该开启频率。原因是频率越高,电机绕组感抗（xL＝2πfL）越大,使绕组中电流脉冲变尖,幅值下降, 从而使电机输出力矩下降。
开启时惯频特征是指电机带动纯惯性负载时开启频率和负载转动惯量之间关系。
通常来说,伴随负载惯量增加,开启频率会下降。假如除了惯性负载外还有转矩负载,
则开启频率将深入下降。
（4）运行矩频特征
步进电机开启后,其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步最高工作频率,
称为连续运行频率,其值远大于开启频率。运行矩频特征是描述步进电机在连续运行
时,输出转矩和连续运行频率之间关系,它是衡量步进电机运转时承载能力动态指标,
图7-5所表示。图中每一频率所对应转矩称为动态转矩。从图中能够看出,伴随运行频率上升,输出转矩下降,承载能力下降。当运行频率超出最高频率时,步进电机便无法工作。
m) T/(N? | 5 15 10 o 4 8 12 14 16 20 |
f/kHz
图7-5 步进电机运行矩频特征
（5）加、减速特征
步进电机加减速特征是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止加、减速过程中,定子绕组通电状态改变频率和时间关系。当要求步进电机开启到大于开
作频率停止时,改变速度必需逐步下降。逐步上升和逐步下降加速时间、减速时间不
启频率工作频率时,改变速度必需逐步上升; 一样,从最高工作频率或高于开启频率工
用跟踪响应要求较高切削加工中;直线规律加减速控制通常适用速度改变范围较大快速
定位方法中。
4.2.2步进电机驱动电源
※步进电机工作质量包含
电机本身性能
驱动电源特点
※ 步进电机驱动电源包含: 环形分配器
功放电路
1.环形分配器
环形分配器关键功效
是将数控装置送来一串指令脉冲,按步进电机所要求通电次序分配给步进电机驱动
电源各相输入端,以控制励磁绕组通断,实现步进电机运行及换向。
环形分配器工作特点:
当步进电机在一个方向上连续运行时,其各相通、断脉冲分配是一个循环,所以称
为环形分配器。环形分配器输出不仅是周期性,又是可逆。
环形分配器形式
环形分配功效可由硬件或软件方法来实现,分别称为硬件环形分配器和软件环形分
配器。
硬件环形分配器种类很多,它可由D 触发器或JK触发器组成,亦可采取专用集成芯
1）硬件环形分配器
片或通用可编程逻辑器件。
成芯片PMM8713、PM8714可分别用于四相（或三相）、五相步进电机控制。 而PPM101B
则是可编程专用步进电机控制芯片,经过编程可用于三相、四相、 五相步进电机控制。
以三相步进电机为例,硬件环形分配驱动和数控装置连接图7-7所表示,环形分配
器输入、输出信号通常均为TTL电平,输出信号A、B、C信号变为高电平则表示对应
绕组通电,低电平则表示对应绕组失电,CLK 为数控装置所发脉冲信号,每一个脉冲信号
上升或下降沿到来时,输出则改变一次绕组通电状态,DIR 为数控装置所发方向信号,其
电平高低即对应电机绕组通电次序改变,即步进电机正、反转,FULL／HALF电平用于控
制电机整步（对三相步进电机即为三拍运行）或半步（对三相步进电机即为六拍运行）,
通常情况下, 依据需要将其接在固定电平上即可。
三相步进电动机驱动装置
CNC | CLK | 电源 | A相驱动 | M |
环型 | B相驱动 | |||
DIR | ||||
装置 | FULL/HALF | 分配器 | C相驱动 |
图7-7 硬件环形分配驱动和数控装置连接
CH250是国产三相反应式步进电机环形分配器专用集成电路芯片,经过其控制端不
一样接法能够组成三相双三拍和三相六拍不一样工作方法,其外形和三相六拍接线图图
7-8所表示。
+12V
1? ?F | 10 | R* | 16 | EN | 6 | 11 |
UD | ||||||
100k? ?A | ||||||
A、B、C——环形分配器三个输出端,经功率放大后接到电机三相绕组上。
R、R*——复位端,R 为三相双三拍复位端,R*为三相六拍复位端,先将对应复位端接入
高电平,使其进入工作状态,若为“10”,则为三相双三拍工作方法;若为“01”,则为
三相六拍工作方法。
CL、EN——进给脉冲输入端和许可端;进给脉冲由CL输入,只有EN＝1,脉冲上升沿使
环形分配器工作;CH250 也许可以EN端作脉冲输入端,此时,只有CL＝0,脉冲下降沿使
环形分配器工作。不符合上述要求则为环形分配器状态锁定（保持）。
J3r、J3L、 J6r、J6L——分别为三相双三拍、三相六拍工作方法时步进电机正、 反转
控制端。
UD、US——电源端。
2）软件环形分配器
软件环形分配指由数控装置中计算机软件完成环形分配任务,直接驱动步进电机各绕组通、断电。 用软件环形分配器只需编制不一样环形分配程序,将其存入数控装置EPROM中即可。用软件环形分配器能够使线路简化,成本下降,并可灵活地改变步进电机控制方案。
软件环形分配器设计方法有多个,如查表法、比较法、 移位寄存器法等,最常见是查表法。下面以三相反应式步进电机环形分配器为例,说明查表法软件环形分配器工作原理。
图7-9所表示为两坐标步进电机伺服进给系统框图。X向和Z向三相定子绕组分别为A、B、C相和a、b、c相,分别经各自放大器、光电耦合器和计算机PIO（并行
步进电机运转时绕组励磁状态转换方法得出环形分配器输出状态表,如表7-1 所表示,
输入／输出接口）PA0～PA5相连。 首先结合驱动电源线路,依据PIO 接口接线方法,按
单元地址内容并输出,即依次输出表示步进电机各个绕组励磁状态二进制数,则电机就正转或反转运行。
PA0 | 光电 | 放大 | A | X 向 |
PA1 | B | |||
