机电一体化系统设计04-电动机及其驱动电路页PPT.ppt

1、第四章电动机及其驱动电路l第四章第四章 电动机及其驱动电路电动机及其驱动电路l（一）概念：（一）概念：l1 电动机的分类，各类电动机的特点。电动机的分类，各类电动机的特点。l2 直流电动机直流电动机的静态特性。直流电动机直流电动机的静态特性。l P133l3 直流电动机的驱动电路种类。直流电动机的驱动电路种类。P135l（二）计算与简单应用：（二）计算与简单应用：l1 直流电动机。直流电动机。l2 交流电动机。交流电动机。（1）惯量小，动力大。惯量小，动力大。（2）体积小，重量轻。体积小，重量轻。（3）安装方便、便于维修维护。安装方便、便于维修维护。（4）易于实现自动化控制。易于实现自动化控制

2、。机电一体化系统常用的控制电动机机电一体化系统常用的控制电动机 常用伺服控制电动机常用伺服控制电动机 ：DC/AC电动机、力矩电动机、步进（脉冲）电动机、力矩电动机、步进（脉冲）电动机、变频调速电动机、开关电磁电动机电动机、变频调速电动机、开关电磁电动机以及其他电动机（直流或交流脉宽调速电动以及其他电动机（直流或交流脉宽调速电动机、电磁伸缩元件）等。机、电磁伸缩元件）等。主要有：开环控制、半闭环控制、主要有：开环控制、半闭环控制、闭环控制三种。闭环控制三种。如图所示数控机床伺服系统。如图所示数控机床伺服系统。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 为实现运动、功率为实现运动、功率/能量、控制运动方

3、式的能量、控制运动方式的转换，对伺服控制电动机提出了一些基本要求。转换，对伺服控制电动机提出了一些基本要求。（1）性能密度大。即功率密度）性能密度大。即功率密度 Pw=P/G 或比或比功率密度功率密度 Pbw=(T2/J)/G 大。大。（2）快速性好。加速度大、响应特性好。）快速性好。加速度大、响应特性好。（3）位置控制与速度控制精度高、调速范围）位置控制与速度控制精度高、调速范围大、低速平稳性好、分辨率高以及振动噪音小。大、低速平稳性好、分辨率高以及振动噪音小。（4）能适应频繁启动，可靠性高、寿命长。）能适应频繁启动，可靠性高、寿命长。（5）易于与计算机对接，实现计算机控制。）易于与计算机对

4、接，实现计算机控制。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 无论无论动力用动力用伺服控制电动机伺服控制电动机，还是，还是控制用控制用伺服控制电动机伺服控制电动机，功率，功率转速转速转矩的电特转矩的电特性是电机重要的基本特性指标之一。性是电机重要的基本特性指标之一。PnndPw厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 对于伺服控制电机而言，恒转矩工作特对于伺服控制电机而言，恒转矩工作特性是衡量电机调速性能的重要参数之一。性是衡量电机调速性能的重要参数之一。1 直流直流（DC）伺）伺服电动机工作原理服电动机工作原理 通过电刷和转换器产生的整流作用，使磁通过电刷和转换器产生的整流作用，使磁场磁动势和电枢电流磁

5、动势正交，从而产生场磁动势和电枢电流磁动势正交，从而产生转动力矩。使用直流供电，实现速度和方向转动力矩。使用直流供电，实现速度和方向调节控制，主要通过对直流电压调节控制，主要通过对直流电压/电流的大电流的大小和方向进行调节来实现。小和方向进行调节来实现。直流伺服电动机的调速控制如下图所示。直流伺服电动机的调速控制如下图所示。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工由于直流伺服电机的机械特性方程为：由于直流伺服电机的机械特性方程为：TCCRCUn2teec厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工式中，式中，UC 电枢控制电压；电枢控制电压；R 电枢回路电阻；电枢回路电阻；每极磁通；每极磁通；Ce、Ct分别为

6、电动机分别为电动机的结构常数。的结构常数。由此，直流伺服电机的控制方式如下：由此，直流伺服电机的控制方式如下：厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 特点：特点：具有较高的响应速度、精度和频率，具有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性等，但由于所用电刷和转换优良的控制特性等，但由于所用电刷和转换器是使用寿命较低，需要定期更换。器是使用寿命较低，需要定期更换。3.4.2 直流（直流（DC）伺）伺服电动机的驱动服电动机的驱动 要实现对直流电动机的速度和方向进行调节要实现对直流电动机的速度和方向进行调节控制，通常可用两种驱动控制方式：控制，通常可用两种驱动控制方式：晶体管直流脉宽调制驱动晶体管直流

7、脉宽调制驱动；晶闸管直流脉宽调速驱动晶闸管直流脉宽调速驱动；厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 在给定供电电压在给定供电电压U，由控制脉冲信号，由控制脉冲信号Ud控制控制晶体管晶体管VT的通断，从而使直流电动机得到脉冲的通断，从而使直流电动机得到脉冲驱动信号，改变脉冲控制信号的没一周期通电驱动信号，改变脉冲控制信号的没一周期通电时间，就可改变直流电动机的平均工作电压时间，就可改变直流电动机的平均工作电压Ua达到调速的目的；改变供电压和续流二极管的达到调速的目的；改变供电压和续流二极管的极性，便可改变直流电动机的转向。极性，便可改变直流电动机的转向。1）直流电动机的脉宽调速电路原理）直流电动机的