偶合器 | C | 步进电机 | ||
PA2 | ||||
PA3 | 光电 | 放大 | a | Z 向 |
b | ||||
PA4 | ||||
偶合器 | c | 步进电机 | ||
PA5 |
PIO
图7-9 两坐标步进电机伺服进给系统框图 |
拍 | PA2 | PA1 | PA0 | 地址 | 内 | 向 | 拍 | PA5 | PA4 | PA3 | 地址 | 内 | 向 |
1 | 0 | 0 | 1 | 2A00H | 01H | 正转↓反转↑ | 1 | 0 | 0 | 1 | 2A10H | 08H | 正转↓反转↑ |
2 | 0 | 1 | 1 | 2A01H | 03H | 2 | 0 | 1 | 1 | 2A11H | 18H | ||
3 | 0 | 1 | 0 | 2A02H | 02H | 3 | 0 | 1 | 0 | 2A12H | 10H | ||
4 | 1 | 1 | 0 | 2A03H | 06H | 4 | 1 | 1 | 0 | 2A13H | 30H | ||
5 | 1 | 0 | 0 | 2A04H | 04H | 5 | 1 | 0 | 0 | 2A14H | 20H | ||
6 | 1 | 0 | 1 | 2A05H | 05H | 6 | 1 | 0 | 1 | 2A15H | 28H |
2.步进电机功率驱动器
功效:
要使步进电动机能输出足够转矩以驱动负载工作,必需为步进电机提供足够功率控制信号,实现这一功效电路称为步进电动机驱动电路。
从环形分配器输出进给控制信号电流只有几毫安,而步进电机定子绕组需要几安培电流,所以功率放大电路作用就是对从环形分配器输出信号进行功率放大并送至步进电机各绕组。功率放大电路控制方法很多,最早采取单电压驱动电路,以后出现了高低电压切换驱动电路、恒流斩波电路、调频调压和细分电路等。所采取功率半导体元件
要求: 驱动电路实际上是一个功率开关电路,其功效是将环形分配器输出信号进行功率放大,得到步进电动机控制绕组所需要脉冲电流及所需要脉冲波形。
步进电动机工作特征在很大程度上取决于功率驱动器性能,
对每一相绕组来说,理想功率驱动器应使经过绕组电流脉冲尽可能靠近矩形波。但因为步进电动机绕组有很大电感,要做到这一点是有困难。
常见步进电动机驱动电路有三种:
1）单电源驱动电路
这种电路采取单一电源供电,结构简单, 成本低,但电流波形差, 效率低,输出力矩小,关键用于对速度要求不高小型步进电动机驱动,图5-19所表示步进电动机一相绕组驱
。动电路（每相绕组电路相同）
当环形分配器脉冲输入信号
U为低电平（逻辑0,约1V）时,即使VT1、VT2管全部导
通, 但只要合适选择Rl、 R3、 R5阻值, 使Ub3<0（约为-1V）, 那么VT3管就处于截止状
态, 该相绕组断电。 当输入信号
U为高电平3.6V（逻辑1）时。Ub3>0（约为0.7V）,
VT3管饱和导通, 该相绕组通电。
又称高低压驱动电路, 采取高压和低压两个电源供电。 在步进电动机绕组刚接通时,
经过高压电源供电, 以加紧电流上升速度, 延迟一段时间后, 切换到低压电源供电。 这
种电路使电流波形、 输出转矩及运行频率等全部有较大改善, 图5-20所表示。
当环形分配器脉冲输入信号U 为高电平时（要求该相绕组通电）, 二极管VTg、 VTd基
极全部有信号电压输入, 使VTg、 VTd均导通。 于是在高压电源作用下（这时二极管VD1
两端承受是反向电压, 处于截止状态, 可使低压电源不对绕组作用）绕组电流快速上升,
电流前沿很陡。 当电流达成或稍微超出额定稳态电流时, 利用定时电路或电流检测器等
方法切断VTg基极上信号电压, 于是VTg截止, 但此时VTd仍然是导通, 所以绕组电流即
转而由低压电源经过二极管VD1供给。 当环形分配器输出端电压 （要求绕
组断电）,VTd基极上信号电压消失,于是VTd截止,绕组中电流经二极管VD2及电阻Rf2
向高压电源放电,电流便快速下降。采取这种高低压切换型电源,电动机绕组上不需要
串联电阻或只需要串联一个很小电阻Rf1（为平衡各相电流）,所以电源功耗比较小。
因为这种供压方法使电流波形得到很大改善,所以步进电动机转矩一频率特征好,开启
和运行频率得到很大提升。
图 5-20 高、低压驱动电路图5-21 斩波限流驱动电路波
形图
这种电路采取单一高压电源供电,以加紧电流上升速度,并经过对绕组电流检测,控
制功放管开和关,使电流在控制脉冲连续期间一直保持在要求值上下,其波形图5-21所表
示。 | 这种电路出力大, 功耗小, 效率高, 现在应用最广。 | 图5-22所表示为一个斩波限流驱 |
动电路原理图,其工作原理以下:
当环形分配器脉冲输入高电平（要求该相绕组通电）加载到光电耦合器OT输入端时,
图 5-22 斩波限流驱动电路
感应出一个正脉冲,使大功率晶体管VT4导通。导通。晶体管VT1导通,
通后逐步增加,当其增加到一定值时,在检测电阻R10上产生压降将超出由分压电阻R7和电阻R8所设定电压值Vref,使比较器OP翻转,输出低电平使VT2截止。在VT2截止瞬时,又经过TI将一个负脉冲交连到二次线圈,使VT4截止。于是电源通路被切断,W中储存能量经过VT5、R10及二极管VD7释放,电流逐步减小。当电流减小到一定值后,在R10上压降又低于Vref,使OP输出高电平,VT2、VT4及W重新导通。在控制脉冲连续期间,上述
过程不停反复。当输入低电平时,VTl～VT5等相继截止,W中能量则经过VD6、电源、地和VD7释放。
该电路限流值可达6A左右,改变电阻R10或R8值,可改变限流值大小。 4.2.3步进电机选择
1。计算法
1）确定步进电机类型