8、脉宽调速电路原理厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工dba厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工直流电机直流电机PWM调速电路调速电路晶闸管驱动晶闸管驱动直流电机直流电机PWM调速电路调速电路H桥驱动桥驱动厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工（1）常用交流伺服电动机常用交流伺服电动机永磁同步型（永磁同步型（SM）、电磁感应型（电磁感应型（IM）伺服电动机。伺服电动机。（2）基本工作原理）基本工作原理 检测检测交流伺服电动机交流伺服电动机（SM型型/IM型）气隙磁场的大型）气隙磁场的大小和方向，用电力电子转化器代替整流子和电刷，通小和方向，用电力电子转化器代替整流子和电刷，通过控制与气隙磁场方向相同的磁

9、化电流和与与气隙磁过控制与气隙磁场方向相同的磁化电流和与与气隙磁场方向相垂直的等效电流的方法，最终控制场方向相垂直的等效电流的方法，最终控制交流伺服交流伺服电动机主磁通量大小和转矩，实现对电机的有效控制，电动机主磁通量大小和转矩，实现对电机的有效控制，简称矢量控制方法。简称矢量控制方法。1）永磁同步型（）永磁同步型（SM）转子由永磁构成，不需磁化控制电流，只需检测磁转子由永磁构成，不需磁化控制电流，只需检测磁铁转子位置和定子绕组磁通矢量控制电流，实现对电铁转子位置和定子绕组磁通矢量控制电流，实现对电机主磁通矢量电流的控制，从而获得对电机的速度和机主磁通矢量电流的控制，从而获得对电机的速度和位置

10、控制。位置控制。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工CONV.整流器；整流器；SM同步电机；同步电机；INV.变换器；变换器；PS磁极磁极位置检测器；位置检测器；REF速度基准；速度基准；IGF电流函数发生器；电流函数发生器；SC速度放大器；速度放大器；CC电流放大器；电流放大器；RD速度变换器；速度变换器；PWM脉宽调制器；脉宽调制器；P.B.U再生电力吸收电路。再生电力吸收电路。iwiviuSMPSPWMCCIFGSCRDREFAC输入CONV.P.B.U.INV.GRTGRTGRTGRTGRTGRTGRTGRTi厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工交流电机CONV.位置指令AC输入GRTGR

11、TPWMGRTiGRTGRTGRTGRTiiwviuP.B.U.INV.位置控制速度指令放大器矢量处理电路脉冲放大检测器厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 r1,X1定子绕组阻抗和漏抗；定子绕组阻抗和漏抗；r2,X2转子绕组阻抗和漏抗；转子绕组阻抗和漏抗；rm,Xm铁芯等效阻抗和主磁通所对应电抗；铁芯等效阻抗和主磁通所对应电抗；Im负载范围内不变。负载范围内不变。S转差率转差率I1ImI2XmX1X2r12rrm1-ss2rU1I2I1Ima)交流电机等效电路b)电流矢量2221IIIm厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工重点掌握：重点掌握：1 1）执行元件的主要类型和特点。）执行元件的主要类型

12、和特点。2 2）机电一体化系统（产品）对执行元件基本要求。）机电一体化系统（产品）对执行元件基本要求。3 3）常用控制电机类型与主要特点。）常用控制电机类型与主要特点。4 4）机电一体化系统对伺服控制电动机基本要求。）机电一体化系统对伺服控制电动机基本要求。5 5）典型伺服控制电动机的主要特点和选用原则。）典型伺服控制电动机的主要特点和选用原则。6 6）步进电动机的运行特性与主要性能指标。）步进电动机的运行特性与主要性能指标。7 7）步进电机的驱动与控制（驱动电路、变频控制）步进电机的驱动与控制（驱动电路、变频控制信号、环形脉冲分配器、功率放大器、细分驱动信号、环形脉冲分配器、功率放大器、细分

13、驱动电路、典型细分驱动电路）。电路、典型细分驱动电路）。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工1 题：简述机电一体化系统中对执行元件的题：简述机电一体化系统中对执行元件的分类与特点（优缺点）。分类与特点（优缺点）。2 题：机电一体化系统的执行元件的基本要题：机电一体化系统的执行元件的基本要求是什么？求是什么？3 题：步进电机具有哪些特点与环形分配方题：步进电机具有哪些特点与环形分配方式是什么？式是什么？4 题：步进电机驱动电源功率放大器电路种题：步进电机驱动电源功率放大器电路种类以及工作原理是什么？类以及工作原理是什么？5 题：步进电机细分电路的特点、细分方式题：步进电机细分电路的特点、细分方式和原理是什么？和原理是什么？厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工谢谢