2）依据精度确定脉冲当量
3）依据步距角,脉冲当量和丝杆螺距计算确定齿轮减速比4）计算工作部件折算到电机轴上总惯量
计算电机输出总力矩
选择步进电机最大静态转矩
5）负载起动频率估算
6)运行最高频率和升速时间计算
2.查表法
1）首先,进行一样类型, 步距角,脉冲当量, 减速比计算
2）依据相关设计技术手册内容（起动矩频特征曲线,工作矩频特征曲线等）查阅,对应计算, 数据圆整,完成步进电机选择
关键是选择电机要满足加工转矩,惯量, 快进/工进速度,脉冲当量等条件下开启要求和运行要求,并兼顾技术经济效益 4.2.4步进电机微机控制
※两种运行控制方法
1.步进电机串行控制
1）使用环形分配器控制方法
2）组成结构:
微机系统+环形分配器+伺服功放电路+步进电机
3）特点:
① 接线少, 接线简单
② 硬件方法进行相续通电方法分配, 软件开销小, 速度快,
③ 增加硬件成本
④现在广泛采取
2.步进电机并行控制
1）使用并行接口+软件方法控制方法
2）组成结构:
微机系统+并行接口/控制软件+伺服功放电路+步进电机 3）特点:
① 接线多,接线复杂
②软件件方法进行相续通电方法分配,软件开销大,速度较慢, ③硬件成本低
④因为速度较低,现在较少采取
3.步进电机速度控制
2）两种控制方案: （1）软件延时方法（效率低,只有专用系统使用）
（2）定时计数器定时中止方法（效率高）
① 专用8253
②单片机片内定时计数器To/T1
4.步进电机加减速控制
1）速度模式要求:
（1）假如加工速度低于电机最高许可起动频,则可直接起/停,无须进行加减速控制 （2）假如加工速度高于电机最高许可起动频,则不可直接起/停,必需须进行加减速
控制
※直接开启会丢步
※直接停止会因系统惯性原因超程
（3）正确速度曲线模式:
开启——加速至工作速度—— 恒速进给—— 减速至最高许可起动频以下—— 停止
2）升降速度方法
（1）直线规律升降速: 处理简单
（1）指数规律升降速: 处理复杂,但依据步进电机矩频特征,速度越高转矩越低, 所以随速度上升,
转矩下降,增速幅度应随之减小,指数规律升降速曲线符合要 求
3）处理方法
（1）标准上是改变脉冲周期
（3）通常将离散初值数据组固化在EPROM中调用, 以提升效率（2）能够经过修改定时计数器装载初值改变脉冲周期
② 升速总步数
③恒速总步数
④降速总步数
作业:
1.简述反应式步进电机结构原理,关键技术参数和选择通常标准
2.简述环形分配器作用,图示说明YB013环形分配器和MCS-51P1口接口方法
3.Z=80,三相六拍方法,丝杆导程为6mm,进给速度为4mm/min, 求:
（1）步进电机运行频率
（2）步进电机脉冲当量和步距角
章节名称 | 第6 章 实施装置及其控制 第2 节直流伺服电机及其控制 |
教学目标 | 1．了解直流伺服电机结构, 工作原理, 技术指标关键技术特点 和分类 |
课程关键难点 | 1. 直流伺服电机PWM 调速原理和电路结构2. 直流伺服电机机械特征和调整特征 |
教学方法 | 1．课堂理论课讲授 |
教学过程立即间分配:
直流伺服电机及其速度控制单元
概况
直流伺服电动机
分类电磁式和永磁式两种。电磁式磁场由励磁绕组产生; 永磁式磁场由永磁体产生。电
磁式伺服电动机含有体积小、体积比大、 功率重量比大、 稳定性好等优点。因为功率, 现在关键应用在办公自动化、家用电气、 仪器仪表等领域。
按电枢结构和形状又可分为:
平滑电枢型、
空心电枢型
有槽电枢型等
平滑电枢型电枢无槽,其绕组用环氧树脂粘固在电枢铁心上,所以转子形状细长, 转动惯量小。空心电枢型电枢无铁心, 且常做成杯形,其转子转动惯量最小。有槽电枢型
电枢和一般直流电动机电枢相同,所以转子转动惯量较大。
按转子转动惯量大小而分成:
大惯量、
中惯量
小惯量直流伺服电动机。
大惯量直流伺服电动机(又称直流力矩伺服电动机)负载能力强,易于和机械系统匹配,而小惯量直流伺服电动机加减速能力强、响应速度快、 动态特征好
直流电机作为驱动元件伺服系统称为直流伺服系统。因为直流伺服电机实现调速比较轻易,为通常交流电机所不及,尤其是她励和永磁直流伺服电机,其机械特征比较硬,所以直流电机自20世纪70年代以来,在数控机床上得到了广泛应用。
关键类型
依据磁场产生方法:直流电机可分为她励式、永磁式、并励式、串励式和复励式 五种。永磁式用氧化体、铝镍钴、稀土钴等软磁性材料建 立激磁磁场。
按结构:直流伺服电机有通常电枢式、无槽电枢式、印刷电枢式、绕线盘式和空 电机只能采取电枢控制方法,通常电磁式直流伺服电机大多也用电枢控 制方法。
在机电一体化设备总中:进给系统常见直流伺服电机关键有以下多个:1．小惯性直流伺服电机
2．大惯量宽调速直流伺服电机（较多采取）
3．无刷直流伺服电机
※大惯量宽调速直流伺服电机特点
（1）力矩大所以能够直接和丝杠相连,不需要中间传动装置。
（2）较大力矩/惯量比,很好快速性能
（3）调速范围大超出1:1000
（4）过载能力达,可超出额定转矩4～10倍
（5）转子热容量大,可过载运行数十分钟,能够在较大过载转矩时长时间地工作（6）体积小:因为它没有励磁回路损耗,它外型尺寸比类似其它直流伺服电机小。（7）低速性能好:能够在较低转速下实现平稳运行,最低转速能够达成1r／min, 甚至0.1r／min。
所以,这种伺服电机在数控机床上得到了广泛地应用。
1.直流伺服电机工作原理
直流电机是由磁极（定子）、电枢（转子）和电刷和换向片三部分组成。以她励式直流伺服电机为例,研究直流电机机械特征。直流电机工作原理是建立在电磁定律基础上,即电流切割磁力线,产生电磁转矩,图7-14所表示。电磁电枢回路电压平衡方程式为:
U a?E a?I a R a（7-2）
If Ia Ra La
（a）工作原理 （b）等效电路
图7-14 她励直流电机工作原理图
式中Ra——电机电枢回路总电阻;
Ua——电机电枢端电压;
Ia——电机电枢电流;
Ea——电枢绕组感应电动势。
当励磁磁通Φ恒定时,电枢绕组感应电动势和转速成正比,则
E | a | ? | C | E | ? | n |
|
式中 CE——电动势常数,表示单位转速时所产生电动势; n——电机转速。
电机电磁转矩为:
T m | ? | C T | ? | I | a | （7-4） |
式中 Tm——电机电磁转矩;
CT——转矩常数,表示单位电流所产生转矩。
将式（7-2）、（7-3）和（7-4）联立求解, 即可得出她励式直流伺服电机转速公式 | |||||||||||||||||||||
n | ? | U | a | ? | | | R a | | | T | ? | n | ? | | | R a | | | T | | |
| | C | E | ? | | C | E | C T | ? | 2 | m | | 0 | | C | E | C T | ? | 2 | m | （7-5） |
其中
n | ? | U | a | | |
0 | | C | E | ? | （7-6） |
式中 n0——电机理想空载转速。
直流电机转速和转矩关系称机械特征,机械特征是电机静态特征,是稳定运行时带动负载性能,此时, 电磁转矩和外负载相等。当电机带动负载时,电机转速和理想转速产生转速差Δn,它反应了电机机械特征硬度,Δn 越小,表明机械特征越硬。
调整电枢电压Ua
调整磁通Φ值。
但电枢电阻调速不经济,而且调速范围有限,极少采取。在调整电枢电压时,若保持电枢电流Ia不变,则磁场磁通Φ保持不变,由式（7-4）可知,电机电磁转矩Tm保持不变,为恒定值,所以称调压调速为恒转矩调速。调磁调速时,通常保持电枢电压Ua为额定电压,因为励磁回路电流不能超出额定值,所以励磁电流总是向减小趋势调整,使磁通下降,称为弱磁调速,此时转矩Tm也下降,则转速上升。调速过程中,电枢电压Ua不变,若保持电枢电流Ia也不变,则输出功率维持不变,故调磁调速又称为恒功率调速。
直流电机在调整电枢电压和调整磁通调速方法机械特征曲线图7-15所表示。图中,
nN为额定转矩TN 时额定转速,ΔnN 为额定转速差。由图7-15（a）可见,当调整电
枢电压时,直流电机机械特征为一组平行线,即机械特征曲线斜率不变,而只改变电机理想转速,保持了原有较硬机械特征,所以数控机床伺服进给动系统调速采取调整电枢电压调速方法。由图7-15（b）可见,调磁调速不仅改变了电机理想转速,而且使直流电机机械特征变软,所以调磁调速关键用于机床主轴电机调速。
n | n | ? ? | ||||
? ¤nN | n02 | |||||
n0N | ||||||
n01 | nN | U aN | n01 | ? ? | n2 | |
n02 | n1 | U a1 | n0N | ? ? | n1 | |
n2 | U a2 | O | nN | |||
U aN>U a1 >U a2 | ? ?N>? ?1>? ? | |||||
O | T N | T | T N | T | ||
（a）改变电枢电压时机械特征 | （b）改变磁通时机械特征 | |||||
图7-15 直流电机机械特征
Δn大小和电机调速范围亲密相关。假如Δn值比较大,不可能实现宽范围调速。
而永磁式直流伺服电机机械特征Δn值比较小, 满足于这一要求,所以, 进给系统常采取永磁式直流电机。
2. 直流速度单元调速控制方法※直流伺服电机速度控制单元调速控制方法
直流伺服电机速度控制单元作用是将转速指令信号转换成电枢电压值,达成速度调整目标。现代直流电机速度控制单元常采取调速方法有晶闸管（可控硅Semiconductorcontrol rectifier, 简称SCR）调速系统和晶体管脉宽调制（PulseWidth Modulation, 简称PWM）调速系统。
（1）晶闸管调速系统
在大功率及要求不很高直流伺服电机调速控制中,晶闸管调速控制方法仍占主流。图7-16所表示为晶闸管直流调速基础原理框图。由晶闸管组成主电路在交流电源电压 不变情况下,经过控制电路可方便地改变直流输出电压大小,该电压作为直流电机电枢电压Ud,即可成为直流电机调压调速方法。图中,改变速度控制电压U*n 即可改变电枢
电压Ud,从而得到速度控制电压所要求电机转速。由测速发电机取得电机实际转速电压Un作为速度反馈和速度控制电压U*n进行比较,形成速度环,目标是改善电机运行机械特征。
交流电源
* | 控制 | 晶闸管 | Ud | M | 电动机 |
电路 | 主电路 |
U0
TG测速发电机
图7-16 晶闸管直流调速原理框图
晶闸管调速系统采取是大功率晶闸管,它作用有两个,一是用作整流,将电网交流电源变为直流;将调整回路控制功率放大,得到较高电压和较大电流以驱动电机。二是在可逆控制电路中,电机制动时,把电机运转惯性能转变为电能,并回馈给交流电网,实现逆变。为了对晶闸管进行控制,必需设有触发脉冲发生器,以产生适宜触发脉冲。
该脉冲必需和供电电源频率及相位同时,确保晶闸管正确触发。图7-17所表示为数控机床中较常见一个晶闸管直流双环调速系统图。该系统是经
速度指令
Un* +
-
放大器
调节器
速度 取绝
对值 +- 调节器
电流
触发器
移相
变流器
SCRM
--
颤动 电流反馈
-
颤动偏移取绝对值
速度反馈
图7-17 直流双环调速系统
速度调整器作用是使电机转速n跟随给定电压Un*改变,确保转速稳态无静差;对负载改变起抗干扰作用;速度调整器输出限幅值决定电枢主回路最大许可电流值Idm。电流调整器作用是对电网电压波动起立即抗干扰作用;开启时确保取得许可最大电流Idm;在转速调整过程中,使电枢电流跟随其给定电压值改变;当电机过载甚至堵转时,
即有很大负载干扰时,能够电枢电流最大值,从而起到快速过电流安全保护作用,
假如故障消失,系统能自动恢复正常工作。
直流可控硅调速系统工作原理叙述以下:
1）当速度指令信号增大时,速度调整器输入端偏差信号加大,速度调整器放大器输出随之增加,电流调整器输入和输出同时增加,所以使触发器输出脉冲前移（即减小晶闸管触发角α值）,SCR变流器输出电压增高,电机转速上升。同时速度检测信号值增加,当达成给定速度值时,偏差信号为0,系统达成新平衡状态,电机按指令速度运行。当电机受到外负载干扰,如外负载增加时,转速下降,速度调整器输入偏差增大,和前面产生一样调整效果。
2）当电网电压产生波动时,如电压减小,主回路电流随之减小。这时,电机因为转动惯量速度还未发生改变,但电流调整器输入偏差信号增加,输出增加,使触发器脉冲前移,SCR变流器输出电压增加,使电流恢复到指定值,从而抑制了主回路电流改变,
3）当速度给定信号为一个阶跃信号时,电流调整器输入一个很大值,但其输出值已
起到了维持主回路电流作用。
程。双环调速系统含有良好动、静态指标,其启、制动过程快,能够最大程度地利用电机过载能力,使电机运行在极限转矩最好过渡过程。其缺点是在低速轻载时,电枢电流出现断续现象,机械特征变软, 总放大倍数降低,动态品质恶化。为此可采取电枢电流自适应调整方案,也能够增加一个电压调整器内环,组成三环系统来处理。
（2）PWM调速控制系统
和晶闸管相比,功率晶体管控制电路简单,不需要附加关断电路,开关特征好。现在功率晶体管耐压性能及制造工艺全部已大大得到提升,所以,在中、小功率直流伺服
系统中, PWM 方法驱动系统已得到了广泛应用。
所谓脉宽调制, 就是使功率晶体管工作于开关状态, 开关频率保持恒定, 用改变开
关导通时间方法来调整晶体管输出, 使电机两端得到宽度随时间改变电压脉冲。当开
关在每一周期内导通时间随时间发生连续地改变时,电机电枢得到电压平均值也随时间连续地发生改变,而因为内部续流电路和电枢电感滤波作用,电枢上电流则连续地改变,从而达成调整电机转速目标。
脉宽调制基础原理图7-18所表示,若脉冲周期固定为T,在一个周期内高电平连续时间（导通时间）为Ton,高电平连续时间和脉冲周期比值称为占空比λ,则图中直流电机电压平均值为:
U | |
| E | | ? | T on | E | | ? | ?E | | |||
| a | T?0 | | a | | T | | a | | | （7—7） |
式中E——电源电压;
| ?? | Ton | , 0＜λ＜1。 | |
λ——占空比, | T | |||
+ | U |
| t | |
（a）原理图 （b）控制电压、电枢电压和电流波形 | ||||
图7-18 PWM脉宽调制原理图
当电路中开关功率晶体管关断时,由二极管VD续流,电机便能够得到连续电流。实际PWM系统先产生微电压脉宽调制信号,再由该脉冲信号去控制功率晶体管导通和关断。
1）晶体管脉宽调制系统组成原理
图7-19为脉宽调制系统组成原理图。该系统由控制部分、功率晶体管放大器和全波整流器三部分组成。控制部分包含速度调整器、电流调整器、固定频率振荡器、
三角波发生器、脉宽调制器和基极驱动电路。其中速度调整器和电流调整器和晶闸管
调速系统相同,控制方法仍然是采取双环控制。不一样部分是脉宽调制器、基极驱动
电路和功率放大。
三相交流电
振荡器
整流
速度指令 | - | 速度 | + | - | 电流 | 脉宽 | 基极 | 功率 | M |
+ | |||||||||
调节器 | 调节器 | 调节器 | 驱动 | 放大器 |
电流反馈
速度反馈
图7.19 脉宽调制系统原理
和可控硅调速系统相比,晶体管脉宽调制系统有以下特点:
①频带宽晶体管结电容小,截止频率高,比可控硅高一个数量级,所以PWM系统开关工作频率通常为2kHz,有高达5kHz,使电流脉动频率远远超出机械系统固有频率,避免机械系统因为机电耦合产生共振。
所以系统响应速度受到。而PWM系统在和小惯量电机相匹配时,可充足发挥系统
另外,可控硅调速系统开关频率依靠于电源供电频率,无法提升系统开关工作频率。
适合于起动频繁工作场所。开关频率升高而降低。PWM 系统电流脉动系数靠近于1,电机内部发烧小, 输出转矩平稳,有利于电机低速运行。
③电源功率因数高在可控硅调速系统中,随开关导通角改变,电源电流发生畸变,在工作过程中,电流为非正弦波,从而降低了功率因数,且给电网造成污染。这种情况,导通角越小越严重。而PWM系统直流电源,相当于可控制硅导通角最大时工作状态,功率因数可达90％。
④动态硬度好 PWM系统频带宽,校正伺服系统负载瞬时扰动能力强,提升了系统
动态硬度, 且含有良好线性, 尤其是靠近零点处线性好。
2）脉宽调制器
脉宽调制器作用是将电压量转换成可由控制信号调整矩形脉冲, 即为功率晶体管基
极提供一个宽度可由速度指令信号调整且和之成百分比脉宽电压。在PWM调速系统中,电压量为电流调整器输出直流电压量,该电压量是由数控装置插补器输出速度指令转化而来。经过脉宽调制器变为周期固定、脉宽可变脉冲信号,脉冲宽度改变伴随速度指令而改变。因为脉冲周期不变,脉冲宽度改变将使脉冲平均电压改变。
脉宽调制器种类很多,但从结构上看,全部是由调制信号发生器和比较放大器两部分组成。调制信号发生器有三角波和锯齿波两种。下面以三角波发生器为例,介绍脉宽调制原理,结构图7-22所表示,这种结构适合于双极性可逆式开关功率放大器。
R5
R2 ud uB uA
(a)-Q1
+
C1
uB
R4
-
+
C2
Q2 uA -ud
0
tR1 R3 uA uer>0
0 t
VCC uer<0
R6R9 VD1
R10
R8 t
+
Q3
-
R7
R18 R17
VD3
R18
R19 R20 -
+
Q5 VT3 u3 0 tR22 R21
(c)
-
+
Q7
R23 UAB
0 t
R24R25
+ VD4 u4 Ia
-Q6 VT4
R25
R26 0 t1t2 t3T t
(d)
（a）三角波发生器（b）、（c）比较放大器（d）电压波形和电枢电流波形 图7-20 脉冲调制器
图7-20（a）为三角波发生器,三角波发生器由二级运算放大器组成。第一级运算放大器Q1是频率确定自激方波发生器,其输出端输出方波给前一级积分器Q2（由运算放
它工作过程以下:设在电源接通瞬间, 放大器Q1输出电压大器Q2 组成）,形成三角波。
uB为其负电源电压－ud,被送到Q2反向输入端。Q2组成积分器,输出电压uA按线性百
分比关系逐步上升。同时uA又经过R5反馈到Ql输入端,形成正反馈,和uB（经过R2反馈到Q1输入端）进行比较,当比较结果大于零时,Ql立即翻转。因为正反馈作用,其
输出uB 瞬时达成最大值+ud, 即Ql 正电压值。 | 此时, t＝t1, uA＝（R5／R2）ud。 | 在t1＜t＜T |
时间区间内,因为Q2输入端为+ud,所以积分器Q2输出uA线性下降。当t＝T时,uA和uB比较结果略小于零,Q1再次翻转回原来状态－ud,即uB＝－ud, 而uA＝－（R5／R2）ud。如此反复,形成自激振荡,于是Q2输出端便得到一串三角波电压信号uA。
图7-20（b）、（c）为比较放大电路,这部分电路实现了图所表示u1、u2、u3和u4 晶体管VTl、VT2、VT3和VT4基极输入分别和比较器Q3、Q4、Q5和Q6电压波形。
输出相联,输出波形和放大器输出波形相对应,在系统中起驱动放大作用。这4个比较器输入比较电压信号全部是控制电压uer（由电流调整器输出）和三角波信号uA。uer和uA直接求和信号分别输出给Q3负输出端和Q4正输入端。uer经过Q7求反后和uA直接求
出电平相反。当控制电压uer＝0时, 各比较器输出基集驱动信号皆为方波,而4 个晶体
和信号分别输出给Q5负输出端和Q6 正输入端。这么Q3和Q4 输出电平相反,Q5 和Q6 输
0 时情况。可见, 改变控制电压uer,即可改变输出电压uAB 波形宽度,这就实现了脉宽调制。
3.直流伺服电机选择
4条关键标准
（1）整个调速范围内,工作负荷转矩应在电动机连续额定转矩范围以内
（2）最大切削转矩倍数设定应在电机载荷特征范围之内
（3）加减速时, 应工作在加减速工作区内
（4）负载惯量应小于转子惯量3 倍作业: |
|
1．简述直流伺服电机常见速度调整方法和技术特点2．简述PWM调速技术优势
章节名称 | 第6 章 实施装置及其控制 第3 节交流伺服电机及其控制 |
教学目标 | 1．了解交流伺服电机应用技术背景 |
课程关键难点 | 1. 交流伺服电机结构, 原理, 分类和技术特点2. 交流伺服电机SPWM 调速原理和应用特点 |
教学方法 | 1．课堂理论课讲授 |
教学过程立即间分配:
交流伺服电机及其速度控制单元
※直流伺服电机存在缺点
1）有电刷, 维护难度大
※交流电机出现
直流电机在使用上受到一定。而多年来交流电机飞速发展,它不仅克服了直流电机结构上存在整流子、电刷维护困难、造价高、寿命短、应用环境受限等缺点,同时又充足发挥了交流电机坚固耐用、经济可靠、动态响应好,输出功率大等优点。所以,在一些场所, 交流伺服电机已逐步替换直流伺服电机。
1.交流伺服电机种类和特点
在数控机床上应用交流电机通常全部为三相。
（1）交流伺服电机按运转模式分为异步型交流伺服电机
同时型交流伺服电机。
（2）异步型交流伺服电机相当于交流感应异步电机,它和同容量直流电机相比,重量轻,价格廉价;它缺点是其转速受负载改变影响较大,同时不能经济地实现范围较广平滑调速,必需从电网吸收滞后励磁电流,所以会使电网功率因数变坏。所以进给运动通常不用异步型交流伺服电机,而用在主轴驱动系统中。
（3）从建立所需气隙磁场磁势源来说,同时型交流电机可分为 电磁式同时型交流伺服电机
非电磁式同时型交流伺服电机两大类。
（4）非电磁式同时型交流伺服电机又有
磁滞式同时型交流伺服电机、
永磁式同时型交流伺服电机
反应式同时型交流伺服电机多个。
永磁式同时电机和电磁式同时电机相比,其优点是结构简单、运行可靠效率高;缺
其中磁滞式和反应式同时电机存在效率低、功率因数差、制造容量不大等缺点。
服电机相比, 因为采取永磁铁励磁消除了励磁损耗,所以效率高; 其体积也比异步
交流伺服电机小。所以在数控机床进给驱动系统中多数采取永磁式同时电机。
2. 永磁式交流同时伺服电机工作原理
永磁式交流同时电机
永磁式交流同时电机由定子、转子和检测元件三部分组成,其工作原理和电磁式同时电机工作原理相同,即定子三相绕组产生空间旋转磁场和转子磁场相互作用,带动转子一起旋转;所不一样是转子磁极不是由转子三相绕组产生,而是由永久磁铁产生,其工作过程图7-24 所表示,当定子三相绕组通以交流电后,产生一旋转磁场,这个旋转
磁场以同时转速ns旋转。依据磁极同性相斥、异性相吸原理,定子旋转磁场和转子永久磁场磁极相互吸引,并带动转子一起旋转,所以转子也将以同时转速ns旋转。当转子
轴加上外负载转矩时,转子磁极轴线将和定子磁极轴线相差一个θ角,若负载越大,θ也
随之增大。只要外负载不超出一定程度,转子就会和定子旋转磁场一起旋转。若设其
转速为nr,则:
nr＝ns＝60f1／p （7-8）
式中f1——交流供电电源频率（定子供电频率）,Hz;
p——定子和转子极对数。
N
ns
??
nr（=ns）
ns
S
图7-24 永磁式交流同时电机工作原理
永磁式交流同时伺服电机转速—转矩曲线图7-25所表示。曲线分为连续工作区和 温度下。断续工作区极限,通常受到电机供电。交流电机机械特征通常要比直流
电机硬。另外,断续工作区较大时,有利于提升电机加、减速能力,尤其是在高速区。
T(N·cm)
12000
10000
8000
6000
4000 I
2000
Ⅱ
500 | 1000 | 1500 | 2000n(r/min) |
图7-25 永磁式交流同时电机工作特征曲线
I 连续工作区; Ⅱ断续工作区
永磁式交流同时电机缺点是起动难。这是因为转子本身惯量、定子和转子之间转
速差过大,使转子在起动时所受电磁转矩平均值为零所致,所以电机难以开启。处理措施是在设计时设法减小电机转动惯量,或在速度控制单元中采取先低速后高速控制方法。
2.永磁式交流同时伺服电机速度控制单元
（1）SPWM调频调速原理
只要改变交流伺服电机供电频率,即可改变交流伺服电机转速,所以交流伺服电机调速应用最多是变频调速。
变频调速关键步骤是为电机提供频率可变电源变频器。变频器可分为交——交变频和交——直——交变频两种,图7-27 所表示。交——交变频,利用可控硅整流器直接将工频交流电（频率50Hz）变成频率较低脉动交流电,正组输出正脉冲, 反组输出负脉冲,这个脉动交流电基波就是所需变频电压。但这种方法所得到交流电波动比较大,而且最大频率即为变频器输入工频电压频率。交——直——交变频方法是先将交流电整流成直流电,然后将直流电压变成矩形脉冲波电压,这个矩形脉冲波基波就是所需变频电压。这种调频方法所得交流电波动小,调频范围比较宽,调整线性度好。数控机
流电路上储能元件是大电容还是大电感,可分为电压型逆变器和电流型逆变器。
50Hz | 正组 | + | 负载 | U0 | C | - | 反组 | 50Hz |
~ | ~ | |||||||
交流输入 | - | (a) | + | 交流电机 | ||||
~ | VD | 滤波 | 逆变 | M | ||||
整流 | ||||||||
(b)
（a）交—交变频（b）交—直—交变频
图7-27 两种变频方法
SPWM变频器是现在应用最广、最基础一个交——直——交型电压型变频器,也称为正弦波PWM变频器,含有输入功率因数高和输出波形好等优点,不仅适适用于永磁式交流同时电机,也适适用于交流感应异步电机,在交流调速系统中取得广泛应用。
SPWM逆变器是用来产生正弦脉宽调制波,图7-28所表示,正弦波形成原理是把一个正弦半波分成N等分,然后把每一等分正弦曲线和横坐标所包围面积全部用一个和此面积相等高矩形脉冲来替换,这么可得到N个等高而不等宽脉冲。这N个脉冲对应着一个正弦波半周。对正弦波负半周也采取一样处理,得到对应2N个脉冲,这就是和正弦波等效正弦脉宽调制波,即SPWM波。
U
UR
O ? ?
U P
SPWM 波形可采取模拟电路、以“调制”方法实现。SPWM 调制是用脉冲宽度不
等一系列矩形脉冲去迫近一个所需要电压信号,它是利用三角波电压和正弦参考电压相比较,以确定各分段矩形脉冲宽度。图7-29所表示为三角波调制法原理图,在电压比较器Q两输入端分别输入正弦波参考电压UR和频率和幅值固定不变三角波电压UΔ,在Q输出端便得到PWM调制电压脉冲。PWM脉冲宽度确定可由图7-29（b）看出,当UΔ﹤UR时,Q输出端为高电平;而UΔ﹥UR时,Q输出端为低电平。UR和UΔ交点之间距离随正弦波大小而改变,而交点之间距离决定了比较器Q输出脉冲宽度,所以能够得到幅值相等而宽度不等PWM脉冲调制信号UP,且该信号频率和三角波电压UΔ相同。
U U? ¤
UR
U R | + | Q | U P | O t O t U P |
U ? ¤ | - |
（a）电路原理图
图7-29 三角波调制法原理
要取得三相SPWM 脉宽调制波形, 则需要三个互成120°控制电压UA、 UB、 UC分别和同一三角波比较, 取得三路互成120°SPWM 脉宽调制波U0A、 U0B、 U0C, 图7-30 所表示为三相SPWM 波调制原理, 而三相控制电压UA、 UB、 UC 幅值和频率全部是可调。三角波频率为正弦波频率3 倍整数倍, 所以确保了三路脉冲调制波形U0A、U0B、 U0C 和时间轴所组成面积随时间改变互成120°相位角。
三相
控制
正弦 UB +
-SPWMB
UA +
图7-30 三相SPWM 控制电路框图
三相电压型SPWM 变频器主回路图7-31 所表示。该回路由两部分组成, 即左侧桥式整流电路和右侧逆变器电路, 逆变器是其关键。桥式整流电路作用是将三相工频交流电变成直流电; 而逆变器作用则是将整流电路输出直流电压逆变成三相交流电, 驱动电机运行。直流电源并联有大容量电容器件Cd, 因为存在这个大电容, 直流输出电压含有电压源特征, 内阻很小, 这使逆变器交流输出电压被钳位为矩形波, 和负载性质无关, 交流输出电流波形和相位则由负载功率因数决定。在异步电机变频调速系统中, 这个大电容同时又是缓冲负载无功功率贮能元件。直流回路电感Ld 起限流作用, 电感量
很小。
三相交流电 | 整流器 | Ld | VT1 | VD1 | 逆变器 | VT5 | VD5 | M |
VT3 | ||||||||
VD3 | ||||||||
Cd | VT4 | VD4 | VT6 | VT2 | VD2 | |||
3～ | ||||||||
VD6 |
图7-31 双极性SPWM变频器主电路
（3）交流伺服电机矢量控制
矢量控制又称磁场定向控制,是由德国F．Blasche于1971年提出。交流伺服电机能够利用SPWM进行矢量变频调速控制,使得交流调速真正取得如同直流调速一样优良理想性能。经过30多年工业实践考验、改善和提升,现在广泛应用工业生产实践中。
1．矢量控制基础原理直流电动机能取得优异调速性能,其根本原因是和电机电磁转矩Tm相关是相互
于几何中心线上,则励磁磁通仅正比于励磁电流,而和电枢电流Ia 无关。在空间上,励磁磁通Φ和电枢电流Ia正交, 使Φ和Ia形成两个变量,由直流电动机电磁转矩表示式（7-4）可知,分别控制励磁电流和电枢电流,即可方便地进行转矩和转速线性控制。而交流电机则不一样,依据交流电机理论中异步电机电磁转矩关系式（7-12）可知,其电磁转矩和气隙磁通Φm和转子电流I2 成正比,交流电机定子通三相正弦对称交流电时产生随时间和空间全部在改变旋转磁场,所以磁通是空间交变矢量。磁通Φm和转子电流I2 不正交,它们不再是变量,所以对它们不可能分别调整和控制。
交流电机矢量控制基础思想就是利用“等效”概念,将三相交流电机输入电流（矢
量）变换为等效直流电机中相互励磁电流和电枢电流（标量）,建立起交流电机等效数学模型,然后和直流电机一样,经过对这两个量反馈控制,实现对电机转矩控制; 再
经过相反变换,将被控制等效直流电机还原为三相交流电机,那么三相交流电机调速性能就完全表现了直流电机调速性能。等效变换准则是,变换前后必需产生一样旋转磁场。
作业:
1．简述交流伺服电机应用技术特点
2．简述交流变频调速两种关键类型和应用特点
|
教学过程立即间分配:
1.液压系统基础特点
能量转换元件体积小,工作平稳, 冲击小,可频繁换向, 自润滑,寿命长, 易于实现 机电一体化控制;泄露, 效率欠理想,温度敏感
2.液压系统组成
（1）动力元件:能量转换元件,关键是液压泵
（2）实施元件:油缸和液压马达等,将流体压力能转换为机械运动
（3）控制元件:
①压力控制阀溢流阀,减压阀, 次序阀,背压阀等
②流量控制阀节流阀,调速阀等
③方向控制阀电磁/手动/机动m位n通阀
（4）辅助元件:油箱,,管接头,压力表,滤油器,蓄能器等
液压系统应用例----液压自动夹紧装置
×2
+5 | 8 |
μ
Ω | 51 | 8 | 3∽ |
（80 31） |
￣
1 ∽
∽ ∽ 1-3
+5
液压系统应用例----机床液压专用镗床
6
5
4 16 19
3 2 1718
2 1415
1
3
3～
20
2223
14 21 24
12 3 4 56 78 9 1011 12 13 14
液压系统应用例----机床液压工作台——液压自动上料装置
1.开启后向右移向料仓在SQ1停
2.延时n秒装料结束,向左移向
加工位置, 在SQ2 停 | ∽380 | 3 | ∽220 | 1 | 5 | 3 | 1 | 2 | 1 | 2 |
3.P 秒后再次向左, 反复循环 | ||||||||||
4.KP 作系统压力检测 | 2 | 1 | ||||||||
∽24 |
5.停止时运动立即静止
4
加工 料仓
位置 位置
液压泵 主轴
21
21
气压传动和控制液压系统应用例----机床液压工作台控制电路
1.开启控制基础特点
(1)介质特征:工作介质为靠近干燥压缩空气
(2)经济,无污染,方便,工作速度高,精度要求低,工作寿命长,对环境要求低,维修
简单成本低,
(3)输出作用力小,可控性差,速度稳定性低
2.气动元件
(1)压力控制元件:调压阀,增压阀等
调压阀选择标准
① 压力调整精度
② 调整方法(手控,电控)
③工作流量
(2)方向控制阀
方向阀选择标准
① 控制功效选择
②控制方法功效选择(手控,电控,机动)
③工作流量选择
3.调速阀
气动系统调速性能较差,通常可采取调速(节流)和快速放气相结合方法 4.气缸:直线性和回转型
5.开启回路基础组成
(1)动力元件
（3）控制元件 （2）实施元件
6.开启系统3 类方法(1)电气——气动方法
（2）完全气动方法（气动逻辑元件——射流技术）
（3）机械方法（机动,手动）气动系统
作业:
1．简述液压传动和气动传动特点和异同点
2．简述压力控制阀,流量控制阀,方向控制阀工作内容和选择通常标准
课后教学小结:
1．讲清液压系统和开启系统工作特点和系统组成原理
2．经过对比方法讲述液压系统和气动系统异同点, 有利于对系统认识
3．经过课件图片和加工过程录相资料片播放,加深对液压和气动传动系统了解